肺动脉高压是一大类以肺动脉压力增高，伴或不伴小肺动脉病变为特征的肺血管疾病，其最终可导致患者右心功能衰竭甚至死亡，肺动脉高压已成为威胁人类身心健康的严重疾病。肺动脉高压发病机制多种多样，目前尚无确切定论，但是对遗传性肺动脉高压的研究发现，骨形成蛋白信号系统参与了肺动脉高压的发生发展。本文将对骨形成蛋白-4（BMP4）在肺动脉高压发生发展中的作用以及相关研究进展进行简要综述。
引用本文： 钱宏, 胡佳. 骨形成蛋白-4 对于肺动脉高压患者肺血管重构作用的研究进展. 中国胸心血管外科临床杂志, 2019, 26(3): 274-277. doi: 10.7507/1007-4848.201805064 复制
肺动脉高压（pulmonary hypertension，PH）以肺动脉压力增高，伴或不伴小肺动脉病变为特征，是威胁人类身心健康的严重肺血管疾病[1-2]。根据 2015 年 ESC/ERS 指南，PH 可分为五大类：Ⅰ型，动脉性肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）；Ⅱ型，左心疾病相关性肺动脉高压（pulmonary hypertension due to left heart disease，PH-LHD）；Ⅲ型，肺部疾病和（或）低氧所致的肺动脉高压；Ⅳ型，慢性血栓栓塞性肺动脉高压和其他肺动脉堵塞性疾病；Ⅴ型，原因不明和（或）多种因素所致的肺动脉高压[3]。PH 发病机制多样，对遗传性肺动脉高压（heritable pulmonary arterial hypertension，HPAH）的研究发现，骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）信号系统参与了肺动脉高压的发生发展[4]。BMPs 作为转化生长因子 β（transforming growth factor β，TGF-β）超家族中的成员[5]，其有关调节骨及软骨形成的作用已被证实。且 BMPs 在非成骨过程中调节细胞凋亡与增殖的作用使其对器官生长及胚胎发育有重要影响。目前已发现 30 多种 BMPs [6]。作为其中重要的成员，骨形成蛋白- 4（bone morphogenetic protein 4，BMP4）参与高血压、血管功能障碍、动脉粥样硬化、瓣膜病变、心肌缺血损伤以及肺动脉高压等心血管疾病的发生发展过程[7-9]。本文将对 TGF-β、BMPs 以及 BMP4 在肺动脉高压发生发展中的作用的相关研究进展作简要综述。
1 转化生长因子 β 超家族与肺动脉高压
TGF-β 超家族成员已经成为了正常心血管系统发生发展的重要调节者，同时作为包括动脉粥样硬化、心肌梗死和肺动脉高压等疾病发生发展过程中的重要参与者越来越受到关注[10]。TGF-β 超家族成员在细胞因子、细胞膜表面受体、Smad 蛋白水平均存在多种亚型，并可通过不同的通路完成细胞内应答。TGF-β 配体主要作用于转化生长因子受体（transforming growth factor β receptors，TGFβR），形成 TGFβRⅠ、TGFβRⅡ 复合体，激活 Smad 2/3 通路；而 BMP 配体主要作用于骨形成蛋白受体（bone morphogenetic protein receptors，BMPRs），形成 BMPRⅠ 与 BMPRⅡ 复合体，激活 Smad1/5 /8 通路，这两条通路作用于共同的 Smad4 通路，进入细胞核，在细胞核内与特异的复合物结合，调节相关靶基因的转录[10]。同时，BMPs 亦可通过非 Smad 依赖型信号转导途径发挥作用[11]。相对于 TGF-β 受体，BMPs 受体更具有灵活性，并且受其配体调节的敏感性更高，进而更能促进不同 BMPs 受体介导的信号转导通路间多层次的相互联系[12]。
