PDGFRα 在心臟發育和心臟疾病中的作用進展

王鳳姣

脊椎動物心臟發育是一個復雜的過程，需要特定基因的精確時空表達， 需要大量轉錄因子的調控，此過程中任何一個環節稍有差錯就可能導致心臟發育不正常。 世界衛生組織將心血管疾病列為人類生命的第一殺手，了解參與正常心臟發育過程中的調控基因和信號分子有助于人們深入理解心臟疾病的發生和發展，為臨床治療提供理論基礎。

1 心臟的發生與發育

心臟是哺乳動物胚胎發育過程中最早形成的器官，通過產生有效的血流為機體的組織和器官提供氧氣和營養物質。 心臟起源于臟壁中胚層，人類的心臟發育從胚胎21 天（Day21）左右開始，小鼠的心臟發育從胚胎6 天（E6）左右開始。在小鼠心臟發育過程中，E6 出現雙側生心區，隨后生心區細胞遷移融合并在E7 形成新月形結構， 該區域也被稱為第一心區（First Heart Field，FHF）。 新月結構逐漸發育形成2 條原始心管并在E8.5 開始融合［1］。當心管開始收縮和泵血時，咽前中胚層和臟壁中胚層的第二心區（Second Heart Field，SHF）心臟前體細胞遷移至心管，參與心臟形成。E9.5 心管開始膨大、扭曲、變形等形成心球、原始心室、原始心房和靜脈竇［2］；E10.5 時起，心球和動脈干之間的隔膜、房室間隔、 原始心房內隔和原始心室內隔逐漸形成。E14.5 時，小鼠心臟結構發育已基本完成。

2 PDGF 和PDGFRα

血小板源性生長因子（Platelet-derived Growth Factor，PDGF）具有酪氨酸激酶活性，通過自分泌的方式刺激成纖維細胞、血管平滑肌細胞和神經膠質細胞的增殖和遷移［3-6］。 PDGF 有四種亞型，分別是PDGF-A、-B、-C 和-D， 形 成 四 種 同 源 二 聚 體PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-CC 和PDGF-DD 以及一種異源二聚體PDGF-AB。PDGF 的受體有兩種亞型：PDGFRα 和PDGFRβ， 這兩種受體均屬于Ⅲ型酪氨酸激酶受體家族 （receptor tyrosine kinases，RTK）。 生物體內的PDGFR 以二聚體的形式存在，分別為同源二聚體PDGFR-αα、PDGFRββ 和異源二聚體PDGFR-αβ。如圖1 所示，αα 結合除PDGFDD 以外的所有 亞 型， 而αβ 結合PDGF-AB 和PDGF-BB，可能結合PDGF-CC 和PDGF-DD。 1974年Ross 等首次在血清中檢測到PDGFRα，隨后的研究表明：PDGFRα 參與Ras-MAKP、PLCγ、PI3K 和Src 等信號通路，能驅動包括細胞增殖、細胞存活、細胞遷移、細胞外基質沉積和組織重塑因子沉積在內細胞反應。

圖1 PDGFRα 信號通路示意圖

3 PDGFRα 與心臟的發育

PDGFRα 能夠介導間充質細胞的分化和遷移等，對于心臟的發生和發育起著重要作用［7，8］。 小鼠胚胎心臟發育的過程中，早期中胚層細胞、心臟神經嵴細胞和SHF 來源的心外膜細胞及其衍生細胞（如心肌間質細胞和心臟成纖維細胞） 均能檢測到PDGFRα 的表達。 研究發現，PDGFRα 缺失的小鼠胚胎期易出現死亡，其原因是該小鼠存在心臟發育缺陷，而嚴重缺少血管平滑肌細胞小鼠出生后即快速死亡［3，9］。

3.1 PDGFRα 與心臟神經嵴細胞在心臟發育過程中， 心臟神經嵴細胞主要參與流出道的構建。PDGFRα 天然突變和無效突變的小鼠在心臟神經嵴發育過程中出現隱性缺陷，由此可知PDGFRα 信號轉導對于心臟神經嵴的發育是必需的。 Tallquist等［8］利用Cre/loxP 重組系統獲得在顱神經嵴細胞中條件性敲除PDGFRα 的轉基因小鼠，發現心臟神經嵴細胞中PDGFRα 的缺失會導致主動脈弓的形態異常、血管缺陷，其中最嚴重的血管發育缺陷為持續性動脈瘤。另外心臟神經嵴細胞中PDGFRα 的缺失也導致室間隔缺損。 該小鼠的顱神經嵴細胞能按照預定的方向遷移；分化為血管平滑肌的過程未出現異常； 細胞增殖和凋亡水平與野生型之間無差異。究其原因可能是PDGFRα 通過調節基質沉積等細胞反應參與調節主動脈弓區域重塑的過程出現異常或小鼠缺少PDGFRα 陽性的顱神經嵴細胞。此外， 內皮來源的間充質細胞的PDGFRα 信號傳導對神經嵴細胞的遷移起著一定作用，PDGFRα 在內皮來源的細胞中缺失會導致神經嵴細胞遷移的缺陷［10］。

