膀胱出口梗阻,是指可由多种病因引起地从膀胱颈到尿道口任一部位对膀胱流出道产生压迫或阻力[1],并导致相关下尿路症状的泌尿系统常见慢性疾病,长期梗阻会导致进行性的膀胱组织重塑,甚至可能严重损害肾脏功能。根据国际尿控协会定义[2],在成年男性中其诊断依赖于尿流动力学检查,并且通常(但不一定)伴随相关症状和体征,表现为异常缓慢的尿流率,异常高的逼尿肌排尿压力,压力—流率测量中异常缓慢的尿流率,并可能伴随升高的残余尿体积。BOO可能是功能性的(如膀胱颈梗阻、逼尿肌括约肌功能障碍、盆底肌过度活动)或机械性的(如前列腺增生、括约肌硬化、尿道狭窄、尿道外口狭窄)。在成年女性中[3],作为排尿受阻的通用术语,其导致尿流率降低和(或)残余尿及逼尿肌压力的上升,并通常用尿流率及逼尿肌压力同步值和残余尿测量来诊断。女性压力性尿失禁手术后[3],由于子宫阴道脱垂程度较高或排尿受阻而导致尿道狭窄或梗阻是可能导致BOO原因之一。预估受下尿路症状/BOO影响的人群(≥20岁)从2008～2018年将上升18.5%达到11亿人,其中男性人口发病率更高,且对亚洲特别是发展中国家造成很重的医疗卫生负担[4]。本文将从疾病病理生理变化、分子机制、动物模型及治疗进展对其作一综述。

1、病理生理

BOO在临床上涉及不同年龄段不同性别的多样化人群,其发病原因包括了众多不同因素,尽管临床工作中可以使用国际协会所提供的建议和流程[2],目前尚无标准化且被广泛接受的精准定义[5]。尿流动力学检查一般特征为逼尿肌压力升高和尿流率降低,虽然病因不同,其临床症状从初始到进展都较为相似。逼尿肌是一种相对较快,“阶段性”的平滑肌,具有快速类型平滑肌肌球蛋白表达,逼尿肌的细胞骨架和收缩系统具有适应不同病理生理条件的巨大潜力[6]。在正常生理状况下人膀胱逼尿肌由毒蕈碱受体占主导地位,但是这种情况可能会在不同病理生理条件下发生变化。导致膀胱逼尿肌松弛的通路主要是通过腺苷酸环化酶/cAMP途径,该途径被肾上腺素受体激活,但是其他途径可能也发挥一定作用[6]。

一般将膀胱肌层病理生理改变划分为3个序贯阶段[1,5,7],既肥大期、代偿期和失代偿期。在肥大期,既往认为是增加的膀胱内压既机械性应力激活了膀胱壁肌层细胞肥大增生的信号通路,并导致膀胱体积和重量的增加,近期的研究表明缺血缺氧、氧化应激和血管新生可能发挥更重要的作用[8,9]。在代偿期,膀胱体积重量的增长和血管新生会出现某种意义上的停滞,在某些时候,如果梗阻持续存在,则由于排尿期周期性的局部缺血—再灌注损伤,膀胱逐渐转向失代偿阶段,并激活相关通路导致平滑肌减少,细胞外基质沉积和神经元丢失[1]。通常我们认为失代偿期膀胱重塑有可能已不再可逆。值得注意的是,人与动物的逼尿肌有显著不同,且用于研究的大多数物种都不会遭受自然发生的BOO,这提示我们来自患者组织标本的研究数据可能更为准确。逼尿肌平滑肌细胞(smoothmusclecells,SMCs)病理性肥大是BOO患者中显著且最相关的膀胱形态学改变,SMCs的直径会显著增加,且与患者症状持续时间呈正相关,电镜下这种“肌肥大”的特点还包括,细胞间隙显著增宽,正常中间细胞连接减少,胶原蛋白和弹性蛋白沉积增加,以及上述特征在各肌束中的片状分布[1]。当BOO患者中出现SMCs直径减小和细胞变性改变,且与逼尿肌收缩能力受损及患者残余尿明显增加直接相关,提示疾病进展至中后期。细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)的改变也可在BOO患者中显著产生,其特征为肌束间和肌束内胶原蛋白和弹性纤维的积聚,这种在结缔组织的沉积被认为是自然进程中晚期出现,早期SMCs肥大伴或不伴增生,导致结缔组织/平滑肌比值下降,后期随着胶原沉积,其比值反而上升,同时在患者中膀胱顺应性的降低和残余尿的增加与结缔组织/平滑肌比值增高显著相关[10]。肌束间和肌束内胶原沉积与BOO梗阻程度正相关,也预示着接受手术解除膀胱流出道梗阻后患者排尿功能恢复可能不良。

