The role of senescence in pulmonary vascular disease and the research progress

　　作者单位：51003，广州市，呼吸疾病国家重点实验室；510030，广州市，广州呼吸健康研究院; 510030，广州市，广州医科大学附属第一医院

　　通讯作者：王健，电子信箱：jianwang1986@yahoo.com

　　随着我国社会经济的发展以及人口老龄化程度不断加深，衰老相关疾病得到人们越来越多的关注。目前，包括动脉粥样硬化、慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）等在内的众多慢性疾病均证实与衰老密切相关，其具体发病过程和机制也成为研究的热点话题之一。其中，血管在衰老过程中的结构与功能变化是各种老年慢性病发生的重要因素，也是引起机体各器官系统衰老的关键生理病理基础。肺动脉高压（pulmonary hypertension，PH）是一类常见肺血管疾病，通常以肺动脉压力升高合并不同程度右心功能衰竭为其主要特征。西方国家流行病学显示，普通人群中肺动脉高压患病率约为1%，但在60岁以上人群中高达10%，提示年龄可能是肺动脉高压发病的独立危险因素[1]。而现有血管衰老研究方向主要集中在心血管系统方面，在呼吸系统领域仍受关注甚少。本文就肺血管衰老与肺血管疾病的关系，特别是肺动脉高压方面研究做一综述。

　　一、衰老及衰老的表现

　　衰老（aging）是指生物个体的正常生理功能出现衰退的过程[2]，而细胞衰老（cellular senescence）是指在多种应激条件下，细胞增殖、再生能力逐渐停滞以至最后丧失的不可逆转变过程[3],是衰老在细胞中的具体表现。其过程伴随多种信号通路的改变以及遗传稳定性下降、端粒缩短、细胞自噬、线粒体功能紊乱、表观遗传学变化等一系列复杂现象，这都共同导致细胞周期停滞和表型的变化，进而引发各类老年疾病。

　　二、血管衰老与肺血管疾病

　　随着研究的深入, “人与血管共老”的观点得到了越来越多的结果证实[4]。在形态学上，衰老血管的典型改变包括血管内膜增厚、平滑肌肥大、胶原沉积以及弹性纤维紊乱甚至断裂；在功能上表现为血管内皮功能失调、舒张功能障碍和血管生成减少，两者共同促进了多种慢性呼吸系统疾病的发生。如COPD中，吸烟产生的氧化应激加速肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞的衰老，成为发病的重要诱因[5]。与此相似，Alder等发现在上皮细胞和成纤维细胞中，衰老引起的端粒缩短可导致肺纤维化的发生[6]。在肺动脉高压中同样如此，血管衰老直接促进肺血管损伤和重构，增加肺血管压力[7]。总之，由衰老引起的肺小气道纤维化、肺泡细胞减少和肺血管损伤是造成呼吸系统慢性疾病特别是肺血管疾病的关键原因。

　　三、衰老相关分泌表型（SASP）与肺血管疾病

　　新近研究证实，相对于凋亡细胞，衰老细胞仍具有生物活性并能进行代谢等活动，能分泌多种因子对自身以及周围细胞生长状态产生影响，被称为衰老相关分泌表型（senescence-associatedsecretory phenotype, SASP）。2008年，Coppe等提出衰老细胞通过分泌具有致炎作用的小分子物质，影响邻近细胞的生理功能，甚至出现癌变，将这种现象命名为SASP[8]。SASP的发现不仅是衰老研究中的重要突破，而且在呼吸系统中同样有研究表明，SASP下游产生一系列变化能促进血管炎症发生和血栓形成，是血管衰老过程中的重要一环，研究SASP的发生和机制对深入研究血管衰老有着重要的意义。SASP包括众多趋化因子、炎性因子以及生长因子，其成分在不同细胞中有所差别，但生物效应上均能导致慢性炎症，从而诱导呼吸系统疾病的产生[9]。现普遍认为，细胞分裂或氧化应激等多种因素均可产生DNA损伤，导致损伤-修复机制失衡进而产生不可逆效果。损伤的DNA激活下游p53，p16INK4a通路，导致细胞衰老相关通路p21CIP1表达上调，细胞周期停滞。激活的p21CIP1通路使得DNA损伤相关蛋白如NF-κB、p38MAPK和以及JAK蛋白表达上调，促进细胞SAPA的释放，进而产生一系列促衰老效应。较为明确的SAPA类型包括炎性因子IL-1α、IL-1β、TNF-α以及IL-6，趋化因子CXCL1、CXCL8、CXCL10和CCL2。蛋白酶MMP1，MMP8等和生长因子TGF-b同样可以促进细胞衰老化。SAPA家族成员仍在不断增加中，炎性因子PAI-1是近年来新发现的SAPA成员，在COPD以及肺纤维化患者血清中表达上升，提示炎症反应与呼吸系统慢性疾病密切相关[10]。分泌的SAPA可作用于自身造成胞内ROS水平释放增加引起细胞衰老进一步加重，也可作用于周围细胞导致肺血管破坏程度增加，促进纤维化和气道重构。