3.2 PDGFRα 與心外膜在心臟發育過程中，早期胚胎心管原始心肌最外層的衍生物參與心外膜的形成。 最近的研究表明，心外膜對心肌的生長和成熟以及對心血管和結締組織的發育至關重要，是心臟發育不可或缺的組分。 Smith 等［11］的研究表明，心外膜中特異性敲除PDGFRα 的小鼠缺乏血管平滑肌細胞和心肌基質成纖維細胞。 該小鼠的PDGFRα 信號轉導出現異常并導致Sox9 表達降低，心外膜在上皮-間充質轉化失敗且不形成心外膜衍生細胞，因此缺乏血管平滑肌細胞和心肌基質成纖維細胞。 而Sox9 可以挽救該小鼠所見的上皮-間充質轉化缺陷。 因此，PDGFRα 對心外膜的上皮-間充質轉化具有重要作用。

3.3 PDGFRα 與心臟成纖維細胞PDGFRα 是心臟成纖維細胞發育需要的酪氨酸激酶受體，能夠指導心外膜來源的成纖維細胞的遷移和分化［11，12］。 心臟成纖維細胞是心臟的常駐種群，具有平衡細胞外基質（如膠原蛋白等）的產生和降解的作用。 其來源有兩種：一是起源于心外膜，在胚胎發育過程中心外膜細胞通過上皮-間充質轉變， 然后穿過心肌成為心臟成纖維細胞；二是起源于心內膜，也通過上皮-間充質轉變和遷移到心肌成為心臟成纖維細胞［13］。 Malin 等［14］的實驗結果表明這兩個心臟成纖維細胞譜系都需要PDGFRα 信號作為穩態生存信號。 當心臟損傷時，心臟成纖維細胞會活化成為肌成纖維細胞。 研究發現，心肌肥大或心臟纖維化過程中駐留的成纖維細胞增殖和擴張成為肌成纖維細胞。 Milena［15］利用SCA1 分選 出CD45-；CD31-；CD29+；mEFSK4+；PDGFR+；Sca-1+；Periostin+心臟成纖維細胞子集。 該心臟成纖維細胞子集能夠產生如Chemokine（C-C motif） ligand 11（CCL11）的 細胞因子和趨化因子。 CCL11 是調節嗜酸性粒細胞向心臟運輸的主要趨化因子［16］。 Renée 等［7］的研究結果顯示， 心臟成纖維細胞需要PDGFRα，PDGFRα 信號對心臟成纖維細胞的存活是必需的。 Klinghoffer等［17］發現磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信號傳導是PDGFRα 在鼠胚胎發育中的關鍵下游效應子。

3.4 PDGFRα 與心臟祖細胞PDGFRα 在小鼠和人類的心臟干細胞中表達，能夠識別SHF 區域后部的心臟祖細胞，是心臟祖細胞的已知標志物［18-20］。James 等［21］檢測人類胎兒和患病成人心臟中PDGFRα的表達時發現其在心外膜、心肌和心內膜的間質細胞以及冠狀動脈平滑肌中表達強，在內皮細胞和心肌細胞中觀察到PDGFRα 的低表達。 該結果提示PDGFRα 陽性的祖細胞是心外膜的衍生物。

4 PDGFRα 與人類心臟疾病

心臟病是人類健康的頭號殺手，其中心肌梗死和心力衰竭是造成這種致死性的根本原因。 在長期的心力衰竭中， 間質纖維化會在整個心臟內累積，導致心肌壁和隔膜的僵硬， 并逐漸惡化心臟功能。心肌梗死后急性愈合纖維化和心力衰竭期間長期進行性間質纖維化主要是由成纖維細胞的激活和功能介導。 PDGFRα 在心臟發育過程中能夠促進心臟纖維化，也能在損傷后驅動組織炎癥反應，如內皮損傷后的傷口愈合并刺激局部成纖維細胞活化。

