康 伊，張 艷

(1.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，沈陽 110032； 2.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，沈陽 110032)

心力衰竭的主要誘因為左心室血流過載或由急性心肌梗死引發(fā)的心肌損傷。血流負(fù)荷過重導(dǎo)致高血壓并引發(fā)心肌肥大，而心肌梗死初期導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡并引發(fā)殘余心肌細(xì)胞的代償性增大，最終產(chǎn)生纖維化和左心室擴(kuò)張。因此，由血流壓力過載和缺血引發(fā)的心臟重構(gòu)過程是不同的。雖然誘因不同，但心臟重構(gòu)均與一系列交感神經(jīng)系統(tǒng)激活和細(xì)胞因子釋放有關(guān)。轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)很早就被發(fā)現(xiàn)在心力衰竭患者中表達(dá)上調(diào)，這一現(xiàn)象在各種心力衰竭動物模型中從心肌補償性肥大到心力衰竭階段均被再次觀察到[1]。分子生物學(xué)實驗表明，TGF-β信號通路參與心力衰竭發(fā)展的各種過程，包括心肌肥大、心肌纖維化、心肌凋亡、炎癥和心肌干細(xì)胞的分化[2]。雖然TGF-β信號通路廣泛參與了心力衰竭過程，但全面抑制TGF-β信號通路并不能對阻止心力衰竭產(chǎn)生積極影響：在主動脈狹窄后注射TGF-β Ⅰ 型受體抑制劑SM16雖然能減少心肌纖維化和心肌功能失調(diào)，但卻加劇了左心室擴(kuò)張和炎癥反應(yīng)并導(dǎo)致患者死亡率升高[3]；同時在心肌梗死后給予可溶性TGF-β Ⅱ 型受體也可通過降低免疫反應(yīng)導(dǎo)致致死率升高?，F(xiàn)就TGF-β信號通路在心力衰竭中的作用予以闡述。

1 TGF-β信號通路概述

TGF-β信號通路主要通過TGF-β蛋白配體與特異性的異源四聚體受體(由TGF-βⅠ型受體和TGF-βⅡ型受體組成)結(jié)合并激活其絲氨酸/蘇氨酸激酶活性，進(jìn)而轉(zhuǎn)導(dǎo)信號[4]。TGF-βⅠ型受體和TGF-βⅡ型受體均是單次跨膜的受體蛋白，分別由胞外配體結(jié)合域和胞內(nèi)絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域組成，其中Ⅰ型受體包含7個蛋白[激活素受體樣激酶(activin receptor like kinase，ALK)1～ALK7]，ALK5也稱為TGF-βⅠ型受體；而Ⅱ型受體家族由5個蛋白(TGF-βⅡ型受體、骨形成蛋白受體Ⅱ、激活素受體ⅡA、激活素受體ⅡB等)組成[4]。Ⅰ型受體中的TGF-βⅠ型受體/ALK5和ALK1與Ⅱ型受體中的TGF-βⅡ型受體主要介導(dǎo)TGF-β配體的信號通路，而ALK1/2/3/6和Ⅱ型受體中的骨形成蛋白受體Ⅱ、激活素受體ⅡA/B主要介導(dǎo)骨形成蛋白配體信號通路[5-7]。通常TGF-β配體主要結(jié)合TGF-βⅡ型受體二聚體和TGF-βⅠ型受體二聚體的復(fù)合物，并促使TGF-βⅡ型受體磷酸化TGF-βⅠ型受體的GS結(jié)構(gòu)域，激活TGF-βⅠ型受體的絲/蘇氨酸激酶活性，進(jìn)而磷酸化下游的轉(zhuǎn)錄因子Smad2和Smad3[8]。磷酸化Smad2和Smad3與Smad4結(jié)合轉(zhuǎn)入細(xì)胞核內(nèi)，與轉(zhuǎn)錄共激活因子p300和CREB結(jié)合蛋白一起激活TGF-β信號通路的靶基因，或通過轉(zhuǎn)錄共抑制因子c-Ski(sloan-kettering institute proto-oncogene)和SnoN(ski-related novel gene N)抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄[8-9]。同時，在內(nèi)皮細(xì)胞中TGF-β配體還可以結(jié)合ALK1和TGF-βⅡ型受體復(fù)合物，進(jìn)而磷酸化激活Smad1/5/8轉(zhuǎn)錄因子，與Smad4結(jié)合轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控不同于Smad2/3/4復(fù)合物的靶基因轉(zhuǎn)錄。

