生長分化因子15與心血管疾病的研究進(jìn)展

葉慶虎,張 恒

生長分化因子15(grow th differentiation factor 15,GDF15)是轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)超家族成員之一,GDF15參與了腫瘤的發(fā)生和發(fā)展,調(diào)控腫瘤的生長,抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移[1]。近來研究發(fā)現(xiàn),GDF15還是一個(gè)重要的心血管保護(hù)因子,與心血管系統(tǒng)疾病密切相關(guān),現(xiàn)將其研究進(jìn)展綜述如下。

1 GDF15概述

1997年Bootcov MR首次報(bào)道了一種新的轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β超家族成員),當(dāng)時(shí)命名為巨噬細(xì)胞抑制因子(macrophage inhibitory cytokine-1,M IC-1)[2],以后又命名為前列腺源性因子,前列腺分化因子,胎盤轉(zhuǎn)化生長因子-β(p lacental transform ing grow th factor-β),GDF15。GDF15是P53基因調(diào)節(jié)的分泌蛋白,在P53激活的情況下顯著表達(dá),而且與TGF-β不同的是血清和血漿中的含量無血細(xì)胞依賴性而更加穩(wěn)定和易于檢測。

在正常人體內(nèi),GDF15表達(dá)具有明顯的組織特異性,在胎盤和前列腺中高表達(dá),在腎臟和胰腺中可檢測到表達(dá),在其他組織和器官中表達(dá)量很低或幾乎不表達(dá)[1]。但其在多種病理狀態(tài)下,例如前列腺癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、胰腺癌等,GDF15在腫瘤部位表達(dá)顯著上調(diào),并被證明可以作為結(jié)腸癌、胰腺癌、前列腺癌血清早期診斷標(biāo)志物[3-5]。當(dāng)心臟處于多種病理狀態(tài),如后負(fù)荷升高刺激,缺血/再灌注損傷時(shí),GDF15在心肌細(xì)胞迅速誘導(dǎo)高表達(dá),成熟的GDF15蛋白被分泌到細(xì)胞外,與心肌細(xì)胞表面TGF-β家族受體結(jié)合,激活A(yù)KT,SMAD等下游信號通路,反饋抑制心肌的損傷[6-7]。

GDF15具有十分典型的TGF-β超家族的特點(diǎn):GDF15的前原蛋白含308個(gè)氨基酸,N端含有12個(gè)氨基酸長的疏水性信號肽,中間(193-196位氨基酸PXXR)為保守的蛋白酶水解位點(diǎn),C端含有保守的胱氨酸結(jié)結(jié)構(gòu)域[8]。GDF15前原蛋白經(jīng)過fruin樣蛋白酶切后成為112氨基酸的成熟蛋白,并作為二硫鍵鏈接的同源二聚體被分泌出細(xì)胞,通過旁分泌和自分泌執(zhí)行基因功能[9]。

GDF15基因位于19913.1-13.2,此區(qū)域也是前列腺癌易患基因區(qū)域[10]。GDF15基因由一個(gè)含1820bp的內(nèi)含子和兩個(gè)外顯子組成[11,12]。成熟GDF15是二聚體,分子量約24KDa,其氨基末端含有兩個(gè)半胱氨酸殘基和包括跨越約80個(gè)氨基酸殘基的含7個(gè)半胱氨酸的高度保守區(qū)域,此區(qū)域包繞大部分成熟蛋白[13],與其他的TGF-β超家族成員不同,成熟GDF15的分泌不需要前肽[14],由于編碼GDF15成熟蛋白六號位上氨基酸的殘基存在G-C點(diǎn)置換,導(dǎo)致其氨基酸由組氨酸(H)置換為天冬氨酸(D),故將GDF15分為D型和H型兩種基因表型,H和D兩種等位基因的發(fā)生頻率分別為HH 54%,HD 39%,DD7%,但不同基因型患者的GDF15血清含量沒有明顯差異性[15]。

