GDF-15與動脈粥樣硬化

吳劍鋒 ,張 敏 ,李 元 綜述,曾高峰 ,唐朝克 審校

(1.南華大學(xué)心血管病研究所,動脈硬化學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生命科學(xué)研究中心;2.南華大學(xué)附屬第二醫(yī)院心血管內(nèi)科,湖南衡陽4210012)

生長分化因子-15(Growth differentiation factor-15,GDF-15)屬于轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族成員之一,又稱為巨噬細(xì)胞抑制因子-1(Macrophage inhibiting cytokine-1,MIC-1),或者胎盤轉(zhuǎn)化生長因子 β(placental transforming growth factor beta,PTGF-β),或稱非甾體類抗炎藥物活化基因-1(Non-steroidal anti-inflammatory drug-activated gene,NAG-1)。流行病學(xué)調(diào)查及實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn),循環(huán)中GDF-15不僅與調(diào)控細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[1]等密切相關(guān),同時(shí)在心血管疾病,如心衰、缺血/再灌注損傷[2]、動脈粥樣硬化[3,4]等的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用,是心血管系統(tǒng)疾病中極具研究前景的生物標(biāo)志物。隨著人類生活水平的提高,動脈粥樣硬化(Atherosclerosis,As)等缺血性心臟病發(fā)病逐年增加,嚴(yán)重危害人類身心健康。動脈粥樣硬化是一種多因素參與的慢性復(fù)雜性疾病[5,6],其中巨噬細(xì)胞膽固醇超負(fù)荷和血管壁炎癥反應(yīng)是其發(fā)生發(fā)展的兩個重要環(huán)節(jié),并且兩者之間可相互促進(jìn)[7],引起細(xì)胞發(fā)生一系列病理生理改變并最終促進(jìn)動脈粥樣硬化斑塊形成。因此,降低巨噬細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過量蓄積和抑制血管壁炎癥反應(yīng)是防治動脈粥樣硬化的重要措施?；贕DF-15在動脈粥樣硬化進(jìn)展中的復(fù)雜作用,本文重點(diǎn)就GDF-15結(jié)構(gòu)、功能、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及其與動脈粥樣硬化關(guān)系的最新研究做一綜述,以期為動脈粥樣硬化治療提供新的理論依據(jù)和藥物作用靶點(diǎn),推動動脈粥樣硬化治療策略的發(fā)展。

1 GDF-15的生物學(xué)特征

1.1 GDF-15的結(jié)構(gòu)與表達(dá)

GDF-15于1997年由澳大利亞研究人員[1]在人U937單核細(xì)胞株中分離獲得,基因定位于染色體19p12-13.1,由2個外顯子和1個內(nèi)含子組成,成熟的GDF-15蛋白分子量約25 kDa,是一種二硫鍵連接的二聚體分泌蛋白。多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)控內(nèi)源性GDF-15的表達(dá)、分泌和儲存,從而調(diào)節(jié)其生理和病理狀態(tài)下的生物功能,正常生理?xiàng)l件下,GDF-15在胎盤和前列腺組織高表達(dá),而其他組織器官,例如心臟僅少量表達(dá)[1,8],但對細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激信號敏感,如缺氧、炎癥、急性組織損傷、光信號等,會刺激GDF-15大量表達(dá)[9,10]。

1.2 GDF-15信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

GDF-15在心血管疾病、炎癥應(yīng)答以及調(diào)控細(xì)胞凋亡等多方面發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng),有關(guān)的信號傳導(dǎo)通路有 PI3K/Akt,ERK1/2以及 SMAD2/3等[11]。早在2004年,研究人員發(fā)現(xiàn)動脈硬化斑塊中有大量GDF-15表達(dá),可能參與氧化應(yīng)激及慢性炎癥反應(yīng)調(diào)控[12],但具體作用分子機(jī)制不清楚[13,14]。Kempf T.等研究發(fā)現(xiàn),在心肌缺血/再灌注過程中主要通過依賴氮氧亞硝酸鹽類化合物促進(jìn)GDF-15表達(dá)上調(diào),從而減少心肌細(xì)胞凋亡[2]。在急性心肌梗死后小鼠動物實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),GDF-15可抑制白細(xì)胞整合素激活或干擾趨化因子信號傳導(dǎo)改善小鼠預(yù)后[15]。在心力衰竭患者,心臟超負(fù)荷條件下可誘導(dǎo)GDF-15表達(dá),通過SMAD2/3蛋白信號途徑,可保護(hù)心肌細(xì)胞在壓力超負(fù)荷時(shí)的心肌重構(gòu)[16],而另一方面,GDF-15水平持續(xù)升高,會增加心力衰竭患者死亡的風(fēng)險(xiǎn)[17]。