除ALK5-Smad2/3或ALK1-Smad1/5/8的經(jīng)典信號通路外，TGF-β還可通過非經(jīng)典的信號通路(即非依賴Smad信號通路)調(diào)控心臟重構(gòu)。TGF-β通過TGF-βⅡ型受體可以直接磷酸化激活TGF-β激活激酶1(transforming growth factor-β-activated kinase 1，TAK1)，進(jìn)而激活下游的c-Jun、c-Jun氨基端激酶和p38磷酸激酶。此外，TGF-β還可以激活胞外信號調(diào)節(jié)激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶和小G蛋白激酶，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞凋亡、線粒體功能和微RNA表達(dá)，最終影響心肌收縮功能和心肌纖維化[10]。

2 TGF-β信號通路通過調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞功能誘導(dǎo)心力衰竭

TGF-β信號通路對內(nèi)皮細(xì)胞功能的影響是多向性的，內(nèi)皮細(xì)胞表面主要表達(dá)TGF-βⅠ型受體/ALK5受體，但同時也表達(dá)ALK1受體，且只在高水平TGF-β配體存在時結(jié)合。而ALK5和ALK1這兩個不同的Ⅰ型受體介導(dǎo)了不同的內(nèi)皮細(xì)胞功能。因為ALK5和ALK1對誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)的作用截然相反，由此形成TGF-β信號通路對內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移及血管新生的復(fù)雜影響[11]。

TGF-β信號通路的抗血管新生作用主要由TGF-βⅡ型受體和ALK5受體介導(dǎo)。持續(xù)在內(nèi)皮細(xì)胞中過表達(dá)ALK5將抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移，并促進(jìn)血漿纖溶酶原激活物抑制劑1表達(dá)；而使用ALK5特異性小分子抑制劑SB-431542，將刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖和體外血管形成[12]。TGF-β-ALK5信號抑制血管新生的作用也被諸多體內(nèi)實驗所證實[13-15]，敲除TGF-β1、TGF-βⅠ型受體/ALK5受體或TGF-βⅡ型受體的小鼠均由于卵黃囊血管叢形成異常而死于胚胎期10.5 d左右[16]。體外和體內(nèi)實驗均證實，TGF-β-ALK5信號通路能夠維持內(nèi)皮細(xì)胞處于靜息狀態(tài)且對血管網(wǎng)絡(luò)成熟是必需的[17]。

TGF-β信號通路對血管新生的促進(jìn)作用主要通過TGF-β-ALK1-內(nèi)皮糖蛋白(Endoglin)信號通路實現(xiàn)，TGF-β通過結(jié)合TGF-βⅡ型受體、ALK1和Ⅲ型受體Endoglin可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和管腔形成[18]，且利用腺病毒穩(wěn)定表達(dá)ALK1也可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和形成內(nèi)皮細(xì)胞管腔狀結(jié)構(gòu)。研究顯示，ALK1可存在于質(zhì)膜微囊結(jié)構(gòu)中與窖蛋白1相互作用，促進(jìn)ALK1-Smad1/5/8信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而抑制ALK5-Smad2/3信號通路[19]。在小鼠胰腺癌模型中，雜合型ALK1+/-小鼠腫瘤中的血管密度降低[20]。以上證據(jù)表明，ALK1信號通路與促進(jìn)血管形成和保持內(nèi)皮細(xì)胞激活狀態(tài)有關(guān)。

Endoglin在內(nèi)皮細(xì)胞中高度表達(dá)，并在平衡TGF-β信號通路促進(jìn)或抑制血管新生過程中扮演重要角色[21]。其能夠促進(jìn)TGF-β-ALK1-Smad1/5信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活，從而抑制TGF-β通過ALK5磷酸化激活Smad2/3[22]。敲除Endoglin的純合子小鼠在胚胎期11.5 d死亡，并表現(xiàn)出卵黃囊和胚胎血管形成缺陷，表明Endoglin在胚胎期在促進(jìn)血管形成中有重要作用[23]。

