溫寧馨 祖凌云 王貴松 牛杰 張永珍 韓江莉 崔鳴 高煒
急性ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevated myocardial infarction, STEMI)是心血管疾病中的一個(gè)嚴(yán)重臨床類型。臨床上對(duì)于STEMI患者行急診經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(percutaneous coronary intervention,PCI)時(shí),如血栓負(fù)荷較重,通常行血栓抽吸以減少梗死相關(guān)動(dòng)脈(infarctrelated artery,IRA)的慢血流 /無(wú)復(fù)流的發(fā)生[1]。血栓抽吸所得的IRA局部血液為研究心肌梗死血管局部微環(huán)境及活性物質(zhì)提供了 “犯罪現(xiàn)場(chǎng)”的真實(shí)資料。
微粒是從細(xì)胞表面以出芽的方式產(chǎn)生的具有雙層膜結(jié)構(gòu)的微小囊泡,直徑范圍0.4~1μm。微粒膜表面攜帶著大量受體/配體,囊泡內(nèi)含有蛋白、mRNA、microRNA等。微粒可以與靶細(xì)胞通過(guò)受體/配體方式結(jié)合,激活靶細(xì)胞相關(guān)信號(hào)通路;或直接與靶細(xì)胞融合,將自身攜帶的生物活性物質(zhì)轉(zhuǎn)移到靶細(xì)胞內(nèi),影響靶細(xì)胞的生物行為[2]。因此,微粒是介導(dǎo)體內(nèi)病理生理過(guò)程的重要信使。我們團(tuán)隊(duì)的前期研究發(fā)現(xiàn)急性心肌梗死患者行急診PCI術(shù)后血漿中不同來(lái)源微粒隨著心肌梗死時(shí)程的動(dòng)態(tài)變化[3],因此推測(cè)微粒在急性心肌梗死的病理生理進(jìn)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。
microRNA是微粒的重要內(nèi)容物,是一類內(nèi)源性長(zhǎng)度為 22 nt的非編碼小分子RNA。microRNA可以通過(guò)作用于相應(yīng)的靶mRNA調(diào)控基因表達(dá),在許多疾病的發(fā)病機(jī)制中起著重要的調(diào)控作用[4]。microRNA是微粒內(nèi)發(fā)揮病理生理作用的重要組成成分。為了進(jìn)一步明確微粒在急性心肌梗死的病理生理進(jìn)展過(guò)程中的作用,本研究提取了急性心肌梗死血栓抽吸所得的冠狀動(dòng)脈內(nèi)局部血液及外周血樣中的微粒,通過(guò)基因芯片測(cè)序篩選微粒的microRNA表達(dá)譜差異,并對(duì)其功能及可能作用的靶點(diǎn)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),以便為進(jìn)一步深入研究微粒在急性心肌梗死局部微環(huán)境中的病理生理機(jī)制提供線索。
連續(xù)入選2014年6月至2017年6月于發(fā)病12 h 內(nèi)在北京大學(xué)第三醫(yī)院行直接 PCI 的 STEMI患者,按標(biāo)準(zhǔn)Judkins法經(jīng)股動(dòng)脈或橈動(dòng)脈入路行冠狀動(dòng)脈造影檢查,確認(rèn)IRA,根據(jù)造影判定血栓負(fù)荷較重(TIMI血栓分級(jí)≥Ⅱ級(jí))[5],預(yù)計(jì)置入支架前行血栓抽吸的患者(STEMI患者于行急診PCI前入選并填寫知情同意書,如果病情不需要行血栓抽吸,則自動(dòng)退出)。STEMI 的診斷符合中華醫(yī)學(xué)會(huì)心血管病學(xué)分會(huì)2010年《急性ST段抬高型心肌梗死診斷和治療指南》診斷標(biāo)準(zhǔn)[6]。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)患者合并急慢性感染、肝腎功能不全、血液系統(tǒng)疾病、嚴(yán)重出血、自身免疫性疾病、惡性腫瘤、嚴(yán)重創(chuàng)傷、非動(dòng)脈粥樣硬化導(dǎo)致的急性心肌梗死等情況;(2)發(fā)病前服用抗血小板藥物1周以上的患者;(3)非ST段抬高型心肌梗死患者;(4)既往陳舊性心肌梗死者?;颊咄ǔ_M(jìn)行血栓抽吸2~4次,留取血樣10~15 ml,同時(shí)留取外周血樣(橈動(dòng)脈或股動(dòng)脈穿刺部位)10~15 ml。