肺動脈高壓是一大類以肺動脈壓力增高，伴或不伴小肺動脈病變為特征的肺血管疾病，其最終可導致患者右心功能衰竭甚至死亡，肺動脈高壓已成為威脅人類身心健康的嚴重疾病。肺動脈高壓發病機制多種多樣，目前尚無確切定論，但是對遺傳性肺動脈高壓的研究發現，骨形成蛋白信號系統參與了肺動脈高壓的發生發展。本文將對骨形成蛋白-4（BMP4）在肺動脈高壓發生發展中的作用以及相關研究進展進行簡要綜述。
引用本文： 錢宏, 胡佳. 骨形成蛋白-4 對于肺動脈高壓患者肺血管重構作用的研究進展. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2019, 26(3): 274-277. doi: 10.7507/1007-4848.201805064 復制
肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）以肺動脈壓力增高，伴或不伴小肺動脈病變為特征，是威脅人類身心健康的嚴重肺血管疾病[1-2]。根據 2015 年 ESC/ERS 指南，PH 可分為五大類：Ⅰ型，動脈性肺動脈高壓（pulmonary arterial hypertension，PAH）；Ⅱ型，左心疾病相關性肺動脈高壓（pulmonary hypertension due to left heart disease，PH-LHD）；Ⅲ型，肺部疾病和（或）低氧所致的肺動脈高壓；Ⅳ型，慢性血栓栓塞性肺動脈高壓和其他肺動脈堵塞性疾病；Ⅴ型，原因不明和（或）多種因素所致的肺動脈高壓[3]。PH 發病機制多樣，對遺傳性肺動脈高壓（heritable pulmonary arterial hypertension，HPAH）的研究發現，骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）信號系統參與了肺動脈高壓的發生發展[4]。BMPs 作為轉化生長因子 β（transforming growth factor β，TGF-β）超家族中的成員[5]，其有關調節骨及軟骨形成的作用已被證實。且 BMPs 在非成骨過程中調節細胞凋亡與增殖的作用使其對器官生長及胚胎發育有重要影響。目前已發現 30 多種 BMPs [6]。作為其中重要的成員，骨形成蛋白- 4（bone morphogenetic protein 4，BMP4）參與高血壓、血管功能障礙、動脈粥樣硬化、瓣膜病變、心肌缺血損傷以及肺動脈高壓等心血管疾病的發生發展過程[7-9]。本文將對 TGF-β、BMPs 以及 BMP4 在肺動脈高壓發生發展中的作用的相關研究進展作簡要綜述。
1 轉化生長因子 β 超家族與肺動脈高壓
TGF-β 超家族成員已經成為了正常心血管系統發生發展的重要調節者，同時作為包括動脈粥樣硬化、心肌梗死和肺動脈高壓等疾病發生發展過程中的重要參與者越來越受到關注[10]。TGF-β 超家族成員在細胞因子、細胞膜表面受體、Smad 蛋白水平均存在多種亞型，并可通過不同的通路完成細胞內應答。TGF-β 配體主要作用于轉化生長因子受體（transforming growth factor β receptors，TGFβR），形成 TGFβRⅠ、TGFβRⅡ 復合體，激活 Smad 2/3 通路；而 BMP 配體主要作用于骨形成蛋白受體（bone morphogenetic protein receptors，BMPRs），形成 BMPRⅠ 與 BMPRⅡ 復合體，激活 Smad1/5 /8 通路，這兩條通路作用于共同的 Smad4 通路，進入細胞核，在細胞核內與特異的復合物結合，調節相關靶基因的轉錄[10]。同時，BMPs 亦可通過非 Smad 依賴型信號轉導途徑發揮作用[11]。相對于 TGF-β 受體，BMPs 受體更具有靈活性，并且受其配體調節的敏感性更高，進而更能促進不同 BMPs 受體介導的信號轉導通路間多層次的相互聯系[12]。