在心力衰竭病理進(jìn)展過程中，內(nèi)皮細(xì)胞中的TGF-β信號通路主要通過TGF-β-ALK1-Endoglin信號通路增加血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和血管緊張素轉(zhuǎn)換酶、內(nèi)皮素等內(nèi)皮因子的分泌，導(dǎo)致血管舒縮活性改變，最終引發(fā)心肌肥大和心臟重構(gòu)，從而加劇心力衰竭的病理進(jìn)展[24]。

TGF-β信號通路除對內(nèi)皮細(xì)胞具有調(diào)控作用外，還對周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)具有濃度依賴的調(diào)控作用。適中濃度的TGF-β刺激VSMCs可以促進(jìn)其增殖并誘導(dǎo)血小板衍生生長因子的表達(dá)，但高濃度的TGF-β會抑制VSMCs的增殖，且提高Smad3的蛋白水平可以促使高濃度TGF-β的抑制作用轉(zhuǎn)化為促進(jìn)作用[25]。高濃度TGF-β對VSMCs的增殖抑制主要通過非經(jīng)典TGF-β信號通路實現(xiàn)，其誘導(dǎo)G0/G1期細(xì)胞阻滯需要依賴p38促分裂原活化的蛋白激酶信號通路的活性[26]。當(dāng)血清剝奪后，TGF-β既可誘導(dǎo)也能抑制VSMCs細(xì)胞凋亡，這取決于VSMCs的細(xì)胞生理狀態(tài)，如細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用。此外，TGF-β還可通過誘導(dǎo)神經(jīng)鈣黏素的表達(dá)抑制VSMCs遷移，并通過調(diào)節(jié)RhoA蛋白活性調(diào)控VSMCs的肌動蛋白細(xì)胞骨架[27]。

同時，TGF-β信號通路也可誘導(dǎo)VSMCs的分化，顯著誘導(dǎo)α平滑肌肌動蛋白、鈣調(diào)節(jié)蛋白1和VSMC1A等VSMCs分化特異性基因的表達(dá)[28]。TGF-β誘導(dǎo)這些特異性基因表達(dá)主要依賴Smad2和Smad3，以及血清應(yīng)答因子和心肌蛋白共同作用。其誘導(dǎo)VSMCs分化主要通過激活Smad2/3和p38促分裂原活化的蛋白激酶，而RhoA激酶在此過程中發(fā)揮重要作用，抑制RhoA激酶活性可以阻止TGF-β誘導(dǎo)的VSMCs分化。體內(nèi)外實驗表明，敲除或使用小分子抑制劑干擾Smad2/3功能均能顯著抑制VSMCs增殖、遷移和下調(diào)肌肉收縮靶基因表達(dá)[29]。而VSMCs的分化影響和控制了血管的直徑及血流動力學(xué)變化，最終導(dǎo)致血管血流過載，加重心臟的負(fù)擔(dān)，誘發(fā)心臟重構(gòu)和慢性心力衰竭。

3 TGF-β-TAK1信號通路通過促進(jìn)心肌肥大誘導(dǎo)心力衰竭

TGF-β在心力衰竭過程中起促進(jìn)心肌肥大、心肌凋亡和心肌纖維化的作用，其中TAK1主要介導(dǎo)了TGF-β促進(jìn)心肌肥大的作用。在動物主動脈狹窄模型中，TAK1的表達(dá)顯著上調(diào)，過表達(dá)TAK1的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出心肌肥大的表型[30]。且在血管緊張素Ⅱ誘發(fā)心肌細(xì)胞肥大的體外實驗中，利用小干擾RNA敲減TAK1可以顯著阻止血管緊張素Ⅱ引發(fā)的心肌肥大，而敲減Smad2/3不能逆轉(zhuǎn)這一過程，表明Smads通路并不介導(dǎo)血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的心肌肥大病理過程[31]。在細(xì)胞水平上，肥大的心肌細(xì)胞表面積與重量比明顯下降，而細(xì)胞表面的胞膜是Na+-Ca2+離子轉(zhuǎn)運的必經(jīng)部位，因此細(xì)胞表面積與體積比降低導(dǎo)致細(xì)胞表面Ca2+轉(zhuǎn)運能力減弱，細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平降低，從而影響心肌細(xì)胞收縮能力，使心肌細(xì)胞長期功能低下，最終引發(fā)心力衰竭[32]。

