TGF-β1/Smads信號(hào)通路在放射性心肌纖維化中的作用

敖碧鳳 羅 蘭 蘇勝發(fā)綜述 歐陽偉煒 盧 冰審校

放射治療是胸部惡性腫瘤如乳腺癌、霍奇金淋巴瘤、肺癌與食管癌等的主要治療方式之一，在腫瘤放射治療期間，位于胸部的心臟會(huì)不免受到照射，從而導(dǎo)致不同程度的損害[1]，其臨床表現(xiàn)有心包疾病、冠狀動(dòng)脈損傷、心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)異常、心臟瓣膜功能障礙、心肌梗死、心肌纖維化等，統(tǒng)稱為放射性心臟損傷(radiation-induced heart disease，RIHD)[2-4]。RIHD自1960年首次報(bào)道以來越來越受到關(guān)注，其中心肌纖維化是RIHD突出的晚期病理變化，常發(fā)生在放療后數(shù)年，會(huì)造成心臟重塑、心功能破壞和心臟衰竭等，嚴(yán)重影響患者生存及生活質(zhì)量，但目前針對(duì)放射性心肌纖維化臨床尚缺乏有效的干預(yù)措施，且對(duì)其發(fā)病機(jī)制也不清楚[5-7]。一般認(rèn)為多數(shù)細(xì)胞、因子及信號(hào)通路參與RIHD心肌纖維化的形成，包括成纖維細(xì)胞增多、微血管內(nèi)皮損害、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等互相作用。目前關(guān)于TGF-β1/Smads信號(hào)通路與放射性心臟損傷心肌纖維化發(fā)生的相關(guān)性研究較多，TGF-β1被認(rèn)為是放射性心肌纖維化產(chǎn)生過程中1個(gè)主要的發(fā)展因子，并參與RIHD發(fā)生發(fā)展的全過程[8]。

1 RIHD病理學(xué)改變及相關(guān)機(jī)制

RIHD的初期病理變化為微血管內(nèi)皮損害，導(dǎo)致管壁增厚、管腔狹窄、血管閉塞、微循環(huán)阻滯、局部缺血等變化，這些變化增大了細(xì)胞膜通透性，使細(xì)胞內(nèi)環(huán)境發(fā)生紊亂，從而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞退變、心臟組織缺血最終形成纖維化組織[9]。Stewart等[10]報(bào)道放射性心臟損傷病理改變存在多樣性。心包滲出、心肌損害、心內(nèi)膜滲出、冠狀動(dòng)脈損害、瓣膜損害、傳導(dǎo)系統(tǒng)損害、心肌纖維化等不同病理表現(xiàn)都可見于放射性心臟損傷過程中[11-12]，且不同時(shí)期以某型病理改變?yōu)橹骱喜⑵渌愋蚚13]，其中心肌纖維化是RIHD突出的晚期病理表現(xiàn)，是放射遲發(fā)損傷的主要形式，也是RIHD的主要危害[14]。

放射性心肌纖維化實(shí)際上是心肌膠原合成增多而降解減少的漸進(jìn)性過程，包含膠原成分的轉(zhuǎn)變以及心肌成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblasts，CFs)的增加，跟一般心肌纖維化發(fā)生的過程近似。即心肌成纖維細(xì)胞成熟后會(huì)轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，然后使內(nèi)皮細(xì)胞增殖和膠原沉積增加，同時(shí)使細(xì)胞外基質(zhì)沉積也增加，從而發(fā)生纖維化。但在照射條件下，心臟受損發(fā)生纖維化速度會(huì)加快，其原因心肌成纖維細(xì)胞受照射后，其生物學(xué)特性會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，容易轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，而肌成纖維細(xì)胞較心肌成纖維細(xì)胞更容易合成心肌膠原，從而加速纖維化產(chǎn)生，導(dǎo)致后期心臟不同結(jié)構(gòu)組織的病理性改變[15-16]。迄今為止關(guān)于RIHD心肌纖維化機(jī)制的研究有細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床3個(gè)層次的研究，其中動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層次的研究較多，但仍未有確切的結(jié)果，就目前關(guān)于RIHD心肌纖維化發(fā)生的可能相關(guān)機(jī)制研究概括如下：①心臟微循環(huán)損傷；②活性氧及氧化應(yīng)激；③內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙；④線粒體損傷；⑤細(xì)胞因子及其信號(hào)通路，研究較多的是TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，認(rèn)為TGF-β1是參與形成放射性心肌纖維化過程中1個(gè)主要的生長(zhǎng)因子[8]。⑥其他可能相關(guān)機(jī)制，如肥大細(xì)胞、RAS等。RIHD心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展涉及眾多因素，但其主要集中在細(xì)胞因子信號(hào)通路方面，故對(duì)細(xì)胞因子信號(hào)通路所致RIHD心肌纖維化機(jī)制的研究可能會(huì)為臨床干預(yù)RIHD心肌纖維化發(fā)現(xiàn)治療靶點(diǎn)。