BOO还会引起尿路上皮功能障碍,既往其被视为血液和尿液之间被动机械屏障,但已有证据表明,它在调节屏障对水或其他溶质渗透性方面发挥重要作用,可阻止尿路致病菌的定植,且是所谓的膀胱“感觉网络”的一部分[5]。尿路上皮因其形态上可发生适应性改变,又被称为移行上皮,我们可观察到在其内又可分为3层,即通常被称为“伞状细胞”的顶端层、中间层以及直接与基底膜相邻的基底层,这些细胞的排列在BOO中基本保持不变,但是中间层细胞似乎形态上变小,数量上变多,这可部分归结于尿路上皮中细胞增殖的增强,这种上皮应对损伤的再生潜力,可使上皮更替时间由365d减少为1～2d[5]。尿路上皮功能的损伤可通过多种途径诱发下尿路症状,“渗漏”的尿路上皮(对尿素或钾离子等溶质渗透性增加)被认为是导致储尿期下尿路症状的原因之一[11]。膀胱功能信号传导,各种介质及其受体的数量改变,可能影响传入神经,局部血流供应和逼尿肌收缩功能,此外血—尿屏障,是先天免疫中重要的固有屏障,其功能受损可能导致尿路感染并诱发相应症状[5]。

2、分子机制

有关BOO分子机制的研究有很多,这些数据基于体外细胞培养模型、动物模型或患者组织样本,学者们从信号通路、基因表达、表观遗传等不同方面阐述了BOO背后的分子机制。有学者对膀胱与心脏平滑肌在重塑过程中共同的信号通路进行了研究,尽管两者结构和功能不同,但是两个器官都对病理性压力超负荷做出了反应,并导致细胞肥大、纤维化重塑以及最终的收缩力丧失。2个皆被设计来经历反复充盈和排空周期循环的器官,虽然并非所有实验观察结果都能类推至另一器官,但当它们面临液体流出受阻时,却表现出惊人相似的细胞或分子机制层面的改变[12]。这进一步表明了,在BOO导致的纷多临床症状背后,可能有着潜在的统一的分子机制。

2.1介质与受体系统

尿路上皮通过释放不同介质对化学和物理刺激做出反应,随后这些介质不仅能以自分泌及旁分泌的方式与尿路上皮细胞相互作用,而且可以与传入神经发生相互作用,这些介质及其受体在BOO中呈现不同的改变。尿路上皮是非神经胆碱能系统的一部分,其受体分布于尿路上皮、间质细胞、膀胱传入神经及逼尿肌细胞中,与对照组相比BOO患者的胆碱乙酰基转移酶表达降低,负责释放乙酰胆碱的有机阳离子转运蛋白表达降低,但负责再摄取功能的胆碱转运蛋白不受影响[13]。大鼠模型中,BOO与毒蕈碱(muscarinic)M2和M3受体表达增强相关,但在BOO患者的研究中仅表明了M2受体表达增加,且与逼尿肌压力正相关,另一项针对伴有逼尿肌过度活动(detrusoroveractivity,DO)患者尿路上皮研究中,毒蕈碱受体亚型(M1～M5)的mRNA含量无明显变化[14]。有研究主张烟碱型(nicotinic)乙酰胆碱受体与BOO引起的功能障碍相关,特别是受体中alpha3和alpha7亚型,这些受体在大鼠BOO模型中表达上升[15],可能与膀胱收缩间隔和压力相关,也有研究表明N型乙酰胆碱alpha9亚型在mRNA水平上无明显变化,而在蛋白水平表达增加,而alpha7、10亚型无这种现象[14]。β3肾上腺素能受体可能与膀胱传入神经信号传导受损相关,还可能与膀胱容量相关,但在不同研究中结果未统一[5]。尿路上皮在伸缩时会释放三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP),ATP不仅作用与组织中嘌呤能受体P2X和P2Y,改变其他介质水平,还作用于神经纤维和固有层间质细胞中受体,良性前列腺增生患者中ATP释放增加,可能是受到P2Y受体家族中P2Y6的影响,而在大鼠BOO模型和患者标本中,P2X3都呈现过表达[16]。血管紧张素Ⅱ可能具有潜在的调节膀胱收缩和细胞生长的功能,在生理条件下大鼠尿路上皮几乎不存在血管紧张素Ⅱ1型受体,但在大鼠BOO模型中其强表达且与排尿频率呈正相关[17]。内皮素(endothelin,ET)受体ETA和ETB及其配体ET-11存在于膀胱中,ETA受体可能与血管收缩以及平滑肌细胞有丝分裂相关,ETB相反会促进血管舒张,在兔BOO模型中,ETA和ET-1表达增加,提示他们在逼尿肌不稳定发病机制中可能发挥作用。在膀胱中,瞬时受体电位香草酸亚型1(transientreceptorpotentialvanilloid1,TRPV1)可能被大量兴奋冲动激活,导致细胞内钙离子浓度增加,ATP和NO的释放,并引起瞬时电流[18]。在大鼠BOO模型和特发性膀胱过度活动症患者中,其在尿路上皮细胞中过度表达,而TRP家族中的TRPV4可能介导膀胱内机械压力的传导,且在大鼠BOO模型过度表达,非特异性的TRPV4阻滞剂可导致膀胱收缩间隔延长[18]。神经生长因子(nervegrowthfactor,NGF)负责维持膀胱感觉和自主神经的功能,其表达可能与传入神经信号输入相关,进而促进排尿反射,导致逼尿肌过度活动,其表达增高与排尿频率增加相关[19]。

