心肌纤维化相关通路的研究进展

陈智慧，田海萍，刘艳阳

(内蒙古医科大学附属医院心内科，呼和浩特 010050)

心肌纤维化是心肌梗死、心律失常、心肌病以及心力衰竭等心血管疾病的病理生理表现，其特征为成纤维细胞聚集和细胞外基质(extracellular matrix,ECM)过度沉积导致的心肌重构、心功能受损以及心室僵硬度增加。研究显示，心肌纤维化可作为心血管疾病发生、发展的独立危险因素[1]。心肌纤维化的发生涉及成纤维细胞活化、肾素-血管紧张素(angiotensin，Ang)-醛固酮系统过度激活、细胞因子和炎症介质活化以及微RNA(microRNA，miRNA)等[2]，其中成纤维细胞活化在心肌纤维化的发生及发展中占主导地位。体内外的各种损伤以及炎症细胞与炎症因子刺激均可诱导成纤维细胞活化,活化后的成纤维细胞被募集到损伤区域参与修复，ECM大量沉积,最终导致器官或组织发生纤维化改变[3]。肾素-Ang-醛固酮系统的激活在心脏病中发挥重要作用，其中AngⅡ作为主要成分，与受体结合后调节血压，并调节心肌细胞与心肌成纤维细胞增殖[4]。炎症介质活化主要通过三步诱导心肌纤维化，首先器官和组织发生损伤后分泌大量炎症因子和炎症细胞；其次炎症细胞激活效应细胞，促进效应细胞增殖和迁移；效应细胞进一步分泌ECM，使心肌重构[5]。miRNA可通过诱导或抑制RNA翻译，在心肌梗死、纤维化、缺血再灌注损伤等中发挥关键的调节作用[6]。另外，各种细胞因子[如转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF/CCN2)]及信号通路[如Wnt通路、AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)通路]等可使心肌成纤维细胞活化,从而调节纤维化过程。

研究显示，在分子层面预防和治疗心肌纤维化可从根本上阻断或延缓心肌纤维化，保护心脏功能[2]。与心肌纤维化相关的信号通路有很多，其中研究较多的为AMPK信号通路、Wnt信号通路、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)信号通路、TGF-β相关信号通路、Janus激酶(Janus kinase,JAK)/信号转导及转录激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)信号通路、CTGF相关信号通路及Notch相关信号通路等[7]。现就各信号通路在心肌纤维化中的作用进行综述。

1 JAK/STAT信号通路与心肌纤维化

JAK是一类非受体酪氨酸激酶，由4个成员组成，其中JAK2为主要功能蛋白，在调节细胞增殖和凋亡中发挥作用，同时也可磷酸化与其相互作用的受体及含SH2结构域的信号分子，而STAT中最重要的区段为SH2结构域[8]。当细胞表面配体与受体结合后，胞质中的JAK使STAT磷酸化、二聚化，发生核移位并结合到相应基因的启动子上，启动基因转录[9]。研究显示，STAT3可促进心脏成纤维细胞增殖以及与心肌纤维化相关的基因表达，使心脏成纤维细胞转化为肌成纤维细胞，从而诱导心肌纤维化的发生[10]。另外STAT3通路激活后可产生大量CTGF，进一步促使成纤维细胞迁移，并增加ECM合成，加速纤维化的发生和发展[11]。

JAK2/STAT3信号通路在心脏重构和炎症反应中起着至关重要的作用，并参与中性粒细胞和活化巨噬细胞分泌白细胞介素(interleukin，IL)-6[12]。另外在AngⅡ诱导的心肌纤维化中，AngⅡ与JAK/STAT通路可能存在相互作用[13]。一项关于AngⅡ可引起双相STAT3激活的研究发现，大量STAT3激活后配体IL-6的产生增加，进而通过IL-6/gp130/JAK2途径诱导心脏重构；同时该研究还证实，抑制STAT3的表达可防止AngⅡ诱导的心脏肥大、纤维化以及功能缺陷[14]。也有研究发现，IL-6与gp130结合激活JAK2/STAT3通路后，在心肌细胞与成纤维细胞之间的相互作用中发挥作用[15]。中药鹿红方抑制心肌纤维化亦是通过激活JAK2/STAT3信号通路发挥作用[16]。Eid等[17]的研究证实，大鼠心肌梗死后左心室产生的活性氧类和IL-6可引起JAK2/STAT3通路和TGF-β1/Smads通路的激活，进而诱导大鼠心脏发生纤维化。

