Klotho在心力衰竭中作用的研究進(jìn)展

柴亞如，鄧玉婷，戴紅艷，管 軍

1.濰坊醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院，山東 濰坊 261000；青島市市立醫(yī)院 2.保健心內(nèi)科；3.心內(nèi)科，山東 青島 266000

心力衰竭(heart failure, HF)是由結(jié)構(gòu)性和/或功能性心臟異常引起,導(dǎo)致心室充盈和/或射血功能障礙的一組臨床綜合征,據(jù)估計全世界有6 430萬人患有HF,在中國35歲以上人群中估計有890萬心衰患者。盡管近年來在治療HF方面取得了顯著成就,但是HF患者的死亡率仍然很高,因此探索新途徑治療HF尤為迫切。Klotho是一種抗衰老蛋白,與HF的關(guān)系近年來受到廣泛的重視,其抗衰老、抗氧化應(yīng)激、抗炎、抗凋亡等生物學(xué)功能參與了心臟保護(hù)作用,本文對Klotho在HF中的研究進(jìn)展作一概述,為HF的治療靶點提供依據(jù)。

1 Klotho概述

Klotho是由日本學(xué)者Kuro等于1997年在研究自發(fā)性高血壓大鼠時發(fā)現(xiàn)的與衰老相關(guān)的基因,人類和小鼠均位于染色體13q12,長度約50 kb,包括5個外顯子和4個內(nèi)含子,主要在腎遠(yuǎn)端小管、大腦脈絡(luò)叢表達(dá),在垂體、胎盤、骨骼肌、膀胱、主動脈、胰腺、睪丸、卵巢、結(jié)腸、甲狀腺低表達(dá),近期實驗研究發(fā)現(xiàn)在人和大鼠心肌組織中高表達(dá)[1]。已經(jīng)鑒定出三種可能具有不同功能的Klotho蛋白(通常稱為α-Klotho)類型:全長跨膜型Klotho(130 ku),可溶性Klotho(65/130 ku)和分泌型Klotho(65 ku)[2]。全長跨膜型Klotho蛋白主要表達(dá)在腎臟、小腸、胎盤等臟器,作為遠(yuǎn)端小管中纖維細(xì)胞生長因子-23的共受體,調(diào)節(jié)鈉-磷酸鹽共轉(zhuǎn)運蛋白活性和腎臟中磷酸鹽的重吸收,其胞外結(jié)構(gòu)域可被解整合素金屬蛋白酶10(a disintegrin and metalloproteinase 10,ADAM10)、ADAM17和β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(BACE1)剪切,產(chǎn)生65 ku和130 ku的可溶性Klotho,能夠在血液、尿液和腦脊液檢測到[3-4],通過抗氧化、抗凋亡、抗衰老、抗心肌纖維化等機制對心血管系統(tǒng)產(chǎn)生保護(hù)作用[1]。此外,小鼠和人類Klotho編碼一個短形式的分泌型Klotho蛋白(65 ku),這是由于Klotho mRNA選擇性剪接產(chǎn)生的,其生物學(xué)作用尚不清楚。

2 Klotho在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 Klotho與氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激在廣泛的病理條件下參與HF的發(fā)生和發(fā)展。在心肌細(xì)胞中,抗氧化防御主要內(nèi)源性成分包括抗氧化酶[如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase,GR)]和抗氧化輔助因子,有效控制活性氧(reactive oxygen species, ROS)可作為預(yù)防HF的有效途徑[5]。Klotho可以通過提高過氧化氫酶和超氧化物歧化酶等抗氧化基因的表達(dá),在一定程度上能夠逆轉(zhuǎn)異丙腎上腺素(isoproterenol, ISO)誘導(dǎo)的大鼠心肌損傷并且顯著減少ROS的產(chǎn)生,因此推測Klotho的心臟保護(hù)作用可能與氧化應(yīng)激的減弱有關(guān)[6]。在阿霉素(doxorubicin, Dox)誘導(dǎo)大鼠心功能不全模型中,Klotho蛋白同樣能減弱Dox誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和心臟凋亡,改善心臟收縮和舒張功能障礙,并進(jìn)一步探討了可能的分子機制,Klotho通過激活絲裂原活化的蛋白激酶/核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2)通路發(fā)揮其心臟保護(hù)作用,減少ROS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[7]。GR是一種黃素蛋白氧化還原酶,對氧化應(yīng)激具有保護(hù)作用。Klotho缺乏癥能夠降低GR的表達(dá)和活性,外源性補充分泌型Klotho能夠通過抑制Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(keap1)并激活Nrf2上調(diào)GR來防止心臟老化,減輕老年小鼠和Klotho缺陷小鼠的衰老相關(guān)心力衰竭[8]。因此,Klotho可減少ROS的產(chǎn)生,參與氧化應(yīng)激損傷條件下的心肌保護(hù),通過補充外源性Klotho是一種很有前途的治療HF的策略。

