钙离子通道在肺动脉高压发病机制中作用的研究进展.pdf

山东医药2023 年第 63 卷第 25 期钙离子通道在肺动脉高压发病机制中作用的研究进展周能1，王敏2，张洁1，靳海霞3，李艳1，褚衍彪41 潍坊医学院研究生院，山东潍坊261000；2 山东第一医科大学附属人民医院检验科；3 山东第一医科大学研究生院；4 山东第一医科大学附属中心医院呼吸与危重症医学科摘要：肺动脉高压（PAH）是一组以不受控制的肺血管重塑、持续的血管收缩和原位血栓形成为特征的临床综合征。PAH的发病机制至今仍不完全清楚，但越来越多研究表明，离子通道在PAH发病机制中具有重要作用。在离子通道中，Ca2+作为第二信使，能够参与人体内众多的生理和病理过程。电压门控钙通道、钙库操纵性钙通道、受体操纵性钙通道、牵拉激活离子通道中的Piezo1、N-甲基-D-天冬氨酸受体等钙离子通道对细胞内钙稳态至关重要，不仅可通过Ca2+浓度改变引起肺血管收缩，还可通过不同信号通路引起肺血管重塑，从而参与PAH的发生、发展。但钙离子通道在PAH中的具体作用机制仍需进一步探索。关键词：肺动脉高压；钙离子通道；电压门控钙通道；钙库操纵性钙通道；受体操纵性钙通道；Piezo1；N-甲基-D-天冬氨酸受体doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2023.25.024 中图分类号：R543.2 文献标志码：A 文章编号：1002-266X（2023）25-0091-04肺动脉高压（PAH）是一组以不受控制的肺血管重塑、持续的血管收缩和原位血栓形成为特征的临床综合征，由于肺血管重塑引起肺循环血流动力学改变，最终可导致右心衰竭甚至死亡1。PAH的发病机制至今仍不完全清楚，但越来越多研究表明，Ca2+、K+、Na+等离子通道在PAH的发病机制中具有重要作用。许多血管活性物质、炎症介质、转录因子等通过调节离子通道活性调控细胞内外离子浓度，从而调节血管收缩和细胞增殖、迁移、凋亡等。在第六届世界肺动脉高压大会上，有学者建议将“对钙通道阻滞剂（CCB）长期有效的肺高血压列入第一大类PAH中”2，这一建议在2022年ESC/ERS指南中被采纳3。钙稳态是维持细胞正常生理功能的基础。参与致病机制的各种信号通路通常以Ca2+作为中介或改变目标来调节细胞功能，如增殖、迁移、凋亡等。本文结合文献就电压门控钙通道（VGCC）、钙库 操 纵 性 钙 通 道（SOCC）、受 体 操 纵 性 钙 通 道（ROCC）、牵拉激活离子通道（SAC）中的 Piezo1、N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）在PAH发病机制中作用的研究进展作一综述。1 VGCC在PAH发病机制中的作用 VGCC是由1、2、四个亚基组成的膜蛋白复合体。根据钙离子电流门控特性不同，VGCC可分为 L、T、N、P/Q、R 五型；按照电压激活特性不同，VGCC可分为高电压激活型（HVA）和低电压激活型（LVA）；根据1亚基的基因型不同，VGCC又可分为Cav1、Cav2、Cav3三大家族。VGCC是细胞表面的一类重要信号转换器，可将膜电势转变成细胞内Ca2+瞬态，从而参与血管收缩及细胞增殖和迁移等生物学过程。VGCC具有与电压相关的3种不同状态：静息状态、激活状态和失活状态。去极化时，VGCC迅速由静息状态转变为激活状态，然后快速失活，经过一段时间复极化再恢复至静息状态4。肺动脉平滑肌细胞（PASMCs）存在 HVA、LVA两种VGCC，目前研究较多的是HVA。HVA是细胞内外Ca2+交换的主要通道，可长期维持激活状态并形成内向电流。而 Cav1.2通道是调节血管平滑肌收缩的HVA离子通道，在膜去极化时Ca2+通过激活Cav1.2通道引起一系列生理过程5。在缺氧诱导的PAH模型中发现，缺氧可促进Cav1.2、Cav3.1、Cav3.2蛋白表达，从而导致肺动脉平滑肌收缩6-7。在LVA中，主要是Cav3.1、Cav3.2通道参与PAH的发生、发展。在慢性缺氧诱导的 PAH 动物模型中，抑制Cav3.1蛋白表达可有效阻止PAH进展7。有研究报道，LVA 中 Cav3.1、Cav3.2 蛋白可参与 PASMCs 增殖8，而 LVA 阻滞剂则可阻滞细胞周期并抑制基金项目：山东省重点研发计划项目（2019GSF108042）。通信作者：褚衍彪（E-mail：）开放科学（资源服务）标识码（OSID）91山东医药2023 年第 63 卷第 25 期PASMCs 增 殖9。此 外，LVA 还 能 参 与 激 活 与PASMCs增殖和凋亡相关的激酶，如蛋白磷酸酶2A、细胞外信号调节激酶1/2、蛋白激酶B（Akt）等8-9。2 SOCC在PAH发病机制中的作用 SOCC 最早由 PUTNEY 于 1986年发现并提出，是非兴奋细胞上Ca2+内流的主要途径，以钙释放激活钙离子流最为典型10。SOCC广泛分布于哺乳动物细胞中，可通过调节细胞内Ca2+浓度参与新生血管形成以及血管收缩和重塑等病理生理过程。SOCC由基质相互作用分子（STIM）和Oria蛋白复合体、瞬时受体型电位通道（TRPC1）及微囊蛋白 1三部分组成。