機械應(yīng)力誘導(dǎo)心肌重構(gòu)的研究進展

吳 劍,鄒云增

(復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院上海市心血管病研究所,上海200032)

心血管疾病正在成為危害人類健康和生命安全的頭號殺手.高血壓等病因?qū)е碌男募≈貥?gòu)是心力衰竭(心衰)等心血管主要事件的獨立危險因素.血流動力學(xué)產(chǎn)生的機械應(yīng)力對心臟形態(tài)和結(jié)構(gòu)的改變具有重要作用.在生理狀態(tài)下,機械應(yīng)力對心臟發(fā)育、成體心臟正常結(jié)構(gòu)和功能的維持起重要作用.然而,在病理狀態(tài)下出現(xiàn)的機械應(yīng)力超負(fù)荷可直接觸發(fā)心肌重構(gòu),同時伴隨神經(jīng)體液因子表達升高,產(chǎn)生的協(xié)同作用會進一步加重心肌重構(gòu),是引起心力衰竭的主要病因[1-2].機械應(yīng)力超負(fù)荷刺激作用下的心臟,在初期通過心肌細胞肥大、纖維組織增生、新生血管增多、炎性反應(yīng)增強、代謝方式改變等變化,以應(yīng)對室壁應(yīng)力和能量代謝需求的增加,產(chǎn)生適應(yīng)性的心肌重構(gòu).但如果產(chǎn)生機械應(yīng)力超負(fù)荷的病因未能及時移除,心臟將逐漸從代償期進入失代償期,心肌重構(gòu)進一步發(fā)展,最終產(chǎn)生心衰.目前,針對導(dǎo)致心肌重構(gòu)過程中過度激活的神經(jīng)體液因素和炎癥因素等的藥物和手術(shù)治療已經(jīng)取得一定進展,但仍有眾多患者的病情未取得滿意療效.因此,尚需進一步明確心肌重構(gòu)的驅(qū)動因素以進行早期有效防治.

機械應(yīng)力超負(fù)荷分為壓力超負(fù)荷(后負(fù)荷)和容量超負(fù)荷(前負(fù)荷)[1,3].心臟壓力超負(fù)荷主要出現(xiàn)于收縮期,常見于高血壓和主動脈狹窄；心臟容量超負(fù)荷主要出現(xiàn)于舒張期,常見于脈瓣返流疾病.兩類超負(fù)荷并非互不相干,而是有一定的相互交叉重疊,壓力超負(fù)荷心肌肥厚終末期會出現(xiàn)容量超負(fù)荷,容量超負(fù)荷心肌肥厚在收縮期也常常有一定程度的壓力超負(fù)荷.總的來說,雖然壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷均引起心肌肥厚,但在大體形態(tài)上,壓力超負(fù)荷心臟的室壁厚度增加非常明顯,室腔內(nèi)徑無明顯變化或稍有減小,表現(xiàn)為向心性肥厚；而容量超負(fù)荷心臟的室壁僅輕度肥厚甚至不增厚,室腔內(nèi)徑明顯增大,表現(xiàn)為離心性肥厚[3].在細胞水平上,壓力超負(fù)荷心臟的心肌細胞肌節(jié)橫向增寬,容量超負(fù)荷心臟的心肌細胞肌節(jié)縱向伸長.在分子水平上則發(fā)現(xiàn),心臟肥厚相關(guān)因子(如胞外信號調(diào)節(jié)激酶ERK1/2)在壓力超負(fù)荷心臟中激活明顯,在容量超負(fù)荷心臟中未見明顯激活[4].壓力超負(fù)荷心臟的鈣火花、鈣瞬變、L型鈣電流、肌漿網(wǎng)鈣釋放等鈣誘導(dǎo)的鈣釋放(calcium-induced calcium release,CICR)現(xiàn)象明顯增加,而容量超負(fù)荷心臟的這些變化并未明顯增加.此外,壓力超負(fù)荷心臟的心肌纖維化、炎癥反應(yīng)及凋亡程度均高于容量超負(fù)荷心臟[3,5].在實驗動物中發(fā)現(xiàn),壓力超負(fù)荷組生存率亦較容量超負(fù)荷組降低[3,6].這些證據(jù)提示,壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷所致的心肌重構(gòu)的信號網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)機制明顯不同.另外,在臨床實踐中發(fā)現(xiàn),一些藥物對于這兩類機械應(yīng)力超負(fù)荷心肌重構(gòu)的效果存在明顯不同[7].比如,文獻[8]報道鈣通道拮抗劑對壓力超負(fù)荷心肌肥厚療效明顯,但文獻[9]則指出鈣通道拮抗劑未能改善容量超負(fù)荷心肌重構(gòu).這些證據(jù)說明,在壓力超負(fù)荷心肌重構(gòu)中獲得的經(jīng)驗并不能簡單外推到容量超負(fù)荷心肌重構(gòu),對這兩類機械應(yīng)力超負(fù)荷引發(fā)的心肌重構(gòu)需要更具個性化的甄選診療方案.然而,二者療效差異的具體機制仍有待闡明.

