瞿珊珊 黃蓉蓉 閆軍宇 李玉蘭,3

(1.蘭州大學第一醫(yī)院生殖醫(yī)學中心,甘肅 蘭州 730000; 2.蘭州大學第一臨床醫(yī)學院,甘肅 蘭州 730000; 3.蘭州大學第一醫(yī)院麻醉科,甘肅 蘭州 730000)

心血管疾病的患病率逐年上升,在人類疾病死亡率中居首位。20世紀90年代,Takaichi等[1]發(fā)現(xiàn)血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)具有兩種表型——收縮型和合成型(或分泌型),且在一定條件下可互相轉化。近年來研究[2-8]發(fā)現(xiàn),VSMCs表型轉化在心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中起關鍵作用,而線粒體功能障礙、鈣穩(wěn)態(tài)失衡可能是VSMCs表型轉化的重要因素[9-15]。現(xiàn)綜述鈣穩(wěn)態(tài)、線粒體功能與VSMCs表型轉化之間的關系,并探討其促成心血管疾病的可能機制。

1 VSMCs表型轉化與心血管疾病

VSMCs是血管中膜的主要成分。生理情況下,VSMCs分化成熟為穩(wěn)定的收縮型,維持血管正常的舒縮功能。當受到病理因素刺激時,VSMCs由收縮型去分化為合成型,獲得較強分泌功能,合成分泌細胞外基質(zhì),細胞增殖和遷移能力增強,導致內(nèi)膜增生和血管重構[2-3]。VSMCs不同表型具有相關標志性蛋白,收縮型標志性蛋白有α-平滑肌肌動蛋白(alpha-smooth muscle actin,α-SMA)、平滑肌蛋白22α(smooth muscle 22 alpha,SM22α)、平滑肌肌球蛋白重鏈和鈣調(diào)蛋白等;合成型標志性蛋白有骨橋蛋白(osteopontin,OPN)、骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)2和骨鈣素等。合成和分泌能力可通過檢測基質(zhì)金屬蛋白酶2、基質(zhì)金屬蛋白酶9等活性物質(zhì)進行鑒定[4]。

VSMCs表型轉化引起的功能障礙是心血管疾病的病理基礎,如動脈粥樣硬化、動脈高壓、血管鈣化、血栓形成和動脈瘤形成等。在動脈粥樣硬化的病理改變中VSMCs表現(xiàn)出較強的分化增殖能力,細胞形態(tài)向軟骨細胞樣、成骨細胞樣、泡沫細胞樣、巨噬細胞樣轉化,收縮表型蛋白表達降低的同時合成表型蛋白明顯升高,驅(qū)動血管鈣化形成。因此認為VSMCs表型轉化是啟動動脈粥樣硬化病變的重要因素[5]。肺動脈高壓(pulmonary hypertension,PH)種類繁多,發(fā)病機制復雜,但各類PH具有相同的病理標志即血管重塑,表現(xiàn)為肺動脈血管平滑肌細胞(pulmonary arterial vascular smooth muscle cell,PASMC)增殖,血管內(nèi)膜增厚,血管肌化明顯。在各種病因引起的PH病變血管中,均發(fā)現(xiàn)PASMC存在去分化現(xiàn)象,細胞過度增殖、遷移,導致血管病理性重塑。在高血壓病變血管中VSMCs增生明顯,中膜增厚,血管僵硬,導致血管阻力增加,收縮標志蛋白α-SMA、SM22α表達下調(diào),合成標志蛋白OPN表達增加,表現(xiàn)出明顯的轉化現(xiàn)象[6-8]。

2 線粒體功能與VSMCs表型轉化

線粒體是細胞內(nèi)重要的細胞器之一,具有為細胞供能、參與信號轉導、維持細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)、調(diào)節(jié)細胞凋亡等功能。它具有高度動態(tài)性,可通過融合及分裂的動態(tài)平衡,調(diào)節(jié)能量代謝,保證細胞正常的生理功能。近期研究VSMCs表型轉化時發(fā)現(xiàn),線粒體形態(tài)及功能發(fā)生改變,其動力學及能量學的穩(wěn)定在維持血管平滑肌表型及功能方面具有重要作用。