PAH 为肺动脉高压分型中的第一型[3]，在 PAH 的发生发展过程中，肺血管收缩、肺血管壁重构以及原位血栓形成为肺血管阻力和肺动脉压力升高的罪魁祸首[13]，其中肺血管重构起到了至关重要的作用，肺血管的结构性重构以病理性增生为特征，这种变化被认为是肺血管平滑肌细胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）增殖与凋亡失衡造成的[14]，Newman 等[15]认为，在肺动脉高压发病过程中，TGFβ 主要起促增殖作用，BMPs 主要起抗增殖作用，正因为这种平衡关系在 BMPR2 基因突变个体中被打破，才导致肺动脉高压发病。
2 骨形成蛋白与肺动脉高压
15%～25% 的 HPAH 个体为常染色体显性遗传，并且大约 70% 的 HPAH 个体存在 BMPRⅡ 基因突变[16]。BMPRⅡ 在 BMPRⅡ 基因突变的肺动脉高压个体肺动脉血管壁中的表达明显下降，并且在无此基因突变个体肺动脉中表达也有下降[17]，这表明 BMPs 信号系统在肺动脉高压的发展中起着重要的作用。越来越多的研究致力于发现 BMPRⅡ 的缺失在肺血管收缩以及重构中的作用机制[18]。而此机制至今未尚未完全明了[19]。
有研究表明，BMPs 信号转导系统对于 PASMCs 的迁移、增殖以及细胞外基质的合成起到抑制作用[9]，从而抑制了肺小血管重构。对于肺血管内皮细胞（pulmonary arterial endothelial cells，PAECs）则起抑制凋亡、促进生长的作用[20]。这看似是矛盾的，实则不然，因 BMPs 信号转导系统异常导致的 PAECs 的过度损伤会导致血管内皮的病理性及向心性修复，从而使微血管闭塞，成为肺动脉高压发生的起始因素，这与 BMPs 对肺小血管重构抑制效应的减弱起到协同的作用，共同促进病情的发展[10]。BMPs 的这些生物学效应是综合性的，是包括 BMP4 及 BMP2 在内的一系列 BMPs 亚型的共同作用结果，其中每一种亚型都有其独特甚至相反的作用[21]。
3 骨形成蛋白 4（BMP4）与肺动脉高压
BMP4 被视为促进肺动脉重构过程中的重要细胞因子，参与调节细胞增殖、迁移以及细胞内钙离子（Ca2+）的稳定[10, 22-23]。有趣的是，动物实验发现：在缺氧环境中，存在 BMP4 信号转导通路功能异常的 BMPRⅡ 基因突变型小鼠更易患肺动脉高压[24]。这表明 BMPRⅡ 基因突变的生物学作用并不是由 BMP4 信号系统异常主导的。后续研究发现，BMP2 可以通过上调内皮细胞中内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表达扩张血管，抑制肺动脉高压的发生，而 BMP2 的这一作用的消失在 BMPRⅡ 基因突变的效应中占据主导地位[4]。也有学者认为，BMP4 抑制近端的肺动脉血管中 PASMCs 的增殖，但对于外周 PASMCs 增殖起促进作用[22, 25]，其中的机制可能不尽相同。可见 BMP4 的生物学效应是受到各种因素影响的，了解 BMP4 的作用机制是弄清这些千变万化的基础。
过去研究证实磷脂酰肌醇 3 激酶/蛋白激酶 B（PI3K/AKT）信号系统对于细胞的生存及凋亡有重要的影响[26]，其在各种生长因子的诱导下，可以抑制细胞的凋亡并促进细胞的生存[27]。近期研究发现，BMP4 与 PI3K/AKT 信号系统有着千丝万缕的联系。BMP4 在缺氧环境中激活并且表达水平增加，通过 PI3K/AKT 信号通路抑制肺血管平滑肌细胞（PASMCs）的凋亡[28]。此途径中 AKT 磷酸化作用显著激活，继而激活 Smad1/5/8 通路，调节细胞核内转录；并使半胱天冬酶-3 的表达下调，通过外在的细胞凋亡信号通路发挥作用；还可触发通过线粒体去极化的减弱和 Bcl-2 基因的表达上调发挥作用的线粒体依赖性信号通路[28]。其中，半胱天冬酶-3 在正常细胞中激活凋亡蛋白酶并促进多种关键细胞蛋白的特异性裂解而使其失去作用[29]；线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MOMP）为细胞凋亡的一个重要标志，其在细胞凋亡早期被破坏，而 Bcl-2 作为 Bcl-2 抗凋亡家族中的重要成员参与了 MOMP 的调节[30]。
