与心肌纤维化相关的细胞因子和生长因子

王 欣,任卫东

(中国医科大学附属盛京医院超声科,沈阳 110004)

心肌纤维化主要表现为细胞外基质合成增多和降解减少，多种病理因素均可导致其发生[1]。一方面心肌纤维化保证了切口愈合过程中心肌组织的完整性，另一方面过度纤维化导致的瘢痕形成会极大地影响心脏的收缩和舒张功能[2]。心肌纤维化不仅会导致心室僵硬度增加造成心律失常，还会分泌生长因子及细胞因子促进心肌细胞肥大，最终导致心肌顺应性下降、心力衰竭、猝死的发生[3-4]。各种心血管疾病(心肌缺血、炎症、衰老等)不但促进心肌成纤维细胞增殖，向肌成纤维细胞转化，且导致心肌细胞凋亡，从而促进心肌纤维化的发生发展。研究证实，心肌纤维化的严重程度与心脏病患者，特别是心力衰竭患者的预后及死亡密切相关[5]。因此，早期预防和逆转心肌纤维化是临床治疗各种心脏疾病的关键。然而，心肌纤维化的形成机制非常复杂，涉及多种细胞因子及生长因子。因此，深入探讨心肌纤维化发生的分子机制，可为临床预防及治疗心肌纤维化提供依据。现就与心肌纤维化相关的细胞因子和生长因子予以综述。

1 心肌成纤维细胞

心脏是人类赖以生存的最重要的器官之一，人类对其探索从未停止。随着科学技术的不断发展,人类对心脏细胞组成的认识也在不断改变。研究发现，心脏主要由心肌细胞和非心肌细胞构成，其中心肌细胞为25%～35%，非心肌细胞为65%～75%[6]。非心肌细胞主要由内皮细胞(64%)、白细胞(9%)和潜在间质细胞(27%)组成，潜在间质细胞则包括成纤维细胞(15%)和其他细胞(12%)。虽然成纤维细胞数量只占心脏细胞的极少一部分，但是其功能和作用却不容忽视。成纤维细胞主要起源于胚胎心外膜内皮，是目前公认的参与心脏各种形式损伤反应的细胞之一。其来源包括潜在成纤维细胞、循环纤维细胞、骨髓干细胞、心外膜和心内膜等[7]。急性心肌损伤后，成纤维细胞在各种炎症细胞因子和促纤维化因子的作用下转化为其活性形式肌成纤维细胞，肌成纤维细胞分泌细胞外基质，参与心肌纤维化。虽然目前没有心肌成纤维细胞的特异性分子标志物，但公认的应用波形蛋白标记成纤维细胞，α-平滑肌肌动蛋白作为成纤维细胞活化的标志物[8]。

2 心肌纤维化

急性心肌损伤后，各种炎症细胞因子和促纤维化因子表达增加，从而促进心肌成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，表达α-平滑肌肌动蛋白，产生基质金属蛋白酶、金属蛋白酶组织抑制剂。其中，在正常心脏中主要表达基质金属蛋白酶2、基质金属蛋白酶9、基质金属蛋白酶13及金属蛋白酶组织抑制剂2、金属蛋白酶组织抑制剂3、金属蛋白酶组织抑制剂4。基质金属蛋白酶的主要作用是降解胶原，而金属蛋白酶组织抑制剂通过抑制基质金属蛋白酶减少胶原降解，两者相互作用调节细胞外基质的动态平衡。心肌细胞外基质主要由Ⅰ型(85%)和Ⅲ型(11%)纤维胶原，以及少量的Ⅳ型、Ⅴ型和Ⅵ型胶原组成[9]。其中，Ⅰ型胶原的主要作用是维持室壁的强度，而Ⅲ型胶原与室壁的弹性相关。在炎症、缺血等刺激下，成纤维细胞异常增殖并分泌大量Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白及其他细胞外基质，胶原和多种细胞外基质成分比例失调引起心肌纤维化。而成纤维细胞或其他细胞(心肌细胞、内皮细胞和炎性细胞)分泌的细胞因子和生长因子反过来作用于成纤维细胞或心肌细胞，形成正反馈并最终扩大纤维化反应[10-11]。纤维化有助于心肌重构，如心肌梗死后瘢痕修复，而过度的纤维化被认为是一种病理过程，会引起心腔扩大，心肌细胞肥大、凋亡，最终导致充血性心力衰竭。此外，过量的成纤维细胞和细胞外基质还会破坏心肌细胞的肌电耦合，从而降低心脏的收缩能力，增加心律失常的发生风险和死亡率[12]。因此，各种心肌损伤后减轻心肌纤维化程度是恢复心脏功能的关键。

