病理性心肌肥厚分子机制研究进展

吴冰综述 刘小熊,夏豪审校

心肌肥厚(cardiac hypertrophy)是指各种因素作用下出现的心脏质量和体积的增加，包括心肌细胞的肥大、心肌间质细胞增生及心肌细胞外基质改变等变化。心肌肥厚是预测心脏疾病进展和不良预后的主要因素，它通常与缺血性心脏病、心脏瓣膜疾病、高血压和心力衰竭等疾病有关[1]。心肌肥厚有2种类型：生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚。病理性心肌肥厚会导致不良的心血管事件，包括心力衰竭、恶性心律失常和猝死等[2]。随着人民生活水平提高及人口老龄化程度增加，心肌肥厚及心力衰竭发病率和患病率明显增高。然而，目前心肌肥厚的发病机制尚不明确，临床上对心肌肥厚及心力衰竭的治疗效果并不理想。因此，探索心肌肥厚的发病机制，寻找新的治疗靶点尤为重要。本文通过收集整理近年来心肌肥厚相关研究文献，重点对病理性心肌肥厚分子机制的研究进展作一综述，为病理性心肌肥厚的干预和治疗提供理论依据。

1 心肌肥厚概述

成年后大多数心肌细胞是终末分化的，在生理条件下不会增殖。然而，在心脏瓣膜病、心肌病、缺血性心脏病、高血压等病理过程中，心肌组织对心脏负荷的增加做出代偿反应，使心肌细胞蛋白质合成增加，体积增大，心肌细胞间质纤维化及细胞间质增加，从而导致心肌肥厚[3-4]。容量负荷过重时，肌小节串联复制排列使心肌细胞的长度增加，表现为离心性肥厚；压力负荷过重时，肌小节并行复制排列使心肌细胞直径增加，表现为向心性肥厚[5-6]。当心肌肥厚与正常的心脏功能如体育锻炼或者妊娠相关时，被称为生理性心肌肥厚，由于毛细血管网的相应扩张，扩大的心肌细胞得到了充分的营养，心脏的结构或功能不会发生异常。当心肌肥厚与心脏功能障碍如大量神经体液介质的产生、血流动力学超负荷、损伤和心肌细胞的丧失相关时，心肌细胞的生长超过了毛细血管充分供应营养和氧气的能力导致的心肌肥厚，被称为病理性心肌肥厚。病理性心肌肥厚使心肌收缩力下降,顺应性降低,氧耗量增加,最终导致心力衰竭、恶性心律失常和心源性猝死[7-8]。Framingham心脏研究和其他人群研究的数据表明，病理性心肌肥厚会增加室性早搏、非持续性室速的发生率，并相应增加心源性猝死的风险。俄勒冈州意外猝死研究(Oregon SUDS)证实，病理性心肌肥厚是心源性猝死风险增加的独立因素[9]。也有研究表明，发展中国家因病理性心肌肥厚所致心力衰竭死亡人数占总死亡人数的25%[7]。

2 病理性心肌肥厚分子机制

机械压力超负荷和神经体液增多等刺激通过多种信号通路调节细胞反应，包括基因表达、蛋白质合成和细胞代谢，导致毛细血管稀薄、代谢紊乱、钙处理改变、炎性反应、细胞衰老、细胞死亡和纤维化等一系列复杂的病理生理变化，进而引起病理性心肌肥厚。因此，信号通路的调控对病理性心肌肥厚的防治至关重要。

2.1 蛋白激酶通路

2.1.1 环鸟苷酸(cGMP)/蛋白激酶G(PKG)：cGMP/ PKG信号通路是抗心肌肥厚的一个潜在靶点。cGMP是鸟苷酸环化酶受体和心房利尿肽(ANP)、B型利尿肽(BNP)及一氧化氮(NO)受体的第二信使。cGMP参与调节心肌细胞的生长和凋亡等生理过程，心肌细胞中cGMP信号的主要下游靶点是cGMP依赖性蛋白激酶I(PKG-I)。cGMP/PKG信号通路的激活可抑制心肌肥厚。有研究表明，压力超负荷诱导的心肌肥厚模型中，STAT3基因敲除可抑制cGMP/PKG信号通路激活，从而加重心肌肥厚[10]。也有研究表明，沙库巴曲缬沙坦可通过部分恢复PKG信号通路从而抑制压力超负荷诱导的心肌肥厚[11]。越来越多的药物通过提高cGMP水平，并激活PKG通路起到减轻心肌肥厚和心力衰竭的作用。

