摘要
肺动脉高压与肺血管重塑有关。慢性缺氧是肺动脉高压和肺血管改造的常见原因。血管重塑的特征在于成纤维细胞,平滑肌和内皮细胞增殖,这导致腔爆裂。慢性缺氧通过成纤维细胞和内皮细胞引发丝季,生长因子和细胞因子的表达,以及抑制内皮一氧化氮合酶。虽然缺氧肺血管重塑与内侧肥大有关,但许多体外研究发现,缺氧不会导致平滑肌细胞增殖的直接增加。这个悖论还没有被很好地理解,本文的目的是检查为什么会这样的各种原因。本文作者回顾了来自体外研究和还考虑缺氧是否可以对相邻细胞(如成纤维细胞和内皮细胞)作用,以引发平滑的肌肉细胞增殖。缺氧是通过成纤维细胞,内皮细胞或两者感测的缺氧,并通过细胞间信号传导转发到相邻的肺动脉平滑肌细胞,引起增殖。
本文评论了数据来自体外缺氧对肺血管壁三种细胞成分内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞的研究
肺动脉高压(PH)是由于生活在高海拔地区而遭受环境缺氧的人以及患有慢性肺缺氧疾病(如慢性阻塞性肺疾病(COPD)、囊性纤维化、支气管扩张和哮喘)的人的并发症。PH与低氧肺疾病患者的发病率增加和生存率降低独立相关1,既伴随着肺血管重塑引起2.肺血管壁由三层组成:外膜,培养基和内部,其细胞组分分别是成纤维细胞,平滑肌细胞(SMC)和内皮细胞(EC)。肺动脉的重塑是一种复杂的病理过程,其中所有三层血管壁都涉及3..
在本文章中,作者已经从审查的许多证据体外缺氧对肺血管细胞增殖和功能的研究,但集中于涉及缺氧对SMC增殖作用的争论。
对缺氧反应的血管重塑和ph值
在正常条件下,血管壁的厚度被保持在通过增殖和驻地细胞类型的凋亡之间的良好的平衡的最佳水平。如果这种平衡有利于扩散的不安,血管壁变厚,并最终抹杀血管腔,从而增加阻力。血管床的这种结构变化被称为血管重塑3..肺动脉(PA)重塑导致导致进一步重塑的增加的肺压。外膜成纤维细胞增殖性低氧小时内增加4.但是,,暴露(缺氧)几天,内侧层(肥大和增生)的增厚开始发展5..已知的是,SMC的肥大使得比在更大,更近端动脉增生的贡献更大,而增生是在较小的阻力动脉更普遍6.那7..此外,成纤维细胞迁移到内侧层中并可以转化为SMC8..EC还通过产生血管收缩促增殖因子(内皮素(ET)-1,血管紧张素II,血栓素A)参与缺氧肺重塑2),并减少血管舒张性、抗增殖介质(一氧化氮(NO)和前列腺素- i)的产生2)。豪威尔等等。9.表明,从低氧大鼠肺内膜和外膜的体积分别增加1.5倍,以及介质的体积增加到6倍,与常氧对照。
缺氧是肺血管细胞增殖和血管重塑的原因,但机制仍然不清楚。体外研究表明,缺氧对细胞增殖具有直接影响,但不是全部,细胞制备10.-12..缺氧能够通过的antimitogenic因子抑制(产生和/或释放)(以增加的细胞增殖如。NO和前列环素),并通过增加不同有丝分裂刺激的产生和/或释放(如。5-羟基对胺,ET-1,血小板衍生生长因子(PDGF)和血管内皮衍生的生长因子(VEGF))和炎症介质(如。白介素(IL)-6、IL-8和单核细胞趋化因子-1)13.-18..此外,低氧暴露导致增加的生产细胞外基质组分19..
