主动脉瓣狭窄

主动脉瓣狭窄中的钙化—万能钥匙 摘要 主动脉瓣狭窄是一种常见的病变,但由于其潜在的致命性逐渐成为公共卫生的负担。一旦症状进展,总伴随着病情的恶化和不佳的预后。尽管如此,目前仍然没有药物可以改善疾病的进展,唯一有效的治疗方法是主动脉瓣置换,然而并不是所有病人都适合外科手术。传统的观念认为主动脉瓣狭窄是一种退行性病变,即因久用而损坏而导致的瓣膜的钙沉积。尽管机械应力和损伤是其重要的因素,越来越多的观点倾向于认为主动脉瓣狭窄是一种高度复杂、受到调控的病理过程,这一点与骨骼形成有相似性。这篇综述主要讨论了主动脉瓣狭窄的病理生理学,尤其是逐渐认识到钙化的重要性以及我们如何使用无创的影像学观察检测钙化,如何提高认知使之转化从而改良疾病的治疗。 主动脉瓣狭窄(AS)是西方世界瓣膜疾病最常见的形式,并且逐渐成为公共卫生的负担。尽管如此,仍没有有效的药物治疗可以阻止或者延缓疾病的进展,唯一有效的治疗是主动脉瓣置换或植入,而这种治疗并不适合所有患者。因此临床迫切需要确认药物治疗能否改善疾病进展。 长期以来AS被认为是一种退行性病变,即主动脉瓣日久损耗导致瓣膜逐渐钙化形成。尽管机械应力和损伤对于其病理生理学十分重要,越来越多的证据表明AS的进展是一种高度复杂和严密调控的过程,其中的每一步都可能成为药物干预的靶点。尤其要主要的是, AS的过程可以分为明显的两个阶段:初期包括瓣膜脂质沉积、损伤和炎症,和粥样硬化有许多相似性,增殖期包括钙化前和成骨前因子起主要作用并最终导致了疾病进展。这篇综述主要讨论了AS的病理生理学,重点关注了钙化的发病过程,在此基础上进一步探究:1. 如何利用现代的非侵入性技术获得影像以及提高我们的认知从而最终探索出针对AS的新兴疗法。 AS的病理过程 炎症、脂质在AS初始阶段中的角色 正常情况下,主动脉瓣为三叶,每一叶都是很薄的、光滑、有弹性并可以活动的结构。在AS发病过程中,瓣叶逐渐增厚、纤维化、钙化,这些变化会导致瓣叶活动度降低和瓣膜狭窄加重。 因为有很多相同的发病危险因素,AS的早期的病理过程和动脉粥样硬化有很多相似之处。大型纵向研究共同证明了影响AS发病的危险因素包括吸烟、年龄和高血压。也许在二叶式主动脉瓣畸形的改变最能说明这一点。典型的瓣膜二叶式结构导致了机械应力的消耗,加速了内皮的破坏,因此病人大多发展为AS并且进展速度更快。 和动脉粥样硬化一样,随着内皮破坏,脂质渗透到瓣膜中,其中主要包括脂蛋白a和oxLDL。观察性研究证明了胆固醇及其相关的脂蛋白是AS进展的独立危险因素。的确,近期的研究发现脂蛋白a的单核苷酸多态性与主动脉瓣钙化的发生在全基因组水平有着紧密的联系。随后,进一步研究发现内皮损伤和脂质氧化是瓣膜的炎症反应,表现为显著的巨噬细胞浸润,同时也包括T细胞和肥大细胞。在病变早期,点状微小钙化的范围和脂质沉积的区域是重叠的。这些微小钙化的形成可能是细胞死亡和凋亡小体释放所介导的过程。这些凋亡小体与骨组织中发现的基质小泡类似,其中包含钙晶体沉积的必要组成成分(包括钙和无机磷酸根离子)并促进了羟磷灰石的针样晶体的形成。在骨骼中,随着羟磷灰石晶体的累积,它们穿破小泡的外膜、暴露于细胞外环境,从而形成核心,为进一步钙沉积做准备。很有可能在瓣膜中有相似的过程发生。另外,羟磷灰石沉积可以诱发进一步的巨噬细胞炎症前反应,在病变早期形成了钙化与炎症间的正反馈机制。这些机制似乎可以解释AS病变过程中早期钙沉积 以及其与脂质和炎症反应之间的关系。 由于AS的早期与脂质、炎症和钙化的关联以及这种改变与动脉粥样硬化病理生理过程的相似性,他汀类可能对AS病人有效的这一假说逐渐形成。有非随机化人群的数据和研究支持这一假说,同时高脂动物模型证明了脂质堆积和氧化应激的过程先于瓣膜间质细胞向成骨细胞表型的转换,而这一过程可以被阿托伐他汀所抑制。然而,三项关于他汀用于AS人群RCT 研究都发现即便降低了过半的血清LDL水平,他汀仍无法阻止或延缓AS的进展。这使得研究者再次审视AS的病理生理学基础,并且认识到尽管炎症反应和脂质堆积可能对病变的产生起到十分重要的作用(初期),之后的阶段则被表面上钙沉积和瓣膜损伤的永动循环所取代(增殖期)。 