其中5例的血樣用于基因芯片檢測(cè),25例用于其他研究。本臨床研究方案經(jīng)北京大學(xué)第三醫(yī)院臨床試驗(yàn)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)[倫理檔案編號(hào):PUTH-REC-SOP-06-3.0-A27(2013)醫(yī)倫申第(105-3)號(hào)]?;颊呔诤炇鹬橥鈺笕虢M。
1. 2. 1 樣品處理 將血栓抽吸血樣及外周血樣予109 mmol/L枸櫞酸鈉1︰9全血抗凝,4℃暫存;后200 g,15 min離心去血細(xì)胞,并記錄紅細(xì)胞體積;13 800 g,4 min去除剩余血小板,取上清,–80℃分裝凍存。以上操作除離心外,均在無(wú)菌操作臺(tái),且在抽吸后4 h內(nèi)完成。
1. 2. 2 微粒的鑒定和提取 將分裝血清樣品于室溫或37℃迅速溶解。根據(jù)微粒表面帶有AnnexinV及不同母細(xì)胞來(lái)源的標(biāo)記,將微粒標(biāo)以不同熒光標(biāo)記抗體(CD144,CD45,CD41b)以及 AnnexinV 染料雙標(biāo),調(diào)整抗體比例。將500 μl標(biāo)記好抗體及染料的微粒懸液與BD Trucount Tube中的粒子混勻(該粒子在任意熒光通道均可被檢測(cè)到),限定收集粒子數(shù)為1000后,在Beckman Coulter Gallious進(jìn)行微粒數(shù)量及種類絕對(duì)定量。10組樣品分別取200 μl血清,以磷酸鹽緩沖液(PBS)稀釋,100 000 g,60 min 離心,棄上清,分離得到微粒。將微粒用少量PBS沉淀重懸,將樣品吸附在碳包被的銅網(wǎng)上,使用JEM-1400 plus透射式電子顯微鏡確定分離所得微粒保持完整生理結(jié)構(gòu)。按前述方法檢測(cè),分析回收率,記錄數(shù)值,作為后續(xù)試驗(yàn)校正值。
1. 2. 3 樣品總RNA抽提及質(zhì)量檢測(cè) 超速離心所得微粒加入適量Trizol,進(jìn)行充分裂解,裂解后抽提RNA。使用Nanodrop測(cè)定RNA在分光光度計(jì)260 nm、280 nm和230 nm的吸收值,以計(jì)算濃度并評(píng)估純度。甲醛電泳試劑(上??党缮锕こ坦咎峁┻M(jìn)行變性瓊脂糖凝膠電泳,檢測(cè)RNA純度及完整性。
1. 2. 4 microRNA標(biāo)記及芯片雜交 使用miRCURYTM Array Power Labeling kit標(biāo)記樣品?;旌显噭c樣品在16℃避光孵育1 h,標(biāo)記酶將Hy3TM或Hy5TM熒光基團(tuán)標(biāo)記microRNA,可以得到與芯片雜交的熒光探針。將以標(biāo)定之熒光小核酸樣品與2×microRNA 雜交緩沖液(hybridization buffer)混合并加入適當(dāng)體積純水制備樣品。樣品進(jìn)行PCR加熱 95°C,2 min后,以微量吸量管加入一端樣品注入口,注入后用注入口夾子將雜交袋兩端封口。將以注入樣品之芯片置于56°C雜交烘箱中,2 r/min垂直轉(zhuǎn)速,過(guò)夜。充分雜交后,拆開雜交袋將芯片取出,并于預(yù)熱56°C清洗溶液 (buffer A)清洗2 min,buffer B室溫清洗2 min,再進(jìn)行1次buffer B 2 min,25°C后,以buffer C進(jìn)行室溫清洗 2 min,最后用水進(jìn)行短暫清洗再以離心將芯片甩干。
