[摘要]:盆腔器官脱垂是一种中老年妇女常见的手术率、复发率较高的疾病。近年许多临床及基础研究证实盆底支持结构中结缔组织薄弱是盆腔器官脱垂发生的病理基础。弹性纤维是盆底结缔组织的重要组成成分,赋予组织伸缩性和可逆的变形能力,维持盆底结缔组织正常结构和功能。其组成、降解稳态平衡破坏,会影响弹性纤维数量及质量,减弱盆底结缔组织的支持力,使盆底组织松弛发生器官脱垂。本文主要从弹性纤维组成过程中Fibulin-5及类赖氨酰氧化酶1(LOXL-1)等相关成分异常在女性盆腔器官脱垂发病机制中的研究做一综述。
[关键词] 盆底器官脱垂; 发病机制; 弹性纤维; 文献综述
[中图分类号] R711.2 [文献标识码] A [文章编号] 1671-7562(2010)04-0443-05
doi:10.3969/j.issn.1671-7562.2010.04.044
盆腔器官脱垂(pelvic floor prolapse, POP)是指各种原因造成的盆底支持功能薄弱导致子宫及其相邻的膀胱和直肠发生下移,从而引起的一系列临床症状,它是盆底功能障碍性疾病的一种。POP虽然不是威胁生命的疾病,但其症状严重影响妇女的健康和生活质量,尤其是妨碍妇女的工作和社会活动。
1 POP患病率
世界卫生协会进行的妇女激素替代治疗临床试验发现,在子宫存在的16 616名妇女中发生子宫脱垂的有14.2%,膀胱脱垂34.3%,直肠脱垂18.6%;在10 727名切除子宫的妇女中发生膀胱膨出的有32.9%,发生直肠膨出的有18.3%[1]。一项荷兰问卷调查显示POP发病率2.9%~11.4%,通过盆腔器官脱垂定量分期法(pelvic organ prolapse quantitive examination,POP-Q)分析显示其发病率为31.8%～97.7%,70岁以上患者行手术治疗率高达70%[2]。朱兰等[1]对中国妇女的研究亦发现,大于60岁的妇女中POP的发病率接近25%,43%～76%的POP患者需要手术治疗,接受手术治疗的POP患者中有1/3需要再次手术治疗。
2 POP发病机制
POP发生的病因是多方面的,阴道分娩及难产是重要的危险因素,其他因素如衰老、绝经,神经本身病变如脊柱裂、慢性腹压增高以及肥胖等也与脱垂相关,目前尚不能完全明确其发病机制。近年许多临床及基础研究证实盆底支持结构中结缔组织薄弱是POP发生的病理基础。弹性纤维是盆底结缔组织的重要组成成分,赋予组织伸缩性和可逆的变形能力,维持盆底结缔组织正常结构和功能。研究表明:弹性纤维的代谢及相关成分的改变会引起组织弹性降低,促使盆底支持结构薄弱,从而导致POP的发生。通过基因敲除的小鼠(如LOXL1-KO、Fibulin-5-KO等)研究发现,弹性纤维异常性疾病(如肺气肿、皮肤松弛、盆底器官脱垂等)病理检查示弹性纤维严重受损,证实了弹性纤维在维持盆底结构及功能完整性方面的重要性[3-5]。
3 弹性纤维结构及特性
弹性纤维是一种主要存在于结缔组织中的细胞外间质成分,可由成纤维细胞、平滑肌细胞、某些软骨细胞等产生,赋予所在器官(如皮肤、肺、动脉、耳廓软骨等)以良好的弹性。在光镜观察下,弹性纤维较细,直径介于0.2～1.0 μm;电镜下可见它们由低电子密度含弹性蛋白的均质状核心和外周短丛毛状的原纤维蛋白微原纤维(fibrillin microlibril,FMF)两部分组成。成熟的弹性纤维,弹性蛋白和FMF的比例约为9∶1。成熟的弹性蛋白一旦完成共价交联,将变成难溶于水且十分稳定的结构状态。
4 弹性纤维的组成
弹性纤维的形成是多水平、多层次、有规律的,但同时也是极其复杂的过程。弹性蛋白以可溶性前体——弹性蛋白原形式分泌至细胞外,在胞外基质富含原纤维蛋白的微纤维支架上,弹性蛋白原之间发生高度稳定的共价交联,形成富于弹性的弹性纤维[6]。在此过程中除了弹性蛋白及FMF外,Fibulin蛋白家族及赖氨酰氧化酶家族(lysyl oxidases, LOXs)等都扮演着重要角色。