目前,針對壓力超負(fù)荷的研究較多,了解相對清楚,但對容量超負(fù)荷的研究較匱乏,主要原因有：(1)高血壓的發(fā)病率高,壓力超負(fù)荷模擬高血壓,獲得更多關(guān)注.可是,容量超負(fù)荷不僅見于瓣膜病,在其他多種心臟病,如心肌梗死、擴張性心肌病、機體過度運動,甚至高血壓心臟病終末期,也普遍伴隨著容量超負(fù)荷的現(xiàn)象.(2)缺少可高效復(fù)制的較具臨床轉(zhuǎn)化意義的容量超負(fù)荷心肌重構(gòu)動物模型.然而,本課題組近期構(gòu)建的主動脈瓣返流(aortic regurgitation,AR)小鼠模型,可以實時控制返流程度,并克服以往動靜脈瘺模型中右心室同時明顯重構(gòu)帶來的干擾,是一種較好的模擬容量超負(fù)荷心肌重構(gòu)的新模型,相關(guān)成果已發(fā)表在心血管知名國際期刊上,獲得學(xué)界認(rèn)可[10].通過這一新型容量超負(fù)荷模型,與既往常規(guī)使用的主動脈縮窄(transverse aortic constriction,TAC)造成的壓力超負(fù)荷模型在心臟結(jié)構(gòu)、功能、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等方面進行了對比,發(fā)現(xiàn)在承受同等程度機械應(yīng)力刺激下,術(shù)后2周,兩類超負(fù)荷小鼠心臟雖然同處代償期,但各自的向心性肥厚和離心性肥厚特征明顯,且壓力超負(fù)荷心臟的鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ,CaMKⅡ)、鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(calcineurin)、絲裂原活化蛋白激酶家族(包括extracellular signal-regulated kinases(ERK1/2,ERK5),JNK1/2,p38MAPK,Akt)、β-休止蛋白-2(β-arrestin-2)等心肌肥厚相關(guān)信號通路的激活程度普遍高于容量超負(fù)荷心臟.并且,壓力超負(fù)荷心臟的心肌纖維化,特別是心肌炎癥反應(yīng)及凋亡程度均高于容量超負(fù)荷心臟,術(shù)后生存率也較容量超負(fù)荷小鼠明顯降低[10].基于上述結(jié)果,本課題組推測不同機械應(yīng)力激活不同的信號網(wǎng)絡(luò),誘導(dǎo)心肌細胞發(fā)生不同損傷和命運改變,產(chǎn)生不同類型的心肌重構(gòu).進而圍繞這些差別,篩選出不同機械應(yīng)力導(dǎo)致不同心肌重構(gòu)的特征性因子并予以反向調(diào)控,以進一步厘清信號因子在兩類超負(fù)荷心肌重構(gòu)中的不同作用.

在此基礎(chǔ)上,本課題組首先重點觀察了鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ.壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷分別作用于心動周期的收縮期和舒張期.心肌細胞通過鈣離子流在細胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的周期性變化,實現(xiàn)心動周期的收縮和舒張.鈣離子作為第二信使,在心肌細胞的興奮-收縮耦聯(lián)中起關(guān)鍵作用[11].越來越多的研究表明,鈣離子參與病理條件下心肌肥厚及心衰的發(fā)生發(fā)展過程[12].在壓力超負(fù)荷中,心臟需要加強主動收縮對抗后負(fù)荷的增加,鈣離子及其相關(guān)處理蛋白的變化較早.已知鈣離子可通過激活鈣相關(guān)的肥厚通路,如鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ,觸發(fā)壓力超負(fù)荷心肌肥厚[12].很多研究均有證明,壓力超負(fù)荷可激活鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ,經(jīng)組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDAC)-肌細胞增強因子2(myocyte enhancer factor-2,MEF2)信號通路激活ERK1/2,誘發(fā)心肌肥厚[12-13].CaMKⅡ也可直接促發(fā)壓力超負(fù)荷心臟細胞炎性死亡.由于心肌細胞是終末分化細胞,細胞死亡將導(dǎo)致心肌細胞數(shù)量減少,加重心肌重構(gòu).Zhang等[14]提出CaMKⅡ可通過加重缺血再灌注心臟或阿霉素處理心臟的程序性壞死(necroptosis),促進心衰的發(fā)生.近期則有報道指出,壓力超負(fù)荷活化的鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ激發(fā)炎性反應(yīng)和NLRP3(NOD-like receptor pyrin domain containing protein 3,NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3)炎癥小體的高表達,促進壓力超負(fù)荷心肌惡性重構(gòu)[15].結(jié)合前述的鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ在壓力超負(fù)荷心臟明顯激活,而在容量超負(fù)荷活化輕微的結(jié)果,推測壓力超負(fù)荷對鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的差異性激活是觸發(fā)兩類心肌肥厚差異的重要原因,對鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ進行干預(yù)可能對壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌重構(gòu)治療更加精準(zhǔn).