STIM是一种定位于内质网膜上的单次跨膜蛋白，由跨膜结构域、管腔结构域及细胞质结构域构成，分为STIM1、STIM2两种亚型。STIM的主要功能是监测细胞内Ca2+浓度11。在钙库操纵性钙内流（SOCE）过程中，STIM能够激活Orai和TRPC1。当处于失活状态时，STIM 分散在内质网（ER）中，Orai分散在质膜中。而当G蛋白偶联受体激活磷脂酶C（PLC）时，PLC将磷酸化磷脂酰肌醇4，5-二磷酸分解为二酰甘油（DAG）和肌醇1，4，5-三磷酸（IP3），IP3作用于ER的相应靶点IP3受体，从而触发ER中Ca2+释放，导致 ER 中储存的 Ca2+浓度降低。此时，STIM1作为Ca2+传感器，感知ER中Ca2+耗竭，迅速聚集于 ER 和质膜之间并与 Orai 和 TRPC1 作用触发SOCE10。促进 TRPC1 蛋白表达能够显著增强 SOCE。SOCC 可通过 Orai1 将 TRPC1 转移至质膜，然后STIM1与TRPC1相互作用触发Gq/PLC相关信号通路调节Ca2+浓度 12。有研究表明，在低压、慢性缺氧条件下形成的PAH模型大鼠远端肺动脉组织STIM1表达升高，而在大鼠PASMCs中敲低STIM1则可抑制缺氧诱导的PASMCs过度增殖 13。但是，也有研究得出了不同的结论。WANG等 14 研究发现，将大鼠暴露于10%O2下，其PASMCs中STIM1表达无明显变化，而Orai1/2表达增加。在特发性PAH患者PASMCs中STIM2表达明显升高，PASMCs中STIM2过表达可增强SOCE并促进PASMCs增殖 15。FERNANDEZ等 16 研究同样发现，PASMCs中STIM2、Orai2表达升高和SOCE增强，最终促进PASMCs由收缩型向增殖型转变。这些研究表明STIM/Orai/TRPC在PAH的发生、发展中具有重要作用，但不同研究对象或干预条件可能会产生不同的结果。3 ROCC在PAH发病机制中的作用 ROCC又称配体门控钙通道，对相应的配体敏感。配体与受体结合可导致受体构型改变，介导受体操纵性钙内流（ROCE），从而使 ROCC 开放。ROCE和SOCE均能直接响应细胞外信号而被激活。但与SOCE不同，ROCE不依靠细胞内储存的Ca2+释放。细胞外配体对膜受体（如G蛋白偶联受体和受体酪氨酸激酶）的刺激可导致PLC激活，产生DAG，而 DAG可激活 ROCC，从而导致 Ca2+内流并增加细胞内Ca2+浓度。TRPC3/6/7可参与ROCE过程。特发性PAH患者PASMCs中TRPC1、TRPC3、TRPC5、TRPC6蛋白表达显著升高17。在慢性缺氧诱导的PAH模型小鼠中，TRPC1、TRPC6基因缺失可抑制PAH进展18。低氧能够通过Notch蛋白转录调控TRPC6引起SOCE，最终介导Ca2+浓度改变19。近期研究发现，慢性缺氧还可通过上调CasR-TRPC1/6信号通路促进PASMCs增殖20。BMP2可通过抑制TRPC1、TRPC4和TRPC6蛋白表达而抑制SOCE并导致基础Ca2+浓度降低，从而抑制细胞的增殖和迁移21。WANG 等22研究发现，在低氧条件下PASMCs中HIF-1表达上调，并通过上调 BMP4 表达增加大鼠 PASMCs 中 TRPC1、TRPC6表达，从而促进SOCE并导致基础Ca2+浓度升高，继而促进肺血管重塑。在大鼠PASMCs中敲减HIF-1，由缺氧引起的Orai2升高会减弱14。而在肺动脉内皮细胞（PAECs）中，TNF-诱导的TRPC1表达增加可导致内皮屏障功能障碍23。FANTOZZI等24在人PAECs中发现，慢性缺氧诱导的TRPC4表达增加可导致胞质中Ca2+浓度升高，诱导活化蛋白1结合活性增加，促进活化蛋白1应答基因合成增加，从而引起肺血管内皮细胞异常增殖和血管重塑。4 Piezo1在PAH发病机制中的作用 Piezos是一类机械敏感性离子通道，分为Piezo1和 Piezo2，分别由 PIEZO1 和 PIEZO2 基因编码。当细胞膜张力改变时，Piezos蛋白发生可逆形变，驱动Piezos通道开放，对Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子全部渗透，但更偏向渗透Ca2+25。既往研究表明，血管平滑肌细胞中Piezo1激活增强导致的细胞质Ca2+浓度增加，会对高血压期间血管直径和壁厚产生影响26，提示Piezo1可在动脉平滑肌细胞中表达并参与高血压血管重构。Piezo2主要表达于神经元，与本体感觉有关，其在肺动脉内的研究仍在探索之中。在慢性缺氧诱导的PAH模型大鼠肺动脉中，SAC阻滞及Gd3+/GsMTx4（Piezo1非选择性抑制剂）均可显著抑制肌源性血管收缩27，提示Piezo1作为SAC的重要组成部分，能够参与肺血管舒缩功能的调节。为了验证Piezo1在肺循环中的作用，LHOMME等28在肺动脉内皮细胞中发现，92山东医药2023 年第 63 卷第 25 期牵张激活的Piezo1通道可通过增加内皮细胞Ca2+浓度、促进NO生成增加，从而促进肺动脉舒张。