葡萄糖能量代謝異常在肺血管重構中的作用
作者：李雯 何建國
肺血管收縮、重構和原位血栓形成對於肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension， PAH)發生、發展具有重要作用。 肺血管收縮主要由血管收縮、舒張因數失衡引起， 而肺血管重構與多種因素有關， 研究發現炎症及免疫異常、內皮損傷、遺傳因素(BMPR2、ALK1、CAV1、KCNK3、SMAD9、EIF2AK4基因突變)、內皮源性生長因數、鐵缺乏、雌激素、肺動脈平滑肌細胞及內皮細胞凋亡和增殖失衡等都可能引起肺血管重構。 但目前PAH的發病機制尚未完全明確， 探索PAH新的發病機制將為研發新的靶向藥物提供科學依據。
一、肺血管葡萄糖能量代謝異常導致PAH肺血管重構的可能機制
肺血管重構在PAH發病過程中起重要作用， 但其機制尚不明確。 有研究發現PAH肺血管重構在組織病理學上與惡性腫瘤具有相似性， 即肺動脈內皮細胞(PAEC)和平滑肌細胞(PASMC)存在過度增殖、凋亡抑制的現象。 從腫瘤領域獲得啟發， 人們開始著手研究代謝異常與PAH發病的關係。 腫瘤細胞在正常供氧條件下， 產能的主要形式是由線粒體氧化磷酸化轉為效率較低但無需耗氧的糖酵解， 這種現象被稱為"Warburg效應" 。
PAH時， 肺血管細胞也存在"Warburg效應" ， 用正電子發射斷層掃描(PET)檢測可表現為肺部氟代葡萄糖(18F－FDG)攝取量增加。 2008年， Abikhzer等應用18F－FDG PET首次發現PAH患者右心室存在18F－FDG攝取量增高的現象。 隨後Marsboom等和Zhao等還相繼觀察到PAH患者肺部18F－FDG攝取量增高的現象，
而在PAH模型動物中應用糖代謝調節藥物二氯乙酸鹽(dichloroacetate， DCA)， 可降低肺18F－FDG攝取量、減輕肺血管重構、緩解PAH。 上述發現均提示"Warburg效應" ， 這種葡萄糖能量代謝異常可能是PAH肺血管重構重要的發病機制之一。
1.PAH時缺氧誘導因數(HIF)異常活化：
"Warburg效應"中重要的仲介因數為HIF。 HIF是機體在缺氧環境下作出反應的主要轉錄調節因數， 在PAH發病過程中起著重要作用。 HIF是屬於PAS結構域家族的異二聚體， 由HIF－α(－1α， －2α， －3α)和－β(－1β， －2β， －3β)2個亞基構成。
正常供氧條件下， HIF－α的脯氨酸殘基可經脯氨醯羥化酶(PHD)羥化後， 與von Hippel－Lindau (VHL)蛋白結合， VHL蛋白募集泛素連接酶使HIF－α泛素化， 繼而介導其在胞質內被蛋白酶體迅速降解。
但PHD以O2為作用底物， 因此乏氧狀態下， 上述反應會被抑制， HIF－α降解減少， 富集並結合到位於細胞核內的HIF－β上， 形成活化的HIF異二聚體， 作用於乏氧反應元件發揮作用， 其中HIF－1α的活化與糖代謝調節密切相關。
Tuder等發現， 某些PAH模型動物(如Fawn－hooded大鼠， 可自發形成PAH)及PAH患者的肺動脈平滑肌細胞在正常供氧條件下， 也會發生HIF－1α異常活化。
2.異常活化的HIF可影響肺血管葡萄糖能量代謝：
HIF異二聚體活化後， 會影響一系列與糖代謝有關的酶， 如葡萄糖轉運體、己糖激酶、乳酸脫氫酶A、丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)及丙酮酸脫氫酶(PDH)， 通過影響這些酶促進葡萄糖經無氧酵解供能。
正常供氧條件下， 血液中游離的葡萄糖由葡萄糖轉運體轉運到細胞內， 在細胞質中通過糖酵解途徑生成丙酮酸，
