转化生长因子β1受体在血管壁稳态及主动脉疾病中的研究进展

洪俊谋，王志维

(武汉大学人民医院心外科,武汉 430060)

胚胎动脉新生发生于原始心管搏动后，血管内皮感受到原始心管搏动所带来的血液流动，致使其发生类似于上皮细胞间质化的改变，使得内皮细胞得以通过出芽的形式延伸，并逐渐募集周细胞和平滑肌细胞，最终形成成熟的心血管系统。研究表明，转化生长因子β1受体(TGFβ1)通路在调控内皮活化和周细胞-内皮细胞相互作用中具有极其重要的作用；与此同时，其也是维持血管压力、血管稳态平衡的重要节点，高血压及血管稳态失衡是主动脉夹层、主动脉瘤发生的主要病理生理因素。因此，我们可以发现，由TGFβ1主导的血管发育及血管稳态的维持，与主动脉夹层发病过程中的集体病理生理学变化存在极大的生物学共性。本文将以动脉生成过程中涉及到的血流动力学、TGFβ1通路与血管壁稳态的模型，用以阐述主动脉瘤、主动脉夹层发病的部分机制。

1 TGFβ1参与血管发育和稳定

血管壁中膜主要由平滑肌细胞和周细胞构成，两种细胞在血管新生过程中主要由血液循环中骨髓间充质干细胞分化而来[1]。在血管系统发育成熟的过程中，由大动脉逐渐发育至小动脉的过程中，血压随动脉直径的减小而逐级下降，管壁中膜厚度逐层减少。目前研究鲜少关注血管压力与血管中膜发育之间的关系与相关机制。1976年原位成像技术首次证实了高血压会导致阻力血管中膜平滑肌细胞增加[2]。动物实验证实，高血压也会造成小动脉中膜增厚为特点的血管重塑[3-5]。最初血管形成的时候，血流压力对于血管形成具有极其重要的作用。在胚胎时期，血管新生是心血管系统发育和成熟的主要方式，主要包括出芽式血管新生和套叠式血管新生。出芽式血管新生最为普遍，生物学上主要概括为：(1)基底膜降解；(2)内皮细胞的迁移和增殖；(3)管腔形成；(4)血管重塑。从结构的发育上分为：(1)内皮祖细胞的扩增和分化；(2)血管网络的增长相互交联；(3)募集周细胞(PC)或血管平滑肌细胞(VSMCs)形成血管的支持结构[6]。

血管新生依赖于血流动力的改变[7]。原始心管搏动对于血管新生有重要作用。相关研究表明，敲除心肌兴奋-收缩相关基因(mlc2a、ncx1、Titin)使得原始心管搏动能力减弱，进而阻滞血管新生过程[8]。因此，原始心管搏动产生的血流压力和剪切力是诱发血管新生的重要因素。

2 TGFβ1受体参与血管新生过程及血管壁稳定维持

血管新生受到多种生长因子的调控，其中TGFβ通路是调控该过程最重要因子之一。在血管新生过程中，内皮细胞TGFβ1受体家族(TGFBR)成员I型受体活化生长因子1(ALK1)、Endoglin的表达时间与血岛细胞进入原始血管时间同步。同时，局部血流增加会刺激血管新生部位内皮细胞的ALK1表达。目前，究竟是血岛细胞还是管腔压力的改变进而介导了内皮细胞TGFBR的表达目前尚不清楚。有研究者推测心管收缩造成的压力可能是促进ALK1表达的主要原因。研究发现，斑马鱼的新生血管盲端处内皮血管内压力最高，且此处内皮ALK1高表达。研究者推测，ALK1在内皮的高表达或许是驱动了该处内皮细胞向外迁移的主要原因[9]。在模式动物的研究中，敲除内皮细胞ALK1可以导致血管扩张、管壁周细胞和血管平滑肌细胞的消失，造成血管壁的发育异常[10]。并且敲除其下游的smad4也可以导致血管壁中层消失[11]。有研究者将ALK1基因敲除的转基因小鼠骨髓移植至正常小鼠，发现通过局部VEGF注射后可以导致局部新生血管发生血管瘤。这种实验性血管瘤在病理上也表现为血管壁中膜的缺失。理论推测是由于局部VEGF募集ALK1缺陷型内皮祖细胞，其虽然可分化形成血管腔，但是无法募集骨髓间充质干细胞聚集和分化，构成正常血管壁中膜[10]。TGFβ1另一受体Endoglin 也影响内皮细胞对于周细胞的募集，进而影响血管壁的形成[12]。在病理生理条件下，血流和压力的改变促进了Endoglin和ALK1的相互作用，并大幅度增加ALK1对于其配体的敏感性，从而磷酸化激活smad1/5/8，增强周细胞的募集能力。这种募集能力可能与内皮细胞表达PDGF-BB密切相关[10]。

