研究GDF15和肺动脉高压患者的骨骼肌

Yen-ChunLai,SteeveProvencher,ElenaAGoncharova

本期负责人：医院呼吸与危重症医学科

翻译：王子奇　医院呼吸与危重症医学科

审校：医院呼吸中心

摘要

肺动脉高压（Pulmonaryarterialhypertension,PAH）是一种进行性的危及生命的疾病，以明显的肺部血管结构重建所导致的肺动脉压力升高、右心室衰竭和患者死亡为特征。虽然近期的一些治疗新进展可以有效的减轻疾病症状、提高功能容量、延长患者生命，但是PAH患者仍旧被持续的呼吸困难和显著的运动耐力下降所折磨，显著影响生活质量。近年来，人们逐渐认识到PAH患者运动能力的下降不仅仅是右心功能障碍和呼吸能力受损所致，也与骨骼肌异常有关[1-3]。骨骼肌功能包括肌肉自主及非自主力量和肌肉耐力受损[2,4,5]，收缩能力减弱[6]，微循环水平的毛细血管密度降低，氧合功能受损[4，7]，以及骨骼肌细胞向2型肌纤维的转化[1,3,5]在PAH患者中都常有报道。相比之下骨骼肌细胞萎缩的相关报道并不常见，其具体机制也并不明确。

迄今为止已经发现了众多与PAH患者肌肉功能障碍相关的代谢和信号通路异常。包括氧化糖酵解代谢、肥大增生反应通路（例如，Akt和S6K）的抑制、肌肉稳态负调节系统的上调（例如肌生成抑制蛋白以及激活素A）以及泛素-蛋白酶介导的肌肉蛋白水解作用通路的参与（例如萎缩素-1和MuRF1）[3,8,9]。既往研究曾发现过mRNA-下调所导致的骨骼肌微循环减少，去乙酰化酶-3/AMP激活的蛋白酶失活，以及细胞因子（例如肿瘤坏死因子-a以及白介素-6）调节的骨骼肌胰岛素抵抗和线粒体生物发生学异常[4,8,10]。然而，PAH患者骨骼肌细胞萎缩的分子机制仍旧未明，PAH相关的人体数据也十分有限，因为既往的相关研究很少，包含的患者数量也十分有限。

在本期的《Thorax》杂志中，Garfield和同事们发现了生长分化因子[15]（GDF-15）/转化生长因子B（TGF-B）激活酶（Transforminggrowthfactor-B（TGF-B）activatedkinase1，TAK-1）通路的新功能—参与调控PAH患者的骨骼肌萎缩（图1）[11]。与既往研究一致[12,13]，作者发现GDF-15，TGF-B/骨形态发生蛋白超家族中的一个成员，在野百合碱造模的肺动脉高压（PulmonaryHypertension，PH）小鼠和SU/缺氧造模的PH大鼠的肺脏血管内皮细胞都有过表达。作者进一步证实这种表达的升高与循环GDF-15水平的升高相关，而最重要的是循环GDF-15水平的升高与两种模型中胫骨前肌（TibialisAnterior，TA）肌肉纤维的直径减少亦有相关性，但是与四头肌体积和人PAH相关功能相关性较低。此外，在体外骨骼肌细胞系中也发现了GDF-15与肌肉萎缩的关联。总体来说，这些数据提示肺循环可以通过GDF-15介导的内分泌机制直接影响PAH患者肌肉重量。虽然这个结果颇在意料之外，但其实又在情理之中，因为人们已经逐渐认识到PAH是一种涉及代谢、炎症、基因以及表观遗传异常的系统性疾病，而远非局限于肺循环。

然而，GDF-15促进骨骼肌质量减少的机制仍旧有待进一步研究。GDF-15通过与胶质细胞源性神经营养因子a样受体（Glialcell-derivedneurotrophicfactorreceptora-like，GFRAL）[14-16]相互作用来抑制食欲，从而促进体重减低以及肌肉质量减少，并通过促进C2C12成肌细胞的泛素连接酶萎缩素-1以及MuRF1的表达加速肌肉蛋白分解[17]。在炎症相关的上皮应激以及肿瘤的早期发展中，GDF-15同样可以通过TAK-1和活化B细胞的核因子κ轻链增强子（nuclearfactorkappalight-chain-enhancerofactivatedBcells，NF-B）以及他们所组成的短回路反馈系统传递信号[18]。这项新的研究中发现TAK-1–NF-κB通过上调萎缩素-1介导了GDF-15的直接肌肉萎缩效应，这种效应与抑制食欲无关，因为在骨骼肌细胞中并没有检测到GFRAL的表达[14]。作者还发现使用TAK-1抑制剂5(Z)?7-oxozeanol靶向TAK-1–NF-κB可以减少C2C12骨骼肌细胞和MCT造模的PH小鼠中GDF-15介导的肌肉萎缩，但是并没有显著影响循环GDF-15水平和肺动脉压力。总的来说，这些研究结果提示GDF-15及其下游的TAK-1–NF-κB信号通路可能是未来提高PAH患者的肌肉重量、活动耐力以及生活质量的治疗靶点。