3 心肌纤维化后影响成纤维细胞功能的细胞因子和生长因子

3.1转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) TGF-β是目前公认的与组织纤维化关系最密切的细胞因子之一，其在哺乳动物中存在3种亚型(TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3)，由3种不同的基因编码，其中TGF-β1是主要形式[13]。TGF-β1在许多器官的纤维化过程中起调节作用，且血清TGF-β1水平与慢性肝、肾疾病严重程度相关[14]。应用TGF-β1信号通路抑制剂托拉塞米可减轻慢性心力衰竭患者的心肌纤维化程度[15]。同时，TGF-β可刺激诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，并增加细胞外基质蛋白合成，促进细胞外基质沉积。且其也可通过抑制基质金属蛋白酶表达、诱导金属蛋白酶组织抑制剂合成，进而抑制细胞外基质蛋白降解。此外，TGF-β还参与了合成和分泌其他促纤维化细胞因子。TGF-β1的经典信号转导通路涉及Smad2/3的磷酸化，随后与Smad4相结合转位到细胞核，TGF-β1-Smad复合物作为一种转录因子，诱导了大量纤维化基因激活，从而在心肌纤维化中发挥重要作用[16-17]。Liu等[18]研究发现，抑制大鼠成纤维细胞表达TGF-β1后，其分泌的细胞外基质减少，从而抑制纤维化。TGF-β受体抑制剂激活素受体样激酶5作为潜在的抗纤维化因子目前正处于研究中，它可以降低TGF-β活性，阻止心肌纤维化，改善心肌梗死后出现的心肌重构[19]。除上述经典信号通路外，TGF-β也可以诱导非经典通路，如丝裂原激活蛋白激酶(c-Jun氨基端激酶和p38)通路，参与病理性心肌重构[20-21]。其中，c-Jun氨基端激酶信号通路通过激活TGF-β活化激酶1诱导心肌肥厚和心力衰竭。p38信号通路通过激活TGF-β诱导心肌成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，促进胶原纤维和α-平滑肌肌动蛋白的表达[22]。可见，TGF-β非经典通路对心肌纤维化的治疗和心力衰竭的预防同样具有重要意义。

3.2肾素-血管紧张素-醛固酮系统 肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活是导致心肌纤维化的主要原因，其中血管紧张素(angiotensin，Ang)Ⅱ起主要的生物学效应，其参与了心肌纤维化的发生发展。作为一种局部生长因子，AngⅡ不仅可诱导心脏成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，还可以激活心肌成纤维细胞合成大量的胶原、纤维连接蛋白、层粘连蛋白等细胞外基质成分[23]。其通过两种特异性受体起作用：AngⅡ1型受体和AngⅡ2型受体。其中，1型受体促进促纤维化下游效应的激活，而2型受体的激活则抵消1型受体的促纤维化作用。心肌损伤后，AngⅡ及1型和2型受体的水平均升高，AngⅡ刺激诱导成纤维细胞的增殖和胶原的表达[24]。同时，AngⅡ还具有诱导心肌细胞肥大，增强心肌细胞分泌促纤维化生长因子等作用[25]。其主要通过TGF-β/Smad和丝裂原激活蛋白激酶途径诱导细胞外基质胶原蛋白合成，引起心肌纤维化[26]。有研究显示，AngⅡ与TGF-β并不是彼此独立，而是协同参与心肌纤维化。AngⅡ无法在TGF-β1缺陷小鼠体内诱导心脏纤维化，这表明AngⅡ可能不会在体内直接诱导心脏纤维化，而是以自分泌或旁分泌依赖方式对心肌成纤维细胞起作用[27]。且TGF-β1可以通过TGF-β受体抑制剂激活素受体样激酶-5和Smad2/3/4直接刺激AngⅡ1型受体的表达，这进一步表明TGF-β与AngⅡ具有协同作用。此外，应用Ang抑制剂(血管紧张素转换酶抑制剂和Ang受体拮抗剂)可以显著减轻心力衰竭患者的心肌纤维化程度。其中，氯沙坦作为Ang受体拮抗剂，不仅可以抑制AngⅡ诱导的Ⅰ型胶原合成和成纤维细胞激活，还可以减少炎症标志物(肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β、白细胞介素-6等)的表达[28-29]。