而PAH時， HIF－1α異常啟動， 上調PDK活性， 導致PDH被磷酸化而失活， 使得丙酮酸進入線粒體氧化磷酸化的過程被抑制， 於是通過無氧酵解途徑代謝供能。 但由於無氧酵解產能效率較低(2ATP/葡萄糖)， 為滿足能量需要， 細胞需攝入大量葡萄糖， 且上調無氧酵解。 無氧酵解的上調不僅滿足了能量需求， 其中間代謝產物還可為細胞增殖合成DNA等過程提供大量底物。
3.HIF與線粒體相互作用影響肺血管糖代謝：
目前， PAH時HIF異常活化的原因尚不清楚。 有學者認為線粒體作為細胞內的氧感受器，
生理條件下， SOD2是調節H2O2生成的門控因數， H2O2氧化毒性較超氧化物低、擴散範圍大， 是一種重要的信號分子， 且H2O2可通過影響HIF－α亞基的穩定性抑制HIF二聚體活化。 Archer等還發現， SOD2表達、活性降低是由表觀遺傳沉默引起的， 沉默導致H2O2生成減少， 而H2O2還有抑制細胞增殖、促進凋亡的作用。
PAH時， 由於HIF異常活化， 啟動的PDK抑制丙酮酸進入線粒體， 使線粒體內三羧酸迴圈原料不足， 電子傳遞無法正常進行， 而線粒體電子傳遞鏈是機體產生H2O2的主要部位， H2O2生成減少可形成"假性缺氧"狀態， 使HIF抑制減少、活化增強，形成惡性循環。
4.葡萄糖能量代謝異常可能是線粒體結構和功能異常導致PAH肺血管重構的重要機制：
線粒體內電子傳遞鏈可產生活性氧族(ROS)，ROS經SOD作用生成H2O2，部分H2O2可釋放入細胞質並作用於細胞膜上的對氧化還原狀態敏感的鉀離子通道(redox－sensitive Kv)，使鉀離子外流，導致細胞超極化，並促進細胞凋亡。Bonnet等發現，Fawn－hooded大鼠和PAH患者的PASMC存在線粒體結構和功能的異常，表現為SOD2表達減少、PDK過表達、線粒體在細胞核周圍融合和裂解以及線粒體膜超極化。
SOD2是線粒體內調節ROS生成H2O2的門控因數，其表達減少會引起H2O2生成減少，氧化還原狀態敏感鉀離子通道被抑制，K＋外流減少，使細胞膜去極化，從而啟動細胞膜上電壓門控鈣離子通道，引起細胞質內Ca2＋濃度升高，而Ca2＋濃度增加引起的細胞內鈣超載，可導致依賴鈣調磷酸酶的增殖轉錄因數(NFAT)啟動。
線粒體誘導內源性細胞凋亡是由釋放線粒體內促凋亡介質(如細胞凋亡蛋白酶前體、細胞色素C等)引起的，而這些介質釋放則需通過線粒體外膜上對電壓、氧還原狀態敏感的線粒體轉換孔(MTP)的介導。
而K＋外流和線粒體活性氧族(mROS)生成減少可使MTP關閉，使得線粒體誘導的內源性凋亡減少，凋亡減少聯合NFAT啟動將進一步導致PASMC和PAEC過度增殖、抗凋亡。因此，線粒體的結構和功能異常會引起肺血管重構。
丙酮酸脫氫酶(PDH)是構成丙酮酸脫氫酶複合體的三種酶之一(即E1)，位於線粒體中，是催化丙酮酸脫羧生成乙醯輔酶A的關鍵酶，也是連接糖酵解途徑與三羧酸迴圈的門控因數，其活性對調節葡萄糖有氧氧化具有重要作用。而PDK則可通過使PDH 3個特定的絲氨酸殘基任一磷酸化導致PDH失活，抑制丙酮酸進入三羧酸迴圈，增強糖酵解。
人體中PDK分為4種亞型(PDK1－4)，不同亞型的組織分佈、活性及磷酸化速率均不同，但PDK表達異常，勢必導致葡萄糖能量代謝異常，且PDK也存在於線粒體中，因此葡萄糖能量代謝異常是PAH時線粒體結構和功能異常的重要表現之一。
有學者發現，在PAH動物模型中干預異常的糖代謝，可引起PASMC中線粒體去極化，H2O2生成和細胞色素C釋放增多，細胞膜Kv通道上調，從而促進線粒體誘導的細胞凋亡，減輕肺血管重構。葡萄糖能量代謝異常很可能是線粒體結構和功能異常導致PAH肺血管重構的重要發病機制之一。
