心肌橋聯(lián)因子1在心力衰竭中的研究進展

戴志宏，李秀麗，王曉彤，戴 懿，孫小沛，周 慧

(南昌大學第二附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，南昌 330006)

心力衰竭(心衰)是一種常見的各種心臟疾病的終末期綜合征，影響著全球2%的成年人[1-2]，其病死率和再住院率居高不下。盡管近幾十年來新藥和基于設備的療法不斷發(fā)展，在預防、診斷和治療方面取得了進步，但有效的早期診斷和治療仍然很有限，心衰患者的生活質量仍然很低，病死率也很高[3-4]。所以心衰的早期診斷、干預顯得尤為重要。當前的心衰生物標志物都不是心肌特異的，也不能有效識別心肌的健康狀態(tài)。故迫切需要新的生物標志物來早期識別心肌細胞健康狀態(tài)，進一步指導臨床治療。心肌橫管(又稱T管)重塑是心衰的一個重要標志，而心肌橋聯(lián)因子1(cardiac bridging integrator 1，cBIN1)是T管上一種鈣處理蛋白，對T管組成及功能至關重要，cBIN1及其構成的cBIN1膜微域已被證實在興奮收縮偶聯(lián)(excitation-contraction coupling，E-C偶聯(lián))調(diào)節(jié)鈣釋放與重攝取中起著關鍵作用。在應激和病變的心肌細胞中，cBIN1轉錄水平降低，其膜微域發(fā)生異常重構，并參與了心衰的病理生理過程。心肌橋聯(lián)因子1評分(cardiac bridging integrator 1 score，CS)，是cBIN1血漿濃度倒數(shù)的自然對數(shù)[5]，其在對射血分數(shù)降低型心衰(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)[6]或射血分數(shù)保留型心衰(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)[5]穩(wěn)定性非臥床患者具有輔助臨床診斷和預測預后作用。CS還支持冠狀動脈微血管功能障礙(coronary microvascular dysfunction，CMD)可能進展為HFpEF的假設[7]。此外，以腺相關病毒9(adeno-associated virus 9，AAV9)介導的引入外源cBIN1基因療法成功地保護了心肌功能，延緩甚至逆轉了心衰的進展[8]。目前對于心衰高風險人群的血cBIN1水平與心衰之間的關系尚有待研究。本文就cBIN1結構與功能及其在心衰診斷和基因治療的潛在用途展開綜述。

1 心衰與E-C偶聯(lián)

正常的心肌收縮是由一系列鈣信號事件啟動，這些鈣信號需要T管膜上的L型鈣通道(L-type calcium channels，LTCC)和肌質網(wǎng)(sarcoplasmic reticulum，SR)膜上的雷諾丁受體(ryanodine receptor type，RyR)之間的特異性信號傳導。在每次心跳時，初始動作電位通過激活的LTCC誘導少量鈣內(nèi)流，進入胞質的鈣與SR膜中RyR通道激活位點結合，再引起RyR通道開放，SR內(nèi)大量的鈣釋放到胞質中，這一過程被稱為鈣誘導鈣釋放(calcium-induced calcium release，CICR)[9]。CICR的同步性決定了鈣瞬變的強度和E-C偶聯(lián)的效率。

E-C偶聯(lián)中，鈣瞬變減弱是心衰的重要病理生理機制。許多膜蛋白包括JPH2、Caveoline-3和Bin/AmphiPhyin/Rvs(BAR)結構域的蛋白橋聯(lián)因子1(BIN1)[10]在調(diào)節(jié)E-C偶聯(lián)中發(fā)揮重要作用。其中，心臟BIN1亞型(cBIN1或BIN1+13+17)參與了T管膜微域的形成，聚集了LTCC，并募集磷酸化的RyR與LTCC偶聯(lián)[11]。這些cBIN1微區(qū)形成功能性的LTCC-RyR偶聯(lián)體控制CICR和E-C偶聯(lián)[12]。因此，cBIN1在LTCC-RyR偶聯(lián)的形成和維持中起著重要的蛋白質橋梁作用。心衰時LTCC-RyR偶聯(lián)體的結構紊亂損害CICR，減弱鈣瞬變，從而限制心臟收縮力。