PAH 為肺動脈高壓分型中的第一型[3]，在 PAH 的發生發展過程中，肺血管收縮、肺血管壁重構以及原位血栓形成為肺血管阻力和肺動脈壓力升高的罪魁禍首[13]，其中肺血管重構起到了至關重要的作用，肺血管的結構性重構以病理性增生為特征，這種變化被認為是肺血管平滑肌細胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）增殖與凋亡失衡造成的[14]，Newman 等[15]認為，在肺動脈高壓發病過程中，TGFβ 主要起促增殖作用，BMPs 主要起抗增殖作用，正因為這種平衡關系在 BMPR2 基因突變個體中被打破，才導致肺動脈高壓發病。
2 骨形成蛋白與肺動脈高壓
15%～25% 的 HPAH 個體為常染色體顯性遺傳，并且大約 70% 的 HPAH 個體存在 BMPRⅡ 基因突變[16]。BMPRⅡ 在 BMPRⅡ 基因突變的肺動脈高壓個體肺動脈血管壁中的表達明顯下降，并且在無此基因突變個體肺動脈中表達也有下降[17]，這表明 BMPs 信號系統在肺動脈高壓的發展中起著重要的作用。越來越多的研究致力于發現 BMPRⅡ 的缺失在肺血管收縮以及重構中的作用機制[18]。而此機制至今未尚未完全明了[19]。
有研究表明，BMPs 信號轉導系統對于 PASMCs 的遷移、增殖以及細胞外基質的合成起到抑制作用[9]，從而抑制了肺小血管重構。對于肺血管內皮細胞（pulmonary arterial endothelial cells，PAECs）則起抑制凋亡、促進生長的作用[20]。這看似是矛盾的，實則不然，因 BMPs 信號轉導系統異常導致的 PAECs 的過度損傷會導致血管內皮的病理性及向心性修復，從而使微血管閉塞，成為肺動脈高壓發生的起始因素，這與 BMPs 對肺小血管重構抑制效應的減弱起到協同的作用，共同促進病情的發展[10]。BMPs 的這些生物學效應是綜合性的，是包括 BMP4 及 BMP2 在內的一系列 BMPs 亞型的共同作用結果，其中每一種亞型都有其獨特甚至相反的作用[21]。
3 骨形成蛋白 4（BMP4）與肺動脈高壓
BMP4 被視為促進肺動脈重構過程中的重要細胞因子，參與調節細胞增殖、遷移以及細胞內鈣離子（Ca2+）的穩定[10, 22-23]。有趣的是，動物實驗發現：在缺氧環境中，存在 BMP4 信號轉導通路功能異常的 BMPRⅡ 基因突變型小鼠更易患肺動脈高壓[24]。這表明 BMPRⅡ 基因突變的生物學作用并不是由 BMP4 信號系統異常主導的。后續研究發現，BMP2 可以通過上調內皮細胞中內皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表達擴張血管，抑制肺動脈高壓的發生，而 BMP2 的這一作用的消失在 BMPRⅡ 基因突變的效應中占據主導地位[4]。也有學者認為，BMP4 抑制近端的肺動脈血管中 PASMCs 的增殖，但對于外周 PASMCs 增殖起促進作用[22, 25]，其中的機制可能不盡相同。可見 BMP4 的生物學效應是受到各種因素影響的，了解 BMP4 的作用機制是弄清這些千變萬化的基礎。
過去研究證實磷脂酰肌醇 3 激酶/蛋白激酶 B（PI3K/AKT）信號系統對于細胞的生存及凋亡有重要的影響[26]，其在各種生長因子的誘導下，可以抑制細胞的凋亡并促進細胞的生存[27]。近期研究發現，BMP4 與 PI3K/AKT 信號系統有著千絲萬縷的聯系。BMP4 在缺氧環境中激活并且表達水平增加，通過 PI3K/AKT 信號通路抑制肺血管平滑肌細胞（PASMCs）的凋亡[28]。此途徑中 AKT 磷酸化作用顯著激活，繼而激活 Smad1/5/8 通路，調節細胞核內轉錄；并使半胱天冬酶-3 的表達下調，通過外在的細胞凋亡信號通路發揮作用；還可觸發通過線粒體去極化的減弱和 Bcl-2 基因的表達上調發揮作用的線粒體依賴性信號通路[28]。其中，半胱天冬酶-3 在正常細胞中激活凋亡蛋白酶并促進多種關鍵細胞蛋白的特異性裂解而使其失去作用[29]；線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MOMP）為細胞凋亡的一個重要標志，其在細胞凋亡早期被破壞，而 Bcl-2 作為 Bcl-2 抗凋亡家族中的重要成員參與了 MOMP 的調節[30]。
