心臟成纖維細(xì)胞在心肌梗死后心臟重構(gòu)中的作用研究

唐森胡，米永程，黃照河

(1.右江民族醫(yī)學(xué)院，廣西 百色 533000； 2.右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科，廣西 百色 533000)

心肌梗死是由于冠狀動(dòng)脈部分或完全閉塞導(dǎo)致部分心肌因嚴(yán)重的持久性缺血缺氧而發(fā)生局部壞死。流行病學(xué)研究顯示，目前我國心血管疾病患者超過2.9億，其中冠心病患者超過1 100萬，50%的心血管疾病死亡由心肌梗死引起[1]。隨著溶栓方案的不斷完善以及介入治療技術(shù)的快速發(fā)展，心肌梗死病死率得到了一定控制，但其全球罹患率仍居高不下。心肌梗死后產(chǎn)生的不良心臟重構(gòu)與心力衰竭、心律失常的發(fā)生以及患者不良預(yù)后具有很強(qiáng)的相關(guān)性。因此，心肌梗死后心臟重構(gòu)一直是心血管領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，促進(jìn)受損心肌愈合和預(yù)防梗死后不良心臟重構(gòu)顯得尤為重要。研究表明，心臟成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblasts，CFs)在心肌梗死后心臟重構(gòu)中起關(guān)鍵作用，既是維持梗死后心室結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵修復(fù)細(xì)胞，對防止心臟破裂至關(guān)重要，同時(shí)又是心力衰竭的細(xì)胞效應(yīng)器，可引起間質(zhì)大量細(xì)胞外基質(zhì)的沉積，最終導(dǎo)致心律失常、心力衰竭，甚至心源性猝死的發(fā)生[2]。CFs在心肌梗死后心臟重構(gòu)中起到促進(jìn)心肌纖維化、調(diào)節(jié)心肌梗死后炎癥反應(yīng)以及促血管再生等作用[2-4]?，F(xiàn)對CFs在心肌梗死后心臟重構(gòu)中的作用予以綜述。

1 CFs的起源與發(fā)育

成纖維細(xì)胞廣泛分布于人體內(nèi)各組織器官間質(zhì)。由于缺乏特異和可靠的標(biāo)志物，成纖維細(xì)胞通常根據(jù)其位置(在結(jié)締組織中形成網(wǎng)狀)、形態(tài)特征(缺乏基膜的扁平或細(xì)長細(xì)胞)、功能(結(jié)構(gòu)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的產(chǎn)生)進(jìn)行鑒定。CFs是心臟中數(shù)量最多的細(xì)胞類型，占正常左心室總細(xì)胞數(shù)的70%[5]，主要功能為產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)。由CFs產(chǎn)生的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白主要包括骨膜蛋白、波形蛋白、纖維粘連蛋白以及Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型膠原蛋白等[6]。

在心臟正常發(fā)育過程中，大部分CFs主要分化自心外膜細(xì)胞，其余少部分來源于心內(nèi)膜和心臟神經(jīng)脊，分別位于室間隔及右心房[7]。在心臟中，不同部位CFs具有不同的基因表達(dá)譜和功能，心房和心室CFs的生物學(xué)特征以及細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生能力有重要差異[8-9]，這些差異可能與CFs由不同細(xì)胞分化或CFs所處微環(huán)境不同有關(guān)。

正常情況下，CFs保持靜止，無明顯的炎癥或增殖活性；當(dāng)心臟內(nèi)微環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，CFs通過獲取廣泛的表型特征對其做出反應(yīng)，根據(jù)環(huán)境變化充當(dāng)炎癥細(xì)胞、基質(zhì)合成細(xì)胞或促血管生成細(xì)胞等[3]。Villalobos等[10]研究發(fā)現(xiàn)，新生兒和成人心臟中的CFs含有原發(fā)性纖毛，這種細(xì)胞器及其必需的信號蛋白多囊蛋白-1是心肌纖維化發(fā)生的關(guān)鍵元素，參與轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β1/Smad3信號通路的活化及細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的產(chǎn)生。另外，血小板源性生長因子受體-α是CFs發(fā)育所必需的酪氨酸激酶受體，對CFs的存活至關(guān)重要，缺乏血小板源性生長因子受體-α?xí)r，CFs可發(fā)生凋亡[11]。

