主动脉瓣膜间质细胞成骨分化机制的研究进展

2020-03-05程红章唐燕华

国际心血管病杂志 2020年6期

程红章唐燕华

钙化性主动脉瓣疾病(CAVD)不仅是瓣膜疾病，也是左心室疾病。主动脉瓣狭窄会导致左心室慢性负荷增加，引起左心室代偿性肥大，导致心肌氧供需不匹配，引起心肌细胞凋亡、坏死和心肌纤维化等[1]。目前，尚无有效预防和缓解CAVD的药物，瓣膜置换是唯一选择，提高对该病的认识，找到药物治疗的有效靶点极为重要。

CAVD的发病机制复杂，涉及多个方面。主动脉瓣膜间质细胞(AVIC)是瓣膜小叶内的主要细胞，在某些基因发生突变或受到多种因素，如脂蛋白a、氧化低密度脂蛋白、氧化高密度脂蛋白、高钙/高磷、白细胞介素(IL)及肿瘤坏死因子(TNF)等刺激时可发生成骨细胞样转化。AVIC的成骨分化作用在疾病发展中起关键作用，参与钙结节的形成，是瓣膜钙化的关键细胞[2]。有效抑制AVIC的成骨分化有望成为CAVD的治疗靶点，本文介绍AVIC成骨分化机制。

1 脂质

1.1 脂蛋白a

脂蛋白a由低密度脂蛋白(LDL)的载脂蛋白B-100和载脂蛋白A通过二硫键共价连接而成，可作为氧化磷脂的载体。脂蛋白a是多种心脑血管疾病的独立危险预测因子，其血浆水平与脂蛋白a基因多态性有关[3]。脂蛋白a和氧化磷脂能加快主动脉瓣狭窄的进展[4-5]。Yu等[6]证明脂蛋白a与主动脉瓣钙化存在因果关系，体外研究提示脂蛋白a基因在患病主动脉瓣内表达上调，脂蛋白a促进AVIC成骨分化与p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)和糖原合成酶激酶-3(GSK-3β)有关，在无氧化磷脂的情况下，脂蛋白a也会导致AVIC钙化。而Torzewski等[7]研究发现去除脂蛋白a上的氧化磷脂能减弱脂蛋白a的促钙化作用。上述研究表明氧化磷脂和脂蛋白a在促进瓣膜钙化中具有协同作用。

1.2 氧化高密度脂蛋白

高密度脂蛋白能逆向转运胆固醇，抑制动脉粥样硬化的形成，但是当体内氧化应激增加时，高密度脂蛋白可被氧化成氧化高密度脂蛋白，产生致病性，参与多种心血管疾病的病理过程。Sun等[8]研究发现血浆氧化高密度脂蛋白水平与CAVD发病率呈正相关，氧化高密度脂蛋白能刺激AVIC上调骨形态发生蛋白(BMP-2)、矮小相关转录因子(Runx2)和肌节同源结构域同源框基因2(Msx2)的表达，促进瓣膜钙化，而未被修饰的高密度脂蛋白能抑制钙化。目前研究只发现氧化高密度脂蛋白能够刺激AVIC的成骨分化作用，但具体机制尚不明确，推测可能与氧化低密度脂蛋白刺激成骨分化机制类似，与细胞膜上的Notch同源物1(Notch1)和toll样受体(TLR)有关。

2 IL

内皮细胞损伤后大量的炎性细胞进入瓣膜组织，炎性细胞以巨噬细胞为主，释放大量的炎性因子包括IL、TNF及细胞趋化因子等，参与瓣膜钙化的形成。体外实验发现IL-33可诱导猪AVIC向肌成纤维细胞和成骨细胞转化，α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、矮小相关转录因子(Runx2)和骨桥蛋白(OPN)的表达上调，这依赖于细胞核因子κB(NF-κB)和p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)信号通路的激活[9]。IL-37是一种抗炎性细胞因子,能抑制炎性反应。研究发现IL-37在患病瓣膜内表达减少，通过抑制NF-κB和细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)信号来抑制AVIC的成骨分化[10-11]。因此，IL-37可能通过抑制NF-κB信号通路来抑制IL-33的促成骨分化作用。当瓣膜内促炎和抗炎的平衡被打破后，AVIC将长期处于慢性炎性状态，并促进瓣膜的钙化。

3 表观遗传学

3.1 微小RNA(miRNA)

miRNA为短链非编码RNA，可在转录后水平抑制靶基因翻译，参与调节多种生理和病理过程。研究表明，多种miRNA与CAVD的发病机制有关，不同miRNA能促进或能抑制AVIC的成骨分化。miR-30b和miR-141可分别抑制Runx2和BMP2的表达[12-13]；miR-138可靶向抑制FOXC1的表达，miR-204可抑制Runx2和成骨细胞特异性转录因子Osterix(Osx)的表达，从而抑制AVIC成骨分化[14-15]。而Song等[16]研究发现，miR-486可通过磷酸酶和张力蛋白同源基因(PTEN)-丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)途径上调α-SMA的表达，促进AVIC的成骨分化。He等[17]研究发现，长链非编码RNA(lncRNA)肌动蛋白纤维相关蛋白1-反义RNA1(AFAP1-AS1)在钙化的主动脉瓣中表达增加，lncRNA AFAP1-AS1可通过调节miR-155/母亲DPP同源物5(SMAD5)轴促进人AVIC的成骨分化。因此，miRNA能通过抑制相关基因的转录后翻译促进或抑制AVIC的成骨分化作用，但miRNA的调控机制尚不完全明确，调控AVIC内相关miRNA的表达水平可抑制CAVD的进展，这为预防和延缓瓣膜钙化提供了新的思路。

