TGF-β1/Smads信号通路在放射性心肌纤维化中的作用

敖碧凤 罗 兰 苏胜发综述 欧阳伟炜 卢 冰审校

放射治疗是胸部恶性肿瘤如乳腺癌、霍奇金淋巴瘤、肺癌与食管癌等的主要治疗方式之一，在肿瘤放射治疗期间，位于胸部的心脏会不免受到照射，从而导致不同程度的损害[1]，其临床表现有心包疾病、冠状动脉损伤、心脏传导系统异常、心脏瓣膜功能障碍、心肌梗死、心肌纤维化等，统称为放射性心脏损伤(radiation-induced heart disease，RIHD)[2-4]。RIHD自1960年首次报道以来越来越受到关注，其中心肌纤维化是RIHD突出的晚期病理变化，常发生在放疗后数年，会造成心脏重塑、心功能破坏和心脏衰竭等，严重影响患者生存及生活质量，但目前针对放射性心肌纤维化临床尚缺乏有效的干预措施，且对其发病机制也不清楚[5-7]。一般认为多数细胞、因子及信号通路参与RIHD心肌纤维化的形成，包括成纤维细胞增多、微血管内皮损害、转化生长因子-β1(TGF-β1)信号转导等互相作用。目前关于TGF-β1/Smads信号通路与放射性心脏损伤心肌纤维化发生的相关性研究较多，TGF-β1被认为是放射性心肌纤维化产生过程中1个主要的发展因子，并参与RIHD发生发展的全过程[8]。

1 RIHD病理学改变及相关机制

RIHD的初期病理变化为微血管内皮损害，导致管壁增厚、管腔狭窄、血管闭塞、微循环阻滞、局部缺血等变化，这些变化增大了细胞膜通透性，使细胞内环境发生紊乱，从而诱导心肌细胞退变、心脏组织缺血最终形成纤维化组织[9]。Stewart等[10]报道放射性心脏损伤病理改变存在多样性。心包渗出、心肌损害、心内膜渗出、冠状动脉损害、瓣膜损害、传导系统损害、心肌纤维化等不同病理表现都可见于放射性心脏损伤过程中[11-12]，且不同时期以某型病理改变为主合并其他类型[13]，其中心肌纤维化是RIHD突出的晚期病理表现，是放射迟发损伤的主要形式，也是RIHD的主要危害[14]。

放射性心肌纤维化实际上是心肌胶原合成增多而降解减少的渐进性过程，包含胶原成分的转变以及心肌成纤维细胞(cardiac fibroblasts，CFs)的增加，跟一般心肌纤维化发生的过程近似。即心肌成纤维细胞成熟后会转化为肌成纤维细胞，然后使内皮细胞增殖和胶原沉积增加，同时使细胞外基质沉积也增加，从而发生纤维化。但在照射条件下，心脏受损发生纤维化速度会加快，其原因心肌成纤维细胞受照射后，其生物学特性会发生转变，容易转化为肌成纤维细胞，而肌成纤维细胞较心肌成纤维细胞更容易合成心肌胶原，从而加速纤维化产生，导致后期心脏不同结构组织的病理性改变[15-16]。迄今为止关于RIHD心肌纤维化机制的研究有细胞实验、动物实验和临床3个层次的研究，其中动物实验和细胞实验两个层次的研究较多，但仍未有确切的结果，就目前关于RIHD心肌纤维化发生的可能相关机制研究概括如下：①心脏微循环损伤；②活性氧及氧化应激；③内质网功能障碍；④线粒体损伤；⑤细胞因子及其信号通路，研究较多的是TGF-β信号转导通路，认为TGF-β1是参与形成放射性心肌纤维化过程中1个主要的生长因子[8]。⑥其他可能相关机制，如肥大细胞、RAS等。RIHD心肌纤维化的发生发展涉及众多因素，但其主要集中在细胞因子信号通路方面，故对细胞因子信号通路所致RIHD心肌纤维化机制的研究可能会为临床干预RIHD心肌纤维化发现治疗靶点。