2 AMPK信号通路与心肌纤维化

AMPK是一种由α催化亚单位和β、γ调节亚单位组成的以异源三聚体形式存在的高度保守且普遍表达的丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶。AMPK是细胞内重要的能量感受器，不仅可以维持细胞内的能量平衡，还可以调节细胞功能[18]。研究发现，AMPK可通过抑制炎症损伤、ECM分泌以及效应细胞(如肌成纤维细胞、肝星状细胞和间充质细胞)的激活、增殖和迁移，减少纤维生成，在各器官的纤维化过程中有重要作用[5]。

AMPK在心肌细胞、心脏成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞中广泛表达，心脏成纤维细胞中AMPK的激活可起到保护心脏的作用[19]。Xiao等[20]的研究表明，AMPK大量激活后可抑制心肌成纤维细胞增殖和ECM积累，从而抑制心肌纤维化。研究发现，黄芩苷主要通过抑制AngⅡ诱导的心脏成纤维细胞增殖、胶原合成以及纤维连接蛋白和CTGF蛋白表达发挥抗心肌纤维化的作用；同时，其还可通过激活AMPK阻断TGF-β/Smads信号通路，延缓心肌纤维化的发展进程[21]。AMPK的特异性激活剂IMM-H007激活AMPK后，显著抑制AngⅡ诱导的TGF-β1的表达，进而改善心功能以及减轻AngⅡ诱导的心肌纤维化[21]。Li等[22]的研究发现，呼吸道合胞病毒对异丙肾上腺素诱导的小鼠心肌肥厚具有保护作用，且可能通过血管内皮生长因子/AMPK/核因子κB通路抑制心肌重构，并调节巨噬细胞向M1型极化，抑制心肌缺氧，发挥抗炎作用。Hu等[19]研究也发现，脂联素对心脏有保护作用，可通过激活AMPK相关通路降低左甲状腺素或异丙肾上腺素诱导的大鼠心肌肥厚模型中心脏重量/体重比、左心室重量/体重比、血清脑钠肽水平以及心钠素和脑钠肽水平，在预防心肌肥大和纤维化中起着潜在的作用。

3 Wnt信号通路与心肌纤维化

Wnt是一种存在于动物中的与果蝇无翅基因同源的基因，其翻译的Wnt蛋白是一类富含半胱氨酸的糖基化蛋白，对细胞增殖、细胞极性、细胞生长以及组织内环境稳定起重要作用。目前最具特征的Wnt信号通路有典型的Wnt/β联蛋白通路和非典型通路(包括Wnt/平面细胞极性通路、Wnt/钙通路)[23]。Wnt/β联蛋白通路是目前研究最多的Wnt通路，Wnt将信号从细胞表面转导到细胞核，以调节基因表达[24]。Wnt通路的激活是纤维化疾病的共同特征，β联蛋白在细胞中持续积累通过Wnt通路激活成纤维细胞，促进成纤维细胞增殖以及胶原纤维的分泌[3,25]。

Wnt信号通路在心脏肥大和心室重构中起至关重要的作用。正常成年人心肌细胞中的典型和非典型Wnt信号通路均是静止的，心肌肥大过程中被激活[23]。心肌梗死后Wnt通路激活，参与调节心室重构以及细胞凋亡、心肌纤维化等过程[26]。研究显示，Wnt的负调控因子可溶性卷曲相关蛋白1通过拮抗炎症反应保护心脏免受缺血再灌注损伤[23]。新生小鼠心脏损伤区域Wnt的表达上调，诱导心脏成纤维细胞增殖，进而导致心功能受损[27]。致心律失常性右心室心肌病编码基因蛋白激酶G竞争性结合β联蛋白的转录因子，从而阻断Wnt信号通路，致使大量心肌细胞被成纤维细胞替代，导致出现类似致心律失常性右心室心肌病的表型[28]。另外，钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ通过耦合Wnt/钙离子通路中的组蛋白脱乙酰酶4和肌球蛋白增强因子2，预防心脏重构[26]。Porcupine(豪猪，分泌Wnt配体的酰基转移酶)抑制剂CGX1321能特异性分泌所有Wnt配体的酰基转移酶，抑制典型和非典型Wnt通路，显著降低压力超负荷诱导的小鼠心肌肥厚、心功能障碍、病理重塑以及心肌细胞凋亡[23]。典型Wnt通路通过上调TGF-β1/Smad3通路促进糖尿病心肌纤维化；外源性硫化氢通过下调典型Wnt和TGF-β1/Smad3通路以及减少心肌胶原沉积，保护链脲佐菌素诱导糖尿病大鼠的心肌纤维化[29]。