的确,一旦进展到增殖期,疾病进展既不是炎症也不是脂质堆积决定的,而是取决于瓣叶的钙沉积。这也许可以解释他汀为何无法改善AS的进展,因为多数接受他汀治疗的病人已经不在疾病的初期了。 而且甚至有一些数据表明他汀可能会促进血管的钙化。 钙化和增殖期 骨骼形成的初期主要表现为胶原基质沉积,这为钙化的进展提供了基础。随着时间的推移,钙逐渐排列成更有序的晶体结构,最终形成薄片样骨头。人们认为同样的结构形成过程在AS的过程中也发生了,同时伴随着许多相同的细胞介质和相关蛋白。在AS中,胶原沉积的确钙化过程之前发生。瓣膜的纤维化过程可能一部分是由一氧化氮表达降低所介导,而后者伴随着内皮细胞损伤。在这一阶段肾素血管紧张素系统(RAS)同样起着关键作用。血管紧张素转化酶(ACE)的表达在钙化性主动脉瓣疾病中上调,并且被认为可能是由LDL传递到瓣膜中的。ACE促进了血管紧张素I到II的转化,继而通过血管紧张素II1型受体(AT1)介导了前纤维化效应。尽管血管紧张素II也可以通过血管紧张素II2型受体(AT2)介导抗纤维化和抗炎作用,然而研究发现在钙化性主动脉瓣中更倾向于AT1的表达,因此前纤维化过程起主导作用。血管紧张素转化酶2(ACE2)可以通过Ang1-7/Mas通路发挥抗炎和抗纤维化作用,而这条通路在钙化性AS中是下调的,与对照组相比ACE2和Mas受体的表达都显著降低。因此,RAS系统表达的上调与瓣膜纤维化的发展是相关的。在整体水平,RAS与高血压的发展相关,而高血压常常伴随AS并且由于瓣膜机械应力的增加同时加速了疾病发展。初期纤维化之后,钙化最终占主导地位并且表现为依赖成骨样细胞的存在,最终转变为成骨表型。为支持这一假说,基因谱研究发现瓣膜中一些成骨特异性蛋白的表达增加了,包括Cbfa1/Runx2 transcription factor,这对于成骨细胞分化和成骨细胞功能的调节很重要。许多其他的细胞外基质蛋白与成骨细胞功能也密切相关,并且许多与骨骼形成相关的细胞外基质蛋白在钙化性主动脉瓣中表达也上调了。其中包括骨调素和骨涎蛋白,这二者可以促进成骨细胞向骨基质黏附,研究发现在进展的钙化部位有7倍的高表达。更为重要的是,瓣膜骨化也依赖于血管生成,这一点也支持了骨化是一种活跃的、严密调控的病理性过程。 主动脉瓣中成骨样细胞的来源是有争议的。在体外实验中,血管的多种细胞都可以分化为成骨样表型。最有可能的是成肌纤维细胞,这是一种高度可塑的细胞,也被称为瓣膜间质细胞(VIC)。细胞向成骨样表型的分化的过程尚未被完整的阐述,但是作为AS进展中的重要部分,我们发现这一过程受到越来越多的分子和复杂通路的调节。活体分子成像表明AS的早期,分化在巨噬细胞的协调下通过炎症前细胞因子(包括白介素、肿瘤坏死因子、胰岛素样生长因子和转化生长因子)的活化完成。然而在随后的阶段,分化主要由钙化通路主导,其中包括notch,wnt/β-catenin和RANK/RANKL/OPG(骨保护素)通路。 Notch属于一个细胞表面受体家族(notch1-4),在主动脉瓣中有高表达,在其形态发生中起重要作用。Notch-1失功能突变的个体心血管系统钙化和AS发生的几率更高。在两个不相关 的而有高先天性主动脉瓣疾病发生率的家族中,全基因组连锁分析表明notch-1失功能突变是其发病原因。notch-1尤其在瓣膜的成骨细胞形成中起重要作用,这一过程是通过骨形态蛋白(BMP)2的活化完成的。BMP-2是一种强有力的成骨分化因子,属于TGF-β超家族中多功能细胞因子家族的一部分。在钙化性动脉粥样硬化病变和主动脉瓣中BMP-2表达增加,研究发现其在可塑的细胞群分化为成骨表型的过程中起重要作用。暴露于BMP-2的正常人的瓣膜间质细胞的确可以诱导细胞产生成骨细胞的特点。另外,wnt与LDL受体相关蛋白5受体结合可以活化经典的wnt/β-catenin通路,这同样能在成骨细胞分化中观察到。而TGF-β1可以诱导β-catenin的核移位并且增加wnt信号的表达,刺激间充质先导细胞的成骨分化。之后的过程表现为机械应力反馈的增加,在某种程度上可以解释一旦成骨分化发生、增殖期到来后出现的这种永不停止和指数级增加的钙化的活跃。 