基于TGF-β1/Smads信号通路治疗心肌梗死后心肌纤维化的研究进展

石斌豪，徐宗佩，樊官伟

(天津中医药大学 1. 天津市现代中药重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地、2. 方剂学教育部重点实验室，天津 300193)

心肌梗死(myocardial infarction，MI)后心肌纤维化(myocardial fibrosis, MF)是心室重构、心脏功能障碍的主要原因之一，这是一个渐进式的过程。其表现是梗死区及边缘区细胞外基质(extracellular matrix，ECM)过度沉积，心肌纤维胶原蛋白合成和降解失衡，使心肌僵硬，心脏顺应性降低，影响心脏收缩和舒张功能，导致心功能下降甚至心衰。

转化生长因子β(transforming growth factor-β, TGF-β)在生理(胚胎发育、分化、细胞生长)和病理过程(炎症、纤维化、血管生成、肿瘤的发生发展)中发挥重要作用[1]。其中，与MF及心室重构关系密切的是TGF-β1，TGF-β1可以经TGF-β/Smads 信号通路参与调节心肌成纤维细胞的增殖、转化、迁移和ECM的产生，TGF-β1是促MF的最主要因素。

1 TGF-β/Smads信号通路

TGF-β/Smads信号通路是一个经典通路。TGF-β通过激活并磷酸化与其具有高亲和力的Ⅰ型和Ⅱ型含丝氨酸/苏氨酸激酶结构域的受体，经配体诱导后，形成异源复合物[即TGF-β先与TGF-βⅡ型受体(TβR2)结合,激活TGF-βⅠ型受体(TβR1)，与之形成受体复合物]，受体复合物再和下游效应分子Smads蛋白发生反应，但TGF-β Ⅲ型受体可抑制TGF-β介导的Smads通路[1]。TGF-β可分为TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三个亚型，其中TGF-β1在心肌肥厚及纤维化发展中起关键作用。

Smad蛋白存在于细胞质内，人体Smads蛋白家族主要分为3类：受体调节Smads蛋白(R-Smads:Smad1,2,3,5,8,9)、共同介质Smad蛋白(Co- Smads:Smad4)、抑制型Smads蛋白(I-Smads:Smad 6/7)。TGF-β复合物与R-Smads及Co-Smads结合形成异聚体，经R-Smad-Co-Smad模式转位到细胞核内转导特异性信号,来调节靶基因的转录，发挥生物学效应，如TGF-β1作用于 R-Smads蛋白 C端丝氨酸残基，主要使Smad2和Smad3磷酸化，并与 Smad4 结合形成转录复合体，进入细胞核内，介导后续的信号通路传导。 Smad2/3是MF最重要的影响因子[2]。I-Smads能够负反馈阻断R-Smads的激活，特别是Smad7在MF及心室重构中具有保护作用，如下调IL-1、TNF-α等炎症因子，抑制I型胶原和α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)[2-3]。

2 心肌梗死后TGF-β1/Smads与MF

MF诱因涉及肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin angiotension aldostenone system，RAAS )、细胞调控因子(如半乳糖凝集素)、氧化应激(如NADPH氧化酶)、炎性因子(可增加ECM蛋白的分泌)、细胞内钙离子等要素，这些因素经 AMPK信号通路、NF-κB信号通路、PI3K/Akt信号通路、Wnt/β-catenin信号通路或者调控Sirtuins(Sirt1/3/7)、BMPs(BMP2)、microRNAs(miR-26、miR-31、miR-34a、miR-122、miR-208a)、Rho相关蛋白激酶等，实现心肌成纤维细胞向肌成纤维细胞分化。它们独立或相互影响，但最终环节或中心环节仍是连接TGF-β1及下游Smads信号发挥作用，说明TGF-β1/Smads是MF的关键[2,4]。

