血管平滑肌细胞表型转化及相关机制

崔源源 综述 王欣 赵福海 审校

(中国中医科学院西苑医院心血管病中心，北京100091)

成熟的血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells，VSMC)具有较高的细胞特异性，主要表现为收缩血管、调节血压和血流分布等功能。分化成熟的VSMC表现为极低的增殖率和合成性。由于VSMC具有强大的表型可塑性，受损的VSMC可进行表型转换，进而在心血管疾病中扮演着重要角色，如动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)、高血压等[1-3]。AS涉及多种细胞参与，包括肥大细胞、淋巴细胞、内皮细胞和VSMC。VSMC在斑块形成和发展过程中具有不同的作用。在斑块形成中，70%的斑块成分是由VSMC或其衍生物组成；在斑块进展中，中膜层的VSMC向内膜层延伸，造成血管管腔狭窄。在斑块恶化过程中，VSMC凋亡和/或与激活金属蛋白酶、炎症介质等相互作用，促进斑块破裂，诱发晚期心血管事件。现就VSMC受刺激后转化成不同的表型及相关机制做一简要概述。

1 VSMC转化为成骨型平滑肌细胞

血管钙化简要概括为骨质形成，在缺乏软骨板的情况下，成骨细胞诱导胶原蛋白、细胞外基质钙化的结果[4]。异常钙化在心血管疾病中备受关注，很多血管斑块表现有钙物质沉淀。血管壁中的VSMC亚型，又叫“钙化血管细胞”，能够自发形成结节和钙化。这些结节具有与骨质类似的特征：增加碱性磷酸酶活性、骨钙蛋白、骨黏连蛋白和骨桥蛋白表达，部分研究认为血管壁成骨细胞的出现与VSMC表型改变紧密相关[5-8]。

骨形态蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)是转化生长因子-β(transfer growth factor beta，TGF-β)超家族的成员，被认为是血管钙化的主要调节者。其中，BMP2和BMP4参与局部矿化和炎症反应。BMP2多由功能间叶细胞祖细胞成骨和软骨分化而来，BMP2通过上调关键的成骨转录因子(Msx2、Cbfa1和osterix)表达，参与血管钙化形成。内皮细胞在缺氧、活性氧产生、血液湍流、高压或炎症等环境下刺激BMP2产生，或氧化低密度脂蛋白诱导的泡沫细胞产生BMP4，刺激VSMC分化为成骨型细胞。在去分化的VSMC中，BMP2表达显著增高；BMP2抑制剂，如头蛋白、腱蛋白、基质γ-羧基谷氨酸蛋白在去分化的VSMC中水平减少。敲除BMP2，血管内膜钙化减缓；但对血清脂质浓度和AS斑块大小无影响[9]。BMP7可抑制血管钙化，其被证明能上调α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)表达(VSMC收缩蛋白之一)，且抑制和逆转成骨表型，其机制与介导P21(Waf1)、SMAD家族成员6和SMAD家族成员7相关。

Cbfa1又称Runt-相关转录因子2(Runx2)或 Pebp2αA，是成骨分化关键的参与者，调节VSMC钙化的重要蛋白之一。为了探索VSMC向成骨型分化，研究者利用Runx2缺失小鼠模型发现，Runx2缺失不会影响基础平滑肌细胞标记；但是可抑制氧化应激诱导的平滑肌细胞标记水平，抑制高脂饮食诱导的血管钙化及成骨样细胞形成[6]。增加的碱性磷酸酶、Runx2和osterix水平，提示VSMC成骨表型形成。电子显微镜提示凋亡或损伤的VSMC由基质小泡释放羟基磷灰石纳米结晶物，参与血管钙化[5]。BMPs通过下调抗凋亡介质Bcl2，诱导VSMC凋亡。死亡的泡沫细胞和VSMC碎片聚集成钙和磷，提供了一个适宜的成核环境；但是，并不是所有凋亡的细胞形成矿化。在生理条件下，VSMC形成的基质小泡不会形成钙化；钙化多发生在老龄化、VSMC表型改变或干细胞分化等环境下。

细胞分化和心血管疾病与线粒体改变相关。发动蛋白-相关蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)是引起线粒体分裂的关键调节者之一。VSMC分化的成骨细胞DRP1表达上调；相反，抑制DRP1可降低矿化水平、骨架重排、线粒体功能失调、Ⅰ型胶原蛋白分泌和碱性磷酸酶活性[10]。

前体-核纤层蛋白A即未形成的核纤层蛋白A，可累积在钙化的人VSMC中，其过表达可促进VSMC成骨分化和矿化。微列分析表明，平滑肌细胞表达的前体-核纤层蛋白A 与细胞DNA损伤修复机制失调相关。DNA损伤可诱导平滑肌细胞分泌促成骨因子。细胞因子阵列分析鉴别了运动失调性毛细血管扩张老化相关促分泌表型因子、前层蛋白相关细胞因子，包括BMP2、骨保护素和白介素-6[7]。

脂质代谢受损也参与VSMC向成骨细胞型转化。利用乙酰化低密度脂蛋白(Ac-LDL)刺激VSMC，可改变骨相关蛋白基因表达和钙化。Ac-LDL增加钙化结节，而脂蛋白缺失血清显著抑制该过程。VSMC向成骨样转化与Ac-LDL阻止凋亡小体吞噬相关[11]。

