神经氨酸酶1在心血管疾病中的研究进展

王帅兵 刘江文 黄从新

(武汉大学人民医院心内科 武汉大学心血管病研究所 心血管病湖北省重点实验室,湖北 武汉430060)

神经氨酸酶(neuraminidase,NEU)又称唾液酸酶,通过识别糖蛋白或糖脂末端的α-糖苷键,并酶促去除唾液酸残基发挥作用。在哺乳动物中,迄今已鉴定出四种内源性NEU,分别为NEU1、NEU2、NEU3和NEU4。其中,NEU1与各种疾病的关系最为密切,因为它在哺乳动物中的含量最高[1]。在人类中,NEU1在胰腺中高度表达,其次是骨骼肌、肾脏、胎盘、心脏、肺和肝脏。NEU1与保护蛋白/组织蛋白酶A(protective protein/cathepsin A,PPCA)和β-半乳糖苷酶在溶酶体中形成多酶复合物以发挥其降解唾液酸的功能,当复合物解离时导致NEU1失活[2]。NEU1参与体内各种细胞代谢行为和信号传递的调节,并影响心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)、神经系统疾病、呼吸系统疾病和癌症等相关疾病的发展[3]。

尽管进行了几十年的基础和临床研究,CVD在全球范围内仍是主要的死亡原因,并极大地造成健康损失和经济负担[4]。据推算,中国CVD的现患人数为3.3亿,在人口老龄化和代谢危险因素持续流行的双重压力下,CVD的负担仍将持续增加[5]。CVD是一种损害心脏和血管的疾病的统称,包括动脉粥样硬化、缺血再灌注损伤、心力衰竭和心肌病等。传统药物治疗存在多靶点,易造成多器官损伤等副作用,及时了解疾病的特异性靶点,有针对性地在分子层面进行干预是预防与治疗CVD的重中之重。临床研究[6]显示,对于既往有CVD病史的流感患者,使用抗流感药物奥司他韦治疗后其心血管事件复发率显著低于未使用组。此外,国内外专家共识声明[7-8]均建议暴发性心肌炎患者应尽早接受NEU抑制剂等抗病毒治疗,以降低其死亡率并获得更好的预后。因此,作为治疗CVD的新兴靶点,NEU1与CVD的关系逐渐受到研究人员的重视。现对与NEU1密切相关的动脉粥样硬化、缺血再灌注损伤、心力衰竭和心肌病等CVD做一综述,以期对临床治疗CVD带来新的思路。

1 动脉粥样硬化

动脉内皮下脂质堆积在动脉粥样硬化病变发展过程中起着至关重要的作用。研究[9]表明,NEU1通过去除低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)的唾液酸残基并增加其被巨噬细胞吞噬是动脉粥样硬化的初始阶段,同时触发主动脉脂肪条纹的形成。因此,NEU1对LDL的去唾液酸化修饰被认为是致动脉粥样硬化的主要步骤[10]。在亚等位基因NEU1小鼠中,其NEU1表达水平和活性显著下降,通过稳定表达肝脏LDL受体蛋白来增强LDL的摄取,从而降低血清胆固醇水平,而使用辅助依赖性腺病毒逆转小鼠的亚等位基因NEU1活性,导致极低密度脂蛋白和甘油三酯转运蛋白的产生增加[11]。该研究强有力地支持了NEU1在脂蛋白的摄取和产生之间的中心作用。White等[12]进一步研究发现,与雄性载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)基因敲除(Apoe-/-)小鼠相比,特异性低表达NEU1的Apoe-/-(Neu1hypoApoe-/-)小鼠可降低血清极低密度脂蛋白和LDL胆固醇水平,从而减少炎症细胞的浸润,并显著减少动脉粥样硬化病变面积。与该结果一致的是,给予NEU抑制剂2-脱氧-2,3-二脱氢-N-乙酰神经氨酸(2-deoxy-2,3-didehydro-N-acetylneuraminic acid,DANA)对Apoe-/-小鼠有显著的抗动脉粥样硬化作用。