但是有葡萄糖能量代謝異常時並不一定存在線粒體異常，葡萄糖能量代謝異常的產生不完全源於線粒體異常。而二者如何相互作用引起肺血管重構尚不清楚，是相互獨立、疊加作用、單純的伴隨現象還是存在因果關係也不清楚，還需進一步探索。
二、代謝類藥物治療PAH的研究進展
1.DCA：
DCA作為線粒體PDK抑制劑，可通過抑制PDK減少對PDH的影響，從而增加丙酮酸進入線粒體三羧酸迴圈氧化磷酸化，減少無氧酵解。McMurtry等發現，在野百合堿誘導的PAH大鼠模型(MCT－PAH)中，DCA可在不影響體循環阻力的情況下，降低肺血管阻力，減少肺動脈中膜厚度，減輕右心室肥大程度。
DCA在不影響正常細胞代謝的前提下，不僅可以抑制MCT－PAH大鼠PASMC的無氧酵解，還可以上調細胞鉀離子通道，促使線粒體去極化，導致線粒體釋放H2O2和細胞色素C，從而增強線粒體誘導的細胞凋亡，並通過增加凋亡來減輕PAH肺血管重構。還有學者發現，DCA可通過調節右心室心肌線粒體功能減輕右心室重構。但是，DCA還處於臨床Ⅰ期試驗階段，療效還有待進一步研究。
2.曲美他嗪：
曲美他嗪是一種廣泛用於治療心絞痛、心肌梗死、心力衰竭的抑制脂肪酸氧化的藥物，其通過抑制脂肪酸氧化途徑中的關鍵酶3－ketoacyl－ CoA thiolase抑制脂肪酸氧化，促進葡萄糖經線粒體氧化供能。
Sutendra等發現，通過曲美他嗪抑制脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)，減少FAO生成的乙醯輔酶A，可進一步通過Randle Cycle調節，增強PDH作用，經葡萄糖有氧氧化生成更多的乙醯輔酶A。而上述變化可進一步通過影響線粒體，促進線粒體誘導的凋亡，減輕PAH肺血管重塑。
三、糖代謝生物學標記物評價PAH患者的研究進展
1.PET：
18F－FDG PET是一種可無創評估惡性腫瘤的常用方法，近年來也有研究將它應用於非腫瘤性疾病中。Abikhzer等首先報導了在PET顯像中PAH患者存在右心室18F－FDG攝取量增加的現象。Marsboom等通過PET發現在PAH形成早期肺血管即存在代謝改變，因此PET可作為早期診斷PAH的新手段。Zhao等還提出用18F－FDG PET顯像可幫助篩選出對代謝類藥物敏感的患者。
Tatebe等的臨床研究發現，校正後的右心室FDG標準攝取量(cRVSUV)>8.3是一個獨立預測PAH患者臨床惡化時間的預後指標。而本課題組進行的PAH右心功能臨床研究發現，糖負荷狀態下PET掃描獲得的右心室/左心室FDG標準攝取量(RV/LVSUV)可獨立預測右心室射血分數(RVEF)，且在空腹和糖負荷狀態下測得的校正後RV/LVSUV均可獨立預測特發性PAH患者的長期預後。上述研究提示，18F－FDG PET可能是PAH早期診斷、預測預後的無創新方法。
2.代謝組學技術：
有學者探索性地將代謝組學技術這種可定性、定量分析所有小分子代謝物的研究方法應用於PAH領域，通過分析出PAH患者肺組織的代謝輪廓，尋找代謝產物與PAH病理生理變化的關係，從而對診斷PAH起到一定的輔助作用。
Fessel等在有BMPR2突變的人肺微血管內皮細胞和PAH患者血清中，應用基於質譜分析的代謝組學技術發現廣泛的代謝改變是PAH致病的重要過程。Zhao等應用基於高通量液－氣相色譜法的代謝組學技術，在8例動脈型PAH患者的肺組織中發現存在精氨酸、鞘氨醇磷酸酯、亞鐵血紅素3條代謝通路異常，並認為特定的異常代謝通路會促進PAH肺血管重構。
