成纖維細(xì)胞在心肌梗死后炎癥和修復(fù)中的作用

孔春燕 唐其柱

成纖維細(xì)胞由胚胎時(shí)期的間充質(zhì)干細(xì)胞分化而來(lái)，廣泛存在于心臟、腎臟、肝臟、皮膚等器官間質(zhì)中，可增殖、分化為纖維細(xì)胞并參與組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的維持，同時(shí)也具有很強(qiáng)的可塑性，在外周微環(huán)境改變時(shí)，展現(xiàn)為不同表型以適應(yīng)器官結(jié)構(gòu)功能[1]。成纖維細(xì)胞的活化主要發(fā)生于器官組織損傷等細(xì)胞周圍微環(huán)境改變時(shí)[2]?；罨某衫w維細(xì)胞表達(dá)成纖維細(xì)胞激活蛋白α(fibroblast activation protein α, FAPα)。FAPα是表達(dá)于成纖維細(xì)胞膜表面的膜結(jié)合絲氨酸蛋白酶，為兩個(gè)亞基構(gòu)成的二聚體，具有分解細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)和Ⅰ型膠原的活性；此外，活化的成纖維細(xì)胞還可以表達(dá)二肽?；嚯拿涪?同為絲氨酸蛋白酶)，并促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)合成[3]。

成纖維細(xì)胞是心臟中常見的組成細(xì)胞，在正常心臟中的占比與種屬及發(fā)育階段密切相關(guān)。早期Zak和Nag等的研究量化了成年大鼠左心室中細(xì)胞數(shù)量和組成，后來(lái)進(jìn)一步的研究擴(kuò)大到整個(gè)心臟，結(jié)果顯示非心肌細(xì)胞(成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞等)的比例約為70%。Banerjee等[4]使用流式細(xì)胞儀分析小鼠心臟，顯示45%的細(xì)胞是非肌細(xì)胞，其中心肌成纖維細(xì)胞占主導(dǎo)地位，約為55%。心肌成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞等缺少特異性標(biāo)志物，因此非心肌細(xì)胞的準(zhǔn)確量化存在困難。在心臟正常發(fā)育中，大部分心肌成纖維細(xì)胞是由心外膜細(xì)胞分化而成的[5, 6]。心肌成纖維細(xì)胞亞群主要位于室間隔內(nèi)，在瓣膜中通過內(nèi)皮-層間質(zhì)轉(zhuǎn)移從心內(nèi)膜衍生出。而在右心房中發(fā)現(xiàn)的小部分心肌成纖維細(xì)胞則來(lái)源于神經(jīng)嵴。盡管心肌成纖維細(xì)胞在正常心臟中所占比例比之前描述的要少，但成纖維細(xì)胞在心臟中仍是一種中樞細(xì)胞類型。心肌成纖維細(xì)胞不僅通過維持ECM的內(nèi)穩(wěn)態(tài)來(lái)保護(hù)心臟結(jié)構(gòu)的完整性，為心肌細(xì)胞提供一個(gè)支架，還在梗死后心室修復(fù)和重構(gòu)中起關(guān)鍵作用。

當(dāng)心臟主要灌注動(dòng)脈發(fā)生梗阻時(shí)，心肌細(xì)胞缺血壞死，造成心肌梗死(myocardial infarction, MI)。梗死的心肌細(xì)胞釋放損傷相關(guān)分子模式識(shí)別受體 (damage associated molecular patterns, DAMPs)。位于成纖維細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體如toll樣受體、核苷酸結(jié)合寡聚類受體和維甲酸誘導(dǎo)基因Ⅰ受體或非典型模式識(shí)別受體，可以識(shí)別DAMPs進(jìn)而激活成纖維細(xì)胞[7]?；罨某衫w維細(xì)胞表達(dá)FAPα、二肽酰多肽酶Ⅳ和MMPs，分解受損區(qū)域ECM和Ⅰ型膠原，清除受損細(xì)胞和組織碎片，釋放與ECM相結(jié)合的生長(zhǎng)因子，發(fā)揮促生長(zhǎng)作用。同時(shí)，為中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等炎性細(xì)胞的浸潤(rùn)開辟通路，為非心臟定居成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)移以及內(nèi)皮細(xì)胞遷移和血管的生成提供條件?；罨某衫w維細(xì)胞可以表達(dá)生長(zhǎng)因子并促進(jìn)ECM生成，使得膠原和非膠原ECM在MI區(qū)域沉積形成膠原-纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)維持心臟的結(jié)構(gòu)功能。因此，成纖維細(xì)胞的活化在MI后的炎性反應(yīng)和修復(fù)活動(dòng)中扮演著重要角色。

