王照地 趙永輝

心肌纖維化是指心肌組織中細胞外基質合成和降解失衡而導致細胞外基質過度沉積,是許多心血管疾病發(fā)展到一定階段的重要的病理學過程。心臟成纖維細胞在心肌纖維化的發(fā)生和發(fā)展過程中起著關鍵作用[1]。當心臟受到炎癥、缺血、缺氧、機械牽張等病理刺激后,在各種促纖維化細胞因子的作用下,心臟成纖維細胞增殖活化為肌成纖維細胞,分泌細胞外基質的能力增強,促使心肌纖維化的形成。有研究表明,無論在體內還是在體外,心房成纖維細胞對纖維化損傷的反應都比心室成纖維細胞更大[2－3]。近年來,研究發(fā)現心房和心室成纖維細胞的行為及其參與心肌纖維化的形成過程存在一定的差異,但具體的分子機制仍然未知。筆者綜述近幾年心房和心室成纖維細胞與心肌纖維化差異的研究進展。

1 心房與心室成纖維細胞的行為差異

心房和心室特異性基因表達存在于心臟的整個發(fā)育過程及病變的心肌中[2,4],差異表達的基因與心臟重塑有關。心房中表達較高的基因有編碼轉錄因子的基因、細胞骨架基因、細胞外基質分子及代謝相關分子等[4]。心室中表達較高的有心室肌球蛋白輕鏈、肌動蛋白和肌球蛋白的異構體、LIM 結構域蛋白及同源盒基因等[4]。另外,基因芯片技術發(fā)現心房和心室成纖維細胞之間有225個差異表達的基因,包括參與細胞外基質形成、細胞信號轉導、細胞結構和代謝相關的基因等[2]。Burstein等[2]首次對犬的心房和心室成纖維細胞進行直接比較,發(fā)現心房和心室成纖維細胞之間的行為存在系統(tǒng)性差異。與心室成纖維細胞相比,心房成纖維細胞更容易發(fā)生形態(tài)學轉變。充血性心力衰竭(CHF)時,心房成纖維細胞的分裂率明顯增加。并且與心室成纖維細胞相比,心房成纖維細胞中血小板衍生生長因子(PDGF)及其α受體(PDGFRα)的表達更高,CHF 進一步增強了這種差異,表明PDGF是導致房室成纖維細胞差異的潛在因素[2]。另外,在無血清培養(yǎng)的條件下,心房和心室成纖維細胞的增殖沒有區(qū)別,但在各種生長因子或細胞因子[如胎牛血清、PDGF、血管緊張素Ⅱ、內皮素-1和轉化生長因子-β1(TGFβ1)等]的誘導下,心房成纖維細胞的增殖反應大于心室成纖維細胞[2]。同樣,在血清誘導的條件下,人心房成纖維細胞的增殖速率也始終高于同期培養(yǎng)的心室成纖維細胞[5]。

研究發(fā)現,心房和心室中TGF-β1受體的分布或表達沒有差異,但與心室成纖維細胞相比,心房成纖維細胞對TGFβ1的反應更強,表現出更大的纖維化反應[6－7]。用TGF-β處理培養(yǎng)的大鼠心房和心室成纖維細胞,發(fā)現心房成纖維細胞中透明質酸,CD44,信號轉導子與轉錄激活子3(STAT3)和膠原的表達明顯高于心室成纖維細胞[3]。

2 心房與心室成纖維細胞對不同致心肌纖維化因子的反應差異

2.1 TGF-β與PDGF TGF-β是纖維化的主要介質,在心房纖維化中起著重要作用[3,6－7]。TGF-β以三種異構體的形式存在于哺乳動物體內,包括TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3,可通過相同的細胞表面受體發(fā)出信號并作用于共同的細胞靶標。TGF-β受體為細胞表面的跨膜糖蛋白,分別為TGFβ受體I(TβRI)、TGF-β受體Ⅱ(TβRⅡ)和TGF-β受體Ⅲ(TβRⅢ)。研究表明,TGF-β致纖維化的機制主要是通過TGF-β/Smads信號通路的激活[8]。TGF-β1 被激活和釋放后,分別與細胞膜表面的TβRII和TβRI結合,形成受體復合物,作用于Smad蛋白引起一系列磷酸化反應,無活性的Smad蛋白2、3、4形成復合物后移入靶細胞核,通過適當的調節(jié)區(qū)域調節(jié)與纖維化有關的基因表達,促進纖維化的發(fā)生。TGF-β1可介導通過TβRI、TβRⅡ和經典Smad途徑發(fā)生的選擇性心房纖維化,即心房和心室纖維化的不同反應發(fā)生在TGF-β1受體結合或磷酸化水平[7]。除了經典的Smad途徑,CD44/STAT3信號轉導在介導TGF-β誘導的細胞外基質沉積和心房纖維化中也起著重要作用,并且可獨立于Smad3發(fā)揮作用[3]。

