心脏瓣膜病的分子机制

心脏瓣膜发育和疾病的分子机制

18.1 引言

心脏的半月瓣和房室（AV）瓣由高度有序的细胞外基质（ECM）层构成，其中分布着静息状态的瓣膜间质细胞（VICs）[1]。在健康的瓣膜中，ECM被分隔为由胶原蛋白、蛋白聚糖和弹性蛋白组成的层次结构，并由VICs维持其终身正常功能（详见[2]）。在病变瓣膜中，由于ECM失调和VIC活化，瓣叶发生增厚。钙化性主动脉瓣疾病（CAVD）表现为瓣叶出现钙化[3]，而二尖瓣脱垂（MVP）则伴随瓣叶中蛋白聚糖增加及黏液瘤样改变[4]。目前，严重心脏瓣膜病的标准治疗方法是外科置换，亟需基于分子机制的新疗法。

与心脏瓣膜疾病相关分子机制包括参与瓣膜前体细胞和骨前体细胞的前体细胞特化、细胞增殖以及分化过程中的信号通路的激活[5, 6]。我们已报道，儿童和成人病变瓣膜的特征是表达心瓣膜间充质细胞和软骨祖细胞的标志物，而成人病变的主动脉瓣还表达成骨性钙化的标志物[7]。我们还鉴定出新的钙化性和黏液瘤样瓣膜病小鼠模型[8]，这些模型将有助于确定驱动疾病的潜在机制，并促进基于药物的疗法的开发。

18.2 心脏瓣膜发育

脊椎动物胚胎中的心脏瓣膜发育始于原始心管的房室管和流出道中心内膜垫的形成[5]。心内膜垫的间充质细胞来源于内皮细胞经历内皮‐间充质转化（EMT）后产生的细胞。瓣膜前体细胞具有高度增殖和迁移能力，并表达转录因子Twist1、Tbx20、Sox9、Msx1/2和Snai1。心内膜垫细胞分化为表达不同细胞外基质（ECM）特征的谱系，该过程受骨形态发生蛋白（BMP）和成纤维细胞生长因子（FGF）信号调控[9]。Wnt/β‐catenin信号在心内膜垫成熟过程中也具有活性，但该通路在瓣膜谱系分化中的具体作用仍有待确定[10]。随后，心内膜垫重塑为由分层的细胞外基质构成的薄而细长的小叶，这一过程在小鼠和人类出生后不久即发生[2]。细胞外基质层包括富含胶原蛋白的纤维层、富含蛋白聚糖的海绵层以及富含弹性蛋白的心房层/心室层[2]。这些层次在半月瓣和房室瓣中呈定向排列，其中弹性蛋白层邻近血流方向。尽管血流动力学可能在小叶分层过程中发挥作用，但在瓣膜成熟过程中调控细胞外基质组织和区室化的调控通路在很大程度上仍不清楚。

18.3 心脏瓣膜疾病

心脏瓣膜疾病可由先天性畸形或基因突变引起，也可能在生命后期获得[1]。心脏瓣膜疾病的患病率随年龄显著增加，以至于~10%的>75岁人群患有中度主动脉瓣或二尖瓣疾病[11]。然而，驱动心脏瓣膜疾病发展的致病机制以及可能作为潜在治疗靶点的机制尚不明确。越来越多的证据表明，调控心脏瓣膜和骨骼发育的调控通路也在疾病中起作用。但这些通路在瓣膜发病机制和/或修复中的作用尚未明确定义。

18.3.1 钙化性主动脉瓣疾病（CAVD）

CAVD是一种进行性疾病，最初表现为主动脉瓣（AoV）增厚（硬化），后期导致瓣膜狭窄和功能不全[12]。终末期疾病的特点是AoV铰链区出现钙化结节，这构成了CAVD的病理基础[3]。为了探讨疾病进展与潜在分子机制之间的关联，研究人员分析了儿童和成人病变AoV中瓣膜发育和软骨内骨形成的相关标志物[7]。在儿童和成人的病变瓣膜中，活化的VICs均表现出瓣膜生成的标志物Twist1、Msx2和Sox9表达增加。引人注目的是，钙化结节的形成仅见于成人钙化AoV。此外，仅在成人钙化AoV中观察到Smads1/5/8的磷酸化（提示BMP信号激活）以及Runx2等成骨基因的表达。