一、成纖維細(xì)胞與炎性反應(yīng)和組織修復(fù)的關(guān)系

傳統(tǒng)意義上，成纖維細(xì)胞被認(rèn)為是合成細(xì)胞外基質(zhì)的靜態(tài)細(xì)胞，近年來(lái)多項(xiàng)研究表明成纖維細(xì)胞在免疫系統(tǒng)中也作為關(guān)鍵活躍細(xì)胞存在。這說明在組織損傷中成纖維細(xì)胞不僅參與組織的損傷修復(fù)，還在炎性反應(yīng)中發(fā)揮作用。成纖維細(xì)胞的增殖、活化和累積可以填補(bǔ)壞死組織區(qū)域細(xì)胞空缺，并產(chǎn)生大量ECM構(gòu)成細(xì)胞外周間質(zhì)，達(dá)到維持結(jié)構(gòu)和功能完整性的目的。但是過度的膠原和非膠原ECM的沉積也可以導(dǎo)致器官纖維化過程，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和功能失調(diào)。成纖維細(xì)胞參與的炎性和免疫反應(yīng)是纖維化過程的基礎(chǔ)，其中先天免疫和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)都有參與[8]。

組織損傷時(shí)，受損的上皮和內(nèi)皮細(xì)胞釋放DAMPs，刺激成纖維細(xì)胞釋放生長(zhǎng)因子和趨化因子，使中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和肥大細(xì)胞先后活化并向受損部位轉(zhuǎn)移。中性粒細(xì)胞作為最先出現(xiàn)的免疫細(xì)胞釋放大量的活性氧參與損傷組織處的炎性反應(yīng)[9]。

巨噬細(xì)胞是組織重構(gòu)和纖維化過程的重要效應(yīng)細(xì)胞，在組織損傷中也受到活化的成纖維細(xì)胞的激活。成纖維細(xì)胞刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生MMPs和其內(nèi)源性抑制物 (tissue inhibitor of matrix metalloproteinases, TIMPs)，兩者的內(nèi)在平衡是ECM沉積和降解的關(guān)鍵。除了MMPs，巨噬細(xì)胞也是TGF-β的主要產(chǎn)生者，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生和損傷的修復(fù)[10]。

隨后適應(yīng)性免疫中，成纖維細(xì)胞刺激T細(xì)胞和B細(xì)胞的活化。成纖維細(xì)胞促進(jìn)Th1、Th2和Th17細(xì)胞活化，活化的T細(xì)胞分別產(chǎn)生干擾素γ (interferon-γ, IFN-γ)、白介素-13 (interleukin-13, IL-13)和白介素-17α (interleukin-17α, IL-17α)。IFN-γ控制巨噬細(xì)胞的分化、轉(zhuǎn)移和激活，促進(jìn)損傷修復(fù)。IL-13是調(diào)節(jié)纖維蛋白產(chǎn)生最顯著的細(xì)胞因子，通過c-jun NH2末端激酶依賴的方式和IL-4結(jié)合可以誘導(dǎo)人成纖維細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)變?yōu)榧〕衫w維細(xì)胞參與修復(fù)。IL-13也可以抑制成纖維細(xì)胞MMPs合成，進(jìn)而下調(diào)基質(zhì)降解，使得膠原沉積。IL-17α誘導(dǎo)促炎性因子表達(dá)，招募和激活中性粒細(xì)胞，從而刺激損傷組織炎性反應(yīng)。受成纖維細(xì)胞激活的B細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞因子IL-6，趨化因子2 (chemokine ligand 2, CCL2)和TGF-β，引導(dǎo)炎性細(xì)胞轉(zhuǎn)移和浸潤(rùn)。

二、心肌梗死后心肌重構(gòu)