3.3结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF) CTGF是由349个氨基酸组成的富含半胱氨酸的分泌肽，分子量为34 000～38 000，属于CCN家族，也称为CCN2。CCN家族共有3个成员，分别为富半胱氨酸61(CCN1)、CTGF(CCN2)和肾母细胞瘤过表达基因(CCN3)。虽然CTGF在胎儿心肌中大量表达，但成人心脏只在心房和大血管中表达[30]。CTGF与包括血管、皮肤、心脏、肾脏、胰腺、肺及肝脏等在内的许多组织器官的纤维化发生发展密切相关[31]。其功能类似于细胞外基质蛋白，主要调节心肌细胞和成纤维细胞。研究表明，CTGF的表达增加与心肌损伤、心肌收缩功能降低、心肌纤维化有关[32-33]。CTGF在创伤愈合和纤维化中是极好的活性成纤维细胞的替代标志物，如在心脏重构中，心肌细胞高表达CTGF。此外，TGF-β1、AngⅡ也可诱导CTGF表达参与纤维化过程。研究发现，CTGF是TGF-β必要的辅助因子，可增强TGF-β的活性，其可作为TGF-β的辅助因子诱导纤维化[34]。虽然上述证据表明，CTGF可诱导成纤维细胞增殖，促进其向肌成纤维细胞转化，并增加细胞外基质的产生。但是，CTGF诱导心脏纤维化的能力有限。有研究发现，CTGF全敲除或者过表达后，并不会影响慢性压力负荷引起的心肌肥厚和纤维化[35-36]。可见，CTGF在不同原因造成的心肌纤维化中发挥的作用不同，其在心肌纤维化中的作用机制尚需进一步研究。

3.4内皮素(endothelin，ET)1 ET由内皮细胞分泌，其家族主要包括4种无活性形式的内源肽(ET-1、ET-2、ET-3、ET-4)，它们在转化酶的参与下被激活。ET家族具有多种生物活性，其不仅参与了细胞增殖、迁移、血管生成和细胞凋亡等过程的调节，还参与了许多疾病的纤维化过程[37]。其中，人类心血管系统中最丰富的ET家族成员为ET-1，其主要由内皮细胞释放，能引起强效且异常持久的血管收缩，作用可持续数小时。ET-1是调节大多数器官系统中血管功能的关键介质，内皮细胞功能障碍会导致血管收缩、纤维化和炎症出现[38]。据报道，ET-1作为自分泌和旁分泌介质，在心肌中具有促进有丝分裂、增强心肌收缩力和致心律失常的作用，其可通过促进心脏肥大、扩张和纤维化促进心房重构，在心房颤动患者血浆中ET-1水平明显升高[39-40]。ET-1能诱导细胞外基质生成及成纤维细胞分化成肌成纤维细胞。TGF-β通过c-Jun氨基端激酶诱导ET-1，ET-1是TGF-β纤维化反应下游的中介。有研究表明，TGF-β可与ET-1共同促进肌成纤维细胞分化[41]。同时，ET-1也是Ang Ⅱ反应下游的中介。Adiarto等[42]研究发现，与野生型小鼠相比，ET-1缺失小鼠中AngⅡ诱导的心肌细胞肥大、间质和血管周围纤维化不明显。目前，内皮素拮抗剂主要用于治疗肺动脉高压，但许多人认为它在心脏病理纤维化的治疗中更加有效。