在心肌功能失代償和癥狀性心衰之前的早期心肌細胞中，可發(fā)現(xiàn)T管cBIN1轉錄減少[8]，并可通過cBIN1酶聯(lián)免疫吸附試驗(enzyme linked immunosorbent assay，ELISA)特異性檢測其血漿濃度。這種cBIN1特異性ELISA檢測可以準確地測量患者血漿中cBIN1的水平，以幫助預測心衰患者的預后[5-6]。

2 cBIN1結構與功能

橋聯(lián)因子1(bridging integrator 1，BIN1)屬于含有bar結構域的超家族蛋白，并且表達廣泛[13]。來自大腦、心臟和骨骼肌的組織可選擇性剪接表達BIN1亞型[14-15]。心臟BIN1的亞型是由外顯子13(缺失外顯子14-16)與外顯子17形成BIN1+13或BIN1+13+17(現(xiàn)稱為cBIN1)[14-16]的蛋白異構體。BIN1可通過其N端帶正電的棒狀結構域與細胞膜內(nèi)的酸性磷脂相互作用而使膜雙層變形，并誘導膜內(nèi)陷[17-19]，這一功能為T管的形成奠定了理論基礎。

心臟T管是由胞膜內(nèi)陷形成，它通過組織鈣離子通道和其他在CICR過程中起關鍵作用的膜蛋白，形成一個動態(tài)的膜系統(tǒng)。成熟和健康的T管是不穩(wěn)定的，表現(xiàn)為膜、離子通道和膜蛋白的動態(tài)變化[20]。心臟T管膜可通過額外的調(diào)節(jié)和蛋白質的相互作用，內(nèi)吞或向細胞外釋放囊泡構成T管cBIN1微域的胞膜循環(huán)[21]。由于釋放的囊泡攜帶cBIN1標志性蛋白，心臟T管cBIN1微區(qū)的數(shù)量與循環(huán)中cBIN1囊泡的水平相關，血漿cBIN1水平即是心肌T管cBIN1微域數(shù)量的直接反映[22]。雖然其他BIN1亞型在心肌中的表達水平也較高，但BIN1+17和cBIN1是僅有的2種可在人和小鼠血液中檢測到的[21]。檢測人血漿中BIN1+17和cBIN1的非特異性試驗[23]與cBIN1特異性試驗[5-6]的比較表明，血漿BIN1+17與心功能之間缺乏相關性，而cBIN1可幫助診斷和判斷心衰患者的預后[5-6]。因此。cBIN1的血液可獲得性及心臟的特異性，為臨床使用cBIN1定量標示心衰患者的心肌衰竭程度提供了可能。

在人和小鼠心肌細胞中，cBIN1定位于心臟T管[19]，形成T管cBIN1膜微域[11,14]，T管cBIN1促進微管依賴的LTCC正向運輸，使得T管上LTCC富集，可占整個細胞表面LTCC的80%[19,24]。超分辨率(10～20 nm)熒光成像顯示LTCC在cBIN1膜上形成大簇[25]，但在cBIN1雜合子缺失的心肌細胞中LTCC則變小[14,25]。在分離的原代小鼠心室肌細胞中，cBIN1基因敲除破壞了這一轉運機制，造成T管膜表面LTCC表達減少，鈣瞬變異常[19]，并可導致小鼠圍產(chǎn)期致死性心肌病[26]。

除了影響收縮期鈣釋放外，T管cBIN1微域還通過組織SR膜上肌質/內(nèi)質網(wǎng)鈣ATP酶(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ATPase，SERCA2a)在細胞內(nèi)的分布，對舒張期鈣再攝取起關鍵作用[8]。此外，T管cBIN1微域有助于維持SR附近SERCA2a的亞群，以促進舒張期鈣重吸收到SR，這對心臟的正常舒張至關重要[8]。故一個健康的鈣釋放和再攝取循環(huán)對于維持正常的心臟功能起著決定性的作用[27]。

在調(diào)節(jié)細胞鈣循環(huán)的作用外，cBIN1還促進心肌細胞的電穩(wěn)定性，cBIN1的膜折疊限制了細胞外離子在T管腔內(nèi)的擴散[14]，創(chuàng)造了一個緩慢擴散區(qū)[28]。在收縮速度加快的過程中，緩慢擴散區(qū)會導致鉀等向外流動的離子積累，而鈣等內(nèi)向離子迅速減少，保護心肌細胞的電穩(wěn)定性[29]。