小鼠中PDGFRα 的激活會導致包括心臟在內的多器官纖維化， 其配體Pdgf-a 和-c 過表達的小鼠心臟也出現不同程度的纖維化，而腺病毒介導的Pdgf-a 和-c 加速了心臟纖維化和慢性排斥反應的轉移［22-25］。 Pdgf-a 過表達產生的較強的纖維化作用是由心臟間充質細胞中的PDGFRα 介導的，PDGFRα 信號可能是細胞外基質變性和纖維化反應的來源。心肌注射表達PDGFs 的腺病毒也可能通過激活PDGFRα 導致炎癥反應增加。通過觀察心臟發育過程中PDGFRα 表達模式和α-MHC-PDGF轉基因小鼠的表型，Gallini 等［26］認為PDGFRα 陽性細胞參與了纖維化反應，是纖維化反應的關鍵參與者。部分PDGFRα 陽性的細胞起著間充質細胞的作用，在炎癥或損傷中能分化為內皮細胞或具有作為原 纖 維 化 細 胞 的 能 力［27］。 Wang 等［28］的 研 究 發 現PDGF-AA/PDGFRα 信號通過激活c-Kit 激活了心臟成纖維細胞。

5 PDGFRα 與心臟再生治療

成年人類心臟中PDGFRα 表達的研究主要是對成年心臟異體移植活檢進行分析，在心臟移植前PDGFRα 的表達水平低，移植后1 周表達明顯提高并在移植1 年后恢復基線水平［29，30］。 這與PDGFRα在組織損傷修復中的作用息息相關。 此外在心臟修復和再生方面， 心臟修復細胞療法被廣泛地研究。越來越多的人推測，通過在進入受損心臟之前增加候選細胞可以彌補心臟細胞療法的不良療效。 心臟祖細胞已被運用到心臟和再生的修復工作中。 成年人體內存在內源性心臟祖細胞，這些細胞具有長期自我更新能力，具有能分化為心肌細胞、血管平滑肌細胞和內皮細胞的能力， 在損傷后新的心臟組織的形成中可能有促進作用［21，31-33］。在心臟再生臨床試驗中， 已經測試了幾種成年干細胞群體的心臟修復效果，并取得了令人鼓舞的臨床前和臨床結果［34-36］。

James 等［21］發現PDGFRα 陽性細胞在體外分化后表達平滑肌α-肌動蛋白和平滑肌肌球蛋白或者內皮細胞標記蛋白CD31， 即PDGFRα 陽性細胞在體外分化可產生平滑肌細胞和內皮細胞。Le 等［37］從8 個未患病的人類心臟樣本中分離了心臟祖細胞，所得細胞對成纖維細胞標記波形蛋白、間充質細胞標記PDGFRα 和CD90 以及多能性基因SOX2、MYC 等呈強陽性。 該細胞在體外能分化為平滑肌、內皮細胞和心肌細胞樣， 具有多潛能性。 PDGFRα陽性的心臟祖細胞群體高表達心血管標志物，能分化為心血管譜系。單細胞測定法證明了PDGFRα 陽性心臟祖細胞的克隆形成性，并具有較長的自我更新能力。 Le 等［38］進一步表征表達PDGFRα/CD90 的心臟間充質細胞，并使用人類端粒酶反轉錄酶過表達來增加心臟間充質細胞誘導心肌梗死后修復心臟的能力。 PDGFRα 陽性的心臟間充質細胞是心臟成纖維細胞中一個具有高可塑性的亞群。 而過表達人類端粒酶反轉錄酶的PDGFRα 陽性的心臟間充質細胞提高了其在細胞存活、細胞分化、基質調節和血管生成等方面的能力。 心肌梗死的大鼠在移植該細胞群后心臟功能得到增強。 由此可見PDGFRα陽性的心臟間充質細胞在人類端粒酶反轉錄酶再生能力和心肌梗死后的心臟修復得到增強。

心臟PDGFRα 陽性細胞似乎可以維持人心臟的血管和間質區室，具有祖細胞的特性。 人類心臟祖細胞的表征對于當前的心臟修復和再生工作非常重要，因此有必要對PDGFRα 陽性細胞在心臟修復療法進行進一步研究。

6 小 結

PDGFRα 參與心臟的發生和發育，其缺失或異常激活均導致心臟發育異常。 PDGFRα 基因缺失或異常激活的小鼠為心臟的病理研究提供實驗模型，如PDGFRα 基因突變的小鼠表型類似于心臟神經嵴細胞缺陷性疾?。籔DGFRα 基因敲除的小鼠表型類似于心肌致密化不全；PDGFRα 基因過表達的小鼠表型類似于心臟纖維化。 因此，PDGFRα 可作為心臟疾病治療的潛在靶點，對PDGFRα 在心臟發育過程中的作用機制研究將有助于更好地理解心臟的發育過程、心臟疾病的發生和治療。