2 GDF15與心血管疾病

2.1 GDF15與動(dòng)脈粥樣硬化 動(dòng)脈粥樣硬化是嚴(yán)重危害人類健康的常見病,主要累及彈力型動(dòng)脈(如主動(dòng)脈)彈力肌型動(dòng)脈(如冠狀動(dòng)脈、腦動(dòng)脈),其病變主要在動(dòng)脈內(nèi)膜。動(dòng)脈粥樣硬化的形成機(jī)制至今尚未完全明了。其學(xué)說很多,但近年來被普遍接受的是損傷應(yīng)答和炎癥學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為,巨噬細(xì)胞通過產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)而參與動(dòng)脈粥樣硬化病變的形成,如產(chǎn)生IL-1,PDGF和TNF,這些因子促進(jìn)斑塊發(fā)展,誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞遷移,從而導(dǎo)致血管損傷。Brown等[16]利用圈定性的病例對照實(shí)驗(yàn)研究GDF15在婦女動(dòng)脈粥樣硬化中的作用,在27 628例最初健康的婦女中,選定257例隨后4年發(fā)生心肌梗死、中風(fēng)或死于心血管事件的病例組和257例年齡匹配,有吸煙史,在隨后4年中未報(bào)道有心血管事件的婦女為對照組,結(jié)果表明前者基線濃度顯著高于后者,前者血清GDF15濃度大于90個(gè)百分點(diǎn)(＞856 pg/m L),患者心血管病的風(fēng)險(xiǎn)增加2.7倍(95%CI 1.6～4.9,P＜0.01),雖然GDF15血清濃度與傳統(tǒng)的危險(xiǎn)因素IL-6,CRP等相關(guān),但其仍為婦女患動(dòng)脈粥樣硬化等心血管事件的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。

巨噬細(xì)胞分泌多種細(xì)胞因子,在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成過程中發(fā)揮重要作用,動(dòng)物模型中,P53的表達(dá)上調(diào)誘導(dǎo)斑塊的不穩(wěn)定,GDF15在活化的巨噬細(xì)胞中被激活并反饋抑制巨噬細(xì)胞的活化,GDF15是P53的重要下游基因,可被P53所誘導(dǎo),發(fā)揮廣泛的細(xì)胞調(diào)控作用。GDF15可能在動(dòng)脈粥樣硬化的斑塊中由活化的巨噬細(xì)胞生成,分泌到血清中,參與了動(dòng)脈斑塊的形成[16]。

2.2 GDF15與急性胸痛 對于急性胸痛患者的快速評估一直是一個(gè)挑戰(zhàn),除了病史和體檢,對急性胸痛患者的評估主要依靠心電圖變化和心肌壞死標(biāo)志物(如肌鈣蛋白等),當(dāng)不正常時(shí),預(yù)示不良事件風(fēng)險(xiǎn)的增加[17,18]。對于急性胸痛患者的不良后果,GDF15提供了強(qiáng)大的獨(dú)立的預(yù)測信息,超越了傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)志物如心電圖,肌鈣蛋白。GDF15可作為急性胸痛患者早期分流和治療決策的工具,但在醫(yī)療資源利用、衛(wèi)生保健費(fèi)用、患者資料管理策略等方面的作用,GDF15需要在未來試驗(yàn)中證實(shí)[19]。

2.3 GDF15與急性冠脈綜合征 根據(jù)患者發(fā)病時(shí)心電圖ST段抬高與否,可分為ST段抬高急性冠脈綜合征和非ST段抬高急性冠脈綜合征。Wollert等[20]研究認(rèn)為,對于非ST段抬高急性冠脈綜合征,血清GDF15濃度顯著升高,GDF15可作為預(yù)測再梗死的獨(dú)立因素,在非ST段抬高急性冠脈綜合征的超急性階段,GDF15只有輕微升高,GDF15不能預(yù)測心肌的損傷程度,在心肌缺血至少7 d,GDF15濃度才持續(xù)升高。非ST段抬高急性冠脈綜合征呈現(xiàn)高水平GDF15得益于血運(yùn)重建,而正常GDF15水平的非ST段抬高急性冠脈綜合征則不然[21]。Kemp f等[22]研究ST抬高急性心肌梗死患者溶栓治療效果的預(yù)測價(jià)值,隨著GDF15水平的升高,死亡風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增加,在ST段抬高急性心肌梗死患者中,除了臨床和生化指標(biāo),GDF15可提供預(yù)后信息,是一個(gè)新的生物標(biāo)志物。

2.4 GDF15與心肌缺血/再灌注損傷 心肌持續(xù)缺血導(dǎo)致組織損傷和細(xì)胞死亡,早期再灌注能夠減輕心肌缺血的損傷程度,但是大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床觀察表明,再灌注后在改善心肌供血的同時(shí)又加重了單純心肌缺血所造成的損傷,出現(xiàn)心律失常、梗死面積擴(kuò)大、持久性心室收縮功能低下等表現(xiàn)。

冠脈再灌注是急性心肌梗死治療的首要目標(biāo)[23]。心肌通過合成生長因子和細(xì)胞因子來適應(yīng)心肌缺血/再灌注損傷,這些內(nèi)在的適應(yīng)性機(jī)能開辟了新的途徑來限制缺血/再灌注損傷[24]。兩個(gè)小鼠模型中,一個(gè)永久結(jié)扎冠狀動(dòng)脈,另一個(gè)瞬間結(jié)扎再灌注,以模擬臨床心肌梗死患者不接受或接受再灌注治療,結(jié)果顯示:永久缺血和短暫缺血再灌注均導(dǎo)致了小鼠心肌GDF15m RNA和Pro-pep tide表達(dá)量的劇增,與此相類似,急性心肌梗死患者GDF15 Pro-pep tide的表達(dá)水平也升高,免疫組化顯示,在心肌梗死患者的心臟中缺血區(qū)域心肌細(xì)胞產(chǎn)生大量的GDF15,內(nèi)源性GDF15限制心肌組織的損害,從而保護(hù)心肌缺血/再灌注損傷[25]。

