房室成纖維細(xì)胞在心房和心室心肌纖維化中的差異?

王照地 趙永輝

心肌纖維化是指心肌組織中細(xì)胞外基質(zhì)合成和降解失衡而導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)過度沉積,是許多心血管疾病發(fā)展到一定階段的重要的病理學(xué)過程。心臟成纖維細(xì)胞在心肌纖維化的發(fā)生和發(fā)展過程中起著關(guān)鍵作用[1]。當(dāng)心臟受到炎癥、缺血、缺氧、機(jī)械牽張等病理刺激后,在各種促纖維化細(xì)胞因子的作用下,心臟成纖維細(xì)胞增殖活化為肌成纖維細(xì)胞,分泌細(xì)胞外基質(zhì)的能力增強(qiáng),促使心肌纖維化的形成。有研究表明,無論在體內(nèi)還是在體外,心房成纖維細(xì)胞對(duì)纖維化損傷的反應(yīng)都比心室成纖維細(xì)胞更大[2－3]。近年來,研究發(fā)現(xiàn)心房和心室成纖維細(xì)胞的行為及其參與心肌纖維化的形成過程存在一定的差異,但具體的分子機(jī)制仍然未知。筆者綜述近幾年心房和心室成纖維細(xì)胞與心肌纖維化差異的研究進(jìn)展。

1 心房與心室成纖維細(xì)胞的行為差異

心房和心室特異性基因表達(dá)存在于心臟的整個(gè)發(fā)育過程及病變的心肌中[2,4],差異表達(dá)的基因與心臟重塑有關(guān)。心房中表達(dá)較高的基因有編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因、細(xì)胞骨架基因、細(xì)胞外基質(zhì)分子及代謝相關(guān)分子等[4]。心室中表達(dá)較高的有心室肌球蛋白輕鏈、肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的異構(gòu)體、LIM 結(jié)構(gòu)域蛋白及同源盒基因等[4]。另外,基因芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)心房和心室成纖維細(xì)胞之間有225個(gè)差異表達(dá)的基因,包括參與細(xì)胞外基質(zhì)形成、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝相關(guān)的基因等[2]。Burstein等[2]首次對(duì)犬的心房和心室成纖維細(xì)胞進(jìn)行直接比較,發(fā)現(xiàn)心房和心室成纖維細(xì)胞之間的行為存在系統(tǒng)性差異。與心室成纖維細(xì)胞相比,心房成纖維細(xì)胞更容易發(fā)生形態(tài)學(xué)轉(zhuǎn)變。充血性心力衰竭(CHF)時(shí),心房成纖維細(xì)胞的分裂率明顯增加。并且與心室成纖維細(xì)胞相比,心房成纖維細(xì)胞中血小板衍生生長因子(PDGF)及其α受體(PDGFRα)的表達(dá)更高,CHF 進(jìn)一步增強(qiáng)了這種差異,表明PDGF是導(dǎo)致房室成纖維細(xì)胞差異的潛在因素[2]。另外,在無血清培養(yǎng)的條件下,心房和心室成纖維細(xì)胞的增殖沒有區(qū)別,但在各種生長因子或細(xì)胞因子[如胎牛血清、PDGF、血管緊張素Ⅱ、內(nèi)皮素-1和轉(zhuǎn)化生長因子-β1(TGFβ1)等]的誘導(dǎo)下,心房成纖維細(xì)胞的增殖反應(yīng)大于心室成纖維細(xì)胞[2]。同樣,在血清誘導(dǎo)的條件下,人心房成纖維細(xì)胞的增殖速率也始終高于同期培養(yǎng)的心室成纖維細(xì)胞[5]。

研究發(fā)現(xiàn),心房和心室中TGF-β1受體的分布或表達(dá)沒有差異,但與心室成纖維細(xì)胞相比,心房成纖維細(xì)胞對(duì)TGFβ1的反應(yīng)更強(qiáng),表現(xiàn)出更大的纖維化反應(yīng)[6－7]。用TGF-β處理培養(yǎng)的大鼠心房和心室成纖維細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)心房成纖維細(xì)胞中透明質(zhì)酸,CD44,信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子與轉(zhuǎn)錄激活子3(STAT3)和膠原的表達(dá)明顯高于心室成纖維細(xì)胞[3]。

