TRPM7在糖尿病心肌纤维化中的作用

蒋一枫,汤依群

(中国药科大学,江苏 南京 211198)

糖尿病(diabetes mellitus,DM)是一种严重威胁人类生命健康的全球性疾病,调查显示截止至2021年底,我国糖尿病患者高达约1.4亿[1]。心血管并发症是糖尿病患者的主要死因,其中严重的心血管并发症之一就是糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM),具体表现为在排除其他常规心血管危险因素情况下出现的心肌结构和功能障碍[2]。在DCM进展过程中,持续的高血糖以及晚期糖基终化产物的堆积,导致心脏组织的正常生理功能与代谢紊乱,Ca2+、K+等离子通道异常,动作电位时程(action potential duration,APD)延长,QT间期延长,从而造成左心室舒张功能率先出现障碍[3],心脏损伤出现。心脏实质由于再生能力微弱,无法对损伤的左心室进行修复,因此心脏成纤维细胞(cardiac fibroblasts,CFs)等纤维结缔组织迅速增殖,对损伤部位进行填充,以保持心脏结构的完整性,从而导致了纤维化[4]。而纤维化的出现加速了心脏的进一步重构,左心室收缩功能也随之出现明显异常,最终造成心力衰竭。因此,纤维化是糖尿病心肌病中重要的病理重构[5]。

瞬时受体电位(transient receptor potential,TRP)通道是一类位于细胞膜上的非选择性阳离子通道,能帮助细胞感受外液环境中的多种刺激。目前,TRP家族有7个亚型,包括TRPA、TRPC、TRPM、TRPML、TRPN、TRPP和TRPV等[6]。其中TRPM家族只存在于哺乳动物体内,在肿瘤发生发展、肾脏疾病、心脏健康和神经元发育等领域发挥着重要作用[7]。TRPM7(transient receptor potential melastatin-subfamily member 7)作为TRPM家族的一员,组成性表达于哺乳动物的心脏中,参与调控心脏成纤维细胞的生长、发育与增殖,在糖尿病心肌纤维化的病理过程中发挥着重要作用[8]。因此,本文就TRPM7在糖尿病心肌纤维化中发挥的作用作简要总结。

1 参与纤维化的CFs

CFs是糖尿病心肌纤维化主要的参与细胞之一,能合成大量的细胞外基质(extracellular matrix,ECM),并表达丰富的生长因子和细胞因子如白介素6(interleukin-6,IL-6)等,促进纤维化进程。CFs的来源多样,DCM时,其来源主要包括固有成纤维细胞的募集[9],和内皮-间质转化(endothelial-mesenchymal transition,EndMT)。EndMT在糖尿病心肌纤维化中发挥着重要的作用,研究显示在DCM野生型大鼠模型中,心脏组织中能检测到EndMT来源的CFs数量快速增加,而纤维化不断进展;而阻断EndMT的发生,CFs的迅速增殖受到抑制,纤维化得到缓解[10-11]。

2 TRPM7概述

TRPM7是一种具有阳离子通道和蛋白激酶双重结构的膜蛋白,由6个跨膜的ɑ螺旋(S1～S6)亚基形成,其中C-末端和N-末端均在胞内,且C-末端胞内区有丝氨酸/苏氨酸激酶结构域,可使自身或底物磷酸化。TRPM7在体内参与多种病理生理过程,包括Ca2+、Mg2+等离子的转运与平衡[12-13],胚胎发育[14],心脑血管疾病的发生,糖尿病的进展[15],细胞凋亡的诱导以及肿瘤的发生发展[16]。生理状态下,TRPM7的表达水平受多种因素的影响,包括游离的二价阳离子如Ca2+、Mg2+的浓度,核苷酸镁盐(Mg2+-ATP)水平,4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol-4,5-diphosphate,PIP2)水平等。此外,pH值、卤化物的浓度等也可以调节TRPM7的活性。

3 TRPM7的病理作用

糖尿病心肌纤维化是DCM发展到一定阶段后发生的病理性重构,具体表现为心脏成纤维细胞快速增殖、ECM大量积聚、胶原蛋白成分改变,且随着纤维化的进展,心肌功能逐渐丧失,最终导致心力衰竭,甚至心脏死亡。糖尿病心肌纤维化的主要发生机制包括转化生长因子β1(transforming growth factor β1,TGF-β1)表达上调、肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)激活过度、Ca2+信号转导障碍和Mg2+代谢紊乱等。而TRPM7能够通过影响上述机制,调节纤维化的进程。