1. 2. 5 數(shù)據(jù)采集及標(biāo)準(zhǔn)化 芯片經(jīng)洗滌后立即使用Axon GenePix 4000 B微陣列掃描儀掃描芯片的熒光強(qiáng)度,并使用GenePix Pro 6.0讀取熒光強(qiáng)度,去除背景后通過(guò)對(duì)每個(gè)探針上的四個(gè)平行點(diǎn)的均值計(jì)算得出綠色熒光信號(hào)的強(qiáng)度,把實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字型數(shù)據(jù)保存。將血栓抽吸血樣及外周血樣共10例樣品的microRNA 表達(dá)量采用中值歸一化法獲得歸一化數(shù)據(jù)到同一數(shù)量級(jí),獲取標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)量(standard expression)。相同的探針取中值合并。保留在所有樣品中均≥30.0的探針,對(duì)全部芯片進(jìn)行中值標(biāo)準(zhǔn)化,篩選差異表達(dá)探針,對(duì)差異表達(dá)microRNA進(jìn)行聚類并繪制聚類圖。
1. 2. 6 靶基因預(yù)測(cè)及功能分析 采用基因芯片分析所得到的具有差異的microRNA,通過(guò)miRanda,mirbase,Targetscan三大收集該物種的靶基因數(shù)據(jù)庫(kù),將三種數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果交集作為獲得這些差異microRNA的靶基因結(jié)果。對(duì)這些差異的microRNA的靶基因使用KOBAS3.0進(jìn)行GO與Pathway,Reactom,Disease注釋。從注釋結(jié)果中挑選部分感興趣的通路,反向?qū)ふ襪icroRNA與靶基因的關(guān)系(microRNA-mRNA對(duì)應(yīng)關(guān)系)最后將所得的基因運(yùn)用cytoscape進(jìn)行作圖。
所有數(shù)據(jù)采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件處理分析。計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(中位數(shù))表示,計(jì)數(shù)資料用占病例的百分比表示。對(duì)于microRNA在血栓抽吸血樣及外周血樣的微粒表達(dá)水平的比較,采用歸一化表達(dá)量=microRNA表達(dá)量/樣品總表達(dá)量×106,若microRNA表達(dá)量為0,則把數(shù)值修正為 0.01;若兩樣品microRNA 表達(dá)量都<1,則此microRNA不能用于差異性表達(dá)分析。數(shù)據(jù)不符合參數(shù)檢驗(yàn)條件,采用配對(duì)樣本的非參數(shù)秩和檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)符合參數(shù)檢驗(yàn)的條件,采用樣本t檢驗(yàn)。 對(duì)于microRNA表達(dá)水平的分層分析,采用獨(dú)立樣本的非參數(shù)秩和檢驗(yàn)。倍比值=log2(抽吸組歸一化表達(dá)量/外周組歸一化表達(dá)量)。當(dāng)倍比值≥1.5且P≤0.05時(shí),認(rèn)為 microRNA 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性表達(dá)。
本研究共入組2014年6月至2017年6月STEMI行血栓抽吸患者30例?;颊咂骄挲g為56歲,男性患者26例(86.7%);合并高血壓病14例(46.7%),高血脂13例(43.3%),糖尿病9例(30.0%);吸煙史19例(63.3%);左心室射血分?jǐn)?shù)降低10例(33.3%);超敏肌鈣蛋白(hs-TnT)增高28例(93.3%),平均值為(4.77±3.31)ng/ml,中位數(shù)為4.74 ng/ml;肌酸激酶(CK)增高26例(86.7%),平均值為(1889.64±1574.77)U/L,中位數(shù)為1600 U/L;肌酸激酶同工酶(CK-MB)增高25例(83.3%),平均值為(182.76±152.62)U/L,中位數(shù)為180 U/L。
將分離得到的微粒沉淀以PBS輕洗重懸,于激光共聚焦顯微鏡下及冰凍顯微鏡下觀察提純微粒,可見雙層膜結(jié)構(gòu)。其直徑約300 nm,符合文獻(xiàn)報(bào)道范圍(100~1000 nm)[7]。
