房室成纤维细胞在心房和心室心肌纤维化中的差异∗

王照地 赵永辉

心肌纤维化是指心肌组织中细胞外基质合成和降解失衡而导致细胞外基质过度沉积,是许多心血管疾病发展到一定阶段的重要的病理学过程。心脏成纤维细胞在心肌纤维化的发生和发展过程中起着关键作用[1]。当心脏受到炎症、缺血、缺氧、机械牵张等病理刺激后,在各种促纤维化细胞因子的作用下,心脏成纤维细胞增殖活化为肌成纤维细胞,分泌细胞外基质的能力增强,促使心肌纤维化的形成。有研究表明,无论在体内还是在体外,心房成纤维细胞对纤维化损伤的反应都比心室成纤维细胞更大[2－3]。近年来,研究发现心房和心室成纤维细胞的行为及其参与心肌纤维化的形成过程存在一定的差异,但具体的分子机制仍然未知。笔者综述近几年心房和心室成纤维细胞与心肌纤维化差异的研究进展。

1 心房与心室成纤维细胞的行为差异

心房和心室特异性基因表达存在于心脏的整个发育过程及病变的心肌中[2,4],差异表达的基因与心脏重塑有关。心房中表达较高的基因有编码转录因子的基因、细胞骨架基因、细胞外基质分子及代谢相关分子等[4]。心室中表达较高的有心室肌球蛋白轻链、肌动蛋白和肌球蛋白的异构体、LIM 结构域蛋白及同源盒基因等[4]。另外,基因芯片技术发现心房和心室成纤维细胞之间有225个差异表达的基因,包括参与细胞外基质形成、细胞信号转导、细胞结构和代谢相关的基因等[2]。Burstein等[2]首次对犬的心房和心室成纤维细胞进行直接比较,发现心房和心室成纤维细胞之间的行为存在系统性差异。与心室成纤维细胞相比,心房成纤维细胞更容易发生形态学转变。充血性心力衰竭(CHF)时,心房成纤维细胞的分裂率明显增加。并且与心室成纤维细胞相比,心房成纤维细胞中血小板衍生生长因子(PDGF)及其α受体(PDGFRα)的表达更高,CHF 进一步增强了这种差异,表明PDGF是导致房室成纤维细胞差异的潜在因素[2]。另外,在无血清培养的条件下,心房和心室成纤维细胞的增殖没有区别,但在各种生长因子或细胞因子[如胎牛血清、PDGF、血管紧张素Ⅱ、内皮素-1和转化生长因子-β1(TGFβ1)等]的诱导下,心房成纤维细胞的增殖反应大于心室成纤维细胞[2]。同样,在血清诱导的条件下,人心房成纤维细胞的增殖速率也始终高于同期培养的心室成纤维细胞[5]。

研究发现,心房和心室中TGF-β1受体的分布或表达没有差异,但与心室成纤维细胞相比,心房成纤维细胞对TGFβ1的反应更强,表现出更大的纤维化反应[6－7]。用TGF-β处理培养的大鼠心房和心室成纤维细胞,发现心房成纤维细胞中透明质酸,CD44,信号转导子与转录激活子3(STAT3)和胶原的表达明显高于心室成纤维细胞[3]。

2 心房与心室成纤维细胞对不同致心肌纤维化因子的反应差异

2.1 TGF-β与PDGF TGF-β是纤维化的主要介质,在心房纤维化中起着重要作用[3,6－7]。TGF-β以三种异构体的形式存在于哺乳动物体内,包括TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3,可通过相同的细胞表面受体发出信号并作用于共同的细胞靶标。TGF-β受体为细胞表面的跨膜糖蛋白,分别为TGFβ受体I(TβRI)、TGF-β受体Ⅱ(TβRⅡ)和TGF-β受体Ⅲ(TβRⅢ)。研究表明,TGF-β致纤维化的机制主要是通过TGF-β/Smads信号通路的激活[8]。TGF-β1 被激活和释放后,分别与细胞膜表面的TβRII和TβRI结合,形成受体复合物,作用于Smad蛋白引起一系列磷酸化反应,无活性的Smad蛋白2、3、4形成复合物后移入靶细胞核,通过适当的调节区域调节与纤维化有关的基因表达,促进纤维化的发生。TGF-β1可介导通过TβRI、TβRⅡ和经典Smad途径发生的选择性心房纤维化,即心房和心室纤维化的不同反应发生在TGF-β1受体结合或磷酸化水平[7]。除了经典的Smad途径,CD44/STAT3信号转导在介导TGF-β诱导的细胞外基质沉积和心房纤维化中也起着重要作用,并且可独立于Smad3发挥作用[3]。