4.1 弹性蛋白与弹性纤维
弹性蛋白是弹性纤维最主要和最特征性的蛋白,参与组成细胞外基质,主要分布在富有弹性的组织中,如肺、大动脉、某些弹性韧带及耳部软骨。弹性蛋白的相对分子质量为72 000,它由两种类型短肽段交替排列构成,一种是疏水短肽赋予分子以弹性,另一种为亲水短肽的a螺旋,负责在相邻分子间形成交联。弹性蛋白的主要交联体形式为锁链素(desmosine,DES),它是由3个赖氨酸衍生的醛与1个未经修饰的赖氨酸聚合而形成的弹性纤维独有的四联体结构。弹性蛋白可拉伸数倍于原来的长度,在机体不消耗能量的情况下,恢复到起始状态,此外,弹性蛋白还需经过装配形成弹性纤维方能执行功能。
4.2 FMF与弹性纤维
FMF由原纤维蛋白、微纤维相关糖蛋白(microfibril-associated glycoproteins,MAGPs)及潜在的转换生长因子β结合蛋白等组成。FMF先于弹性蛋白出现,对于弹性蛋白分子组装合成弹性纤维具有组织作用[7]。
4.2.1 原纤维蛋白
原纤维蛋白是FMF主要的结构蛋白,分为原纤维蛋白Ⅰ及原纤维蛋白Ⅱ两种。原纤维蛋白Ⅱ的表达早于原纤维蛋白Ⅰ,前者在弹性组织分化之前即已出现,维持一段时间后水平迅速下降以至消失;然后,原纤维蛋白Ⅰ的水平逐渐增高。因此,含有原纤维蛋白Ⅱ的FMF可能参与弹性纤维的早期聚合过程以及器官形态的早期形成;而含有原纤维蛋白Ⅰ的FMF是提供一个长期的承受应力的支撑结构。原纤维蛋白Ⅰ可与弹性蛋白原及Fibulin-5相互作用而形成弹性纤维,同时原纤维蛋白Ⅰ包含有PF1、PF2、PF5、PF7、PF8、PF11、PF12及PF13 8个片段,这8个重复片段可与21个蛋白相互作用,其中7个与胞外基质相联系,5个与生长因子及激素相关分子相联系,从而达到调节信号传导及弹性纤维合成作用[8]。
4.2.2 MAGPs
MAGP-1是一种小的酸性蛋白,免疫组织化学研究显示,在人真皮浅层和中层的弹性纤维呈弹性蛋白和MAGP-1双重阳性,表明MAGP-1是弹性纤维的组成成分之一。进一步的免疫组织化学研究显示,MAGP-1总是与原纤维蛋白Ⅰ相伴出现在组织中。在弹性纤维合成中,MAGP-1可连接原纤维蛋白Ⅰ及弹性蛋白原形成弹性纤维。Lemaire等[7]研究发现,通过增加MAGP-2量可增加弹性纤维表达,而fibrillin-1、MAGP-1、fibulin-2、fibulin-5及emilin-1无改变,认为MAGP-2可通过其特有的途径而达到弹性纤维合成的作用。
4.3 Fibulin家族与弹性纤维
Fibulin家族为基底膜及弹性纤维的重要组成部分,为胞外糖蛋白,可作为一分子桥梁组织及组装胞外基质。此家族根据其N末端重复cb-EGF类似序列及C末端fibulin球形结构不同,可分为7个成员,根据其大小及区域结构不同可分为两个亚群。第一亚群包含Fibulin-1,2,6,第二亚群包含Fibulin-3,4,5,7[9]。
遗传性皮肤松弛症是一种由皮肤弹性纤维先天缺陷而引起的皮肤疾患,研究发现Fibulin5(FBLN5)基因、Fibulin4(FBLN4)基因可为致病基因[10]。Fibulin-1、2基因敲除小鼠未发现弹性纤维稳态失衡;Fibulin-4基因敲除小鼠在围产期死亡,研究推测为动脉瘤破裂死亡;Fibulin-3基因敲除小鼠随着年龄增长表现为弹性纤维异常表现(如腹壁疝及POP),同时可检测出基质金属酶活性增加;Fibulin-5基因敲除的小鼠表现为弹性纤维异常疾病(如皮肤松弛、肺气肿及POP等),故推测Fibulin家族第二亚群与弹性纤维形成密切相关[4-5]。
4.4 LOXs家族与弹性纤维