几种可能的途径涉及到缺氧的细胞反应中。例如,在SMC中,缺氧显着增加了CA的水平2+在细胞质中20..增加钙2+水平导致CA的激活2+/钙调蛋白和丝裂原活化proein激酶(MAPK)和早期反应基因的表达C-FO.21.那22..升高的钙2+在SMC水平已显示出调节增殖和生长22..另一个例子是rho激酶途径,其磷酸化肌苷磷酸酶靶亚单位-1的平滑肌肌菌素磷酸酶,导致其活性的抑制作用23..这种抑制平滑肌肌苷磷酸酶活性导致CA2+平滑肌引起收缩,基因表达和增殖增加的敏化23..
这些信号传递过程对于不同的细胞类型可能是不同的。众所周知,急性缺氧暴露导致肺动脉成纤维细胞(PAF)的早期增殖,这种增殖似乎依赖于肿瘤抑制蛋白(p38) MAPK10.-12.(fig. 1⇓)。p38蛋白是关键机制之间的是从细胞表面到细胞核的发射信号,和属于的Ras /胞外信号调节激酶信号传导途径24.那25..p38 MAPK可以直接影响基因转录,已知有越来越多的转录因子是p38的直接靶标(激活转录因子(ATF)-1, ATF-2, ATF-6,肌细胞因子(MEF)2C, MEF- a,信号通路淋巴细胞激活分子相关蛋白- 1a等)26..p38 mapk的另一个重要目标是肿瘤抑制蛋白本身,p5327..在p38 MAPK和缺氧诱导因子(HIF)-1α之间也建立了联系,HIF -1α是缺氧生化反应的关键转录因子。在急性缺氧条件下培养的人PAF (HPAF)细胞中,如果预先用特定的p38 MAPK抑制剂SB203580孵育细胞,HIF-1α的表达会降低28..p38 MAPK和HIF-1α之间的关系是p38 MAPK在缺氧介导的HPAF增殖中的作用的一个有吸引力的解释,因为众所周知HIF-1α负责缺氧敏感基因产物的上调26..这种关系的机理尚不清楚,目前;HIF-1α可以是p38蛋白或p38蛋白的下游效应可以朝向HIF-1α稳定性作出贡献。
凋亡的减少在肺血管的重塑中也起着重要的作用29.那30..人肺动脉高压(PAH)和啮齿动物实验性PAH的一个特征是电压门控K的丢失+通道(kV)电流31.由于某些kV频道的表达减少32.-34..慢性kV下调沉淀了SMC的肥大和增生,通过降低细胞凋亡率来防止细胞去除30..
重要的是要注意,存在在没有显着pH的情况下发生肺电阻容器的情况。例如,在具有COPD的人中,在没有pH的情况下,已经观察到肺动脉壁的标记增厚35..在慢性感染的大鼠肺部,既不观察到pH也不右心室肥大,肺容器壁都加厚36.那37..对于这些发现的一种可能的解释是,发生在向外的方向,使得它不导致减少血管管腔的这个增厚。这种类型的向外重塑,称为代偿放大,已经在体循环中被很好地描述38.那39..
模型用来研究肺血管重建
已经使用许多模型来研究肺血管改造的机制,其中缺氧和偏老石是最广泛使用的。缺氧是比六角醛诱导的pH值更为生理模型,用于研究肺血管重塑。偏异度诱导的pH在自然中不会发生,而缺氧是一种导致高海拔高原的pH的病理刺激,或由于海平面的缺氧肺病的结果。
其他不太常用的PH模型包括全身到肺动脉分流和SU5416阻断VEGF受体-2,这是肺动脉内皮细胞死亡的一个原因2那40那41..
野百合碱
野百合碱(pyrrolizidine alkaloid)是一种植物源性毒素(从植物中提取Crotalaria物种)。作为单一注入大鼠时腹腔剂量导致内皮细胞损伤,随后将大规模单核浸润进入动脉瘤和肌肉动脉的血管外区域。这些动物在长官靶素暴露后2-3周内产生严重的pH值42.,导致右心室肥厚进展为右心室衰竭43..虽然典型的丛形状病变通常在偏裂藻诱导的pH中没有发现,但它用作次级和初级pH的标准模型44..
缺氧
缺氧是研究肺血管重构最常用的模型。急性缺氧对血管重构的影响一般通过血管细胞的培养来研究。细胞通常暴露于常压缺氧(0-10%氧气)4-24小时,测量细胞增殖或有丝分裂因子的释放11..