2 TGF-β超家族及Smads蛋白

2.1 TGF-β超家族

轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β超家族是1類主要參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化以及多種病理、生理過程的蛋白多肽生長(zhǎng)因子，具有多種生物學(xué)效應(yīng)。其家族成員包含有60多個(gè)，包括生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化因子β、活化素、抑制素、骨形成蛋白等，他們都是多效應(yīng)調(diào)節(jié)因子，對(duì)細(xì)胞分化、遷移等起重要的調(diào)節(jié)作用[17]。其中生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化因子β(transforming growth factor-beta,TGF-β)包括：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，其TGF-β1是細(xì)胞內(nèi)蛋白家族成員TGF-β蛋白中含量最豐富的，也是誘導(dǎo)器官纖維化形成最緊密相連的細(xì)胞因子[18]。TGF-β1發(fā)揮作用主要通過其細(xì)胞受體系統(tǒng)介導(dǎo)，TGF-β1受體是1類存在于細(xì)胞表面上的跨膜糖蛋白分子，主要有五種不同的類型(TβRⅠ～Ⅴ型)。其中Ⅰ型Ⅱ型含有細(xì)胞傳遞所必需的絲氨酸(Ser)/蘇氨酸(Thr)激酶結(jié)構(gòu)，故是目前研究最為普遍的細(xì)胞信號(hào)傳遞受體。TGF-β1激活后先后通過結(jié)合Ⅱ型受體和Ⅰ型受體將細(xì)胞信號(hào)傳遞到下游介質(zhì)。Ⅲ型受體雖然屬于輔助性受體，但具有結(jié)合型和游離型兩種類型，且作用不同，結(jié)合型受體能增加Ⅰ型受體與TGF-β1的親和力，而游離型受體卻阻止TGF-β1與靶點(diǎn)的結(jié)合[19]。Ⅳ、Ⅴ型受體的主要作用目前尚未有確切的研究結(jié)果。TGF-β1主要生物學(xué)功能有：①增加膠原合成；②促進(jìn)組織修復(fù)；③調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)；④表達(dá)纖維蛋白，促成纖維化。

2.2 Smads蛋白

Smads家族蛋白是TGF-β信號(hào)通路的下游信號(hào)傳遞分子，主要負(fù)責(zé)將TGF-β信號(hào)從細(xì)胞膜傳遞到細(xì)胞核，故在細(xì)胞表面受體至細(xì)胞核的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中占主導(dǎo)地位，并且不同的TGF-β家族成員的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)由不同Smads蛋白所傳遞。Smads蛋白在哺乳動(dòng)物身上有8種，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和功能的不同，又分為3個(gè)亞家族，受體調(diào)節(jié)Smads蛋白(receptor regulated smads，R-Smads)：通過I型受體激活，并與之形成暫時(shí)復(fù)合物，其中包含在TGF-β信號(hào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中緊密相關(guān)的Smad2、3，和被骨形成蛋白(BMP)信號(hào)活化的Smad1、5、8；共同介質(zhì)型Smads蛋白(common partner smads，Co-Smads)：包含Smad4，是TGF-β家族成員信號(hào)傳導(dǎo)過程中共同的信號(hào)傳遞分子；抑制性Smads蛋白(inhibitory smads，I-Smads)：包含Smad6和Smad7，在TGF-β1信號(hào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中起抑制作用。當(dāng)Smad2或Smad3磷酸化后，便會(huì)與Co-Smads組成復(fù)合物，引起參與纖維化形成的轉(zhuǎn)錄因子和蛋白的表達(dá)，而I-Smads則會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性的同Smad2或Smad3結(jié)合TGF-β1型受體或者Co-Smads，加以阻止Smad2或Smad3的磷酸化，抑制TGF-β1/smads信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)[20-21]。Santibanez 等報(bào)道Smad2或Smad3能被經(jīng)過Smad錨著蛋白(smad anchor for recept activation，SARA)激活的TβR-Ⅰ特定的識(shí)別和磷酸化，然后從SARA上解離并和Smad4形成復(fù)合物轉(zhuǎn)移至核內(nèi)，參與調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄[22]。

TGF-β1可激活多個(gè)信號(hào)通路，其下游主要作用通路是Smads通路。TGF-β大多以前體形式存在于細(xì)胞內(nèi)，通過血管緊張素II(AngII)、活性氧(reactive oxygen species，ROS)等作用被激活，激活后的TGF-β最初結(jié)合TβR-Ⅱ形成復(fù)合物，然后再結(jié)合TβR-Ⅰ并使之磷酸化和激活，被活化的TβR-Ⅰ使其下游信號(hào)分子R-Smads磷酸化。磷酸化后的R-Smads與Co-Smads形成復(fù)合物，進(jìn)入細(xì)胞核，參與基因轉(zhuǎn)錄。而I-Smads會(huì)阻礙R-Smads的磷酸化及Smads異源復(fù)合物的產(chǎn)生加以負(fù)調(diào)控TGF-β信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)。。