炎症反应在动脉粥样硬化中起着重要作用。在动脉粥样硬化斑块中,炎症因子脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS)和白细胞介素(interleukin,IL)-1β诱导单核细胞和巨噬细胞表达NEU1,随后上调的NEU1增强CD80、肿瘤坏死因子-α、IL-1β的释放,同时促进单核/巨噬细胞的促炎和活化表型来增强其吞噬和迁移能力。更重要的是,单核/巨噬细胞中的LPS、NEU1和IL-1β作为正反馈回路中的炎症增强因子,进一步促进动脉粥样硬化的病变发展并增加斑块的不稳定性[13]。此外,修饰的LDL也具有促炎特性,易于聚集和形成复合物,进一步增加其致动脉粥样硬化性[14]。由NEU1介导的从白细胞β2整合素或内皮细胞细胞间黏附分子-1中去唾液酸化,已被证明可增强白细胞与内皮细胞之间的相互作用,从而促进白细胞募集导致动脉粥样硬化的血管炎症[15]。鉴于以上背景,White等[12]继续探讨NEU1对炎症的影响,研究发现与Apoe-/-小鼠相比,Neu1hypoApoe-/-小鼠在主动脉根部显示更少的巨噬细胞、T细胞和平滑肌细胞,这意味着斑块内的炎症程度和细胞募集程度降低。

此外,随着年龄的增长,在细胞外基质重塑过程中所释放的弹性蛋白肽(elastin-derived peptides,EDP)可促进动脉粥样硬化的进展,而由弹性蛋白结合蛋白、PPCA和NEU1组成的弹性蛋白受体复合物(elastin receptor complex,ERC)参与内源性EDP的反应。Gayral等[16]报道了EDP通过NEU1/PI3Kγ信号通路途径诱导单核细胞迁移和活性氧产生来加重动脉粥样硬化。因此,给予V14肽或NEU抑制剂DANA可有效阻断EDP与ERC之间的相互作用,同时改善CD36的唾液酸化水平并减少巨噬细胞对氧化型LDL的摄取,最终降低EDP的致动脉粥样硬化作用[17]。更重要的是,V14肽与DANA还可阻断EDP与ERC结合后由NEU1介导的单核细胞β2整合素和内皮细胞细胞间黏附分子-1的去唾液酸化,减弱单核细胞向炎症部位的募集及其跨内皮迁移能力[18]。

2 缺血再灌注损伤

炎症已被确定为缺血再灌注损伤后决定心脏重构及其预后的关键因素之一[19-20]。细胞中过表达NEU1通过增强单核细胞和巨噬细胞的促炎状态来促进肿瘤坏死因子-α、IL-1、IL-6等炎症因子的释放[13,21],从而诱导或加剧缺血性心肌损伤。Heimerl等[22]报道缺血再灌注诱导后,小鼠左心室NEU活性上调,这与可导致心肌肥厚和心功能不全的多酶复合物水平升高有关。而亚等位基因NEU1小鼠由于NEU1活性较低,促炎性单核细胞转变为抗炎性巨噬细胞,因此其左心室功能得以改善。此外,沉默NEU1同样可减少炎症细胞的积聚,抵抗由异丙肾上腺素诱导的缺血性心肌损伤[23]。

线粒体功能障碍和结构变化与缺血性心肌损伤的发生发展密切相关[24]。有研究[25]已证实,急性心肌梗死患者的血清NEU1水平明显升高。在大鼠心脏中,缺血再灌注诱导后沉默信息调节因子1(sirtuin 1,SIRT1)与过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ co-activator 1α,PGC-1α)的表达下调,表现为活性氧的产生增加和线粒体功能障碍[26]。进一步的实验发现,心肌细胞特异性NEU1缺乏通过SIRT1/PGC-1α轴改善小鼠心肌梗死后的线粒体能量代谢和氧化应激,进而改善心肌重构并恢复心脏功能,提高其存活率。与此相反,抑制SIRT1或PGC-1α的活性可消除心肌细胞特异性NEU1缺乏所产生的有益影响[27]。

此外,急性冠脉综合征患者血浆中NEU1下游代谢产物N-乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminic acid,Neu5Ac)的水平明显升高,与冠状动脉的病变程度密切相关,可预测急性冠脉综合征患者接受经皮冠状动脉介入治疗后主要不良心血管事件的发生概率[28]。Zhang等[23]通过功能代谢组学研究进一步确定了Neu5Ac在急性心肌梗死中的关键作用。Neu5Ac通过特异性结合RhoA和Cdc42并激活Rho/ROCK-JNK/ERK信号通路,从而在体外和体内引发心肌损伤。而在冠状动脉结扎和异丙肾上腺素诱导的大鼠心肌缺血模型中,沉默NEU1显著降低血清Neu5Ac水平,同时有效改善氧糖剥夺诱导的心肌细胞缺血性损伤。有趣的是,抗流感药物奥司他韦可通过提高心肌代谢活性与抑制细胞凋亡来保护心肌细胞免受缺血性损伤[10]。