心肌重構(gòu)是在心臟損傷或血流動(dòng)力學(xué)變化時(shí)，心肌細(xì)胞基因表達(dá)發(fā)生改變所引起的心臟結(jié)構(gòu)的改變。心肌重構(gòu)以心肌細(xì)胞纖維增多、細(xì)胞骨架的改變、心肌細(xì)胞收縮裝置結(jié)構(gòu)改變和能量代謝的異常為主要表現(xiàn)。心肌重構(gòu)后，心肌細(xì)胞代謝和結(jié)構(gòu)異常使得能量供應(yīng)達(dá)不到心肌細(xì)胞活動(dòng)的需要，導(dǎo)致心肌損傷和心功能惡化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致心力衰竭。心肌重構(gòu)可由MI引起。在MI發(fā)生時(shí)，心肌組織急性缺血缺氧導(dǎo)致心肌細(xì)胞壞死，此時(shí)梗死區(qū)域可出現(xiàn)膠原沉積、瘢痕形成、纖維化、非心肌細(xì)胞肥大和心肌細(xì)胞肥大等代償性的心肌重構(gòu)，以平衡心室壁壓力和維持心臟功能。

MI后的心肌重構(gòu)是一個(gè)持續(xù)的過程，該過程包括炎性反應(yīng)和組織瘢痕修復(fù)兩個(gè)主要階段。MI最初的幾天至幾周，心肌細(xì)胞釋放細(xì)胞因子，激活多重炎性反應(yīng)。 成纖維細(xì)胞釋放多種基質(zhì)金屬蛋白酶類，降解基質(zhì)膠原纖維和心肌細(xì)胞碎片，為炎性細(xì)胞浸潤(rùn)開辟通道。細(xì)胞因子TGF-β增加成纖維細(xì)胞趨化性和增殖活性，促進(jìn)巨噬細(xì)胞活化。白細(xì)胞從循環(huán)轉(zhuǎn)移至梗死區(qū)域產(chǎn)生炎性因子促進(jìn)炎性反應(yīng)，T細(xì)胞和B細(xì)胞受到激活分化為效應(yīng)細(xì)胞參與壞死結(jié)構(gòu)的清除。MI后的早期炎性反應(yīng)不僅清除了壞死細(xì)胞和基質(zhì)，減少了有害物質(zhì)，如氧自由基的產(chǎn)生和梗死面積的擴(kuò)大，還為組織的瘢痕修復(fù)提供了空間和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在后續(xù)的幾個(gè)月甚至幾年中，梗死區(qū)域由纖維化瘢痕替代以維持心臟結(jié)構(gòu)和功能[11]。MI后的纖維化過程分為兩種類型：修復(fù)性纖維化和反應(yīng)性纖維化。修復(fù)性纖維化，即瘢痕形成，是預(yù)防心肌缺血性損傷后心室壁破裂的關(guān)鍵過程，主要發(fā)生在MI早期修復(fù)階段[12]。然而，MI后機(jī)械應(yīng)力的增加再加上激素和旁分泌調(diào)節(jié)因子的作用可導(dǎo)致反應(yīng)性纖維化。反應(yīng)性纖維化時(shí)，梗死區(qū)域周圍的結(jié)締組織繼續(xù)向周圍擴(kuò)張，在梗死邊緣區(qū)和未受傷的心肌中也發(fā)生纖維化。

MI后的心肌重構(gòu)會(huì)導(dǎo)致心室順應(yīng)性下降、室壁硬度增加從而降低心排出量。除了對(duì)心臟收縮力的影響之外，纖維化瘢痕也被證明會(huì)干擾心肌細(xì)胞正常的電生理活動(dòng)，從而導(dǎo)致心律失常[13]。致密的瘢痕區(qū)是絕緣的非興奮區(qū)，錨定室壁可以導(dǎo)致持續(xù)性室性心動(dòng)過速。在心肌細(xì)胞間質(zhì)的纖維化中，心肌細(xì)胞之間的非傳導(dǎo)性纖維膠原網(wǎng)絡(luò)可能通過誘導(dǎo)焦點(diǎn)異位活動(dòng)，減慢或阻斷傳導(dǎo)而導(dǎo)致折返性心動(dòng)過速。此外，肌成纖維細(xì)胞和心肌細(xì)胞的電子偶合可能在纖維化引起的心律失常中發(fā)揮作用[14]。毫無(wú)疑問，MI導(dǎo)致的代償性心肌重構(gòu)已成為MI后心律失常和心力衰竭的主要危險(xiǎn)因素，大大地提高了心血管疾病的整體病死率[15]。

