PDGFRα 在心脏发育和心脏疾病中的作用进展

王凤姣

脊椎动物心脏发育是一个复杂的过程，需要特定基因的精确时空表达， 需要大量转录因子的调控，此过程中任何一个环节稍有差错就可能导致心脏发育不正常。 世界卫生组织将心血管疾病列为人类生命的第一杀手，了解参与正常心脏发育过程中的调控基因和信号分子有助于人们深入理解心脏疾病的发生和发展，为临床治疗提供理论基础。

1 心脏的发生与发育

心脏是哺乳动物胚胎发育过程中最早形成的器官，通过产生有效的血流为机体的组织和器官提供氧气和营养物质。 心脏起源于脏壁中胚层，人类的心脏发育从胚胎21 天（Day21）左右开始，小鼠的心脏发育从胚胎6 天（E6）左右开始。在小鼠心脏发育过程中，E6 出现双侧生心区，随后生心区细胞迁移融合并在E7 形成新月形结构， 该区域也被称为第一心区（First Heart Field，FHF）。 新月结构逐渐发育形成2 条原始心管并在E8.5 开始融合［1］。当心管开始收缩和泵血时，咽前中胚层和脏壁中胚层的第二心区（Second Heart Field，SHF）心脏前体细胞迁移至心管，参与心脏形成。E9.5 心管开始膨大、扭曲、变形等形成心球、原始心室、原始心房和静脉窦［2］；E10.5 时起，心球和动脉干之间的隔膜、房室间隔、 原始心房内隔和原始心室内隔逐渐形成。E14.5 时，小鼠心脏结构发育已基本完成。

2 PDGF 和PDGFRα

血小板源性生长因子（Platelet-derived Growth Factor，PDGF）具有酪氨酸激酶活性，通过自分泌的方式刺激成纤维细胞、血管平滑肌细胞和神经胶质细胞的增殖和迁移［3-6］。 PDGF 有四种亚型，分别是PDGF-A、-B、-C 和-D， 形 成 四 种 同 源 二 聚 体PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-CC 和PDGF-DD 以及一种异源二聚体PDGF-AB。PDGF 的受体有两种亚型：PDGFRα 和PDGFRβ， 这两种受体均属于Ⅲ型酪氨酸激酶受体家族 （receptor tyrosine kinases，RTK）。 生物体内的PDGFR 以二聚体的形式存在，分别为同源二聚体PDGFR-αα、PDGFRββ 和异源二聚体PDGFR-αβ。如图1 所示，αα 结合除PDGFDD 以外的所有 亚 型， 而αβ 结合PDGF-AB 和PDGF-BB，可能结合PDGF-CC 和PDGF-DD。 1974年Ross 等首次在血清中检测到PDGFRα，随后的研究表明：PDGFRα 参与Ras-MAKP、PLCγ、PI3K 和Src 等信号通路，能驱动包括细胞增殖、细胞存活、细胞迁移、细胞外基质沉积和组织重塑因子沉积在内细胞反应。

图1 PDGFRα 信号通路示意图

3 PDGFRα 与心脏的发育

PDGFRα 能够介导间充质细胞的分化和迁移等，对于心脏的发生和发育起着重要作用［7，8］。 小鼠胚胎心脏发育的过程中，早期中胚层细胞、心脏神经嵴细胞和SHF 来源的心外膜细胞及其衍生细胞（如心肌间质细胞和心脏成纤维细胞） 均能检测到PDGFRα 的表达。 研究发现，PDGFRα 缺失的小鼠胚胎期易出现死亡，其原因是该小鼠存在心脏发育缺陷，而严重缺少血管平滑肌细胞小鼠出生后即快速死亡［3，9］。

3.1 PDGFRα 与心脏神经嵴细胞在心脏发育过程中， 心脏神经嵴细胞主要参与流出道的构建。PDGFRα 天然突变和无效突变的小鼠在心脏神经嵴发育过程中出现隐性缺陷，由此可知PDGFRα 信号转导对于心脏神经嵴的发育是必需的。 Tallquist等［8］利用Cre/loxP 重组系统获得在颅神经嵴细胞中条件性敲除PDGFRα 的转基因小鼠，发现心脏神经嵴细胞中PDGFRα 的缺失会导致主动脉弓的形态异常、血管缺陷，其中最严重的血管发育缺陷为持续性动脉瘤。另外心脏神经嵴细胞中PDGFRα 的缺失也导致室间隔缺损。 该小鼠的颅神经嵴细胞能按照预定的方向迁移；分化为血管平滑肌的过程未出现异常； 细胞增殖和凋亡水平与野生型之间无差异。究其原因可能是PDGFRα 通过调节基质沉积等细胞反应参与调节主动脉弓区域重塑的过程出现异常或小鼠缺少PDGFRα 阳性的颅神经嵴细胞。此外， 内皮来源的间充质细胞的PDGFRα 信号传导对神经嵴细胞的迁移起着一定作用，PDGFRα 在内皮来源的细胞中缺失会导致神经嵴细胞迁移的缺陷［10］。