此外，TAK1還具有抗程序性死亡和抗壞死的作用。在TGF-β刺激下，TAK1可以結(jié)合受體相互作用蛋白1，進(jìn)而阻止受體相互作用蛋白1與其他死亡信號通路關(guān)鍵蛋白的相互作用，如抑制受體相互作用蛋白1與胱天蛋白酶8和RIP3的結(jié)合，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死減少[33]。

4 TGF-β信號通路通過促進(jìn)心肌纖維化加劇心力衰竭

心肌纖維化是心力衰竭的重要誘因，幾乎發(fā)生于所有心力衰竭患者中，其可以促進(jìn)室壁僵硬程度增加、心肌細(xì)胞比例減少，進(jìn)而導(dǎo)致收縮障礙和電偶聯(lián)障礙。心肌纖維化可分為填空型纖維化和修復(fù)型纖維化，其中填空型纖維化不伴隨心肌細(xì)胞的丟失，而修復(fù)型纖維化常發(fā)生在心肌梗死后并導(dǎo)致纖維斑塊的形成[34]。心肌纖維化形成與局部TGF-β表達(dá)水平升高密切相關(guān)，如心肌肥大、擴(kuò)張型心肌病、主動脈狹窄均能誘導(dǎo)TGF-β1表達(dá)水平升高[35]。利用基因工程小鼠可以研究不同TGF-β通路組成部分對心肌纖維化和心力衰竭的作用。在小鼠肝臟中，過表達(dá)TGF-β1配體可以導(dǎo)致血液循環(huán)系統(tǒng)中TGF-β1水平升高，進(jìn)而引發(fā)小鼠心肌肥大和填空型纖維化[36]；而在敲除TGF-β1基因的小鼠或注射中和TGF-β1抗體的野生型小鼠中，血流過載引發(fā)的膠原纖維積累損傷明顯減弱，進(jìn)而改善心肌擴(kuò)張失能現(xiàn)象。且通過表達(dá)可溶性的TGF-βⅡ型受體抑制TGF-β信號通路可以抑制心肌纖維化并改善心肌功能，而通過表達(dá)失活型TGF-βⅡ型受體抑制TGF-β信號通路雖然也能改善心肌纖維化，但卻導(dǎo)致左心室擴(kuò)張和擴(kuò)張性功能失調(diào)[37]。此外，使用小分子抑制劑抑制ALK5的活性可同時改善心肌纖維化和心肌功能[38]。

同時，TGF-β信號通路Ⅲ型受體Endoglin也參與了心肌纖維化：過表達(dá)Endoglin的轉(zhuǎn)基因小鼠可以增強血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的心肌纖維化，而注射可溶性Endoglin能有效抑制主動脈狹窄引發(fā)的心肌纖維化，并延緩心力衰竭的發(fā)生[39]。此外，在左心室中過表達(dá)非編碼RNA微RNA-208a能增加Endoglin的表達(dá)，進(jìn)而在血流過載時誘發(fā)心肌肥大[40]；而雜合子Endoglin+/-轉(zhuǎn)基因小鼠在右心室血流過載后，心肌纖維化水平和死亡率均降低[41]。與Ⅲ型受體功能一致，Smad3缺失可以在左心室血流過載發(fā)生后降低填空型纖維化并表現(xiàn)出細(xì)胞外膠原沉積減少，而在缺失Smad3基因的纖維細(xì)胞中TGF-β信號誘導(dǎo)的成肌纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化和膠原纖維合成均明顯受到抑制[42]。心肌纖維化可使心肌細(xì)胞外基質(zhì)中的Ⅰ型和Ⅲ型膠原沉積，進(jìn)而導(dǎo)致心肌細(xì)胞間興奮電偶聯(lián)失活，心肌細(xì)胞整體協(xié)作性和收縮性下降，最終導(dǎo)致心臟重構(gòu)和心力衰竭。且心肌細(xì)胞纖維化還能加重殘余心肌細(xì)胞負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致殘余心肌細(xì)胞出現(xiàn)代償性增大，因此心肌纖維化和心肌肥大常協(xié)同出現(xiàn)[43]。

