【Circulation】动脉粥样硬化是一种肿瘤？
文摘
2024-05-10 09:24
美国
最近许多证据表明，在动脉粥样硬化的发生和发展中，平滑肌细胞向其他细胞类型的转变起着中心作用。然而，平滑肌细胞来源的细胞的特征以及在疾病发病机制中的平滑肌细胞转变仍然知之甚少。近期，来自哥伦比亚大学欧文医疗中心医学系心脏病学部的Muredach P Reilly团队在Circulation上发表了Atherosclerosis Is a Smooth Muscle Cell-Driven Tumor-Like Disease一文，该文章发现小鼠和人类动脉粥样硬化中平滑肌细胞来源的细胞表现出多种癌细胞特征，包括基因组不稳定、逃避衰老、过度增殖、抗凋亡、侵袭性和激活与癌症相关的基因调控网络。此外文章进一步发现，在平滑肌细胞中特异性表达致癌突变型KrasG12D会加速表型转换并加重动脉粥样硬化。最后该研究团队利用一种针对DNA损伤修复的抗癌药物尼拉帕利进行验证，发现该药可以减缓大鼠模型中的动脉粥样硬化进展，并促进病变逆转。![]()
Fig1: 在动脉粥样硬化中平滑肌细胞系存在广泛的基因组不稳定先前的研究报告称动脉粥样硬化斑块中的平滑肌细胞(SMCs)特别容易发生DNA损伤，尤其是氧化性DNA损伤，但DNA损伤与疾病中SMC表型转换之间的联系仍不为人所知。为了解决这个问题，作者使用了在低密度脂蛋白受体敲除 (Ldlr−/−) 背景上构建的SMC谱系追踪小鼠（ROSA26LSL−ZsGreen1/+；Ldlr−/−；Myh11-CreERT2），在此小鼠模型中，SMCs及其子代细胞（即内皮祖细胞）永久地被绿荧光蛋白标记。作者首先检测了氧化DNA损伤在动脉粥样硬化斑块病变进展中的表现，通过对他莫昔芬诱导的动脉粥样硬化斑块进行免疫组化分析（图1A至1C），发现氧化DNA损伤随疾病的进展而积累，特别是在WD饮食的第12周和第16周进入病变区的SMCs和内膜中。随后作者为了检测因持续的氧化性DNA损伤导致的单链/双链DNA断裂，进行了彗星实验。结果发现，来自严重动脉粥样硬化的小鼠的血管平滑肌细胞谱系细胞（SLCs）中有大量的单/双链DNA断裂，并且其在双链DNA断裂标志物磷酸化p53（Ser15）和磷酸化H2A.X（Ser139）方面明显富集，这表明SMC谱系细胞中的DNA损伤与动脉粥样硬化有关，而不仅仅是衰老事件。上述数据表明在动脉粥样硬化病变的早期阶段，DNA损伤、尤其是氧化性DNA损伤会在SMC表型转换过程中出现，并随着疾病的进展而积累。进一步根据文献报道未修复的DNA损伤的积累会导致基因组不稳定，因此作者检测了动脉粥样硬化期间损伤内皮祖细胞中的基因组完整性，发现随着平滑肌细胞逐渐向其他类型转化过程，基因组会积累其不稳定性。 更进一步发现，与平滑肌细胞相比，在弹性蛋白样成纤维细胞中具有微核的小型核状结构的比例要高得多，强调了小鼠动脉粥样硬化病变中平滑肌谱系细胞发生的广泛基因组不稳定现象。下一步作者使用各种细胞类型作为参考（例如，来自无冠状动脉疾病和病变的年轻和老年人SMC的公共数据以及同一受试者的T细胞）对人类颈总动脉粥样硬化斑块进行单细胞转录组测序数据库进行分析，发现在人类动脉粥样硬化中，SMC谱系细胞中的基因组不稳定与冠状动脉疾病和癌症相关。![]()
Fig2: 动脉粥样硬化中来自 SMC的细胞具有多种肿瘤细胞特征基因组不稳定可能会导致一系列细胞反应，包括衰老、凋亡和恶性转化。因此作者研究了在动脉粥样硬化过程中积累基因组不稳定的平滑肌细胞是否会发生衰老或获得肿瘤细胞的特征，如持续增殖、耐受细胞死亡、侵袭性和癌症干细胞的表型。结果发现与年轻小鼠的主动脉相比，老年非粥样硬化性大血管中可观察到衰老相关β半乳糖苷酶 (SA-β-Gal) 的活性升高。此外，还发现衰老的SMCs会随着传代而积累，以及SDCs能够逃脱这种复制性衰老，并且可能为增殖做好了准备。作者进一步发现，与健康和病变动脉中的平滑肌细胞（SMCs，ACTA2+ZsGreen1+）相比，动脉粥样硬化斑块中的血小板衍生生长因子受体激酶（SDCs，ACTA2-ZsGreen1+）在体内EdU整合试验中显示出显著更高的增殖率（图2C）。体外实验也验证了SDCs抗凋亡并大大增强了存活能力。此外，SDCs还获得了侵袭性，具体表现为它们能够通过基质外基质进行侵入（图2F）。在无血清悬浮培养系统中，约0.15%（15/10000）的SDCs形成三维球形，这具有癌症干细胞的典型特征（图2G）。这些数据表明，在动脉粥样硬化过程中，SMCs转化为类似癌细胞的SDC表型。![]()
