慢性缺氧降低缺氧性肺血管收缩反应的机制
作者：洪志刚 王迪浔
单位：同济医科大学卫生部呼吸系疾病重点实验室,武汉 43003
关键词：慢性缺氧；缺氧性肺血管收缩反应
生理科学进展000117 摘要 慢性缺氧可降低缺氧性肺血管收缩反应，其研究正日益受到重视。本文从神经、体液因素，平滑肌细胞膜缺氧感受以及平滑肌收缩性三方面对可能的机制作一简要综述。
学科分类号 R364.4; R852.11
大量研究表明，长期缺氧往往使肺血管对缺氧的收缩反应(hypoxic pulmonary vasoconstriction,HPV)降低，这是机体对慢性缺氧刺激的一种很重要的适应机制，有助于减轻或防止肺动脉高压和高原性心脏病的发生,探讨慢性缺氧改变肺血管反应性的机制有着十分重要的意义。
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一、慢性缺氧对肺血管反应性的影响
绝大多数实验表明，人与动物无论是常压慢性缺氧、还是低压慢性缺氧均可降低HPV。平原人长期居住高原其肺血管对缺氧反应性降低；不同种系大鼠慢性缺氧后HPV也均有所降低且存在差异，其中Hilltop鼠较SD鼠更为明显。但也有实验表明慢性缺氧增强HPV，或者复氧数天后显著增强HPV。这主要与实验方法，包括动物年龄、缺氧程度、持续时间、恢复时间等不同有关。如有研究发现慢性缺氧可使成年鼠及老年鼠HPV下降，而幼鼠HPV增强。另外，慢性缺氧对HPV的影响还与急性缺氧程度有关，Karamsetty等发现大鼠慢性缺氧2周后，肺血管对严重急性缺氧反应降低，而对较轻的缺氧反应则无明显改变[1]。然而在实际实验中，由于精确控制急性缺氧程度较难，很难定量观察肺血管对急性缺氧敏感性及反应性变化，因此往往造成实验结果不一致。
慢性缺氧后肺血管对其它血管收缩剂和舒张剂的反应变化，文献报道多有矛盾，多数表明它是增强的,如肺血管对KCl、AgⅡ、PGF2α、NE、TXA2、ET-1、5-HT等收缩反应增强[2]，再如对钾通道开放剂、心房肽、ACh的舒张反应增强[2]。但也有不少实验得出相反结论，如有报道慢性缺氧可降低肺血管对KCl 、NE、PE的收缩反应及对ACh舒张反应，不影响对AgⅡ、NO的反应性等。分析这些实验结果时应注意以下问题：(1)慢性缺氧时间、程度的差异；(2)动物种属差异；(3)离体灌流肺实验与肺动脉环实验结果的差异；(4)离体肺动脉环实验时应注意不同节段动脉间以及动、静脉间存在很大差异，同时还应注意肺血管基础张力对实验结果的影响。有资料显示在较高前负荷时慢性缺氧动物肺血管对高钾敏感性高于常氧动物，而在较低前负荷时则无此改变；(5)应注意慢性缺氧可增加肺血管重量，因此比较血管反应性时最好能够标准化，用单位重量血管反应强度来比较血管反应性，使实验结果有更好的可比性。
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鉴于慢性缺氧实验结果还很不一致，笔者认为在多层次(整体、离体、细胞水平)，从形态、功能两个方面对某一确定慢性缺氧模型进行系统的动态观察尚有重要意义。
二、慢性缺氧降低缺氧性肺血管收缩反应的机制
急性缺氧引起肺血管收缩取决于三个环节：(1)缺氧对血管平滑肌的直接作用，引起细胞膜去极化，导致Ca2+跨膜内流增加，引起血管收缩；(2)缺氧间接地通过神经、体液因素作用于血管引起收缩反应；(3)血管平滑肌的收缩性。慢性缺氧降低HPV机制尚未完全弄清，目前认为可能是由于上述三个环节均发生改变所致。
(一) 慢性缺氧可钝化细胞膜对氧的感受从而降低HPV 肺血管平滑肌的收缩起始于细胞膜兴奋导致胞内游离钙离子浓度的升高。近年提出肺动脉平滑肌细胞可通过膜上钾离子通道蛋白感受缺氧刺激，引起膜电位降低，从而导致电压依赖性钙离子通道的开放，使胞质内钙离子浓度升高，细胞收缩。