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实验方案

慢性间歇缺氧引起高血压的发病机制


慢性间歇缺氧引起高血压的发病机制

2013-03-15 16:37来源:中国呼吸与危重监护杂志作者:涂 学平 等


阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)是临床常见疾病。高血压、肺动脉高压、冠心病、心力衰竭、心律失常、猝死及脑血管疾病等都与 OSAHS 存在密切相关性,但对于 OSAHS 所致全身性疾病的发病机制尚未完全阐明。已知慢性间歇低氧(chronic intermittent hypoxiaCIH)和睡眠结构紊乱是 OSAHS 的主要病理生理特征,因而通常将啮齿类动物反复暴露于短暂间歇低氧环境中来模拟阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apneaOSA)的低氧血症,并借此探讨 OSAHS 所致疾病的机制,尤其是与高血压的相关性。近年来,对于间歇低氧(intermittent hypoxiaIH)导致这些疾病发生的分子机制取得诸多进展,包括神经系统、循环系统、炎症介质和转录因子等方面。

一、OSAHS 与高血压的相关性研究

OSAHS 患者的高血压发病率极高。临床流行病学研究结果显示,约 1/3 高血压患者合并 OSAHS,近 50% OSAHS 患者伴有高血压,明显高于普通人群高血压患病率,且睡眠呼吸暂停越严重发生高血压的危险性越大。随着研究的深入,CIH  OSAHS 患者高血压密切相关,并通过动物模型得到证实。

动物模型的发展为睡眠呼吸障碍性疾病的研究提供了可靠的证据。Fletcher 等于 1992 年首先通过动物模型研究发现 IH 可以引起高血压。他们将大鼠暴露在 IH 环境(最低氧浓度为 3%-5%),每次 30 s,每日 7h,共 5周,结果显示大鼠平均动脉压较基础血压升高(13.7±1.8mm Hg1mm Hg=0.133 kPa)。随后的研究均证实了这一现象,尽管不同的研究在低氧暴露时的氧浓度、C02 水平及动物种类方面有所差异。目前已经普遍接受以下观点:动物暴露在间歇低氧环境数周后,可以导致全身性高血压、血脂异常、早期动脉粥样硬化以及血管重塑。

随后的研究显示,IH 可以导致无高血压倾向的动物血压迅速而中等程度升高,而对有高血压倾向的动物(如自发性高血压大鼠),IH 可使高血压发生的年龄提前。令人兴奋和非常有趣的是,近年 Tamisier 等研究了一种IH 人体模型,他们将健康志愿者暴露于 IH 环境中,进行间歇低氧与复氧(二者氧浓度差为 10%,分别为85%95%),每次持续 120 s,即受试者在睡眠中间歇低氧/复氧 30  /h,持续 14 d  28 d。结果显示,受试者没有明显 CO2 蓄积,但在复氧阶段有着自发性中枢性低通气。在暴露低氧 2 周后,化学感受器的敏感性发生了改变,暴露 4 周后由于中枢性低通气而易发生睡眠中断及觉醒。该研究更为重要的结果是发现人体在暴露于 IH 之后可导致动脉血压升高(升高的幅度虽小但却明显)。此研究是在 OSA 动物模型基础上,所获得的直接反映人体在暴露于 CIH 后与高血压的相关性研究,可以反映人类 OSAHS 的病理生理过程。

二、IH 导致全身性高血压的机制

尽管有着以上的人体及动物实验研究结果,但对于 IH 导致高血压的发病机制仍未完全阐明,现有的研究显示与神经系统、循环及血管系统、转录因子均有关联。

1. 神经系统的作用:IH 引起血压升高的机制包括交感神经兴奋性增强、肾上腺儿茶酚胺分泌增加、压力感受性反射减弱以及化学感受性反射敏感性增加,这些反射都受脑干孤束核的控制。已证实 IH 可导致儿茶酚胺的作用增强以及神经元细胞凋亡,从而影响舌下神经运动神经元、锥状体、小脑普肯野氏细胞、儿茶酚胺能觉醒运动神经元及上气道扩张肌运动神经元的功能。