原弹性蛋白的多聚化需要LOXs的氧化脱氨,LOXs家族包含LOX及LOXL1、2、3、4 5个成员,它们分别位于不同的同源染色体上。所有的LOXs家族成员中,羧基末端都含有具有催化活性的成分,在这些区域的序列同源性表明了家族成员具有共同的酶作用机制,但LOXL1在氨基末端的前300个序列上与LOX的同源性却很小,这表明其作用的特异性。通过LOX及LOXL1基因敲除的小鼠发现,LOXL1与弹性纤维合成相关,而LOX与弹性纤维及胶原合成都相关[3,11-13]。有学者通过实时荧光定量PCR法分析发现,子宫脱垂患者中LOX、LOXL1都较对照组降低,LOX降低为甚[14]。Behmoaras等[15]通过免疫组化及实时RT-PCR研究发现,LOX出现较早,在成年期急剧下降,而LOXL1在整个生命周期维持平衡,随着年龄的增加,弹性蛋白与胶原比率下降。Kagan等[16]通过单一特异性抗体免疫荧光定位发现,LOXL1严格分布在弹性纤维存在的组织,而LOX的分布却广泛得多,故推测LOXL1对弹性纤维的生成更具有特异性。
4.5 锁链素与弹性纤维
锁链素(包括少量异锁链索)是以吡啶环为基础的同分异构体,是由四个赖氨酸分子经赖氨氧化酶氧化得来的,是弹性蛋白中特有的一种稀有氨基酸,也是成熟弹性蛋白特有的交联氨基酸,它能使弹性蛋白结构稳定并不易溶解,它不参与机体代谢,因此可作为一个生化指标间接反映弹性蛋白的质量及数量。Luisetti等[17]运用高敏NanoLC-MS/MS检测发现锁链素的浓度与慢性阻塞性肺病病情存在负相关。
5 弹性纤维的降解
弹性纤维的降解主要由弹性蛋白酶催化,弹性蛋白酶是一种肽链内切酶,也属于一种丝氨酸蛋白酶,广泛存在于哺乳动物的各种组织和体液中。弹性蛋白原在生理条件下能被许多蛋白酶,如人中性粒细胞弹性蛋白酶(human neutrophil elastase,HNE)、胰蛋白酶分解。
6 弹性纤维异常与POP
女性生殖器官富含弹性纤维,在大多数成年组织中其周转缓慢,但在生殖器官中通过妊娠和分娩会经历大量重塑。有学者证明,小鼠体内弹性纤维自身稳定状态的失调可引起盆底功能障碍。近年我们在POP患者盆底结缔组织中的研究发现,结缔组织内弹性纤维含量减少并呈碎片状分布,表现为弹性蛋白、锁链素水平降低,LOXL1和Fibulin-5基因和蛋白表达下降等弹性纤维成熟障碍[14,18-19]。
6.1 Fibulin-5与POP
Fibulin-5于1999年首次被发现,为一含448个氨基酸的糖蛋白,相对分子质量66 000,包含6个cbEGF类似序列,广泛分布于富含弹性蛋白的组织。其N端的一保守序列精氨酸—甘氨酸—天冬氨酸(RGD),可以介导结合整合素,包括α5β1,αvβ3和αvβ5,能直接与原弹性蛋白结合,并将后者锚于细胞表面,提供组织的稳定性及促使蛋白间相互作用,这对弹性纤维的形成十分重要。Fibulin-5在胚胎脉管系统及神经嵴发育时表达明显,在成年组织中表达下调,但组织受损后Fibulin-5会表达增加,它的表达可通过原弹性蛋白及转化生长因子β调节[20]。在弹性纤维合成过程中,Fibulin-5可结合fibrillin-1、富含fibrillin的FMF及原弹性蛋白,不干扰原弹性蛋白与fibrillin-1的结合或fibrillin-1的自身结合,可形成Fibulin-5、fibrillin-1及原弹性蛋白三联体,或Fibulin-5、原弹性蛋白与微纤维相结合[21]。
Fibulin-5基因敲除的小鼠可活至成年,但表现为弹性纤维受损越来越严重的疾病,包括皮肤松弛、主动脉的扭曲、肺气肿及生殖器官的脱垂,显微镜下可见短及断的弹性纤维,但无炎症表现,胶原纤维没有被打断[5]。Jung等[19]运用RT-PCR及Western blot研究发现,POP患者中fibulin-5 mRNA及蛋白含量明显降低。Sderberg等[18]运用免疫组化及实时RT-PCR发现POP患者fibulin-5降低。导入Fibulin-5基因可促进成纤维细胞弹性纤维合成[17]。故Fibulin-5与原弹性蛋白合成相关,同时在维持弹性纤维稳态平衡中起着重要作用。