MI后受损心肌细胞激活免疫反应，诱导细胞因子和趋化因子的表达，炎性细胞浸润梗死区，分泌促纤维化细胞因子TGF-β1，并激活TGF-β1/Smads信号通路。研究显示，心肌瘢痕TGF-β1与Smad2/3/4表达明显增加，同时胶原蛋白、纤维连接蛋白等ECM也升高，而具有抑制TGF-β1作用的Smad7减少，并且TGF-β1通过激活Smad2/3可促进心肌细胞凋亡，也可诱导自噬而减少心肌细胞。另一方面，TGF-β1诱导转化的肌成纤维细胞，通过旁分泌释放炎症因子及血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)、MMP-2 、 MMP-9、结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF)，刺激TGF-β1分泌，进一步提高心脏成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，这是一个恶性循环，最终导致心肌细胞死亡和心功能的逐渐恶化[5-7]。

3 基于 TGF-β1/Smads抗心肌梗死后MF

3.1临床研究临床试验早已证明，血管紧张素Ⅱ受体阻断剂(angiotensin receptor blocker，ARB)对于MI后心肌重塑的有益效果，对其作用机制的研究不断深入。例如最新研究提示，MI后Ang II释放可以刺激TGF-β1和缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)分泌水平升高，从而共同促进ECM堆积，而缬沙坦可以抑制这种协同作用，降低MMP-2和MMP-9，从而减少胶原蛋白进一步的积累，防止MF的扩大[8]。他汀类(statins)药物的调脂作用对于预防动脉粥样硬化性疾病患者心肌梗死已被证实，新的研究成果显示他汀类药物具有防止MF的作用。Xiao等[9]研究发现，辛伐他汀对MI大鼠心室重构具有改善作用，其通过下调转化生长因子β激活激酶1(TGF-activated kinase 1，TAK1)，减少TGF-β1及下游Smad3的表达，并且上调Smad7水平，抑制心肌细胞肥大和间质纤维化，改善了心室壁顺应性与心脏功能。

MI后MF的最终结果是心肌收缩功能下降，舒张功能障碍导致心力衰竭，如何增强心肌收缩力、缓解舒张障碍是临床需要直接面对的问题。Zhang等[10]利用心肌收缩能力调节(cardiac contractility modulation，CCM)技术，通过电刺激心肌绝对不应期而增加心肌收缩力，实验结果表明，CCM可以减少TGF-β1/Smad3表达，降低I、III型胶原、α-SMA、MMP-2和MMP-9水平，其机制之一可能是通过调控miRNA-133，抑制TGF-β1实现。

另外，在我国中医药治疗心脏病占据重要地位，有许多行之有效的药物，诸如芪苈强心胶囊、芪参益气滴丸、丹红注射液等药物都是治疗冠心病的常见药。现代研究显示，这类药物能调控TGF-β1/Smads信号通路，减轻纤维化水平，缓解心室重构，药物中的黄芪甲苷、丹参酮、人参皂苷等可能发挥了抗纤维化作用[11-13]。这不仅丰富了中药药理学机制，也扩大了适应症范围。

3.2相关探索性研究因为当前的诊疗水平尚不能彻底逆转病理性MF，特别是MI后MF，并且MI患病率仍处于心血管疾患高位水平，所以迫切需要进一步研究开发已有药物或新药。Tao等[14]对葛根素治疗MI后MF进行研究，证实葛根素能降低心肌组织I/III型胶原、α-SMA的表达，另一方面，可减少单核细胞趋化蛋白(MCP-1)和巨噬细胞，减轻炎症反应，抑制TGF-β1，降低下游Smad2/3磷酸化，减轻MI后MF。有研究发现，姜黄素、蛇床子素能够抑制TGF-β1诱导的MF，从而降低Smad2、Smad3、Smad4的磷酸化水平，并且增强Smad7的表达，减少胶原蛋白、α-SMA等ECM的沉积，起到抗纤维化作用[15-16]。中介素1-53(intermedin 1-53，IMD 1-53)属于钙基因相关肽，能够松弛血管、降低血压、增加冠脉血流量、改善心功能，在MI中可以抑制心肌成纤维细胞转化为肌成纤维细胞，减少心肌胶原形成，这种保护作用可能是通过抑制TGF-β的表达，从而阻断TGF-β/Smads信号通路的生物学效应[17]。大蒜提取物已应用于抗菌领域，其提取物之一大蒜辣素在心血管疾病防治中能够调血脂、抗氧化、抗炎，并且具有抗MI后MF的作用[18]，相关研究揭示了大蒜辣素的治疗作用是通过下调TGF-β1和 Smad3 表达，增加Smad7 表达量，使MF得到抑制。这是存在于公众身边最近的药食同源之物，且提取工艺并不复杂，具有临床研究意义。