内质网在神经元适应及凋亡前反应方面起关键性作用。当不能适应各种应激时,内质网会发生凋亡,这一过程是通过激活 CAAT/CHOP/GADD153/caspase-7 而介导的。Zhu 等证实动物暴露于 IH 后可以损伤内质网,这是因 IH 导致某些脑干运动神经元死亡之故。在成年大鼠,IH 选择性激活 PKR  ER 激酶感受器,这是感受细胞生命的感受器。支配上气道的舌下神经运动神经元有高基础水平的 CHOP/GADD153 和去磷酸化 p-eIF-2a,当他们暴露于 IH 后,因失去保护作用而发生凋亡。但是,三叉神经运动神经元及动眼神经运动神经元由于没有高基础水平的 CHOP/GADD153,因而能够启动 eIF-2α的保护性反应。更重要的是,在暴露 IH 过程中全身给予蛋白酶抑制剂,elF-2α去磷酸化保护作用能阻止易感运动神经元的凋亡。机体其他部位运动神经元,包括膈及脊髓其他运动神经元的凋亡,也可能参与了 IH 所致高血压的发生。

越来越多的证据表明,IH 可以影响中枢及外周神经系统中多种神经递质的合成,而各种生物胺又影响脑干功能。暴露于 IH 之后可以导致活性氧簇(reactive oxygen speciesROS)增加,而 ROS 的增加必然提高酪氨酸羟化酶活性、多巴胺水平以及酪氨酸羟化酶的去磷酸化作用,其中酪氨酸羟化酶是儿茶酚胺合成的限制酶。除生物胺外,脑干中的神经肽类神经递质在神经传递方面也起到关键作用,而脑干是控制心血管反应的中枢调节部位。

对暴露于 IH 的大鼠研究后发现,颈动脉体对缺氧敏感性增强与 OSA 导致的机体自性变化及血压升高有密切关系。通过抗氧化研究后发现,ROS 介导的信号通路在介导暴露于 IH 大鼠颈动脉体窦神经传人性冲动感觉性长时程易化(sensorylong-term facilitationsLTF)中起重要作用。Peng 等证实暴露于 IH 后,NADPH 氧化酶活性增加,但对照组大鼠颈动脉体则不增加,这种效应与颈动脉体球细胞中的 NOX2 mRNA 及蛋白质上调有关。NOX 抑制剂能阻止 sLTF 的发生,而当 NOX2 缺乏时也不能诱导 sLTFROS 依赖的功能变化与 IH OSA 时交感神经活性持续增强有关。此外,内皮素 -1ET-1)及 N- 甲基 -D- 天冬氨酸受体的增加也有助于增强颈动脉体化学感受器的敏感性。

2. 循环与血管系统的作用:循环系统及组织中 ROS  IH 所致高血压的发生中也起着重要作用,同时,血管紧张素AngⅡ)及 ET-1 也参与其中。ROS 可能是 IH  OSA 所致高血压中最主要和最常见的致病因素,因为 ROS  IH 大鼠及 OSA 患者的外周血白细胞中均增加。

ROS  O2 氧化生成 H2O 这一氧化还原反应过程中的中间产物,主要包括氧自由基、超氧自由基、羟基及氮氧基。大脑、心脏、肾脏及血管均有 ROS 的表达。在生理状态下,NADPH 氧化酶的 NOX 家族以一种高度调节方式在 ROS 的产生中发挥作用。生理状态下 ROS 的产生也可来自其他生物途径,如过氧化物酶、细胞色素P450、黄嘌呤氧化酶、一氧化氮合酶、环加氧酶、脂氧合酶、血红素氧化酶,尤其是线粒体酶。线粒体是细胞ROS 合成的主要部位之一,正常氧合及低氧状态下线粒体中 ROS 的产生大致相同,但在复氧过程中却明显增加。经活化的半胱氨酸残基氧化后,ROS 能够激活 Ca2+  K+ 通道、氧化还原敏感性激酶(如 SrcPKC)、蛋白酪氨酸磷酸酶及转录因子 NF-κB、活化蛋白 -1,活化 T 细胞核因子(NFAT)、p53 及低氧诱导因子 -1HIF-1)。已知 ROS 在由 IH 所致高血压的发生中起重要作用,而超氧化物歧化酶可以阻止 IH 导致的血浆 ET-1 及血压的升高。

IH 可以增加心肌细胞及内皮细胞 ET-1 转录。ROS 能够增加内皮细胞、平滑肌细胞以及颈动脉体球细胞 ET-1 mRNA 及肽水平,而 ET 受体抑制剂能够阻止 IH 引起的大鼠平均动脉压的升高。与暴露于空气的大鼠相比,暴露于 IH 的大鼠由 ET-1 介导血管收缩的细胞内信号传导通路发生了改变,涉及到 PKC 介导的 Ca2+ 敏感性增加。不过,去甲肾上腺素引起血管收缩的机制并未发生改变。