另外,PDGF 在心房和心室成纖維細胞中表達有差異[2],其信號通路可刺激心臟成纖維細胞增殖并活化為肌成纖維細胞從而參與心肌纖維化的形成[9]。STAT 是潛在的轉錄激活因子,對細胞增殖起著重要作用,Janus激酶(Janus kinase,JAK)-STAT 信號通路參與多種心血管疾病的形成[10]。研究發(fā)現,在室性心動過速(VT)誘發(fā)CHF 犬和心肌梗死(MI)導致左室功能障礙的小鼠模型中發(fā)生了明顯的心房重構[11]。CHF 犬出現了心房選擇性纖維化,并且PDGF 的亞型PDGFA/C/D、PDGF 受體β (PDGFRβ)、PDGF 信號傳導下游效應器JAK2 和磷酸化的STAT3(p-STAT3)的表達均呈現心房選擇性上調。另外,PDGF 刺激房室成纖維細胞后心房成纖維細胞中PDGFRα、STAT3、p-STAT3及膠原Ⅰ和纖維連接蛋白1(FN1)的表達增加,心室成纖維細胞卻未出現明顯的變化,且JAK2抑制劑AG-490、PDGF受體抑制劑AG 1296和STAT3抑制劑S3I-201可抑制p-STAT3和膠原表達上調,更進一步證實了PDGF 在心房成纖維細胞中激活JAK-STAT 系統(tǒng)的能力[11]。心肌梗死后左室功能障礙小鼠出現了嚴重的左房纖維化,S3I-201對左室重構無明顯影響,卻明顯減弱了左房纖維化[11]。因此,PDGF可通過JAK-STAT 信號激活介導心房成纖維細胞的活化并增強細胞外基質蛋白的產生,并且JAK-STAT的激活是心房選擇性的,對心房成纖維細胞的行為具有調節(jié)作用,可作為選擇性預防心房纖維化的潛在靶標[11]。

2.2 氧化應激 氧化應激與心房顫動等多種心血管疾病密切相關,并且在心房纖維化的發(fā)生過程中起著重要作用。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOXs)通過產生活性氧(ROS)已經成為心房氧化應激的主要來源[6]。NOXs有五種異構體組成,分別為NOX1、NOX2、NOX3、NOX4和NOX5。其中,NOX2和NOX4是心肌中NOXs的主要同工型,在心臟成纖維細胞中均有表達。TGF-β1可刺激NOX4衍生的ROS產生,從而激活心臟成纖維細胞,促進纖維化的發(fā)生。與心室成纖維細胞相比,TGF-β1可刺激心房成纖維細胞表達更多的NOX4,源自NOX4的ROS通過TGF-β1/Smad信號的激活介導了心房成纖維細胞對TGF-β1的敏感性,表明NOXs和Smad信號之間存在串擾,并且NOX4在介導房室成纖維細胞的差異方面起著關鍵作用[6]。

2.3 利鈉肽系統(tǒng) 利鈉肽系統(tǒng)是重要的自分泌、內分泌、旁分泌系統(tǒng),主要由心房利鈉肽(ANP)、B型利鈉肽(BNP)、C型利鈉肽(CNP)組成,通過與利鈉肽受體(NPR)結合,引起細胞內環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)依賴性第二信使信號級聯反應,介導利鈉肽在心臟成纖維細胞中發(fā)揮抗肥大和抗纖維化作用[12]。NPR 有三種不同的類型,分別為NPR-A、NPR-B 和NPR-C,其中NPR-A 結合ANP和BNP;NPR-B結合CNP;NPR-C是清除受體,通過結合并內化利鈉肽將其從循環(huán)系統(tǒng)中清除[12]。心臟中大部分利鈉肽信號是通過NPR-A 發(fā)生的,NPR-A 在心房和心室中的表達都比較豐富,但是NPR-C在心房和心室中的表達卻有明顯的不同。