2.5 GDF15與心力衰竭 在小鼠心力衰竭模型中,心臟GDF15水平升高[6]。心衰患者血清GDF15濃度升高,因此可考慮將GDF15作為心力衰竭的一個(gè)標(biāo)志物,但必須指出的是GDF15不是心肌特異性因子,例如,胰腺腫瘤患者GDF15血清含量可高達(dá)1 000 ng/L[26]。Kempf等[27]對455例慢性心力衰竭患者GDF15水平的研究表明,GDF15與紐約心功能分級,NT-proBNP呈正相關(guān),與左室射分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān),GDF15是預(yù)測慢性心力衰竭患者死亡風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)新的生物標(biāo)志物,為慢性心力衰竭患者提供了預(yù)后信息。Kemp f等[28]在153例慢性心力衰竭組與429例健康老年人對照組的研究中發(fā)現(xiàn),慢性心力衰竭組GDF15血清濃度明顯高于對照組(P＜0.001),雖然慢性心力衰竭組年齡較對照組大且包含了較多的男性,但這些差別不能解釋兩組GDF15濃度3.6倍的差距。GDF15水平只隨年齡增長有輕微升高,與性別無明顯關(guān)系。

2.6 GDF15與心肌肥厚 心肌肥厚是心臟功能失調(diào)的一種常見表現(xiàn),當(dāng)心臟受到生理或病理因素的刺激時(shí),為維持正常的泵血功能,心臟將會(huì)出現(xiàn)代償性的肥厚或擴(kuò)張。心肌肥厚的病理學(xué)特征是心肌細(xì)胞增粗,變長,心臟重量增加,心臟左或右心室出現(xiàn)肥厚,當(dāng)病變繼續(xù)發(fā)展,肥大的心肌因供血不足而收縮力下降,發(fā)生失代償,臨床上出現(xiàn)心力衰竭,心律失常,以至猝死。高血壓、主動(dòng)脈瓣狹窄、心肌病等是常見的引起心肌肥厚的病因。

GDF15參與了心肌肥厚的發(fā)生和發(fā)展。GDF15在人和小鼠的正常心臟中不表達(dá),但在多種小鼠心肌肥厚模型,如主動(dòng)脈狹窄手術(shù)誘導(dǎo)后負(fù)荷增加的心肌肥厚模型中,GDF15基因在心臟誘導(dǎo)表達(dá)。GDF-15具有抑制心肌肥厚的保護(hù)作用,與野生小鼠相比,主動(dòng)脈狹窄手術(shù)后,GDF15轉(zhuǎn)基因小鼠的心臟體重比的增加顯著減小,而與此相反,GDF15基因敲除小鼠心臟體重比的增加幅度顯著大于野生型小鼠[6]。

Bj?rnstad等[29]研究了22個(gè)主動(dòng)脈瓣狹窄置換術(shù)患者,觀察術(shù)前和術(shù)后2 d,6個(gè)月,12個(gè)月的GDF15水平,結(jié)果顯示,GDF15水平術(shù)后2 d即升高,GDF15在左室重塑、心肌肥厚中扮演著重要角色。

GDF15在心肌肥厚中被誘導(dǎo)高表達(dá),自分泌/旁分泌作用于心臟,通過激活SMAD通路抑制心肌肥厚,SMAD的抑制因子SM AD6/7逆轉(zhuǎn)了GDF15的抑制心肌肥厚效應(yīng)[6]。

3 結(jié) 語

GDF15是TGF-β超家族成員之一,GDF15在損傷、炎癥、凋亡、細(xì)胞生存、腫瘤演進(jìn)等過程中被誘導(dǎo)表達(dá),發(fā)揮抗炎、促凋亡或抗凋亡、抑制腫瘤生長等作用,同時(shí),GDF15還是心血管保護(hù)因子,GDF15水平在心力衰竭,動(dòng)脈粥樣硬化、急性冠脈綜合征的患者中顯著升高,GDF15可作為急性胸痛患者早期危險(xiǎn)分層的工具,GDF15可保護(hù)心肌缺血/再灌注損傷。進(jìn)一步確定GDF15的臨界值,評估如何跟蹤標(biāo)記治療進(jìn)程中GDF15水平的變化和臨床地位,看它能否有助于臨床決策,這些都需要在未來試驗(yàn)中證實(shí)。

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