　　当然，衰老是一个及其复杂的过程，涉及众多通路和关键分子以及表型变化，近来有研究显示非编码RNA[11]、抗衰老分子的减少以及表观遗传改变也可能参与到衰老过程中，其具体过程仍有待进一步的研究。

　　四、血管衰老与肺动脉高压

　　肺动脉高压常伴有肺血管内皮细胞功能失调以及肺血管平滑肌细胞增生肥大，最终导致血管重塑、右心衰等一系列不良后果，其预后差，病死率高且尚无满意治疗手段。近年有研究表明，肺动脉高压与血管衰老存在以下共同特点。①促衰老诱因同时促进肺动脉高压的发生；②肺血管重塑现象同时见于衰老相关疾病与肺动脉高压当中；③衰老相关信号通路同样存在于肺动脉高压发生过程中；④针对衰老的治疗可明显缓解肺血管重塑以及肺动脉高压症状，上诉四点提示两者之间可能存在极为密切的联系。

　　1、血管衰老与肺动脉高压发病的共同特征

　　在形态改变上，早期肺动脉高压典型特征包括血管内膜增生，中、外膜纤维化程度增加，弹性纤维层断裂以及血管周围炎症。这与血管衰老中产生的形态变化极为相似。Noureddine选取124例COPD患者在肺血管平滑肌细胞中检测端粒长度以及p16、p21等衰老相关分子水平，发现衰老是重要的致血管重构因素[12]。在分子水平，众多衰老标记物以及SASP的变化也具有一致性。如衰老标记物蛋白SMP30证实有抗衰老作用，敲除后小鼠肺动脉高压易感性增加[13]。同时，进一步研究认为肺血管内皮细胞和平滑肌细胞中的DNA损伤积累是血管衰老和肺动脉高压的共同诱发因素[14]，Federici和Li等证实在肺动脉高压早期过程中即存在DNA损伤现象[15]。损伤积累造成肺血管内皮细胞凋亡和血管重重构，均使得血管壁硬化程度增加。

　　以上多种因素均使得平滑肌细胞功能障碍而导致血管广泛收缩，从而引起肺血管阻力（PVR）和肺血管压力（PAP）增加，诱发肺动脉高压的发生[16]。随着外膜纤维化和炎性细胞浸润程度加深，肺血管呈现一系列衰老变化，并分泌SASP进一步促进炎症的发生和一系列退行性改变，最终导致疾病的进一步发展。

　　2、血管衰老与肺动脉高压共同信号通路

　　信号通路变化是导致血管衰老与肺动脉高压发生发展的的重要机制之一。衰老和肺动脉高压进展过程中通路变化情况有众多相似之处，如TGF-β/BMP通路调节失衡、TNF-α和mTOR等促衰老通路表达增加、受损血管修复机制丧失以及肺血管血流动力状态改变后新通路激活。

　　2.1、TGF-β/BMP通路

　　肺动脉高压中，骨形态发生蛋白受体2基因（BMPR2）被公认为最主要的肺动脉高压致病基因[17]，同时TGF-β/骨形态发生蛋白（BMP）通路在发病中处于核心位置。在衰老方面，Li 等认为TGF-β直接激活p16和p21[18]，同时间接促使ROS水平增加从而起到促衰老作用。TGF-β也是SAPS成分之一，在衰老细胞中表达明显增加。BMPR2不仅是重要的致病基因，也与DNA损伤-修复机制密切相关，而后者正是诱发衰老的起始环节。在肺血管内皮细胞中，下调BMPR2后DNA损伤敏感性增加[15]，可能是由于保护性基因BRCA1在细胞中表达降低所致。值得注意的是，DNA损伤同时导致BMPR2表达下调，提示两者可能存在独特的循环途径共同诱导衰老的发生。

　　2.2、mTOR通路

　　mTOR是丝氨酸/苏氨酸激酶家族的一员，mTOR信号通路在细胞增殖、蛋白质合成和细胞凋亡等过程中均起到重要作用，同时mTOR分子本身作为SASP的一种具有促细胞衰老作用。mTOR通路与肺动脉高压等多种呼吸系统疾病有密切的关系，近来研究显示在转基因小鼠中上调mTOR表达导致肺动脉高压的发生，同时COPD患者肺血管内皮细胞、平滑肌细胞和肺泡上皮细胞中mTOR通路和衰老标记物均表达增加[19]，提示mTOR与细胞衰老和众多慢性呼吸系统疾病的发生息息相关。现普遍认为mTOR通路与肺血管平滑肌细胞的增殖以及肺血管重构关系密切，激活mTOR通路引起p16和p21等蛋白表达增高、细胞周期改变和血管重塑，进而导致肺动脉高压症状的产生。mTOR抑制剂能缓解衰老症状以及减少SASP分泌水平[20]，同时可以改善血管重塑以及血流动力学状态，提示mTOR信号通路是一个具有前景的肺动脉高压治疗靶点。