Fig3: 癌症相关信号通路在动脉粥样硬化中SDCs与SMCs的分析进一步作者检测了在动脉粥样硬化中SMC向SDC转变时是否激活了肿瘤细胞样的分子调控网络，发现主要癌症相关信号通路的活性，包括表皮生长因子受体、低氧、JAK-STAT、促有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）、核因子κB、p53、PI3K、肿瘤坏死因子 α、Trail、血管内皮生长因子和WNT在SDCs中被预测为激活。此外，SEM细胞和纤维软骨细胞（图3A）与SMC相比，只有1个激活的致癌通路的单个细胞的比例下降。而从SMC到SEM和纤维软骨细胞有≥3个活化通路增加。根据此前文献报道，增强的p53通路表明，在动脉粥样硬化进展期间，SDC中诱导了DNA损伤反应，这与作者此前的结论相一致，即出现高水平的SDC DNA损伤(图1A)和基因组不稳定(图1E至1G)。在SDCs中激活多个癌症相关信号转导途径可能解释了显著增强的细胞增殖。而另一方面，核因子 κB 和 TWEAK 在 SDC 中的激活可能促进细胞存活（图 2E）并导致 SDC 对诱导性细胞死亡具有抵抗力。磷酸酶酰胺酶活化可能会增加 SDC 的侵袭性。其他与癌症相关的信号通路的活化（例如WNT）可能会驱动 SDC 的类似干细胞的再生（图 2G）。作者通过染色也观察到人类动脉粥样硬化斑块中具有多个癌症信号通路的活化，包括PI3K、表皮生长因子受体、MAPK 和血管内皮生长因子信号传导。同时发现阻断PI3K 和MAPK 信号通路可显著抑制SMC 和SDC 的增殖。上述数据表明，在动脉粥样硬化中，平滑肌细胞向间充质基质细胞的表型转化与癌症相关基因调控网络的激活有关（图3 J），更广泛地说，动脉粥样硬化特异性病变细胞群具有与肿瘤细胞类似的致病性活化。![]()
Fig4: 动脉粥样硬化过程中SMC特异性KrasG12D的表达加速了SMC表型转换为了进一步探究肿瘤样发病机制是否能诱导平滑肌细胞表型转换并促进动脉粥样硬化进展，作者在追踪平滑肌谱系来源的小鼠中引入了最常发生突变并与多种癌症进展相关的基因之一的致癌基因KrasG12D。据文献报道，致癌的KRASG12D通过氧化应激导致DNA损伤和染色体不稳定来驱动肿瘤发生。首先，作者观察到在人类颈总动脉粥样硬化斑块中观察到KRAS位点拷贝数变异增加，而据此前文献，持续激活的KRAS（例如KRASG12D）至少会引发三种与癌症相关的信号通路，包括核因子κB、PI3K和MAPK，这些通路在SMCs中也被激活（图3B至3G）。进一步检测，作者发现SMCs中特异性表达KrasG12D对小鼠体重、血清胆固醇水平或主动脉斑块面积没有显著影响，但小鼠动脉粥样硬化斑块面积较对照组小鼠增加，表明在SMC谱系中特异性表达的致癌KRASG12D可以加速动脉粥样硬化。在时间研究中（图4A），SMC特异性KrasG12D表达显著增加了氧化DNA损伤的SMC谱系细胞数量（8-OHdG+ZsGreen1+；图4A和4B）以及疾病进展期间新生内膜中的总SMC谱系细胞（ZsGreen1+）（图4C）。与对照组相比，SMC-KrasG12D/+小鼠在WD的每个时间点上均显示较大的动脉粥样硬化斑块面积（图4D）。正如肿瘤发生一样，在动脉粥样硬化过程中，SMC表型转换具有分阶段的动力学。根据先前报告的形态和空间变化随着疾病的进展，作者根据SMC表型转化的不同阶段将其分为四个阶段：第1阶段，原始收缩状态的SMC（例如，0周WD的小鼠血管平滑肌细胞）；第2阶段，早期基质内的重塑SMC / SDC（例如，对照组小鼠8和10周WD时）；第3阶段，纤维帽SMC / SDC（例如，对照组小鼠12周WD时）；第四阶段，新生内膜SDC（例如，对照组小鼠16周WD时；图1A）。