ROS 尚能增加血管紧张素原的合成,导致肾素 - 血管紧张素系统活性增强,而 Ang Ⅱ又可通过增加 ROS 产生进而增加 ET-1 的上调。因此,在血管系统,ROS 不仅是这些系统的活化因子,也是 ET-1  AngⅡ下游信号传导通路的一部分。总之,氧化应激及 ET-1  IH 引起高血压的主要发病因素。

3. 转录因子的作用:炎症因子的增加与血管损伤及高血压的发生存在着关联。有三种转录因子即核因子κBNF-κB)、活化 T 细胞核因子(NFAT)以及低氧诱导因子 -1HIF-1)参与了炎症反应的启始阶段,并与IH 所致炎症及心血管损伤有关。

1NF-κBNF-κB 是多种状况下炎症反应的关键性介质。作为 Rel 蛋白质相关家族的成员,NF-κB 首先被发现是 B 细胞中免疫球蛋白 k 轻链转录所必需的核因子,它与抑制剂 IkB 相连并以非活性状态存在于胞浆液中。外源性或内源性炎症刺激可以触发 IkB 泛素化介导的降解,随后受活化的 NF-κB 进入细胞核,并增加多种促炎基因的转录,尤其是编码炎症细胞因子类如肿瘤坏死因子αTNF-α)、白介素(IL 8、炎症趋化因子、表面粘附因子及酶类(环氧酶 -2)等。

许多研究包括对培养细胞、动物模型及 OSA 患者的研究,均表明 IH 能够增加 NF-κB 的活性及其下游产物,其中 TNF-α在由炎症介导的血管损伤中起主要作用。临床研究也发现 OSA 患者血浆中 TNF-αNF-κB 依赖的细胞因子以及 IL-8 均升高。在动物研究中发现,IH 可以增加大鼠心血管组织中 NF-κB 依赖的基因产物(iNOS)的表达。此外,OSA 患者单核细胞及中性粒细胞 NF-κB 活性明显升高,而经持续气道正压通气治疗后可以恢复至正常水平。NF-κB 是氧化还原剂敏感性转录因子,通过提高内皮细胞、白细胞及血小板的活性,激发炎症及免疫反应,并通过激活细胞表达粘附因子及促炎性细胞因子,引发内皮损伤及功能障碍,并导致心脑血管事件的发生。

2NFATNFAT 是转录因子 Rel 家族中的另一成员,近年来的研究显示也参与 IH 大鼠高血压的发生。NFAT 首先是在活化的 T 细胞中被发现,是一种 Ca2+ 依赖性转录因子;之后被证明在非免疫细胞中起作用,包括心血管系统中的细胞。NFAT 转录因子家族包含四种成员:NFATclNFAl2/c)、NFATc2NFATl/p)、NFATc3NFAT4/x)、NFATc4NFAT3),它们在蛋白质的 N 端都有 NFAT 同源区域,而 C 端是 DNA 连接区域。细胞内 Ca2+ 水平升高时,可导致钙调蛋白依赖的磷酸酶及钙神经素活性升高,而活化的钙神经素使NFAT 调节区去磷酸并发生构像改变,之后 NFAT 进入胞核并发挥其调节作用。

血糖及血管压力的升高是 NFAT 有效的活化剂。NFAT 活化不仅可以调节免疫反应及炎症,对血管的生长也很重要,可以参与调节血管平滑肌的收缩性。

现已提出由 IH 所致大鼠全身性高血压与大动脉及肠系膜动脉中 NFATc3 的活化密切相关,因为敲除 NFATc3 基因或给予 NFATc3 抑制剂可以阻止由 IH 所致的高血压。NFATc3 在由 IH 引起的肠系膜动脉重塑中也是必需的。NFAT 可以调节 TNF-αIL-6 及骨桥蛋白(OPN)的表达,而 OSA 患者的 TNF-α IL-6 明显增加。

OPN 是一种多功能蛋白,在血管的增殖及重塑起重要作用,高血压、冠心病及缺氧后血浆中 OPN 水平均升高。多种细胞因子包括 IL-1TNF-α AngⅡ,都可引起 OPN 表达上升。ROS 也能激活多种不同类型细胞中的 NFAT,包括神经元细胞、免疫细胞、破骨细胞及心肌细胞。虽然 ROS 激活 NFAT 的机制尚未完全阐明,但已有的证据均表明 ROS 是由 IH 所致复杂信号传导通路的上游区激活因子。

