【综述】新生脑动静脉畸形及其形成机制(下)
《British Journal of Neurosurgery》杂志 2018年6月刊载[32(3):305-311]英国a James Cook University Hospital的Dalton A , Dobson G , Prasad M , Mukerji N 撰写的综述《新生脑动静脉畸形及其形成的理论综述。De novo intracerebral arteriovenous malformations and a review of the theories of their formation.》(doi: 10.1080/02688697.2018.1478060).
动静脉畸形(AVM)在医学文献中仍常被描述为先天性病变,尽管几乎没有证据表明其先天性。不断增加的新生AVMs的病例报告增加了这一概念的分量,即它们是动态的病变,可以在出生后(postnatally)形成。计划对所有报道的新生AVM形成的病例进行全面回顾,并对与AVM发病机制相关的文章进行综述,通过总结目前AVM发病机制的研究进展,对AVM研究和治疗的未来意义提供见解。
通过检索MEDLINE发现29例新生AVM形成的先前的MRI影像,其中9例有先前的数字减影血管造影。通过对AVM胚胎学、出生后血管生成、AVM综合征形式以及人和动物模型中的AVM分子生物学和遗传学在研究,对AVM的发病机制进行讨论。
很少有证据表明胚胎起源通过血管生成异常调节(dysregulated vasculogenesis),而有大量的证据支持在儿童期甚至成人期有血管生成异常调节。转化意义包括通过生物标志物进行风险分层预测出血,以及新治疗方法抑制AVM增殖和启动逆转。
AVMs的症状和遗传条件
由家族性疾病导致AVMs的研究发展而来,识别出一些作为AVM形成原因的基因,以及随后有过多的动物遗传模型。遗传性出血性毛细血管扩张症1型和2型(HHT-1,HHT-2),已被很好地描述为常染色体显性遗传性疾病,导致毛细血管扩张症和形成包括脑部在内的多种器官的动静脉畸形。它们已被证明是内皮素(ENG)和活化样激酶受体1(ALK-1)分别的杂合突变的结果。ALK-1和ENG是存在于内皮细胞膜中的膜性糖蛋白(ENG也以可溶性形式存在,也存在于单核细胞上),起转化生长因子-β-超科信号通路的受体和/或共同受体的作用。这个通路的激活在招募周细胞中起作用,对于稳定新血管形成继发毛细血管丛是必要的。
与HHT相关的AVMs的临床表型和分子行为的差异,和其偶尔发生的已有报道。与HHT相关的AVMs的出血可能较少,往往较小且Spetzler-Martin分级较低,以及更有可能是多发的。NOTCH中功能性突变的丧失与HHT有关,而在散发的AVMs可以发现NOTCH中有获得的功能突变,意味着它们形成背后的不同机制。这两组病人的治疗方法可能不同,已发表了最新的AVM分类命名法,这反映了这些所观测到的结果。
遗传性出血性毛细血管扩张症(HHT)和散发性AVMs的动物模型
随着与遗传性出血性毛细血管扩张症(HHT)相关的和散发性AVM动物模型的发展,让我们更清楚的认识(shed yet more light on)AVM的病理生理学研究,并强化了产后发生AVM的二次突变假说(2-hit hypothesis)的想法(notion)。在小鼠中纯合敲除Alk-1和ENG普遍会是致命的,但与人类构成一样,Alk-1或ENG的杂合突变会导致多器官的广泛的血管病变,具有与人类疾病相似的组织病理学特征。大脑受累是适度的,事实上,在这个模型中,突变存在于所有内皮细胞中,然而,病变只出现在离散的位置,这是二次突变假说的早期确证(early corroborator of a 2-hit hypothesis)。Park等随后制作的小鼠模型显示,ENG和Alk-1的体细胞突变会导致发生在青春期或受伤后的成人生活青中的异常动静脉连接。 Su等使用病毒载体(viral vectors)来诱导在Alk-1杂合突变小鼠中的VEGF上调,导致病变表现为毛细血管发育不良。野生型小鼠的VEGF上调会仅增加微血管计数,但不会导致发育不良,意味着需要Alk-1突变和VEGF上调以诱导血管畸形。