研究[31-32]发现，BMP4 也可以不依赖于经典的 BMPR-Smad1/ 5/8 通路发挥作用。细胞 Ca2+ 浓度对于细胞的增殖以及凋亡起至关重要的作用，PASMCs 中 Ca2+的变化是导致肺血管重构及肺动脉高压发展过程中的重要因素，其浓度的增加会促进肺血管的重构。钙池操纵性钙离子内流（store-operated Ca2+ entry，SOCE）参与维持细胞内外 Ca2+平衡，瞬时受体电位通道（transient receptor potential channels，TRPCs）属于钙池操纵性钙离子通道（store-operated Ca2+ channels， SOCCs）[33-34]。在经过 BMP4 干预的小鼠 PASMCs 中发现，其 SOCE 增强及细胞内 Ca2+浓度增加，此种效应是通过上调 TRPC1，4，6 在细胞膜上的表达实现的[35]。BMP4 特异性拮抗剂 Noggin 通过抑制 BMP4 信号的传导来减缓上述过程并抑制 PASMCs 的增殖进程[36]。在 BMPRⅡ 基因敲除的小鼠中此种效应并没有减弱，说明此过程是独立于 BMPRⅡ 而存在，研究[19]发现丝裂原激活蛋白激酶 38（p38）及细胞外信号调节激酶（ERK1/2）的激活介导了此过程。
BMP4 在肺动脉高压发病的过程中的具体机制至今尚未得到完整的解答，待我们继续探索。
4 转化生长因子 β（TGF-β）超家族研究的应用
目前，肺动脉高压的治疗药物包括内皮素受体拮抗剂（波生坦、安贝生坦、马西替坦）、磷酸二酯酶-5 抑制剂（西地那非、他达拉非、伐地那非）以及环前列腺素类似物（依前列醇、曲前列环素）[37-38]。对于 TGF-β 超家族在肺动脉高压发病机制中的研究为我们的药物治疗提供了新的思路[39]，包括通过伊马替尼等酪氨酸激酶抑制剂及洛沙坦来抑制 TGF-β 信号转导通路，以 BMPs 信号转导系统为靶点的药物（如 Noggin）尚处于研究阶段[15, 40]。
5 结语
肺动脉高压是一种发病机制复杂且预后较差的心血管疾病，对其进行透彻研究并合理针对性治疗有较大的意义。BMP4 在心血管疾病发生发展中的作用近年来受到越来越多的关注，其与肺动脉高压之间的关系也不断被发现与认识。虽然现在仍属于探索阶段，相关机制尚不明确，但随着研究的深入，以 BMP4 作用机制为基础，其对肺动脉高压的诊断、治疗以及评价将发挥更加重要的作用。
肺动脉高压（pulmonary hypertension，PH）以肺动脉压力增高，伴或不伴小肺动脉病变为特征，是威胁人类身心健康的严重肺血管疾病[1-2]。根据 2015 年 ESC/ERS 指南，PH 可分为五大类：Ⅰ型，动脉性肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）；Ⅱ型，左心疾病相关性肺动脉高压（pulmonary hypertension due to left heart disease，PH-LHD）；Ⅲ型，肺部疾病和（或）低氧所致的肺动脉高压；Ⅳ型，慢性血栓栓塞性肺动脉高压和其他肺动脉堵塞性疾病；Ⅴ型，原因不明和（或）多种因素所致的肺动脉高压[3]。PH 发病机制多样，对遗传性肺动脉高压（heritable pulmonary arterial hypertension，HPAH）的研究发现，骨形成蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）信号系统参与了肺动脉高压的发生发展[4]。BMPs 作为转化生长因子 β（transforming growth factor β，TGF-β）超家族中的成员[5]，其有关调节骨及软骨形成的作用已被证实。且 BMPs 在非成骨过程中调节细胞凋亡与增殖的作用使其对器官生长及胚胎发育有重要影响。目前已发现 30 多种 BMPs [6]。作为其中重要的成员，骨形成蛋白- 4（bone morphogenetic protein 4，BMP4）参与高血压、血管功能障碍、动脉粥样硬化、瓣膜病变、心肌缺血损伤以及肺动脉高压等心血管疾病的发生发展过程[7-9]。本文将对 TGF-β、BMPs 以及 BMP4 在肺动脉高压发生发展中的作用的相关研究进展作简要综述。
