轉化生長因子β1受體在血管壁穩態及主動脈疾病中的研究進展

洪俊謀，王志維

(武漢大學人民醫院心外科,武漢 430060)

胚胎動脈新生發生于原始心管搏動后，血管內皮感受到原始心管搏動所帶來的血液流動，致使其發生類似于上皮細胞間質化的改變，使得內皮細胞得以通過出芽的形式延伸，并逐漸募集周細胞和平滑肌細胞，最終形成成熟的心血管系統。研究表明，轉化生長因子β1受體(TGFβ1)通路在調控內皮活化和周細胞-內皮細胞相互作用中具有極其重要的作用；與此同時，其也是維持血管壓力、血管穩態平衡的重要節點，高血壓及血管穩態失衡是主動脈夾層、主動脈瘤發生的主要病理生理因素。因此，我們可以發現，由TGFβ1主導的血管發育及血管穩態的維持，與主動脈夾層發病過程中的集體病理生理學變化存在極大的生物學共性。本文將以動脈生成過程中涉及到的血流動力學、TGFβ1通路與血管壁穩態的模型，用以闡述主動脈瘤、主動脈夾層發病的部分機制。

1 TGFβ1參與血管發育和穩定

血管壁中膜主要由平滑肌細胞和周細胞構成，兩種細胞在血管新生過程中主要由血液循環中骨髓間充質干細胞分化而來[1]。在血管系統發育成熟的過程中，由大動脈逐漸發育至小動脈的過程中，血壓隨動脈直徑的減小而逐級下降，管壁中膜厚度逐層減少。目前研究鮮少關注血管壓力與血管中膜發育之間的關系與相關機制。1976年原位成像技術首次證實了高血壓會導致阻力血管中膜平滑肌細胞增加[2]。動物實驗證實，高血壓也會造成小動脈中膜增厚為特點的血管重塑[3-5]。最初血管形成的時候，血流壓力對于血管形成具有極其重要的作用。在胚胎時期，血管新生是心血管系統發育和成熟的主要方式，主要包括出芽式血管新生和套疊式血管新生。出芽式血管新生最為普遍，生物學上主要概括為：(1)基底膜降解；(2)內皮細胞的遷移和增殖；(3)管腔形成；(4)血管重塑。從結構的發育上分為：(1)內皮祖細胞的擴增和分化；(2)血管網絡的增長相互交聯；(3)募集周細胞(PC)或血管平滑肌細胞(VSMCs)形成血管的支持結構[6]。

血管新生依賴于血流動力的改變[7]。原始心管搏動對于血管新生有重要作用。相關研究表明，敲除心肌興奮-收縮相關基因(mlc2a、ncx1、Titin)使得原始心管搏動能力減弱，進而阻滯血管新生過程[8]。因此，原始心管搏動產生的血流壓力和剪切力是誘發血管新生的重要因素。

2 TGFβ1受體參與血管新生過程及血管壁穩定維持

血管新生受到多種生長因子的調控，其中TGFβ通路是調控該過程最重要因子之一。在血管新生過程中，內皮細胞TGFβ1受體家族(TGFBR)成員I型受體活化生長因子1(ALK1)、Endoglin的表達時間與血島細胞進入原始血管時間同步。同時，局部血流增加會刺激血管新生部位內皮細胞的ALK1表達。目前，究竟是血島細胞還是管腔壓力的改變進而介導了內皮細胞TGFBR的表達目前尚不清楚。有研究者推測心管收縮造成的壓力可能是促進ALK1表達的主要原因。研究發現，斑馬魚的新生血管盲端處內皮血管內壓力最高，且此處內皮ALK1高表達。研究者推測，ALK1在內皮的高表達或許是驅動了該處內皮細胞向外遷移的主要原因[9]。在模式動物的研究中，敲除內皮細胞ALK1可以導致血管擴張、管壁周細胞和血管平滑肌細胞的消失，造成血管壁的發育異常[10]。并且敲除其下游的smad4也可以導致血管壁中層消失[11]。有研究者將ALK1基因敲除的轉基因小鼠骨髓移植至正常小鼠，發現通過局部VEGF注射后可以導致局部新生血管發生血管瘤。這種實驗性血管瘤在病理上也表現為血管壁中膜的缺失。理論推測是由于局部VEGF募集ALK1缺陷型內皮祖細胞，其雖然可分化形成血管腔，但是無法募集骨髓間充質干細胞聚集和分化，構成正常血管壁中膜[10]。TGFβ1另一受體Endoglin 也影響內皮細胞對于周細胞的募集，進而影響血管壁的形成[12]。在病理生理條件下，血流和壓力的改變促進了Endoglin和ALK1的相互作用，并大幅度增加ALK1對于其配體的敏感性，從而磷酸化激活smad1/5/8，增強周細胞的募集能力。這種募集能力可能與內皮細胞表達PDGF-BB密切相關[10]。