2.2缺氧与氧化应激通路

缺氧在BOO中可以参与调节血管生成、细胞增殖和细胞外基质重塑的信号通路。人膀胱平滑肌细胞暴露在缺氧条件下时,缺氧诱导因子(hypoxiainduciblefactor,HIF)1α和血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)表现出明显的时间依赖性上调,缺氧72h后,HIF1α达到峰值,而缺氧24h后VEGF的产生增加了2倍,并且这种增加以时间依赖性的方式持续。HIF-1α和HIF-2α的转录表达呈时间依赖性的增加,并在短期缺氧(2～24h)内短暂上调,HIF-3α基因和蛋白在缺氧72h后显著表达,而此时HIF-1α和HIF-2α已逐渐趋向恢复至正常氧浓度时的表达水平[20]。HIF和VEGF的上调已经在下尿路症状患者标本中得到验证,逼尿肌组织中HIF-1α和碳酸酐酶Ⅸ(缺氧的另一种细胞标志物)比对照组表达更高,HIF-1α主要在肌束之间的基质细胞和黏膜下结缔组织中表达,且其应答以时间依赖的方式受到限制[21]。在BOO病程小于10年的男性患者中,HIF-1α引起免疫反应的可能性4倍于那些BOO病程大于10年的患者,提示膀胱在前几年中可以维持代偿,而随后这种对适应性改变的应答会下降,此外,发生过尿潴留的患者中发现高表达HIF-1α的可能性更高[21]。因良性前列腺增生导致BOO患者中,VEGF呈明显过表达,且在具有动脉粥样硬化危险因素的患者中VEGF的上调尤为明显[1]。在体外细胞培养模型中,人膀胱SMCs在缺氧条件仍能维持活力不发生细胞死亡,但其细胞增殖显著降低。缺氧导致人膀胱SMCs去分化,如α-平滑肌肌动蛋白、波形蛋白、结蛋白表达增加,并呈现纤维化表型。促纤维化的变化包括SMAD2、3,结缔组织生长因子基因表达上调,以及胶原蛋白1～4型、纤连蛋白等表达增加[20]。胶原蛋白1型转录水平在整个过程中呈匀速增加,并最终在72h达到最大值约为12倍;胶原蛋白2型转录水平在72h增加了4倍;胶原蛋白3型在72h约增加了5倍;胶原蛋白4型可增加了近8倍。总的分泌胶原蛋白在缺氧条件下24h后已达到对照组的2倍,其值随时间继续保持增长。缺氧同时也会诱导强烈的炎症反应,导致如TNFα、IL-1β、IL-6等急性期响应炎症蛋白表达增加,而抗炎细胞因子如IL-10转录水平持续下降[20]。缺氧是否不通过上述2种途径直接导致膀胱收缩功能受损还待进一步研究。

