Targeting Sphingosine-1-Phosphate Signaling to Prevent
the Progression of Aortic Valve Disease

Keywords: aortic valve disease; calcification; sphingosine-1-phosphate.

主动脉瓣疾病（AVD）是最常见的心脏瓣膜疾病。AVD的病理生理复杂，涉及动脉高血压、剪切应力异常引起的主动脉瓣（AV）的机械性损伤，或内皮功能障碍及随后的脂质沉积和炎症反应。之后，各种分子通路被激活，最终通过人类瓣膜间质细胞（VICs）的成骨细胞分化或在VICs凋亡后细胞碎片上的弥漫性钙沉淀，导致瓣膜钙化。瓣膜上机械应力的增加被认为是启动该过程的关键。随着瓣膜钙化和AVD的进展，左心室（LV）压力的增强会进一步增加对主动脉瓣的机械压力，形成恶性循环。因此，精确理解主动脉瓣狭窄（AS）发病机制对于识别新的药物靶点至关重要。

鞘氨醇-1-磷酸（sphingosine-1-phosphate，S1P）促进成骨细胞的增殖、分化和钙化。体内S1P浓度升高刺激了骨矿化。此外，机械刺激和剪切应激会增加骨细胞、内皮细胞和血小板中的S1P生成。然而，S1P对体外和体内VIC生物学的影响，以及血浆和组织内S1P水平与AVD的关联，尚未被充分探讨。

基于此，德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学医学院心脏病学、肺病学和血管医学系、亚琛工业大学附属医院心脏外科团队在一项研究中探讨了S1P 在AS病理生理中的作用，在小鼠和人类中提供了机制证据，表明S1P在AVD的病理生理和疾病进展中扮演重要角色，并已成功探索基于S1P受体靶向药物的AVD治疗方案。
研究成果发表于 Circulation 期刊题为“Targeting Sphingosine-1-Phosphate Signaling to Prevent the Progression of Aortic Valve Disease”。

首先，为研究S1P高水平对丝线损伤AVD模型中 AVD进展的影响，将C57Bl/6J小鼠在AV丝线损伤前一周开始使用S1P裂解酶抑制剂DOP以提高内源性S1P浓度。超声心动图和组织学显示，AVD严重度增加且进展加快（图1 A-C）。通过超声心动图测量的AV面积和射血分数在DOP处理的动物中也有所减弱（图1 D、E）。心脏结构、超声心动图测定的左心室内径及左心室质量在该时间点无显著差异（图1 F、G）。然而，DOP处理的AVD小鼠死亡率也显著更高（图1 H）。

为了分析12周内的疾病进展，测试了S1P低水平是否对AS进展有益。使用SphK1基因敲除小鼠（SphK1-/-），发现SphK1-/- 小鼠的AVD发展显著减轻，表现为整个12周超声心动图中峰值速度和平均压力梯度的降低（图1 I-K）。DOP处理显著加重 SphK1-/- 小鼠的AVD发展和严重程度，表现为更高的峰值梯度和平均压力梯度（图1 J、K）及更小的AV面积（图1 L）。这对心脏功能和结构有明显影响：SphK1-/- 小鼠在12周后射血分数较高（图1 M）、左心室内径较小（图1 N）、舒张末期容积较低（图1 O）、左心室质量减少（图1 P），而DOP处理则损害心脏功能（图1 M-P）。AVD诱导12周后心脏基因表达分析显示，SphK1-/- 小鼠心衰基因BNP和ANP表达降低，DOP表达增加（图1 Q、R）。

12周后，SphK1-/- 小鼠AVs内钙化减少，DOP处理的SphK1-/- 小鼠钙化增强（图1 S）。循环钙化标志物分析显示，与对照组相比，SphK1-/- 小鼠的RANKL血浆水平升高，且DOP抑制（图1 T），而DOP处理的 SphK1-/- 小鼠OPG水平升高（图1 U），RANKL/OPG比值较对照组下降，DOP处理后再次升高（图1 V）。RANKL/OPG比值与峰值速度作为AS严重程度的衡量指标呈明显负相关（图1 W）。这些数据表明，在小鼠AS模型中，S1P水平决定AVD进展及其对心脏功能的影响。

图1  S1P水平决定了AVD进展及其对小鼠AVD模型心脏功能的影响。

由于S1P/S1PR2信号传导已被证明能激活成骨细胞，并且S1PR2 在AVs中表达，因此随后研究了S1PR2-/- 小鼠AVD的发展。S1PR2-/- 的最大流速和平均压力梯度分别显著降低，AV面积显著增大（图2 A-C）。因此，在12周后 S1PR2-/- 表现出更好的心脏功能和更小的左心室内径（图2 D-F）。BNP和ANP基因表达也有所减弱（图2 G、H）。值得注意的是，S1PR2-/- 小鼠的DOP处理未能加重AVD进展（图2 I、J）。这表明，缺失S1PR2的小鼠对AVD进展具有抵抗力。