STEMI患者血栓抽吸血樣及外周血樣共10例樣本提取的微粒RNA濃度、純度及完整性均通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,可執(zhí)行進(jìn)一步芯片分析。
STEMI患者血栓抽吸血樣及外周血樣中微粒的microRNA芯片表達(dá)譜對(duì)比發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)的microRNA共有307個(gè),其中有221個(gè)表達(dá)上調(diào),86個(gè)表達(dá)下調(diào)。上調(diào)microRNA包括hsa-miR-1263,hsa-miR-625-5p,hsa-miR-648,hsa-miR-4309,hsamiR-4320等;下調(diào)microRNA包括hsa-miR-634,hsa-miR-103a-3p,hsa-miR-2110,hsa-miR-125b-1-3p,hsa-miR-5581-3p等。
聚類分析結(jié)果顯示血栓抽吸5例樣本全部出現(xiàn)在同一個(gè)簇中,外周血樣中僅有1例游離于簇之外。結(jié)果證明血栓抽吸血樣及外周血樣間有較大的基因差異表達(dá),且可能分別具有類似的生物學(xué)功能。
考慮上調(diào)或下調(diào)的倍數(shù)、差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義以及目前相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)有相應(yīng)靶標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)等多方面綜合分析,本研究結(jié)果主要對(duì)49個(gè)與心血管疾病相關(guān)性高的microRNA進(jìn)行了下游靶基因的預(yù)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)他們的作用靶點(diǎn)廣泛,與細(xì)胞周期調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等都有密切關(guān)系,并且與轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)等影響心臟纖維化的信號(hào)通路都有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。這49個(gè)與心血管疾病相關(guān)性高的microRNA主要包括 hsa-miR-625-5p,hsa-miR-648,hsa-miR-3613-3p,hsa-miR-875-3p,hsa-miR-647,hsa-miR-155-5p,hsa-miR-137,hsa-miR-186-3p,hsa-miR-199b-5p 等。
STEMI患者PCI術(shù)血栓抽吸的應(yīng)用旨在降低遠(yuǎn)端血栓的發(fā)生率,更有效地實(shí)現(xiàn)早期再灌注。有關(guān)血栓抽吸的早期臨床研究共納入1071例,以死亡率為次要終點(diǎn)的單中心試驗(yàn),其結(jié)果提示在STEMI患者中行血栓抽吸術(shù)可以減小梗死面積以及提高生存率[8]。然而納入7224例STEMI患者 TASTE 研究[9]和10732例TOTAL 研究[10]卻進(jìn)一步提示 PCI術(shù)前進(jìn)行血栓抽吸并不能降低患者的近期死亡率,同時(shí)未降低因心肌梗死而再入院和支架內(nèi)血栓形成的發(fā)生率?;谝陨辖Y(jié)果,2015年美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)(ACC)/美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(AHA)/心血管造影和介入學(xué)會(huì)(SCAI)對(duì)STEMI患者直接PCI指南進(jìn)行了更新將常規(guī)血栓抽吸的推薦級(jí)別由Ⅱa 級(jí)降至Ⅲ級(jí)[11]。STEMI患者的IRA內(nèi)是否存在某些有益的成分,作為人體的一種代償機(jī)制促進(jìn)心肌修復(fù),而這些成分可能在血栓抽吸的同時(shí)被棄去,從而喪失心肌保護(hù)作用,進(jìn)而導(dǎo)致了血栓抽吸的臨床獲益有限。本研究重點(diǎn)研究了血栓抽吸血樣及外周血樣提取微粒內(nèi)的microRNA變化,進(jìn)一步明確血栓抽吸血樣內(nèi)成分與外周血樣成分的差異,試圖為進(jìn)一步解釋血栓抽吸獲益有限提供線索。