1 转化生长因子 β 超家族与肺动脉高压
TGF-β 超家族成员已经成为了正常心血管系统发生发展的重要调节者，同时作为包括动脉粥样硬化、心肌梗死和肺动脉高压等疾病发生发展过程中的重要参与者越来越受到关注[10]。TGF-β 超家族成员在细胞因子、细胞膜表面受体、Smad 蛋白水平均存在多种亚型，并可通过不同的通路完成细胞内应答。TGF-β 配体主要作用于转化生长因子受体（transforming growth factor β receptors，TGFβR），形成 TGFβRⅠ、TGFβRⅡ 复合体，激活 Smad 2/3 通路；而 BMP 配体主要作用于骨形成蛋白受体（bone morphogenetic protein receptors，BMPRs），形成 BMPRⅠ 与 BMPRⅡ 复合体，激活 Smad1/5 /8 通路，这两条通路作用于共同的 Smad4 通路，进入细胞核，在细胞核内与特异的复合物结合，调节相关靶基因的转录[10]。同时，BMPs 亦可通过非 Smad 依赖型信号转导途径发挥作用[11]。相对于 TGF-β 受体，BMPs 受体更具有灵活性，并且受其配体调节的敏感性更高，进而更能促进不同 BMPs 受体介导的信号转导通路间多层次的相互联系[12]。
PAH 为肺动脉高压分型中的第一型[3]，在 PAH 的发生发展过程中，肺血管收缩、肺血管壁重构以及原位血栓形成为肺血管阻力和肺动脉压力升高的罪魁祸首[13]，其中肺血管重构起到了至关重要的作用，肺血管的结构性重构以病理性增生为特征，这种变化被认为是肺血管平滑肌细胞（pulmonary arterial smooth muscle cells，PASMCs）增殖与凋亡失衡造成的[14]，Newman 等[15]认为，在肺动脉高压发病过程中，TGFβ 主要起促增殖作用，BMPs 主要起抗增殖作用，正因为这种平衡关系在 BMPR2 基因突变个体中被打破，才导致肺动脉高压发病。
2 骨形成蛋白与肺动脉高压
15%～25% 的 HPAH 个体为常染色体显性遗传，并且大约 70% 的 HPAH 个体存在 BMPRⅡ 基因突变[16]。BMPRⅡ 在 BMPRⅡ 基因突变的肺动脉高压个体肺动脉血管壁中的表达明显下降，并且在无此基因突变个体肺动脉中表达也有下降[17]，这表明 BMPs 信号系统在肺动脉高压的发展中起着重要的作用。越来越多的研究致力于发现 BMPRⅡ 的缺失在肺血管收缩以及重构中的作用机制[18]。而此机制至今未尚未完全明了[19]。
有研究表明，BMPs 信号转导系统对于 PASMCs 的迁移、增殖以及细胞外基质的合成起到抑制作用[9]，从而抑制了肺小血管重构。对于肺血管内皮细胞（pulmonary arterial endothelial cells，PAECs）则起抑制凋亡、促进生长的作用[20]。这看似是矛盾的，实则不然，因 BMPs 信号转导系统异常导致的 PAECs 的过度损伤会导致血管内皮的病理性及向心性修复，从而使微血管闭塞，成为肺动脉高压发生的起始因素，这与 BMPs 对肺小血管重构抑制效应的减弱起到协同的作用，共同促进病情的发展[10]。BMPs 的这些生物学效应是综合性的，是包括 BMP4 及 BMP2 在内的一系列 BMPs 亚型的共同作用结果，其中每一种亚型都有其独特甚至相反的作用[21]。
3 骨形成蛋白 4（BMP4）与肺动脉高压
BMP4 被视为促进肺动脉重构过程中的重要细胞因子，参与调节细胞增殖、迁移以及细胞内钙离子（Ca2+）的稳定[10, 22-23]。有趣的是，动物实验发现：在缺氧环境中，存在 BMP4 信号转导通路功能异常的 BMPRⅡ 基因突变型小鼠更易患肺动脉高压[24]。这表明 BMPRⅡ 基因突变的生物学作用并不是由 BMP4 信号系统异常主导的。后续研究发现，BMP2 可以通过上调内皮细胞中内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表达扩张血管，抑制肺动脉高压的发生，而 BMP2 的这一作用的消失在 BMPRⅡ 基因突变的效应中占据主导地位[4]。也有学者认为，BMP4 抑制近端的肺动脉血管中 PASMCs 的增殖，但对于外周 PASMCs 增殖起促进作用[22, 25]，其中的机制可能不尽相同。可见 BMP4 的生物学效应是受到各种因素影响的，了解 BMP4 的作用机制是弄清这些千变万化的基础。