血管發育到一定程度時，內皮細胞將由激活狀態轉換至穩定狀態。這種狀態的改變與管壁周細胞對其的反饋作用相關。研究表明周細胞可能來源于骨髓CD44+干細胞，CD44+陽性細胞的減少可以導致新生血管的穩定性減弱[13]。由內皮細胞與周細胞共同組成的血管基底膜是維持內皮穩定的重要屏障。內皮細胞可以分泌大部分的基底膜成分蛋白，但是也可以自發性分泌金屬蛋白酶，而周細胞可以分泌組織金屬蛋白酶抑制蛋白家族(TIMPs)，抑制內皮細胞自發水解基底膜的功能。在腫瘤的新生血管中，周細胞通過Cx43與內皮細胞形成縫隙連接，可以促進內皮穩定。有趣的是，TGFβ1對于內皮細胞和周細胞的作用也不相同，高濃度情況下TGFβ1激活內皮ALK1進而誘導其下游smad1/5/8的激活，使得內皮細胞活化；而低濃度即可促進平滑肌ALK5激活，并激活其下游PAI-1、Smad7、促進纖維素和彈力纖維的分泌，并抑制內皮細胞水解基底膜的能力[14]。目前，腦血管周細胞ALK5表達缺失可以減少TIMPs分泌，導致血腦屏障被破壞和彌漫性基質-腦室內出血[15]。目前大多觀點均認為周細胞與內皮細胞的相互作用是維持血管穩態的主要機制，而周細胞對于內皮細胞的分子反饋性調控仍不十分清楚，有待進一步研究。

3 血管新生的理論模型

血管的新生可以概括為，血流動力改變導致的壓力或者剪切力誘導內皮細胞ALK1的表達，進而使得ALK1活化，并在此過程中逐漸募集血島來源性的干細胞，形成周細胞、平滑肌細胞等，構成血管壁。而隨著平滑肌細胞的移入，TGFβ1轉而促進募集的周細胞ALK5活化，使內皮細胞由激活轉為靜止，維持血管穩定。

在血管新生的分子機制上，可以作出合理猜想，即在血管病變過程中，管腔壓力與管壁韌性之間平衡紊亂。管壁進行性生長，周細胞進行性增多進而導致了血管斑塊、狹窄、纖維化等一系列病變的發生；管壁周細胞募集能力減弱，或者周細胞對內皮細胞反饋抑制的能力減弱，導致了動脈發育不良或管壁韌性減小，形成動脈瘤、動靜脈畸形，甚至在一定程度上誘發了動脈夾層的發生。

4 血管新生模型解釋主動脈疾病

4.1 TGFβ1異常影響高血壓病 主動脈具有血流量大，血流壓力高，局部血流動力復雜的特點。臨床上，主動脈夾層和主動脈瘤的患者大多有原發的高血壓病。研究發現TGFβ1與高血壓密切相關，伴有心房顫動及心臟損害的高血壓患者的血清TGFβ1明顯升高[16]。已證實TGFβ1基因的多態性、血清TGFβ1水平與高血壓以及所導致的高血壓器官損傷之間存在相關性[17-19]。TGFβI型受體TGFB1的915C 單核苷酸多態性(SNP)與歐美人群高血壓風險相關[20-21]，869C多態性與亞洲人群的高血壓風險相關[22]。

轉基因動物研究中，高血壓也與血清中升高的TGFβ1濃度密切相關[23]。同時也發現，阻斷TGFβ1信號通路可以緩解大鼠高血壓病[24]。Emilin1可以通過結合pre-TGFβ抑制TGFβ1成熟，當Emilin1缺失后，大量TGFβ1成熟，并上調TGFβ1信號通路[25]。Emilin1敲除小鼠顯示血管壁中的TGFβ1表達增加，同時血壓明顯高于野生型小鼠，在病理上體現為血管腔增厚和管腔直徑減小。同時，Emilin1聯合TGFB1敲除后，高血壓可以被抑制[25]。這也說明TGFβ1通路的升高與血管重塑現象密切相關。

4.2 TGFβ1受體異常參與血管壁穩態失衡 血流動力刺激促進內皮ALK1的表達，并通過PDGF-BB等信號募集循環中的周細胞和平滑肌細胞。胚胎時期ALK1的效應高于ALK5的效應。這可能是因為胚胎時期BMP家族成員主要激活ALK1所導致。而成人中BMP濃度相對于胚胎時期的濃度減少，僅剩下相對低的TGFβ1，而周細胞僅表達的ALK5，對TGFβ1的敏感性高于ALK1，并表現出拮抗ALK1的效應。假設血管壁的穩態失控與此相關，發育過程中ALK1激活減少、ALK5的突變，或者過高濃度的TGFβ1同時激活了ALK1和ALK5均可以表現出周細胞和平滑肌分泌TIMP減少，導致血管中膜細胞外基質的降解，從而破壞血管壁的穩態。

ALK1的突變是HHT的主要原因之一，有報道其突變可以導致患者發生主動脈瘤[26]。特異性敲除主動脈ALK5和TGFβ1的小鼠會自發形成主動脈瘤[27-28]。局部過高的TGFβ1也有可能使ALK1和ALK5同時激活，導致血管中膜細胞外基質降解。例如，馬凡綜合征患者由于FBN1基因突變，導致基底膜和彈力纖維上固定TGFβ1的分子結構消失。TGFβ1大量脫落誘導了ALK1和ALK5的同步激活，MMPs家族分泌占據主要優勢，水解細胞外基質。這也是這類患者易發主動脈夾層和主動脈瘤的機制之一[29-30]。I型Loeys-Dietz 綜合征患者存在TGFβ1突變，然而臨床標本提示TGFβ1的下游通路反而呈現過度激活，學者推測可能與代償機制相關，但是具體機制需要進一步研究[31]。

5 問題與展望

目前諸多的研究均證明了血流動力影響了血管TGFβ1通路活性和血管壁穩定。而內皮細胞對于血流的直接感受器目前仍研究較少。不僅如此，在小動物主動脈整體結構中，主動脈內皮及其滋養血管的內皮在光鏡下難以辨別，也導致了相關研究進展緩慢。隨著冰凍激光切割和單細胞測序技術的逐漸成熟，內皮參與的主動脈疾病的機制將被進一步闡述。