Caveolin⁃1低氧肺血管重塑中参与肺动脉平滑肌细胞表型调节的研究进展

艾祥发 王海英

遵义医学院附属医院麻醉科（贵州遵义563000）

慢性缺氧性肺血管疾病包括慢性阻塞性肺疾病、肺源性心脏病、慢性肺动脉高压以及肝肺综合征等疾病，患者以呼吸系统症状体征显著，主要表现为缺氧发绀、呼吸困难、杵状指（趾）、直立性缺氧以及仰卧呼吸等。这一类疾病通常病情发展缓慢，初期症状不典型，因此早期诊治较困难，并且病理改变不可逆，给患者及社会造成极大的医疗负担，现已成为我国乃至世界性的难题。随着缺氧肺血管疾病研究的深入，研究认为该疾病的发生与组织缺血缺氧、内皮-间质转化、缺氧诱导表观遗传修饰以及肺血管重建有密切关系［1］。低氧肺血管重塑导致肺血管管腔狭窄甚至闭塞，肺泡气体交换不足、氧合不充分导致机体远端组织的缺氧，是缺氧性肺血管疾病的重要发生基础，也是近几年研究热点。已有研究表明肺血管重塑的病理发生过程主要与增强肺动脉平滑肌细胞（PASMC）的增生、迁移和削弱程序性细胞死亡过程有密切关联［2］。Caveolin⁃1已经被认为是血管平滑肌细胞（VSMC）增殖的有效抑制剂，也是VSMC迁移的重要调节剂［3］；但Caveolin⁃1在缺氧肺血管重塑中的具体机制仍不清楚。本文根据最新的研究进展并结合低氧肺血管重塑的发生机制，就Caveolin⁃1在缺氧条件下对PASMC收缩调节、组织代谢、细胞增殖肥大以及血管再生等病理发展过程中发挥的作用进行综述。

1 小窝（Caveolae）及小窝蛋白（Caveolin）

Caveolae是一种特殊化形式的膜结构域，直径为60～80 nm，形态特征类似Ω形状的质膜内陷［4］，在许多细胞功能（包括膜运输，信号转导，细胞外基质重塑和组织再生）中起着关键作用［5］。小窝蛋白（Caveolins）和小窝调节蛋白（Cavins）是控制小窝发生和功能的两个家族，作为小窝的主要位点参与重要的细胞过程如内吞作用，胆固醇脂质体内平衡和信号转导［6］。小窝蛋白家族是一个21～24 kDa整合的膜蛋白超家族，主要包括Caveolin⁃1（Cav⁃1）、Caveolin⁃2（Cav⁃2）和 Caveolin⁃3（Cav⁃3）3种，这些蛋白高度整合到小窝结构中，并且有独立于小窝的自主活动。有研究表明Caveolin⁃1的磷酸化导致相邻带负电荷的N末端磷酸酪氨酸残基的分离，促进细胞膜穴样内膜的肿胀，然后从质膜释放；以及Caveolin⁃1在组织细胞衰老和老化疾病中起着重要作用［7-8］。Caveolin⁃1的N⁃末端膜附着结构域（N⁃MAD，残基82⁃101）和C末端（C⁃MAD，残基135-150）可以将 Caveolins锚定到细胞膜 Caveolae。Caveolin⁃1（Cav⁃1）N⁃MAD形成的Caveolins脚手架结构域肽与质膜Cav⁃1竞争，抑制蛋白质与Cav⁃1的相互作用，并重新储存Cav⁃1结合蛋白的功能［9］。

2 Caveolins在血管平滑肌中的功能

Caveolins对调节血管平滑肌收缩，生长/增殖和组织代谢等方面有不可或缺的作用。Caveolin⁃1异常表达可引起PASMCs的异常增殖，无序迁移，极性消失，最终将引起PASMCs的不可逆地结构性重塑。