TRPM7能够通过影响TGF-β1的表达而干扰糖尿病心肌纤维化的进程。TGF-β1是糖尿病心肌病中重要的促纤维化因子,主要通过Smad依赖的信号通路发挥作用。当DCM时,持续性高血糖、胰岛素抵抗和高胰岛素血症等代谢紊乱,导致CFs的TGF-β1分泌增加[17],与Ⅰ型受体活化素连接激酶5(activin-like kinase 5,ALK5)的结合增加,促进下游的Smad2和Smad3的磷酸化,磷酸化产物与Smad4结合生成复合体进入细胞核,诱导成纤维细胞中α-SMA的转录[18];而负反馈调节通路中的Smad7则受到抑制,进一步减少对纤维化进程的削弱[19]。因此,在敲除TGF-β1基因的2型糖尿病小鼠中,可以观察到纤维化程度降低,心脏功能改善[20]。而TRPM7对TGF-β1导致的纤维化是必需的,TRPM7的表达可以增强CFs对TGF-β1诱导作用的敏感性,促使CFs向肌成纤维细胞分化,纤维化级联反应发生,这表明抑制TRPM7可能是减轻纤维化的有效方法[21]。研究显示,沉默TRPM7基因,可以明显抑制TGF-β1和下游p-Smad3的表达,并且同时增加Smad7的表达,纤维化进程受到抑制;而TGF-β1阻断剂能显著阻碍CFs中TRPM7的电流和蛋白表达。因此,TRPM7与TGF-β1/Smad通路之间发生正反馈,共同促进糖尿病心肌病患者的心脏纤维化进展[22]。而当DCM患者血糖控制不佳时,TRMP7的持续高表达, TGF-β1/Smad通路也一直处于上调状态,导致CFs过度增殖,纤维化不断进展,最终诱发心脏衰竭甚至死亡。

TRPM7能够通过参与神经内分泌系统的激活来干扰糖尿病心肌纤维化的进程。RAAS作为机体不可或缺的神经内分泌系统,对维持和改变心肌结构有着重要作用,而RAAS的激活是纤维化的重要病理作用机制[23]。高糖可以诱发RAAS激活,血管紧张素转换酶(angiotensin-converting enzyme,ACE)/ACE2比例失衡[24],血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)大量生成并累积,CFs迅速增殖,胶原合成与降解失衡,纤维化进展[25]。在DCM小鼠实验模型中,可检测到心肌AngⅡ水平的升高及纤维化的出现,而抑制RAAS的过度激活可以降低纤维化水平[26]。而AngⅡ与TRPM7之间的关系十分复杂。在高糖刺激下, AngⅡ分泌增加,下调TRPM7可以减弱AngⅡ诱导的CFs的增殖分化、ECM的增加,有助于缓解纤维化的损伤[27]。而TRPM7主要通过Smad信号通路进一步调节RAAS的活化,因此体外沉默TRPM7,可以观察到AngⅡ的含量降低,p-Smad2和胶原蛋白表达增加[28]。但是,过度抑制TRPM7并不会给RAAS过度激活的DCM患者带来更多的有益结果,研究显示在DCM小鼠模型中,AngⅡ持续高表达,敲除TRPM7基因后,纤维化作用反而明显加剧[29]。这表明在糖尿病心肌纤维化发展的过程中,TRPM7的作用可能有所不同,对AngⅡ的作用也有不同表现。同时,AngⅡ对TRPM7的调节作用也存在不同表现;在心室成纤维细胞中,AngⅡ的浓度增加可以诱导TRPM7的表达增加[30];而在AngⅡ灌注的心脏和主动脉中,TRPM7的表达反而降低[29]。因此,TRPM7和RASS系统之间的相互作用关系十分复杂,仍需进一步研究。而随着DCM进展,TRPM7表达异常,RAAS过度激活,AngⅡ持续性高水平,加剧了心肌组织的损伤,也加速纤维化的进展,心脏衰竭逐步形成。