2013年,瑞典卡羅琳醫(yī)學(xué)院授予James E.Rothman等三位科學(xué)家諾貝爾醫(yī)學(xué)及生理學(xué)獎(jiǎng),以獎(jiǎng)勵(lì)他們“發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞囊泡交通的運(yùn)行與調(diào)節(jié)機(jī)制(for their discoveries of machinery regulating vesicle traffic, a major transport system in our cells)”。這些囊泡即為微粒。微粒廣泛參與細(xì)胞的黏附、遷移、增殖、凋亡、免疫應(yīng)答、血管新生、血栓形成及細(xì)胞間信息交流等過(guò)程中都發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),微粒病理生理作用逐漸被認(rèn)識(shí),炎癥反應(yīng)、心血管疾病、腫瘤、感染及正?;虿±砣焉锏榷喾N狀態(tài)均可刺激其過(guò)度產(chǎn)生[12]。微粒已被認(rèn)為是一種生物標(biāo)記或介質(zhì),在多種疾病中存在并發(fā)揮作用。本課題組的團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)較早開展介入治療的心臟中心,從2010年就致力于冠狀動(dòng)脈抽吸血液相關(guān)微環(huán)境信息研究,成功建立了血漿微粒檢測(cè)平臺(tái),并已經(jīng)積累了相當(dāng)數(shù)量的STEMI患者冠狀動(dòng)脈內(nèi)抽吸血樣本及數(shù)據(jù)研究。在我們的前期研究中發(fā)現(xiàn),微粒與動(dòng)脈粥樣硬化具有一定的相關(guān)性,早期動(dòng)脈粥樣硬化患者經(jīng)過(guò)降壓、降脂治療后,其血漿中內(nèi)皮細(xì)胞來(lái)源的微粒具有一定的抗炎作用,可以抑制單核細(xì)胞在內(nèi)皮細(xì)胞上的黏附[13]。同時(shí),本課題組還檢測(cè)了STEMI患者行急診PCI術(shù)后血漿內(nèi)微粒水平,發(fā)現(xiàn)其在PCI術(shù)后逐漸上升,48 h達(dá)頂峰[14]。由此可以明確STEMI患者體內(nèi)確實(shí)存在微粒水平的動(dòng)態(tài)變化,推測(cè)微粒參與了急性心肌梗死的病理生理發(fā)展變化。關(guān)于微粒影響靶細(xì)胞的具體機(jī)制研究一直是其熱點(diǎn)方向,近年來(lái)隨著microRNA逐漸進(jìn)入公眾視野,越來(lái)越多研究將其與微粒中所含的microRNA聯(lián)系了起來(lái),關(guān)于microRNA與心血管疾病的關(guān)系已經(jīng)是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。microRNA是一類新穎的、高度保守的小分子非編碼單鏈RNA,在轉(zhuǎn)錄后水平對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行負(fù)向調(diào)控,導(dǎo)致翻譯抑制或mRNA降解[15]?,F(xiàn)在已有證據(jù)表明microRNA所介導(dǎo)的基因調(diào)控在心臟自身穩(wěn)態(tài)與病理性重構(gòu)中起到了重要的作用[16]。例如TGFβ1和TGFβ2可以介導(dǎo)microRNA-21的表達(dá),microRNA在心臟纖維化中起著重要的作用,同時(shí)還可以抑制microRNA-30家族的表達(dá)[17]。