2 CFs在心肌梗死后心臟重構(gòu)中的作用

2.1CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化 心臟重構(gòu)是心肌損傷后和衰老過程中發(fā)生的一種病理狀態(tài)。目前，有效減少或逆轉(zhuǎn)不良心臟重構(gòu)的手段非常有限[12]。深入了解負(fù)責(zé)膠原纖維生成CFs的關(guān)鍵是探尋一種安全有效的干預(yù)心肌梗死后不良心臟重構(gòu)的方法。目前，對CFs生物學(xué)的了解還處于初級階段，尚無法在體內(nèi)識別CFs，在某種程度上，對CFs的研究局限于體外分析或肌成纖維細(xì)胞(一種活化的CFs)，肌成纖維細(xì)胞存在于心肌梗死后心臟修復(fù)過程中。心臟內(nèi)的肌成纖維細(xì)胞可能來源于體內(nèi)許多不同細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化，但其確切的前體細(xì)胞類型仍存在爭議。研究表明，絕大多數(shù)肌成纖維細(xì)胞由常駐CFs轉(zhuǎn)化而來，并非由骨髓細(xì)胞轉(zhuǎn)化而成[13-14]。傳統(tǒng)上，主要通過檢測α平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá)鑒定肌成纖維細(xì)胞。肌成纖維細(xì)胞具有CFs和平滑肌細(xì)胞的特性，可產(chǎn)生大量細(xì)胞外基質(zhì)并收縮，還可能導(dǎo)致心律失常的發(fā)生。Nagaraju等[15]研究發(fā)現(xiàn)，將豬CFs和肌成纖維細(xì)胞分別與左心室心肌細(xì)胞共培養(yǎng)，縫隙連接蛋白43在肌成纖維細(xì)胞的表達(dá)高于CFs，且肌成纖維細(xì)胞可縮短心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間，使心肌細(xì)胞膜電位超極化。進(jìn)一步證實(shí)了肌成纖維細(xì)胞致心律失常的作用。

心肌梗死后，在各種細(xì)胞及因子的作用下，CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化，促進(jìn)了心肌纖維化。在組織修復(fù)和纖維化過程中，部分肌成纖維細(xì)胞的蛋白表達(dá)水平升高，而正常組織及其前體細(xì)胞通常不表達(dá)這些蛋白，如鈣黏蛋白-11以及整合素α11β1等[16]。以往研究發(fā)現(xiàn)，肌成纖維細(xì)胞可持續(xù)存在于心肌梗死后心臟瘢痕中，可能與內(nèi)皮素、血管緊張素以及TGF-β信號有關(guān)[17]。持續(xù)存在的肌成纖維細(xì)胞可引起大量細(xì)胞外基質(zhì)在細(xì)胞外過度沉積，導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)和功能障礙。然而，F(xiàn)u等[18]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠心臟梗死區(qū)的肌成纖維細(xì)胞隨著梗死區(qū)瘢痕的完全成熟失去增殖和表達(dá)平滑肌蛋白的能力，逐漸分化成穩(wěn)定的基質(zhì)纖維細(xì)胞后在梗死瘢痕中持續(xù)存在，且人類心臟瘢痕中也觀察到這種細(xì)胞，提示肌成纖維細(xì)胞向基質(zhì)纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化對心肌梗死后心臟重構(gòu)產(chǎn)生積極影響，并可能成為逆轉(zhuǎn)心肌梗死后不良心臟重構(gòu)的潛在策略，其機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。

目前，調(diào)控CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的信號介質(zhì)尚未完全闡明。一些研究表明，巨噬細(xì)胞可通過分泌TGF-β1、血小板衍生因子、白細(xì)胞介素-16、白細(xì)胞介素-10等刺激CFs增殖，并向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致心肌間質(zhì)沉積大量的細(xì)胞外基質(zhì)[19-22]。目前還發(fā)現(xiàn)了多條信號通路參與調(diào)控CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化，其中TGF-β/Smad信號通路被認(rèn)為是最有效的調(diào)控CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的誘導(dǎo)機(jī)制之一[23]。此外，調(diào)控CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的其他信號介質(zhì)還包括Ski致癌基因蛋白/E盒結(jié)合鋅指蛋白2/間充質(zhì)同源盒蛋白2通路、蛋白磷酸酯酶-2B/活化T細(xì)胞核因子通路、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4/活性氧類/磷酸化p38促分裂原活化的蛋白激酶通路、溴結(jié)構(gòu)域蛋白-4、卵泡抑素樣-1、細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白-4以及miR-122等[24-30]。Rodriguez等[31]研究證實(shí)，脂肪前體細(xì)胞因子-1通過誘導(dǎo)miR-370表達(dá)抑制TGF-β1/Smad3通路，參與CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程，提示脂肪前體細(xì)胞因子-1可能成為干預(yù)CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的靶點(diǎn)。