在骨骼和血管中调控钙化活性的全身性的调节因子严密调控着钙平衡;因而骨骼矿物质密度和血管钙化呈负相关。骨质疏松与和年龄无关的血管钙化甚至心血管死亡相关。一项前瞻性研究纳入了25639人,发现了骨密度和AS发生率在老年女性中呈负相关。另外,其他影响骨更新的疾病,包括慢性肾病和Paget’s病也会表现出血管的改变。这种二分法被称为“钙化悖论”,并且可能用常见的病理通路在骨头和血管同时起到相反的效应来解释。 有关这一联系一项潜在的机制可能是RANK/RANKL/OPG(骨保护素)通路的活化。在骨骼中, RANKL(TNF细胞因子家族的成员)与RANK(一种表达在骨髓基质细胞和前成骨细胞的跨膜蛋白)结合,对成骨分化和活化起到强有力的诱导。这促使了骨的去矿化作用,而这一过程由OPG监管。OPG是一种可溶性诱饵受体,结合RANKL并且防止其活化RANK。而RANKL 表现出对血管细胞相反的效应,主要包括人VIC细胞的成骨表型导致的基质钙化的增加、钙结节的形成以及碱性磷酸酶和骨钙蛋白表达的增加。RANKL也可以通过上调BMP2促进了血管平滑肌细胞的成骨功能。因此,当OPG缺陷小鼠发生骨质疏松时,它们常同时表现为血管钙化,这是由于RANKL在两处都高表达所导致的。对于RANK/RANKL/OPG在两种组织分化效应的一个解释是骨骼富含成骨前细胞,使得RANKL中的成骨前成分更有趋向性。相反的,这种作用在血管组织中缺失,因此RANKL的前成骨效应体现在影响成纤维细胞和平滑肌细胞的支配。 在钙化性主动脉瓣疾病中RANKL/OPG信号失衡。AS病人的瓣膜组织中,免疫组化发现局部钙化区域OPG阳性的细胞减少,WB发现OPG在AS中表达下降,而可以在对照组中检测到。RANKL的逆转是真实存在的,可以发现在狭窄的主动脉瓣中其表达增高。结合来看,这些数据支持了RANK/RANKL/OPG轴与主动脉瓣钙化进展相关并解释了主动脉瓣钙化和骨骼矿物质脱失的关联。其他研究者发现氧化型LDL的分化效应也十分重要,体外实验中发现OxLdl 促进钙化发生和血管细胞的成骨分化,同时抑制了骨骼诱导的前成骨细胞系。 胎球蛋白A(Fetuin-A)是一种可以独立存在或者和基质羟基谷氨酸蛋白(MGP)形成复合物的循环蛋白。二者都是很强的抗异位钙化的物质,同时可以抑制之前讨论到的前钙化过程。MGP需要羧基化和磷酸化才能激活,这一过程依赖维生素K。有推测称使用维生素K拮抗剂(如香豆素)与血管钙化的增加相关。FetuinA和MGP的作用包括抑制BMP2和TGF-β,减少凋亡介导的钙化以及通过结合钙晶体直接预防钙化形成。循环fetuinA和MGP的降低可以解释终末期肾病病人的血管钙化。另外,血浆fetuinA浓度在AS病人中降低,并且与疾病进展呈负相关。有趣的是,这种相关性仅在老年人(大于70岁)中发现。而血浆去磷酸化(非活化)MGP的增加是狭窄快速进展的独立预测因素,但仅仅在年轻病人(小于57岁)中有显著差异。 为什么钙产生了钙? 一旦瓣膜中产生了钙化,则会引起更多的钙沉积。这种钙化的永动循环和瓣膜损伤是疾病进 展和AS增殖期的核心推动力。 从某种程度来说,这种机制可能与瓣叶钙沉积导致的瓣膜活动的依从性不匹配从而导致的机械应力增加、损伤介导的wnt/β-catenin通路激活以及进一步的成骨分化相关。然而,也有解释认为是膜结合的外核苷酸酶的激活。它们由VIC产生,并可以调节无机磷酸盐(钙化的促进者)和无机焦磷酸盐的细胞外产物。外核苷焦磷酸酶1(ENPP1)在钙化性主动脉瓣疾病中上调,其多态性与ENPP1转录增加有关。ENPP1水解细胞外ATP产生纯粹的无机磷酸的增加,这促进了钙化并激活了ENPP1产生的正反馈回路。另外由于ATP作为VIC的细胞生存信号(通过P2Y2受体),其缺失激发了细胞凋亡,从而对钙化产生更为关键性的刺激。最终,P2Y2信号的缺失增加了IL-6的分泌,其可以通过增加BMP活性促进进一步的VIC成骨分化。在AS增殖期,通过多种机制,外核苷酸酶通路在加速前钙化过程中起到了关键作用。考虑到AS的病理生理和进展主要由钙化介导。我们将接着讨论如何采集这一过程的图像从而更好的理解AS的病理生理过程、预测疾病进展和预后以及开发新型治疗策略。