然而,Walker等的一个模型更有说服力:在成年小鼠的离散的脑部区域的内皮细胞中的Alk-1突变被诱导通过联合注射含有Alk-1突变等位基因和VEGF的Cre重组酶的病毒载体。动静脉分流的异常的血管缠结会与人类AVMs相似的导致区域冲洗。Alk-1在内皮细胞中的特异性缺失和随后在小鼠大脑中注射VEGF也会导致AVM形成,表现出在内皮细胞中,有遗传和分子过程,对AVM的形成是必不可少的。
Murphy等报道一个类似的出生后诱发的AVM病变的模型,更接近于见于散发性病例的AVM病变。成年小鼠体内内皮细胞NOTCH4过表达的细胞被激活,引起动静脉分流。此外,随后基因的抑制导致AVM形成的反转。一种小鼠骨形成蛋白抑制剂,基质Gla蛋白(Mgp)基因缺失引起NOTCH活性增加,以及相关的动静脉分流的形成。这个结果诱导Alk-1表达,随后NOTCH配体Jagged 1和Jagged 2的表达增强。
这些动物模型表明,如果病人在局部环境条件下,例如可能在损伤或炎症后发生,导致如VEGF的增殖因子的上调,内皮细胞偶联的TGF-B信号传输器(signalling apparatus)受到突变影响,出生后发生动静脉分流是可能的。更多关于AVM形成的附加步骤的详细信息,包括剪切力(sheer force)、静脉高压和氧化应急诱导的增殖(oxidative stress-induced proliferation)正在被阐明。
核因子E2相关因子2 (Nrf-2)是一种转录因子,已被证明可上调VEGF和HIF-1a对氧化应激反应的信号传输。将在对照组中诱导的静脉高压与Nrf-2敲除小鼠中常见的内颈动脉与颈外静脉吻合相比。在对照组中,发现Nrf-2上调及其下游靶点HIF-1a和VEGF,然而,在Nrf-2因子敲除小鼠中却没有发现。他们还从两组小鼠中分离出内皮细胞,并对他们进行VEGF检测,发现正反馈环路为增加Nrf-2上调。在这些分离的内皮细胞中,他们观察到,在Nrf-2因子敲除的小鼠中,微管的形成和微管移行减少。
Toporsian等已经证明在ENG单倍体不足小鼠的内皮细胞中,表现出不受调控的eNOS活性,导致生成过氧化物。这可能会引起内皮细胞损伤,从而导致微血管扩张和作为分流形成的前兆。
家族性研究
根据建立遗传性出血性毛细血管扩张症(HHT)的AVMs模型的动物研究,散发性AVMs患者的遗传分析也证实,某些单核苷酸多态性(snp)的家族聚类(familial clustering)有类似的基因。最近的一项荟萃分析显示与散发性AVM的出血白介素-6的多态性(OR1.97 95% CI 1.15-3.38)和肿瘤坏死因子α1(OR 2.42 95% CI 1.54-3.8)有关。
Delev等对153例AVM患者和192例对照组患者进行了病例对照分析。他们调查了10个NOTCH4基因中的单个核苷酸多态性(SNPs),评估它们与AVM敏感性(susceptibility)和出血的关系,并发现某些基因型与其敏感性和出血率之间存在的关联。
最近,一项针对SNPs的全基因组分析试图确定核苷酸多态性(SNPs)与散发性AVM病例的相关性,然而,未发现统计学显著意义。尤其在两个(ACVRL1和MMP3)核苷酸多态性(SNPs)有一种重要的趋势,总的来说,他们估计散发性AVM的可遗传性为17%。