2.2CFs參與心肌梗死后血管再生 心肌梗死后血管再生指內(nèi)皮細(xì)胞中新的微血管的形成，以重新建立梗死心肌的血流，通常有利于心臟修復(fù)，與心功能及患者預(yù)后存在密切聯(lián)系，因此，促進(jìn)心肌血管再生對改善心肌梗死后不良心臟重構(gòu)具有重要意義。隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，介入治療能有效恢復(fù)心臟大血管血流，但仍有30%以上的患者出現(xiàn)微血管功能障礙，最終導(dǎo)致左心室重構(gòu)不良以及心力衰竭的發(fā)生[32]。既往認(rèn)為，心肌梗死后，CFs分化為內(nèi)皮細(xì)胞，占新形成血管內(nèi)皮細(xì)胞總數(shù)的30%[33]。然而，He等[34]通過遺傳譜系示蹤技術(shù)證實(shí)，成體CFs并不具有轉(zhuǎn)分化形成血管內(nèi)皮細(xì)胞的能力，新生血管主要來自血管內(nèi)皮細(xì)胞的自我復(fù)制。因此，進(jìn)一步研究CFs在血管生成中的作用對于闡明CFs與內(nèi)皮細(xì)胞之間的相互作用非常有必要。

心肌梗死后血管再生是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，CFs在心肌梗死后不同時(shí)間段以及不同亞型CFs對血管再生的作用不同。Mouton等[35]研究表明，CFs在心肌梗死后對血管再生起雙重調(diào)節(jié)作用。心肌梗死后第3天，梗死區(qū)CFs促血管生成基因表達(dá)增加，其中包括血管內(nèi)皮生長因子A；心肌梗死后第7天，CFs通過血小板反應(yīng)蛋白-1對血管再生起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，此轉(zhuǎn)變可能與CFs在特定的時(shí)間段內(nèi)受到某些特定的信號分子的調(diào)控有關(guān)。然而，導(dǎo)致CFs對血管再生作用轉(zhuǎn)變的因素尚無明確結(jié)論。Saraswati等[36]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死小鼠心臟中存在兩種不重疊的CFs亞型，分別表達(dá)成纖維細(xì)胞特異性蛋白及α平滑肌肌動(dòng)蛋白，在受損心臟愈合過程中，表達(dá)成纖維細(xì)胞特異性蛋白的CFs亞群較表達(dá)α平滑肌肌動(dòng)蛋白的CFs亞群的促血管再生作用更強(qiáng)，這可能與不同亞型CFs對微環(huán)境變化的反應(yīng)不同有關(guān)。因此，深入理解不同亞型CFs的起源與功能對精準(zhǔn)促進(jìn)血管再生起重要作用。

目前，心肌梗死后CFs促進(jìn)血管再生的具體機(jī)制仍不明確。CFs內(nèi)某些酶以及CFs分泌的部分因子可促進(jìn)血管再生。Korf-Klingebiel等[37]研究表明，小鼠血管內(nèi)皮細(xì)胞和CFs表達(dá)的硫脂酶1和單核細(xì)胞表達(dá)的硫脂酶2均可減輕小鼠心肌梗死區(qū)域硫酸乙酰肝素的硫酸化程度，并增強(qiáng)血管內(nèi)皮生長因子A的血管生成活性，從而促進(jìn)缺血性組織修復(fù)，但尚未解釋體內(nèi)硫脂酶對血管再生的真實(shí)影響。另有研究發(fā)現(xiàn)，心源性細(xì)胞外囊泡可誘導(dǎo)CFs分泌細(xì)胞衍生因子-1和血管內(nèi)皮生長因子，從而促進(jìn)心肌梗死后血管再生，對心功能的恢復(fù)具有重要意義[38]?？傊炔挥绊懝Ｋ绤^(qū)瘢痕成熟，又能促進(jìn)梗死心肌血管再生是改善心肌梗死后不良心臟重構(gòu)的一項(xiàng)有效治療措施，CFs可能成為促進(jìn)心肌梗死后血管再生的靶細(xì)胞。