2.1 Caveolin⁃1参与血管平滑肌收缩调节 血管平滑肌收缩和舒张的调节与Caveolin⁃1有密切关系，已有研究表明在血管内皮细胞中Caveolin⁃1与血管平滑肌中内皮型NO合酶（eNOS）相互作用的减弱是造成Cav⁃1敲除小鼠表型调节异常的常见原因［10］。这说明小窝蛋白对eNOS基础活性的良好的抑制作用及其在调节血管张力中的后续作用。此外Cav⁃1还参与到Ca2+通道活性调节对血管平滑肌细胞的收缩起着始动作用。Caveolin⁃1在钙离子信号传导过程中起重要调节功能，Caveolae和Caveolin⁃1增加大鼠肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）中储存操作的Ca2+通道（SOCC）的活性，并且这种增强效应在肺动脉高压的大鼠中更显著［11］。因此，Caveolae及其主要蛋白质Caveolins在感知外部机械应激以及细胞信号转导中扮演着重要作用。有研究［12］表明Caveolae重塑及其相关的信号级联有助于大鼠肠系膜动脉平滑肌细胞中拉伸诱导的L型电压依赖性Ca2+通道（VDCCL）的激活。渗透肿胀引起的Caveolae的机械变形通过破坏Caveolae/Gαq相互作用可以影响Ca2+信号传导，这一特性将Caveolae的机械特征和信号传导性联系在一起［13］。这些结果定义了Caveolae及Caveolin⁃1参与将膜拉伸机械力转导为动脉平滑肌中VDCCL的激活，激活的VDCCL将肌质网内的Ca2+泵入到胞浆内，当胞浆内Ca2+浓度达到阈值后引起相应平滑肌收缩。尽管Caveolin⁃1参与血管平滑肌收缩的机制已有相应研究，但Caveolin⁃1在血管平滑肌病理性收缩中仍然研究甚少；还需要深入研究Caveolin⁃1在肺血管重塑的病理条件下参与血管平滑肌收缩功能的调节作用。

2.2 Caveolin⁃1在血管平滑肌代谢中的调控作用 血管平滑肌细胞（VSMC）能量代谢系统及其调节是相当复杂的，涉及糖酵解，氧化磷酸化，三羧酸循环等多种能量代谢途径。Caveolae作为感受细胞生化物理改变的重要亚结构域参与到细胞的能量代谢。已有研究提出Caveolin⁃1调节细胞新陈代谢包括糖酵解，线粒体生物能量，谷氨酸分解，脂肪酸代谢和自噬［14］。Caveolin⁃1的敲除降低了细胞葡萄糖摄取和乳酸输出，减少细胞内ATP，并通过激活AMPK⁃p53信号引发自噬［15］。线粒体除了参与能量代谢外，还负责蛋白质表达，折叠和降解的完整的内源性机制。蛋白质质量控制机制失败将导致线粒体功能和结构完整性的丧失［16］。线粒体蛋白酶（比如蛋白质AFG3L2）可以保障线粒体蛋白质质量控制以及线粒体受氧化应激刺激后结构和功能的完整。研究发现AFG3L2是一种m⁃AAA型线粒体蛋白酶，与Caveolin⁃1彼此密切关联。研究显示氧化应激促进Caveolin⁃1和AFG3L2转移到线粒体，增强 Caveolin⁃1与线粒体中AFG3L2的相互作用，并刺激野生型成纤维细胞中的线粒体蛋白酶活性［17］。这些研究结果表明Caveolae及Caveolin⁃1参与到葡萄糖的摄取即糖酵解，并且在维持线粒体完整性及氧化磷酸化中发挥重要作用。但是在慢性缺氧引起肺血管重塑的条件下，Caveolae及Caveolin⁃1参与糖酵解及氧化磷酸化的机制仍不清楚，需要进一步研究。