4 CTGF相关信号通路与心肌纤维化

CTGF以依赖或非依赖TGF-β的方式产生和分泌[30]，在血管生成、细胞分化、成纤维细胞增殖以及ECM分泌中发挥作用，在病理条件下介导组织修复和纤维化[31-32]。CTGF激活了纤维化前的信号通路，如Smads、胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)和Wnt通路，这些信号通路的激活有助于CTGF在下游发挥促纤维化作用。CTGF是组织重构和纤维化的中心介质，可使纤维细胞从急性炎症向慢性纤维化转变[33]。TGF-β1可使心脏成纤维细胞中CTGF的启动子大量表达，而慢性心房颤动患者CTGF的过表达与心房纤维化有关[34]。

CTGF可调节肌成纤维细胞形成，刺激肌成纤维细胞表达趋化因子和细胞因子，进一步使肌成纤维细胞沉积，导致器官结构和功能改变[33]。CTGF/CCN2调节心肌纤维化和炎症相关基因的表达，CTGF/CCN2沉默后MAPK通路失活，扩张型心肌病大鼠的心肌纤维化和心室肥厚减轻[31]。研究表明，miR-30a通过与梗死心肌中CTGF的3′非翻译区结合抑制CTGF表达，从而使心肌细胞中胶原蛋白产生减少，心肌纤维化受到抑制，心功能与预后改善[32]。转录因子Yin Yang1通过调节骨形态发生蛋白7和CTGF的表达，抑制层粘连蛋白基因突变导致的扩张型心肌病模型中心脏间质细胞和心肌细胞纤维化，而单独抑制CTGF不能发挥抗扩张型心肌病和心肌纤维化的作用[35]。长链非编码RNA H19作为竞争性内源性RNA，通过结合miR-455靶向基因CTGF在糖尿病心肌纤维化中起关键作用[36]。

5 MAPK信号通路与心肌纤维化

MAPK家族成员主要包括ERK1和ERK2、c-Jun氨基端激酶以及p38，其在真核细胞内高度保守且普遍表达[37]。MPAK信号通路以三级激酶(MAPK激酶激酶、MAPK激酶、MAPK)级联的方式被多种信号蛋白和反应性自由基激活，在此基础上，信号通过细胞核内MAPK的三级级联方式传递，将信号转导到胞内，调节基因转录,参与细胞的增殖、分化、凋亡以及纤维化等过程[38-39]。

MAPK信号通路激活可对心肌纤维化产生影响。研究显示，ERK的激活可使心肌细胞免受缺氧损伤，而c-Jun氨基端激酶和p38的激活可诱导心肌细胞凋亡[40]；AMPK活化后通过激活p38信号通路使柯萨奇病毒B3诱导的心脏成纤维细胞中的胶原生成减少[41]。异丙肾上腺素通过p38通路刺激心脏成纤维细胞分泌IL-6，同时激活β肾上腺素受体，诱导促炎细胞因子产生，导致胶原蛋白增加，致使心肌发生纤维化改变[42]。尼古丁也可以通过ERK通路降低血清反应因子(ERK通路下游靶蛋白)和miR-133的水平参与心肌细胞凋亡[42]。3-(3，4-二羟基苯基)-2-羟基丙酸异丙酯通过抑制p38的激活减轻心肌纤维化[42]。迷迭香酸通过AngⅡ受体1/ p38 MAPK信号通路以及调控Ang转换酶2/Ang转换酶比值使左心室功能障碍和纤维化减轻，从而保护心功能[43]。

6 Notch相关信号通路与心肌纤维

Notch是内质网中由4种Notch受体和5种配体组成的单跨膜蛋白[44]，其以异源二聚体的形式转运至细胞表面与相应配体结合，Notch胞内结构域迁入细胞核与转录阻遏物作用，从而调节基因表达[45]。Notch通路是高度保守的细胞间信号通路，对胚胎发育、细胞增殖和分化至关重要，在调节纤维化中也起重要作用[44-46]。激活的Notch信号使内皮细胞发生上皮-间充质转化，使内皮细胞增殖、凋亡，并发生炎症反应[47]，其中Notch1是上皮-间充质转化的关键介质[48]。配体Jagged1敲除后可抑制Notch通路及上皮-间充质转化[44]。