AVM患病率
如果相当数量的AVM在生存期稍晚的时候才形成,AVM的患病率随年龄显著增加,因此按年龄评估患病率可能有助于解决这场辩论。然而,考虑到这种疾病的罕见性,几乎没有证据能对患病率给出准确的估计,更不用说按年龄划分的患病率了。尸检研究产生的患病率范围为每10万人口中有5至600多例,因此似乎没有帮助。根据人口和根据社区研究推断报道的破裂和未破裂的AVMs的发病率导出每10万人中有10例的患病率。假设这是一个精确的数字,它提示需要对人口中多达100万例AVMs进行前瞻性筛查,以确定有足够窄的可信区间的患病率。最近,苏格兰Lothian 健康委员会所确定的人群(628788名成年人)中使用多个重叠诊断源进行捕获和再捕获分析对病例进行识别,从而推断出患病率。确定出一个粗略的患病率为每10万人中14.8例脑AVMs。当根据估计的遗漏数进行修改时,确诊的患病率为每10万人中有18例。
遗憾的是,罕见的情况阻止了目前在散发性AVMs中按年龄划分患病率的任何报告。有一项研究对于HHT患者解决了这个问题。有趣的是,探讨遗传性出血性毛细血管扩张症(HHT)与脑AVMs相关疾病的患病率及特点的检查研究的荟萃分析发现在成人和儿科人群之间的患病率无差异。他们的结论是,这支持认为遗传性出血性毛细血管扩张症(HHT)患者的AVMs形成非常早,在生存期稍晚的时候新生形成的比率很低这样的看法。
转化的影响
除了提供更多的证据来支持出生后形成AVMs的概念,转化的获益有重大意义。AVMs患者是一个异质性的群体,目前的治疗选项是有限的和主要根据Spetzler-Martin分级,按病人个体化确定的。更准确地预测出血风险将有助于在这方面制定决策。深部畸形血管巢,排除深静脉回流,静脉狭窄以及弥漫性形态已经被证明与出血风险有关。寂静性病灶内微出血也可作为增加破裂风险的生物标志物。其他标志物可能即将到来,从最近的发现来看,随着出血风险的增加与TNFα、白细胞介素1sz、白细胞介素6的多型性有关。EphrinB2及其受体Ephrin B4也可能是有用的,因为他们的表达是在AVM组织中上调,尤其是那些破裂的组织。
新的药物疗法也可能被开发出来以稳定病情或者导致复原。易于繁殖的动物模型允许测试新的抗血管生成药物或其他旨在逆转AVM增殖或降低出血风险的疗法。他汀类药物已被证明可以启动逆转海绵状血管畸形动物模型的病变。二甲胺四环素(Minocycline)和多西环素(doxycycline),两者都具有作为广谱基质金属蛋白酶抑制剂的功能,正在被研究作为抗血管生成的药物已完成第一阶段试验。最后,遗传操纵(genetic manipulation)在理论上是可能的,在某些动物模型中,随着NOTCH被抑制,明显逆转病变。
结论
越来越多的证据支持通过血管生成的上调机制和抑制机制的丧失,使AVMs在出生后形成。相比之下,几乎没有证据支持通在胎儿生命中的血管发生的紊乱(disordered vasculogenesis in foetal life)而形成。在随后确诊AVM诊断前数字减影血管造影阴性的一些情况下,文献似乎有一致性报告证明新生的血管形成。而AVM形成的确切机制尚待阐明,报告的(包括我们的)大多数病例为获得性病变支持二次突变(two-hit)模型的概念,也就是说,遗传易感性的形成,随之而来的是对大脑的损害,导致缺血、炎症、血管增生、异常分流、血流加快,剪切应力增大,且持续的血管生成刺激。因此,重要的是对出现包括波动神经系统症状或癫痫症状的诊断为成人AVM形成的可能性保持开放,并对这些患者进行长期随访。