三、成纖維細(xì)胞在心肌梗死中的作用

成年哺乳動(dòng)物的心肌細(xì)胞數(shù)目不會(huì)增加，成熟機(jī)體的心肌細(xì)胞不會(huì)增殖分化出新的心肌細(xì)胞。心肌損傷后心肌細(xì)胞的再生修復(fù)能力十分有限，心肌細(xì)胞一旦發(fā)生壞死或者凋亡，該區(qū)域丟失的細(xì)胞則被非心肌細(xì)胞取代。MI后的心臟修復(fù)過程是一個(gè)精細(xì)的過程：損傷修復(fù)的任何步驟出現(xiàn)誤差都會(huì)引發(fā)災(zāi)難性的后果，如心室擴(kuò)張、心肌纖維化或室壁瘤、心臟破裂。最終可導(dǎo)致死亡的發(fā)生。成纖維細(xì)胞在MI后的炎性反應(yīng)和修復(fù)中均發(fā)揮有重要作用。

在MI后，心肌結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞使成纖維細(xì)胞暴露于機(jī)械壓力下，損傷上皮和內(nèi)皮通過膜受體TLRs(toll like receptors，TLRs)激活成纖維細(xì)胞。活化的成纖維細(xì)胞釋放生長(zhǎng)因子(TGF-β等)并表達(dá)基質(zhì)蛋白酶，促進(jìn)基質(zhì)膠原和蛋白的分解、釋放與基質(zhì)膠原等結(jié)合的生長(zhǎng)因子。受損的上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞釋放細(xì)胞因子引發(fā)成纖維細(xì)胞反應(yīng)后，活化的成纖維細(xì)胞可引起生長(zhǎng)因子和趨化因子聯(lián)合作用，誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞大量流入MI區(qū)域。中性粒細(xì)胞作為最先反應(yīng)的炎性細(xì)胞，在被成纖維細(xì)胞激活后，啟動(dòng)急性炎性反應(yīng)，吞噬壞死細(xì)胞和組織碎片，以促進(jìn)MI修復(fù)。然而，過度和持續(xù)的中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)或延遲消除可通過炎性介質(zhì)和蛋白酶的釋放加劇MI程度[16]。中性粒細(xì)胞通過NADPH氧化酶釋放大量活性氧和顆粒酶(MMPs、彈性蛋白酶等)刺激成纖維細(xì)胞活化和心臟纖維化[17]。實(shí)驗(yàn)表明抑制NADPH氧化酶對(duì)成纖維細(xì)胞活化以及心肌梗死后心肌纖維化均有抑制作用[18]。

適應(yīng)性免疫中，成纖維細(xì)胞可使B細(xì)胞分化為漿細(xì)胞發(fā)揮作用。漿細(xì)胞可分泌因子IL-6引發(fā)心肌基質(zhì)細(xì)胞向肌纖維化細(xì)胞轉(zhuǎn)化，又可促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖、膠原增加和TIMP合成；最近的一項(xiàng)研究表明B細(xì)胞活化因子是膠原蛋白、TIMP、MMP-9等在成纖維細(xì)胞中表達(dá)的誘導(dǎo)因子，也促進(jìn)促炎性和親纖維化因子IL-6、CCL2T的合成和釋放。 T細(xì)胞表達(dá)的IL-17α誘導(dǎo)促炎性調(diào)節(jié)因子IL-1、IL-6、TNF-α、CXCL-8和集落刺激因子的表達(dá)，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞向MI區(qū)域的遷移和向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化；另外，IL-17α通過NF-κB，AP-1和CCAAT增強(qiáng)結(jié)合蛋白(C/EBP)-β的激活增加成纖維細(xì)胞MMP-1的表達(dá)和激活蛋白激酶C (PKC)β/Erk1/2/NF-κB通路減輕纖維化程度[19]。這些炎癥相關(guān)的刺激因子、細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞的增殖、遷移到梗死區(qū)域，并轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞。肌成纖維細(xì)胞是表現(xiàn)成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞特性的細(xì)胞，在健康的心肌中不表達(dá)[12]。肌成纖維細(xì)胞最突出的特點(diǎn)是它們的遷徙和收縮表型，表現(xiàn)為α-SMA和非肌肉肌漿球蛋白的合成。同時(shí)，細(xì)胞質(zhì)中也存在廣泛的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)用于合成和分泌大量的ECM蛋白，用于損傷后的結(jié)構(gòu)修復(fù)和功能穩(wěn)定[20]。

