TRPM7在糖尿病心肌纖維化中的作用

蔣一楓,湯依群

(中國(guó)藥科大學(xué),江蘇 南京 211198)

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一種嚴(yán)重威脅人類生命健康的全球性疾病,調(diào)查顯示截止至2021年底,我國(guó)糖尿病患者高達(dá)約1.4億[1]。心血管并發(fā)癥是糖尿病患者的主要死因,其中嚴(yán)重的心血管并發(fā)癥之一就是糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM),具體表現(xiàn)為在排除其他常規(guī)心血管危險(xiǎn)因素情況下出現(xiàn)的心肌結(jié)構(gòu)和功能障礙[2]。在DCM進(jìn)展過(guò)程中,持續(xù)的高血糖以及晚期糖基終化產(chǎn)物的堆積,導(dǎo)致心臟組織的正常生理功能與代謝紊亂,Ca2+、K+等離子通道異常,動(dòng)作電位時(shí)程(action potential duration,APD)延長(zhǎng),QT間期延長(zhǎng),從而造成左心室舒張功能率先出現(xiàn)障礙[3],心臟損傷出現(xiàn)。心臟實(shí)質(zhì)由于再生能力微弱,無(wú)法對(duì)損傷的左心室進(jìn)行修復(fù),因此心臟成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblasts,CFs)等纖維結(jié)締組織迅速增殖,對(duì)損傷部位進(jìn)行填充,以保持心臟結(jié)構(gòu)的完整性,從而導(dǎo)致了纖維化[4]。而纖維化的出現(xiàn)加速了心臟的進(jìn)一步重構(gòu),左心室收縮功能也隨之出現(xiàn)明顯異常,最終造成心力衰竭。因此,纖維化是糖尿病心肌病中重要的病理重構(gòu)[5]。

瞬時(shí)受體電位(transient receptor potential,TRP)通道是一類位于細(xì)胞膜上的非選擇性陽(yáng)離子通道,能幫助細(xì)胞感受外液環(huán)境中的多種刺激。目前,TRP家族有7個(gè)亞型,包括TRPA、TRPC、TRPM、TRPML、TRPN、TRPP和TRPV等[6]。其中TRPM家族只存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi),在腫瘤發(fā)生發(fā)展、腎臟疾病、心臟健康和神經(jīng)元發(fā)育等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[7]。TRPM7(transient receptor potential melastatin-subfamily member 7)作為T(mén)RPM家族的一員,組成性表達(dá)于哺乳動(dòng)物的心臟中,參與調(diào)控心臟成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育與增殖,在糖尿病心肌纖維化的病理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[8]。因此,本文就TRPM7在糖尿病心肌纖維化中發(fā)揮的作用作簡(jiǎn)要總結(jié)。

1 參與纖維化的CFs

CFs是糖尿病心肌纖維化主要的參與細(xì)胞之一,能合成大量的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM),并表達(dá)豐富的生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子如白介素6(interleukin-6,IL-6)等,促進(jìn)纖維化進(jìn)程。CFs的來(lái)源多樣,DCM時(shí),其來(lái)源主要包括固有成纖維細(xì)胞的募集[9],和內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(endothelial-mesenchymal transition,EndMT)。EndMT在糖尿病心肌纖維化中發(fā)揮著重要的作用,研究顯示在DCM野生型大鼠模型中,心臟組織中能檢測(cè)到EndMT來(lái)源的CFs數(shù)量快速增加,而纖維化不斷進(jìn)展;而阻斷EndMT的發(fā)生,CFs的迅速增殖受到抑制,纖維化得到緩解[10-11]。

2 TRPM7概述

TRPM7是一種具有陽(yáng)離子通道和蛋白激酶雙重結(jié)構(gòu)的膜蛋白,由6個(gè)跨膜的ɑ螺旋(S1～S6)亞基形成,其中C-末端和N-末端均在胞內(nèi),且C-末端胞內(nèi)區(qū)有絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域,可使自身或底物磷酸化。TRPM7在體內(nèi)參與多種病理生理過(guò)程,包括Ca2+、Mg2+等離子的轉(zhuǎn)運(yùn)與平衡[12-13],胚胎發(fā)育[14],心腦血管疾病的發(fā)生,糖尿病的進(jìn)展[15],細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展[16]。生理狀態(tài)下,TRPM7的表達(dá)水平受多種因素的影響,包括游離的二價(jià)陽(yáng)離子如Ca2+、Mg2+的濃度,核苷酸鎂鹽(Mg2+-ATP)水平,4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate,PIP2)水平等。此外,pH值、鹵化物的濃度等也可以調(diào)節(jié)TRPM7的活性。