表1 樣品RNA濃度、純度及完整性
圖1 microRNA聚類分析
圖2 與心血管疾病相關(guān)的microRNA及其可能作用的靶基因
本研究中主要提取了STEMI患者冠狀動(dòng)脈血栓抽吸血樣及外周血樣中微粒,并進(jìn)一步通過(guò)基因芯片篩查并分析了microRNA表達(dá)譜的差異和其可能的下游靶點(diǎn)和功能。本研究發(fā)現(xiàn)上述差異表達(dá)的microRNA中有很大一部分目前還沒有關(guān)于心血管方面的研究。在所有的差異基因中,通過(guò)GO富集分析對(duì)差異基因按GO分類,并對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行基于正態(tài)分布的顯著性分析、富集度分析,得到與心血管疾病有顯著相關(guān)的hsa-miR-625-5p,hsamiR-648,hsa-miR-3613-3p等49個(gè)microRNA。通過(guò)靶基因預(yù)測(cè)軟件miRanda,mirbase,Targetscan篩查上述microRNA的作用靶基因。為了降低假陽(yáng)性率,我們采用三個(gè)軟件同時(shí)預(yù)測(cè)到的基因作為主要靶基因。其中如hsa-miR-155已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)下調(diào)其水平可以減輕心臟的病理性肥大[18];hsa-miR-212可以同時(shí)調(diào)節(jié)心臟肥大以及心肌細(xì)胞的自噬[19]。但還有許多基因如hsa-miR-199b,hsa-miR-625等目前只在癌癥領(lǐng)域有所涉及,對(duì)于心血管系統(tǒng)有何影響是一個(gè)很有意義的研究方向。
本研究通過(guò)收集冠狀動(dòng)脈血栓抽吸血樣,進(jìn)行心肌梗死相關(guān)病理生理研究分析,具有一定的創(chuàng)新性。以往對(duì)急性心肌梗死相關(guān)病理生理機(jī)制的研究多基于動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn),但是動(dòng)物模型本身的局限性以及人體實(shí)際病理生理過(guò)程的復(fù)雜性,動(dòng)物模型與人體存在一定差異[20]。血栓抽吸為我們獲得真實(shí)的急性心肌梗死患者微環(huán)境信息提供了珍貴的樣本。血栓抽吸所得的梗死局部血液為我們研究心肌梗死血管局部微環(huán)境及活性物質(zhì)提供了重要信息。
綜上所述,急性心肌梗死患者冠狀動(dòng)脈血栓抽吸血樣與外周血樣的微粒所含有的microRNA表達(dá)具有顯著性差異,其中有49個(gè)與心血管疾病密切相關(guān),可以作為進(jìn)一步研究的靶點(diǎn)。本研究結(jié)果提示了急性心肌梗死患者冠狀動(dòng)脈血栓抽吸血樣與外周血樣中微??偤考捌浣M分的區(qū)別,揭示了微粒中microRNA的差異表達(dá)譜。冠狀動(dòng)脈血栓抽吸血樣與外周血樣中差異的microRNA可能是導(dǎo)致對(duì)于血栓負(fù)荷重的患者行血栓抽吸術(shù)后并未降低死亡率及再入院率的原因之一,其機(jī)制可能是血栓抽吸血中所含有的一些對(duì)心血管系統(tǒng)有保護(hù)作用的microRNA被抽走。目前對(duì)于微粒中microRNA對(duì)于心血管疾病的影響的研究絕大部分還處于實(shí)驗(yàn)室階段,如何將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的科研結(jié)果推向臨床是將來(lái)研究中首先需要考慮的。因此對(duì)于本實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量并對(duì)所篩查出的差異基因進(jìn)一步細(xì)化分析及實(shí)驗(yàn),以期從中找出真正影響心血管系統(tǒng)的新靶點(diǎn)。
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