肺动脉平滑机细胞依据其缺氧后细胞形态、电生理反应、血管相对分布等特征可分为三型[3，4]：(1)缺氧敏感型：钾通道主要为延迟整流性钾通道(delayed rectifier potassium channel,KDR)，细胞形态较小，呈中间“隆凸”状，其钾电流对缺氧和4-氨基吡啶敏感；(2)缺氧不敏感型：钾通道主要为钙离子激活性钾通道(Ca2+-sensitive potassium channel,Kca)，细胞较大，呈“条索”状，其钾电流对缺氧和4-氨基吡啶不敏感；(3)混合型：其中敏感型细胞缺氧时才出现上述典型反应：钾电流抑制、膜去极化、胞质游离Ca2+升高和细胞收缩，而同一血管的不敏感型细胞无此典型反应。慢性缺氧可使肺动脉平滑肌细胞表型由收缩型转变为合成型，同时它是否影响平滑肌细胞缺氧敏感型与不敏感型比例，以及这些改变间是否存在内在联系有待进一步研究。已发现慢性缺氧的确可降低KDR基因的转录及表达，如有报道慢性缺氧可降低KV1.2、KV1.5等基因的表达，可减少钾通道的数目。KDR通道数目减少将必然引起钾通道电流的减少，导致细胞膜电位上升(由-54.5mv上升到-43.5mv)，从而使细胞去极化，胞质游离钙升高，这可能是引起缺氧性肺动脉高压的重要机制之一。另一方面，由于钾通道电流已经减少，此时如再急性缺氧它被进一步抑制的程度减小，从而使肺血管反应性下降。这也可理解为此时肺血管对缺氧感受钝化，反应性下降。
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(二)慢性缺氧通过改变神经、体液因素的作用降低HPV
1.肺血管内皮细胞的作用：HPV是内皮依赖性的，急性缺氧时内皮细胞能产生多种缩血管因子如ET、TXA2等，也可产生多种舒血管因子如NO、PGI2、EDHF等，内皮对HPV的影响是这些因子综合作用的结果。在HPV过程中肺血管内皮细胞综合效应是介导作用，因为绝大多数实验表明去内皮可使HPV减弱。慢性缺氧可使肺血管内皮细胞水肿变性，内皮细胞与其下基质分离，血管内皮依赖性舒张反应明显降低。肺血管内皮细胞结构和功能受损可使其介导作用降低从而降低HPV。有研究发现：肺血管内皮细胞功能与HPV呈显著平行关系，慢性缺氧使前者明显受损，后者也明显降低，如缺氧后复氧一天，两者可同时恢复正常[1]。
2.NO的调节作用增强：NO能直接松驰血管平滑肌产生明显舒血管效应，在HPV过程中起调节作用。慢性缺氧可使肺血管收缩、张力增加，刺激内皮细胞NOS酶基因表达，NO生成增多[5]，从而对HPV调节作用加强。
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3.前列腺素的调节作用增强：前列腺素是由花生四烯酸通过环加氧酶(COX)途径生成，包含缩血管物质如PGF2α、TXA2，和舒血管物质如PGE1和PGI2。用消炎痛等环加氧酶抑制剂可增强HPV，说明低氧时主要是扩血管性前列腺素分泌增加，即前列腺素在HPV中起调节作用。慢性缺氧对前列腺素的影响研究较多，一般认为慢性缺氧可刺激前列腺素生成，使其对HPV的调节作用增强。本室研究表明：慢性缺氧48小时可使猪肺动脉内皮细胞COX基因表达增加，PGI2生成增多。COX酶有两个同工酶：COX-1在机体为组成性表达，而COX-2的表达可为多种因素(包括缺氧)所诱导，为即刻早期基因。慢性缺氧不影响COX-1但可增加COX-2基因表达[6]，其机制可能是缺氧诱导了缺氧诱导因子-1的生成，后者再与COX-2基因调控序列结合启动转录所致(此结合的部位可能是红细胞3’端增强子或类似序列)。
4.其它因素的作用：慢性缺氧可使神经、体液因素对HPV所起的介导作用降低，如交感神经的作用，急性缺氧时交感神经兴奋可通过肺血管的肾上腺素α受体引起血管收缩，慢性缺氧可使α受体功能下调，从而使其介导作用减弱，降低HPV。再如慢性缺氧可使H1受体功能下调，H2受体功能上调，使组胺由缩血管作用转变为扩血管作用进而降低HPV。