通常研究慢性缺氧体内在动物暴露在缺氧条件几天到几周。在the most commonly used model, rats are exposed to normobaric (10% oxygen) or hypobaric (320 mmHg or 42.6 kPa) hypoxia for 2–3 weeks, typically leading to a 50% increase in mean PA pressure (PAP), and a doubling in weight of the right ventricle45..
急性缺氧对肺血管收缩刺激3.那46.中,生理过程,其中区域缺氧用作血流重定向到更好充氧肺部区域的重要调节机制。慢性缺氧全球然而,PH的原因。在高海拔地区的儿童和年轻成人居民进行肺血流动力学测量,提高PAP的显示持久性(在吸入空气氧分压与海拔高度增加地面标高下降)47.那48..高海拔地区非因慢性肺病死亡的居民肺血管的组织学检查显示典型的肺动脉高压模式49.那50..导致慢性缺氧的其他原因是导致肺泡缺氧的病理条件和疾病,包括COPD、囊性纤维化、支气管扩张和哮喘。早期研究表明,每年有6%的COPD患者发展为肺心病51..COPD患者的PAP平均缓慢增加(0.28 mmHg·yr)-1)25%的患者患有> 20 mmHg的休息毒品52..虽然这些压力不高的特发性pH标准,但在睡眠期间,这些压力要高得多,肺病的恶化或运动。这些数据的外推表明,大量患有COPD的患者将在疾病过程中发育pH值,结果会增加发病率和死亡率。
缺氧诱导的pH的特征在于由于血管收缩和重塑引起的肺血管阻力显着增加。暴露于慢性缺氧的大鼠的肌肉动脉将厚度加倍,并且可以观察到肺动脉平滑肌细胞(Pasmc)的远端延伸到通常非肌动脉中6..大量的人类和动物模型研究表明,慢性缺氧是PA重塑的触发器3.那53..人们普遍认为血管收缩的贡献在疾病过程中最大,并且肺血管床的结构重塑随时间变得逐渐变得更加重要。结构变化是慢性pH抗性和压力增加的重要决定因素的概念是通过观察结果支持,即在长期暴露于缺氧后,急性重新暴露于正常或甚至高水平的启发氧气中,在减少PAP中是无效的。
低氧对血管细胞和肺血管重塑的作用
在EC和PA重塑缺氧的影响。
EC层在循环血细胞和潜在的血管组织之间形成可渗透屏障,该血管组织由成纤维细胞和SMC组成。因此,它处于响应循环因子的独特位置,并用作信号积分器和换能器,以调制脉管系统中的事件通过旁分泌作用。EC和SMC似乎在各种生理事件中复杂地合作,包括控制血管张力和细胞生长54..
急性缺氧对欧共体的影响
有大约急性缺氧对肺内皮细胞增殖的影响的文献资料很少。在急性低氧暴露,EC分裂减慢,但并没有逮捕;通过从细胞周期的S到G2 /有丝分裂期的G-到-S转变点和/或进展的进展被改变与EC的S期的比例增加55..