3 TRPM7的病理作用

糖尿病心肌纖維化是DCM發(fā)展到一定階段后發(fā)生的病理性重構(gòu),具體表現(xiàn)為心臟成纖維細(xì)胞快速增殖、ECM大量積聚、膠原蛋白成分改變,且隨著纖維化的進(jìn)展,心肌功能逐漸喪失,最終導(dǎo)致心力衰竭,甚至心臟死亡。糖尿病心肌纖維化的主要發(fā)生機(jī)制包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor β1,TGF-β1)表達(dá)上調(diào)、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)激活過(guò)度、Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙和Mg2+代謝紊亂等。而TRPM7能夠通過(guò)影響上述機(jī)制,調(diào)節(jié)纖維化的進(jìn)程。

TRPM7能夠通過(guò)影響TGF-β1的表達(dá)而干擾糖尿病心肌纖維化的進(jìn)程。TGF-β1是糖尿病心肌病中重要的促纖維化因子,主要通過(guò)Smad依賴的信號(hào)通路發(fā)揮作用。當(dāng)DCM時(shí),持續(xù)性高血糖、胰島素抵抗和高胰島素血癥等代謝紊亂,導(dǎo)致CFs的TGF-β1分泌增加[17],與Ⅰ型受體活化素連接激酶5(activin-like kinase 5,ALK5)的結(jié)合增加,促進(jìn)下游的Smad2和Smad3的磷酸化,磷酸化產(chǎn)物與Smad4結(jié)合生成復(fù)合體進(jìn)入細(xì)胞核,誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞中α-SMA的轉(zhuǎn)錄[18];而負(fù)反饋調(diào)節(jié)通路中的Smad7則受到抑制,進(jìn)一步減少對(duì)纖維化進(jìn)程的削弱[19]。因此,在敲除TGF-β1基因的2型糖尿病小鼠中,可以觀察到纖維化程度降低,心臟功能改善[20]。而TRPM7對(duì)TGF-β1導(dǎo)致的纖維化是必需的,TRPM7的表達(dá)可以增強(qiáng)CFs對(duì)TGF-β1誘導(dǎo)作用的敏感性,促使CFs向肌成纖維細(xì)胞分化,纖維化級(jí)聯(lián)反應(yīng)發(fā)生,這表明抑制TRPM7可能是減輕纖維化的有效方法[21]。研究顯示,沉默TRPM7基因,可以明顯抑制TGF-β1和下游p-Smad3的表達(dá),并且同時(shí)增加Smad7的表達(dá),纖維化進(jìn)程受到抑制;而TGF-β1阻斷劑能顯著阻礙CFs中TRPM7的電流和蛋白表達(dá)。因此,TRPM7與TGF-β1/Smad通路之間發(fā)生正反饋,共同促進(jìn)糖尿病心肌病患者的心臟纖維化進(jìn)展[22]。而當(dāng)DCM患者血糖控制不佳時(shí),TRMP7的持續(xù)高表達(dá), TGF-β1/Smad通路也一直處于上調(diào)狀態(tài),導(dǎo)致CFs過(guò)度增殖,纖維化不斷進(jìn)展,最終誘發(fā)心臟衰竭甚至死亡。