Rahmutula等[13]通過分析野生型(Wt)小鼠,結果發(fā)現與心室相比,NPR-C 在心房中的表達水平更高,進一步對Wt及NPR-C基因敲除(NPR-C-KO)小鼠進行橫主動脈縮窄(TAC)研究,發(fā)現與Wt-TAC 組相比,NPR-C-KO-TAC組小鼠的心房纖維化基因表達明顯降低。另外,為了進一步研究參與TGF-β1誘導纖維化的NPR-C 調節(jié)的分子途徑,研究者將分離培養(yǎng)的成年小鼠的原代房室成纖維細胞暴露于TGF-β1中,發(fā)現心房成纖維細胞中NPR-C、FN1和膜蛋白的表達水平明顯高于心室成纖維細胞,用小分子干擾RNA(siRNA)敲降NPR-C,導致由TGF-β1誘導的房室成纖維細胞中p-Smad2和膠原Ⅰ的表達顯著減少,并且心房成纖維細胞減少更明顯[13]。NPR-C缺乏降低了心房成纖維細胞中膠原蛋白的產生及由TGF-β1誘導的心房纖維化的形成,NPR-C在房室成纖維細胞中差異表達,并且在介導房室成纖維細胞對TGF-β1刺激的纖維化的差異反應中起著重要的作用[13]。NPR-C敲除可能會通過增加局部利鈉肽的濃度,抑制TGF-β1的促纖維化途徑,然而,有研究卻呈現出了不同的結果。Egom 等[14]采用超聲心動圖、膜片鉗、定量聚合酶鏈反應和組織學等方法對Wt和NPR-C-KO 小鼠的心臟結構和功能進行評估,結果發(fā)現Wt小鼠NPR-C 在竇房結和心房中的表達明顯高于左室,與Rahmutula等[13]的研究結果相同。NPR-C-KO 小鼠竇房結功能障礙,心房心肌結構重塑和纖維化導致房性心律失常增加,然而其心室纖維化或室性心律失常卻未見明顯不同,表明NPR-C 在心臟中起著保護作用,且該作用具有明顯的房室特異性差異[14]。以上兩個研究結果顯示出NPR-C 對心房纖維化的矛盾作用,可能與兩者研究的側重點及方法不同有關。前者主要研究NPR-C在TAC和TGF-β1誘導房室成纖維細胞的促纖維化模型中影響纖維化的機制,而后者主要關注竇房結的功能,并未研究NPR-C對纖維化模型的作用。

3 預防和緩解心肌纖維化藥物的房室特異性差異

針對心肌纖維化的發(fā)病機制,使用相應的抑制劑可用于治療心肌纖維化,其中常見的有腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)抑制劑、他汀類藥物等。另外,中醫(yī)藥也可用于輔助治療心肌纖維化。研究發(fā)現,與RAAS相關的血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEIs)和血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑(ARBs)均具有抗心肌纖維化的作用[15－16],醛固酮受體拮抗劑依普利酮能夠顯著緩解小鼠的心房纖維化[17]。氧化苦參堿可通過抑制Smad蛋白2、3、4的表達來抑制醛固酮誘導的大鼠心臟成纖維細胞的增殖和分化,有助于緩解心肌纖維化[18]。楊梅素是一種天然的植物類黃酮,存在于多種植物中,可抑制由TGF-β誘導的心臟成纖維細胞的活化、增殖及分泌功能,在抗心肌纖維化方面也起著重要作用[19]。目前尚未發(fā)現上述RAAS抑制劑及中醫(yī)藥是否可差異性地作用于房室成纖維細胞,然而,研究卻發(fā)現他汀類藥物可選擇性地作用于心房成纖維細胞,從而特異性地改善心房纖維化。

他汀類藥物是羥甲基戊二酰輔酶A(HMG-Co A)還原酶抑制劑,是治療心血管疾病的常用藥物,可用于降低血漿膽固醇,還可用于抑制心臟成纖維細胞增殖,改善心臟重塑等[20]。Rizvi等[5]首次對人的心房和心室成纖維細胞進行研究,發(fā)現與心室成纖維細胞相比,血清誘導的人心房成纖維細胞中細胞周期蛋白A、D、E 的DNA 合成速度更快以及m RNA 表達水平更高。辛伐他汀可顯著降低心房纖維細胞中細胞周期蛋白的DNA 合成和mRNA 水平來抑制其細胞周期進程,并通過增加G0/G1期細胞來抑制心房成纖維細胞增殖,而對心室成纖維細胞則無明顯影響。與心室成纖維細胞相比,人心房成纖維細胞具有較高的增殖能力,并且對辛伐他汀介導的通過HMG-Co A 還原酶途徑的抑制作用更為敏感,甲羥戊酸可優(yōu)先消除這種抑制作用。另外,研究還發(fā)現另外一種H MG-Co A 還原酶抑制劑阿托伐他汀對人心房和心室成纖維細胞增殖的抑制作用同樣具有明顯的差異[5]。

4 總結

心肌纖維化是多種心臟疾病發(fā)展到一定階段的重要的病理學改變,其發(fā)病機制復雜,可涉及多方面的因素,如各種生長因子、細胞因子、機械應力、炎癥和氧化應激等,并且心臟成纖維細胞在心肌纖維化過程中起著重要作用。心房和心室纖維化過程有著許多共同的機制,然而某些機制在心臟成纖維細胞中卻具有明顯的房室特異性差異。明確心房和心室成纖維細胞在心肌纖維化過程中的差異對于預防過度的心房纖維化具有重要的意義。