2 心房與心室成纖維細(xì)胞對(duì)不同致心肌纖維化因子的反應(yīng)差異

2.1 TGF-β與PDGF TGF-β是纖維化的主要介質(zhì),在心房纖維化中起著重要作用[3,6－7]。TGF-β以三種異構(gòu)體的形式存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi),包括TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3,可通過相同的細(xì)胞表面受體發(fā)出信號(hào)并作用于共同的細(xì)胞靶標(biāo)。TGF-β受體為細(xì)胞表面的跨膜糖蛋白,分別為TGFβ受體I(TβRI)、TGF-β受體Ⅱ(TβRⅡ)和TGF-β受體Ⅲ(TβRⅢ)。研究表明,TGF-β致纖維化的機(jī)制主要是通過TGF-β/Smads信號(hào)通路的激活[8]。TGF-β1 被激活和釋放后,分別與細(xì)胞膜表面的TβRII和TβRI結(jié)合,形成受體復(fù)合物,作用于Smad蛋白引起一系列磷酸化反應(yīng),無活性的Smad蛋白2、3、4形成復(fù)合物后移入靶細(xì)胞核,通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)區(qū)域調(diào)節(jié)與纖維化有關(guān)的基因表達(dá),促進(jìn)纖維化的發(fā)生。TGF-β1可介導(dǎo)通過TβRI、TβRⅡ和經(jīng)典Smad途徑發(fā)生的選擇性心房纖維化,即心房和心室纖維化的不同反應(yīng)發(fā)生在TGF-β1受體結(jié)合或磷酸化水平[7]。除了經(jīng)典的Smad途徑,CD44/STAT3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在介導(dǎo)TGF-β誘導(dǎo)的細(xì)胞外基質(zhì)沉積和心房纖維化中也起著重要作用,并且可獨(dú)立于Smad3發(fā)揮作用[3]。

另外,PDGF 在心房和心室成纖維細(xì)胞中表達(dá)有差異[2],其信號(hào)通路可刺激心臟成纖維細(xì)胞增殖并活化為肌成纖維細(xì)胞從而參與心肌纖維化的形成[9]。STAT 是潛在的轉(zhuǎn)錄激活因子,對(duì)細(xì)胞增殖起著重要作用,Janus激酶(Janus kinase,JAK)-STAT 信號(hào)通路參與多種心血管疾病的形成[10]。研究發(fā)現(xiàn),在室性心動(dòng)過速(VT)誘發(fā)CHF 犬和心肌梗死(MI)導(dǎo)致左室功能障礙的小鼠模型中發(fā)生了明顯的心房重構(gòu)[11]。CHF 犬出現(xiàn)了心房選擇性纖維化,并且PDGF 的亞型PDGFA/C/D、PDGF 受體β (PDGFRβ)、PDGF 信號(hào)傳導(dǎo)下游效應(yīng)器JAK2 和磷酸化的STAT3(p-STAT3)的表達(dá)均呈現(xiàn)心房選擇性上調(diào)。另外,PDGF 刺激房室成纖維細(xì)胞后心房成纖維細(xì)胞中PDGFRα、STAT3、p-STAT3及膠原Ⅰ和纖維連接蛋白1(FN1)的表達(dá)增加,心室成纖維細(xì)胞卻未出現(xiàn)明顯的變化,且JAK2抑制劑AG-490、PDGF受體抑制劑AG 1296和STAT3抑制劑S3I-201可抑制p-STAT3和膠原表達(dá)上調(diào),更進(jìn)一步證實(shí)了PDGF 在心房成纖維細(xì)胞中激活JAK-STAT 系統(tǒng)的能力[11]。心肌梗死后左室功能障礙小鼠出現(xiàn)了嚴(yán)重的左房纖維化,S3I-201對(duì)左室重構(gòu)無明顯影響,卻明顯減弱了左房纖維化[11]。因此,PDGF可通過JAK-STAT 信號(hào)激活介導(dǎo)心房成纖維細(xì)胞的活化并增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的產(chǎn)生,并且JAK-STAT的激活是心房選擇性的,對(duì)心房成纖維細(xì)胞的行為具有調(diào)節(jié)作用,可作為選擇性預(yù)防心房纖維化的潛在靶標(biāo)[11]。

