心肌纖維化相關通路的研究進展

陳智慧，田海萍，劉艷陽

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學附屬醫(yī)院心內(nèi)科，呼和浩特 010050)

心肌纖維化是心肌梗死、心律失常、心肌病以及心力衰竭等心血管疾病的病理生理表現(xiàn)，其特征為成纖維細胞聚集和細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)過度沉積導致的心肌重構、心功能受損以及心室僵硬度增加。研究顯示，心肌纖維化可作為心血管疾病發(fā)生、發(fā)展的獨立危險因素[1]。心肌纖維化的發(fā)生涉及成纖維細胞活化、腎素-血管緊張素(angiotensin，Ang)-醛固酮系統(tǒng)過度激活、細胞因子和炎癥介質(zhì)活化以及微RNA(microRNA，miRNA)等[2]，其中成纖維細胞活化在心肌纖維化的發(fā)生及發(fā)展中占主導地位。體內(nèi)外的各種損傷以及炎癥細胞與炎癥因子刺激均可誘導成纖維細胞活化,活化后的成纖維細胞被募集到損傷區(qū)域參與修復，ECM大量沉積,最終導致器官或組織發(fā)生纖維化改變[3]。腎素-Ang-醛固酮系統(tǒng)的激活在心臟病中發(fā)揮重要作用，其中AngⅡ作為主要成分，與受體結(jié)合后調(diào)節(jié)血壓，并調(diào)節(jié)心肌細胞與心肌成纖維細胞增殖[4]。炎癥介質(zhì)活化主要通過三步誘導心肌纖維化，首先器官和組織發(fā)生損傷后分泌大量炎癥因子和炎癥細胞；其次炎癥細胞激活效應細胞，促進效應細胞增殖和遷移；效應細胞進一步分泌ECM，使心肌重構[5]。miRNA可通過誘導或抑制RNA翻譯，在心肌梗死、纖維化、缺血再灌注損傷等中發(fā)揮關鍵的調(diào)節(jié)作用[6]。另外，各種細胞因子[如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF/CCN2)]及信號通路[如Wnt通路、AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)通路]等可使心肌成纖維細胞活化,從而調(diào)節(jié)纖維化過程。

研究顯示，在分子層面預防和治療心肌纖維化可從根本上阻斷或延緩心肌纖維化，保護心臟功能[2]。與心肌纖維化相關的信號通路有很多，其中研究較多的為AMPK信號通路、Wnt信號通路、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)信號通路、TGF-β相關信號通路、Janus激酶(Janus kinase,JAK)/信號轉(zhuǎn)導及轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)信號通路、CTGF相關信號通路及Notch相關信號通路等[7]。現(xiàn)就各信號通路在心肌纖維化中的作用進行綜述。

1 JAK/STAT信號通路與心肌纖維化

JAK是一類非受體酪氨酸激酶，由4個成員組成，其中JAK2為主要功能蛋白，在調(diào)節(jié)細胞增殖和凋亡中發(fā)揮作用，同時也可磷酸化與其相互作用的受體及含SH2結(jié)構域的信號分子，而STAT中最重要的區(qū)段為SH2結(jié)構域[8]。當細胞表面配體與受體結(jié)合后，胞質(zhì)中的JAK使STAT磷酸化、二聚化，發(fā)生核移位并結(jié)合到相應基因的啟動子上，啟動基因轉(zhuǎn)錄[9]。研究顯示，STAT3可促進心臟成纖維細胞增殖以及與心肌纖維化相關的基因表達，使心臟成纖維細胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞，從而誘導心肌纖維化的發(fā)生[10]。另外STAT3通路激活后可產(chǎn)生大量CTGF，進一步促使成纖維細胞遷移，并增加ECM合成，加速纖維化的發(fā)生和發(fā)展[11]。