2.2 Klotho與炎性反應(yīng)

炎性反應(yīng)是導(dǎo)致HF發(fā)展的主要病理生理因素,對心臟的收縮及舒張功能產(chǎn)生不利影響?？扇苄訩lotho與炎性反應(yīng)之間存在雙向關(guān)系,一方面,炎性反應(yīng)可通過轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳機制降低Klotho的表達(dá),另一方面,Klotho具有強大的抗炎作用。熱休克蛋白70(heat shock protein 70, HSP70)可以調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor alpha, TNF- α)和白細(xì)胞介素-1β(interleukin- 1β, IL-1β),抑制炎性反應(yīng),減少與衰老相關(guān)的慢性炎性反應(yīng)引起的組織損傷。心肌HSP70水平與Klotho水平呈正相關(guān),內(nèi)毒素血癥可降低心肌Klotho水平,而重組Klotho蛋白可上調(diào)老齡內(nèi)毒素血癥小鼠心肌HSP70水平,抑制經(jīng)典核因子κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)活化,降低TNF- α、IL- 6和IL-1β水平,改善心功能[9],這表明Klotho具有改善老年人內(nèi)毒素性心功能障礙的潛力。除此之外,巨噬細(xì)胞被認(rèn)為廣泛參與炎性反應(yīng)過程,在人類心臟病中,巨噬細(xì)胞的募集和激活與心肌細(xì)胞損傷的嚴(yán)重程度和心臟病的進(jìn)展密切相關(guān)。Klotho可通過下調(diào)TLR4/MyD88/NF-κB途徑及阻斷NF-kB通路,促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞極化,降低包括心肌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在內(nèi)的整個心臟的炎性反應(yīng),減輕HF[10-11]。補充血清可溶性Klotho可以防止老年心臟過度氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和心功能不全。基于上述研究,Klotho可以通過抑制炎性反應(yīng)發(fā)揮心臟保護(hù)作用,改善心功能。

2.3 Klotho與心肌肥厚及纖維化

心肌重構(gòu)是HF發(fā)生發(fā)展的病理生理基礎(chǔ),常伴有心肌肥厚、纖維化、功能障礙。病理性心肌肥厚是心臟對各種內(nèi)部或外部壓力作出反應(yīng)的復(fù)雜過程,包括心肌肥大、間質(zhì)纖維化增加、細(xì)胞死亡和心功能障礙,最終發(fā)展為HF。Ca2+水平升高在心肌肥厚中起關(guān)鍵作用,可溶性Klotho通過抑制心臟中異常的鈣信號傳導(dǎo)以減輕心肌肥大、纖維化和心臟毒性。其機制可能與以下方面有關(guān):1)循環(huán)中的αKlotho與胰島素樣生長因子-1(insulin- like growth factor 1, IGF1)受體相互作用,通過阻斷磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)依賴性的瞬時受體電位通道6(transient receptor potential channel 6,TRPC6)通道的胞吐,抑制心肌細(xì)胞中的TRPC6通道介導(dǎo)的心臟異常Ca2+信號,保護(hù)心臟免受應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌肥厚和重構(gòu)[12]。2)通過上調(diào)鈉鉀三磷酸腺苷酶的表達(dá)同時抑制反向型鈉/鈣交換體調(diào)控心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+來改善ISO誘導(dǎo)的心肌肥厚[13]。

心肌纖維化是導(dǎo)致HF的另一重要病理生理過程,多項研究表明Klotho具有抗心肌纖維化的作用。研究發(fā)現(xiàn)給予Klotho在體內(nèi)體外均可減輕ISO誘導(dǎo)的心肌纖維化和細(xì)胞凋亡[14]。Klotho的抗纖維化作用包括:1)Klotho通過下調(diào)轉(zhuǎn)化生長因子β1-miR-132軸來預(yù)防血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ, Ang Ⅱ)誘導(dǎo)的小鼠心臟重塑及功能障礙,抑制Ang Ⅱ誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大,抑制心肌組織的纖維化[15]。2)可溶性Klotho主要通過與整合素β1結(jié)合,抑制細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2途徑來改善糖尿病心肌病心肌纖維化,減輕左室舒張功能障礙[16]。3)Klotho通過與減少TRPC6、心肌β-肌球蛋白重鏈、α-平滑肌肌動蛋白的表達(dá)以及增加成纖維細(xì)胞生長因子21的表達(dá),減輕心肌纖維化以及慢性腎臟病所致的心功能不全[17]。以上結(jié)果均說明Klotho通過多種機制減輕心肌細(xì)胞肥厚以及心肌纖維化,改善心室重構(gòu),可作為改善心功能重要決定因素。