过去研究证实磷脂酰肌醇 3 激酶/蛋白激酶 B（PI3K/AKT）信号系统对于细胞的生存及凋亡有重要的影响[26]，其在各种生长因子的诱导下，可以抑制细胞的凋亡并促进细胞的生存[27]。近期研究发现，BMP4 与 PI3K/AKT 信号系统有着千丝万缕的联系。BMP4 在缺氧环境中激活并且表达水平增加，通过 PI3K/AKT 信号通路抑制肺血管平滑肌细胞（PASMCs）的凋亡[28]。此途径中 AKT 磷酸化作用显著激活，继而激活 Smad1/5/8 通路，调节细胞核内转录；并使半胱天冬酶-3 的表达下调，通过外在的细胞凋亡信号通路发挥作用；还可触发通过线粒体去极化的减弱和 Bcl-2 基因的表达上调发挥作用的线粒体依赖性信号通路[28]。其中，半胱天冬酶-3 在正常细胞中激活凋亡蛋白酶并促进多种关键细胞蛋白的特异性裂解而使其失去作用[29]；线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MOMP）为细胞凋亡的一个重要标志，其在细胞凋亡早期被破坏，而 Bcl-2 作为 Bcl-2 抗凋亡家族中的重要成员参与了 MOMP 的调节[30]。
研究[31-32]发现，BMP4 也可以不依赖于经典的 BMPR-Smad1/ 5/8 通路发挥作用。细胞 Ca2+ 浓度对于细胞的增殖以及凋亡起至关重要的作用，PASMCs 中 Ca2+的变化是导致肺血管重构及肺动脉高压发展过程中的重要因素，其浓度的增加会促进肺血管的重构。钙池操纵性钙离子内流（store-operated Ca2+ entry，SOCE）参与维持细胞内外 Ca2+平衡，瞬时受体电位通道（transient receptor potential channels，TRPCs）属于钙池操纵性钙离子通道（store-operated Ca2+ channels， SOCCs）[33-34]。在经过 BMP4 干预的小鼠 PASMCs 中发现，其 SOCE 增强及细胞内 Ca2+浓度增加，此种效应是通过上调 TRPC1，4，6 在细胞膜上的表达实现的[35]。BMP4 特异性拮抗剂 Noggin 通过抑制 BMP4 信号的传导来减缓上述过程并抑制 PASMCs 的增殖进程[36]。在 BMPRⅡ 基因敲除的小鼠中此种效应并没有减弱，说明此过程是独立于 BMPRⅡ 而存在，研究[19]发现丝裂原激活蛋白激酶 38（p38）及细胞外信号调节激酶（ERK1/2）的激活介导了此过程。
BMP4 在肺动脉高压发病的过程中的具体机制至今尚未得到完整的解答，待我们继续探索。
4 转化生长因子 β（TGF-β）超家族研究的应用
目前，肺动脉高压的治疗药物包括内皮素受体拮抗剂（波生坦、安贝生坦、马西替坦）、磷酸二酯酶-5 抑制剂（西地那非、他达拉非、伐地那非）以及环前列腺素类似物（依前列醇、曲前列环素）[37-38]。对于 TGF-β 超家族在肺动脉高压发病机制中的研究为我们的药物治疗提供了新的思路[39]，包括通过伊马替尼等酪氨酸激酶抑制剂及洛沙坦来抑制 TGF-β 信号转导通路，以 BMPs 信号转导系统为靶点的药物（如 Noggin）尚处于研究阶段[15, 40]。
5 结语
肺动脉高压是一种发病机制复杂且预后较差的心血管疾病，对其进行透彻研究并合理针对性治疗有较大的意义。BMP4 在心血管疾病发生发展中的作用近年来受到越来越多的关注，其与肺动脉高压之间的关系也不断被发现与认识。虽然现在仍属于探索阶段，相关机制尚不明确，但随着研究的深入，以 BMP4 作用机制为基础，其对肺动脉高压的诊断、治疗以及评价将发挥更加重要的作用。