2.3CFs參與心肌梗死后炎癥反應(yīng) 心肌梗死后產(chǎn)生強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，炎癥反應(yīng)是心臟修復(fù)必需，而過度的炎癥反應(yīng)則加重心肌梗死，并促進(jìn)心臟不良重構(gòu)。心肌梗死后長期或失調(diào)的炎癥反應(yīng)會引起梗死面積擴(kuò)大和修復(fù)性纖維化形成障礙，導(dǎo)致室壁瘤形成，加重心室功能不全。目前，CFs在心肌梗死后炎癥反應(yīng)中的具體作用尚不明確。近年證據(jù)表明，心肌梗死后，乳脂球表皮生長因子-8在CFs中的表達(dá)可介導(dǎo)CFs獲得抗炎細(xì)胞表型，促進(jìn)CFs吞噬梗死區(qū)的凋亡細(xì)胞，細(xì)胞定量分析顯示，CFs吞噬的凋亡細(xì)胞約占巨噬細(xì)胞吞噬細(xì)胞總數(shù)的40%[39-40]。此外，Scharf等[41]研究發(fā)現(xiàn)，減少CFs中Sox蛋白9表達(dá)可以改善梗死瘢痕內(nèi)持續(xù)的白細(xì)胞浸潤，防止心肌擴(kuò)張，并改善心肌梗死后的心功能。以上研究表明，CFs具有很強(qiáng)的可塑性，可根據(jù)微環(huán)境的變化表現(xiàn)出不同的功能，對心肌梗死后炎癥反應(yīng)起抗炎作用，但具體作用機(jī)制還需要進(jìn)一步闡明。

然而，CFs在心肌梗死炎癥期同樣也可起到促炎作用。另有研究表明，心肌梗死后，在活性氧類、Toll樣受體4配體以及白細(xì)胞介素-1β等刺激下，CFs能夠產(chǎn)生促炎介質(zhì)以及基質(zhì)降解蛋白酶，在清除梗死灶基質(zhì)碎片中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[42-43]。同時(shí)，CFs還能產(chǎn)生單核細(xì)胞驅(qū)化蛋白-1，從而驅(qū)動(dòng)單核細(xì)胞向受損心臟遷移，加重炎癥反應(yīng)[44]。此外，Chen等[45]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠心肌梗死后，炎癥因子白細(xì)胞介素-17可通過激活核因子激活的B細(xì)胞κ輕鏈增強(qiáng)信號通路，并活化T細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子，從而誘導(dǎo)表達(dá)干細(xì)胞抗原的CFs產(chǎn)生粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子以及單核細(xì)胞驅(qū)化蛋白-1，最終導(dǎo)致大量免疫細(xì)胞浸潤心臟以及心肌梗死后心力衰竭的發(fā)生。心肌梗死后，心臟微環(huán)境變化過程極其復(fù)雜，表達(dá)干細(xì)胞抗原的CFs可能是心肌梗死炎癥期調(diào)控局部細(xì)胞因子和趨化因子平衡以及調(diào)控免疫細(xì)胞募集的潛在治療靶點(diǎn)。

近年來，巨噬細(xì)胞的極化受到廣大學(xué)者的關(guān)注。心肌梗死后，大量巨噬細(xì)胞向心臟遷移，參與炎癥反應(yīng)，巨噬細(xì)胞極化在心肌梗死后心臟重構(gòu)中起重要作用。目前，CFs是否參與巨噬細(xì)胞極化過程尚不清楚。Humeres等[46]通過體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，受到炎癥或TGF刺激的CFs可以通過單核細(xì)胞驅(qū)化蛋白-1介導(dǎo)的趨化作用和細(xì)胞黏附因子-1以及血管細(xì)胞黏附分子-1招募單核細(xì)胞并調(diào)節(jié)M1/M2型巨噬細(xì)胞的平衡，可能有助于理解心肌梗死后心臟炎癥期向修復(fù)期的過渡。但CFs干預(yù)心肌梗死后巨噬細(xì)胞極化，使心肌組織達(dá)到平衡狀態(tài)，以及促進(jìn)受損心臟的修復(fù)的機(jī)制仍需研究。

心肌梗死后，保持心臟內(nèi)炎癥的平衡狀態(tài)對心臟修復(fù)至關(guān)重要。由于缺乏特異且可靠的CFs標(biāo)志物，故對CFs的研究仍非常有限，在梗死灶愈合過程中CFs是否作為抗炎細(xì)胞尚未有定論?；谛呐K富含CFs，其在心肌梗死愈合過程中動(dòng)態(tài)表型變化，并對炎癥具有抑制作用，故推測CFs可能成為抑制炎癥的重要細(xì)胞效應(yīng)器。