　　2.3、血管再生相关信号通路

　　随着年龄的增加，血管再生潜能逐渐下降，再生相关基因如Klotho和sirtuin通路均表达降低，而后者往往在血管细胞衰老中充当保护性角色。小鼠体内Klotho基因缺失会导致血管呈衰老样变化，如血管内膜增生、钙化和EC功能障碍[21]。而在MCT诱导的肺动脉高压大鼠模型中同样发现Klotho表达下降，输入Klotho过表达的间充质干细胞能缓解血管重构，减轻肺动脉高压症状，这提示Klotho在PH和衰老过程中发挥着重要作用[22]。Klotho通过上调Sirtuin起到抗衰老作用，后者也是血管衰老过程中常见的保护性因素，有研究显示Sirtuin在肺动脉高压患者血管细胞中表达明显下降[23]。此外，血管生成相关通路如Wnt、胰岛素样生长因子（IGF-1）以及FoxOs同样与衰老和肺动脉高压的发生密切相关。

　　五、以衰老为靶点的治疗手段

　　随着对衰老机制以及信号分子通路研究的不断加深，近年来在慢性呼吸系统疾病中，以衰老为靶点的治疗手段取得了长足的进步。现有的治疗手段期望能针对衰老相关通路，预防或延缓非生理性衰老的发生。目前研究主要集中在三个方面：①减少氧化应激，减少DNA损伤以防止衰老的发生；②使用SASP抑制剂阻断炎症反应；③选择性清除衰老细胞。此外基因治疗和免疫疗法也在积极的探索当中[24]。Baker等发现定向清除小鼠体内p16Ink4a细胞能缓解器官衰老，显著延长生命预期[25]，这种方法同样能减轻肺纤维化程度以及肺部炎性反应[26]。特别值得关注的是，Justice等首次将细胞衰老靶向药物Senolytics用于肺纤维化治疗人体试验，14名被试者经治疗后，活动程度、6分钟步行试验等指标明显改善，提示靶向药物定向清除衰老细胞可能是具有良好前景的肺纤维化治疗手段[27]。mTOR抑制剂能上调sirtuin表达，延缓细胞衰老的发生，对COPD和肺纤维化均有良好的治疗作用[28]。依维莫司（Everolimus）是第一种用于小型肺动脉高压治疗评估的mTOR抑制剂，80%的患者在6个月的治疗后肺血管阻力下降31%，但其临床应用仍有待进一步的大样本临床实验观察。

　　六、总结与展望

　　综上所述，随着年龄的增大，血管细胞通过激活衰老相关信号通路以及释放SASP从而产生了一系列病理表型变化，造成形态及功能改变，最终导致了慢性呼吸系统疾病特别是肺血管疾病的发生。正确理解衰老与肺血管疾病的关系及机制，应用正确的方法延缓衰老对防控和治疗肺血管疾病有着重要的意义。同时，衰老相关信号通路中的关键分子也有望为肺动脉高压等疾病提供新的治疗靶点。逆转衰老虽然不甚现实，但对血管衰老的早期发现、早期干预以及针对性治疗是未来防治肺血管疾病新的方向。

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　　作者简介

　　王 健 教授

　　广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室

　　广州医科大学呼吸疾病国家重点实验室二级教授、博士生导师，广东省珠江学者特聘教授，广东省血管疾病重点实验室主任，教育部长江创新团队带头人。美国加州大学圣地亚哥分校副教授，中华医学会呼吸分会肺血管病学组副组长，广州医科大学肺血管病学组学科带头人，广东省医学领军人才，广州市属高校羊城学者首席科学家，广州市高层次人才优秀专家。英国实验生理学杂志资深编辑，美国肺循环杂志编委,《中华结核与呼吸杂志》编委。美国胸科学会会员，美国胸科学会（ATS）肺循环学术委员会委员，美国心脏学会会员，美国生理学会会员。获得国家科技进步二等奖1项，广东省科技进步一等奖1项。

　　先后在Lancet、Circulation、Circulation research等著名杂志发表SCI研究论文140篇，影响因子累计超过700，他引次数超过8000次，H index 47，承担国家、省、市各级课题21项，包括国自然科学基金重点项目1项，国自然科学基金重大国际合作项目1项（已结题），教育部长江创新团队项目1项（已结题），“973项目”分课题1项（已结题），科技部重大精准医学分课题1项，国家自然科学基金面上项目5项。获得国家专利授权16项，其中国家发明专利6项。共培养博士后2名，博士研究生15名，硕士研究生18名，其中15名获得国家留学基金委，广州市政府， 广州医科大学或对方大学资助前往美国霍普金斯大学、哈佛大学、亚利桑那大学、加州大学圣地亚哥分校、明尼苏达大学及德国弗莱堡大学学习。

　　其研究方向主要集中在肺血管形态功能的异常（如慢性阻塞性肺疾病）在肺损伤发生发展中的作用、钙离子通道调控在肺动脉高压发生的分子机制、尼古丁与肺动脉高压的关系、缺氧性肺动脉高压发病机制以及中药治疗肺动脉高压的机理研究等方面。