中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白在心血管疾病中的作用

王婷，富路

中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）是新型肾损伤早期敏感标记物。其具有多种生物学作用，包括氧化应激，促炎、促纤维化等[1]。近期研究发现，NGAL还参与心血管疾病有害的病理生理过程，并对心血管疾病的预后有一定的价值。本文结合近几年国内外最新研究就NGAL参与心血管疾病可能的病理生理机制及NGAL在心血管疾病中的作用进行综述。

1 NGAL的生物学特性

NGAL又名脂质运载蛋白-2、或噬铁蛋白，属于脂质运载蛋白超家族。血NGAL最初主要发现来源于中性粒细胞，根据其结构和生物学特征，命名为中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）。研究发现，NGAL在肾[2]、肝[1]、内皮细胞、平滑肌细胞（SMC），以及心肌细胞、神经元和各种免疫细胞如巨噬细胞、树突状细胞均有表达。在结构上，NGAL是相对分子质量为25 000的单体，由178个氨基酸残基组成，也可自身聚合形成相对分子量为46 000的同源二聚体，另外，在研究基质金属蛋白酶9（MMP-9，也称为明胶酶B）时发现，NGAL可与之结合形成相对分子质量为135 000的异源二聚体，从而参与组织重塑[3]。除MMP-9外，NGAL还能够与其他配体相互作用，特别是某些细菌铁载体，发挥抑菌作用。NGAL广泛存在于人体组织，但都处于低表达状态，仅当上皮细胞受到刺激如感染、炎症、缺血和肿瘤转化等时表达显著提高，参与机体的炎症反应、脂代谢、铁转运、肾小管修复等[4]。

2 NGAL的病理生理作用

NGAL可参与炎症、肿瘤等多种疾病的发生、发展过程。目前认为，NGAL介导的氧化应激、慢性炎症、促纤维化等在心血管疾病的发生发展中起着重要作用。

2.1 NGAL与铁运输铁代谢异常参与细胞氧化应激[5]。在细胞正常代谢中，铁在细胞氧化还原反应中充当催化剂，维持细胞内正常的氧化反应。当细胞内的铁超过了转铁蛋白（Tf）的储存能力时，细胞内多余的铁通过NGAL膜表面受体将细胞内铁转运到细胞外，如果超过了NGAL受体运输铁的能力时，细胞内产生的游离铁会催化氧自由基、过氧化物等活性氧自由基的生成，与细胞的脂质、蛋白质及核酸反应，引起细胞的损伤和死亡[6]。在一项心肌缺血再灌注损伤的小鼠实验中，实验组心肌细胞中铁浓度是假手术组二倍，给实验组小鼠腹腔内注射去铁剂可显著降低小鼠心肌梗死面积[7]。铁超载氧化应激损伤导致的细胞凋亡是心肌纤维化的重要因素，心肌细胞凋亡连同心肌间质纤维化的增多会影响心肌兴奋－收缩偶联的调节功能，继而对心肌的收缩和舒张功能造成损伤，可能会引起扩张型心肌病及心源性猝死[8]。亦有研究显示，机体在缺铁的情况下，NGAL通过受体将血清铁转运到细胞内，供细胞需要，当铁不足超过细胞铁代偿能力，心肌氧化酶的活性降低，产生ATP减少，不能满足机体能量代谢需求，会导致线粒体损伤[5]。

2.2 NGAL参与炎症反应NGAL被认为是促炎细胞因子。NGAL 广泛存在于人体组织，但都处于低表达状态。在炎症情况下，NGAL可被诱导表达上调，并通过刺激促炎细胞因子的产生，以及将免疫细胞极化为促炎症表型[9]来放大炎症反应。NGAL的基因启动子序列存在包括转录激活因子1（STAT1）和核因子κB（NF-κB）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）、干扰素γ（IFN-γ）等多种转录因子的结合位点，转录因子与位点结合可上调NGAL的表达。血管损伤中，NF-κB与NGAL基因启动子上的转录因子结合位点结合可导致NGAL表达增多[10]，而NGAL本身亦可激活NF-κB通路[11,12]，并诱导多种促炎分子的表达，如IL-8、IL-6、IL1-α（白细胞介素1的一种类型）、TNF-α和MCP-1等[13]。有研究分析YFS（芬兰年轻人研究）队列里1650健康个体与炎症生物标志物相关的转录子网络，发现NGAL是中性粒细胞做出免疫反应时分泌或表达蛋白组的核心，中性粒细胞的表达与C反应蛋白（CRP）的水平呈显著正相关。进一步进行模块数量性状基因座扫描，发现顶层模块数量性状基因座（rs13297295）可以使NGAL的表达增加，同时也使得CRP的水平升高，这些结果表明NGAL是中性粒细胞炎症基因模块表达的中心[14]。