缺氧对SMC和PA改造的影响
内侧增厚是肺血管阻力的主要决定因素。肺血管床的预毛细管段有助于大多数肺血管阻力。因此,由此可见,小的变化在色调和/或结构在这方面可能会导致较大的提升PAP的。这些容器通常仅部分muscularised,虽然缺氧性肺血管重塑导致肌型增强53.因此,这些血管是缺氧肺血管重塑的关键特征。
急性缺氧对SMC的影响
关于急性缺氧对PASMC培养的影响有很大的矛盾体外.目前尚不清楚缺氧对PASMC是否有直接的有丝分裂或合生作用,是否缺氧诱导PASMC产生自分泌生长因子,或是否缺氧诱导邻近细胞(EC或成纤维细胞)产生刺激SMC增殖的因子。许多研究者已经证明,急性缺氧不是PASMC增殖的直接刺激59.那60.,或它实际上降低了脂肪增殖17.那61..然而,其他研究表明,急性缺氧单独是PASMC有效的有丝分裂刺激62.-70.本文作者回顾了目前研究人员研究急性缺氧对PASMC增殖影响的文献(表1)⇓)。
有这些矛盾的发现几个可能的原因。
选择用于研究的PA细胞来源的变化
据了解,肺动脉平滑肌细胞肥大,使比更大,更近端动脉增生更大的贡献,而增生是在较小的阻力动脉更重要6.那7..然而,甚至使用来自肺动脉树的同一部分的外植体的实验已经给出了相互矛盾的结果。例如,dempsey等等。59.发现缺氧没有刺激近端脂肪增殖,而ambalavan等等。66.显示出在5-10%的氧浓度增殖的是近端PASMC。Stiebellehner等等。61.发现缺氧没有刺激远端脂肪增殖,而stotz等等。67.急性缺氧面对肺部微血管SMC的增殖率增加5-10%。
动脉中膜SMC的表型变异
最近对肺循环的研究表明,在PA的动脉培养基中存在形态,生理学和免疫组织化学不同的SMC表型64..Frid等.64.孤立的四个表型独特的PA的内部,中间和外层的亚族,并显示来自内侧前沿层(L1)的细胞和来自外内侧层(L3R)的细胞表现出高度增殖的表型并且,与传统的SMC不同,在缺氧条件下增殖。相反,来自中间内侧(L2)和外侧内侧(L3S)层的细胞在与常氧相比时在缺氧条件下的增殖性反应降低。
缺氧的严重程度
发现急性缺氧和脂肪增殖之间呈正相关的调查员往往使用中度水平的缺氧(1-5%氧)62.那63.那65.-69.,而那些发现缺氧导致脂肪增殖降低的人使用严重的缺氧甚至缺氧剂17.那65.那71.那72..
缺氧对成纤维细胞和PA重塑的影响
实验数据的数量不断增加支持的观点,即外膜成纤维细胞发挥肺血管重构具有重要作用。在血管外膜可以充当生物加工中心的生产,储存和释放血管壁功能的关键调节剂的。响应于应力或损伤(如。缺氧),可以激活和重新编程常规的过度细胞以表现出不同的功能和结构行为,包括增殖,分化,收缩和细胞外基质蛋白的上调,以及直接影响内侧SMC音调和生长的因素的释放。
急性缺氧对成纤维细胞的影响
研究人员表明,急性缺氧是成纤维细胞增殖的直接触发体外在大鼠,牛和人类模型存在或不存在外源性丝率8..暴露于急性缺氧导致成纤维细胞增殖和肥大10.-12..在这些模型中,成纤维细胞的缺氧增殖已被证明持续更长并且超过PAEC或SMC76..
慢性缺氧对成纤维细胞的影响
过度成纤维细胞的增殖发生在慢性缺氧动物模型中的其他细胞类型之前4..在小型肺动脉中,成纤维细胞增加了细胞外基质蛋白的产生(I型胶原蛋白和弹性蛋白),这有助于血管内腔的变窄77..此外,存在对胶原蛋白,纤连蛋白和Tropoelastin mRNA的早期和显着的上调,然后随后沉积这些蛋白质78..