近期有研究在特发性 PAH 患者和 PAH 模型动物的PAECs中发现，Piezo1 mRNA和蛋白表达上调，并且在内皮细胞中 Piezo1 上调有助于通过增加 Akt 和mTOR的磷酸化或激活Akt/mTOR信号通路来上调Notch配体 Jag1/2和 Dll4表达，从而促进 PAH 的发生、发展29。然而，LHOMME等28在慢性缺氧诱导的 PAH 模型小鼠中发现，内皮细胞特异性敲除Piezo1在PAH的发病机制中具有可有可无的作用。上述研究虽然能够验证常氧和慢性缺氧小鼠肺动脉Piezo1的表达差异，但并未明确Piezo1在PASMCs和PAECs 中的特定表达模式。有研究发现，特发性PAH患者Piezo1的激活可引起细胞内Ca2+释放并促进 PASMCs 过 度 增 殖。Piezo1 蛋 白 表 达 上 调 与PASMCs的收缩表型向增殖表型转变以及肺血管重塑的关系密切30。随后CHEN等31探究了剪切应力相关的 PAH 模型大鼠中 Piezo1 的功能，并得出了PASMCs 中 Piezo1 蛋白表达上调与 Yes 相关蛋白/TEA结构域转录因子4直接相关的结论，同时还发现 Piezo1蛋白表达上调与 RelA/p65的转录调节和肺部炎症有关。虽然Piezo1的激活可通过增加钙离子 信 号 传 导 诱 导 PASMCs 收 缩，但 在 PAECs 中Piezo1的激活增加了与超极化和 Akt/eNOS信号通路相关的Ca2+浓度，这可能有助于肺血管舒张32。5 NMDAR在PAH发病机制中的作用 谷氨酸受体在中枢神经系统中广泛分布，不同亚基分布在不同器官中。谷氨酸受体主要分为离子型受体和代谢型受体，NMDAR是最主要的离子型受体。NMDAR 是 一 种 由 NMDAR1、NMDAR2、NMDAR3亚基组成的异四聚体复合物，其结构包括细胞外配体结合结构域和跨膜离子通道 33。NMDAR是一种受配体和电压双重门控的离子通道。NMDAR激活可导致选择性阳离子通道打开，引起Na+、Ca2+内流和K+外流。虽然大多数谷氨酸受体是选择性阳离子通道，但很少能渗透Ca2+，而NMDAR对Ca2+具有高度渗透性，其渗透性约为Na+的10倍 34。过去十年的研究表明，NMDAR 亦可在非中枢神经系统中表达，尤其是心血管系统35。肺血管重塑可能由血管细胞的代谢重编程驱动，以增加谷氨酰胺分解和谷氨酸生成。而NMDAR是PASMCs和PAECs上的离子通道受体36。有研究表明，NMDAR可增加主动脉平滑肌细胞35、恶性肿瘤细胞37的增殖和迁移。但NMDAR在PAH中的作用尚不完全清楚。DUMAS等36研究报道，NMDAR的强制性亚单位NMDAR1在PAH患者肺动脉内过度表达和过度激活，并通过增加 PASMCs 血小板衍生生长因子（PDGF）依赖性增殖促进动脉重塑；此外，在PAH动物模型中，在 PASMCs 中靶向敲除 NMDAR 或抑制NMDAR 均能改善其临床结局。有研究发现，PAH患者肺动脉NMDAR2B表达降低，并且PDGF受体在 PDGF 刺激下激活 Src 家族激酶、瞬时磷酸化NMDAR2B，最终导致磷酸化NMDAR2B向质膜表面运输和表达，从而发挥抗增殖和抗迁移作用38。这些研究表明NMDAR在PAH发病机制中具有重要作用，但仍需更多的研究来进一步佐证。综上所述，PAH是一组以不受控制的肺血管重塑、持续的血管收缩和原位血栓形成为特征的临床综合征，其发病机制仍不完全清楚，但越来越多研究认为离子通道在其发病机制中具有重要作用，尤其是VGCC、SOCC、ROCC、Piezo1、NMDAR等钙离子通道。这些钙离子通道对细胞内钙稳态至关重要，不仅可通过Ca2+浓度改变引起肺血管收缩，还可通过不同信号通路引起肺血管重塑，从而参与PAH的发生、发展。但钙离子通道在PAH中的具体作用机制仍需进一步验证。参考文献：1POCH D，MANDEL J.Pulmonary hypertension J.Ann Intern Med，2021，174（4）：ITC49-ITC64.2SIMONNEAU G，MONTANI D，CELERMAJER D S，et al.Haemodynamic definitions and updated clinical classification of pulmonary hypertension J.Eur Respir J，2019，53（1）：1801913.3HUMBERT M，KOVACS G，HOEPER M M，et al.2022 ESC/ERS guidelines for the diagnosis and treatment of pulmonary hypertension J.Eur Heart J，2022，43（38）：3618-3731.4CATTERALL W A.Structure and function of voltage-gated ion channels J.Annu Rev Biochem，1995，64：493-531.5AVILA-MEDINA J，CALDERON-SANCHEZ E，GONZALEZ-RODRIGUEZ P，et al.Orai1 and TRPC1 proteins co-localize with CaV1.2 channels to form a signal complex in vascular smooth muscle cells J.J Biol Chem，2016，291（40）：21148-21159.6WAN J，YAMAMURA A，ZIMNICKA A M，et al.Chronic hypoxia selectively enhances L-and T-type voltage-dependent Ca2+channel activity in pulmonary artery by upregulating Cav1.2 and Cav3.2 J.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2013，305（2）：L154-L164.7CHEVALIER M，GILBERT G，ROUX E，et al.T-type calcium channels are involved in hypoxic pulmonary hypertensionJ.Cardiovasc Res，2014，103（4）：597-606.8SANKHE S，MANOUSAKIDI S，ANTIGNY F，et al.T-type Ca2+channels elicit pro-proliferative and anti-apoptotic responses through impaired PP2A/Akt1 signaling in PASMCs from patients with pulmonary arterial hypertensionJ.Biochim Biophys Acta Mol Cell Res，2017，1864（10）：1631-1641.93山东医药2023 年第 63 卷第 25 期9RODMAN D M，REESE K，HARRAL J，et al.Low-voltage-activated（T-type）calcium channels control proliferation of human pulmonary artery myocytes J.Circ Res，2005，96（8）：864-872.10PUTNEY JR J W.Formation and actions of calcium-mobilizing messenger，inositol 1，4，5-trisphosphateJ.Am J Physiol，1987，252（2 Pt 1）：G149-G157.11NGUYEN N T，HAN W，CAO W M，et al.Store-operated calcium entry mediated by ORAI and STIM J.Compr Physiol，2018，8（3）：981-1002.12SHI J，MIRALLES F，BIRNBAUMER L，et al.Store-operated interactions between plasmalemmal STIM1 and TRPC1 proteins stimulate PLC1 to induce TRPC1 channel activation in vascular smooth muscle cells J.J Physiol，2017，595（4）：1039-1058.13HOU X，CHEN J，LUO Y，et al.Silencing of STIM1 attenuates hypoxia-induced PASMCs proliferation via inhibition of the SOC/Ca2+/NFAT pathway J.Respir Res，2013，14（1）：2.14WANG J，XU C，ZHENG Q，et al.Orai1，2，3 and STIM1 promote store-operated calcium entry in pulmonary arterial smooth muscle cells J.Cell Death Discov，2017，3：17074.15SONG M Y，MAKINO A，YUAN J X.STIM2 contributes to enhanced store-operated Ca entry in pulmonary artery smooth muscle cells from patients with idiopathic pulmonary arterial hypertension J.Pulm Circ，2011，1（1）：84-94.16FERNANDEZ R A，WAN J，SONG S，et al.Upregulated expression of STIM2，TRPC6，and Orai2 contributes