另一個重點觀察的信號因子是Akt,其作為一種絲/蘇氨酸蛋白激酶,是心臟眾多病理生理信號的重要調(diào)節(jié)樞紐,與心肌細胞存活、細胞增殖、糖原合成、能量代謝、肌力維持等過程密切相關(guān).Akt在生理性肥厚和病理性肥厚中均起作用,其信號紊亂會導(dǎo)致心肌重構(gòu)加重并失代償[16].但Akt本身的作用較為復(fù)雜,激活心臟Akt信號雖會促進游泳所致的生理性肥厚,但會減輕TAC等壓力超負(fù)荷引起的病理性肥厚[17].目前已知磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)通過其亞單位p110活化磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(phosphoinositide-dependent kinase,PDK),進而激活A(yù)kt[18].PI3K的PI3Kγ亞型的激活介導(dǎo)病理性心臟肥厚,PI3Kα亞型則介導(dǎo)生理性心臟肥厚[19].Akt通過磷酸化激活或抑制下游靶蛋白,包括糖原合成激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK3β)、Caspase-9、Bad、叉頭蛋白(forkhead)、核因子活化B細胞κ輕鏈增強子(nuclear factor-κB,NF-κB)、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、葡糖糖轉(zhuǎn)運體4(glucose transporter,GLUT4)等,起到上述病理生理作用.同時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)活性(constitutively active)Akt短期內(nèi)對心臟有保護作用,長期卻會通過降低線粒體氧化能力起到誘發(fā)病理性肥厚的作用,進一步證實了其作用的多樣性和復(fù)雜性[20].近期則在AR小鼠心臟發(fā)現(xiàn)返流早期Akt即迅速激活,隨后開始回落,但仍高于相應(yīng)的假手術(shù)組.相比其他相關(guān)信號因子沒有激活或至少輕度激活,Akt在容量超負(fù)荷心臟中被顯著激活[10].這顯示Akt可能是一個獨特的介導(dǎo)容量超負(fù)荷心肌重構(gòu)的因子.

總之,雖然均為機械應(yīng)力超負(fù)荷誘發(fā),但是壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷分別引起截然不同的向心性和離心性的心肌肥厚.然而,這兩類機械應(yīng)力超負(fù)荷心肌肥厚,并非各方面都涇渭分明、各自為戰(zhàn),而是呈現(xiàn)相互交叉的特點,且在各自病變的不同階段其肥厚信號還可呈現(xiàn)動態(tài)變化.目前本課題組的工作進一步探討了一些肥厚相關(guān)信號在兩類超負(fù)荷心肌肥厚觸發(fā)機制差異中的可能機制,并初步提出鈣/鈣調(diào)素依賴蛋白激酶Ⅱ和Akt有可能是針對兩類超負(fù)荷重構(gòu)精準(zhǔn)化治療的有效靶點.但是,目前尚亟待闡明幾個關(guān)鍵性問題：(1)容量超負(fù)荷心肌重構(gòu)區(qū)別于壓力超負(fù)荷心肌重構(gòu)的關(guān)鍵性觸發(fā)因子/標(biāo)記物是什么？(2)兩類重構(gòu)中均發(fā)生變化的因子對各自重構(gòu)的作用是否一樣？因而,對上下游主要調(diào)控因子在兩類超負(fù)荷心臟重構(gòu)中的調(diào)控差異,尚需抽絲剝繭,進行較為深入的研究,其研究結(jié)果必將為臨床心肌肥厚的精準(zhǔn)化研究和個性化診療提供重要參考.