2.1.2 磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/AKT：PI3K信号传导的主要靶点是AKT，也被称为蛋白酶B(PKB)。PI3K是诱导心肌肥大、间质纤维化和心脏功能障碍的关键酶。PI3K/AKTs信号诱导的心肌肥厚是由2个直接靶蛋白介导的，即哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)。AKT可直接磷酸化GSK-3β，GSK-3β又磷酸化NFAT，从而促进NFAT蛋白的细胞质转运和转录失活。AKT的另一个下游靶点是mTOR。激活的AKT通过翻译和磷酸化机制激活mTOR，导致新陈代谢的改变和细胞生长的增加[12]。有研究表明，青大颗粒通过PI3K/AKT信号通路可抑制血管紧张素Ⅱ诱导的心肌肥厚[13]。PI3K/AKT信号通路作为防治心肌肥厚的潜在靶点，可能为临床研究新药提供有价值的理论依据。

2.1.3 Janus家族的酪氨酸激酶(JAK)/转录信号转导者和激活者(STAT)：JAK/STAT信号通路在心肌肥厚过程中起着重要作用[14]。JAK /STAT可传递白介素-6(IL-6)、心肌营养素1(CT-1)和白血病抑制因子(LIF)信号，促进心肌肥厚的发展。哺乳动物的JAK家族由4个成员组成，其中Tyk2、JAK1和JAK2在心肌细胞中表达。激活的JAKs会将细胞膜上的STATs蛋白磷酸化，被激活的STAT二聚体聚集在细胞核中，以激活其目标基因的转录[15]。JAK/STAT与心肌肥厚和心肌重塑、缺血预处理和缺血/再灌注引起的心脏功能障碍有关。通过JAK2抑制剂阻断JAK/STAT信号传导已被证明可以改善心脏舒张末期压力、收缩性和顺应性，但可能会增加心肌细胞凋亡[16]，目前对JAK2抑制剂是否促进心肌细胞凋亡仍有争议，需要进一步探讨。

2.1.4 蛋白激酶C(PKC)：PKC是丝氨酸/苏氨酸激酶家族，由于受体依赖的磷脂酶C的激活和膜磷酸肌醇的水解而被激活。PKC是调节心肌细胞生长和肥大的关键酶，在心脏的信号转导中发挥着重要作用。目前已知的10个PKC家族成员被分为3类：经典PKCs、新型PKCs和非典型PKCs。PKC的活性取决于其在细胞内的定位、表达和磷酸化水平。心肌细胞的牵拉可激活PKC-ε，PKC-ε的激活可能是导致心室肥大的重要因素，它对细胞生长有积极作用[17]。PKC-β被证明在心肌肥大中发挥了重要作用[18]。PKC-α的激活或PKC-α表达的增加与肥大、扩张型心肌病、缺血性损伤或有丝分裂原刺激有关。近期研究表明，经典PKCs(cPKCs)激活可能具有抗心肌肥大作用，而新型PKCs(nPKCs)激活具有促心肌肥厚的作用，预示着不同的PKCs亚型可能在心肌肥厚调控中具有相反的作用[19]。各种PKC亚型在心肌肥厚中的具体作用需要进一步探索，这也将为防治心肌肥厚提供重要依据。

2.2 与Ca2+相关途径 生理性和病理性心脏肥大都与心肌细胞的Ca2+水平升高有关。Ca2+调节各种Ca2+依赖性信号通路的活动，包括CaN-NFAT信号通路和钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ(CaMKⅡ)信号通路。

