與心肌纖維化相關的細胞因子和生長因子

王 欣,任衛(wèi)東

(中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院超聲科,沈陽 110004)

心肌纖維化主要表現(xiàn)為細胞外基質合成增多和降解減少，多種病理因素均可導致其發(fā)生[1]。一方面心肌纖維化保證了切口愈合過程中心肌組織的完整性，另一方面過度纖維化導致的瘢痕形成會極大地影響心臟的收縮和舒張功能[2]。心肌纖維化不僅會導致心室僵硬度增加造成心律失常，還會分泌生長因子及細胞因子促進心肌細胞肥大，最終導致心肌順應性下降、心力衰竭、猝死的發(fā)生[3-4]。各種心血管疾病(心肌缺血、炎癥、衰老等)不但促進心肌成纖維細胞增殖，向肌成纖維細胞轉化，且導致心肌細胞凋亡，從而促進心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展。研究證實，心肌纖維化的嚴重程度與心臟病患者，特別是心力衰竭患者的預后及死亡密切相關[5]。因此，早期預防和逆轉心肌纖維化是臨床治療各種心臟疾病的關鍵。然而，心肌纖維化的形成機制非常復雜，涉及多種細胞因子及生長因子。因此，深入探討心肌纖維化發(fā)生的分子機制，可為臨床預防及治療心肌纖維化提供依據?，F(xiàn)就與心肌纖維化相關的細胞因子和生長因子予以綜述。

1 心肌成纖維細胞

心臟是人類賴以生存的最重要的器官之一，人類對其探索從未停止。隨著科學技術的不斷發(fā)展,人類對心臟細胞組成的認識也在不斷改變。研究發(fā)現(xiàn)，心臟主要由心肌細胞和非心肌細胞構成，其中心肌細胞為25%～35%，非心肌細胞為65%～75%[6]。非心肌細胞主要由內皮細胞(64%)、白細胞(9%)和潛在間質細胞(27%)組成，潛在間質細胞則包括成纖維細胞(15%)和其他細胞(12%)。雖然成纖維細胞數(shù)量只占心臟細胞的極少一部分，但是其功能和作用卻不容忽視。成纖維細胞主要起源于胚胎心外膜內皮，是目前公認的參與心臟各種形式損傷反應的細胞之一。其來源包括潛在成纖維細胞、循環(huán)纖維細胞、骨髓干細胞、心外膜和心內膜等[7]。急性心肌損傷后，成纖維細胞在各種炎癥細胞因子和促纖維化因子的作用下轉化為其活性形式肌成纖維細胞，肌成纖維細胞分泌細胞外基質，參與心肌纖維化。雖然目前沒有心肌成纖維細胞的特異性分子標志物，但公認的應用波形蛋白標記成纖維細胞，α-平滑肌肌動蛋白作為成纖維細胞活化的標志物[8]。

2 心肌纖維化

急性心肌損傷后，各種炎癥細胞因子和促纖維化因子表達增加，從而促進心肌成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化，表達α-平滑肌肌動蛋白，產生基質金屬蛋白酶、金屬蛋白酶組織抑制劑。其中，在正常心臟中主要表達基質金屬蛋白酶2、基質金屬蛋白酶9、基質金屬蛋白酶13及金屬蛋白酶組織抑制劑2、金屬蛋白酶組織抑制劑3、金屬蛋白酶組織抑制劑4?；|金屬蛋白酶的主要作用是降解膠原，而金屬蛋白酶組織抑制劑通過抑制基質金屬蛋白酶減少膠原降解，兩者相互作用調節(jié)細胞外基質的動態(tài)平衡。心肌細胞外基質主要由Ⅰ型(85%)和Ⅲ型(11%)纖維膠原，以及少量的Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型膠原組成[9]。其中，Ⅰ型膠原的主要作用是維持室壁的強度，而Ⅲ型膠原與室壁的彈性相關。在炎癥、缺血等刺激下，成纖維細胞異常增殖并分泌大量Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白及其他細胞外基質，膠原和多種細胞外基質成分比例失調引起心肌纖維化。而成纖維細胞或其他細胞(心肌細胞、內皮細胞和炎性細胞)分泌的細胞因子和生長因子反過來作用于成纖維細胞或心肌細胞，形成正反饋并最終擴大纖維化反應[10-11]。纖維化有助于心肌重構，如心肌梗死后瘢痕修復，而過度的纖維化被認為是一種病理過程，會引起心腔擴大，心肌細胞肥大、凋亡，最終導致充血性心力衰竭。此外，過量的成纖維細胞和細胞外基質還會破壞心肌細胞的肌電耦合，從而降低心臟的收縮能力，增加心律失常的發(fā)生風險和死亡率[12]。因此，各種心肌損傷后減輕心肌纖維化程度是恢復心臟功能的關鍵。