受伤组织的修复是任何生物体的基本要求。PH是血液动力学应力,导致动脉壁的损伤。SMC,EC,并在此响应这种损伤肺血管壁起着特殊的作用成纤维细胞。成纤维细胞是在此角色的独特位置,因为它们不太分化和具有显着的可塑性,从而允许快速的迁移,增殖,结缔组织,收缩,细胞因子的产生,而最重要的合成,转分化成其它细胞类型的8..缺氧诱导的成纤维细胞增殖和基质制剂表型的变化伴随着肺动脉高血压受试者组织中平滑肌α-肌动蛋白的出现,表明成纤维细胞可以转化为肌纤维细胞8..该转置过度涉及一种复杂的微环境因子网络和途径,其中细胞外基质组分以及生长因子,细胞因子和粘附分子发挥作用。在暴露于缺氧的大鼠中,通常缺乏SMC的直径为25μm的毛细血管血管开始从24小时内的过度成纤维细胞产生这种细胞类型79..Light microscopy of nonmuscular arterioles after exposure to hypoxia shows that smooth muscle begins to form by day 2 at simulated altitude, the proportion of muscularised arterioles increasing along with increasing PAP80.有趣的是,这些研究表明,恢复常氧后,SMC坚持正常nonmuscularised动脉,这表明平滑肌细胞可能暴露于缺氧后仍保持很长时间。
新生牛犊的肺血管外膜已被发现含有多个,功能独特的成纤维细胞亚群78..这些亚种群在缺氧条件下的增殖变化很大,有些亚种群的DNA合成增加了两倍以上,而另一些亚种群的DNA合成则减少了。这些观察表明,缺氧特别选择某些表型和功能不同的成纤维细胞亚群作为血管壁的干细胞。由于每一个成纤维细胞亚群对缺氧的反应都是独特的,它们可能在对损伤的反应中发挥特殊的作用。因此,位于血管壁的外膜成纤维细胞可能是缺氧条件下血管重塑的关键调节器。
BETWEEN成纤维细胞,SMC和EC相互作用
研究表明,EC在诱导SMC增殖的缺氧条件下分泌有丝发液因子。已经证明牛主动脉EC分泌了几种SMC生长因子,包括PDGF,内皮衍生的生长因子,胰岛素,如生长因子1,成纤维细胞生长因子和IL-113.那14.那81.那82..众所周知,EC产生PDGF-B响应缺氧12.,但SMC没有66..研究还表明,肺血管EC中ET-1表达的增加似乎是由缺氧转录介导的13.那14..这种血管活性剂作为ET-1和PDGF-B的表达在暴露于低氧张力的EC中显着增加14.同样,VEGF在SMC中也被诱导。除了增加生长因子的释放外,缺氧还刺激一些细胞外基质蛋白的产生,如人EC中的血栓反应蛋白-183.血小板环戊蛋白-1调节SMC增殖和迁移,并且可以是血管生成的负调节剂84.因为在血液和组织之间的界面的定位,EC是负责维持血管内环境稳定的。他们完成了一系列的功能,不断互动与循环白细胞和SMC存在于媒体。因而其新陈代谢的任何干扰都可能导致血管功能的改变85.
在静止的PASMC培养中加入条件培养基(从暴露于缺氧的肺EC中获得),已证明可显著增加总细胞数86那87.相反,其他研究表明,缺氧的牛PAEC释放一种从犊牛主PA分离出来的抑制PASMC生长的抑制剂72..
SMC与人及大鼠PA外膜成纤维细胞共孵育时,PASMC有强烈的增殖反应73..越来越多的实验证据证明了成纤维细胞对其他细胞发挥着重要的旁静脉作用。已知成纤维细胞产生各种细胞因子,生长因子(转化生长因子-β,上皮生长因子,胰岛素样生长因子,PDGF)和炎症介质,其用作邻近细胞的邻静脉调节剂(内皮,SMC和上皮)增殖88.已经确定的是基质蛋白如胶原蛋白,纤维连接蛋白和蛋白聚糖起到迁移,增殖和分化显着的作用19..因此,通过缺氧成纤维细胞分泌促丝瘤因子的分泌导致相邻的PASMC的增殖。
总结
急性缺氧对肺动脉成纤维细胞,但许多直接的增殖作用体外研究未显示在肺动脉平滑肌或内皮细胞中的这种效果。静止肺动脉平滑肌细胞可能需要急性缺氧诱导的增殖的引发步骤。急性缺氧可能会降低肺动脉内皮细胞增殖,但缺氧内皮细胞和患有症状成纤维细胞可以释放因子为平滑肌细胞的毒性,并且中度急性缺氧可以增强肽生长因子和其他生长兴奋剂的增殖作用。内皮细胞或成纤维细胞可能有一种缺氧并且成为肺动脉平滑肌细胞增殖的关键决定性是可行的。
- 已收到2006年10月3日。
- 公认2007年3月1日。
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