成纤维细胞生长因子21在冠心病中的研究进展

黄欣瑶综述 韩红彦审校

冠状动脉粥样硬化性心脏病是全球心血管疾病患者死亡的主要原因之一,其发病率及病死率已严重威胁人类健康。临床诊断冠心病主要依赖于冠状动脉造影术,不少患者因规避该项有创操作而错失早期干预时机,导致心血管不良事件发生。寻找早期诊断冠心病的生物标志物对改善该类患者预后十分必要,其中成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)21 作为糖脂代谢调节的关键分子,已被证实与诸多心血管疾病相关,并有望成为冠心病预测、诊断及预后评估的生物标志物。

1 FGF21概述

FGF21是激素FGF亚家族的成员之一,主要在肝脏、胰腺、脂肪组织、中枢神经组织中表达。新近研究表明,FGF21可作为心肌细胞的自分泌因子。人类FGF21由210个氨基酸残基组成,其中包括13个N端和40个C端残基;N端和C端分别与成纤维细胞生长因子受体(FGFR)和辅助受体β-Klotho蛋白结合,三者形成稳定复合体后激活下游丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)信号通路[1-2]。FGF21无法在β-Klotho蛋白缺失的状态下发挥生物学效应,故β-Klotho蛋白在机体中的表达差异可能决定了FGF21的选择性代谢效应[3]。FGF21表达主要受核受体过氧化物酶体增殖激活物受体α(peroxisome proliferator-activated receptor α, PPARα)和PPARγ 调节。代谢饥饿状态下,PPARα能够上调FGF21启动子中的PPRE转录应答原件表达,从而诱导FGF21转录。进食后,PPARγ刺激脂肪细胞分泌FGF-21,促进葡萄糖摄取及利用[4]。

2 FGF21与冠心病高危因素之间的关系

2.1 FGF21降低血糖并改善胰岛素敏感性 FGF21通过胰岛素非依赖的方式上调葡萄糖转运子1(GLUT1)表达,刺激脂肪细胞摄取葡萄糖,进而降低血糖水平[5]。重要的是,上述过程并不会引起低血糖反应和肥胖。后续研究显示,单次注射FGF21可显著降低肥胖小鼠的体质量,改善葡萄糖耐量及胰岛素敏感性。这种急性降糖及胰岛素增敏作用与其在肝脏和脂肪组织中的代谢相关[6]。FGF21抑制肝癌细胞释放葡萄糖的同时增加肝糖原的含量,并诱导脂联素(一种具有胰岛素增敏作用的脂肪因子)合成[7]。

2.2 FGF21调节脂质代谢 研究表明,与FGF21转基因小鼠相比,小鼠敲除FGF21后脂肪细胞肥大,脂质代谢严重紊乱,而前者对体质量增加和脂肪累积具有较强的抵抗力。FGF21降低脂质的机制包括:(1)抑制胆固醇合成中的胆固醇调控元件结合蛋白-2;(2)抑制低密度脂蛋白受体降解,从而促进低密度脂蛋白受体对低密度脂蛋白摄取及转化;(3)增强胆固醇从巨噬细胞流出至高密度脂蛋白及载脂蛋白A-I,减少泡沫细胞形成[8-9]。

2.3 FGF21拮抗高血压及其诱导的内皮损伤 FGF21敲除小鼠血管紧张素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ,AngⅡ)给药1周后观察到其比对照组显示出更严重的高血压性心脏病,主要表现为广泛的心功能障碍和心肌纤维化。经FGF21补充治疗,AngⅡ诱导的主动脉壁肥厚和血管炎性反应显著改善,纤维化标志物(胶原-Ⅰ、胶原-Ⅲ和纤维连接蛋白)表达降低[10]。上述变化提示FGF21可拮抗AngⅡ诱导的高血压及相关血管内皮损伤。后续实验表明FGF21诱导脂肪细胞和肾细胞生成血管紧张素转换酶2(angiotensin-converting enzyme 2,ACE2)[10-11]。ACE2是肾素血管紧张素系统(renin angiotensin aldosterone system,RAS)的关键调控因子,可促进Ang-Ⅱ转化为有益肽Ang(1-7),拮抗高血压导致的内皮损伤。此外,FGF受体及β-Klotho蛋白在压力感受性反射传入通路的结节神经节和孤束核中显著表达。研究显示,FGF21给药可改善高血压大鼠的收缩压和压力反射敏感性。这一作用可能是FGF21穿过血脑屏障与FGF受体及β-Klotho蛋白结合后,进一步激活苏氨酸蛋白激酶—内皮型一氧化氮合酶(Akt-eNOS-NO)途径的结果[12],见图1。