3 心肌纖維化后影響成纖維細胞功能的細胞因子和生長因子

3.1轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) TGF-β是目前公認的與組織纖維化關系最密切的細胞因子之一，其在哺乳動物中存在3種亞型(TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3)，由3種不同的基因編碼，其中TGF-β1是主要形式[13]。TGF-β1在許多器官的纖維化過程中起調節(jié)作用，且血清TGF-β1水平與慢性肝、腎疾病嚴重程度相關[14]。應用TGF-β1信號通路抑制劑托拉塞米可減輕慢性心力衰竭患者的心肌纖維化程度[15]。同時，TGF-β可刺激誘導成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化，并增加細胞外基質蛋白合成，促進細胞外基質沉積。且其也可通過抑制基質金屬蛋白酶表達、誘導金屬蛋白酶組織抑制劑合成，進而抑制細胞外基質蛋白降解。此外，TGF-β還參與了合成和分泌其他促纖維化細胞因子。TGF-β1的經典信號轉導通路涉及Smad2/3的磷酸化，隨后與Smad4相結合轉位到細胞核，TGF-β1-Smad復合物作為一種轉錄因子，誘導了大量纖維化基因激活，從而在心肌纖維化中發(fā)揮重要作用[16-17]。Liu等[18]研究發(fā)現(xiàn)，抑制大鼠成纖維細胞表達TGF-β1后，其分泌的細胞外基質減少，從而抑制纖維化。TGF-β受體抑制劑激活素受體樣激酶5作為潛在的抗纖維化因子目前正處于研究中，它可以降低TGF-β活性，阻止心肌纖維化，改善心肌梗死后出現(xiàn)的心肌重構[19]。除上述經典信號通路外，TGF-β也可以誘導非經典通路，如絲裂原激活蛋白激酶(c-Jun氨基端激酶和p38)通路，參與病理性心肌重構[20-21]。其中，c-Jun氨基端激酶信號通路通過激活TGF-β活化激酶1誘導心肌肥厚和心力衰竭。p38信號通路通過激活TGF-β誘導心肌成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，促進膠原纖維和α-平滑肌肌動蛋白的表達[22]?？梢?，TGF-β非經典通路對心肌纖維化的治療和心力衰竭的預防同樣具有重要意義。

3.2腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng) 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的激活是導致心肌纖維化的主要原因，其中血管緊張素(angiotensin，Ang)Ⅱ起主要的生物學效應，其參與了心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展。作為一種局部生長因子，AngⅡ不僅可誘導心臟成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，還可以激活心肌成纖維細胞合成大量的膠原、纖維連接蛋白、層粘連蛋白等細胞外基質成分[23]。其通過兩種特異性受體起作用：AngⅡ1型受體和AngⅡ2型受體。其中，1型受體促進促纖維化下游效應的激活，而2型受體的激活則抵消1型受體的促纖維化作用。心肌損傷后，AngⅡ及1型和2型受體的水平均升高，AngⅡ刺激誘導成纖維細胞的增殖和膠原的表達[24]。同時，AngⅡ還具有誘導心肌細胞肥大，增強心肌細胞分泌促纖維化生長因子等作用[25]。其主要通過TGF-β/Smad和絲裂原激活蛋白激酶途徑誘導細胞外基質膠原蛋白合成，引起心肌纖維化[26]。有研究顯示，AngⅡ與TGF-β并不是彼此獨立，而是協(xié)同參與心肌纖維化。AngⅡ無法在TGF-β1缺陷小鼠體內誘導心臟纖維化，這表明AngⅡ可能不會在體內直接誘導心臟纖維化，而是以自分泌或旁分泌依賴方式對心肌成纖維細胞起作用[27]。且TGF-β1可以通過TGF-β受體抑制劑激活素受體樣激酶-5和Smad2/3/4直接刺激AngⅡ1型受體的表達，這進一步表明TGF-β與AngⅡ具有協(xié)同作用。此外，應用Ang抑制劑(血管緊張素轉換酶抑制劑和Ang受體拮抗劑)可以顯著減輕心力衰竭患者的心肌纖維化程度。其中，氯沙坦作為Ang受體拮抗劑，不僅可以抑制AngⅡ誘導的Ⅰ型膠原合成和成纖維細胞激活，還可以減少炎癥標志物(腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6等)的表達[28-29]。