研究[31-32]發現，BMP4 也可以不依賴于經典的 BMPR-Smad1/ 5/8 通路發揮作用。細胞 Ca2+ 濃度對于細胞的增殖以及凋亡起至關重要的作用，PASMCs 中 Ca2+的變化是導致肺血管重構及肺動脈高壓發展過程中的重要因素，其濃度的增加會促進肺血管的重構。鈣池操縱性鈣離子內流（store-operated Ca2+ entry，SOCE）參與維持細胞內外 Ca2+平衡，瞬時受體電位通道（transient receptor potential channels，TRPCs）屬于鈣池操縱性鈣離子通道（store-operated Ca2+ channels， SOCCs）[33-34]。在經過 BMP4 干預的小鼠 PASMCs 中發現，其 SOCE 增強及細胞內 Ca2+濃度增加，此種效應是通過上調 TRPC1，4，6 在細胞膜上的表達實現的[35]。BMP4 特異性拮抗劑 Noggin 通過抑制 BMP4 信號的傳導來減緩上述過程并抑制 PASMCs 的增殖進程[36]。在 BMPRⅡ 基因敲除的小鼠中此種效應并沒有減弱，說明此過程是獨立于 BMPRⅡ 而存在，研究[19]發現絲裂原激活蛋白激酶 38（p38）及細胞外信號調節激酶（ERK1/2）的激活介導了此過程。
BMP4 在肺動脈高壓發病的過程中的具體機制至今尚未得到完整的解答，待我們繼續探索。
4 轉化生長因子 β（TGF-β）超家族研究的應用
目前，肺動脈高壓的治療藥物包括內皮素受體拮抗劑（波生坦、安貝生坦、馬西替坦）、磷酸二酯酶-5 抑制劑（西地那非、他達拉非、伐地那非）以及環前列腺素類似物（依前列醇、曲前列環素）[37-38]。對于 TGF-β 超家族在肺動脈高壓發病機制中的研究為我們的藥物治療提供了新的思路[39]，包括通過伊馬替尼等酪氨酸激酶抑制劑及洛沙坦來抑制 TGF-β 信號轉導通路，以 BMPs 信號轉導系統為靶點的藥物（如 Noggin）尚處于研究階段[15, 40]。
5 結語
肺動脈高壓是一種發病機制復雜且預后較差的心血管疾病，對其進行透徹研究并合理針對性治療有較大的意義。BMP4 在心血管疾病發生發展中的作用近年來受到越來越多的關注，其與肺動脈高壓之間的關系也不斷被發現與認識。雖然現在仍屬于探索階段，相關機制尚不明確，但隨著研究的深入，以 BMP4 作用機制為基礎，其對肺動脈高壓的診斷、治療以及評價將發揮更加重要的作用。
肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）以肺動脈壓力增高，伴或不伴小肺動脈病變為特征，是威脅人類身心健康的嚴重肺血管疾病[1-2]。根據 2015 年 ESC/ERS 指南，PH 可分為五大類：Ⅰ型，動脈性肺動脈高壓（pulmonary arterial hypertension，PAH）；Ⅱ型，左心疾病相關性肺動脈高壓（pulmonary hypertension due to left heart disease，PH-LHD）；Ⅲ型，肺部疾病和（或）低氧所致的肺動脈高壓；Ⅳ型，慢性血栓栓塞性肺動脈高壓和其他肺動脈堵塞性疾病；Ⅴ型，原因不明和（或）多種因素所致的肺動脈高壓[3]。PH 發病機制多樣，對遺傳性肺動脈高壓（heritable pulmonary arterial hypertension，HPAH）的研究發現，骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）信號系統參與了肺動脈高壓的發生發展[4]。BMPs 作為轉化生長因子 β（transforming growth factor β，TGF-β）超家族中的成員[5]，其有關調節骨及軟骨形成的作用已被證實。且 BMPs 在非成骨過程中調節細胞凋亡與增殖的作用使其對器官生長及胚胎發育有重要影響。目前已發現 30 多種 BMPs [6]。作為其中重要的成員，骨形成蛋白- 4（bone morphogenetic protein 4，BMP4）參與高血壓、血管功能障礙、動脈粥樣硬化、瓣膜病變、心肌缺血損傷以及肺動脈高壓等心血管疾病的發生發展過程[7-9]。本文將對 TGF-β、BMPs 以及 BMP4 在肺動脈高壓發生發展中的作用的相關研究進展作簡要綜述。