2.4 Klotho與自噬

自噬是一種主要的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解機制,在HF的發(fā)展過程中起著病理作用,而mTOR和Beclin-1是自噬的兩個主要調(diào)節(jié)因子[18]。近年來,發(fā)現(xiàn)Klotho可作為一種潛在的自噬調(diào)控因子,在不同生理或病理條件下通過調(diào)控mTOR和 Beclin-1表達(dá)恢復(fù)自噬水平[18]。在探討Klotho是否參與了心臟老化和壽命的研究中,Klotho亞型突變的小鼠更虛弱、更瘦,出生150 d后100%死亡,其原因可能與Klotho缺乏會損害心臟功能,導(dǎo)致心肌肥大有關(guān)。其次,Klotho缺乏降低了小鼠心臟的自噬功能,增加了細(xì)胞凋亡的活性。而通過外源性補充Klotho可減輕心肌細(xì)胞老化,逆轉(zhuǎn)D-半乳糖引起的自噬和凋亡活性的變化[19]。這些結(jié)果表明Klotho可能通過增加自噬和減少細(xì)胞凋亡來延緩心臟衰老,但具體分子機制仍需要進(jìn)一步研究。

2.5 Klotho與線粒體功能障礙

線粒體是心肌細(xì)胞產(chǎn)生能量所必需的,線粒體的功能障礙參與了HF的發(fā)展,線粒體動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein, Drp1)對線粒體分裂和自噬是必不可少的,Drp1會引發(fā)線粒體和心臟功能障礙[20]。在Dox誘導(dǎo)的心臟疾病模型中,線粒體寬度顯著增加,線粒體長度顯著縮短,線粒體長寬比明顯降低。當(dāng)Klotho治療小鼠時,線粒體寬度和線粒體長寬比均顯著增加,外源性Klotho可通過下調(diào)Drp1減少細(xì)胞凋亡改善Dox誘導(dǎo)的心功能障礙和心肌損傷[21]。該研究為Klotho在Dox誘導(dǎo)的心肌病中抗線粒體分裂和炎癥反應(yīng)的作用提供了新的證據(jù),Klotho可能成為未來治療心功能障礙的潛在治療靶點。

3 Klotho與心力衰竭的臨床研究

在一項涉及美國13 765名中老年人的橫斷面研究中,血清Klotho與充血性心力衰竭(congestive heart failure,CHF)獨立相關(guān),血清Klotho濃度較低的中老年人群CHF患病率較高,且血清Klotho濃度與CHF呈線性負(fù)相關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn),腎功能在Klotho和 CHF患病率之間發(fā)揮重要中介效應(yīng),這可能為研究Klotho水平對CHF的積極作用的潛在機制提供線索[22]。鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白2抑制劑(sodium glucose co-transporter-2 inhibitors, SGLT2i)作為一種新型口服降糖藥,能夠有效緩解心室重構(gòu)及改善心臟功能,降低HF的風(fēng)險[23],其機制與抗氧化和抗炎作用、早期利鈉、維持電解質(zhì)平衡、抑制心肌肥大和纖維化等密切相關(guān)。而Klotho也具有類似作用,因此有人推斷SGLT2i和抗衰老蛋白Klotho在改善糖尿病和心腎疾病方面存在聯(lián)系,揭示SGLT2i可能通過上調(diào)Klotho治療心腎綜合征,改善心功能[24]。此外,且近期有臨床試驗表明α-Klotho是HF患者治療反應(yīng)性的新預(yù)測因子,這更加揭示了Klotho在HF的重要作用[25]。

4 問題與展望

綜上所述,Klotho通過氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)、心肌肥厚與纖維化、自噬、線粒體功能障礙等多重效應(yīng)廣泛參與HF的病理生理機制,可能是心血管保護(hù)的一個關(guān)鍵因素,但是也存在一些待解決的問題,例如血清中可溶性Klotho存在兩種形式,是否對HF具有不同的作用機制以及如何區(qū)分兩種不同形式的Klotho蛋白尚不明確。目前關(guān)于Klotho在HF中的作用和潛在機制仍未完全清楚,如何利用藥物調(diào)控血清或心肌細(xì)胞中Klotho的表達(dá)以及能否通過外源性補充Klotho治療HF,這些或都將成為今后研究的重要方向。