3 TGF-β1/smads信號(hào)通路與RIHD心肌纖維化

TGF-β1是目前已知的典型的促纖維化細(xì)胞生長(zhǎng)因子[23]，可調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化，促進(jìn)細(xì)胞增殖、抑制炎癥等，也同樣在心肌纖維化過程中扮演著重要的角色。最早1999年一項(xiàng)SD大鼠實(shí)驗(yàn)顯示心臟局部照射后TGF-β1升高，但其與纖維化在時(shí)間上不一致[24]。此后越來越多的研究發(fā)現(xiàn)TGF-β1與RIHD心肌纖維化有緊密聯(lián)系。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，TGF-β1在心臟等重要臟器受照射后形成的纖維化過程中有重要作用[25-26]。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)TGF-β1能誘導(dǎo)纖維母細(xì)胞增殖促成纖維化[23]。Boerma等[27]單次15Gy照射大鼠心肌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)TGF-β1在照射后的4 h及48 h表達(dá)都增加，表明TGF-β1參與放射性心臟損傷的發(fā)生。Sridharan等[28]建立18Gy劑量照射的大鼠模型，然后通過鹽酸扎利羅登增加大鼠TGF-β1 循環(huán)水平，發(fā)現(xiàn)心肌內(nèi)膜下明顯纖維化形成，證明TGF-β1參與放射性心肌纖維化過程及心肌重構(gòu)。Liu等[29]用20Gy劑量局部照射大鼠心臟后，發(fā)現(xiàn)TGF-β1在心肌組織的表達(dá)增加，膠原纖維含量也增多，表明TGF-β1促進(jìn)心肌纖維化。王祎等[30]通過研究54例胸部腫瘤患者，檢測(cè)放療后患者血清TGF-β1值升高，表明TGF-β1和急性放射性心臟損傷存在關(guān)聯(lián)性。

Smads是TGF-β1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)下游通路中重要的細(xì)胞內(nèi)蛋白分子，通過將TGF-β1信號(hào)從細(xì)胞表面?zhèn)鬟f到細(xì)胞核，從而使編碼膠原合成的靶基因激活[31-32]，促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖和膠原沉積，加快心肌纖維化生長(zhǎng)。在心臟重塑和心力衰竭進(jìn)展中TGF-β亞組激活Smads可引起心肌纖維化及心肌細(xì)胞凋亡，Smads蛋白表達(dá)升高均可出現(xiàn)在多種心臟病理生理狀態(tài)下，對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生致命性影響，因而在心肌纖維化中的作用日益受到重視。Yano等[33]研究用射線照射小鼠成纖維細(xì)胞，活化Smads通路能促進(jìn)TGF-β1和COL-1基因的表達(dá)，表明TGF-β1/Smads通路的活化在心肌重構(gòu)和輻射所致纖維化過程中有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)Smad3信號(hào)通路對(duì)許多促纖維化因子(如：TGF-β1)產(chǎn)生應(yīng)答，成為纖維化發(fā)生過程中的重要信號(hào)通路，在細(xì)胞外基質(zhì)成分的合成中也起著重要作用[34-35]。徐旺等[36-37]通過研究發(fā)現(xiàn)Smad3在肥厚心肌中表達(dá)顯著增加，TGF-β1通過激活Smad3加速心肌間質(zhì)纖維化過程，表明TGF-β/Smad3通路參與心肌纖維化的形成。

綜上所述闡明TGF-β1/Smads信號(hào)通路在RIHD心肌纖維化的形成過程中發(fā)揮重要作用，如果對(duì)其進(jìn)行深入探究，可能會(huì)成為臨床干預(yù)RIHD心肌纖維化的有效作用靶點(diǎn)。同時(shí)TGF-β1下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路除了Smads信號(hào)通路，TGF-β1還可以作用其他非經(jīng)典的信號(hào)通路，例如ERK、JNK、p38/MAPK、小分子GTP酶和CTGF等通路。這些通路具有多種生物學(xué)效應(yīng)并相互影響，可能會(huì)對(duì)心臟產(chǎn)生其他毒性作用，各通路之間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究?？傊派湫孕募±w維化的形成因素包括多種因子和細(xì)胞信號(hào)通路，并且最終通路的生物學(xué)效應(yīng)是心肌膠原的合成與降解的失衡，所以如果深入研究其下游共同通路，可能會(huì)為臨床干預(yù)RIHD心肌纖維化提供參考價(jià)值。