TRPM7通过参与心脏的Ca2+信号转导来影响糖尿病心肌纤维化的进程。Ca2+作为第二信使,参与了细胞生长、增殖、基因表达和细胞凋亡,在维持CFs功能和纤维化过程中发挥着重要作用[31]。而慢性高血糖通过电子传递链生成过量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),导致CFs内质网损伤,Ca2+内流增加,细胞内钙稳态失调,从而导致Ⅰ型、Ⅲ型胶原组成比例增加,纤维化进展[32]。TRPM7通道是第一个在CFs上检测到的TRP家族通道,介导了心脏Ca2+内流,参与了CFs向肌成纤维细胞转化的过程;而TRPM7在纤维化过程中表达增加,进一步诱导了Ca2+内流增加[33];因此敲除TRPM7基因可以有效抑制心脏的Ca2+内流,缓解纤维化[21]。而在DCM大鼠模型中,可以发现CFs中的细胞内Ca2+升高,TRPM7表达呈时间依赖性升高,α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA) 表达显著增高,纤维化进展;而沉默TRPM7后,细胞内Ca2+水平降低至基础水平,α-SMA、纤维连接蛋白表达降低[30]。这表明,抑制TRPM7很可能是缓解糖尿病心肌纤维化的重要方法。此外,研究显示Ca2+内流主要通过钙调磷酸酶(calcineurin,CaN)信号通路发挥促作用, CaN信号通路激活后, T细胞核因子(nuclear factor of activating T cell,NFAT)进一步被诱导激活,引起下游细胞外信号调节激酶磷酸化(phospho-extracellular regulated protein kinases,P-ERK),发挥促纤维化作用。因此在DCM大鼠模型中,可以观察到CFs中的纤维连接蛋白、TGF-β1、Ⅰ型胶原表达明显升高,ERK磷酸化,纤维化明显;而沉默TRPM7能明显缓解心肌纤维化程度和ERK的激活。这表明TRPM7可能是通过促进Ca2+内流从而激活ERK,发挥促纤维化作用[34]。但是随着DCM患者血糖持续性偏高时,高水平的TRPM7表达致使Ca2+内流加剧,从而细胞内离子平衡进一步失调,心脏收缩舒张功能异常,信号传导异常,心脏衰竭加重。

TRPM7通过参与心脏的Mg2+代谢来影响糖尿病心肌纤维化的进程。Mg2+是人体细胞中主要的二价阳离子,影响钾离子和钙离子的转运,调控信号的传递,干扰催化酶的激活和抑制。DCM时,高胰岛素血症和胰岛素抵抗会使细胞摄取镁的能力下降,且肾脏排泄镁的能力升高,从而导致机体出现低镁血症。而Mg2+缺乏会影响与血管重塑,并促进纤维化[35],而细胞内Mg2+灌注治疗能有效改善CFs过度增殖带来的有害反应。TRPM7是调节CFs细胞内Mg2+稳态的关键因子,与纤维化密切相关。研究显示,在TRPM7缺乏的小鼠模型中,心血管炎症和纤维化明显[8]。这显示了TRPM7的激活可以增加Mg2+的内流,能有效预防纤维化的进展[36]。因此,TRPM7可能通过影响细胞内Mg2+水平来干扰炎症和纤维化反应。

4 总结展望

由于糖尿病心肌纤维化的发病机制复杂,临床上暂时还没有直接靶向CFs的有效药物。目前理论上,可以通过重新编码技术,直接作用于CFs,从基因层次诱导其向心肌细胞转变,从源头上直接抑制纤维化的进展。但是,由于技术不成熟或是成本过高等的原因,这项技术尚未进入临床治疗阶段。因而,采取创新策略及开发新型的针对CFs的药物与技术,对于改善糖尿病心肌病相关的病理性纤维化的治疗及预后有着重要的意义。

而TPMM7作为CFs的重要组成蛋白,可以通过影响TGF-β1表达、RAAS系统激活、心脏Ca2+信号转导和Mg2+代谢来影响CFs的增殖分化,影响纤维化进程。因此TRPM7可能是阻止糖尿病心肌纤维化进展的重要作用靶点。目前,TRPM7的抑制剂包括奎宁、2-氨基乙基二苯基硼酸盐、SKF-96365、鞘胺醇、CCT128930等[37],激动剂则有naltriben、mibefradil等,然而TRPM7在糖尿病心肌纤维化中的作用复杂,单纯地激动或者抑制TRPM7,可能无法带来足够的有益作用,因此TRPM7在纤维化的不同周期的不同作用,仍需进一步研究。此外,心脏是一个复杂的结构,纤维化是心肌细胞、内皮细胞、免疫细胞、成纤维细胞等共同参与的结果,也是各种细胞相互作用的结果,目前尚不清楚TRPM7在其中发挥的作用。因此,期待未来的研究能为TRPM7在纤维化中的作用提供更多的机制见解。