2.3 Caveolin⁃1参与血管平滑肌细胞的肥大 血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）的释放在血管平滑肌细胞（VSMC）肥大和迁移中发挥重要的作用。并且已有研究表明Cav⁃1通过调节表皮生长因子受体（EGFR）和血管内皮细胞黏附分子⁃1在AngⅡ的血管重塑中发挥重要作用［18］。另有文献报道活性氧（ROS）参与调控血管收缩、增殖和肥大，迁移和黏附，以及血管生成等信号通路从而调节表型［19］。同样AngⅡ介导的VSMC中的表皮生长因子受体反式激活需要活性氧（ROS）的存在。这些发现表明血管重塑可能涉及AngⅡ及其活性氧的产生，导致EGFR的反式激活。EGFRs以及许多其他信号分子，如c⁃Src可通过与Cav⁃1形成复合体，并通过血管紧张素1受体（AT 1 R）介导进入Caveolae［20］。最新研究通过对Cav1-/-和对照组Cav+/+小鼠输注AngⅡ2周诱导血管重塑和高血压，发现Cav1-/-小鼠血管重塑明显减轻，进一步证实Cav⁃1敲除能够有效预防由AngⅡ诱导的血管重塑［18］。Cav⁃1在AngⅡ诱导的AT 1 R介导的EGFRs进入Cav⁃1富集的脂筏微结构中扮演重要作用，并且Cav⁃1也是ROS依赖性EGF⁃R反式激活，以及VSMC肥大相关的下游信号传导所必需的。因此，Cav⁃1是VSMC中ROS依赖的生长肥大相关的AT 1 R信号传导的核心。研究Cav⁃1在血管平滑肌肥大相关信号传导中的作用对进一步研究Cav⁃1在缺氧肺血管重塑中的机制是有帮助的。

3 Caveolin⁃1在缺氧肺血管重建中对PASMCs表型调节中的作用

VSMC是高度特化的细胞，主要参与保持静止状态下的血管壁发生形成和血管的张力，生理状况下的血管平滑肌细胞通常保持静止和收缩。但是当响应于机械损伤、氧化应激、细胞内外微环境改变等各种病理刺激时，VSMC可从分化和收缩表型转变为增殖迁移和合成表型的可塑特性被称为表型调节。

3.1 Caveolin⁃1参与PASMC增殖的调节 活化的TGF⁃β对PASMC具有强大的促进增生的作用，从而促进肺血管的重塑［21］。有研究表明，血管内损伤后升高的TGF⁃β/Smad3促进SMC增殖和内膜增生，升高的TGF⁃β/Smad3刺激Wnts的分泌，从而通过β⁃连环素促进SMC增殖［22］。此外，发现磷脂酰肌醇3⁃激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）途径在PASMCs中被TGF⁃β1激活，进一步抑制细胞凋亡。这些观察结果表明TGF⁃β1保护PASMCs免于细胞凋亡，并通过PI3K/Akt通路促进肺血管内膜增厚［23］。已有研究［24］表明TGF⁃β反应性是通过脂筏/Caveolae介导的内吞作用之间的TGF⁃β受体分配来确定的。脂筏/Caveolae介导的内吞作用促进TGF⁃β降解，从而抑制TGF⁃β反应性。Caveolin⁃1由于参与TGF⁃β受体内在化，在调节转化生长因子β（TGF⁃β）信号转导中起重要作用。另有研究发现Caveolin⁃1还是PDGF信号传导事件的靶点。血小板衍生生长因子（PDGF）可产生许多有助于VSMC增生和迁移的生物学功效［25］。携带Caveolin⁃1的腺病毒过表达与PDGF诱导的信号事件从增殖反应到凋亡反应的转换有关。因此Caveolin⁃1可以通过抑制PDGF表达参与对VSMCs增殖的信号调节。近几年许多证据强调多巴胺对VSMC增生和迁移的关键性，并且已有研究报道了Cav⁃1对VSMC多胺摄取及其对细胞增殖和迁移的影响的重要性，并指出Cav⁃1负调节VSMC多胺摄取，从而参与调节VSMC的增殖反应［26］。由此可见，Caveolin⁃1通过TGF⁃β通路、PDGF通路以及调节多巴胺的摄取抑制肺动脉平滑肌细胞的增殖；因此上调Caveolin⁃1的表达可抑制平滑肌增殖从而改善肺血管重塑，但仅仅基于基础研究结果还不够，需进一步开展临床研究。Caveolin⁃1抑制平滑肌增殖相关机制的研究可为临床治疗提供可靠的参照。