Notch在缺血或损伤心肌的修复以及维持心功能稳定中起重要作用[47]。研究发现，Notch1可抑制心肌细胞肥大、提高心肌细胞存活率并减少间质纤维化[49-50]。Notch1信号通过抑制蛋白激酶B的关键磷酸酶人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因，使蛋白激酶B活化，发挥抗氧化和抗硝化的作用，保护心肌缺血再灌注损伤[50]。Notch1弱表达则增强了心脏成纤维细胞的增殖能力[48]。另外，高糖可诱导Notch2表达，促进心肌纤维化，而miR-18a-5p(Notch2的负调节因子)过表达改善了糖尿病的心功能和心肌重构[51]。以上研究均认为，Notch在心肌纤维化中发挥负性作用。除此之外，Notch可以通过拮抗TGF-β1/Smad3信号通路抑制心肌梗死大鼠心脏肌成纤维细胞转化，过表达的Notch3通过抑制TGF-β1诱导的心肌梗死小鼠的肌成纤维细胞转化，改善心肌纤维化，故认为Notch信号激活剂和TGF-β1/Smad 3信号抑制剂可治疗心肌梗死后心肌纤维化[47]。近年一项研究发现，三方基序蛋白72在病理性心肌纤维化中表达上调，增加了心脏成纤维细胞中磷酸化的STAT3，使Jagged1及其下游基因和Notch1胞内结构域的表达减少，促进心肌发生纤维化[48]。

7 TGF-β相关信号通路与心肌纤维化

TGF-β主要通过TGF-β受体介导的Smads和非Smads信号转导通路在细胞生长和分化中起作用[52]。典型的TGF-β通路促进TGF-β受体二聚化及Smad2和Smad3磷酸化，磷酸化的Smads与胞质中的Smad4结合并转移到细胞核，招募共激活剂(如p300、Smad3/4复合物)与靶基因启动子区的应答元件结合，增加促纤维化因子的表达[39]。TGF-β通路是成纤维细胞活化的关键，可驱动ECM的异常合成[52]。哺乳动物中有3种TGF-β亚型，其中TGF-β1参与纤维化、组织修复、抗炎以及肥大等过程，是心肌梗死后心脏修复和纤维化的关键调节因子[34]。

在心肌重构的初始阶段，TGF-β1诱导成纤维细胞转化为肌成纤维细胞，激活炎症相关通路，促进成纤维细胞增殖，导致ECM中胶原蛋白大量聚集，促进心肌纤维化[38]。miR-202-3p作为一种miRNA，其过度表达通过下调促炎细胞因子(IL-1β、IL-6等)以及上调相关酶(超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等)的表达减轻氧化应激和炎症反应，并激活TGF-β1/Smads信号通路，从而在心肌纤维化中发挥作用[6]。目前研究显示，TGF-β/Smads信号通路与MAPK信号通路可相互作用，TGF-β1调控MAPK通路激活的同时，也受MAPK通路的调控，激活下游蛋白并加重炎症及纤维化[39]；同时，TGF-β/Smads信号通路还可以与典型Wnt信号通路相互作用，TGF-β信号降低DKK1(Dickkopf-1)(Wnt内源性抑制剂)的表达并以p38依赖性形式刺激典型Wnt信号。另外，DKK1的过表达通过抑制Wnt信号，降低TGF-β的纤维化作用[52]。Wnt通路通过激活TGF-β/Smads通路促进肌成纤维细胞分化，抑制上皮细胞或成纤维细胞分化[53]。TGF-β与CTGF的协同作用也可诱导和加重心房纤维化，导致心房颤动[35]。

8 小 结

心肌纤维化是各种心血管疾病发展到一定阶段的复杂病理过程，涉及各种损伤导致炎症反应以及炎症因子的产生，效应细胞的激活、增殖、迁移以及ECM的大量生成，进而诱发心肌纤维化，降低心肌顺应性，心脏舒缩功能受限，进而引起心力衰竭[54]。心肌纤维化的发生涉及多条信号转导通路，其中研究较多的通路为JAK2/STAT3信号通路、AMPK信号通路、MAPK信号通路及TGF-β相关信号通路等，但具体机制仍不明确。另外，不同心血管疾病，甚至不同类型同种疾病的心肌纤维化形成机制可能也不完全相同。基于心肌纤维化在心血管疾病中占据重要的位置，抗纤维化成为治疗各种心血管疾病的主要途径，后续仍需要开展大量研究以深入探索心肌纤维化信号转导通路，以期发现信号转导通路的关键靶点，从而为临床提供潜在治疗靶点。