3.5血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF) PDGF家族是目前研究较多的生长因子之一，其由经典的PDGF-A和PDGF-B，以及相对新发现的PDGF-C和PDGF-D 4名成员组成，该家族有两种不同的受体(α和β受体)，通常认为PDGF-A、PDGF-C与α受体相结合，PDGF-B、PDGF-D和β受体相结合[43]。PDGF及其受体在正常心肌中表达，心肌损伤后PDGF可引起中性粒细胞、巨噬细胞、成纤维细胞，平滑肌细胞增殖并迁移到切口部位，同时刺激肉芽组织形成。同时，PDGF也参与了心肌梗死后的心脏重构和心脏修复。Zhao等[44]发现，PDGF-D可刺激心肌成纤维细胞增殖，促进心肌成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，诱导细胞外基质中的胶原蛋白分泌增加，从而使基质金属蛋白酶/金属蛋白酶组织抑制剂比例失衡，TGF-β增加。Fan等[45]通过研究脱氧皮质酮诱导的高血压、盐敏感大鼠中PDGF信号途径对心肌纤维化的作用发现，高血压大鼠心肌组织中的PDGF及TGF-β表达增加，使用抗炎药物法舒地尔抑制心肌炎症后,PDGF及其受体的表达减少，胶原蛋白表达减少。PDGF及其受体伴随炎症反应和纤维化出现高表达，提示其在心脏修复的调控中发挥潜在作用[44-45]。

3.6炎症因子 炎症是具有血管系统的活体组织对损伤因子所发生的防御反应，是最常见的一种病理过程，与许多疾病相关。急性心肌损伤后炎症信号分子立即增加，各种炎性细胞(中性粒细胞和巨噬细胞)在损伤部位浸润，促进各种促炎症细胞因子的释放；此外，成纤维细胞甚至心肌细胞也可释放炎症因子[25]。炎症因子(肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β、白细胞介素-6等)在诱导成纤维细胞增殖和肌成纤维细胞活化中起重要作用，除了直接释放细胞外基质成分外，激活的成纤维细胞也表达多种细胞因子和生长因子，通过自分泌和旁分泌机制影响切口愈合。急性心肌损伤后通过成纤维细胞表达的细胞因子明显上调，包括促炎症细胞因子(白细胞介素-1β和白细胞介素-6)的表达，其中白细胞介素-6是众所周知的促进成纤维细胞增殖和心肌纤维化的因子之一[46]。Zhao等[47]研究发现，白细胞介素-6基因敲除小鼠在实施主动脉缩窄术后，大鼠的左心室肥厚和左心室心肌功能不全明显减轻，表明白细胞介素-6在压力负荷诱导的左心室肥厚中发挥了关键作用，其可减轻心肌纤维化程度。Ma等[48]研究发现，白细胞介素-6主要由AngⅡ刺激心脏成纤维细胞产生，它能促进心脏成纤维细胞胶原合成和成纤维细胞活化，在AngⅡ诱导的心肌纤维化中白细胞介素-6的表达增加，相反白细胞介素-6缺乏可减轻心肌纤维化程度。

4 小 结

心肌纤维化是一个复杂的过程，由多种介质、细胞因子、信号通路相互作用、相互调控，在不同类型的心脏疾病中，其作用机制也各不相同。多种生长因子与细胞因子与成纤维细胞的早期活化及损伤后持续的病理性重构有关，这些均可作为治疗心肌纤维化的潜在新靶点。因此，对心肌纤维化更深入的了解将有利于对疾病的认识，从而更好地预防、治疗心肌纤维化。虽然目前对其认识仍十分有限，但随着研究的深入，未来可能会发现新的与纤维化相关的因子，从而为临床治疗提供新思路。