2 TGF-β超家族及Smads蛋白

2.1 TGF-β超家族

转化生长因子β超家族是1类主要参与调节细胞的生长、分化以及多种病理、生理过程的蛋白多肽生长因子，具有多种生物学效应。其家族成员包含有60多个，包括生长转化因子β、活化素、抑制素、骨形成蛋白等，他们都是多效应调节因子，对细胞分化、迁移等起重要的调节作用[17]。其中生长转化因子β(transforming growth factor-beta,TGF-β)包括：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，其TGF-β1是细胞内蛋白家族成员TGF-β蛋白中含量最丰富的，也是诱导器官纤维化形成最紧密相连的细胞因子[18]。TGF-β1发挥作用主要通过其细胞受体系统介导，TGF-β1受体是1类存在于细胞表面上的跨膜糖蛋白分子，主要有五种不同的类型(TβRⅠ～Ⅴ型)。其中Ⅰ型Ⅱ型含有细胞传递所必需的丝氨酸(Ser)/苏氨酸(Thr)激酶结构，故是目前研究最为普遍的细胞信号传递受体。TGF-β1激活后先后通过结合Ⅱ型受体和Ⅰ型受体将细胞信号传递到下游介质。Ⅲ型受体虽然属于辅助性受体，但具有结合型和游离型两种类型，且作用不同，结合型受体能增加Ⅰ型受体与TGF-β1的亲和力，而游离型受体却阻止TGF-β1与靶点的结合[19]。Ⅳ、Ⅴ型受体的主要作用目前尚未有确切的研究结果。TGF-β1主要生物学功能有：①增加胶原合成；②促进组织修复；③调节细胞外基质；④表达纤维蛋白，促成纤维化。

2.2 Smads蛋白

Smads家族蛋白是TGF-β信号通路的下游信号传递分子，主要负责将TGF-β信号从细胞膜传递到细胞核，故在细胞表面受体至细胞核的信号转导过程中占主导地位，并且不同的TGF-β家族成员的信号转导由不同Smads蛋白所传递。Smads蛋白在哺乳动物身上有8种，因为其结构和功能的不同，又分为3个亚家族，受体调节Smads蛋白(receptor regulated smads，R-Smads)：通过I型受体激活，并与之形成暂时复合物，其中包含在TGF-β信号系统转导过程中紧密相关的Smad2、3，和被骨形成蛋白(BMP)信号活化的Smad1、5、8；共同介质型Smads蛋白(common partner smads，Co-Smads)：包含Smad4，是TGF-β家族成员信号传导过程中共同的信号传递分子；抑制性Smads蛋白(inhibitory smads，I-Smads)：包含Smad6和Smad7，在TGF-β1信号系统转导过程中起抑制作用。当Smad2或Smad3磷酸化后，便会与Co-Smads组成复合物，引起参与纤维化形成的转录因子和蛋白的表达，而I-Smads则会竞争性的同Smad2或Smad3结合TGF-β1型受体或者Co-Smads，加以阻止Smad2或Smad3的磷酸化，抑制TGF-β1/smads信号通路转导[20-21]。Santibanez 等报道Smad2或Smad3能被经过Smad锚着蛋白(smad anchor for recept activation，SARA)激活的TβR-Ⅰ特定的识别和磷酸化，然后从SARA上解离并和Smad4形成复合物转移至核内，参与调节基因转录[22]。

TGF-β1可激活多个信号通路，其下游主要作用通路是Smads通路。TGF-β大多以前体形式存在于细胞内，通过血管紧张素II(AngII)、活性氧(reactive oxygen species，ROS)等作用被激活，激活后的TGF-β最初结合TβR-Ⅱ形成复合物，然后再结合TβR-Ⅰ并使之磷酸化和激活，被活化的TβR-Ⅰ使其下游信号分子R-Smads磷酸化。磷酸化后的R-Smads与Co-Smads形成复合物，进入细胞核，参与基因转录。而I-Smads会阻碍R-Smads的磷酸化及Smads异源复合物的产生加以负调控TGF-β信号通路的转导。。