3.3結締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF) CTGF是由349個氨基酸組成的富含半胱氨酸的分泌肽，分子量為34 000～38 000，屬于CCN家族，也稱為CCN2。CCN家族共有3個成員，分別為富半胱氨酸61(CCN1)、CTGF(CCN2)和腎母細胞瘤過表達基因(CCN3)。雖然CTGF在胎兒心肌中大量表達，但成人心臟只在心房和大血管中表達[30]。CTGF與包括血管、皮膚、心臟、腎臟、胰腺、肺及肝臟等在內的許多組織器官的纖維化發(fā)生發(fā)展密切相關[31]。其功能類似于細胞外基質蛋白，主要調節(jié)心肌細胞和成纖維細胞。研究表明，CTGF的表達增加與心肌損傷、心肌收縮功能降低、心肌纖維化有關[32-33]。CTGF在創(chuàng)傷愈合和纖維化中是極好的活性成纖維細胞的替代標志物，如在心臟重構中，心肌細胞高表達CTGF。此外，TGF-β1、AngⅡ也可誘導CTGF表達參與纖維化過程。研究發(fā)現(xiàn)，CTGF是TGF-β必要的輔助因子，可增強TGF-β的活性，其可作為TGF-β的輔助因子誘導纖維化[34]。雖然上述證據表明，CTGF可誘導成纖維細胞增殖，促進其向肌成纖維細胞轉化，并增加細胞外基質的產生。但是，CTGF誘導心臟纖維化的能力有限。有研究發(fā)現(xiàn)，CTGF全敲除或者過表達后，并不會影響慢性壓力負荷引起的心肌肥厚和纖維化[35-36]。可見，CTGF在不同原因造成的心肌纖維化中發(fā)揮的作用不同，其在心肌纖維化中的作用機制尚需進一步研究。

3.4內皮素(endothelin，ET)1 ET由內皮細胞分泌，其家族主要包括4種無活性形式的內源肽(ET-1、ET-2、ET-3、ET-4)，它們在轉化酶的參與下被激活。ET家族具有多種生物活性，其不僅參與了細胞增殖、遷移、血管生成和細胞凋亡等過程的調節(jié)，還參與了許多疾病的纖維化過程[37]。其中，人類心血管系統(tǒng)中最豐富的ET家族成員為ET-1，其主要由內皮細胞釋放，能引起強效且異常持久的血管收縮，作用可持續(xù)數(shù)小時。ET-1是調節(jié)大多數(shù)器官系統(tǒng)中血管功能的關鍵介質，內皮細胞功能障礙會導致血管收縮、纖維化和炎癥出現(xiàn)[38]。據報道，ET-1作為自分泌和旁分泌介質，在心肌中具有促進有絲分裂、增強心肌收縮力和致心律失常的作用，其可通過促進心臟肥大、擴張和纖維化促進心房重構，在心房顫動患者血漿中ET-1水平明顯升高[39-40]。ET-1能誘導細胞外基質生成及成纖維細胞分化成肌成纖維細胞。TGF-β通過c-Jun氨基端激酶誘導ET-1，ET-1是TGF-β纖維化反應下游的中介。有研究表明，TGF-β可與ET-1共同促進肌成纖維細胞分化[41]。同時，ET-1也是Ang Ⅱ反應下游的中介。Adiarto等[42]研究發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠相比，ET-1缺失小鼠中AngⅡ誘導的心肌細胞肥大、間質和血管周圍纖維化不明顯。目前，內皮素拮抗劑主要用于治療肺動脈高壓，但許多人認為它在心臟病理纖維化的治療中更加有效。