在某些特定环境下，平滑肌细胞更倾向于形成软骨样细胞。研究者发现在慢性肾功能衰竭小鼠中，VSMC转化成软骨样或成骨样平滑肌细胞取决于刺激的分子信号。给予嘌呤低蛋白饮食的尿毒症小鼠，胸主动脉血管中膜钙化形成，软骨特异性标记水平增加，包括性别决定区Y-box9、Ⅱ型胶原蛋白、聚集蛋白聚糖、非显著性增强的核心结合因子α1和Ⅰ型胶原蛋白，其机制与成骨标记蛋白(osterix)、脂蛋白受体相关蛋白6及Wingless-type MMTV整合位点家族(Wnt)/β-连环素通路受抑制相关[13]。

2 VSMC转化为炎症型平滑肌细胞

中膜层的VSMC用Cre/lox基因诱导检测系统表明，成年小鼠VSMC表达SM22α基因位点。在内膜层的平滑肌细胞同时标记有抗巨噬细胞-2和CD68(通常用来标记巨噬细胞)，提示收缩型VSMC可分化成巨噬细胞样平滑肌细胞。进一步提示，分化后的平滑肌细胞可含有氧化低密度脂蛋白，通过电子显微镜得到了一致的结果[14]。

内皮唾酸蛋白(endosialin,CD248)是一型细胞壁糖蛋白，被认为位于肿瘤内皮细胞表面受体；但是，研究发现CD248并非表达在内皮细胞，而是在外周血管壁上的细胞，如VSMC、肌成纤维细胞等，其在正常的细胞内表达较低。CD248参与VSMC从收缩型向合成型转变。CD248缺失可增加VSMC收缩蛋白α-SMA和钙调蛋白表达，相反，CD248增加，VSMC收缩蛋白减少，且增加合成VSMC标记蛋白，如Vim、Rbp1和Gla 蛋白。此外，CD248 还增加趋化因子受体(CCR2、CCR5和CX3CR1)表达，配体(CCL5、CX3CL1)表达[15]。趋化因子受体4(CXCR4)及其同源配体CXCL12在祖细胞向骨髓归巢扮演了重要角色，可调节CD248表达。CXCR4不仅表达在祖细胞，而且表达在内皮细胞、VSMC和不同的白细胞子集内，参与了血管内膜增生和AS的发生发展。CXCL12/CXCR4信号轴有利于VSMC保持收缩型。CXCR4缺失的VSMC表示出增加的波形蛋白表达(PDGF-BB诱导的合成蛋白之一)和CD248水平。另外，在血管斑块中，去分化的VSMC标记有波形蛋白、CD248、CD68和脂质；相反，CXCL12/CXCR4轴诱导Wnt活性，增加收缩蛋白标记表达，如Tagln蛋白、平滑肌细胞分化特异性抗原(smoothelin)、碱性调宁蛋白，减少合成标记表达(CD248)[16]。

3 VSMC转化为成纤维母细胞型平滑肌细胞

组织损伤修复机制与促纤维调节紧密相关。成纤维母细胞(myofiroblast，MFs)在伤口愈合过程中发挥了重要作用，MFs由组织纤维细胞发展而来。α-SMA是MFs分化的一个重要决定因素，TGF-β1和凝血酶直接调节α-SMA基因[17]。部分研究认为，血管外膜纤维母细胞参与损伤血管重构[18]；但是，中膜层的VSMC也可向MFs转化[19]。部分体内试验发现，平滑肌细胞向MFs转化，表现为特异性分化蛋白丢失，如SM-MHC、smoothelin等[20]。

VSMC受到各种刺激后，如系统性硬化病IgG，促进纤维化反应[21-22]。系统性硬化病IgG刺激的VSMC可诱导TGF-β1上调和TGF-β2下调。TGF-β1是纤维化疾病中促纤维化的一个重要调节蛋白，TGF-β2具有抗纤维化作用。下调的TGF-β2表达可增加胶原蛋白mRNA水平，因此，TGF-β2下调可引起促纤维化状态[21]。在人肾脏血管中，修饰后的平滑肌细胞是非正常结缔组织合成的来源之一，即平滑肌细胞可向MFs转化[23]。在肝纤维化疾病中，研究者认为，部分肌纤维母细胞是由VSMC演变而来，因为肌纤维母细胞同时表达α-SMA和smoothelin[24]。内皮素-1是一种重要的血管活性物质，参与VSMC调节的血管紧张度。相关研究报道，内皮素-1参与VSMC向肌纤维母细胞转型，内皮素-1诱导VSMC细胞骨架重排，增加F-肌动蛋白表达[25]。

虽然分化后的MFs和平滑肌细胞均表达α-SMA，但是二者又有区分：α-SMA启动子包含TGF-β反应元件，是二者表达α-SMA所必须的；但是，α-SMA启动子含有CArG反应元件。CArGA和B是平滑肌细胞表达转基因结构从-2600到α-SMA第一个内含子所必须的。相反，在MFs中，CArGA和B并不重要。另外，Gan等[26]发现平滑肌细胞和MFs表达α-SMA的转录机制不同： MCAT元件(AGGAATG，位于心脏、平滑肌、骨骼肌等增强子区)突变选择性地清除MFs中α-SMA转录水平，而对平滑肌细胞没有影响。此外，分化的MFs可能表达平滑肌细胞的标记蛋白，如SM-MHC、caldesmon或desmin；但是不会表达smoothelin(smoothelin是血管和平滑肌细胞晚期分化的标志物)。因此，smoothelin是鉴别MFs和分化成熟的平滑肌细胞的主要标志物之一。

综上所述，VSMC可转化为多种表型，如成骨型、炎症型或成纤维细胞型，参与了心血管疾病的发生发展。鉴别出不同表型的VSMC，给予对应治疗，有可能更有利于改善临床心血管疾病的转归。