1 轉化生長因子 β 超家族與肺動脈高壓
TGF-β 超家族成員已經成為了正常心血管系統發生發展的重要調節者，同時作為包括動脈粥樣硬化、心肌梗死和肺動脈高壓等疾病發生發展過程中的重要參與者越來越受到關注[10]。TGF-β 超家族成員在細胞因子、細胞膜表面受體、Smad 蛋白水平均存在多種亞型，并可通過不同的通路完成細胞內應答。TGF-β 配體主要作用于轉化生長因子受體（transforming growth factor β receptors，TGFβR），形成 TGFβRⅠ、TGFβRⅡ 復合體，激活 Smad 2/3 通路；而 BMP 配體主要作用于骨形成蛋白受體（bone morphogenetic protein receptors，BMPRs），形成 BMPRⅠ 與 BMPRⅡ 復合體，激活 Smad1/5 /8 通路，這兩條通路作用于共同的 Smad4 通路，進入細胞核，在細胞核內與特異的復合物結合，調節相關靶基因的轉錄[10]。同時，BMPs 亦可通過非 Smad 依賴型信號轉導途徑發揮作用[11]。相對于 TGF-β 受體，BMPs 受體更具有靈活性，并且受其配體調節的敏感性更高，進而更能促進不同 BMPs 受體介導的信號轉導通路間多層次的相互聯系[12]。
PAH 為肺動脈高壓分型中的第一型[3]，在 PAH 的發生發展過程中，肺血管收縮、肺血管壁重構以及原位血栓形成為肺血管阻力和肺動脈壓力升高的罪魁禍首[13]，其中肺血管重構起到了至關重要的作用，肺血管的結構性重構以病理性增生為特征，這種變化被認為是肺血管平滑肌細胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）增殖與凋亡失衡造成的[14]，Newman 等[15]認為，在肺動脈高壓發病過程中，TGFβ 主要起促增殖作用，BMPs 主要起抗增殖作用，正因為這種平衡關系在 BMPR2 基因突變個體中被打破，才導致肺動脈高壓發病。
2 骨形成蛋白與肺動脈高壓
15%～25% 的 HPAH 個體為常染色體顯性遺傳，并且大約 70% 的 HPAH 個體存在 BMPRⅡ 基因突變[16]。BMPRⅡ 在 BMPRⅡ 基因突變的肺動脈高壓個體肺動脈血管壁中的表達明顯下降，并且在無此基因突變個體肺動脈中表達也有下降[17]，這表明 BMPs 信號系統在肺動脈高壓的發展中起著重要的作用。越來越多的研究致力于發現 BMPRⅡ 的缺失在肺血管收縮以及重構中的作用機制[18]。而此機制至今未尚未完全明了[19]。
有研究表明，BMPs 信號轉導系統對于 PASMCs 的遷移、增殖以及細胞外基質的合成起到抑制作用[9]，從而抑制了肺小血管重構。對于肺血管內皮細胞（pulmonary arterial endothelial cells，PAECs）則起抑制凋亡、促進生長的作用[20]。這看似是矛盾的，實則不然，因 BMPs 信號轉導系統異常導致的 PAECs 的過度損傷會導致血管內皮的病理性及向心性修復，從而使微血管閉塞，成為肺動脈高壓發生的起始因素，這與 BMPs 對肺小血管重構抑制效應的減弱起到協同的作用，共同促進病情的發展[10]。BMPs 的這些生物學效應是綜合性的，是包括 BMP4 及 BMP2 在內的一系列 BMPs 亞型的共同作用結果，其中每一種亞型都有其獨特甚至相反的作用[21]。
3 骨形成蛋白 4（BMP4）與肺動脈高壓
BMP4 被視為促進肺動脈重構過程中的重要細胞因子，參與調節細胞增殖、遷移以及細胞內鈣離子（Ca2+）的穩定[10, 22-23]。有趣的是，動物實驗發現：在缺氧環境中，存在 BMP4 信號轉導通路功能異常的 BMPRⅡ 基因突變型小鼠更易患肺動脈高壓[24]。這表明 BMPRⅡ 基因突變的生物學作用并不是由 BMP4 信號系統異常主導的。后續研究發現，BMP2 可以通過上調內皮細胞中內皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表達擴張血管，抑制肺動脈高壓的發生，而 BMP2 的這一作用的消失在 BMPRⅡ 基因突變的效應中占據主導地位[4]。也有學者認為，BMP4 抑制近端的肺動脈血管中 PASMCs 的增殖，但對于外周 PASMCs 增殖起促進作用[22, 25]，其中的機制可能不盡相同。可見 BMP4 的生物學效應是受到各種因素影響的，了解 BMP4 的作用機制是弄清這些千變萬化的基礎。