JAK2/STAT3信號通路在心臟重構和炎癥反應中起著至關重要的作用，并參與中性粒細胞和活化巨噬細胞分泌白細胞介素(interleukin，IL)-6[12]。另外在AngⅡ誘導的心肌纖維化中，AngⅡ與JAK/STAT通路可能存在相互作用[13]。一項關于AngⅡ可引起雙相STAT3激活的研究發(fā)現(xiàn)，大量STAT3激活后配體IL-6的產(chǎn)生增加，進而通過IL-6/gp130/JAK2途徑誘導心臟重構；同時該研究還證實，抑制STAT3的表達可防止AngⅡ誘導的心臟肥大、纖維化以及功能缺陷[14]。也有研究發(fā)現(xiàn)，IL-6與gp130結(jié)合激活JAK2/STAT3通路后，在心肌細胞與成纖維細胞之間的相互作用中發(fā)揮作用[15]。中藥鹿紅方抑制心肌纖維化亦是通過激活JAK2/STAT3信號通路發(fā)揮作用[16]。Eid等[17]的研究證實，大鼠心肌梗死后左心室產(chǎn)生的活性氧類和IL-6可引起JAK2/STAT3通路和TGF-β1/Smads通路的激活，進而誘導大鼠心臟發(fā)生纖維化。

2 AMPK信號通路與心肌纖維化

AMPK是一種由α催化亞單位和β、γ調(diào)節(jié)亞單位組成的以異源三聚體形式存在的高度保守且普遍表達的絲氨酸/蘇氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶。AMPK是細胞內(nèi)重要的能量感受器，不僅可以維持細胞內(nèi)的能量平衡，還可以調(diào)節(jié)細胞功能[18]。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可通過抑制炎癥損傷、ECM分泌以及效應細胞(如肌成纖維細胞、肝星狀細胞和間充質(zhì)細胞)的激活、增殖和遷移，減少纖維生成，在各器官的纖維化過程中有重要作用[5]。

AMPK在心肌細胞、心臟成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞中廣泛表達，心臟成纖維細胞中AMPK的激活可起到保護心臟的作用[19]。Xiao等[20]的研究表明，AMPK大量激活后可抑制心肌成纖維細胞增殖和ECM積累，從而抑制心肌纖維化。研究發(fā)現(xiàn)，黃芩苷主要通過抑制AngⅡ誘導的心臟成纖維細胞增殖、膠原合成以及纖維連接蛋白和CTGF蛋白表達發(fā)揮抗心肌纖維化的作用；同時，其還可通過激活AMPK阻斷TGF-β/Smads信號通路，延緩心肌纖維化的發(fā)展進程[21]。AMPK的特異性激活劑IMM-H007激活AMPK后，顯著抑制AngⅡ誘導的TGF-β1的表達，進而改善心功能以及減輕AngⅡ誘導的心肌纖維化[21]。Li等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，呼吸道合胞病毒對異丙腎上腺素誘導的小鼠心肌肥厚具有保護作用，且可能通過血管內(nèi)皮生長因子/AMPK/核因子κB通路抑制心肌重構，并調(diào)節(jié)巨噬細胞向M1型極化，抑制心肌缺氧，發(fā)揮抗炎作用。Hu等[19]研究也發(fā)現(xiàn)，脂聯(lián)素對心臟有保護作用，可通過激活AMPK相關通路降低左甲狀腺素或異丙腎上腺素誘導的大鼠心肌肥厚模型中心臟重量/體重比、左心室重量/體重比、血清腦鈉肽水平以及心鈉素和腦鈉肽水平，在預防心肌肥大和纖維化中起著潛在的作用。

3 Wnt信號通路與心肌纖維化

Wnt是一種存在于動物中的與果蠅無翅基因同源的基因，其翻譯的Wnt蛋白是一類富含半胱氨酸的糖基化蛋白，對細胞增殖、細胞極性、細胞生長以及組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定起重要作用。目前最具特征的Wnt信號通路有典型的Wnt/β聯(lián)蛋白通路和非典型通路(包括Wnt/平面細胞極性通路、Wnt/鈣通路)[23]。Wnt/β聯(lián)蛋白通路是目前研究最多的Wnt通路，Wnt將信號從細胞表面轉(zhuǎn)導到細胞核，以調(diào)節(jié)基因表達[24]。Wnt通路的激活是纖維化疾病的共同特征，β聯(lián)蛋白在細胞中持續(xù)積累通過Wnt通路激活成纖維細胞，促進成纖維細胞增殖以及膠原纖維的分泌[3,25]。