2 GDF-15在動脈粥樣硬化中的作用

2.1 GDF-15可作為心血管疾病新的生物標(biāo)志物

細(xì)胞因子在動脈粥樣硬化等病變的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色[18],GDF-15作為TGF-β超家族成員之一,具有多重生物學(xué)功能,參與心血管疾病、炎癥反應(yīng)等方面,其血清水平有望作為在心血管疾病尤其在冠心病等診斷和預(yù)后的判斷指標(biāo)[19,20]。臨床上,GDF-15可作為預(yù)測急性冠脈綜合征(Acute coronary syndrome,ACS)患者發(fā)病過程及預(yù)后的判斷指標(biāo),ACS患者外周循環(huán)血中 GDF-15濃度低于1200 ng/L相對危險(xiǎn)較低,而當(dāng)濃度超過1800 ng/L則與增加死亡率、心肌梗死再發(fā)生相關(guān)[21,22]。

2.2 GDF-15的抗動脈粥樣硬化效應(yīng)

血管壁的慢性炎癥反應(yīng)與脂質(zhì)代謝紊亂是動脈粥樣硬化發(fā)生和發(fā)展過程中的兩個重要特征[23-25]。動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病的觀點(diǎn)越來越受到重視[26-28],首先富含脂質(zhì)的脂蛋白經(jīng)氧化修飾后沉積在動脈血管壁內(nèi),促進(jìn)炎癥細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、淋巴細(xì)胞等趨附并釋放炎癥因子,損傷血管內(nèi)皮,血管內(nèi)皮損傷導(dǎo)致局部炎癥細(xì)胞如巨噬細(xì)胞等的浸潤、活化,釋放多種生物活性因子,啟動炎癥反應(yīng),另一方面巨噬細(xì)胞吞噬、降解修飾的脂蛋白,產(chǎn)生巨噬細(xì)胞源性泡沫細(xì)胞,最終導(dǎo)致動脈粥樣硬化斑塊形成。但是動脈粥樣硬化斑塊的形成受多種因素影響,機(jī)制很復(fù)雜,目前尚無確切學(xué)說能全部解釋這些病理因素。

隨著對動脈粥樣硬化發(fā)病機(jī)理認(rèn)識的逐漸深入,越來越多的研究指向細(xì)胞因子,發(fā)現(xiàn)其在動脈粥樣硬化斑塊微環(huán)境中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。在這些細(xì)胞因子中,TGF-β超家族成員與血管炎癥反應(yīng)密切相關(guān)[29]。GDF-15是TGF-β超家族中的一員,活化的巨噬細(xì)胞分泌的促炎因子,如白介素1β(Interleukin-1β,IL-1β)、腫瘤壞死因子 α(Tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)以及巨噬細(xì)胞集落刺激因子(Macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)等,可誘導(dǎo)GDF-15快速表達(dá),GDF-15作為自分泌調(diào)控因子,參與調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞活性和炎癥反應(yīng),影響動脈粥樣硬化進(jìn)程[1],但相應(yīng)膜受體蛋白及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路至今未明確,可能通過利用TGF-β受體Ⅱ(TGF-β RⅡ)抑制CCR2介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞趨化,緩減血管壁炎癥反應(yīng)[30]。Fairlie WD等研究發(fā)現(xiàn),重組GDF-15能抑制脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞TNF-α的產(chǎn)生,提示GDF-15參與調(diào)節(jié)細(xì)胞炎癥反應(yīng)[31]。在低密度脂蛋白受體敲除動脈粥樣硬化小鼠模型中,GDF-15表達(dá)缺陷的小鼠動脈粥樣硬化斑塊中巨噬細(xì)胞蓄積增多,導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定以及細(xì)胞粘附分子表達(dá)增多,從另一角度揭示了GDF-15可能通過減少巨噬細(xì)胞蓄積以及黏附分子的表達(dá),從而發(fā)揮抑制動脈粥樣硬化作用。顏毅等[4]研究發(fā)現(xiàn),在冠狀動脈擴(kuò)張與冠狀動脈粥樣硬化不同病理階段,GDF-15水平存在顯著差異,提示GDF-15可能是冠狀動脈擴(kuò)張抵抗動脈粥樣硬化分泌的保護(hù)性因子。氧化型低密度脂蛋白(Ox-LDL)能夠加速細(xì)胞的凋亡,體外培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞經(jīng)ox-LDL處理后顯著促進(jìn)GDF-15表達(dá),免疫組織化學(xué)分析顯示頸動脈粥樣硬化斑塊中同樣有GDF-15的表達(dá)[12]。靶向敲除小鼠GDF-15基因表達(dá)可提高心肌梗死后心臟破裂發(fā)生的幾率,同時(shí)增加梗死區(qū)域多形核白細(xì)胞的聚集[15],GDF-15表達(dá)缺陷會促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生,其作為活化巨噬細(xì)胞的產(chǎn)物之一,提示其在動脈粥樣硬化病變發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。