血管发育到一定程度时，内皮细胞将由激活状态转换至稳定状态。这种状态的改变与管壁周细胞对其的反馈作用相关。研究表明周细胞可能来源于骨髓CD44+干细胞，CD44+阳性细胞的减少可以导致新生血管的稳定性减弱[13]。由内皮细胞与周细胞共同组成的血管基底膜是维持内皮稳定的重要屏障。内皮细胞可以分泌大部分的基底膜成分蛋白，但是也可以自发性分泌金属蛋白酶，而周细胞可以分泌组织金属蛋白酶抑制蛋白家族(TIMPs)，抑制内皮细胞自发水解基底膜的功能。在肿瘤的新生血管中，周细胞通过Cx43与内皮细胞形成缝隙连接，可以促进内皮稳定。有趣的是，TGFβ1对于内皮细胞和周细胞的作用也不相同，高浓度情况下TGFβ1激活内皮ALK1进而诱导其下游smad1/5/8的激活，使得内皮细胞活化；而低浓度即可促进平滑肌ALK5激活，并激活其下游PAI-1、Smad7、促进纤维素和弹力纤维的分泌，并抑制内皮细胞水解基底膜的能力[14]。目前，脑血管周细胞ALK5表达缺失可以减少TIMPs分泌，导致血脑屏障被破坏和弥漫性基质-脑室内出血[15]。目前大多观点均认为周细胞与内皮细胞的相互作用是维持血管稳态的主要机制，而周细胞对于内皮细胞的分子反馈性调控仍不十分清楚，有待进一步研究。

3 血管新生的理论模型

血管的新生可以概括为，血流动力改变导致的压力或者剪切力诱导内皮细胞ALK1的表达，进而使得ALK1活化，并在此过程中逐渐募集血岛来源性的干细胞，形成周细胞、平滑肌细胞等，构成血管壁。而随着平滑肌细胞的移入，TGFβ1转而促进募集的周细胞ALK5活化，使内皮细胞由激活转为静止，维持血管稳定。

在血管新生的分子机制上，可以作出合理猜想，即在血管病变过程中，管腔压力与管壁韧性之间平衡紊乱。管壁进行性生长，周细胞进行性增多进而导致了血管斑块、狭窄、纤维化等一系列病变的发生；管壁周细胞募集能力减弱，或者周细胞对内皮细胞反馈抑制的能力减弱，导致了动脉发育不良或管壁韧性减小，形成动脉瘤、动静脉畸形，甚至在一定程度上诱发了动脉夹层的发生。

4 血管新生模型解释主动脉疾病

4.1 TGFβ1异常影响高血压病 主动脉具有血流量大，血流压力高，局部血流动力复杂的特点。临床上，主动脉夹层和主动脉瘤的患者大多有原发的高血压病。研究发现TGFβ1与高血压密切相关，伴有心房颤动及心脏损害的高血压患者的血清TGFβ1明显升高[16]。已证实TGFβ1基因的多态性、血清TGFβ1水平与高血压以及所导致的高血压器官损伤之间存在相关性[17-19]。TGFβI型受体TGFB1的915C 单核苷酸多态性(SNP)与欧美人群高血压风险相关[20-21]，869C多态性与亚洲人群的高血压风险相关[22]。

转基因动物研究中，高血压也与血清中升高的TGFβ1浓度密切相关[23]。同时也发现，阻断TGFβ1信号通路可以缓解大鼠高血压病[24]。Emilin1可以通过结合pre-TGFβ抑制TGFβ1成熟，当Emilin1缺失后，大量TGFβ1成熟，并上调TGFβ1信号通路[25]。Emilin1敲除小鼠显示血管壁中的TGFβ1表达增加，同时血压明显高于野生型小鼠，在病理上体现为血管腔增厚和管腔直径减小。同时，Emilin1联合TGFB1敲除后，高血压可以被抑制[25]。这也说明TGFβ1通路的升高与血管重塑现象密切相关。

4.2 TGFβ1受体异常参与血管壁稳态失衡 血流动力刺激促进内皮ALK1的表达，并通过PDGF-BB等信号募集循环中的周细胞和平滑肌细胞。胚胎时期ALK1的效应高于ALK5的效应。这可能是因为胚胎时期BMP家族成员主要激活ALK1所导致。而成人中BMP浓度相对于胚胎时期的浓度减少，仅剩下相对低的TGFβ1，而周细胞仅表达的ALK5，对TGFβ1的敏感性高于ALK1，并表现出拮抗ALK1的效应。假设血管壁的稳态失控与此相关，发育过程中ALK1激活减少、ALK5的突变，或者过高浓度的TGFβ1同时激活了ALK1和ALK5均可以表现出周细胞和平滑肌分泌TIMP减少，导致血管中膜细胞外基质的降解，从而破坏血管壁的稳态。

ALK1的突变是HHT的主要原因之一，有报道其突变可以导致患者发生主动脉瘤[26]。特异性敲除主动脉ALK5和TGFβ1的小鼠会自发形成主动脉瘤[27-28]。局部过高的TGFβ1也有可能使ALK1和ALK5同时激活，导致血管中膜细胞外基质降解。例如，马凡综合征患者由于FBN1基因突变，导致基底膜和弹力纤维上固定TGFβ1的分子结构消失。TGFβ1大量脱落诱导了ALK1和ALK5的同步激活，MMPs家族分泌占据主要优势，水解细胞外基质。这也是这类患者易发主动脉夹层和主动脉瘤的机制之一[29-30]。I型Loeys-Dietz 综合征患者存在TGFβ1突变，然而临床标本提示TGFβ1的下游通路反而呈现过度激活，学者推测可能与代偿机制相关，但是具体机制需要进一步研究[31]。

5 问题与展望

目前诸多的研究均证明了血流动力影响了血管TGFβ1通路活性和血管壁稳定。而内皮细胞对于血流的直接感受器目前仍研究较少。不仅如此，在小动物主动脉整体结构中，主动脉内皮及其滋养血管的内皮在光镜下难以辨别，也导致了相关研究进展缓慢。随着冰冻激光切割和单细胞测序技术的逐渐成熟，内皮参与的主动脉疾病的机制将被进一步阐述。