3 cBIN1與心衰

3.1 cBIN1缺乏引起的病理生理改變

當心肌受到共同的應激因素:如慢性異丙腎上腺素(isoproterenol,ISO)持續(xù)性輸注引起的交感神經(jīng)過度興奮[8]和橫向主動脈縮窄(transverse aortic constriction,TAC)引起的持續(xù)壓力超負荷時，cBIN1的表達會降低[30]。實際上，在獲得性心衰患者[24]和其他心衰的動物模型[31]中都發(fā)現(xiàn)cBIN1轉錄減少，而cBIN1表達減少引起的T管重塑和離子通道紊亂正是心衰的重要病理生理機制[32]。

衰竭心肌細胞cBIN1減少引起的病理生理改變主要包括：1)微管依賴的LTCC正向運輸受損，導致T管表面LTCCs表達減少，LTCCs分布改變，且通道功能受損，鈣瞬變出現(xiàn)異常[19]；2)由于cBIN1減少，T管膜折疊結構消失，使保護性慢離子擴散區(qū)被移除，出現(xiàn)易感性室性心律失常[14,28]；3)LTCC-RyR二聯(lián)體減少和殘缺的RyR堆積[11,19,25]；4)肌質網(wǎng)上SERCA2a的無序排列，造成鈣重攝取異常，引起心臟舒張功能障礙[8]。以上心臟病理生理改變，造成鈣釋放和再攝取循環(huán)功能障礙，E-C偶聯(lián)效率受到嚴重影響。

3.2 cBIN1與臨床診斷

CS是cBIN1血漿濃度倒數(shù)的自然對數(shù)，由于CS與cBIN1血漿濃度成反比，心衰患者血漿cBIN1水平越低，CS越高[5]。作為一種新的心衰生物標志物，它可反映心肌細胞健康狀態(tài)，不受液體容量、炎癥狀態(tài)或身體習性引起的波動影響，而被引入HFpEF患者的診斷。NIKOLOVA等[5]研究表明，與對照組相比，穩(wěn)定的非臥床HFpEF患者的CS明顯升高，并且預測了HFpEF患者1年內(nèi)不良心血管事件。另外，在紐約心功能分級(New York Heart Association，NYHA)Ⅰ級和Ⅱ級患者的癥狀中，雖然他們NT-proBNP水平在正常范圍內(nèi)，但CS值卻明顯增加，而在對照組中沒有觀察到CS升高[5]。有缺血和無梗阻性冠狀動脈疾病(ischemia with no obstructive coronary artery disease，INOCA)證據(jù)的女性經(jīng)常被診斷為CMD，這與隨訪期間不良心血管事件的風險增加有關[33]。這些不良心血管事件中最常見的是HFpEF[34-35]；與隨機對照組相比，疑似INOCA的女性的CS水平更高，但是低于HFpEF組，疑似INOCA患者的CS升高代表了介于健康和疾病之間的中間群體，支持CMD可能進展為HFpEF的假設[7]。目前，HFpEF患者占心衰患者的50%[36]，并且患病率在急劇上升[3]，現(xiàn)階段尚缺乏有效的治療手段，而CS的潛在優(yōu)勢在于可早期識別心肌細胞重構，對無癥狀心衰患者做出早期診斷及干預，未來的研究方向可進一步驗證CS在HFpEF診斷中的價值，并探討CS在早期亞臨床HFpEF檢測中的作用。

在另一項研究中，CS成功地區(qū)分了HFrEF患者和對照組之間的心肌健康狀況。高CS反映晚期NYHA分期、病理性心肌重構，并可預測非臥床HFrEF患者1年內(nèi)發(fā)生心血管事件的風險。此外CS在診斷HFrEF中與NT-proBNP起到了很好的協(xié)同作用[6]。CS的診斷和預后價值與BNP互補。通過使用BNP和NT-proBNP作為心肌壁應力和容量超負荷狀態(tài)的標志物，結合CS作為心肌細胞衰竭的指示物，這兩個生物標志物可以為評估慢性心衰提供有用的補充信息[37]。

單次測量血液中的BIN1水平可以對致心律失常性右室心肌病(arrhythmorenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)患者的疾病嚴重程度進行分類。少數(shù)ARVC患者的血漿BIN1水平與心功能狀態(tài)和有無持續(xù)性室性心律失常相關，并可以預測未來室性心律失常的發(fā)生[23]。不過限于當時的認識，還未發(fā)現(xiàn)cBIN1的存在，未能開發(fā)出針對cBIN1的特異性檢測，檢測結果可能包括非心臟特異性BIN1。