外周血中脂質(zhì)過高尤其是膽固醇蓄積增多,沉積在動脈血管壁,影響血管內(nèi)皮細(xì)胞功能,誘發(fā)單核/巨噬細(xì)胞趨化并吞噬過量脂質(zhì)形成泡沫細(xì)胞,內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂在動脈粥樣硬化斑塊形成中起重要作用。GDF-15通過激活PI3K/Akt/eNOS通路抑制高糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,改善內(nèi)皮細(xì)胞功能,因而維持血管內(nèi)皮細(xì)胞的正常生理功能對抑制動脈粥樣硬化的發(fā)生具有重要作用[32]。Johen H.等研究發(fā)現(xiàn),高脂喂養(yǎng)的載脂蛋白E基因敲除動脈粥樣硬化模型小鼠,過表達(dá)GDF-15水平后,觀察到動脈粥樣硬化斑塊面積較前縮小,而斑塊復(fù)合物中的促炎或抗炎因子生成,血脂水平等無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[3,4],提示GDF-15參與動脈粥樣硬化保護(hù)作用。De Jager S.C.等研究證實(shí),敲除低密度脂蛋白受體的高脂喂養(yǎng)小鼠模型,GDF-15在動脈粥樣硬化病變的不同時(shí)期所起的作用不同,從而影響動脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定性[30]。在缺血/再灌注心肌梗死動物模型實(shí)驗(yàn)中,與野生型正常小鼠相比,GDF-15表達(dá)缺陷的小鼠心肌梗死面積擴(kuò)大,心肌細(xì)胞凋亡數(shù)增加,而加入重組的GDF-15處理后可減少心肌細(xì)胞的凋亡,說明GDF-15具有保護(hù)心肌細(xì)胞防止細(xì)胞缺血/再灌注損傷的作用[2]?？傊?GDF-15在動脈粥樣硬化方面具有抑制作用,可能通過抑制巨噬細(xì)胞活性,緩解血管壁炎癥反應(yīng),改善內(nèi)皮細(xì)胞功能,延緩動脈粥樣硬化進(jìn)程,但GDF-15在脂質(zhì)代謝方面的研究甚少,有待更多更進(jìn)一步的深入研究。

3 問題與展望

目前關(guān)于GDF-15作用的研究大多集中在調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡,抑制腫瘤增生等領(lǐng)域,而其在心血管疾病領(lǐng)域尤其動脈粥樣硬化的研究進(jìn)展緩慢,GDF-15在抑制巨噬細(xì)胞蓄積,調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)以及可能參與脂質(zhì)代謝平衡等方面的作用,有可能作為防治心血管疾病特別是動脈粥樣硬化的潛在靶點(diǎn)。對作為一個評估與管理心血管系統(tǒng)疾病的生化指標(biāo),盡管現(xiàn)在已有部分動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)其在As斑塊中的有益作用,但具體作用機(jī)制仍未明確。隨著研究的進(jìn)一步深入,我們必將更加全面、更加準(zhǔn)確地了解GDF-15的生理及各種病理狀態(tài)下所表現(xiàn)的功能調(diào)控機(jī)制,并最終為動脈粥樣硬化等心腦血管疾病的臨床診斷、預(yù)防和治療提供新的策略和藥物靶點(diǎn)。

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