2.3MicroRNA介导途径

MicroRNA(miRNA)是一类长度约22个核苷酸的非编码RNA分子,可通过剪切或抑制靶向基因mRNA翻译来调控转录后蛋白表达水平,通常成熟miRNA的经典分子机制主要是与mRNA的3’UTR区进行结合进而发挥负调控,miRNA参与多种生物学过程并在生物体表达中表现时序性、保守性和组织特异性[22,23]。miR-145是正常大鼠膀胱中第四高表达的miRNA,也可能是人类膀胱中最高表达的miRNA,研究表明miR-143/145敲除小鼠可导致去氧肾上腺素诱导的动脉收缩受损、动脉血压降低和自发性内膜损伤,但不同于动脉与气道收缩力的严重受损,小鼠膀胱逼尿肌的收缩力大致保持不变,这可能是由于膀胱中存在代偿机制,如通过调节钙离子敏感性的Rho相关激酶1表达的增加[23]。根据既往研究,miR-29家族可抑制纤维化,在许多促纤维化的条件下表达降低,在大鼠BOO模型中,miR-29b和miR-29c在梗阻形成10d后,降低了约50%,而miR-29可被BOO模型中激活的SMAD3,c-Myc信号通路抑制,miR-29c抑制剂可改变如胶原蛋白、纤维蛋白、层粘连蛋白、弹性蛋白的表达[23]。这提示在出现梗阻时,抗纤维化作用的降低会促进细胞外基质沉积增加组织刚度,进而抵抗进一步的器官形变扩张,这是机体应对增加的机械应力的常见方式。miR-1在心肌细胞中的过表达可能导致心脏扩张受损,同时在骨骼肌和心肌中由阻力上升引起超负荷收缩会导致它的降低,在大鼠BOO模型中,miR-1表达减少可能代表其在逼尿肌肥厚增生中发挥作用[23]。miR-132/212在心脏参与心肌肥大的发展,在BOO模型中其明显上调且具有逼尿肌组织特异性,在人逼尿肌SMCs培养体外模型中miR-132/212减少细胞生长,且其抑制剂可具有反向作用。miR-30因其靶向结缔组织生长因子,且与SMAD磷酸化和BOO期间效应蛋白表达增加相关,被认为在BOO中发挥功能性作用。miR-221可能通过抑制细胞周期抑制剂p27Kip1和p57Kip2,在BOO模型中发挥促进细胞增殖作用,值得注意的是在梗阻形成之后,促进增殖和抑制增殖的miRNA都发生了变化,这表明通过相反的影响对生长的微调是生物学中反复出现的主题[23]。在一项对大鼠BOO模型与对照组差异表达miRNA的生物信息学研究中,差异表达的miRNA功能富集于如细胞外基质受体相互作用、细胞黏附分子、细胞骨架、有丝分裂激活蛋白激酶和TGF-β信号通路。

3、动物模型

由于对人体器官的研究(包括早期临床试验)广泛受到伦理道德及法律等各方面的限制,动物模型对于研究此类疾病依旧具有不可替代的作用。BOO多由良性功能性疾病导致,因此相比较肿瘤等恶性疾病格外缺少临床患者标本。多种动物模型被用于下尿路的研究,这些模型帮助我们更好地认识疾病进展过程及分子机制,也包括潜在的药物开发及其对药物治疗的反应。但是不管是应用何种动物模型得出的结论,都应该谨慎地推广至临床应用,患者是否可能从中受益需要经过严格验证。为了更准确地描述动物模型的诱导效果,学者们多采用膀胱出口部分梗阻(partialbladderoutletobstruction,pBOO)定义来与完全性的BOO做区别。目前为止,pBOO动物模型应用最广泛的动物物种是大鼠(且以雌性大鼠为主),最普遍采用的诱导方法仍旧是外科手术方式。

Shaw等[24]报道了在猪pBOO的模型中,根据无线电遥测尿动力学检查,显示了排尿时间延长,排尿压力增高以及膀胱顺应性的降低,还可检测到膀胱增强的自发相活动,尽管部分用于人体的设备可以相对轻易地改造应用于猪的模型,但由于其不易操作且耗时耗费,目前有关于猪pBOO模型的研究大大减少。基于狗pBOO模型多种手术方式得到了研究[25],在新生幼犬中还探究了膀胱输尿管固有层及肌层的胶原沉积。近期来,猪或狗此类大型哺乳动物,多数用于新手术方式、器械和组织工程技术的研究和探索[26]。兔膀胱的收缩性与人膀胱十分相似[27],在兔pBOO模型中,其主要特征为膀胱重量增加,膀胱顺应性降低,以及约30%出现逼尿肌过度活动,这与临床上良性前列腺增生导致的BOO所致改变相似。兔pBOO模型还显示了雌激素给药可以部分减轻BOO诱导的氧化应激[28],以及膀胱平滑肌细胞数量的增加而非体积的改变导致了总体肌肉含量的上升。豚鼠的离体pBOO模型膀胱被广泛应用于形态和功能机制的研究,并表明了结构和收缩性与意识控制排尿密切相关[29],而膀胱中存在的Cajal样间质细胞与壁内神经相关,目前尚不清其具体调控机制,但其在豚鼠pBOO模型中数量增加。在豚鼠中,pBOO还表现为膀胱神经密度、感觉神经支配、总抗氧化能力、谷胱甘肽和谷胱甘肽还原酶的减少[30]。