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(三)慢性缺氧可降低肺血管平滑肌收缩性从而降低HPV 慢性缺氧可使肺血管发生器质性变化，势必影响其收缩性。测量血管平滑肌的收缩性一般选用高钾这类非受体依赖的收缩剂。Rogers报道慢性缺氧可降低肺血管对KCl敏感性，EC50增高，但不影响其最大收缩反应；McMurtoy发现：无论是离体灌流肺、还是肺动脉环实验，慢性缺氧均可降低其对KCl的收缩反应。Packer发现慢性缺氧动物肺血管对KCl最大收缩反应绝对值虽无明显影响，但如果用单位重量收缩反应强度比较，则明显降低[7]。慢性缺氧使肺动脉平滑肌细胞增生和肥大，为何其收缩性反而下降？其原因可能有：(1)尽管慢性缺氧可使肺血管壁增厚，重量增加，其中有成纤维细胞增生和细胞间质增多，而中膜平滑肌厚度百分比并无明显改变；(2)肺动脉细胞主要以增生为主，肥大并不明显，增生的平滑肌细胞往往伴有表型改变，由收缩型转变为合成型；(3)对慢性缺氧动物平滑肌细胞肌球蛋白异构体分析发现，非肌性肌球蛋白(MHC190及MHC196)与肌性肌球蛋白(MHC204及MHC200)比例明显增大[7]；(4)慢性缺氧可能影响平滑肌细胞供能以及兴奋-收缩偶联[8]。
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综上所述，慢性缺氧可降低缺氧性肺血管收缩反应，其机制尚不完全清楚，可能与慢性缺氧钝化细胞膜对氧的感受，降低平滑肌的收缩性，以及HPV过程中神经体液因素的介导作用减弱，调节作用加强等有关。
国家自然科学基金重点项目资助(NO.39730190)课题
参考文献
1，Karamsetty VS,Madean MR,Mcculloch KM,et al.Hypoxic constrictor response in the isolated pulmonary artery from chronic hypoxic rats.Respir Physiol,1996,105∶85～93.
2，Margaret RM， Mcculloch KM.Influence of applied tension and nitric oxide on responses to endothelins in rat pulmonary resistance arteries :effects of chronic hypoxia.British J Pharmacol,1998,123∶991～999.
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3，Weir EK,Reeve HL,Cornfield DN,et al.Diversity of response in vascular smooth muscle cells to changes in oxygen tension.Kidney Int,1997,51∶462～466.
4，Archer SL,Huang JM,Reeve HL,et al.Differential distribution of electrophysiologically distinct myocytes in conduit and resistance arteries determines their response to nitric oxide and hypoxia.Circ Res,1996,78∶431～422.
5，Igari H,Tatsumi K,Sugito K,et al.Roles of EDRF in pulmonary circulation during sustained hypoxia.J Cardiovasc Pharmacol,1998,31∶299～305.
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6，Chida M,Voelkel NF.Effects of acute and chronic hypoxia on rat lung cyclooxygenase.Am J Physiol,1996,270∶L872～878.
7，Packer CS,Roepke JE,Oberlies NH,et al.Myosin isoform shifts and decreased reactivity in hypoxia-induced hypertensive pulmonary arterial muscle.Am J Physiol,1998,274∶L775～785.