2.2 氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激與心房顫動(dòng)等多種心血管疾病密切相關(guān),并且在心房纖維化的發(fā)生過程中起著重要作用。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOXs)通過產(chǎn)生活性氧(ROS)已經(jīng)成為心房氧化應(yīng)激的主要來源[6]。NOXs有五種異構(gòu)體組成,分別為NOX1、NOX2、NOX3、NOX4和NOX5。其中,NOX2和NOX4是心肌中NOXs的主要同工型,在心臟成纖維細(xì)胞中均有表達(dá)。TGF-β1可刺激NOX4衍生的ROS產(chǎn)生,從而激活心臟成纖維細(xì)胞,促進(jìn)纖維化的發(fā)生。與心室成纖維細(xì)胞相比,TGF-β1可刺激心房成纖維細(xì)胞表達(dá)更多的NOX4,源自NOX4的ROS通過TGF-β1/Smad信號(hào)的激活介導(dǎo)了心房成纖維細(xì)胞對(duì)TGF-β1的敏感性,表明NOXs和Smad信號(hào)之間存在串?dāng)_,并且NOX4在介導(dǎo)房室成纖維細(xì)胞的差異方面起著關(guān)鍵作用[6]。

2.3 利鈉肽系統(tǒng) 利鈉肽系統(tǒng)是重要的自分泌、內(nèi)分泌、旁分泌系統(tǒng),主要由心房利鈉肽(ANP)、B型利鈉肽(BNP)、C型利鈉肽(CNP)組成,通過與利鈉肽受體(NPR)結(jié)合,引起細(xì)胞內(nèi)環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)依賴性第二信使信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),介導(dǎo)利鈉肽在心臟成纖維細(xì)胞中發(fā)揮抗肥大和抗纖維化作用[12]。NPR 有三種不同的類型,分別為NPR-A、NPR-B 和NPR-C,其中NPR-A 結(jié)合ANP和BNP;NPR-B結(jié)合CNP;NPR-C是清除受體,通過結(jié)合并內(nèi)化利鈉肽將其從循環(huán)系統(tǒng)中清除[12]。心臟中大部分利鈉肽信號(hào)是通過NPR-A 發(fā)生的,NPR-A 在心房和心室中的表達(dá)都比較豐富,但是NPR-C在心房和心室中的表達(dá)卻有明顯的不同。

Rahmutula等[13]通過分析野生型(Wt)小鼠,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與心室相比,NPR-C 在心房中的表達(dá)水平更高,進(jìn)一步對(duì)Wt及NPR-C基因敲除(NPR-C-KO)小鼠進(jìn)行橫主動(dòng)脈縮窄(TAC)研究,發(fā)現(xiàn)與Wt-TAC 組相比,NPR-C-KO-TAC組小鼠的心房纖維化基因表達(dá)明顯降低。另外,為了進(jìn)一步研究參與TGF-β1誘導(dǎo)纖維化的NPR-C 調(diào)節(jié)的分子途徑,研究者將分離培養(yǎng)的成年小鼠的原代房室成纖維細(xì)胞暴露于TGF-β1中,發(fā)現(xiàn)心房成纖維細(xì)胞中NPR-C、FN1和膜蛋白的表達(dá)水平明顯高于心室成纖維細(xì)胞,用小分子干擾RNA(siRNA)敲降NPR-C,導(dǎo)致由TGF-β1誘導(dǎo)的房室成纖維細(xì)胞中p-Smad2和膠原Ⅰ的表達(dá)顯著減少,并且心房成纖維細(xì)胞減少更明顯[13]。NPR-C缺乏降低了心房成纖維細(xì)胞中膠原蛋白的產(chǎn)生及由TGF-β1誘導(dǎo)的心房纖維化的形成,NPR-C在房室成纖維細(xì)胞中差異表達(dá),并且在介導(dǎo)房室成纖維細(xì)胞對(duì)TGF-β1刺激的纖維化的差異反應(yīng)中起著重要的作用[13]。NPR-C敲除可能會(huì)通過增加局部利鈉肽的濃度,抑制TGF-β1的促纖維化途徑,然而,有研究卻呈現(xiàn)出了不同的結(jié)果。Egom 等[14]采用超聲心動(dòng)圖、膜片鉗、定量聚合酶鏈反應(yīng)和組織學(xué)等方法對(duì)Wt和NPR-C-KO 小鼠的心臟結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Wt小鼠NPR-C 在竇房結(jié)和心房中的表達(dá)明顯高于左室,與Rahmutula等[13]的研究結(jié)果相同。NPR-C-KO 小鼠竇房結(jié)功能障礙,心房心肌結(jié)構(gòu)重塑和纖維化導(dǎo)致房性心律失常增加,然而其心室纖維化或室性心律失常卻未見明顯不同,表明NPR-C 在心臟中起著保護(hù)作用,且該作用具有明顯的房室特異性差異[14]。以上兩個(gè)研究結(jié)果顯示出NPR-C 對(duì)心房纖維化的矛盾作用,可能與兩者研究的側(cè)重點(diǎn)及方法不同有關(guān)。前者主要研究NPR-C在TAC和TGF-β1誘導(dǎo)房室成纖維細(xì)胞的促纖維化模型中影響纖維化的機(jī)制,而后者主要關(guān)注竇房結(jié)的功能,并未研究NPR-C對(duì)纖維化模型的作用。