3HIF-1:低氧诱导因子 -1HIF-1)是半乳糖苷酶的转录因子,由αβ二个亚单位组成。因包含氧依赖泛素化蛋白体降解域,故 HIF-1 在正常氧含量时由于其降解活性受到抑制,而在低氧时,HIF-1 的降解受到抑制,并可和靶基因的调节区相结合。

HIF-1 是细胞内氧动态平衡的主要调节器。HIF-1 通过介导线粒体能量代谢下调,增加糖酵解及无氧代谢,从而达到能量平衡。被 HIF-1 调节的第一个基因是促红细胞生成素(EPO)基因,其启动子包含缺氧反应元件。EPO 的上调可增加红细胞数量并增强其携氧能力。但 HIF-1 介导的 EPO 上调在等碳酸水平 IH 时反应能力是不敏感的,因为在低 CO2 水平时的 IH 状态,大鼠的红细胞压积是增加的,而等 CO2 水平状态下 IH 大鼠的红细胞压积却并不增加。这与 OSA 患者的情况很相似,因为 OSA 患者的红细胞压积也不增加或仅有轻度升高。HIF-1 通过增加促炎细胞的成活而促进炎症反应。

HIF-1 的另一个基因产物是血管内皮生长因子(VEGF),有着严重夜间低氧的 OSA 患者,VEGF 水平是升高的。VEGF 可趋化成熟内皮细胞向低氧组织区移位,并借此促使血管生长。IH 增加内皮细胞中的 HIF-1 水平,介导细胞位移及促使血管表型形成。因此,HIF-1 介导的 VEGF 上调也参与 IH 所致的血管生成。

有趣的是,部分缺失 HIF-1α的大鼠对 IH 没有典型的心脏呼吸反应。更为特别的是,IH 不能增加低氧性通气反应,不能诱导出化学感受器活性的感觉性长时程易化(sLTF),也不能引出呼吸长时程易化(LTF),不会升高血压,不能提升脑中 ROS 水平,还不能上调大脑 HIF-1α水平及血浆中去甲肾上腺素的水平。这些研究结果表明在 IHHIF-1  ROS 之间存在极其复杂而又积极的关联。

HIF-1α IH 致高血压中的作用尚包含 ET-1 上调,IH 引起的 ET-1 上调需要 HIF-1ET 系统的活化是由 HIF-1活性所介导的。ET 的活性可增加机体对 IH 的敏感性,并与高血压及缺血性损伤等心血管事件的发生密切相关。

Yuan 等研究了在 IH 过程中 HIF-1α上调的分子机制,发现这个机制既包括在复氧期间 mTOR 依赖的 HIF-1α合成的增加,也包括在低氧时羟化酶依赖的 HIF-1α降解的增加。HIF-1α上调也需 ROS 产生的增加,而抗氧化剂可阻止 IH 所致的 HIF-1α蛋白羟化的降解。钙依赖性磷脂酶 C 及蛋白激酶 C 的活化也需 HIF-1α降解的减少。

HIF-1 基因近端启动子部位也是有活性的 NF-κB 的结合部位,NF-κB 可调节 HIF-1 基因表达水平,而 ROS NF-κB  HIF-1 之间的重要连接,表明这些信号通路之间是相互依赖的。HIF-2Q  HIF-1α 80% 的同源性,也与 HIF-1β类似。持续低氧可致 HIF-2α聚集,并增加 VEGF 的转录和活化。与上调 HIF-1α不同,IH 可引起 HIF-2α蛋白水平下降,IH 引起的 HIF-2α降解可抑制线粒体超氧化物歧化酶转录,从而造成氧化应激。而钙蛋白酶抑制剂可以恢复暴露于 IH 大鼠 HIF-2α的水平,并减弱 IH 所致的氧化应激及减少心血管事件的发生。

总之,IH 可活化 HIF-2α,并增加 ROS,此过程与低氧所致的 HIF-1 上调相一致,从而导致高血压的发生。

三、结语

IH 啮齿类动物模型为了解 OSA 所致心血管事件的发病机制提供了基础。现在的研究显示,ROS  IH OSAHS 所导致的心血管事件发病机制中起极重要作用。ROS 既是 IH 过程中多种细胞因子的启动因子,也是由这些因子引起的细胞内信号通路的一部分。这些因子共同增强了炎症过程,导致了内皮功能障碍及血管重塑,并增强血管收缩,最后导致高血压的发生。

 

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