CS測試具有更高的靈敏度，能夠檢測到<10 ng·mL-1的cBIN1血漿濃度，可以發(fā)現(xiàn)心血管疾病和與心衰相關的高風險(如肥胖、糖尿病和高血壓)的患者T管cBIN1水平的微小變化。有心衰高危因素的前心衰患者，CS輕度到中度升高可能有助于確定哪些患者會有更高的心衰發(fā)病率[38]。

所以，CS作為一種新型的心衰生物標志物，可以成功地區(qū)分衰竭心肌和健康心肌，而不考慮整體器官功能，如射血分數(shù)。因此，心衰的分類可以更少地考慮整體器官功能，而更多地從心肌細胞病理生理學的分子水平進行考量。

3.3 cBIN1與心衰基因治療

作為預防和治療心衰的替代方法，基因治療的原理是將外源基因(轉基因)直接導入患者，以恢復靶蛋白的水平，這有利于心肌健康和改善心臟功能[39]。目前的研究[40-43]揭示了涉及心肌細胞功能和細胞信號通路的各種潛在基因治療靶點。雖然基因療法已經(jīng)在臨床的許多領域取得了突破，并有相關產(chǎn)品被批準用于臨床，但還沒有一種基因療法能夠顯著改善心衰的臨床結果[43]。因此，cBIN1作為一個新的基因治療靶點，GAMBARDELLA等[44]認為cBIN1替代療法通過調(diào)節(jié)鈣離子轉運改善了心衰的肌力。

cBIN1基因治療心衰的療效已經(jīng)在兩種小鼠模型上進行了驗證，其中一項研究了AAV9介導的cBIN1基因轉移對慢性輸注ISO小鼠的影響[8]。ISO是一種人工合成的兒茶酚胺和非選擇性β受體激動劑，已被用于誘導左心室肥厚和功能障礙模型的研究[45]。持續(xù)輸注ISO可導致心肌細胞cBIN1水平下降，細胞內(nèi)鈣處理蛋白(包括LTCC和SERCA2a)分布紊亂。通過AAV9介導的基因轉移使cBIN1水平正?；?，增加了心臟的每搏輸出量，從而特異性改善了心功能。并且發(fā)現(xiàn)外源性cBIN1可能為心衰患者帶來額外的類似運動的益處，提高運動能力和生活質量[8]。另一項TAC誘導的肥厚和心衰的小鼠模型[30]中也觀察到外源性cBIN1的功能保護作用。在TAC誘導的壓力超負荷下，心臟代償性肥厚逐漸向失代償轉化，而后心臟重構過程變得不可逆轉，導致心衰惡化。而外源性cBIN1導入可以使T管鈣處理微區(qū)正?；拗菩乃ミM展，挽救心功能，提高存活率。這種微域靶向治療方法可能成為一種新的治療策略，可以提高總體心衰存活率[30]。兩項小鼠模型的研究均表明，AAV9介導的cBIN1基因療法成功地保護了心肌功能，延緩甚至逆轉了心衰的進展。

目前cBIN1基因靶向治療在小鼠模型上取得了可喜的進步，但在臨床試驗測試cBIN1基因治療心衰患者療效之前，仍需要在小鼠和大型哺乳動物進一步實驗。將cBIN1整合在AAV9中，并在AAV9插入心臟特異的高效啟動子，以誘導心肌細胞外源蛋白表達，需要更多的動物實驗來證明其安全性。此外，目前的研究缺乏對血壓等血流動力學參數(shù)的全面評估，還需要進一步確定cBIN1是否會影響全身血流動力學和血壓。為了更好地理解cBIN1基因治療和心衰病理生理之間的相互作用，還需要進一步了解cBIN1下游靶向分子和信號通路。

4 小結與展望

cBIN1是心肌E-C偶聯(lián)中主要的鈣調(diào)節(jié)蛋白之一，并且是一種新型的心衰診斷生物標志物及心衰潛在的治療靶點。未來仍需要完善實驗，進一步明確CS在心衰診斷中的價值，并探討CS在早期亞臨床心衰檢測中的作用，以及挖掘cBIN1基因靶向治療衰竭心肌細胞cBIN1微域的潛力。