2.4CFs參與調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞 在心臟內(nèi)，許多不同的細(xì)胞群協(xié)同工作，形成正常發(fā)育和對生理或病理刺激做出適當(dāng)反應(yīng)所必需的微環(huán)境。既往研究主要集中于心肌細(xì)胞與炎癥細(xì)胞之間，忽略了心臟內(nèi)數(shù)量眾多但體積較小的CFs。在受損和重構(gòu)心臟中，CFs對心肌細(xì)胞起關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用。研究表明，當(dāng)CFs受到炎癥刺激后，細(xì)胞內(nèi)的炎癥小體被激活，使CFs分泌大量的炎癥介質(zhì)，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞增殖分化能力減弱[47]。此外，CFs還可通過整合素、縫隙連接蛋白43以及電偶聯(lián)等影響心肌細(xì)胞的生理功能[48-50]。研究發(fā)現(xiàn)，心肌梗死后，CFs可通過G蛋白偶聯(lián)受體激酶2信號延長缺血性損傷，從而加重心肌細(xì)胞凋亡，但具體機(jī)制尚不明確[4]。目前，CFs促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡的主要機(jī)制有3種：①CFs可能分泌可溶性促凋亡介質(zhì)(如促炎細(xì)胞因子)，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞死亡；②CFs可能通過分泌蛋白酶調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的組成，間接降低心肌細(xì)胞的存活率；③CFs可能分泌信號分子，從而激活心肌細(xì)胞的促凋亡途徑。將CFs及肌成纖維細(xì)胞與心肌細(xì)胞共同培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，兩者均能降低心肌細(xì)胞存活率[15]。心肌梗死后，在各種炎癥介質(zhì)及細(xì)胞因子的作用下，CFs大量增殖。一方面，有利于受損心臟的修復(fù)，另一方面，大量增殖的CFs可能對心肌細(xì)胞的存活起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，從而加重心肌損害。

心肌梗死后，大量心肌細(xì)胞丟失，目前干細(xì)胞移植是一種較具前景的治療方式，但實(shí)踐過程中干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞往往分化不成熟。隨著對CFs與心肌細(xì)胞相互作用的深入探討，發(fā)現(xiàn)CFs可作為心肌細(xì)胞微環(huán)境的主要成分驅(qū)動(dòng)幼稚心肌細(xì)胞向成熟心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)化，表明CFs對心肌細(xì)胞的分化起到積極作用[51]。另外，Zhou等[52]利用心肌細(xì)胞重編程的方法，通過病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)重要的轉(zhuǎn)錄因子使CFs逐漸關(guān)閉成纖維狀態(tài)相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄，且大規(guī)模地激活心肌細(xì)胞所需的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。該實(shí)驗(yàn)描繪了CFs向心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)化的命運(yùn)圖譜，有助于深入理解心肌細(xì)胞的再生過程。

由此可見，確定心臟內(nèi)各種細(xì)胞的相互作用以及利用它們之間的相互作用修復(fù)和治療受損的心臟細(xì)胞是潛在的心臟病干預(yù)治療手段。未來應(yīng)致力于心肌損傷和重構(gòu)過程中細(xì)胞特異性信號通路的研究。在心臟損傷和重構(gòu)過程中，某些細(xì)胞群可能在特定的時(shí)間對這些信號產(chǎn)生獨(dú)特的反應(yīng)。

3 小 結(jié)

CFs參與心肌梗死后組織修復(fù)、炎癥反應(yīng)、血管生成和與心肌細(xì)胞相互作用。目前，對CFs功能的認(rèn)識已經(jīng)不僅僅局限于細(xì)胞外基質(zhì)生成作用。鑒于CFs在心肌梗死后心臟重構(gòu)中的多重作用，在正確的時(shí)間激活適量的CFs，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間抑制CFs，從而使心臟修復(fù)達(dá)到平衡狀態(tài)非常重要。CFs在重構(gòu)心臟中功能作用的多樣性反映了不同CFs亞群具有不同的作用。目前，不同CFs亞群的表型特征、起源和功能等尚未明確。CFs功能的多元化可能反映了其對微環(huán)境變化的高反應(yīng)性，然而哪些分子信號和環(huán)境信號驅(qū)動(dòng)CFs的顯著表型變化以及小鼠模型中記錄的細(xì)胞生物學(xué)過程是否再現(xiàn)了人類CFs的表型變化仍需進(jìn)一步深入探討，以上研究問題的明確對精準(zhǔn)抑制心肌梗死后不良心肌重構(gòu)起到關(guān)鍵作用。