3.2 PDGFRα 与心外膜在心脏发育过程中，早期胚胎心管原始心肌最外层的衍生物参与心外膜的形成。 最近的研究表明，心外膜对心肌的生长和成熟以及对心血管和结缔组织的发育至关重要，是心脏发育不可或缺的组分。 Smith 等［11］的研究表明，心外膜中特异性敲除PDGFRα 的小鼠缺乏血管平滑肌细胞和心肌基质成纤维细胞。 该小鼠的PDGFRα 信号转导出现异常并导致Sox9 表达降低，心外膜在上皮-间充质转化失败且不形成心外膜衍生细胞，因此缺乏血管平滑肌细胞和心肌基质成纤维细胞。 而Sox9 可以挽救该小鼠所见的上皮-间充质转化缺陷。 因此，PDGFRα 对心外膜的上皮-间充质转化具有重要作用。

3.3 PDGFRα 与心脏成纤维细胞PDGFRα 是心脏成纤维细胞发育需要的酪氨酸激酶受体，能够指导心外膜来源的成纤维细胞的迁移和分化［11，12］。 心脏成纤维细胞是心脏的常驻种群，具有平衡细胞外基质（如胶原蛋白等）的产生和降解的作用。 其来源有两种：一是起源于心外膜，在胚胎发育过程中心外膜细胞通过上皮-间充质转变， 然后穿过心肌成为心脏成纤维细胞；二是起源于心内膜，也通过上皮-间充质转变和迁移到心肌成为心脏成纤维细胞［13］。 Malin 等［14］的实验结果表明这两个心脏成纤维细胞谱系都需要PDGFRα 信号作为稳态生存信号。 当心脏损伤时，心脏成纤维细胞会活化成为肌成纤维细胞。 研究发现，心肌肥大或心脏纤维化过程中驻留的成纤维细胞增殖和扩张成为肌成纤维细胞。 Milena［15］利用SCA1 分选 出CD45-；CD31-；CD29+；mEFSK4+；PDGFR+；Sca-1+；Periostin+心脏成纤维细胞子集。 该心脏成纤维细胞子集能够产生如Chemokine（C-C motif） ligand 11（CCL11）的 细胞因子和趋化因子。 CCL11 是调节嗜酸性粒细胞向心脏运输的主要趋化因子［16］。 Renée 等［7］的研究结果显示， 心脏成纤维细胞需要PDGFRα，PDGFRα 信号对心脏成纤维细胞的存活是必需的。 Klinghoffer等［17］发现磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信号传导是PDGFRα 在鼠胚胎发育中的关键下游效应子。

3.4 PDGFRα 与心脏祖细胞PDGFRα 在小鼠和人类的心脏干细胞中表达，能够识别SHF 区域后部的心脏祖细胞，是心脏祖细胞的已知标志物［18-20］。James 等［21］检测人类胎儿和患病成人心脏中PDGFRα的表达时发现其在心外膜、心肌和心内膜的间质细胞以及冠状动脉平滑肌中表达强，在内皮细胞和心肌细胞中观察到PDGFRα 的低表达。 该结果提示PDGFRα 阳性的祖细胞是心外膜的衍生物。

4 PDGFRα 与人类心脏疾病

心脏病是人类健康的头号杀手，其中心肌梗死和心力衰竭是造成这种致死性的根本原因。 在长期的心力衰竭中， 间质纤维化会在整个心脏内累积，导致心肌壁和隔膜的僵硬， 并逐渐恶化心脏功能。心肌梗死后急性愈合纤维化和心力衰竭期间长期进行性间质纤维化主要是由成纤维细胞的激活和功能介导。 PDGFRα 在心脏发育过程中能够促进心脏纤维化，也能在损伤后驱动组织炎症反应，如内皮损伤后的伤口愈合并刺激局部成纤维细胞活化。

