升主动脉瘤中细胞外基质与信号调节研究进展

蒙延海综述，常谦审校

升主动脉瘤(ascending thoracic aortic aneurysm，TAA)是一种具有潜在致命性的大血管疾病，其危害性在于常继发主动脉瘤的破裂、主动脉夹层的发生及严重的主动脉瓣关闭不全［1］。升主动脉瘤的病因和发病机理相当复杂，目前多数结论来自于腹主动脉瘤的研究，但是二者在胚胎学起源、血流动力学变化及风险因子等方面明显不同［2］。近几年来有关升主动脉瘤的病因和分子学机制的研究较多，目前认为主动脉壁细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的变化参与了升主动脉瘤的发病，影响ECM合成和降解的信号调节在升主动脉瘤中的作用也得到了进一步的研究。

1 升主动脉的主要特点及升主动脉瘤的分型

升主动脉是紧接左心室具有复杂功能的管道。动脉壁由两个弹力板层分为三层结构:内膜、中膜、外膜。主动脉壁基本的结构和功能单位是层单元，由血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells，vSMCs)和细胞外基质构成。研究表明升主动脉中层单元的数目远高于腹主动脉(55～60 U vs 28～32 U)［2］。细胞外基质包括弹力纤维、胶原纤维、微纤维和蛋白聚糖等。其中胶原纤维和弹力纤维是细胞外基质的主要成分，分别占主动脉干重的20%和41%［3］。在主动脉壁的正常生理过程中细胞外基质起了重要的作用，其各种成分的含量变化或功能障碍可以促进升主动脉瘤的发生发展。

升主动脉瘤可分为两大类［4］，一类是与基因突变无明显关联的散发升主动脉瘤(sporadic TAA)，包括退行性变性、炎症性、自身免疫性、感染性、损伤性主动脉瘤，大多数以炎症和免疫细胞的侵入为特征，合并有细胞外基质的降解或弹力蛋白的崩解，其确切的分子学机制尚不清楚，好发于老年人。另一类是与基因突变相关的升主动脉瘤，这一类又分为基因突变导致一系列异常综合征的升主动脉瘤(syndromic TAA)及与基因突变相关但并非综合征的家族性升主动脉瘤(familial TAA)两类，前者包括马凡综合征(原纤维蛋白-1减少)，Loeys-Dietz［转化生长因子(TGF)-β受体1和受体2突变］综合征和艾—当综合征(编码Ⅲ型胶原的COL3A1基因突变)等，后者常以升主动脉瘤为单一临床表现，但是有遗传的家族史，多为常染色体显性遗传。目前已经鉴别且被详细描述的家族性升主动脉瘤的基因突变包括TGF-β受体，ACTA2(编码平滑肌细胞α2肌动蛋白的基因)和MYH11(编码平滑肌细胞内一种特异性收缩蛋白β-MHC 的基因)［4］，好发于年轻人。

2 有关升主动脉瘤中细胞外基质主要成分的研究

2.1 胶原蛋白和弹力蛋白

Ⅰ型和Ⅲ型胶原是主动脉壁胶原纤维的主要成分，主要分布在中膜和外膜，提供抗张强度和硬度。除了具有的机械强度之外，胶原蛋白还具有其独特的功能特性，包括激活细胞间信号途径，通过整合素α1与细胞表面的受体结合影响细胞的粘着和增殖［5］。因此，胶原的突变可以直接改变主动脉壁的结构和功能，从而导致了升主动脉瘤的形成。比如编码Ⅲ型胶原的COL3A1基因突变与艾—当综合征所致升主动脉瘤明显相关。弹力蛋白也是主动脉细胞外基质的主要成分，由中层平滑肌细胞合成，占胸主动脉壁干重的40%以上，是胸主动脉具有顺应性和回弹力的主要因素。弹力蛋白可通过整合素受体和弹力蛋白结合蛋白与平滑肌细胞相互作用，调节细胞支架肌动蛋白的组成及限制细胞的增殖和迁移等［6］。弹力蛋白的断裂和碎解在升主动脉瘤组织里普遍存在，其异常可导致平滑肌细胞不可控的纤维增殖状态，扰乱主动脉壁的正常代谢，从而引起升主动脉瘤的发生［7］。