過去研究證實磷脂酰肌醇 3 激酶/蛋白激酶 B（PI3K/AKT）信號系統對于細胞的生存及凋亡有重要的影響[26]，其在各種生長因子的誘導下，可以抑制細胞的凋亡并促進細胞的生存[27]。近期研究發現，BMP4 與 PI3K/AKT 信號系統有著千絲萬縷的聯系。BMP4 在缺氧環境中激活并且表達水平增加，通過 PI3K/AKT 信號通路抑制肺血管平滑肌細胞（PASMCs）的凋亡[28]。此途徑中 AKT 磷酸化作用顯著激活，繼而激活 Smad1/5/8 通路，調節細胞核內轉錄；并使半胱天冬酶-3 的表達下調，通過外在的細胞凋亡信號通路發揮作用；還可觸發通過線粒體去極化的減弱和 Bcl-2 基因的表達上調發揮作用的線粒體依賴性信號通路[28]。其中，半胱天冬酶-3 在正常細胞中激活凋亡蛋白酶并促進多種關鍵細胞蛋白的特異性裂解而使其失去作用[29]；線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MOMP）為細胞凋亡的一個重要標志，其在細胞凋亡早期被破壞，而 Bcl-2 作為 Bcl-2 抗凋亡家族中的重要成員參與了 MOMP 的調節[30]。
研究[31-32]發現，BMP4 也可以不依賴于經典的 BMPR-Smad1/ 5/8 通路發揮作用。細胞 Ca2+ 濃度對于細胞的增殖以及凋亡起至關重要的作用，PASMCs 中 Ca2+的變化是導致肺血管重構及肺動脈高壓發展過程中的重要因素，其濃度的增加會促進肺血管的重構。鈣池操縱性鈣離子內流（store-operated Ca2+ entry，SOCE）參與維持細胞內外 Ca2+平衡，瞬時受體電位通道（transient receptor potential channels，TRPCs）屬于鈣池操縱性鈣離子通道（store-operated Ca2+ channels， SOCCs）[33-34]。在經過 BMP4 干預的小鼠 PASMCs 中發現，其 SOCE 增強及細胞內 Ca2+濃度增加，此種效應是通過上調 TRPC1，4，6 在細胞膜上的表達實現的[35]。BMP4 特異性拮抗劑 Noggin 通過抑制 BMP4 信號的傳導來減緩上述過程并抑制 PASMCs 的增殖進程[36]。在 BMPRⅡ 基因敲除的小鼠中此種效應并沒有減弱，說明此過程是獨立于 BMPRⅡ 而存在，研究[19]發現絲裂原激活蛋白激酶 38（p38）及細胞外信號調節激酶（ERK1/2）的激活介導了此過程。
BMP4 在肺動脈高壓發病的過程中的具體機制至今尚未得到完整的解答，待我們繼續探索。
4 轉化生長因子 β（TGF-β）超家族研究的應用
目前，肺動脈高壓的治療藥物包括內皮素受體拮抗劑（波生坦、安貝生坦、馬西替坦）、磷酸二酯酶-5 抑制劑（西地那非、他達拉非、伐地那非）以及環前列腺素類似物（依前列醇、曲前列環素）[37-38]。對于 TGF-β 超家族在肺動脈高壓發病機制中的研究為我們的藥物治療提供了新的思路[39]，包括通過伊馬替尼等酪氨酸激酶抑制劑及洛沙坦來抑制 TGF-β 信號轉導通路，以 BMPs 信號轉導系統為靶點的藥物（如 Noggin）尚處于研究階段[15, 40]。
5 結語
肺動脈高壓是一種發病機制復雜且預后較差的心血管疾病，對其進行透徹研究并合理針對性治療有較大的意義。BMP4 在心血管疾病發生發展中的作用近年來受到越來越多的關注，其與肺動脈高壓之間的關系也不斷被發現與認識。雖然現在仍屬于探索階段，相關機制尚不明確，但隨著研究的深入，以 BMP4 作用機制為基礎，其對肺動脈高壓的診斷、治療以及評價將發揮更加重要的作用。