以上研究提示，代謝組學技術可以為深入研究PAH的發病機制提供新的手段，也為研究作用於PAH代謝機制的藥物提供了新方向。
總而言之，肺血管葡萄糖能量代謝異常在PAH肺血管重構的發生和發展過程中起著重要作用，但其與線粒體異常如何相互作用引起肺血管重構尚不清楚，兩者是相互獨立、疊加作用、單純的伴隨現象還是存在因果關係也不清楚。
因此有必要進一步研究，這不僅有助於理解PAH的發病機制，還有助於研發新的靶向藥物，也可為尋找無創的診斷、監測疾病的新方法提供科學依據。
參考文獻【略】
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使HIF抑制減少、活化增強，形成惡性循環。4.葡萄糖能量代謝異常可能是線粒體結構和功能異常導致PAH肺血管重構的重要機制：
線粒體內電子傳遞鏈可產生活性氧族(ROS)，ROS經SOD作用生成H2O2，部分H2O2可釋放入細胞質並作用於細胞膜上的對氧化還原狀態敏感的鉀離子通道(redox－sensitive Kv)，使鉀離子外流，導致細胞超極化，並促進細胞凋亡。Bonnet等發現，Fawn－hooded大鼠和PAH患者的PASMC存在線粒體結構和功能的異常，表現為SOD2表達減少、PDK過表達、線粒體在細胞核周圍融合和裂解以及線粒體膜超極化。
SOD2是線粒體內調節ROS生成H2O2的門控因數，其表達減少會引起H2O2生成減少，氧化還原狀態敏感鉀離子通道被抑制，K＋外流減少，使細胞膜去極化，從而啟動細胞膜上電壓門控鈣離子通道，引起細胞質內Ca2＋濃度升高，而Ca2＋濃度增加引起的細胞內鈣超載，可導致依賴鈣調磷酸酶的增殖轉錄因數(NFAT)啟動。
線粒體誘導內源性細胞凋亡是由釋放線粒體內促凋亡介質(如細胞凋亡蛋白酶前體、細胞色素C等)引起的，而這些介質釋放則需通過線粒體外膜上對電壓、氧還原狀態敏感的線粒體轉換孔(MTP)的介導。
而K＋外流和線粒體活性氧族(mROS)生成減少可使MTP關閉，使得線粒體誘導的內源性凋亡減少，凋亡減少聯合NFAT啟動將進一步導致PASMC和PAEC過度增殖、抗凋亡。因此，線粒體的結構和功能異常會引起肺血管重構。
丙酮酸脫氫酶(PDH)是構成丙酮酸脫氫酶複合體的三種酶之一(即E1)，位於線粒體中，是催化丙酮酸脫羧生成乙醯輔酶A的關鍵酶，也是連接糖酵解途徑與三羧酸迴圈的門控因數，其活性對調節葡萄糖有氧氧化具有重要作用。而PDK則可通過使PDH 3個特定的絲氨酸殘基任一磷酸化導致PDH失活，抑制丙酮酸進入三羧酸迴圈，增強糖酵解。
人體中PDK分為4種亞型(PDK1－4)，不同亞型的組織分佈、活性及磷酸化速率均不同，但PDK表達異常，勢必導致葡萄糖能量代謝異常，且PDK也存在於線粒體中，因此葡萄糖能量代謝異常是PAH時線粒體結構和功能異常的重要表現之一。
有學者發現，在PAH動物模型中干預異常的糖代謝，可引起PASMC中線粒體去極化，H2O2生成和細胞色素C釋放增多，細胞膜Kv通道上調，從而促進線粒體誘導的細胞凋亡，減輕肺血管重構。葡萄糖能量代謝異常很可能是線粒體結構和功能異常導致PAH肺血管重構的重要發病機制之一。
但是有葡萄糖能量代謝異常時並不一定存在線粒體異常，葡萄糖能量代謝異常的產生不完全源於線粒體異常。而二者如何相互作用引起肺血管重構尚不清楚，是相互獨立、疊加作用、單純的伴隨現象還是存在因果關係也不清楚，還需進一步探索。
二、代謝類藥物治療PAH的研究進展
1.DCA：
DCA作為線粒體PDK抑制劑，可通過抑制PDK減少對PDH的影響，從而增加丙酮酸進入線粒體三羧酸迴圈氧化磷酸化，減少無氧酵解。McMurtry等發現，在野百合堿誘導的PAH大鼠模型(MCT－PAH)中，DCA可在不影響體循環阻力的情況下，降低肺血管阻力，減少肺動脈中膜厚度，減輕右心室肥大程度。