8，Zhang L.Adaptation of pharmacomechanical coupling of vascular smooth muscle to chronic hypoxia.Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol,1998,119∶661～667., 百拇医药
单位：同济医科大学卫生部呼吸系疾病重点实验室,武汉 43003
关键词：慢性缺氧；缺氧性肺血管收缩反应
生理科学进展000117 摘要 慢性缺氧可降低缺氧性肺血管收缩反应，其研究正日益受到重视。本文从神经、体液因素，平滑肌细胞膜缺氧感受以及平滑肌收缩性三方面对可能的机制作一简要综述。
学科分类号 R364.4; R852.11
大量研究表明，长期缺氧往往使肺血管对缺氧的收缩反应(hypoxic pulmonary vasoconstriction,HPV)降低，这是机体对慢性缺氧刺激的一种很重要的适应机制，有助于减轻或防止肺动脉高压和高原性心脏病的发生,探讨慢性缺氧改变肺血管反应性的机制有着十分重要的意义。
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一、慢性缺氧对肺血管反应性的影响
绝大多数实验表明，人与动物无论是常压慢性缺氧、还是低压慢性缺氧均可降低HPV。平原人长期居住高原其肺血管对缺氧反应性降低；不同种系大鼠慢性缺氧后HPV也均有所降低且存在差异，其中Hilltop鼠较SD鼠更为明显。但也有实验表明慢性缺氧增强HPV，或者复氧数天后显著增强HPV。这主要与实验方法，包括动物年龄、缺氧程度、持续时间、恢复时间等不同有关。如有研究发现慢性缺氧可使成年鼠及老年鼠HPV下降，而幼鼠HPV增强。另外，慢性缺氧对HPV的影响还与急性缺氧程度有关，Karamsetty等发现大鼠慢性缺氧2周后，肺血管对严重急性缺氧反应降低，而对较轻的缺氧反应则无明显改变[1]。然而在实际实验中，由于精确控制急性缺氧程度较难，很难定量观察肺血管对急性缺氧敏感性及反应性变化，因此往往造成实验结果不一致。
慢性缺氧后肺血管对其它血管收缩剂和舒张剂的反应变化，文献报道多有矛盾，多数表明它是增强的,如肺血管对KCl、AgⅡ、PGF2α、NE、TXA2、ET-1、5-HT等收缩反应增强[2]，再如对钾通道开放剂、心房肽、ACh的舒张反应增强[2]。但也有不少实验得出相反结论，如有报道慢性缺氧可降低肺血管对KCl 、NE、PE的收缩反应及对ACh舒张反应，不影响对AgⅡ、NO的反应性等。分析这些实验结果时应注意以下问题：(1)慢性缺氧时间、程度的差异；(2)动物种属差异；(3)离体灌流肺实验与肺动脉环实验结果的差异；(4)离体肺动脉环实验时应注意不同节段动脉间以及动、静脉间存在很大差异，同时还应注意肺血管基础张力对实验结果的影响。有资料显示在较高前负荷时慢性缺氧动物肺血管对高钾敏感性高于常氧动物，而在较低前负荷时则无此改变；(5)应注意慢性缺氧可增加肺血管重量，因此比较血管反应性时最好能够标准化，用单位重量血管反应强度来比较血管反应性，使实验结果有更好的可比性。
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鉴于慢性缺氧实验结果还很不一致，笔者认为在多层次(整体、离体、细胞水平)，从形态、功能两个方面对某一确定慢性缺氧模型进行系统的动态观察尚有重要意义。
二、慢性缺氧降低缺氧性肺血管收缩反应的机制
急性缺氧引起肺血管收缩取决于三个环节：(1)缺氧对血管平滑肌的直接作用，引起细胞膜去极化，导致Ca2+跨膜内流增加，引起血管收缩；(2)缺氧间接地通过神经、体液因素作用于血管引起收缩反应；(3)血管平滑肌的收缩性。慢性缺氧降低HPV机制尚未完全弄清，目前认为可能是由于上述三个环节均发生改变所致。