2.2.1 CaN-NFAT：CaN-NFAT通路是研究最早的信号通路之一。机械压力和神经体液介质，如儿茶酚胺和血管紧张素Ⅱ(Ang-Ⅱ)与G蛋白偶联的跨膜蛋白受体结合，诱导细胞内Ca2+释放并激活CaN-NFAT信号通路。CaN是一种由Ca2+激活的丝氨酸—苏氨酸蛋白磷酸酶，它能使胞质中的NFAT去磷酸化，诱导其核转位和参与心肌肥大的基因表达。在压力超负荷诱导的病理性肥大心脏中，CaN-NFAT通路被激活，但在运动训练后的生理性肥大心脏中CaN-NFAT通路却没有被激活[6]，这表明CaN-NFAT通路可能只与病理性心肌肥厚相关。研究表明，TRPC也参与了CaN/NFAT信号通路的激活，抑制TRPC的基因表达可以减弱心脏肥大。近期有研究表明，盐酸水苏碱可通过抑制CaN-NFAT通路从而减轻去氧肾上腺素诱导的心肌肥厚[20]。然而，对于通过干扰CaN-NFAT信号通路来治疗病理性心肌肥厚是否是一种理想的治疗策略还需要进一步探讨。

2.2.2 CaMKⅡ：CaMKⅡ是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，受Ca2+/钙调蛋白复合物、ROS和由cAMP直接激活的交换蛋白(EPAC)调节。CaMKⅡ将神经体液激动剂的刺激与肥大基因表达联系起来。肾素—血管紧张素—醛固酮系统的激活增加了Ang-Ⅱ的水平，并通过激活CaMKⅡ信号直接诱发心脏肥大。CaMKⅡ的激活导致心脏肥大，而抑制CaMKⅡ则可改善心肌肥大，并改善心力衰竭[21]。心脏特异性CaMKⅡ基因过表达导致心肌细胞肥大，与诱导胎儿基因表达有关。CaMKⅡ有4种异构体(α、β、γ和δ)。CaMKⅡδ是心肌中的主要异构体，其亚型CaMKⅡδB对诱导新生鼠心室肌细胞的肥大和ANF表达最为有效[22]。有研究表明，在压力超负荷诱导早期，核周围CaMKⅡδC的激活促进了肌细胞Ca2+瞬时和核转录反应的适应性增加，然而核Ca2+-CaMKⅡδC轴的慢性进展导致偏心性心肌肥厚和心力衰竭的发生。CaMKⅡδ敲除的小鼠对压力过载的反应显示出不太明显的心脏肥大，同时收缩功能障碍得到改善，存活率更高[23]。近期有研究表明，蛋白聚糖可抑制CaMKⅡ的激活，从而抑制压力超负荷诱导的病理性心肌肥厚[24]。CaMKⅡ可以作为治疗心肌肥厚的潜在靶点。

2.3 过氧化物酶体增殖剂激活受体(PPARs) PPARs是一组核受体蛋白，作为转录因子调节各种基因的表达，在调节细胞分化、发育及碳水化合物、脂肪代谢中发挥重要作用。PPARs有3种异构体，即PPARα、PPARβ和PPARγ/δ。PPARα和PPARγ配体都具有多效性，可以抑制病理性心肌肥厚[25]。PPAR激动剂可通过减少脂肪毒性和胶原积累、抑制各种炎性细胞因子和拮抗各种氧化还原调节的转录因子来改善心肌肥厚的程度[26]。有研究表明，葛根素通过激活PPARγ通路抑制压力超负荷诱导的心肌肥厚的发生[27]。这些药物可以降低心血管并发症的风险；然而，它们长期保护心脏的临床效果还有待探讨。