6.2 LOXL-1与POP
Liu等[11]2004年研究发现,LOXL1氨基末端催化区与Fibulin-5的羧基末端部分相互作用,免疫荧光染色发现LOXLl、Fibulin-5协同以原纤维的形式与弹性蛋白交叠存在。原弹性蛋白附着在Fibulin-5上,Fibulin-5使原弹性蛋白呈定向排列,然后在LOXL-1的催化下,原弹性蛋白转化成赖氨酰去氨基化形式再进行交联过程。Liu等[12]2006年研究发现,LOXL1基因敲除小鼠产后因不能合成正常功能的弹性纤维而出现POP、阴道壁松弛及下尿道功能异常,同时出现肺容积增大、皮肤松弛、血管异常及弹性蛋白原的累积。突变小鼠产后1~3 d即发生明显的脱垂,超过1~2周后才回缩,但仍会有突出物存在。1/3小鼠在第1次分娩后形成脱垂,其余的在第2次分娩后都发展为脱垂。LOXL1在小鼠的生殖道高表达,并随着年龄的增加降低,胶原合成无异常。Lee等[3]2008年研究发现,LOXL1基因敲除小鼠在第2次分娩后1/3发展为脱垂,另外1/3在第3次或第4次分娩时发展为脱垂,在产后3~6周后进展为脱垂,尽管Liu等及Lee等研究显示脱垂的发生在分娩次数及产后时间上有差异,但仍说明了妊娠及分娩是脱垂的重要影响因素。Lee等[3]通过尿动力实验也发现,LOXL1基因敲除小鼠膀胱容量降低及漏尿点压降低,MRI显示盆腔内脏器脱垂,组织学分析示弹性蛋白积聚而弹性纤维形成障碍。
6.3 甾体激素异常与POP
Liu等[11]在研究中还发现,LOXL1的表达受生殖周期的调节。LOXL1mRNA和蛋白水平在接近分娩时下降,产后恢复到基线水平,LOXL1在宫颈的表达与妊娠晚期宫颈成熟的生理进程相一致,宫颈成熟导致胶原和弹性纤维断裂,宫颈变软,这个过程受到松弛素和雌激素受体的负调节。随着年龄的增长,雌鼠生殖道LOXLl蛋白表达下降,弹性纤维减少、断裂,但在同龄雌鼠的肺脏和动脉壁上LOXL1的表达变化却极小,这表明盆底LOXL1的表达是受激素调节的。Natoli等[23]用生理浓度的17β雌二醇、孕酮、17β雌二醇加孕酮培养人主动脉平滑肌细胞4周,测定结果显示女性甾体激素增加弹性蛋白沉积。而在人群中随着年龄的增长,POP的发病率增加,说明低雌激素水平与其相关。6.4 弹性纤维其他相关成分与POP
转化生长因子β1(TGF-β1)是一种多功能的蛋白多肽,可增加弹性蛋白原表达及促进成纤维细胞生长[24-25],其下游反应元件——结缔组织生长因子(connective tissue growth factor, CTGF),是一种特异性细胞因子,选择作用于成纤维细胞,调节其生长分化[26]。在弹性纤维合成过程中有很多细胞因子参与其中,其调控作用的发生是多水平、多层次的,且与产生弹性蛋白的细胞种类及其分化状态、细胞周期等因素有关。研究发现,Fibulin-3基因敲除小鼠随着年龄的增加POP加重,而Fibulin-5、原弹性蛋白及锁链素并未减少,但基质金属蛋白酶的活性明显增加[4]。由此提示弹性纤维的合成代谢在阴道壁的重建和恢复中起重要作用,同时降解过程中酶的活性增强,也不可避免地造成了POP的发生。
综上所述,弹性纤维作为盆底结缔组织中重要组成成分,其稳态平衡对维持女性盆底结构和功能的完整性起着非常重要的作用,进一步研究女性POP中弹性蛋白基因或蛋白的表达变化、弹性纤维合成降解等,可更深入地探讨POP发病机制,为POP生物治疗提供新的靶点及思路,对该类疾病的防治具有重要意义。
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