3 預(yù)防和緩解心肌纖維化藥物的房室特異性差異

針對(duì)心肌纖維化的發(fā)病機(jī)制,使用相應(yīng)的抑制劑可用于治療心肌纖維化,其中常見的有腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)抑制劑、他汀類藥物等。另外,中醫(yī)藥也可用于輔助治療心肌纖維化。研究發(fā)現(xiàn),與RAAS相關(guān)的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEIs)和血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑(ARBs)均具有抗心肌纖維化的作用[15－16],醛固酮受體拮抗劑依普利酮能夠顯著緩解小鼠的心房纖維化[17]。氧化苦參堿可通過抑制Smad蛋白2、3、4的表達(dá)來抑制醛固酮誘導(dǎo)的大鼠心臟成纖維細(xì)胞的增殖和分化,有助于緩解心肌纖維化[18]。楊梅素是一種天然的植物類黃酮,存在于多種植物中,可抑制由TGF-β誘導(dǎo)的心臟成纖維細(xì)胞的活化、增殖及分泌功能,在抗心肌纖維化方面也起著重要作用[19]。目前尚未發(fā)現(xiàn)上述RAAS抑制劑及中醫(yī)藥是否可差異性地作用于房室成纖維細(xì)胞,然而,研究卻發(fā)現(xiàn)他汀類藥物可選擇性地作用于心房成纖維細(xì)胞,從而特異性地改善心房纖維化。

他汀類藥物是羥甲基戊二酰輔酶A(HMG-Co A)還原酶抑制劑,是治療心血管疾病的常用藥物,可用于降低血漿膽固醇,還可用于抑制心臟成纖維細(xì)胞增殖,改善心臟重塑等[20]。Rizvi等[5]首次對(duì)人的心房和心室成纖維細(xì)胞進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)與心室成纖維細(xì)胞相比,血清誘導(dǎo)的人心房成纖維細(xì)胞中細(xì)胞周期蛋白A、D、E 的DNA 合成速度更快以及m RNA 表達(dá)水平更高。辛伐他汀可顯著降低心房纖維細(xì)胞中細(xì)胞周期蛋白的DNA 合成和mRNA 水平來抑制其細(xì)胞周期進(jìn)程,并通過增加G0/G1期細(xì)胞來抑制心房成纖維細(xì)胞增殖,而對(duì)心室成纖維細(xì)胞則無明顯影響。與心室成纖維細(xì)胞相比,人心房成纖維細(xì)胞具有較高的增殖能力,并且對(duì)辛伐他汀介導(dǎo)的通過HMG-Co A 還原酶途徑的抑制作用更為敏感,甲羥戊酸可優(yōu)先消除這種抑制作用。另外,研究還發(fā)現(xiàn)另外一種H MG-Co A 還原酶抑制劑阿托伐他汀對(duì)人心房和心室成纖維細(xì)胞增殖的抑制作用同樣具有明顯的差異[5]。

4 總結(jié)

心肌纖維化是多種心臟疾病發(fā)展到一定階段的重要的病理學(xué)改變,其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,可涉及多方面的因素,如各種生長因子、細(xì)胞因子、機(jī)械應(yīng)力、炎癥和氧化應(yīng)激等,并且心臟成纖維細(xì)胞在心肌纖維化過程中起著重要作用。心房和心室纖維化過程有著許多共同的機(jī)制,然而某些機(jī)制在心臟成纖維細(xì)胞中卻具有明顯的房室特異性差異。明確心房和心室成纖維細(xì)胞在心肌纖維化過程中的差異對(duì)于預(yù)防過度的心房纖維化具有重要的意義。