Wnt信號通路在心臟肥大和心室重構中起至關重要的作用。正常成年人心肌細胞中的典型和非典型Wnt信號通路均是靜止的，心肌肥大過程中被激活[23]。心肌梗死后Wnt通路激活，參與調(diào)節(jié)心室重構以及細胞凋亡、心肌纖維化等過程[26]。研究顯示，Wnt的負調(diào)控因子可溶性卷曲相關蛋白1通過拮抗炎癥反應保護心臟免受缺血再灌注損傷[23]。新生小鼠心臟損傷區(qū)域Wnt的表達上調(diào)，誘導心臟成纖維細胞增殖，進而導致心功能受損[27]。致心律失常性右心室心肌病編碼基因蛋白激酶G競爭性結(jié)合β聯(lián)蛋白的轉(zhuǎn)錄因子，從而阻斷Wnt信號通路，致使大量心肌細胞被成纖維細胞替代，導致出現(xiàn)類似致心律失常性右心室心肌病的表型[28]。另外，鈣/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ通過耦合Wnt/鈣離子通路中的組蛋白脫乙酰酶4和肌球蛋白增強因子2，預防心臟重構[26]。Porcupine(豪豬，分泌Wnt配體的?；D(zhuǎn)移酶)抑制劑CGX1321能特異性分泌所有Wnt配體的?；D(zhuǎn)移酶，抑制典型和非典型Wnt通路，顯著降低壓力超負荷誘導的小鼠心肌肥厚、心功能障礙、病理重塑以及心肌細胞凋亡[23]。典型Wnt通路通過上調(diào)TGF-β1/Smad3通路促進糖尿病心肌纖維化；外源性硫化氫通過下調(diào)典型Wnt和TGF-β1/Smad3通路以及減少心肌膠原沉積，保護鏈脲佐菌素誘導糖尿病大鼠的心肌纖維化[29]。

4 CTGF相關信號通路與心肌纖維化

CTGF以依賴或非依賴TGF-β的方式產(chǎn)生和分泌[30]，在血管生成、細胞分化、成纖維細胞增殖以及ECM分泌中發(fā)揮作用，在病理條件下介導組織修復和纖維化[31-32]。CTGF激活了纖維化前的信號通路，如Smads、胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)和Wnt通路，這些信號通路的激活有助于CTGF在下游發(fā)揮促纖維化作用。CTGF是組織重構和纖維化的中心介質(zhì)，可使纖維細胞從急性炎癥向慢性纖維化轉(zhuǎn)變[33]。TGF-β1可使心臟成纖維細胞中CTGF的啟動子大量表達，而慢性心房顫動患者CTGF的過表達與心房纖維化有關[34]。

CTGF可調(diào)節(jié)肌成纖維細胞形成，刺激肌成纖維細胞表達趨化因子和細胞因子，進一步使肌成纖維細胞沉積，導致器官結(jié)構和功能改變[33]。CTGF/CCN2調(diào)節(jié)心肌纖維化和炎癥相關基因的表達，CTGF/CCN2沉默后MAPK通路失活，擴張型心肌病大鼠的心肌纖維化和心室肥厚減輕[31]。研究表明，miR-30a通過與梗死心肌中CTGF的3′非翻譯區(qū)結(jié)合抑制CTGF表達，從而使心肌細胞中膠原蛋白產(chǎn)生減少，心肌纖維化受到抑制，心功能與預后改善[32]。轉(zhuǎn)錄因子Yin Yang1通過調(diào)節(jié)骨形態(tài)發(fā)生蛋白7和CTGF的表達，抑制層粘連蛋白基因突變導致的擴張型心肌病模型中心臟間質(zhì)細胞和心肌細胞纖維化，而單獨抑制CTGF不能發(fā)揮抗擴張型心肌病和心肌纖維化的作用[35]。長鏈非編碼RNA H19作為競爭性內(nèi)源性RNA，通過結(jié)合miR-455靶向基因CTGF在糖尿病心肌纖維化中起關鍵作用[36]。