注:FGF21通过上调GLUT1促进脂肪细胞摄取葡萄糖,调节脂质代谢避免LDL-C在内皮细胞沉积,促进脂肪细胞及肾细胞生成ACE2拮抗高血压所致内皮损伤,以预防动脉粥样硬化。

3 FGF21在冠心病中的作用

3.1 FGF21拮抗动脉粥样硬化的机制

3.1.1 FGF21促进脂联素的合成和分泌:脂联素为FGF21下游效应因子,在FGF21发挥生物学效应的过程中充当强制性介质[7]。研究显示,经FGF21处理后脂联素分泌显著升高,且呈时间依赖性,脂联素信使RNA表达从FGF21治疗6 h后逐渐增加。脉冲追踪试验显示FGF21给药可显著提高脂联素分泌率[13]。脂联素本质是一种脂肪因子,对机体代谢与心血管系统具有诸多有益作用。脂联素可直接作用于心肌细胞,减轻缺血损伤诱导的心肌肥厚和收缩功能障碍[14]。此外,脂联素可同时激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和环氧化酶-2(COX-2)通路,产生一氧化氮,实现抗炎及保护血管内皮的作用。平滑肌细胞增殖和迁移、巨噬细胞浸润、泡沫细胞形成等动脉粥样硬化过程中的关键细胞活动在FGF21—脂联素轴的作用下均被直接抑制[13]。小鼠敲除脂联素后可观察到FGF21对血糖、三酰甘油、胰岛素抵抗的改善作用明显衰减。这一现象也证实了脂联素作为FGF21效应因子的重要性。

3.1.2 FGF21拮抗氧化应激:氧化应激诱导的内皮损伤被认为是动脉粥样硬化发生发展过程中的重要机制。大量证据显示,FGF21可作为一种新型应激调节因子。内皮细胞经氧化低密度脂蛋白处理后,FGF21mRNA表达和蛋白浓度增加。将乙醇处理后的人肝癌细胞暴露在重组FGF21下,氧化应激产生的活性氧水平显著降低[15]。参与内质网应激的激活转录因子4(activating transcription factor 4,ATF4)可激活FGF21基因启动子中的氨基酸响应元件(amino acid response element),这表明FGF21是内质网应激传导的靶基因,氧化应激可诱导FGF21表达[1]。值得注意的是,FGF21被诱导后能够反向抑制氧化应激,阻止动脉粥样硬化进展。FGF21拮抗氧化应激的机制可能包括以下三个方面(见图2):(1)FGF21以自分泌的方式调节解偶联蛋白-2(uncoupling protein 2,UCP2)、UCP3和超氧化物歧化酶-2(superoxide dismutase,SOD2)等抗氧化基因的表达,解偶联蛋白家族活化后可使机体免受活性氧损伤;(2)FGF21激活MAPK信号通路,拮抗氧化应激诱导的细胞凋亡;(3)FGF21可激活沉默信息调节因子1(silent information regulator 1,SIRT1),通过脱去乙酰基过氧化物酶减轻内质网应激和炎性反应损伤[16-17]。

注:A.促进脂联素转录和分泌;B. 抑制细胞焦亡关键蛋白NLRP3、caspase-1表达;C. 激活SIRT1 通路、活化UCP2、UCP3、SOD2等抗氧化基因表达以拮抗氧化应激;D. 减轻炎性反应:阻止内皮细胞NF-κB的核输入。

3.1.3 FGF21减轻炎性反应:动脉粥样硬化本质是一种慢性炎性反应疾病,控制炎性反应对遏制动脉粥样硬化发展尤为重要。对动脉粥样硬化大鼠FGF21给药后,血管内白细胞浸润和脂质积累改善,斑块内巨噬细胞数量减少。阻止血管内皮细胞中NF-κB的核输入是FGF-21下调炎性基因表达的关键点[18]。NF-κB在炎性反应中诱导促炎性转录因子活化,这一步骤被认为是动脉粥样硬化中黏附分子和趋化因子组成性表达的潜在分子机制。此外,FGF21可抑制细胞焦亡(一种细胞死亡类型)过程中的关键蛋白表达,如天冬氨酸蛋白水解酶-1(caspase-1)、NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)[19]。NLRP3炎性小体在该过程中激活caspase-1,促进白介素-1β(IL-1β)成熟,进而诱导炎性反应,甚至细胞死亡[20]。