在MI炎性反應(yīng)和瘢痕成熟階段，首先是炎性反應(yīng)期，壞死的心肌細(xì)胞能夠釋放大量DAMPs，激活固有免疫通路。實(shí)驗(yàn)證明壞死的心肌細(xì)胞釋放IL-1α通過細(xì)胞膜表面TLRs激活成纖維細(xì)胞向MI區(qū)域遷移并促進(jìn)白細(xì)胞等炎性細(xì)胞浸潤(rùn)[21]。IL-1信號(hào)誘導(dǎo)MMP的表達(dá)促進(jìn)基質(zhì)降解。在此期間，IL-1抑制成纖維細(xì)胞增殖，抑制成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，延遲瘢痕組織形成及修復(fù)反應(yīng)過程，直到梗死區(qū)域死細(xì)胞和基質(zhì)碎片被清除[10]。隨后在瘢痕成熟階段，適應(yīng)性免疫被激活。成纖維細(xì)胞在IL-17α等轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子的刺激下活化為肌成纖維細(xì)胞，使得ECM合成增多、膠原基質(zhì)沉積、細(xì)胞間連接形成，梗死區(qū)域纖維化瘢痕形成暫時(shí)性的維持了心臟的結(jié)構(gòu)和功能。

肌成纖維細(xì)胞在瘢痕形成后數(shù)量急劇下降，但是MI發(fā)生多年后仍可在愈合瘢痕處找到一定的肌成纖維細(xì)胞，殘存的肌成纖維細(xì)胞對(duì)維持瘢痕處的力量和舒縮性有重要作用，也是適應(yīng)性瘢痕產(chǎn)生的重要條件[22]。但是長(zhǎng)期存在的活化的肌成纖維細(xì)胞和持續(xù)產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子，特別是在非梗死區(qū)域的心肌組織中造成持續(xù)性炎性反應(yīng)，神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)紊亂，血管壁硬化，心臟功能不足，最終可導(dǎo)致心力衰竭。

四、展 望

成纖維細(xì)胞在心肌層中分布廣泛。MI時(shí)，成纖維細(xì)胞可以通過巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、B細(xì)胞等炎性細(xì)胞的刺激而活化為肌成纖維細(xì)胞從而參與炎性反應(yīng)過程；活化的肌成纖維細(xì)胞還可以合成和釋放轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的形成和膠原的沉積從而參與組織修復(fù)過程。成纖維細(xì)胞的分布特性及其在心肌梗死過程中的作用，使它成為心肌梗死后的重要效應(yīng)細(xì)胞。盡管心肌梗死早期成纖維細(xì)胞的活動(dòng)有利于壞死組織的清除和新膠原和非膠原基質(zhì)的形成，有減少心室壁破裂風(fēng)險(xiǎn)、維持心臟結(jié)構(gòu)和功能的作用；但是MI區(qū)域修復(fù)后成纖維細(xì)胞的持續(xù)存在和適應(yīng)性纖維瘢痕的產(chǎn)生，可引起心肌細(xì)胞細(xì)胞外間質(zhì)纖維化，使得心室壁順應(yīng)性下降、彈性減少或消失，心臟舒縮功能失代償，甚至有心臟破裂、心力衰竭等嚴(yán)重后果。在心肌梗死時(shí)，控制免疫系統(tǒng)中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞等的激活程度及其相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生，對(duì)于成纖維細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移和分化有一定的控制作用。因此，可以從成纖維細(xì)胞在心肌梗死后的炎性反應(yīng)和修復(fù)反應(yīng)中起到的作用入手，探索控制成纖維細(xì)胞修復(fù)心肌梗死區(qū)域和防止心臟纖維化的作用靶點(diǎn)，從而減少心肌梗死修復(fù)后適應(yīng)性瘢痕的產(chǎn)生，減輕心室重構(gòu)。