3 心力衰竭

尽管病理性肥厚最初是由心室向心性生长所诱导的一种代偿反应,但长期的心肌细胞延长、收缩功能障碍可导致心腔扩张和室壁变薄[29]。上述骨髓移植实验[22]证明,NEU1上调后通过促进侵入的单核/巨噬细胞的炎症、增强心肌细胞肥大、削弱缝隙连接功能,导致心力衰竭的发展。因此,尽早地抑制这种心肌肥厚有助于防止其转变为心力衰竭[30]。Chen等[31]研究发现在肥厚型心肌病患者以及小鼠和大鼠的肥厚心脏模型中NEU1水平明显升高,而心肌细胞特异性 NEU1缺乏可减轻横向主动脉缩窄或盐酸异丙肾上腺素输注引起的肥大效应。在机制上,NEU1扩散至细胞核并与转录因子GATA4相互作用,导致胎儿基因(Nppa和Nppb)的产生,从而导致心肌肥厚。而对人NEU1具有高亲和力的新型化合物C-09,可有效地阻止细胞和动物模型中心脏重构的发展。

越来越多的证据[32-33]表明异常的唾液酸化是心力衰竭的一个重要因素。基于以上背景,Li等[34]报道心力衰竭患者血浆Neu5Ac水平升高与心血管死亡及心脏移植事件等不良临床结局风险的增加之间具有显著相关性。而奥司他韦对异丙肾上腺素和血管紧张素Ⅱ所诱导的小鼠心力衰竭模型可显著抑制其去唾液酸化,降低血浆Neu5Ac水平,并改善小鼠心脏功能[15]。为验证NEU1抑制剂在上述动物模型中所获得的结果,由388例患者参与的第一项随机、开放标签、空白对照临床试验(NCT05008679,中国武汉)已启动,以确定奥司他韦对慢性心力衰竭患者血清Neu5Ac水平的影响,并对其治疗效果进行临床评估。

4 心肌病

蒽环类药物多柔比星(doxorubicin,DOX)是治疗肺癌、乳腺癌、白血病等多种癌症最常见和最有效的化疗药物之一。然而,大量研究[35-37]证实DOX累积剂量过高会导致不可逆性心肌病和心力衰竭,使其临床应用受到限制。线粒体功能障碍被认为是DOX诱导的心脏毒性并最终导致心力衰竭的关键因素[38]。NEU1通过促进线粒体动力蛋白相关蛋白1介导的线粒体分裂和PINK1/Parkin信号通路介导的线粒体自噬来促进DOX诱导的心脏毒性。因此,NEU1抑制剂奥司他韦和线粒体动力蛋白相关蛋白1抑制剂Mdivi-1表现出协同作用,通过降低促凋亡蛋白Bax和Bad的表达,促进抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,以及减少胱天蛋白酶-3和胱天蛋白酶-9的释放,显著抑制心肌细胞的凋亡,从而有效地改善DOX诱导的心脏功能障碍[39]。

作为糖尿病患者心力衰竭的主要原因之一,糖尿病心肌病可引起心肌肥厚和舒张/收缩功能障碍[40]。氧化应激和炎症反应在糖尿病心肌病的发展中起着关键作用[41-42]。Guo等[43]进一步研究发现NEU1在链脲佐菌素诱导的糖尿病心肌病小鼠模型或高糖刺激的心肌细胞中显著上调,并通过抑制AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和沉默信息调节因子3(sirtuin 3,SIRT3)的活性及表达水平来促进随后的氧化应激、炎症反应、纤维化和细胞凋亡,从而引起心脏功能障碍。而沉默NEU1则可通过AMPK/SIRT3信号通路抑制活性氧产生和炎症反应,从而改善心脏重构,并减轻由链脲佐菌素诱导的糖尿病心肌病。

5 总结与展望

综上所述,NEU1在动脉粥样硬化、缺血再灌注损伤、心力衰竭和心肌病等CVD的发生发展中起着至关重要的作用。同时越来越多的研究证明抑制NEU1具有有效的心肌保护作用,这使其应用于临床防治CVD成为可能。鉴于在该领域进行的研究数量较为有限,有理由认为NEU1在CVD进展中的更多机制仍有待发现。此外,目前临床上的NEU1抑制剂仅有用于抗流感病毒的奥司他韦和扎那米韦等,但其应用于CVD是否获益仍需进一步研究。因此有必要进行更多的研究和大型临床试验来证明NEU1抑制剂在CVD治疗中的有效性和安全性,从而为CVD的治疗提供新的见解和思路。