3.5血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF) PDGF家族是目前研究較多的生長因子之一，其由經典的PDGF-A和PDGF-B，以及相對新發(fā)現(xiàn)的PDGF-C和PDGF-D 4名成員組成，該家族有兩種不同的受體(α和β受體)，通常認為PDGF-A、PDGF-C與α受體相結合，PDGF-B、PDGF-D和β受體相結合[43]。PDGF及其受體在正常心肌中表達，心肌損傷后PDGF可引起中性粒細胞、巨噬細胞、成纖維細胞，平滑肌細胞增殖并遷移到切口部位，同時刺激肉芽組織形成。同時，PDGF也參與了心肌梗死后的心臟重構和心臟修復。Zhao等[44]發(fā)現(xiàn)，PDGF-D可刺激心肌成纖維細胞增殖，促進心肌成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，誘導細胞外基質中的膠原蛋白分泌增加，從而使基質金屬蛋白酶/金屬蛋白酶組織抑制劑比例失衡，TGF-β增加。Fan等[45]通過研究脫氧皮質酮誘導的高血壓、鹽敏感大鼠中PDGF信號途徑對心肌纖維化的作用發(fā)現(xiàn)，高血壓大鼠心肌組織中的PDGF及TGF-β表達增加，使用抗炎藥物法舒地爾抑制心肌炎癥后,PDGF及其受體的表達減少，膠原蛋白表達減少。PDGF及其受體伴隨炎癥反應和纖維化出現(xiàn)高表達，提示其在心臟修復的調控中發(fā)揮潛在作用[44-45]。

3.6炎癥因子 炎癥是具有血管系統(tǒng)的活體組織對損傷因子所發(fā)生的防御反應，是最常見的一種病理過程，與許多疾病相關。急性心肌損傷后炎癥信號分子立即增加，各種炎性細胞(中性粒細胞和巨噬細胞)在損傷部位浸潤，促進各種促炎癥細胞因子的釋放；此外，成纖維細胞甚至心肌細胞也可釋放炎癥因子[25]。炎癥因子(腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6等)在誘導成纖維細胞增殖和肌成纖維細胞活化中起重要作用，除了直接釋放細胞外基質成分外，激活的成纖維細胞也表達多種細胞因子和生長因子，通過自分泌和旁分泌機制影響切口愈合。急性心肌損傷后通過成纖維細胞表達的細胞因子明顯上調，包括促炎癥細胞因子(白細胞介素-1β和白細胞介素-6)的表達，其中白細胞介素-6是眾所周知的促進成纖維細胞增殖和心肌纖維化的因子之一[46]。Zhao等[47]研究發(fā)現(xiàn)，白細胞介素-6基因敲除小鼠在實施主動脈縮窄術后，大鼠的左心室肥厚和左心室心肌功能不全明顯減輕，表明白細胞介素-6在壓力負荷誘導的左心室肥厚中發(fā)揮了關鍵作用，其可減輕心肌纖維化程度。Ma等[48]研究發(fā)現(xiàn)，白細胞介素-6主要由AngⅡ刺激心臟成纖維細胞產生，它能促進心臟成纖維細胞膠原合成和成纖維細胞活化，在AngⅡ誘導的心肌纖維化中白細胞介素-6的表達增加，相反白細胞介素-6缺乏可減輕心肌纖維化程度。

4 小 結

心肌纖維化是一個復雜的過程，由多種介質、細胞因子、信號通路相互作用、相互調控，在不同類型的心臟疾病中，其作用機制也各不相同。多種生長因子與細胞因子與成纖維細胞的早期活化及損傷后持續(xù)的病理性重構有關，這些均可作為治療心肌纖維化的潛在新靶點。因此，對心肌纖維化更深入的了解將有利于對疾病的認識，從而更好地預防、治療心肌纖維化。雖然目前對其認識仍十分有限，但隨著研究的深入，未來可能會發(fā)現(xiàn)新的與纖維化相關的因子，從而為臨床治療提供新思路。