神經嵴細胞參與心血管發育過程研究進展

付夢霞 徐蓮 葉茂青(通訊作者)

（上海瑞金醫院/上海市高血壓研究所 上海 200025）

1.心臟發育與先天性心臟病

先天性心臟病是發病率最高的新生兒先天性發育缺陷疾病之一，患病率高達1%,可導致兒童嚴重的殘疾和極高的死亡率[1]。對先天性心臟病的防治消耗了大量的公共醫療資源，是一個重要的全球性健康問題，但是對哺乳動物心臟發育過程及其相關分子調控機制尚未完全闡明。

心臟起源于中胚層前側板的心臟祖細胞。在小鼠胚胎第6.5天(E6.5)，心臟祖細胞在中胚層前側板后部形成左右生心區，隨后左右生心區融合于胚胎前側形成新月形生心區[2]。新月形生心區在E8.5發育形成原始心管。心管具有極性，頭部與動脈連接是流出道，尾部與靜脈相連為流入道，隨著發育過程，心管從頭到尾出現三個膨大，依次為心球、心室和心房。隨后，原始心管經過彎曲和旋轉，伴隨著心腔的分割與發育，最終形成了一個有四個腔室的功能完整的心臟。心內膜墊是在胚胎發育過程中，局部心內膜細胞被誘導轉化為間質細胞所形成的復雜結構，心內膜墊形成后，通過一系列的細胞增殖、分化、凋亡以及細胞外基質重塑過程，參與心腔間隔和心臟瓣膜的構建。心臟室間隔與心臟瓣膜的形成及成熟過程涉及了多種細胞間的相互作用，其中心臟神經嵴細胞(Cardiac Neural Crest Cell，CNCCs)在此過程中起著重要作用[3]。同時，CNCCs也參與了心臟流出道的形成，在主動脈、肺動脈以及主肺動脈隔的發育過程中至關重要。此外，CNCCs在心臟起搏傳導系統的組織形成與功能構建過程中也扮演了重要的角色。

2.心臟神經嵴細胞

神經嵴細胞(Neural Crest Cell，NCCs)起源于外胚層，是一類胚胎時期的干細胞群體。最早在胚胎第8.5天(E8.5)產生于神經管的最背側，具有極強的遷移特性和廣泛的分化潛能，能夠衍生出多種細胞類型。在胚胎發育過程中，NCCs遷移途徑有三條，（1）經顱骨途徑遷移分化為顱面部間充質，如面部軟骨及中耳、下頜的骨性結構、顱神經、結締組織、胸腺細胞、成牙質細胞等[4]；（2）經軀干途徑遷移入體節的前半部，部分NCCs分化為背根神經節以及感覺神經，部分NCCs穿出體節分化為軀體交感神經節、腎上腺髓質、主動脈神經叢、迷走神經和腸的副交感神經節，其中的一部分NCCs則分化為黑色素細胞；（3）部分NCCs可經腹側途徑遷移進心臟流出道，參與心臟的發育過程，我們稱之為心臟神經嵴細胞(CNCCs)。NCCs發育缺陷可導致先天性心臟病以及多種先天性發育缺陷疾病，如顱面部及四肢骨骼畸形，顎面心綜合征（患者表現為唇裂、下頜及耳發育不良、心血管缺陷等），希爾施普龍病（由于末梢結腸的腸內神經系統缺失導致巨結腸）以及眼前節發育不良[4]等。

CNCCs是心臟發育所必需的，該細胞群起源于耳部水平到第4體節前部區域神經嵴[4],CNCCs從神經管背側遷移到第三、四和第六咽弓，其中一部分則繼續遷移進入心臟流出道，參與了心臟流出道的形成并構成主肺動脈隔,形成主動脈弓的內皮層和大動脈的血管平滑肌層。CNCCs的一個亞群繼續遷移到心臟流出道的心內膜墊并發育成升主動脈和肺動脈瓣膜，并參與了心室間隔的發育,小部分可分化為心肌[5]。CNCCs還參與心臟起搏傳導系統的發育：一部分CNCCs遷移進竇房結、房室結、希氏束以及各束支起始部，參與房室傳導系統的發育[6]。在人體以及動物模型中，CNCCs的發育缺陷將影響心臟流出道、大血管和心房、心室間隔的形成，導致先天性心臟病的發生。