2.3 NGAL促纤维化心肌纤维化是指心肌正常组织结构中出现的以细胞增殖、细胞外基质过度沉积为主要表现的疾病。NGAL可能通过以下机制诱导心肌纤维化：①金属基质蛋白酶MMPs是一类可降解细胞外基质中蛋白的水解酶类。NGAL通过与MMP-9结合形成复合物可延缓MMP-9降解，延长了MMP-9的水解活性，使得心肌细胞外基质中胶原蛋白被MMP-9降解，胶原网络被破坏，并被纤维性间质所取代。②正常情况下，心肌细胞外基质主要由Ⅰ型胶原、Ⅲ型胶原纤维蛋白按照1:1比例构成。Ⅰ型胶原纤维蛋白参与构成心室壁的硬度和脆性，Ⅲ型胶原参与构成心室壁的弹性。Ⅰ型胶原α1（Ⅰ型胶原蛋白中的肽链）是心肌纤维化的主要胶原蛋白类型。既往研究显示，血管紧张素Ⅱ和醛固酮刺激巨噬细胞生成半乳糖凝集素-3，半乳糖凝集素-3可上调Ⅰ型胶原α1的生成，使得Ⅰ型胶原/Ⅲ型胶原纤维蛋白比率增加，参与心肌纤维化过程[15,16]。近期有研究显示，醛固酮诱导的野生型小鼠心脏中的Ⅰ型胶原/Ⅲ型胶原蛋白比率增加，参与心肌纤维化过程；而醛固酮诱导的NGAL基因敲除小鼠心脏中Ⅰ型胶原/Ⅲ型胶原蛋白比率没有改变[17]。可能是由于NGAL的缺失阻断了醛固酮诱导的血浆Ⅰ型前胶原N末端肽的增加，以及细胞外基质胶原纤维沉积和Ⅰ型胶原表达的增加。在体外将人成纤维细胞与重组NGAL一起孵育24 h，发现重组NGAL可诱导人成纤维细胞Ⅰ型胶原、促纤维化和半乳糖凝集素-3、心肌营养素-1分子的表达。该研究揭示了重组NGAL的直接致心肌纤维化作用。NGAL诱导的心肌纤维化在冠心病及心力衰竭中可能起到重要作用[17]。

2.4 NGAL参与心肌肥大心脏肥大通常是对心脏前后负荷增加的反应。有研究分析NGAL与心肌肥大的关系，发现高水平NGAL可导致心脏肥大[14]。研究显示，用含有NGAL mRNA序列的质粒转染大鼠胚胎心室肌细胞，并进行成像和RNA测序分析，发现转染细胞中NGAL表达显著增加，同时转染细胞体积显著增加；相反，NGAL基因敲除小鼠的心肌细胞变小。在体外实验中将心肌细胞与重组NGAL一起孵育，发现随着NGAL浓度的增加，心肌细胞的体积也逐渐增大，推测NGAL可激活细胞肥大机制[14]。研究自发性心肌肥大大鼠模型，发现肥大的心肌细胞中NGAL及NGAL mRNA水平均明显增加。有研究显示，子宫胎盘功能不全引起的宫内生长受限导致心肌肥厚大鼠模型中（一种心脏肥大的环境模型），肥大心肌细胞中NGAL及NGAL mRNA表达亦均增加，而宫内生长正常的大鼠心肌细胞NGAL及NGAL mRNA的表达并未增加[14]。以上研究均显示：NGAL水平升高与心肌细胞肥大呈正相关。但NGAL参与心肌肥大的具体病理生理机制目前仍不明确。