另外,PDGF 在心房和心室成纤维细胞中表达有差异[2],其信号通路可刺激心脏成纤维细胞增殖并活化为肌成纤维细胞从而参与心肌纤维化的形成[9]。STAT 是潜在的转录激活因子,对细胞增殖起着重要作用,Janus激酶(Janus kinase,JAK)-STAT 信号通路参与多种心血管疾病的形成[10]。研究发现,在室性心动过速(VT)诱发CHF 犬和心肌梗死(MI)导致左室功能障碍的小鼠模型中发生了明显的心房重构[11]。CHF 犬出现了心房选择性纤维化,并且PDGF 的亚型PDGFA/C/D、PDGF 受体β (PDGFRβ)、PDGF 信号传导下游效应器JAK2 和磷酸化的STAT3(p-STAT3)的表达均呈现心房选择性上调。另外,PDGF 刺激房室成纤维细胞后心房成纤维细胞中PDGFRα、STAT3、p-STAT3及胶原Ⅰ和纤维连接蛋白1(FN1)的表达增加,心室成纤维细胞却未出现明显的变化,且JAK2抑制剂AG-490、PDGF受体抑制剂AG 1296和STAT3抑制剂S3I-201可抑制p-STAT3和胶原表达上调,更进一步证实了PDGF 在心房成纤维细胞中激活JAK-STAT 系统的能力[11]。心肌梗死后左室功能障碍小鼠出现了严重的左房纤维化,S3I-201对左室重构无明显影响,却明显减弱了左房纤维化[11]。因此,PDGF可通过JAK-STAT 信号激活介导心房成纤维细胞的活化并增强细胞外基质蛋白的产生,并且JAK-STAT的激活是心房选择性的,对心房成纤维细胞的行为具有调节作用,可作为选择性预防心房纤维化的潜在靶标[11]。

2.2 氧化应激 氧化应激与心房颤动等多种心血管疾病密切相关,并且在心房纤维化的发生过程中起着重要作用。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOXs)通过产生活性氧(ROS)已经成为心房氧化应激的主要来源[6]。NOXs有五种异构体组成,分别为NOX1、NOX2、NOX3、NOX4和NOX5。其中,NOX2和NOX4是心肌中NOXs的主要同工型,在心脏成纤维细胞中均有表达。TGF-β1可刺激NOX4衍生的ROS产生,从而激活心脏成纤维细胞,促进纤维化的发生。与心室成纤维细胞相比,TGF-β1可刺激心房成纤维细胞表达更多的NOX4,源自NOX4的ROS通过TGF-β1/Smad信号的激活介导了心房成纤维细胞对TGF-β1的敏感性,表明NOXs和Smad信号之间存在串扰,并且NOX4在介导房室成纤维细胞的差异方面起着关键作用[6]。

2.3 利钠肽系统 利钠肽系统是重要的自分泌、内分泌、旁分泌系统,主要由心房利钠肽(ANP)、B型利钠肽(BNP)、C型利钠肽(CNP)组成,通过与利钠肽受体(NPR)结合,引起细胞内环磷酸鸟苷(cGMP)依赖性第二信使信号级联反应,介导利钠肽在心脏成纤维细胞中发挥抗肥大和抗纤维化作用[12]。NPR 有三种不同的类型,分别为NPR-A、NPR-B 和NPR-C,其中NPR-A 结合ANP和BNP;NPR-B结合CNP;NPR-C是清除受体,通过结合并内化利钠肽将其从循环系统中清除[12]。心脏中大部分利钠肽信号是通过NPR-A 发生的,NPR-A 在心房和心室中的表达都比较丰富,但是NPR-C在心房和心室中的表达却有明显的不同。