3.參與調控心臟神經嵴細胞發育的相關信號通路

NCCs作為一個特殊的干細胞群,表達了一些特征性的基因 , 如 Islet1、cKit、Wnt、PAX3、PAX7、TWIST1、Ets、MSX2、HAND2、SOX10和FOXD3等,其中Wnt1和SOX10作為NCCs的標志基因，常用于對CNCCs的標記和研究。CNCCs的誘導和遷移需要一系列特定受體和信號分子的相互作用,包括Notch、Wnt、BMP、FGF、NPR等，這些信號因子激活一系列轉錄因子的表達,如編碼的 HIF、Snail/Slug、tfAP2、Twist、Ets、Foxd3、SoxE等基因,調控了CNCCs的增殖、遷移和分化。其中Notch、Wnt/catenin和TGF-β/BMP信號通路對CNCCs的分化發育最為重要。

Notch：Notch是膜受體蛋白,Notch信號通路廣泛參與調控了細胞命運、分化、增殖和凋亡。在小鼠NCCs敲除Notch會導致小鼠心臟流出道發育缺陷以及肺動脈狹窄、室間隔缺損和主動脈弓動脈形成缺陷。進一步研究表明,Notch在CNCCs分化成平滑肌細胞的過程中起關鍵作用[7]。

Wnt：Wnt信號通路參與決定細胞命運以及調控胚胎的發育過程。經典的Wnt信號通路包括Wnt蛋白、Wnt受體、Dsh/Dvl蛋白、β-Catenin及TCF/LEF家族轉錄因子。在NCCs中表達的Wnt蛋白有Wnt1、3、3a等，Wnt3a信號通路異常所引起的NCCs缺陷會導致心臟和咽弓發育缺陷。Wnt信號通路的下游效應因子Axud1也在心內膜墊發育過程中表達,激活轉錄干細胞因子FoxD3促進心內膜墊的發育和分化[8]。

BMP：骨形成蛋白（BMP）除BMP-1外其余均屬于轉化生長因子-β（TGF-β）超家族, BMP信號通路參與CNCCs的細胞命運決定。BMP信號通路在心臟生心區形成時就被激活,敲除BMP拮抗劑—Noggin基因的老鼠，可以觀察到由于CNCCs增多所致的心內膜墊增生[9]。

ETS：轉錄因子ETS家族有近30個成員，因具有保守的DNA結合結構域—“Ets”結構域而命名。ETS廣泛表達于各個組織器官中，我們課題組的研究顯示ETS-1在小鼠心臟發育過程中發揮了極其重要的作用：ETS-1在小鼠體內的缺失可導致心室間隔缺損，部分心肌細胞軟骨化等發育缺陷。我們的臨床研究也表明ETS-1缺失和人類先天性心臟病的發病密切相關。進一步研究發現ETS-1對心臟發育的影響是通過對CNCCs的調控來實現的[10]，其具體分子機制仍有待探索。

Rho/Rock：小GTP結合蛋白Rho是Rho家族成員之一，Rho激酶ROCK為Rho下游的效應因子,Rho/ROCK通路在細胞遷移和增殖過程中發揮了重要作用，參與調節了內皮-間質轉換過程。Rock信號也為心臟流出道的正常發育所需,Rock敲除小鼠表現為二葉式主動脈瓣和動脈壁異常[11]。

FGF：成纖維細胞生長因子蛋白是FGF家族成員，FGF家族包含有與酪氨酸激酶FGF受體結合的分泌蛋白和胞內非信號蛋白。FGF8是一個對于咽弓發育極為重要的蛋白分子。抑制FGF的表達可影響斑馬魚的心臟發育。FGF1受體（Fgfr1）表達下降的NCCs遷移能力下降,最終凋亡。敲除Fgfr1/Fgfr2可影響心臟內皮-間質的轉換過程，還會影響NCCs分化為平滑肌細胞[12]。

4.結語

CNCCs參與了心臟發育，在流出道大血管形成、心室間隔以及心臟起搏傳導系統發育過程中都發揮了極其重要的作用。NCCs的發育異常將導致嚴重的先天性心臟病。CNCCs參與心臟發育的過程由復雜的信號通路調控,但目前對CNCCs在心血管系統發育過程中的作用及其調控機制的認識依然十分有限。全面闡明CNCCs在心血管系統發育過程中的作用及其調控機制將有助于加深對先天性心臟病發病機制的理解，為人類先天性心臟病的早期篩查、預防和預后判斷提供重要的理論依據。

【參考文獻】

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