2.4 有丝分裂原激活蛋白激酶(MAPK) MAPK级联是高度保守的信号转导途径，它将各种细胞外信号与细胞内信号包括细胞分化、运动、分裂和死亡等联系起来。它们使底物蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，并调节细胞活动。MAPK信号传导有3个主要分支，即p38 MAPK、c-Jun N端激酶(JNKs)和细胞外信号调节激酶(ERKs)。p38 MAPK和JNKs对诱导心肌肥厚反应包括特定基因表达和增加蛋白质合成有重要意义，而ERKs与生长相关反应有关[28]。JNK的活性在压力超负荷时上调，而p38的活性在容量超负荷时被明显诱导[29]。压力超负荷或GPCR激动剂会使小G蛋白如Ras、Raf激活，从而进一步激活MAPK信号通路。JNK可通过抑制CaN-NFAT信号传导抑制心脏肥大[30]。有研究表明，前列腺素E1通过抑制MAPK通路激活而抑制血管紧张素Ⅱ诱导的心肌肥厚[31]。以上研究表明，MAPK是调控心肌肥厚的关键通路，作为防治心肌肥厚的潜在治疗靶点，为研发新的药物提供理论依据。

2.5 Wnt途径 Wnts是高度保守的、由350～400个氨基酸组成的分泌型糖蛋白。Wnt信号转导通路是调控胚胎心脏发育的信号通路之一，Wnt信号的激活可导致心脏和血管的异常[32]。Wnt信号转导通路可分为经典的Wnt信号通路和非经典Wnt信号通路。前者主要是通过Wnt/β连环蛋白(β-catenin)通路进行信号传递，各种原因导致经典Wnt信号通路激活会促进β-catenin聚集并与转录因子结合，从而促进肥厚基因表达，导致心肌肥厚；后者主要通过Wnt/ Ca2+和Wnt/JNK通路进行信号传递。如G蛋白介导卷曲蛋白家族激活Wnt/Ca2+信号通路，促进Ca2+释放，进而激活CaMKⅡ、蛋白激酶和CaN，导致心肌肥厚的发生。Wnts作为干预心肌肥厚的潜在靶点，受到广泛关注。

2.6 自噬 自噬是机体降解有毒物质、损伤的蛋白质和细胞器等来维持细胞内环境稳定的过程。自噬可以分为宏观自噬、微观自噬和伴侣介导的自噬。自噬被饥饿、缺血再灌注、感染、ROS和缺氧等激活。越来越多的证据表明，自噬在心脏肥大中起作用。多个与肥大有关的信号通路也广泛地参与自噬调节[33]。PI3K/AKT途径通过下游蛋白mTOR和GSK3β参与心脏肥大，两者都能调节心肌细胞自噬[34]。Ca2+/钙蛋白信号通路已被证明能以AMPK依赖的方式抑制自噬并促进心脏肥大[35]。研究发现，心肌肥厚早期自噬被诱导，而后期自噬则被过度抑制；在Atg5基因表达下调小鼠压力超负荷诱导的心肌肥厚实验中，自噬被明显抑制，心肌肥厚较野生型小鼠明显增强[36]；Beclin1过表达的转基因小鼠压力超负荷诱导的心肌肥厚实验中，自噬活性显著增强，心肌肥厚和心肌纤维化程度明显增强。这表明自噬对心肌肥厚的调控是双向的，心肌肥厚是自噬水平失衡的结果，自噬的激活或抑制都可导致心肌肥厚的发生。自噬对心肌肥厚的影响也可能与刺激因素及损伤程度等有关。近期有研究表明，白藜芦醇、黄连素及姜黄素等天然药物可以通过不同通路调控自噬从而影响心肌肥厚[37]。这也可能为心肌肥厚的干预提供思路。

3 小 结

心脏为适应各种因素刺激发生代偿性改变，最终失代偿导致病理性心肌肥厚发生、发展。目前虽然在细胞分子等水平上对心肌肥厚产生机制取得了一定的认识，但病理性心肌肥厚潜在机制较复杂，不是单一信号通路激活的结果，往往涉及多个信号通路同时激活、共同作用。因此，要从整体上认识心肌肥厚信号通路，从而找到更有效的治疗靶点。就目前的研究结果，病理性心肌肥厚及心力衰竭是多因素共同作用的结果，在治疗上也需要多方位联合用药来控制甚至逆转病情进展，从而改善症状和预后。