2.1 線粒體動力學

線粒體是一個不斷進行融合分裂的動態(tài)管狀網(wǎng)絡,其融合過程具有混合并重新分配蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物和線粒體DNA等功能;分裂過程則是將線粒體網(wǎng)絡中功能失調(diào)或受損的部分分離出來,通過自噬進行降解,從而修復受損的線粒體[9]。

在VSMCs表型轉化過程中,電鏡觀察到線粒體形態(tài)變化顯著[10],收縮表型VSMCs中線粒體呈現(xiàn)蠕蟲形絲狀,而合成表型中則表現(xiàn)為球形的碎片化狀態(tài)。線粒體的重塑過程受相關蛋白調(diào)控,如促進融合的Mitofusin1/2(Mfn1/2)、視神經(jīng)萎縮蛋白等和促進分裂的動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)、分裂蛋白1等。線粒體融合后,可恢復膜電位,增加氧消耗率和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的產(chǎn)生[11-12]。而線粒體分裂,膜去極化,電位降低,能量代謝障礙,誘導線粒體自噬。

Mfn2介導線粒體融合,其正常表達是維持VSMCs收縮表型的重要因素。當Mfn2表達減少時,VSMCs發(fā)生表型轉化,增殖能力增強。在缺氧性PH的大鼠模型中Mfn2轉錄及蛋白表達顯著降低,VSMCs增生,血管壁增厚[13]。血小板源性生長因子BB(platelet-derived growth factor-BB,PDGF-BB)是誘導VSMCs去分化的重要生物因子[14]。Salabei等[10]在研究PDGF-BB調(diào)控VSMCs表型轉化時觀察到Mfn2的蛋白表達減少50%,線粒體分裂活性增強,呈現(xiàn)明顯的碎片化,細胞中α-SMA和鈣調(diào)蛋白表達減少。Torres等[15]在PDGF-BB誘導大鼠主動脈VSMCs表型轉化時,使用胰高血糖素樣肽-1激活蛋白激酶A活性,上調(diào)Mfn2的表達,促進線粒體融合,抑制細胞遷移和增殖。牛艷華[16]發(fā)現(xiàn)脂肪酸合酶抑制劑可增加Mfn2的表達,減輕線粒體相關的細胞凋亡,改善血管重塑。

相反,線粒體分裂增強可誘導VSMCs向合成型轉化。在慢性血栓栓塞性PH的VSMCs中,Drp1磷酸化顯著增加,線粒體體積減小,數(shù)量增加,OPN上調(diào),SM22α顯著下調(diào)[17]。Marsboom等[18]通過激活缺氧誘導因子-1α,誘導線粒體Drp1總量增加、磷酸化增強,VSMCs獲得較強的增殖能力,導致內(nèi)膜增厚。生物因子血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)也可通過增加Drp1、降低Mfn2的表達,使VSMCs表型轉化[19]。但Deng等[20]在AngⅡ誘導小鼠原代主動脈VSMCs表型轉化過程中發(fā)現(xiàn),Drp1的mRNA及蛋白表達沒有增加,而是通過AngⅡ增強Drp1磷酸化,激活Drp1發(fā)揮生物效應。無論通過何種機制,在使用線粒體分裂抑制劑Mdivi-1后,均可觀察到線粒體面積和長寬比明顯增加,同時增殖標志物減少,AngⅡ誘導的表型轉化被明顯抑制,逆轉VSMCs去分化現(xiàn)象,恢復收縮表型[18-20]。

VSMCs表型轉化伴有線粒體動力學的改變,線粒體融合減弱,分裂增強。改善線粒體功能,可逆轉去分化以維持VSMCs收縮表型,改善血管功能,證實線粒體動力學在VSMCs表型轉化中具有重要的調(diào)控作用。

2.2 線粒體能量學

線粒體是產(chǎn)生能量的重要細胞器,其內(nèi)膜包含電子傳遞鏈和線粒體ATP酶,參與三羧酸循環(huán)的氧化磷酸化和β氧化,為機體供能[11]。線粒體損傷時,氧化磷酸化受到抑制,ATP產(chǎn)生減少,線粒體功能障礙,大量生成ROS,線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)損傷,鈣穩(wěn)態(tài)紊亂,導致一系列的心血管疾病[21]。