TRPM7能夠通過(guò)參與神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的激活來(lái)干擾糖尿病心肌纖維化的進(jìn)程。RAAS作為機(jī)體不可或缺的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng),對(duì)維持和改變心肌結(jié)構(gòu)有著重要作用,而RAAS的激活是纖維化的重要病理作用機(jī)制[23]。高糖可以誘發(fā)RAAS激活,血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(angiotensin-converting enzyme,ACE)/ACE2比例失衡[24],血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)大量生成并累積,CFs迅速增殖,膠原合成與降解失衡,纖維化進(jìn)展[25]。在DCM小鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?可檢測(cè)到心肌AngⅡ水平的升高及纖維化的出現(xiàn),而抑制RAAS的過(guò)度激活可以降低纖維化水平[26]。而AngⅡ與TRPM7之間的關(guān)系十分復(fù)雜。在高糖刺激下, AngⅡ分泌增加,下調(diào)TRPM7可以減弱AngⅡ誘導(dǎo)的CFs的增殖分化、ECM的增加,有助于緩解纖維化的損傷[27]。而TRPM7主要通過(guò)Smad信號(hào)通路進(jìn)一步調(diào)節(jié)RAAS的活化,因此體外沉默TRPM7,可以觀察到AngⅡ的含量降低,p-Smad2和膠原蛋白表達(dá)增加[28]。但是,過(guò)度抑制TRPM7并不會(huì)給RAAS過(guò)度激活的DCM患者帶來(lái)更多的有益結(jié)果,研究顯示在DCM小鼠模型中,AngⅡ持續(xù)高表達(dá),敲除TRPM7基因后,纖維化作用反而明顯加劇[29]。這表明在糖尿病心肌纖維化發(fā)展的過(guò)程中,TRPM7的作用可能有所不同,對(duì)AngⅡ的作用也有不同表現(xiàn)。同時(shí),AngⅡ?qū)RPM7的調(diào)節(jié)作用也存在不同表現(xiàn);在心室成纖維細(xì)胞中,AngⅡ的濃度增加可以誘導(dǎo)TRPM7的表達(dá)增加[30];而在AngⅡ灌注的心臟和主動(dòng)脈中,TRPM7的表達(dá)反而降低[29]。因此,TRPM7和RASS系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系十分復(fù)雜,仍需進(jìn)一步研究。而隨著DCM進(jìn)展,TRPM7表達(dá)異常,RAAS過(guò)度激活,AngⅡ持續(xù)性高水平,加劇了心肌組織的損傷,也加速纖維化的進(jìn)展,心臟衰竭逐步形成。

TRPM7通過(guò)參與心臟的Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)影響糖尿病心肌纖維化的進(jìn)程。Ca2+作為第二信使,參與了細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、基因表達(dá)和細(xì)胞凋亡,在維持CFs功能和纖維化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[31]。而慢性高血糖通過(guò)電子傳遞鏈生成過(guò)量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),導(dǎo)致CFs內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷,Ca2+內(nèi)流增加,細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào),從而導(dǎo)致Ⅰ型、Ⅲ型膠原組成比例增加,纖維化進(jìn)展[32]。TRPM7通道是第一個(gè)在CFs上檢測(cè)到的TRP家族通道,介導(dǎo)了心臟Ca2+內(nèi)流,參與了CFs向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化的過(guò)程;而TRPM7在纖維化過(guò)程中表達(dá)增加,進(jìn)一步誘導(dǎo)了Ca2+內(nèi)流增加[33];因此敲除TRPM7基因可以有效抑制心臟的Ca2+內(nèi)流,緩解纖維化[21]。而在DCM大鼠模型中,可以發(fā)現(xiàn)CFs中的細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高,TRPM7表達(dá)呈時(shí)間依賴性升高,α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA) 表達(dá)顯著增高,纖維化進(jìn)展;而沉默TRPM7后,細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平降低至基礎(chǔ)水平,α-SMA、纖維連接蛋白表達(dá)降低[30]。這表明,抑制TRPM7很可能是緩解糖尿病心肌纖維化的重要方法。此外,研究顯示Ca2+內(nèi)流主要通過(guò)鈣調(diào)磷酸酶(calcineurin,CaN)信號(hào)通路發(fā)揮促作用, CaN信號(hào)通路激活后, T細(xì)胞核因子(nuclear factor of activating T cell,NFAT)進(jìn)一步被誘導(dǎo)激活,引起下游細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶磷酸化(phospho-extracellular regulated protein kinases,P-ERK),發(fā)揮促纖維化作用。因此在DCM大鼠模型中,可以觀察到CFs中的纖維連接蛋白、TGF-β1、Ⅰ型膠原表達(dá)明顯升高,ERK磷酸化,纖維化明顯;而沉默TRPM7能明顯緩解心肌纖維化程度和ERK的激活。這表明TRPM7可能是通過(guò)促進(jìn)Ca2+內(nèi)流從而激活ERK,發(fā)揮促纖維化作用[34]。但是隨著DCM患者血糖持續(xù)性偏高時(shí),高水平的TRPM7表達(dá)致使Ca2+內(nèi)流加劇,從而細(xì)胞內(nèi)離子平衡進(jìn)一步失調(diào),心臟收縮舒張功能異常,信號(hào)傳導(dǎo)異常,心臟衰竭加重。