3.3具有临床潜在应用前景的研究非编码小分子RNA(miRNAs)在调节MF中起重要作用，正越来越被认为不仅可以作为诊断标志物，也可作为MF治疗新靶点。 如miRNA-133[10]、miRNA-22[19]、miRNA-24[20]、miRNA-214[21]、miRNA-378[22]等可以调控TGF-β1/Smads信号通路，改善MI后MF。表明抑制或增强特异性的TGF-β1相关miRNAs表达对于缓解心室重构是有益的，而且相关miRNAs模拟、拮抗、富集等技术及药物载体研究(脂质体、病毒、纳米粒等)取得了进展，以miRNAs为治疗靶点的药物开发具有可能性[2,23]。基于干细胞具有迅速发育成结构和功能成熟的靶细胞、 修复受损或死亡细胞的特点，心肌干细胞(cardiac stem cells，CSCs)疗法已成为治疗MI的新策略。Hou等[24]研究证实，CSCs移植能够修复受损心肌，增加缝隙连接蛋白43(connexin43，Cx43 )水平，这是一类能调控心肌细胞电生理活动，维持心肌细胞的正常电偶联的蛋白；并且CSCs能够阻断MI后Ang Ⅱ诱导的TGF-β1/Smads信号通路，降低Ang Ⅱ、TGF-β1、Smad2/3水平，升高Smad7含量。这些结果可对CSCs未来应用于治疗MI后恶性心律失常和MF提供证据支持。

4 结语及展望

综上，TGF-β1/Smads信号通路在MI后MF发挥重要作用，是MF的枢纽之一，因此，以TGF-β1/Smads为靶点治疗MI后MF具有临床应用前景。但因为TGF-β1在MI后不同阶段具有不同的生物学特点，比如MI早期TGF-β1可促使炎症期向瘢痕期转化，表达趋化因子，促进成纤维细胞向伤口部位的募集和结构基质蛋白的合成，从而保护心脏结构[25]；可是持续的纤维化反应，又会对心脏功能产生负面影响，并最终加剧心脏功能下降，持续的胶原组织积累会影响心脏收缩功能和舒张功能，最终导致心衰[5]。所以，探明TGF-β正反作用的规律对于治疗MF新策略的发展具有重要意义。

以miRNAs、CSCs为代表的研究为我们提供了新的治疗方向，但临床应用仍需要解决一些问题。比如miRNA可以编码多个靶基因，抑制或增强某个miRNA是否影响其他脏器组织的正常功能，能否全身性给药，因此安全、靶向性给药仍是miRNAs发挥作用的关键。而CSCs可能面临着细胞移植量、干细胞生存能力、对机体不良的免疫反应、致畸性、致瘤性、载体的选择、伦理等问题，仍需要在安全、有效、标准化方面进行深入研究。随着这些问题的解决和具有临床意义的大型试验的开展，miRNAs、CSCs定能成为治疗MI后MF的策略之一。

从近年文献中，我们不难发现中医药治疗MI后MF相关研究占据重要地位，通过拆方或单味提取物的机制研究，证明复方或中药的作用机制，这些结果对于临床指导用药辨证论治和新药开发具有实际意义。而从相关研究药物种类我们也发现多以益气活血药物为主，说明益气活血理论治疗MI后MF有其独特的优势。我们相关研究也证实了益气活血药物及制剂可以通过调控TGF-β1/Smads信号通路改善MI后MF[13]，但其他作用机制仍需进一步研究，在中医整体观和辨证论治的指导下实现精准医学的突破。

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