为探讨S1PR2是否可作为AVD的治疗靶向，诱导AS后不久（6小时）给药S1PR2拮抗剂JTE-013。JTE-013处理完全阻止了对照组在两周内观察到的流速和平均梯度的增加（图2 K、L），表明对AVD进展具有保护作用。这种保护即使在JTE-013停药两周后依然有效：尽管流速和平均压力梯度在接下来的几周内有所恶化，但直到12周后才追上了对照组的水平。尽管如此，4周时观察到的JTE-013治疗的积极效果在12周后基本保持不变（图2 K-M）。尽管流速增加（图2 M）及类似的AV面积（图2 N），但JTE-013处理小鼠在4周及12周后射血分数仍优于对照组。初次JTE-013处理还抑制了LV内径增大至少12周（图2 O）。这些数据表明，药理学上的S1PR2拮抗剂可防止AVD进展。
 

图2  S1P依赖的AVD进展通过S1P受体2介导。

为进一步研究相关机制，对从健康人体瓣膜分离的VIC暴露于易钙化条件下10天，观察到S1P刺激强烈增强了VIC钙化（图3 A）。与JTE-013的联合处理可防止S1P依赖性的VIC钙化，而S1PR1抑制剂W146和S1PR3抑制剂TY-52156分别无效（图3 A）。S1P还增加了RUNX2的基因表达，但未增加蛋白质表达，RUNX2是钙化和成骨的重要刺激因子，但该效应被JTE-013（图3 B、C）削弱。然而，OPG（RUNX2的重要成骨基因和转录靶点）由S1P在基因和蛋白质层面诱导，JTE-013则逆转了这一过程（图3 F、G）。JTE-013还抑制了GSK3β的磷酸化（图3 H），作为RUNX2/OPG诱导的典型GSK3β-Wnt-β-catenin信号的读数。“晚期”成骨标志物（SP7）的表达保持不变（图3 D、G）。这些数据表明，S1P通过S1PR2和成骨RUNX/OPG信号诱导VIC钙化。

图3  S1P通过S1PR2和成骨RUNX/OPG信号诱导VIC钙化。

最后，通过转化方法，利用液相色谱-质谱法测量了从接受心脏移植患者中取出的健康人类AVs组织提取物中的S1P浓度，并将手术置换后获得的狭窄性AVs中的S1P进行了比较。结果发现，狭窄瓣膜的S1P浓度高出对照组的2.7倍（图4 A）。狭窄瓣膜中SphK1基因表达也被诱导为2.9倍（图4 B），而S1PR2的表达未发生改变（图4 C）。同时，AVD患者（图4 D）以及AVD诱导后的小鼠S1P血浆水平未升高。AVD患者的高密度脂蛋白胆固醇水平也无差异。

研究人员假设狭窄瓣膜中较高的生物力学拉伸可能导致S1P升高。首先，确认流速的增加反映在轴向和周边壁剪应力的增加上（图4 E-G）。为模拟体外实验，以每分钟60次拉伸频率，使VICs以10%，1 Hz 的机械拉伸幅度持续24小时，观察到SphK1基因上调1.6倍，但蛋白质表达无变化（图4 H），且S1PR2无变化（图4 I）。然而，拉伸明显增加了S1P的生成（2-3倍）（图4 K、L）。此外，已确认SphK1是主因，因为在SphK1特异性抑制剂PF-543存在下，C17-S1P的产生被完全消除（图4 K、L）。这些数据表明，S1P在人体狭窄瓣膜中增加，其产生由VICs中的生物力学拉伸激活。

图4  S1P/SphK1模块在体内高壁剪切下人体狭窄瓣膜中增加，并在体外通过VICs中的生物力学拉伸激活。

图5 图形概要

这项研究发现S1P/S1PR2信号在AVD进展中的新作用。主要发现如下：（1）药物学上S1P升高加剧AVD进展和心脏功能恶化，而基因表达上S1P下调或S1PR2缺失则减轻了两者；（2） S1P/S1PR2信号通过RUNX2/OPG和GSK3β-Wnt-β-catenin 通路诱导VICs的成骨细胞分化;（3）人类狭窄瓣膜的S1P含量和SphK1表达较高，而生物力学拉伸激活了VICs中SphK1依赖性的S1P生成；（4）在小鼠诱导AS后启动的药理学S1PR2抑制成功防止了AS的发生及其对心脏的有害后果（图5）。总而言之，全身或局部S1P水平升高会导致瓣膜钙化加剧。S1PR2拮抗剂和SphK1抑制剂可能在预防、改善疾病或预防复发方面为人类AVD提供可行的药理学方法。

参考文献：
Benkhoff M, Barcik M, Mourikis P, Dahlmanns J, Kahmann P, Wollnitzke P, Hering M, Huckenbeck T, Hoppe J, Semleit N, Deister-Jonas J, Zako S, Seel J, Coman C, Barth M, Cramer M, Helten C, Wildeis L, Hu H, Al-Kassis G, Metzen D, Hesse J, Weber J, Dannenberg L, Akhyari P, Lichtenberg A, Quast C, Gerdes N, Zeus T, Borst O, Kelm M, Petzold T, Ahrends R, Levkau B, Polzin A. Targeting Sphingosine-1-Phosphate Signaling to Prevent the Progression of Aortic Valve Disease. Circulation. 2025 Jan 28;151(4):333-347. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.123.067270. Epub 2024 Oct 21. PMID: 39429140.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39429140/
IF：38.6
ISSN:0009-7322 E-ISSN:1524-4539

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