to the transition of pulmonary arterial smooth muscle cells from a contractile to proliferative phenotype J.Am J Physiol Cell Physiol，2015，308（8）：C581-C593.17MARTIN-BORNEZ M，GALEANO-OTERO I，TORO D R，et al.TRPC and TRPV channels role in vascular remodeling and disease J.Int J Mol Sci，2020，21（17）：6125.18XIA Y，YANG X R，FU Z，et al.Classical transient receptor potential 1 and 6 contribute to hypoxic pulmonary hypertension through differential regulation of pulmonary vascular functionsJ.Hypertension，2014，63（1）：173-180.19SMITH K A，VOIRIOT G，TANG H，et al.Notch activation of Ca2+signaling in the development of hypoxic pulmonary vasoconstriction and pulmonary hypertension J.Am J Respir Cell Mol Biol，2015，53（3）：355-367.20XU J，WEN X，FU Z，et al.Chronic hypoxia promoted pulmonary arterial smooth muscle cells proliferation through upregulated calcium-sensing receptorcanonical transient receptor potential 1/6 pathway J.Microcirculation，2021，28（6）：e12715.21ZHANG Y，LU W，YANG K，et al.Bone morphogenetic protein 2 decreases TRPC expression，store-operated Ca2+entry，and basal Ca2+i in rat distal pulmonary arterial smooth muscle cells J.Am J Physiol Cell Physiol，2013，304（9）：C833-C843.22WANG J，FU X，YANG K，et al.Hypoxia inducible factor-1-dependent up-regulation of BMP4 mediates hypoxia-induced increase of TRPC expression in PASMCsJ.Cardiovasc Res，2015，107（1）：108-118.23PARIA B C，VOGEL S M，AHMMED G U，et al.Tumor necrosis factor-alpha-induced TRPC1 expression amplifies store-operated Ca2+influx and endothelial permeability J.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2004，287（6）：L1303-L1313.24FANTOZZI I，ZHANG S，PLATOSHYN O，et al.Hypoxia increases AP-1 binding activity by enhancing capacitative Ca2+entry in human pulmonary artery endothelial cellsJ.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2003，285（6）：L1233-L1245.25COSTE B，MATHUR J，SCHMIDT M，et al.Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels J.Science，2010，330（6000）：55-60.26RETAILLEAU K，DUPRAT F，ARHATTE M，et al.Piezo1 in smooth muscle cells is involved in hypertension-dependent arterial remodeling J.Cell Rep，2015，13（6）：1161-1171.27DUCRET T，ARROUCHI J E L，COURTOIS A，et al.Stretch-activated channels in pulmonary arterial smooth muscle cells from normoxic and chronically hypoxic rats J.Cell Calcium，2010，48（5）：251-259.28LHOMME A，GILBERT G，PELE T，et al.Stretch-activated Piezo1 channel in endothelial cells relaxes mouse intrapulmonary arteries J.Am J Respir Cell Mol Biol，2019，60（6）：650-658.29WANG Z，CHEN J，BABICHEVA A，et al.Endothelial upregulation of mechanosensitive channel Piezo1 in pulmonary hypertension J.Am J Physiol Cell Physiol，2021，321（6）：C1010-C1027.30CHEN J，RODRIGUEZ M，MIAO J，et al.Mechanosensitive channel Piezo1 is required for pulmonary artery smooth muscle cell proliferation J.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2022，322（5）：L737-L760.31CHEN J，MIAO J，ZHOU D，et al.Upregulation of mechanosensitive channel Piezo1 involved in high shear stress-induced pulmonary hypertension J.Thromb Res，2022，218：52-63.32RIBEIRO T P，BARBEAU S，BAUDRIMONT I，et al.Piezo1 channel activation reverses pulmonary artery vasoconstriction in an early rat model of pulmonary hypertension：The role of Ca2+influx and Akt-eNOS pathway J.Cells，2022，11（15）：2349.33JOHNSON L R，BATTLE A R，MARTINAC B.Remembering mechanosensitivity of NMDA receptors J.Front Cell Neurosci，2019，13：533.34VYKLICKY V，KORINEK M，SMEJKALOVA T，et al.Structure，function，and pharmacology of NMDA receptor channelsJ.Physiol Res，2014，63（Suppl 1）：S191-S203.35QURESHI I，CHEN H，BROWN A T，et al.Homocysteine-induced vascular dysregulation is mediated by the NMDA receptorJ.Vasc Med，2005，10（3）：215-223.36DUMAS S J，BRU-MERCIER G，COURBOULIN A，et al.NMDA-type glutamate receptor activation promotes vascular remodeling and pulmonary arterial hypertension J.Circulation，2018，137（22）：2371-2389.37RIBEIRO M P C，CUSTODIO J B A，SANTOS A E.Ionotropic glutamate receptor antagonists and cancer therapy：time to think out of the box J .Cancer Chemother Pharmacol，2017，79（2）：219-225.38QUATREDENIERS M，NAKHLEH M K，DUMAS S J，et al.Functional interaction between PDGF and GluN2B-containing NMDA receptors in smooth muscle cell proliferation and migration in pulmonary arterial hypertensionJ.Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol，2019，316（3）：L445-L455.（收稿日期：2023-04-24）94