5 MAPK信號通路與心肌纖維化

MAPK家族成員主要包括ERK1和ERK2、c-Jun氨基端激酶以及p38，其在真核細胞內(nèi)高度保守且普遍表達[37]。MPAK信號通路以三級激酶(MAPK激酶激酶、MAPK激酶、MAPK)級聯(lián)的方式被多種信號蛋白和反應性自由基激活，在此基礎上，信號通過細胞核內(nèi)MAPK的三級級聯(lián)方式傳遞，將信號轉(zhuǎn)導到胞內(nèi)，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄,參與細胞的增殖、分化、凋亡以及纖維化等過程[38-39]。

MAPK信號通路激活可對心肌纖維化產(chǎn)生影響。研究顯示，ERK的激活可使心肌細胞免受缺氧損傷，而c-Jun氨基端激酶和p38的激活可誘導心肌細胞凋亡[40]；AMPK活化后通過激活p38信號通路使柯薩奇病毒B3誘導的心臟成纖維細胞中的膠原生成減少[41]。異丙腎上腺素通過p38通路刺激心臟成纖維細胞分泌IL-6，同時激活β腎上腺素受體，誘導促炎細胞因子產(chǎn)生，導致膠原蛋白增加，致使心肌發(fā)生纖維化改變[42]。尼古丁也可以通過ERK通路降低血清反應因子(ERK通路下游靶蛋白)和miR-133的水平參與心肌細胞凋亡[42]。3-(3，4-二羥基苯基)-2-羥基丙酸異丙酯通過抑制p38的激活減輕心肌纖維化[42]。迷迭香酸通過AngⅡ受體1/ p38 MAPK信號通路以及調(diào)控Ang轉(zhuǎn)換酶2/Ang轉(zhuǎn)換酶比值使左心室功能障礙和纖維化減輕，從而保護心功能[43]。

6 Notch相關信號通路與心肌纖維

Notch是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中由4種Notch受體和5種配體組成的單跨膜蛋白[44]，其以異源二聚體的形式轉(zhuǎn)運至細胞表面與相應配體結(jié)合，Notch胞內(nèi)結(jié)構域遷入細胞核與轉(zhuǎn)錄阻遏物作用，從而調(diào)節(jié)基因表達[45]。Notch通路是高度保守的細胞間信號通路，對胚胎發(fā)育、細胞增殖和分化至關重要，在調(diào)節(jié)纖維化中也起重要作用[44-46]。激活的Notch信號使內(nèi)皮細胞發(fā)生上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，使內(nèi)皮細胞增殖、凋亡，并發(fā)生炎癥反應[47]，其中Notch1是上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的關鍵介質(zhì)[48]。配體Jagged1敲除后可抑制Notch通路及上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[44]。

Notch在缺血或損傷心肌的修復以及維持心功能穩(wěn)定中起重要作用[47]。研究發(fā)現(xiàn)，Notch1可抑制心肌細胞肥大、提高心肌細胞存活率并減少間質(zhì)纖維化[49-50]。Notch1信號通過抑制蛋白激酶B的關鍵磷酸酶人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因，使蛋白激酶B活化，發(fā)揮抗氧化和抗硝化的作用，保護心肌缺血再灌注損傷[50]。Notch1弱表達則增強了心臟成纖維細胞的增殖能力[48]。另外，高糖可誘導Notch2表達，促進心肌纖維化，而miR-18a-5p(Notch2的負調(diào)節(jié)因子)過表達改善了糖尿病的心功能和心肌重構[51]。以上研究均認為，Notch在心肌纖維化中發(fā)揮負性作用。除此之外，Notch可以通過拮抗TGF-β1/Smad3信號通路抑制心肌梗死大鼠心臟肌成纖維細胞轉(zhuǎn)化，過表達的Notch3通過抑制TGF-β1誘導的心肌梗死小鼠的肌成纖維細胞轉(zhuǎn)化，改善心肌纖維化，故認為Notch信號激活劑和TGF-β1/Smad 3信號抑制劑可治療心肌梗死后心肌纖維化[47]。近年一項研究發(fā)現(xiàn)，三方基序蛋白72在病理性心肌纖維化中表達上調(diào)，增加了心臟成纖維細胞中磷酸化的STAT3，使Jagged1及其下游基因和Notch1胞內(nèi)結(jié)構域的表達減少，促進心肌發(fā)生纖維化[48]。