Garfield和同事们研究远远超前于这个领域。然而，仍旧还有一些重要的问题需要解答。首先，GDF-15在PAH患者的肺血管内皮细胞和丛状病灶的调节作用和功能仍旧需要研究。值得注意的是，GDF-15可以通过激活Akt来诱导癌症细胞的生长，并且预防内皮细胞的凋亡[19,20]，而Akt是调控PAH细胞增生和存活的重要调控因素[19]，这提示在肺血管重建和PAH中GDF-15和Akt二者间的相互联系。此外，循环GDF-15对于心脏肌肉组织特别是右心室的影响应该得到进一步的研究。

另一个尚未确定的问题是骨骼肌流失到底是肺血管和/或其他器官分泌的GDF-15的次级效应或是骨骼肌细胞中的GDF-15的局部效应。对于这些现象进行更好的理解可以帮助临床决策者最优化临床决策，提升不同治疗策略的预后。由于未能纳入年龄和性别配对的对照组患者，因此同样不能确定入组到本研究的PAH患者的骨骼肌萎缩是否显著。这个问题十分关键，因为多项研究都未发现PAH患者的肌肉[1]或肌纤维细胞[1,4,6,7]的萎缩。虽然这种现象可能与选择偏倚有关（绝大多数的实验入组的患者都以WHOII级的患者为主，包括本文所述研究），因为对于没有出现肌肉萎缩的研究人群，本研究中的所涉及的通路可能与其相关性较低。另外，文中并未交代清楚本研究中入组的PAH患者是否有服用可能影响循环GDF-15水平的药物史，一些药物可能以依赖或不依赖于改善肺血管内皮的方式来影响循环GDF-15的表达水平。因此本研究的结果在得到进一步证实前不能一概而论。

本研究的另一个局限性是很难将针对某一部位的肌肉得到的研究结果推广至其他部位的肌肉。例如，胫骨前肌与比目鱼肌或四头肌具有明显不同的表型特征。这项研究中GDF-15介导的异常并未在小鼠的比目鱼肌中发现也例证了这种观点。即使在给定的一种肌肉中，不同纤维类型的分布方式以及成肌细胞的特征都依据肌肉中不同的位置而有所差异[22]。将大鼠成肌细胞（C2C12细胞系）和啮齿动物PAH模型中的研究结果进行推广具有局限性，特别是在缺乏人体标本证实的情况下。还需要注意的是，如文中所述，循环GDF-15水平和肌肉异常的关联并不是十分紧密，除非是将PH组和对照组小鼠的结果进行汇总分析，并且在骨骼肌细胞中GDF-15表达/mRNA水平都没有改变。这提示这其中的因果效应可能较弱，或者有非直接的机制参与。相似的是，由于GDF-15是PH严重程度的生物标记物（其作为生物标记物的效力很弱，并且结果不稳定，在既往的“观察性研究”中，许多MCT小鼠都肺动脉压并没有升高，这可能是MCT剂量较低所致），使得这种关联更加令人疑惑。其他的实验性PAH模型例如SU/缺氧小鼠（比MCT小鼠和SU/缺氧大鼠模型的丛状病灶更为明显），以及内皮细胞GDF-15特异性敲除动物可能在未来的进一步相关研究中发挥重要作用。

最后，与第一组PAH患者类似，在慢性心肺系统疾病如射血分数减低的心力衰竭和慢性阻塞性肺疾病患者中也曾经发现过骨骼肌和呼吸系统肌肉质量和力量的减少、骨骼肌细胞向1型肌肉纤维的转化、骨骼肌需氧酶活性和线粒体容积密度下降等现象。在骨骼肌和呼吸系统肌肉肌病中发现这些共同的现象可能预示着在这些现象背后有着相同的机制。虽然GDF-15与COPD患者的肌肉流失、重症监护相关的肌无力症状以及癌症相关[17,23,24]，但是其更被人们所熟知的角色是与急性肺栓塞、糖尿病以及肾脏衰竭患者严重程度相关，并且可以预测预后的生物标记物。因此，GDF-15在PAH介导的肌肉流失中的确切的、独立的作用到底如何，以及这些异常相对于PAH特异到哪种程度都是未知数。

Garfield和同事们的研究让我们重新认识了GDF-15和骨骼肌萎缩之间的关系，并且为未来进一步的研究做好了铺垫，这点是值得称赞的。下一步的研究应该致力于探索阻断GDF-15是否可以改善骨骼肌功能，提高PAH患者的运动耐力和生活质量。除了对GDF-15所介导的肺-骨骼肌交互作用所致PAH患者肌肉流失的机制提供了新视角，Garfield和他的同事们还发现了TAK-1—NF-κB可能作为未来减少PAH患者肌肉流失，提高运动耐力的潜在治疗靶点。有一种观点认为，GDF-15除了在骨骼肌萎缩中发挥作用，还可作为增殖/抗凋亡因子作用于肺血管内皮细胞，这为开发靶向PAH患者循环GDF-15的治疗方法（如特异性抗体）提供了可能。然而，将GDF-15用做预测PAH患者骨骼肌萎缩的生物标记物，以及将靶向GDF-15和TAK-1的治疗策略应用于临床PAH患者之中还有很长的路要走。