除心肌纖維化外，TGF-β信號通路還對血流過載引發(fā)的心肌肥大具有重要作用。在先天性心肌肥大患者中，TGF-β1蛋白水平明顯升高，與此一致的是TGF-β1配體過表達(dá)轉(zhuǎn)基因小鼠也表現(xiàn)出心肌細(xì)胞肥大的特征。TGF-β1誘導(dǎo)的心肌肥大與β腎上腺素受體的密度過高相關(guān)，而使用β腎上腺素受體阻斷劑可以治療TGF-β1轉(zhuǎn)基因小鼠的心肌肥大癥狀[44]。此外，血管緊張素Ⅱ也可通過誘導(dǎo)TGF-β1的過表達(dá)引發(fā)心肌肥大，而TGF-β1基因敲除小鼠可以阻止由血管緊張素Ⅱ誘發(fā)的心肌肥大[45]。

5 TGF-β信號通路作為心力衰竭治療靶點的前景

TGF-β信號通路調(diào)控一系列從心肌梗死到血流過載引發(fā)心力衰竭的生理和病理過程，如激活TGF-β信號通路可以在心肌梗死發(fā)生后促進(jìn)切口愈合、促進(jìn)成肌纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)換和誘導(dǎo)血管新生[46]，但延長TGF-β信號活性持續(xù)時間會導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)過度沉積，進(jìn)而影響正常組織結(jié)構(gòu)和功能。臨床研究表明，在心肌梗死發(fā)生前或后立即抑制TGF-β信號通路會導(dǎo)致心肌功能惡化并增加死亡率，而在心肌梗死發(fā)生后24 h抑制TGF-β信號通路會改善心肌功能并降低由心肌梗死引發(fā)的心力衰竭發(fā)病率。

TGF-β信號通路除調(diào)控心肌纖維化和心肌肥大等病理過程外，還參與免疫和炎癥調(diào)控過程，并作為單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的直接招募者。這使得廣泛或完全抑制TGF-β信號通路將產(chǎn)生嚴(yán)重的免疫調(diào)控不良反應(yīng)、血管新生抑制、腫瘤監(jiān)控體系隱患和創(chuàng)傷愈合障礙等嚴(yán)重威脅患者生存質(zhì)量的副反應(yīng)。因此，開發(fā)通過抑制TGF-β信號通路治療心力衰竭的療法必須精確設(shè)計調(diào)控TGF-β信號通路的具體靶點和對交叉領(lǐng)域功能影響的評估，在降低心肌纖維化和改善心肌功能的同時盡量減少其他負(fù)面影響并綜合考慮各方面影響，精確設(shè)計用量和使用時間。目前，隨著大規(guī)?；蚬δ芎Y選技術(shù)的出現(xiàn)，將為尋找精確調(diào)控TGF-β信號通路分子靶點提供技術(shù)支持。相信未來會尋找到既能改善心肌功能、降低心肌纖維化，同時又不影響免疫功能和心肌創(chuàng)傷修復(fù)的TGF-β信號通路精準(zhǔn)調(diào)控因子。

6 小 結(jié)

TGF-β信號通路在心力衰竭的病理過程中發(fā)揮重要作用。其對血管內(nèi)皮細(xì)胞和VSMCs均具有復(fù)雜、濃度依賴的多向性調(diào)控作用，且TGF-β信號通路廣泛參與了從心肌纖維化、心肌肥大到心肌梗死創(chuàng)傷愈合、免疫反應(yīng)等誘導(dǎo)心力衰竭的多個病理過程。目前，開發(fā)具有針對性的TGF-β信號通路抑制劑治療心力衰竭面臨靶點選擇、不良反應(yīng)多元化等困難，但隨著基因編輯、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞等新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，利用成簇規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列及其相關(guān)蛋白9系統(tǒng)鑒定精細(xì)化調(diào)控TGF-β信號通路的藥物靶點和分子，及利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞尋找TGF-β信號通路調(diào)控心肌細(xì)胞分化這兩個方面表現(xiàn)出巨大前景。未來隨著技術(shù)進(jìn)步，將開發(fā)出更多可精確調(diào)控TGF-β信號通路治療心力衰竭的新靶點。