3.2 FGF21作为冠心病的新型生物标志物 FGF21近年来被认为是心力衰竭、糖尿病性心肌病等心血管疾病的候选生物标志物[21-22],并有大量证据显示FGF21水平与动脉粥样硬化及冠心病密切相关。相较于其他标志物,FGF21不仅能够提供心血管疾病信息,还可反映机体代谢状态,由此可进一步评估冠心病高危因素并早期管理。此外,FGF21水平反映全身炎性反应及氧化应激状态,与冠心病发生发展,乃至预后紧密相关[4]。通过监测其水平的动态变化,可提示冠状动脉疾病的发生以及冠状动脉血管病变的严重程度,对临床治疗有重要指导意义。

研究显示,冠心病患者的FGF21水平与Gensini评分呈正相关,这一趋势在合并糖尿病患者中更加明显[23]。值得注意的是,关于冠心病患者的FGF21水平高低这一问题尚存在不同观点。陈海峰等[24]对232例冠心病患者的血清FGF21水平进行检测,结果显示冠心病患者FGF21水平降低,其中,冠状动脉病变严重者FGF21浓度更低,两者呈负相关。

研究显示,TNF-α、IL-1β等促炎细胞因子可直接抑制β-Klotho转录,导致FGF21促进葡萄糖摄取的有益作用减弱;且β-Klotho表达降低与小鼠肥胖的严重程度密切相关。在细胞应激条件下,肥胖患者的多个组织可同时诱导FGF21;FGF21水平升高可认为是一种病理应激反应,或是由于FGF21信号传导受损而产生的抵抗现象[25-26]。上述结果表明,炎性反应及细胞应激可抑制β-Klotho表达,使得FGF21的生物学信号受损,且炎性反应与应激程度越重,对FGF21信号通路损伤越大[27-28]。因此,上述研究结果存在分歧的原因可能在于冠心病患者的血管病变程度不同,尚需进一步研究FGF21在冠状动脉不同狭窄程度中的表达,以确定FGF21是否具有识别冠心病患者血管病变程度的潜力(见表1)。

表1 FGF21与冠心病相关的临床证据

4 FGF21是动脉粥样硬化及冠心病的潜在治疗靶点

尽管近年来用于治疗动脉粥样硬化性疾病的药物越来越多,但其全球发病率和病死率仍居高位。因此,迫切需要新的治疗靶点对该类疾病进行防治。FGF21可改变脂蛋白谱,这在动脉粥样硬化的始动环节起关键作用[28]。颈动脉粥样硬化大鼠予以FGF21治疗后,斑块单位面积显著降低,伴随颈动脉新生内膜形成。与对照组或接受阿托伐他汀治疗组相比,FGF21治疗大鼠受损颈动脉内皮舒张功能增强,新生内膜形成更加明显。FGF21治疗的血管益处在心肌梗死小鼠模型中同样适用;左前降支结扎小鼠予以FGF21治疗后可见左心室收缩功能改善,梗死边缘区毛细血管密度增加,远端区心肌细胞凋亡减少[29]。

FGF21经PPAR诱导后调节全身糖脂代谢,因此可以认为PPAR激动剂的降糖、胰岛素增敏和调脂作用部分由FGF21介导。非诺贝特是临床治疗糖尿病合并高脂血症的常见PPARα激动剂;研究显示,接受非诺贝特治疗的糖尿病患者在5年随访时间中总心血管疾病事件及次要终点(冠心病事件、总卒中、心血管疾病死亡率及冠状动脉血运重建)降低,提示FGF21可能是未来治疗冠心病的潜在有效靶点[30-31]。近年来FGF21类似物在2型糖尿病、非酒精性脂肪肝、高脂血症等患者中陆续开展了一系列临床试验,但针对冠心病的临床应用少有报道,其作用疗效尚需进一步观察。

5 结论与展望

FGF21是糖脂代谢循环中的重要调控因子,显著影响动脉粥样硬化及冠心病的发生、发展过程,亦可能成为冠心病的候选生物标志物及潜在治疗靶点。但尚存在部分混杂变量使得FGF21与冠心病之间的关系复杂化,需进一步评估FGF21在不同冠状动脉病变中的表达,以确定FGF21作为冠心病生物标志物的临床意义。