(一) 慢性缺氧可钝化细胞膜对氧的感受从而降低HPV 肺血管平滑肌的收缩起始于细胞膜兴奋导致胞内游离钙离子浓度的升高。近年提出肺动脉平滑肌细胞可通过膜上钾离子通道蛋白感受缺氧刺激，引起膜电位降低，从而导致电压依赖性钙离子通道的开放，使胞质内钙离子浓度升高，细胞收缩。肺动脉平滑机细胞依据其缺氧后细胞形态、电生理反应、血管相对分布等特征可分为三型[3，4]：(1)缺氧敏感型：钾通道主要为延迟整流性钾通道(delayed rectifier potassium channel,KDR)，细胞形态较小，呈中间“隆凸”状，其钾电流对缺氧和4-氨基吡啶敏感；(2)缺氧不敏感型：钾通道主要为钙离子激活性钾通道(Ca2+-sensitive potassium channel,Kca)，细胞较大，呈“条索”状，其钾电流对缺氧和4-氨基吡啶不敏感；(3)混合型：其中敏感型细胞缺氧时才出现上述典型反应：钾电流抑制、膜去极化、胞质游离Ca2+升高和细胞收缩，而同一血管的不敏感型细胞无此典型反应。慢性缺氧可使肺动脉平滑肌细胞表型由收缩型转变为合成型，同时它是否影响平滑肌细胞缺氧敏感型与不敏感型比例，以及这些改变间是否存在内在联系有待进一步研究。已发现慢性缺氧的确可降低KDR基因的转录及表达，如有报道慢性缺氧可降低KV1.2、KV1.5等基因的表达，可减少钾通道的数目。KDR通道数目减少将必然引起钾通道电流的减少，导致细胞膜电位上升(由-54.5mv上升到-43.5mv)，从而使细胞去极化，胞质游离钙升高，这可能是引起缺氧性肺动脉高压的重要机制之一。另一方面，由于钾通道电流已经减少，此时如再急性缺氧它被进一步抑制的程度减小，从而使肺血管反应性下降。这也可理解为此时肺血管对缺氧感受钝化，反应性下降。
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(二)慢性缺氧通过改变神经、体液因素的作用降低HPV
1.肺血管内皮细胞的作用：HPV是内皮依赖性的，急性缺氧时内皮细胞能产生多种缩血管因子如ET、TXA2等，也可产生多种舒血管因子如NO、PGI2、EDHF等，内皮对HPV的影响是这些因子综合作用的结果。在HPV过程中肺血管内皮细胞综合效应是介导作用，因为绝大多数实验表明去内皮可使HPV减弱。慢性缺氧可使肺血管内皮细胞水肿变性，内皮细胞与其下基质分离，血管内皮依赖性舒张反应明显降低。肺血管内皮细胞结构和功能受损可使其介导作用降低从而降低HPV。有研究发现：肺血管内皮细胞功能与HPV呈显著平行关系，慢性缺氧使前者明显受损，后者也明显降低，如缺氧后复氧一天，两者可同时恢复正常[1]。
2.NO的调节作用增强：NO能直接松驰血管平滑肌产生明显舒血管效应，在HPV过程中起调节作用。慢性缺氧可使肺血管收缩、张力增加，刺激内皮细胞NOS酶基因表达，NO生成增多[5]，从而对HPV调节作用加强。
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3.前列腺素的调节作用增强：前列腺素是由花生四烯酸通过环加氧酶(COX)途径生成，包含缩血管物质如PGF2α、TXA2，和舒血管物质如PGE1和PGI2。用消炎痛等环加氧酶抑制剂可增强HPV，说明低氧时主要是扩血管性前列腺素分泌增加，即前列腺素在HPV中起调节作用。慢性缺氧对前列腺素的影响研究较多，一般认为慢性缺氧可刺激前列腺素生成，使其对HPV的调节作用增强。本室研究表明：慢性缺氧48小时可使猪肺动脉内皮细胞COX基因表达增加，PGI2生成增多。COX酶有两个同工酶：COX-1在机体为组成性表达，而COX-2的表达可为多种因素(包括缺氧)所诱导，为即刻早期基因。慢性缺氧不影响COX-1但可增加COX-2基因表达[6]，其机制可能是缺氧诱导了缺氧诱导因子-1的生成，后者再与COX-2基因调控序列结合启动转录所致(此结合的部位可能是红细胞3’端增强子或类似序列)。
4.其它因素的作用：慢性缺氧可使神经、体液因素对HPV所起的介导作用降低，如交感神经的作用，急性缺氧时交感神经兴奋可通过肺血管的肾上腺素α受体引起血管收缩，慢性缺氧可使α受体功能下调，从而使其介导作用减弱，降低HPV。再如慢性缺氧可使H1受体功能下调，H2受体功能上调，使组胺由缩血管作用转变为扩血管作用进而降低HPV。
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(三)慢性缺氧可降低肺血管平滑肌收缩性从而降低HPV 慢性缺氧可使肺血管发生器质性变化，势必影响其收缩性。测量血管平滑肌的收缩性一般选用高钾这类非受体依赖的收缩剂。Rogers报道慢性缺氧可降低肺血管对KCl敏感性，EC50增高，但不影响其最大收缩反应；McMurtoy发现：无论是离体灌流肺、还是肺动脉环实验，慢性缺氧均可降低其对KCl的收缩反应。Packer发现慢性缺氧动物肺血管对KCl最大收缩反应绝对值虽无明显影响，但如果用单位重量收缩反应强度比较，则明显降低[7]。慢性缺氧使肺动脉平滑肌细胞增生和肥大，为何其收缩性反而下降？其原因可能有：(1)尽管慢性缺氧可使肺血管壁增厚，重量增加，其中有成纤维细胞增生和细胞间质增多，而中膜平滑肌厚度百分比并无明显改变；(2)肺动脉细胞主要以增生为主，肥大并不明显，增生的平滑肌细胞往往伴有表型改变，由收缩型转变为合成型；(3)对慢性缺氧动物平滑肌细胞肌球蛋白异构体分析发现，非肌性肌球蛋白(MHC190及MHC196)与肌性肌球蛋白(MHC204及MHC200)比例明显增大[7]；(4)慢性缺氧可能影响平滑肌细胞供能以及兴奋-收缩偶联[8]。