近期研究發(fā)現(xiàn),VSMCs表型轉化時伴有明顯的能量代謝障礙。在小鼠主動脈合成型(去分化型)VSMCs的組織模型中,觀察到參與氧化磷酸化的復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ的表達明顯降低,復合物Ⅱ、Ⅳ也表現(xiàn)為下降趨勢,有氧糖酵解與氧化磷酸化耦合減弱,能量代謝障礙[22]。Yu等[23]也發(fā)現(xiàn)在動脈粥樣硬化斑塊的VSMCs中復合物Ⅰ表達減少,線粒體呼吸功能受損,ATP產(chǎn)生減少,這可能與mtDNA損傷有關。mtDNA是控制呼吸鏈蛋白合成的重要分子,其損傷使編碼的線粒體ATP酶的表達降低,氧化磷酸化功能受損,ATP合成顯著減少,直接影響能量代謝[24-25]。

線粒體能量代謝障礙也可誘導VSMCs表型轉化。軟骨寡聚基質(zhì)蛋白與抑制素蛋白2相互作用維持VSMCs的收縮表型。當線粒體內(nèi)的軟骨寡聚基質(zhì)蛋白缺乏時,線粒體膜電位降低,mtDNA損傷,出現(xiàn)明顯的氧化磷酸化障礙,VSMCs向合成型轉化[26];抑制素蛋白2缺乏時,抑制復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的活性,損害呼吸超復合物形成,導致相同的結果[27]。寡霉素抑制ATP合酶(又稱復合體Ⅴ)時,也觀察到VSMCs去分化的現(xiàn)象。在PDGF-BB導致的合成表型VSMCs中,Jia等[26]觀察到去分化程度與線粒體呼吸減少呈正相關;相應的在轉化生長因子-β誘導的收縮表型中,線粒體呼吸明顯增加。

正常收縮型細胞線粒體主要利用葡萄糖代謝供能,VSMCs去分化時,線粒體氧化磷酸化減弱,能量代謝障礙。為保證細胞能量代謝,脂肪酸逐漸成為主要供能物質(zhì)。Salabei等[10]研究認為脂肪酸氧化是細胞分裂、遷移及合成和分泌細胞外基質(zhì)的必需環(huán)節(jié),VSMCs去分化獲得增殖能力是由轉錄和生物能量過程耦合驅(qū)動的。因此,改善線粒體呼吸功能、恢復供能,可成為恢復細胞表型的治療手段。線粒體能量代謝與其形態(tài)相關,高能量需求的組織(如骨骼肌、心肌細胞等)通常具有融合的相互連接的線粒體,而能量需求較低的組織有更小、碎片化的線粒體[28]。胰高血糖素樣肽-1通過上調(diào)Mfn2的表達快速誘導線粒體融合,線粒體膜電位、氧消耗率和ATP增加,線粒體活性增強,抑制細胞的增殖和轉移。因此認為線粒體的融合是對能量代謝失調(diào)的一種保護性反應[17]。

3 鈣離子與線粒體功能

線粒體是細胞內(nèi)重要的鈣離子緩沖和儲存器,細胞內(nèi)鈣平衡是維持VSMCs正常生理功能的保障。在PH患者的VSMCs中觀察到線粒體斷裂、線粒體內(nèi)鈣離子濃度病理性降低,能量代謝受抑制;細胞質(zhì)中鈣離子濃度升高,驅(qū)動細胞增殖、血管收縮[29]。人們通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn),在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣離子通道附近通常有線粒體聚集,參與介導鈣離子重新分布,維持細胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子穩(wěn)態(tài),保證正常的細胞功能[30],如圖1。