7 TGF-β相關信號通路與心肌纖維化

TGF-β主要通過TGF-β受體介導的Smads和非Smads信號轉(zhuǎn)導通路在細胞生長和分化中起作用[52]。典型的TGF-β通路促進TGF-β受體二聚化及Smad2和Smad3磷酸化，磷酸化的Smads與胞質(zhì)中的Smad4結(jié)合并轉(zhuǎn)移到細胞核，招募共激活劑(如p300、Smad3/4復合物)與靶基因啟動子區(qū)的應答元件結(jié)合，增加促纖維化因子的表達[39]。TGF-β通路是成纖維細胞活化的關鍵，可驅(qū)動ECM的異常合成[52]。哺乳動物中有3種TGF-β亞型，其中TGF-β1參與纖維化、組織修復、抗炎以及肥大等過程，是心肌梗死后心臟修復和纖維化的關鍵調(diào)節(jié)因子[34]。

在心肌重構的初始階段，TGF-β1誘導成纖維細胞轉(zhuǎn)化為肌成纖維細胞，激活炎癥相關通路，促進成纖維細胞增殖，導致ECM中膠原蛋白大量聚集，促進心肌纖維化[38]。miR-202-3p作為一種miRNA，其過度表達通過下調(diào)促炎細胞因子(IL-1β、IL-6等)以及上調(diào)相關酶(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等)的表達減輕氧化應激和炎癥反應，并激活TGF-β1/Smads信號通路，從而在心肌纖維化中發(fā)揮作用[6]。目前研究顯示，TGF-β/Smads信號通路與MAPK信號通路可相互作用，TGF-β1調(diào)控MAPK通路激活的同時，也受MAPK通路的調(diào)控，激活下游蛋白并加重炎癥及纖維化[39]；同時，TGF-β/Smads信號通路還可以與典型Wnt信號通路相互作用，TGF-β信號降低DKK1(Dickkopf-1)(Wnt內(nèi)源性抑制劑)的表達并以p38依賴性形式刺激典型Wnt信號。另外，DKK1的過表達通過抑制Wnt信號，降低TGF-β的纖維化作用[52]。Wnt通路通過激活TGF-β/Smads通路促進肌成纖維細胞分化，抑制上皮細胞或成纖維細胞分化[53]。TGF-β與CTGF的協(xié)同作用也可誘導和加重心房纖維化，導致心房顫動[35]。

8 小 結(jié)

心肌纖維化是各種心血管疾病發(fā)展到一定階段的復雜病理過程，涉及各種損傷導致炎癥反應以及炎癥因子的產(chǎn)生，效應細胞的激活、增殖、遷移以及ECM的大量生成，進而誘發(fā)心肌纖維化，降低心肌順應性，心臟舒縮功能受限，進而引起心力衰竭[54]。心肌纖維化的發(fā)生涉及多條信號轉(zhuǎn)導通路，其中研究較多的通路為JAK2/STAT3信號通路、AMPK信號通路、MAPK信號通路及TGF-β相關信號通路等，但具體機制仍不明確。另外，不同心血管疾病，甚至不同類型同種疾病的心肌纖維化形成機制可能也不完全相同?；谛募±w維化在心血管疾病中占據(jù)重要的位置，抗纖維化成為治療各種心血管疾病的主要途徑，后續(xù)仍需要開展大量研究以深入探索心肌纖維化信號轉(zhuǎn)導通路，以期發(fā)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)導通路的關鍵靶點，從而為臨床提供潛在治療靶點。