3.2 DNA甲基化失调

DNA甲基化是一种重要的表观遗传调控方式，是以s-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，经DNA甲基转移酶的调节，将供体的甲基转移到基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶上，使之变为5-甲基胞嘧啶。DNA甲基化可在转录前水平调节基因的表达，一般情况下，高表达基因呈低甲基化状态，而低表达基因呈高甲基化状态。Notch1信号通路在调节瓣膜发育和瓣膜钙化中具有重要作用[18]。Zhou等[19]研究发现CAVD瓣膜组织中甲基转移酶表达增加，导致Notch1启动子甲基化，AVIC内Notch1表达减少，Notch 胞内结构域(NICD)释放随之减少，从而促进Wnt/β-连环蛋白信号通路激活和成骨分化因子表达，促进AVIC成骨分化。Hadji等[20]发现在矿化的主动脉瓣中，lncRNA H19启动子区存在低甲基化，导致CAVD瓣膜组织中lncRNA H19增加，阻止p53与Notch1启动子的结合，抑制了基因的表达，导致Notch1下游靶基因HEY1的表达下调，HEY1作为BMP2和Runx2的抑制物，其表达下调促进了BMP2和Runx2的表达。DNA甲基化失调还普遍存在于其他心血管疾病中，与主动脉夹层、二叶主动脉瓣、心房颤动和风湿性心脏病等疾病的发生、发展有关[21-22]。CAVD中可能还存在其他未知基因的甲基化修饰，并参与瓣膜的钙化。

3.3 组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化是另外一种表观遗传学调控方式。慢性终末期肾病患者常并发多种心血管疾病，包括冠状动脉粥样硬化性心脏病、动脉硬化以及CAVD等，可能与体内钙磷代谢紊乱有关[23]。Cui等[24]发现高钙可以促进AVIC成骨分化和释放基质囊泡，加速瓣膜的钙化。目前研究认为钙磷代谢紊乱是导致AVIC组蛋白乙酰化的重要因素。Gu等[25]发现人类钙化的AVIC中存在组蛋白3和组蛋白4的乙酰化增加，但不确定是否与主动脉瓣钙化有关。体外研究发现，用高钙/高磷酸盐培养基处理猪AVIC可诱导钙沉积、细胞凋亡和成骨标记基因的表达；而进一步使用组蛋白乙酰转移酶p300抑制剂(C646)处理能提高组蛋白去乙酰化酶的水平，降低由高钙/高磷酸盐处理诱导的组蛋白3和组蛋白4的乙酰化，抑制成骨分化。相反，使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂辛二酰苯胺异羟肟酸(SAHA)能促进AVIC钙化。该研究同时发现在腺嘌呤和维生素D诱导主动脉瓣钙化的小鼠模型中，钙化的主动脉瓣中乙酰化组蛋白3和组蛋白4的水平增加，用C646处理可降低乙酰化组蛋白3和组蛋白4的水平，减轻主动脉瓣钙化[25]。这些研究表明组蛋白3和组蛋白4乙酰化的增加是钙磷代谢紊乱的主动脉瓣钙化发病机制的一部分，但钙磷代谢紊乱如何增加组蛋白乙酰化的机制尚不明确，有待进一步研究。靶向抑制组蛋白3和组蛋白4乙酰化可能是治疗慢性肾脏疾病患者主动脉瓣钙化的潜在方法。

4 其他

华法林是一种维生素 K 的抑制剂，可以通过抑制部分凝血因子的生物合成起到抗凝的作用，同时华法林还可以抑制维生素 K 依赖蛋白基质Gla蛋白的合成和功能。蛋白基质Gla蛋白是组织钙化重要的抑制因子，蛋白基质Gla蛋白可以与羟基磷灰石(HAP)结合减少钙盐的沉积，与糖蛋白 MBP-2结合抑制成骨分化。研究发现，华法林还能通过促进p53平表达增加，诱导Slug基因的表达上调，促进AVIC表达成骨分化相关基因，加快CAVD的进展[26-27]。

Bogdanova等[28]发现单独的机械应力不会影响AVIC成骨基因的表达，但能协同炎性反应促进瓣膜钙化。基因突变与瓣膜钙化也有一定联系。Irtyuga等[29]研究表明，Nocth1的突变在主动脉瓣钙化的形成和进展中发挥重要作用，推测与骨保护素/NF-κB受体活化因子配体/NF-κB受体活化因子(OPG/RANKL/RANK)系统的失调有关。另外，人AVIC还可在瘦素刺激下依赖Akt和ERK发生成骨分化[30-31]。