2.2 原纤维蛋白

除了胶原蛋白和弹力蛋白，主动脉壁中的第三大成分是微纤维，具有独特的结构和信号传导功能。其中原纤维蛋白(fibrillin)和纤蛋白(fibulin，一种糖蛋白)是微纤维的两个主要组成成分。原纤维蛋白是与细胞外基质各成分如胶原、弹力蛋白等相互作用的细胞外微纤维，原纤维蛋白-1是辅助主动脉壁机械强度的主要成分，在弹力纤维周围形成网格状结构。它能隔绝和调节细胞外基质中生长因子及其他原纤维蛋白的作用，如TGF-β和骨形成蛋白(BMP，TGF-β通路中的信号分子)，也能通过整合素受体直接激活信号通路［4］。原纤维蛋白-1突变与马凡综合征致升主动脉瘤的发生密切相关。而原纤维蛋白-2主要参与了胚胎发育期主动脉壁的形态发生，在以后主动脉壁稳态的代谢过程中的作用并不突出［8］。

2.3 纤蛋白

纤蛋白是一类能调节主动脉壁内环境稳定的代谢调节因子家族，目前已发现有七个成员分子(纤蛋白-1～7)［9］。其中纤蛋白-5是细胞外基质中弹力蛋白的支架并且通过连接弹力蛋白和平滑肌细胞从而在弹力蛋白层的形成中具有重要的作用。缺乏纤蛋白-5的小鼠表现出明显的弹力蛋白病理，包括主动脉迂曲、皮肤松弛及肺气肿［9］。纤蛋白-4通过调节TGF-β1通路的活动参与了主动脉壁结构的完整性。低表达纤蛋白-4的小鼠表现出由于不规则的弹力蛋白沉积导致的升主动脉扩张、变硬和迂曲，研究发现这些变化与TGF-β1表达增加和基质金属蛋白酶-9(MMP-9)表达上调有关［10］。目前对纤蛋白在升主动脉瘤中的认识并不深入，有关纤蛋白的调节作用需要进一步的研究。

3 升主动脉瘤发病中相关信号调节:包括机械信号和生化信号

3.1 机械信号的调节

每一个心动周期中升主动脉壁都要遭受各种机械应力的作用包括血流引起的放射状劳损和切应力，这些力学信号对主动脉壁中各种细胞的排列、迁移、增殖和合成具有直接的作用。体外研究表明平滑肌细胞对于牵拉力的反应是改变增殖速率和增加胶原合成［11］。Della等［12］在研究主动脉瓣二瓣化(BAV)相关升主动脉瘤时认为机械应力对主动脉的作用可能是导致了局部平滑肌细胞的凋亡。并且与升主动脉其他的部位相比，其弧度最大的位置(受到的切应力最大)平滑肌细胞的凋亡最为显著。这些研究表明局部的应力和激活的应力传导通路在介导细胞与细胞外基质的相互作用时具有重要的作用。

根据拉普拉斯定律(P=2T/r，P代表回缩力，T代表表面张力，r代表半径。回缩力与表面张力成正比，与半径成反比)，透壁压力的增加可以增加主动脉的径向直径。在临床中这些变化主要表现为主动脉瘤直径的增加及平滑肌细胞的凋亡和重排。切应力即单位面积上的摩擦力是主动脉壁最主要的机械刺激，与血液粘滞度和血流速度成正比，与主动脉半径的3次方成反比。当高应力的升主动脉扩张时，会发生由内皮细胞至内皮下平滑肌细胞旁分泌信号的变化，最终导致平滑肌细胞增殖、收缩及合成等改变［4］。