3 NGAL与心血管疾病

3.1 NGAL与慢性心力衰竭NGAL参与慢性心力衰竭的发生发展。既往研究表明，炎症反应在心力衰竭的发生发展中起到重要作用，多种炎症细胞因子如C反应蛋白、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α 及单核细胞趋化蛋白水平等的升高与心力衰竭的严重程度呈正相关[18,19]。近年来研究显示，中性粒细胞激活后释放NGAL参与炎症反应发生发展[20]。NGAL不仅可以激活NF-κB通路[11,12]，而且可以诱导IL-8、IL-6、IL-1、TNF-α和MCP-1等多种促炎分子的表达。研究显示，这些促炎分子对心肌除有直接毒性作用外，还可以刺激MMPs引起心肌纤维化及心肌重构。心梗后以成纤维细胞活化和心肌纤维化为特征的心肌重构是心衰发展进程中的主要环节。心力衰竭与心室重塑构成一个恶性循环，最终发展为难治性心力衰竭[11,20]。有研究显示，NGAL可作为诊断慢性心力衰竭新型生物标记物。温红静等[21]通过对100例缺血性心力衰竭患者进行血清NT-proBNP和尿NGAL检测，发现缺血性心力衰竭患者尿NGAL水平与血清NT-proBNP明显升高，且与患者心功能分级、心脏损伤程度呈正相关。心力衰竭患者往往伴有肾功能损伤，肾功能损伤又可加重心力衰竭的发生发展。NGAL不仅在心力衰竭的诊断中发挥作用而且也可以较早地反应肾功能损伤。荷兰学者Bongartz等[11,20]将血NGAL 水平作为心衰患者早期肾损伤的诊断指标，帮助心血管医生正确评价心衰患者肾功能损伤的程度。通过测定NGAL不仅可以反映慢性心力衰竭心功能严重程度，而且可以早期发现肾功能损伤，为临床慢性心力衰竭合并肾功能损伤提供更早的治疗。

3.2 NGAL与动脉粥样硬化性心脏病在冠状动脉粥样硬化性心脏病中，炎症反应在粥样斑块易损性中起到重要作用。在冠状动脉粥样硬化和梗死的心肌中中性粒细胞浸润并释放NGAL[22]，缺氧诱导的心肌梗死导致动脉粥样硬化斑块中MMP-9的表达显著上调。金属基质蛋白酶MMPs属于降解细胞外基质中蛋白水解酶类，NGAL通过与MMP-9结合形成复合物可延缓MMP-9降解，延长了MMP-9的水解活性，MMP-9通过分解胶原蛋白，导致粥样斑块的纤维帽变薄和斑块内出血。同时，NGAL通过诱导炎症介质释放作用，进一步加重斑块不稳定性。冠脉造影证实了冠心病患者与正常冠脉对照组相比血浆NGAL水平显著升高，并且在斑块内血肿和坏死斑块中检测NGAL/MMP-9升高。研究发现在人颈动脉斑块中也检测到NGAL/MMP-9升高。

当冠状动脉斑块破裂时，导致心肌细胞缺血、坏死。随着各种促炎分子如内皮素-1，IL-1和TNF-α的刺激，诱导NGAL的表达增加，NGAL本身也可以激活NF-κB通路，并诱导多种炎症介质释放，促进免疫细胞极化，进一步形成恶性循环加重心肌损伤。艾格纳等[23]在缺血再灌注小鼠心脏模型中发现NGAL基因敲除小鼠的心脏比野生型小鼠的心脏梗死面积小、心脏的收缩功能好。在心脏移植后的缺血再灌注小鼠模型中，抗NGAL抗体的使用减少了巨噬细胞和中性粒细胞向缺血区的浸润，抑制了巨噬细胞的M1极化，并且减弱了缺血再灌注诱导的心肌损伤[23,24]。研究显示增加NGAL基因敲除小鼠的NGAL循环水平会心脏功能的恢复受损并且再灌注的心肌细胞的线粒体功能下降[23]。缺血再灌注患者心肌细胞NGAL表达增多，细胞内铁蓄积，通过铁介导的氧化应激会加重心肌细胞损伤。

4 小结

NGAL可作为诊断慢性心力衰竭的生物标记物。未来可考虑采取NGAL与多种心血管疾病生物标志物如反映心肌损伤的早期敏感指标、反映疾病预后的指标联合应用的策略，以更快、更准确对心血管疾病做出诊断和预后判断及危险分层，有助于心血管疾病的个体化治疗。