3.2 Caveolin⁃1对PASMC迁移的影响 肺动脉平滑肌细胞由于具有过度增殖，细胞凋亡被抑制，迁移潜力增加等特征，有助于闭塞性血管重塑［27］。血小板衍生生长因子⁃BB（PDGF⁃BB）可激活包括Rho相关激酶（ROCK）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号参与细胞的迁移、分化等。最新实验研究发现PDGF⁃BB引起大鼠VSMC中基质金属蛋白酶⁃2（MMP⁃2）表达的剂量依赖性增加并且通过ROCK和ERK/p38⁃MAPK通路促进VSMC的迁移［28］。已有研究发现PDGF受体与Caveolae亚型相互作用，并导致激酶活性的抑制；Caveolin⁃1和Caveolin⁃3的肽以剂量依赖的方式抑制PDGF受体的磷酸化［29］。因此 Caveolae及 Caveolin⁃1可通过其结构域与PDGF受体结合，抑制PDGF受体及下游通路的信号传导，从而参与调节VSMC的迁移。此外，细胞外Ca2+内流对于细胞极性很关键，Caveolin⁃1是钙库操纵的钙内流（SOCE）的重要调节剂，Caveolae结构的破坏及小窝蛋白⁃1的过度表达与细胞极性有密切关系［30］。因此，Caveolae及Caveolin⁃1可通过钙离子库操纵的Ca2+内流（SOCE）参与调控细胞极性，还可通过抑制PDGF受体及下游通路抑制平滑肌细胞的迁移。Caveolin⁃1在血管平滑肌细胞中定向迁移的研究为肺血管重塑奠定了理论基础。

3.3 Caveolin⁃1在血管新生中的调控作用 肺动脉高压的典型特征是功能调节紊乱的新生血管生成导致肺血管的闭塞［31］。微血管的新生和侧支循环的建立是血管缺氧性疾病非常常见的特征。已有研究报道健康成人血管中的血管内皮生长因子受体2（VEGFR⁃2）表达通常相对低，但其病理血管生成中的表达显著增加［32］。LABRECQUE等［33］报道了 VEGFR⁃2 位于的内皮 Caveolae/脂筏内，Cav⁃1过表达抑制VEGFR⁃2活性，表明Cav⁃1与VEGFR⁃2结合并负调节受体活性。另有研究报道Cav⁃1参与内皮细胞功能，在siRNA沉默Cav⁃1后诱导了内皮细胞形态的改变；并且Cav⁃1靶向影响内皮细胞迁移和基质金属蛋白酶（MMPs）活性，并且在体外减弱VEGF诱导的血管生成［34］。综上，Cav⁃1可通过抑制VEGFR⁃2及MMP活性负性调节肺血管新生，肺血管新生减少可改善通气/血流比例失调，改善患者氧合，在低氧肺血管疾病中有着重大的治疗意义。

4 展望

慢性缺氧性肺血管疾病因其发病晚，早期诊断较困难；并且病理改变不可逆，根治困难。因此，针对缺氧性肺血管疾病病理发生机制的研究以及早期诊断干预极为重要。缺氧肺血管重塑是缺氧性肺血管疾病的重要形成机制，其中PASMCs的表型调节在其发生机制中占据主要地位；并且近几年针对PASMCs的表型调节的研究已经成为热点。然而，基于这些功能的信号和组织代谢过程并没有被完全认知。以Caveolae及Cav⁃1作为切入点，研究其参与膜结构并作为信号转导至关重要的系统性组织结构是一个较好的选择。首先Caveolins已有良好的研究基础，前期国内外研究已清楚了Cav⁃1作为Caveolae主要结构功能蛋白参与PASMCs信号传导和代谢调节；但Cav⁃1及Caveo⁃lae基于疾病的临床研究很缺乏。其次，基于Caveolins的转基因、基因敲除技术已经成熟。另外，在缺氧性肺血管疾病患者体内是否存在Cav⁃1表达变化？是否可以将Cav⁃1作为这类患者的诊断指标之一？尽管已有关于Caveolae及Cav⁃1的基础研究报道，但其临床上的价值还需要更多的探索。

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