3.2 生化信号的调节

由于升主动脉瘤的病因及病理不一，所以关于升主动脉瘤中生化因子及细胞信号通路的研究较复杂且互相交织或独立存在。目前的研究发现TGF-β1在马凡综合征所致升主动脉瘤中起着关键的作用［13］。炎症和氧化应激在散发升主动脉瘤中的作用及与TGF-β1、金属蛋白酶(MMP)之间相互作用可能的通路也正在研究中［4］。

TGF-β1:属于一类细胞因子大家族，对于心脏和血管的形态发生及维持血管壁细胞外基质的代谢稳定具有重要的作用。TGF-β1是升主动脉瘤发病机理中关键的作用因子，长期以来TGF-β1被认为能通过刺激胶原和弹力蛋白合成促进细胞外基质的生成，但是最近的研究表明:TGF-β1通过在基质中合成纤溶酶原激活物和释放MMP-2，9导致了细胞外基质的降解［4］。

最近的研究观察到马凡综合征致升主动脉瘤中TGF-β1活性和信号转导的增强［13］，表明TGF-β1通路在基因突变所致升主动脉瘤中的关键作用。原纤维蛋白-1的减少或突变能促进TGF-β1的释放并增加它的活性，后者通过顺序激活平滑肌细胞内Smad蛋白(胞内转录信号分子)和有丝分裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MARK)通路发挥作用。另有研究发现一种细胞外基质糖蛋白Emilin 1通过与TGF-β1前肽结合并阻止其在细胞外的成熟抑制了TGF-β1的信号转导［4］。Emilin 1敲除的小鼠表现为高血压和主动脉壁细胞形态和弹力蛋白的改变［14］。有关这种细胞外基质糖蛋白在升主动脉瘤中具体的作用及信号通路正在研究中。

金属蛋白酶/金属蛋白酶抑制剂(MMP/TIMP):是一类能降解细胞外基质、重塑细胞外基质蛋白的锌指酶类。MMP可由平滑肌细胞、成纤维细胞和炎症细胞(单核细胞和巨噬细胞)产生和释放［15］。MMP降解细胞外基质主要是通过对细胞外基质中各种成分的蛋白水解作用，TIMP作为内源性抑制剂可以直接与之结合并使之失活。MMP表达和活动的调节主要在转录水平上，MAPK和NFκB(调控免疫和炎症反应的转录蛋白)信号通路的分子能够调节MMP的转录［15］。

MMP的降解是升主动脉瘤的特点之一，多项研究均表明在家族性或散发升主动脉瘤的标本中都有MMP的过表达，而正常主动脉壁中MMP表达很少［16，17］。这些研究也表明在不同病因主动脉瘤中其MMP的表达是不一致的。由于各个研究缺乏均一性，比如主动脉标本获取的位置、局部区域MMP表达的差异及获取标本时瘤径的大小等变异，要想准确描述疾病特异性的变化是很困难的。但是一些重要因素的差异还是很明显的，比如BAV相关升主动脉瘤就以主动脉壁中MMP-2的表达增加为特征。Ikonomidis等［16］完成的一项有关升主动脉瘤中蛋白酶表达的研究表明MMP-14在BAV相关升主动脉瘤中的表达是增加的。最近的一项关于马凡综合征小鼠模型的研究则表明小鼠中MMP-2和MMP-9表达增加及时间依赖性的MMP-2/TIMP-2比值增加。

有关升主动脉瘤标本的基因芯片研究发现在病变组标本中金属硫蛋白的表达下调，培养病变组主动脉平滑肌细胞检测到金属硫蛋白的合成减少。金属硫蛋白的确切作用并没有完全清楚，但是它被认为可以影响主动脉壁中MMP的表达，这可能是调节MMP活动的重要机制。

4 结语

综上所述，升主动脉瘤是一种既与先天性基因突变有关又与各种环境改变相关的多病因性疾病，其确切的分子机制尚不清楚。细胞外基质作为主动脉壁的主要成分在升主动脉瘤的发病中起到了重要的作用，导致细胞外基质各成分含量或功能改变的通路和分子都可能参与升主动脉瘤的发生。研究升主动脉瘤的分子机制将为临床预防和延缓升主动脉瘤的发生发展起到重要的指导作用。

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