大鼠模型仍是在研究pBOO相关发病机制及治疗中,最常用的动物模型。雌性大鼠因其解剖学特点,如相较于雄鼠尿道短直且尿道外口便于暴露,往往有助于进行导尿和测量操作,因此广泛应用于病理生理及分子机制的基础研究。大鼠pBOO模型揭示了膀胱上皮及肌层细胞发生了多种适应性的改变[26,31]。目前缺乏成熟的基因编辑大鼠,给进一步的深入研究造成了一定的阻碍。因此有研究者采用转基因或基因敲除小鼠,以更深入的探究疾病背后的调控机制。有学者发现,雌激素敏感遗传背景下的雄性转基因小鼠在2个月时出现腹股沟疝,9～10个月时出现严重BOO,并保持了100%的外显率[32]。这些小鼠将逐渐由肾积水、肾功能衰竭发展至尿毒症,并最终死亡[32]。Kanno等[33]探究了白介素-1β(IL-1β),胰岛素生长因子-1(IGF-1)和转化生长因子-β(TGF-β)水平在雌性野生型C57/BL6小鼠及白介素-1β基因敲除小鼠的表达,并进行了组织形态学的分析,发现白介素-1β可能在pBOO中诱导膀胱重塑及损害正常的膀胱尿动力学。目前此类研究尚不多,随着分子生物学和基因编辑技术的进展,可能会出现更先进的基因编辑pBOO动物模型。

4、治疗进展

BOO本质上是有多种不同原因导致具有相同临床症状和病理生理过程的疾病,其治疗往往依赖于对原发病因的干预,包罗了许多常见的涉及泌尿外科下尿路疾病,其核心在于解除膀胱出口的梗阻,常见的方式包括药物治疗和各种外科手术。其诊断多依赖于尿流动力学,且由于其通常为慢性进展性良性疾病,患者的重视程度较为不足且对疾病的认知十分欠缺。相较于对BOO机制的研究,BOO治疗的研究进展不足,尤其是缺少可“药物化”的靶点。如何解除梗阻对于临床医生来说可能有很多可供选择的“武器设备”,但膀胱功能的损伤,以及随着病程进展很可能不可逆的膀胱重塑(包括尿路上皮、逼尿肌及细胞外基质的改变),是接下来受人们关注的重点。检索国际上最大的临床试验注册中心(https://clinicaltrials.gov/),可以发现目前仅有27项研究与BOO相关,其数量远远少于如肿瘤等恶性疾病。目前除解除梗阻及控制下尿路症状之外,尚无很好的治疗方法恢复膀胱正常功能。在这27项临床试验中,排除诊断性和单纯观察性试验,主要研究方向是良性前列腺增生患者合并BOO。如果将目光投向潜在的转化研究,萝卜硫素(sulforaphane)可通过调节BOO大鼠中MMP-1和TIMP-1的表达并降低胶原蛋白Ⅰ/Ⅲ型的表达来抑制胶原沉积,并改善膀胱顺应性[34]。β3-肾上腺素受体激动剂在针对男性下尿路症状和BOO时显示了一定的效果[35],同时β2-肾上腺素受体在一项基于体外细胞培养模型的新研究中展现了比β3更主导的作用[36],可能为BOO治疗提供新的方向。多种抗氧化剂被认为具有治疗BOO的潜在可能,尽管氧化应激在BOO导致的膀胱功能障碍中发挥非常重要作用且有大量研究报道支持,目前抗氧化药物的作用尚未得到证实[37]。一项基于大鼠BOO模型的蛋白质组学研究发现了355种差异表达的蛋白,其中有35种细胞外蛋白有望成为用于诊断的分子标记物,同时也为潜在的药物靶点提供了筛选依据[38]。

5、总结

在过去30多年来,对BOO的研究一直处在不断的发展中,尽管人们对于这种疾病的理解已经得到了很大的加深,未来仍有许多问题值得我们进一步探究[39,40]。在分子机制方面,除了经典的信号通路,如表观遗传及其他非编码RNA分子机制值得研究者探索,更可靠的基因编辑小鼠或大鼠BOO模型可能在未来带来新的发现,最重要的是,当流出道梗阻得到解除后如何恢复患者正常膀胱功能及寻找可转化的潜在药物靶点研究将是人们关注的重点。

参考文献：

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