这些发现表明，儿童和成人病变AoV均表达瓣膜生成标志物，而成人钙化AoV additionally表达成骨性钙化的标志物。这些标志物的差异表达提示，成骨调控机制特异性地参与了CAVD的发生发展。

人类CAVD的发病率与衰老密切相关，而衰老是AoV疾病的独立风险因素。我们最近将Klotho-/-小鼠（一种早衰模型）确定为CAVD的一种新型小鼠模型[8]。值得注意的是，Klotho -/-小鼠在主动脉瓣纤维层侧的铰链区形成钙化结节（图18.1a, b），类似于人类CAVD。在这些小鼠中，钙化发生独立于炎症和瓣叶增厚，为主动脉瓣内在分子机制参与老年患者常见的年龄相关性钙化提供了初步证据。此外，Klotho -/-主动脉瓣中骨生成因子Runx2和Osteopontin的表达增加，同时软骨生成因子Sox9和Col10a1的表达也增加，符合类成骨软骨生成机制的疾病特征（图18.1e）。pSmad1/5/8的活化增强也先于Klotho -/-小鼠的钙化发生，抑制BMP信号通路为CAVD提供了一种有前景的新治疗策略。

18.3.2 黏液瘤样瓣膜病

二尖瓣脱垂最常见的原因是黏液瘤样瓣膜病，其特征是瓣叶的病理性增厚，主要由于蛋白聚糖积聚[4]所致。同时伴有细胞外基质成分分布的改变，如胶原纤维结构紊乱和弹性纤维断裂。二尖瓣脱垂的发病机制尚不明确；然而，二尖瓣脱垂常与结缔组织病或细胞外基质基因的特定突变相关，支持了在瓣膜发育过程中产生的缺陷可能导致成人疾病的观点。

尽管黏液瘤样瓣膜病最常累及二尖瓣，但也有报道出现黏液样主动脉瓣。成骨不全症小鼠（Oim）在Col1a2基因上存在自发突变，并表现出与人类成骨不全症（OI）特征相似的骨脆性[13]。有趣的是，患有OI或Col1a2基因突变的人类对主动脉瓣疾病具有易感性[14]。同样，Oim/Oim小鼠的主动脉瓣表现出远端瓣叶增厚和蛋白聚糖积聚增加，这是黏液瘤样瓣膜病的特征（图18.1c, d）[8]。此外，Oim/Oim小鼠中瓣膜祖细胞标志物Twist1、Col2a1、Mmp13、Sox9和Hapln1的表达增加，同时Col10a1和Asporin的表达也升高（图18.1e）。这些基因表达的变化与蛋白聚糖积聚增加和软骨基因诱导一致，而这正是黏液瘤样瓣膜病的关键特征。

18.4 心脏瓣膜发育和疾病中的信号通路

与心脏瓣膜和骨骼发育类似，对人类移植后心脏瓣膜的研究表明，骨形态发生蛋白（BMP）、Notch和Wnt信号通路参与了钙化性主动脉瓣疾病（CAVD）的进展。因此，心脏瓣膜疾病与瓣膜和骨骼发育通路共享信号网络。这些研究共同表明，BMP和Wnt信号的激活均与CAVD的进展相关[15, 16]。另一方面，在人类和小鼠中，NOTCH1的功能丧失性突变与二叶式主动脉瓣（BAV）及CAVD相关，提示Notch通路在瓣膜钙化中具有抑制作用[17]。

包括马凡综合征和Loeys‐Dietz综合征在内的某些人类遗传性疾病会导致黏液瘤样二尖瓣病，并与TGF‐β信号增强相关[18, 19]。然而，这些不同通路如何具体参与心脏瓣膜疾病的发生和发展的机制仍不清楚。

18.5 未来方向与临床意义

Klotho-/-和Oim/Oim小鼠是钙化性主动脉瓣疾病和黏液瘤样瓣膜病的新型小鼠模型，可用于确定驱动瓣膜病的潜在致病机制。了解信号网络如何促进疾病发展可能会对临床结果产生重大影响，因为从这些研究中获得的知识将有助于为瓣膜病患者开发和设计新的药物/治疗。