Rahmutula等[13]通过分析野生型(Wt)小鼠,结果发现与心室相比,NPR-C 在心房中的表达水平更高,进一步对Wt及NPR-C基因敲除(NPR-C-KO)小鼠进行横主动脉缩窄(TAC)研究,发现与Wt-TAC 组相比,NPR-C-KO-TAC组小鼠的心房纤维化基因表达明显降低。另外,为了进一步研究参与TGF-β1诱导纤维化的NPR-C 调节的分子途径,研究者将分离培养的成年小鼠的原代房室成纤维细胞暴露于TGF-β1中,发现心房成纤维细胞中NPR-C、FN1和膜蛋白的表达水平明显高于心室成纤维细胞,用小分子干扰RNA(siRNA)敲降NPR-C,导致由TGF-β1诱导的房室成纤维细胞中p-Smad2和胶原Ⅰ的表达显著减少,并且心房成纤维细胞减少更明显[13]。NPR-C缺乏降低了心房成纤维细胞中胶原蛋白的产生及由TGF-β1诱导的心房纤维化的形成,NPR-C在房室成纤维细胞中差异表达,并且在介导房室成纤维细胞对TGF-β1刺激的纤维化的差异反应中起着重要的作用[13]。NPR-C敲除可能会通过增加局部利钠肽的浓度,抑制TGF-β1的促纤维化途径,然而,有研究却呈现出了不同的结果。Egom 等[14]采用超声心动图、膜片钳、定量聚合酶链反应和组织学等方法对Wt和NPR-C-KO 小鼠的心脏结构和功能进行评估,结果发现Wt小鼠NPR-C 在窦房结和心房中的表达明显高于左室,与Rahmutula等[13]的研究结果相同。NPR-C-KO 小鼠窦房结功能障碍,心房心肌结构重塑和纤维化导致房性心律失常增加,然而其心室纤维化或室性心律失常却未见明显不同,表明NPR-C 在心脏中起着保护作用,且该作用具有明显的房室特异性差异[14]。以上两个研究结果显示出NPR-C 对心房纤维化的矛盾作用,可能与两者研究的侧重点及方法不同有关。前者主要研究NPR-C在TAC和TGF-β1诱导房室成纤维细胞的促纤维化模型中影响纤维化的机制,而后者主要关注窦房结的功能,并未研究NPR-C对纤维化模型的作用。

3 预防和缓解心肌纤维化药物的房室特异性差异

针对心肌纤维化的发病机制,使用相应的抑制剂可用于治疗心肌纤维化,其中常见的有肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)抑制剂、他汀类药物等。另外,中医药也可用于辅助治疗心肌纤维化。研究发现,与RAAS相关的血管紧张素转换酶抑制剂(ACEIs)和血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂(ARBs)均具有抗心肌纤维化的作用[15－16],醛固酮受体拮抗剂依普利酮能够显著缓解小鼠的心房纤维化[17]。氧化苦参碱可通过抑制Smad蛋白2、3、4的表达来抑制醛固酮诱导的大鼠心脏成纤维细胞的增殖和分化,有助于缓解心肌纤维化[18]。杨梅素是一种天然的植物类黄酮,存在于多种植物中,可抑制由TGF-β诱导的心脏成纤维细胞的活化、增殖及分泌功能,在抗心肌纤维化方面也起着重要作用[19]。目前尚未发现上述RAAS抑制剂及中医药是否可差异性地作用于房室成纤维细胞,然而,研究却发现他汀类药物可选择性地作用于心房成纤维细胞,从而特异性地改善心房纤维化。

他汀类药物是羟甲基戊二酰辅酶A(HMG-Co A)还原酶抑制剂,是治疗心血管疾病的常用药物,可用于降低血浆胆固醇,还可用于抑制心脏成纤维细胞增殖,改善心脏重塑等[20]。Rizvi等[5]首次对人的心房和心室成纤维细胞进行研究,发现与心室成纤维细胞相比,血清诱导的人心房成纤维细胞中细胞周期蛋白A、D、E 的DNA 合成速度更快以及m RNA 表达水平更高。辛伐他汀可显著降低心房纤维细胞中细胞周期蛋白的DNA 合成和mRNA 水平来抑制其细胞周期进程,并通过增加G0/G1期细胞来抑制心房成纤维细胞增殖,而对心室成纤维细胞则无明显影响。与心室成纤维细胞相比,人心房成纤维细胞具有较高的增殖能力,并且对辛伐他汀介导的通过HMG-Co A 还原酶途径的抑制作用更为敏感,甲羟戊酸可优先消除这种抑制作用。另外,研究还发现另外一种H MG-Co A 还原酶抑制剂阿托伐他汀对人心房和心室成纤维细胞增殖的抑制作用同样具有明显的差异[5]。

4 总结

心肌纤维化是多种心脏疾病发展到一定阶段的重要的病理学改变,其发病机制复杂,可涉及多方面的因素,如各种生长因子、细胞因子、机械应力、炎症和氧化应激等,并且心脏成纤维细胞在心肌纤维化过程中起着重要作用。心房和心室纤维化过程有着许多共同的机制,然而某些机制在心脏成纤维细胞中却具有明显的房室特异性差异。明确心房和心室成纤维细胞在心肌纤维化过程中的差异对于预防过度的心房纤维化具有重要的意义。