注：[Ca2+]cyto,細胞質(zhì)鈣離子濃度;[Ca2+]mito,線粒體鈣離子濃度。

線粒體對鈣離子的攝取有賴于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的偶聯(lián)區(qū)域,即線粒體相關內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitochondria-associated endoplasmic reticulum membranes,MAMs)[31]。MAMs主要功能包括產(chǎn)生高度定位和集中的鈣離子微區(qū),促進鈣離子通過電壓依賴性陰離子通道穿過線粒體外膜到達線粒體膜間腔隙,激活線粒體鈣離子單向轉運蛋白(mitochondrial calcium uniporter,MCU)進入線粒體基質(zhì)內(nèi)[32]。線粒體能量代謝對細胞內(nèi)鈣離子濃度具有依賴性。鈣離子濃度適度升高激活MCU,鈣離子進入線粒體,促進能量合成。線粒體內(nèi)的鈣離子濃度決定ATP的合成速率[33]。Bravo等[31]實驗觀察到在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激早期,MAMs數(shù)量增加,確保內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體間的鈣聯(lián)系。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子激活MCU,提高線粒體鈣離子攝取率,降低細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度,同時確保ATP的產(chǎn)生。在VSMCs中這種作用有利于維持VSMCs的收縮表型[34]。

研究[32]發(fā)現(xiàn),Mfn2在MAMs中高度表達,是重要的調(diào)節(jié)蛋白,其表達參與調(diào)節(jié)線粒體的鈣攝取。Mfn2表達增加,線粒體融合,提高對鈣離子攝取能力及速率[35]。Mfn2表達減少,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的距離增加,線粒體鈣離子攝取率降低[36],ATP生成障礙,細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度升高,誘導VSMCs表型轉化。Hong等[29]在正常的PASMC中,通過基因調(diào)控抑制MCU活性,細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度升高,Mfn2表達降低,線粒體碎片化,細胞增殖、遷移能力增強。同時,線粒體內(nèi)鈣離子濃度降低,抑制丙酮酸脫氫酶活性,氧化代謝減弱,細胞功能依賴有氧糖酵解,出現(xiàn)類似于癌細胞的Warburg現(xiàn)象,能量代謝障礙,表現(xiàn)出合成型VSMCs的特征。抑制Drp1及其磷酸化,分裂過程減弱,也可使線粒體獲得更高的鈣攝取和保留能力[35]。

除此之外,ROS和炎癥因子等致病因子導致線粒體鈣超載,每毫克線粒體中鈣離子含量>500 nmol時,線粒體氧化磷酸化受到不可逆抑制,ATP產(chǎn)生明顯減少,可能與線粒體內(nèi)膜嵴功能障礙[37]和復合物Ⅰ功能抑制有關[38]。同時,鈣超載導致線粒體通透性轉換口打開,膜電位降低,線粒體腫脹,內(nèi)膜斷裂嵴重塑,mtDNA損傷,線粒體碎片化,自噬增強,能量代謝障礙[39]。線粒體通透性轉換口的持續(xù)開放導致線粒體鈣離子和ROS流入細胞質(zhì)內(nèi),細胞質(zhì)內(nèi)鈣離子和ROS濃度升高誘導VSMCs表型發(fā)生轉化。線粒體膜電位降低和呼吸鏈功能缺陷有關的鈣攝取能力下降,也是誘導VSMCs表型轉化的機制之一[32]。

鈣離子是維持線粒體動力學及能量學的重要橋梁,VSMCs表型轉化過程中線粒體功能障礙表現(xiàn)為：動力學失衡,形態(tài)呈碎片化,鈣離子攝取能力降低,細胞內(nèi)鈣離子濃度升高,線粒體內(nèi)鈣離子濃度降低,能量代謝障礙。病理因素刺激下,線粒體鈣超載抑制氧化磷酸化,并導致線粒體腫脹、膜斷裂等,誘導VSMCs向合成型轉化。因此,保證鈣穩(wěn)態(tài)是維持線粒體功能的重要環(huán)節(jié)。

4 結論與展望

綜上所述,VSMCs表型轉化是多數(shù)心血管疾病發(fā)病的基礎改變,線粒體功能狀態(tài)是決定VSMCs表型的重要因素,線粒體融合強于分裂,利于氧化磷酸化及ATP的產(chǎn)生,VSMCs表達為收縮型。鈣離子是影響線粒體功能的核心因素之一,鈣離子濃度與線粒體的融合分裂過程及能量代謝相互作用,共同影響VSMCs的表型。因此如何維持細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài),改善線粒體功能,使VSMCs從病理狀態(tài)下的合成型恢復為收縮型,可能成為阻斷心血管病變發(fā)展的治療策略。