3 TGF-β1/smads信号通路与RIHD心肌纤维化

TGF-β1是目前已知的典型的促纤维化细胞生长因子[23]，可调节细胞生长、分化，促进细胞增殖、抑制炎症等，也同样在心肌纤维化过程中扮演着重要的角色。最早1999年一项SD大鼠实验显示心脏局部照射后TGF-β1升高，但其与纤维化在时间上不一致[24]。此后越来越多的研究发现TGF-β1与RIHD心肌纤维化有紧密联系。体内实验证明，TGF-β1在心脏等重要脏器受照射后形成的纤维化过程中有重要作用[25-26]。体外细胞实验也发现TGF-β1能诱导纤维母细胞增殖促成纤维化[23]。Boerma等[27]单次15Gy照射大鼠心肌细胞，发现TGF-β1在照射后的4 h及48 h表达都增加，表明TGF-β1参与放射性心脏损伤的发生。Sridharan等[28]建立18Gy剂量照射的大鼠模型，然后通过盐酸扎利罗登增加大鼠TGF-β1 循环水平，发现心肌内膜下明显纤维化形成，证明TGF-β1参与放射性心肌纤维化过程及心肌重构。Liu等[29]用20Gy剂量局部照射大鼠心脏后，发现TGF-β1在心肌组织的表达增加，胶原纤维含量也增多，表明TGF-β1促进心肌纤维化。王祎等[30]通过研究54例胸部肿瘤患者，检测放疗后患者血清TGF-β1值升高，表明TGF-β1和急性放射性心脏损伤存在关联性。

Smads是TGF-β1信号转导系统下游通路中重要的细胞内蛋白分子，通过将TGF-β1信号从细胞表面传递到细胞核，从而使编码胶原合成的靶基因激活[31-32]，促进成纤维细胞增殖和胶原沉积，加快心肌纤维化生长。在心脏重塑和心力衰竭进展中TGF-β亚组激活Smads可引起心肌纤维化及心肌细胞凋亡，Smads蛋白表达升高均可出现在多种心脏病理生理状态下，对心肌细胞产生致命性影响，因而在心肌纤维化中的作用日益受到重视。Yano等[33]研究用射线照射小鼠成纤维细胞，活化Smads通路能促进TGF-β1和COL-1基因的表达，表明TGF-β1/Smads通路的活化在心肌重构和辐射所致纤维化过程中有重要作用。研究发现Smad3信号通路对许多促纤维化因子(如：TGF-β1)产生应答，成为纤维化发生过程中的重要信号通路，在细胞外基质成分的合成中也起着重要作用[34-35]。徐旺等[36-37]通过研究发现Smad3在肥厚心肌中表达显著增加，TGF-β1通过激活Smad3加速心肌间质纤维化过程，表明TGF-β/Smad3通路参与心肌纤维化的形成。

综上所述阐明TGF-β1/Smads信号通路在RIHD心肌纤维化的形成过程中发挥重要作用，如果对其进行深入探究，可能会成为临床干预RIHD心肌纤维化的有效作用靶点。同时TGF-β1下游信号转导通路除了Smads信号通路，TGF-β1还可以作用其他非经典的信号通路，例如ERK、JNK、p38/MAPK、小分子GTP酶和CTGF等通路。这些通路具有多种生物学效应并相互影响，可能会对心脏产生其他毒性作用，各通路之间的关系尚需进一步研究。总之放射性心肌纤维化的形成因素包括多种因子和细胞信号通路，并且最终通路的生物学效应是心肌胶原的合成与降解的失衡，所以如果深入研究其下游共同通路，可能会为临床干预RIHD心肌纤维化提供参考价值。