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综上所述，慢性缺氧可降低缺氧性肺血管收缩反应，其机制尚不完全清楚，可能与慢性缺氧钝化细胞膜对氧的感受，降低平滑肌的收缩性，以及HPV过程中神经体液因素的介导作用减弱，调节作用加强等有关。
国家自然科学基金重点项目资助(NO.39730190)课题
参考文献
1，Karamsetty VS,Madean MR,Mcculloch KM,et al.Hypoxic constrictor response in the isolated pulmonary artery from chronic hypoxic rats.Respir Physiol,1996,105∶85～93.
2，Margaret RM， Mcculloch KM.Influence of applied tension and nitric oxide on responses to endothelins in rat pulmonary resistance arteries :effects of chronic hypoxia.British J Pharmacol,1998,123∶991～999.
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3，Weir EK,Reeve HL,Cornfield DN,et al.Diversity of response in vascular smooth muscle cells to changes in oxygen tension.Kidney Int,1997,51∶462～466.
4，Archer SL,Huang JM,Reeve HL,et al.Differential distribution of electrophysiologically distinct myocytes in conduit and resistance arteries determines their response to nitric oxide and hypoxia.Circ Res,1996,78∶431～422.
5，Igari H,Tatsumi K,Sugito K,et al.Roles of EDRF in pulmonary circulation during sustained hypoxia.J Cardiovasc Pharmacol,1998,31∶299～305.
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6，Chida M,Voelkel NF.Effects of acute and chronic hypoxia on rat lung cyclooxygenase.Am J Physiol,1996,270∶L872～878.
7，Packer CS,Roepke JE,Oberlies NH,et al.Myosin isoform shifts and decreased reactivity in hypoxia-induced hypertensive pulmonary arterial muscle.Am J Physiol,1998,274∶L775～785.
8，Zhang L.Adaptation of pharmacomechanical coupling of vascular smooth muscle to chronic hypoxia.Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol,1998,119∶661～667., 百拇医药