小鼠中PDGFRα 的激活会导致包括心脏在内的多器官纤维化， 其配体Pdgf-a 和-c 过表达的小鼠心脏也出现不同程度的纤维化，而腺病毒介导的Pdgf-a 和-c 加速了心脏纤维化和慢性排斥反应的转移［22-25］。 Pdgf-a 过表达产生的较强的纤维化作用是由心脏间充质细胞中的PDGFRα 介导的，PDGFRα 信号可能是细胞外基质变性和纤维化反应的来源。心肌注射表达PDGFs 的腺病毒也可能通过激活PDGFRα 导致炎症反应增加。通过观察心脏发育过程中PDGFRα 表达模式和α-MHC-PDGF转基因小鼠的表型，Gallini 等［26］认为PDGFRα 阳性细胞参与了纤维化反应，是纤维化反应的关键参与者。部分PDGFRα 阳性的细胞起着间充质细胞的作用，在炎症或损伤中能分化为内皮细胞或具有作为原 纤 维 化 细 胞 的 能 力［27］。 Wang 等［28］的 研 究 发 现PDGF-AA/PDGFRα 信号通过激活c-Kit 激活了心脏成纤维细胞。

5 PDGFRα 与心脏再生治疗

成年人类心脏中PDGFRα 表达的研究主要是对成年心脏异体移植活检进行分析，在心脏移植前PDGFRα 的表达水平低，移植后1 周表达明显提高并在移植1 年后恢复基线水平［29，30］。 这与PDGFRα在组织损伤修复中的作用息息相关。 此外在心脏修复和再生方面， 心脏修复细胞疗法被广泛地研究。越来越多的人推测，通过在进入受损心脏之前增加候选细胞可以弥补心脏细胞疗法的不良疗效。 心脏祖细胞已被运用到心脏和再生的修复工作中。 成年人体内存在内源性心脏祖细胞，这些细胞具有长期自我更新能力，具有能分化为心肌细胞、血管平滑肌细胞和内皮细胞的能力， 在损伤后新的心脏组织的形成中可能有促进作用［21，31-33］。在心脏再生临床试验中， 已经测试了几种成年干细胞群体的心脏修复效果，并取得了令人鼓舞的临床前和临床结果［34-36］。

James 等［21］发现PDGFRα 阳性细胞在体外分化后表达平滑肌α-肌动蛋白和平滑肌肌球蛋白或者内皮细胞标记蛋白CD31， 即PDGFRα 阳性细胞在体外分化可产生平滑肌细胞和内皮细胞。Le 等［37］从8 个未患病的人类心脏样本中分离了心脏祖细胞，所得细胞对成纤维细胞标记波形蛋白、间充质细胞标记PDGFRα 和CD90 以及多能性基因SOX2、MYC 等呈强阳性。 该细胞在体外能分化为平滑肌、内皮细胞和心肌细胞样， 具有多潜能性。 PDGFRα阳性的心脏祖细胞群体高表达心血管标志物，能分化为心血管谱系。单细胞测定法证明了PDGFRα 阳性心脏祖细胞的克隆形成性，并具有较长的自我更新能力。 Le 等［38］进一步表征表达PDGFRα/CD90 的心脏间充质细胞，并使用人类端粒酶反转录酶过表达来增加心脏间充质细胞诱导心肌梗死后修复心脏的能力。 PDGFRα 阳性的心脏间充质细胞是心脏成纤维细胞中一个具有高可塑性的亚群。 而过表达人类端粒酶反转录酶的PDGFRα 阳性的心脏间充质细胞提高了其在细胞存活、细胞分化、基质调节和血管生成等方面的能力。 心肌梗死的大鼠在移植该细胞群后心脏功能得到增强。 由此可见PDGFRα阳性的心脏间充质细胞在人类端粒酶反转录酶再生能力和心肌梗死后的心脏修复得到增强。

心脏PDGFRα 阳性细胞似乎可以维持人心脏的血管和间质区室，具有祖细胞的特性。 人类心脏祖细胞的表征对于当前的心脏修复和再生工作非常重要，因此有必要对PDGFRα 阳性细胞在心脏修复疗法进行进一步研究。

6 小 结

PDGFRα 参与心脏的发生和发育，其缺失或异常激活均导致心脏发育异常。 PDGFRα 基因缺失或异常激活的小鼠为心脏的病理研究提供实验模型，如PDGFRα 基因突变的小鼠表型类似于心脏神经嵴细胞缺陷性疾病；PDGFRα 基因敲除的小鼠表型类似于心肌致密化不全；PDGFRα 基因过表达的小鼠表型类似于心脏纤维化。 因此，PDGFRα 可作为心脏疾病治疗的潜在靶点，对PDGFRα 在心脏发育过程中的作用机制研究将有助于更好地理解心脏的发育过程、心脏疾病的发生和治疗。