DCA在不影響正常細胞代謝的前提下，不僅可以抑制MCT－PAH大鼠PASMC的無氧酵解，還可以上調細胞鉀離子通道，促使線粒體去極化，導致線粒體釋放H2O2和細胞色素C，從而增強線粒體誘導的細胞凋亡，並通過增加凋亡來減輕PAH肺血管重構。還有學者發現，DCA可通過調節右心室心肌線粒體功能減輕右心室重構。但是，DCA還處於臨床Ⅰ期試驗階段，療效還有待進一步研究。
2.曲美他嗪：
曲美他嗪是一種廣泛用於治療心絞痛、心肌梗死、心力衰竭的抑制脂肪酸氧化的藥物，其通過抑制脂肪酸氧化途徑中的關鍵酶3－ketoacyl－ CoA thiolase抑制脂肪酸氧化，促進葡萄糖經線粒體氧化供能。
Sutendra等發現，通過曲美他嗪抑制脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)，減少FAO生成的乙醯輔酶A，可進一步通過Randle Cycle調節，增強PDH作用，經葡萄糖有氧氧化生成更多的乙醯輔酶A。而上述變化可進一步通過影響線粒體，促進線粒體誘導的凋亡，減輕PAH肺血管重塑。
三、糖代謝生物學標記物評價PAH患者的研究進展
1.PET：
18F－FDG PET是一種可無創評估惡性腫瘤的常用方法，近年來也有研究將它應用於非腫瘤性疾病中。Abikhzer等首先報導了在PET顯像中PAH患者存在右心室18F－FDG攝取量增加的現象。Marsboom等通過PET發現在PAH形成早期肺血管即存在代謝改變，因此PET可作為早期診斷PAH的新手段。Zhao等還提出用18F－FDG PET顯像可幫助篩選出對代謝類藥物敏感的患者。
Tatebe等的臨床研究發現，校正後的右心室FDG標準攝取量(cRVSUV)>8.3是一個獨立預測PAH患者臨床惡化時間的預後指標。而本課題組進行的PAH右心功能臨床研究發現，糖負荷狀態下PET掃描獲得的右心室/左心室FDG標準攝取量(RV/LVSUV)可獨立預測右心室射血分數(RVEF)，且在空腹和糖負荷狀態下測得的校正後RV/LVSUV均可獨立預測特發性PAH患者的長期預後。上述研究提示，18F－FDG PET可能是PAH早期診斷、預測預後的無創新方法。
2.代謝組學技術：
有學者探索性地將代謝組學技術這種可定性、定量分析所有小分子代謝物的研究方法應用於PAH領域，通過分析出PAH患者肺組織的代謝輪廓，尋找代謝產物與PAH病理生理變化的關係，從而對診斷PAH起到一定的輔助作用。
Fessel等在有BMPR2突變的人肺微血管內皮細胞和PAH患者血清中，應用基於質譜分析的代謝組學技術發現廣泛的代謝改變是PAH致病的重要過程。Zhao等應用基於高通量液－氣相色譜法的代謝組學技術，在8例動脈型PAH患者的肺組織中發現存在精氨酸、鞘氨醇磷酸酯、亞鐵血紅素3條代謝通路異常，並認為特定的異常代謝通路會促進PAH肺血管重構。
以上研究提示，代謝組學技術可以為深入研究PAH的發病機制提供新的手段，也為研究作用於PAH代謝機制的藥物提供了新方向。
總而言之，肺血管葡萄糖能量代謝異常在PAH肺血管重構的發生和發展過程中起著重要作用，但其與線粒體異常如何相互作用引起肺血管重構尚不清楚，兩者是相互獨立、疊加作用、單純的伴隨現象還是存在因果關係也不清楚。
因此有必要進一步研究，這不僅有助於理解PAH的發病機制，還有助於研發新的靶向藥物，也可為尋找無創的診斷、監測疾病的新方法提供科學依據。
參考文獻【略】
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