在WD的每个时间点上，与对照组小鼠相比，SMC-KrasG12D/+小鼠具有更高比例的SMC具有更高级别的SMC表型转换（图4E）。从机制上讲，SMC KRAS G12D 可能促进胆固醇引起的SMC转分化。KrasG12D/+ SMC在基线水平和胆固醇治疗下泡沫细胞和巨噬细胞标记基因（如Cd68和Lgals3）的表达较高（图4F）。总之，这些结果证明了SMC谱系中的致癌突变通过增加SMC表型转换可以加速动脉粥样硬化的进展。然而，作者进一步观察SMC KRASG12D在没有WD的情况下似乎不足以在小鼠中诱导动脉粥样硬化。在年轻的小鼠、SMC-Kras+/+ 老年小鼠和SMC-KrasG12D/+老年小鼠的饮食饲料中,主动脉根部切片均未见粥样斑块。染色也表明在没有WD的这三组小鼠中，很少发生SMC转化。![]()
Fig5: 一种针对DNA损伤修复的临床抗癌药物，尼拉帕利，在动脉粥样硬化中显示出益处作者探索了抗癌疗法，特别是针对动脉粥样硬化性稳定斑块中观察到的DNA损伤的疗法，是否能减缓疾病的发展和进展。文献中报道，纳拉帕利是一种多腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制剂，可抑制DNA损伤修复，用于治疗多种癌症。在动脉粥样硬化进展期间，向易患动脉粥样硬化的小鼠注射纳拉帕利对小鼠体重和循环胆固醇水平几乎没有影响。然而，纳拉帕利显著降低了动脉粥样硬化斑块面积（图5A和5B），并增强了通过减少坏死核心面积（图5C）和增加纤维帽与病变面积之比（图5D），这与动脉粥样硬化斑块稳定性相关。在已建立动脉粥样硬化的小鼠中（16周后）在额外给予西罗莫司8周后，服用尼拉帕利对体重或血清胆固醇水平没有显著影响。在这种实验条件下，尼拉帕利治疗还减少了整个主动脉(图5E和5F)和主动脉窦病变区域(图5G和5H)中的粥样硬化斑块负荷，同时通过减少坏死核心面积(图5I)和增加纤维帽与病变面积比值(图5J)来改善斑块稳定性。这些发现表明，针对DNA损伤修复的治疗可能对动脉粥样硬化及其斑块稳定特征具有预防和治疗益处。由于对肿瘤细胞的影响，尼拉帕利可能会诱导细胞凋亡。但作者发现用尼拉帕利治疗对 SMC和SDCs死亡及细胞增殖几乎没有影响。相反，它显著抑制了平滑肌来源的巨噬细胞标记基因的表达，这表明它可能会阻止动脉粥样硬化斑块中平滑肌细胞向巨噬细胞转变。此外尼拉帕利还有效减少了氧化DNA损伤和平滑肌细胞系细胞在病变中的数量，增加了纤维帽中ZsGreen1+细胞面积与内膜，并减缓了动脉粥样硬化中平滑肌细胞表型转换。与此同时，尼拉帕利治疗降低了动脉粥样硬化中巨噬细胞区。这些结果表明，尼拉帕利至少部分通过抑制疾病中的SMC表型转换来减轻动脉粥样硬化。总的来说，该研究发现平滑肌细胞（SMC）在动脉粥样硬化中具有多样的肿瘤细胞特征，并且与肿瘤生物学有许多相似之处。作者通过小鼠模型和人类数据的分析，揭示了SMC转变成SMC衍生细胞（SDC）的机制，并探讨了癌症相关基因调控网络在其中的作用。此外，作者还提出了一种新的综合概念——athero-oncology，将动脉粥样硬化和肿瘤学联系起来，为预防和治疗动脉粥样硬化提供了新的思路和策略。![]()
Fig6: 模式图
参考文献：Pan H, Ho SE, Xue C, Cui J, Johanson QS, Sachs N, Ross LS, Li F, Solomon RA, Connolly ES Jr, Patel VI, Maegdefessel L, Zhang H, Reilly MP. Atherosclerosis Is a Smooth Muscle Cell-Driven Tumor-Like Disease. Circulation. 2024 Apr 30.亲爱的朋友们，欢迎来到“心血管干细胞青年沙龙”，这是一个致力于追踪、解读心血管干细胞最新研究进展的公益性平台。本平台的宗旨是：交流，互助，合作，研讨。欢迎关注、转发、分享和投稿，投稿请联系:
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