TRPM7通過(guò)參與心臟的Mg2+代謝來(lái)影響糖尿病心肌纖維化的進(jìn)程。Mg2+是人體細(xì)胞中主要的二價(jià)陽(yáng)離子,影響鉀離子和鈣離子的轉(zhuǎn)運(yùn),調(diào)控信號(hào)的傳遞,干擾催化酶的激活和抑制。DCM時(shí),高胰島素血癥和胰島素抵抗會(huì)使細(xì)胞攝取鎂的能力下降,且腎臟排泄鎂的能力升高,從而導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)低鎂血癥。而Mg2+缺乏會(huì)影響與血管重塑,并促進(jìn)纖維化[35],而細(xì)胞內(nèi)Mg2+灌注治療能有效改善CFs過(guò)度增殖帶來(lái)的有害反應(yīng)。TRPM7是調(diào)節(jié)CFs細(xì)胞內(nèi)Mg2+穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因子,與纖維化密切相關(guān)。研究顯示,在TRPM7缺乏的小鼠模型中,心血管炎癥和纖維化明顯[8]。這顯示了TRPM7的激活可以增加Mg2+的內(nèi)流,能有效預(yù)防纖維化的進(jìn)展[36]。因此,TRPM7可能通過(guò)影響細(xì)胞內(nèi)Mg2+水平來(lái)干擾炎癥和纖維化反應(yīng)。

4 總結(jié)展望

由于糖尿病心肌纖維化的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,臨床上暫時(shí)還沒(méi)有直接靶向CFs的有效藥物。目前理論上,可以通過(guò)重新編碼技術(shù),直接作用于CFs,從基因?qū)哟握T導(dǎo)其向心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)變,從源頭上直接抑制纖維化的進(jìn)展。但是,由于技術(shù)不成熟或是成本過(guò)高等的原因,這項(xiàng)技術(shù)尚未進(jìn)入臨床治療階段。因而,采取創(chuàng)新策略及開(kāi)發(fā)新型的針對(duì)CFs的藥物與技術(shù),對(duì)于改善糖尿病心肌病相關(guān)的病理性纖維化的治療及預(yù)后有著重要的意義。

而TPMM7作為CFs的重要組成蛋白,可以通過(guò)影響TGF-β1表達(dá)、RAAS系統(tǒng)激活、心臟Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和Mg2+代謝來(lái)影響CFs的增殖分化,影響纖維化進(jìn)程。因此TRPM7可能是阻止糖尿病心肌纖維化進(jìn)展的重要作用靶點(diǎn)。目前,TRPM7的抑制劑包括奎寧、2-氨基乙基二苯基硼酸鹽、SKF-96365、鞘胺醇、CCT128930等[37],激動(dòng)劑則有naltriben、mibefradil等,然而TRPM7在糖尿病心肌纖維化中的作用復(fù)雜,單純地激動(dòng)或者抑制TRPM7,可能無(wú)法帶來(lái)足夠的有益作用,因此TRPM7在纖維化的不同周期的不同作用,仍需進(jìn)一步研究。此外,心臟是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu),纖維化是心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等共同參與的結(jié)果,也是各種細(xì)胞相互作用的結(jié)果,目前尚不清楚TRPM7在其中發(fā)揮的作用。因此,期待未來(lái)的研究能為T(mén)RPM7在纖維化中的作用提供更多的機(jī)制見(jiàn)解。