细胞表型转化在心血管疾病发生发展中的作用机制

赵国军, 侯连杰,2

1.广州医科大学附属第六医院清远市人民医院,广东清远 511518;2.广州华立科技职业学院,广东广州 511325

心血管疾病是全球居民死亡和残疾的主要原因,占所有死亡人数30%以上[1]。权威统计数据表明,1990—2019年全球心血管疾病死亡人数增加了41%,且心血管疾病相关医疗负担越来越重[2]。虽然前期研究已开发了许多药物(如血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素受体阻滞剂和他汀类药物等)和治疗方法(如冠状动脉旁路和经皮冠状动脉介入等),但心血管疾病的致死致残率仍居高不下,因此,迫切需要鉴定和验证心血管疾病的新型治疗靶标并开发相关疗法。

细胞表型转化是某种细胞在环境改变时失去其特定的表型特征而获得另一种表型特征的生物学过程。越来越多研究表明,细胞表型转化在真核生物发育过程中发挥重要调控作用,其功能障碍可能与多种疾病的相关机制有关[3]。本文重点介绍了巨噬细胞极化、血管平滑肌细胞表型转化和内皮间充质转化在心血管疾病发生发展中的潜在功能,以期为细胞表型转化在心血管疾病中的治疗应用指明方向。

1 巨噬细胞极化与心血管疾病

巨噬细胞是人体主要的免疫细胞之一,通过抗原呈递、极化和吞噬作用调节炎症和清除感染,参与免疫和炎症修复的生理和病理过程。巨噬细胞极化是指巨噬细胞通过适应周围环境而改变表型并表现出不同功能的过程。活化的巨噬细胞通常分为M1巨噬细胞和M2巨噬细胞两类[4]。M1巨噬细胞被多种因子激活,包括γ干扰素和脂多糖,并产生和分泌促炎细胞因子,如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白细胞介素(interleukin,IL)-1β和IL-6,以及一氧化氮和活性氧。在功能上,M1巨噬细胞通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶复合物参与病原体的清除并诱导组织损伤,从而产生活性氧[5]。相反,M2巨噬细胞的主要功能是抑制炎症、清除细胞碎片和凋亡细胞,促进组织修复和纤维化[6]。在IL-4和IL-13的激活下,巨噬细胞分泌IL-10和TNF-β等抗炎因子,表达C-C趋化因子配体(C-C motif chemokine ligand,CCL)17、CCL22和CCL24等趋化因子,从而启动功能性抗炎调节机制,对抗M1巨噬细胞引起的慢性炎症反应[7]。

代谢重塑是巨噬细胞极化及其效应功能的核心[8]。在M1巨噬细胞中,糖酵解上调,线粒体氧化磷酸化被抑制。从机制上讲,糖酵解是M1巨噬细胞快速产生ATP的途径,而且糖酵解也提供了必要的代谢物,以支持增强的生物合成需求[9]。相反,M2巨噬细胞主要通过氧化磷酸化产生ATP,同时降低糖酵解相关酶活性[9]。此外,巨噬细胞的胞葬吞噬物可为线粒体呼吸提供燃料,维持NADH/NAD+氧化还原状态,从而驱动M2巨噬细胞极化[10]。

巨噬细胞表型转化参与心肌损伤中炎症的发生、进展和消退。在心肌再灌注的早期阶段,M1巨噬细胞被认为通过产生炎症介质、活性氧和蛋白酶引起心肌损伤[11]。相反,在晚期阶段,M2巨噬细胞通过IL-10的分泌减少炎症,并启动细胞外基质重塑和血管生成[12]。Rondeaux等[13]研究发现,GSK-343抑制血管生长因子A和干扰素调节因子4等基因组蛋白H3赖氨酸27三甲基化,上调M2巨噬细胞分化和功能所必需基因的表达,从而加速心肌梗死区域炎症的消退并改善心脏功能。分析心肌梗死小鼠心脏巨噬细胞转录组信息发现,在心肌梗死后早期(第0天和第1天),在巨噬细胞中编码糖酵解酶的基因(M1型)被上调;相反,在心肌梗死后的后期(第3天至第7天),线粒体氧化磷酸化相关基因(M2型)上调[9]。此外,在心肌梗死大鼠模型中发现,抑制巨噬细胞糖酵解过程可改善炎症并改善心功能[14]。总之,这些结果说明巨噬细胞极化与心肌梗死后心脏损伤修复和功能恢复密切相关。

研究表明,在动脉粥样硬化病变早期以M2巨噬细胞为主,M2巨噬细胞通过分泌胶原蛋白和增强凋亡细胞的清除来促进斑块的稳定。然而,随着病变进展,M2巨噬细胞数量减少,M1巨噬细胞数量逐渐增加,促炎因子分泌增加,导致斑块破裂。胆固醇转运相关蛋白ATP结合盒转运子A1(ATP-binding cassette A1,ABCA1)表达减少,导致胆固醇外排受阻。由此产生的胆固醇积累进一步促进巨噬细胞活化和M1极化,形成恶性循环。此外,M1巨噬细胞可分泌基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP),如MMP-2和MMP-9,引起斑块内细胞外基质降解,导致斑块不稳定和破裂,增加急性心血管事件的发生率[15]。

2 血管平滑肌细胞表型转化与心血管疾病

血管平滑肌细胞是动脉血管壁上的主要细胞类型,具有收缩表型;在生理条件下维持正常的血管结构和功能,在应激或血管损伤的情况下平滑肌细胞由收缩表型转化为合成表型,以获得组织修复的细胞增殖、迁移和合成能力。随着单细胞测序技术和细胞谱系追踪技术的发展,发现血管平滑肌细胞有多种不同的亚型,如巨噬细胞样血管平滑肌细胞、成骨样血管平滑肌细胞和成纤维细胞样血管平滑肌细胞[16]。血管平滑肌细胞表型转化失衡与动脉粥样硬化、主动脉瘤和血管钙化等多种心血管疾病发生密切相关。

巨噬细胞样血管平滑肌细胞具有与巨噬细胞相似的表面标记物和功能,如先天免疫信号、吞噬和胞葬[17]。动脉粥样硬化中血管平滑肌细胞的吞噬作用依赖于其巨噬细胞样表型,因此高水平的氧化型低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)和胆固醇是驱动巨噬细胞样血管平滑肌细胞的主要代谢因素[18]。遗传谱系追踪研究表明,人和小鼠动脉粥样硬化斑块中约30%的泡沫细胞来源于血管平滑肌细胞[18]。胆固醇处理诱导小鼠主动脉血管平滑肌细胞获得巨噬样细胞表型,并发生泡沫化,抑制小鼠血管平滑肌细胞的巨噬样表型转化,能够显著减少小鼠动脉粥样硬化斑块泡沫细胞数量并增加纤维帽厚度,增强斑块稳定性[19]。此外,小鼠血管平滑肌细胞肝激酶B1敲除显著加剧小鼠动脉粥样硬化发生,从机制上讲,肝激酶B1通过与SIRT6结合将其磷酸化,SIRT6促进ox-LDL受体基因组蛋白去乙酰化,抑制ox-LDL受体表达,最终导致血管平滑肌细胞转换为具有吞噬能力的巨噬细胞样泡沫细胞[20]。李双等[21]研究发现,褪黑素可抑制血管平滑肌细胞巨噬样表型转化,提示褪黑素可能通过调控血管平滑肌细胞巨噬样表型转化影响动脉粥样硬化进展。

血管钙化是老年人和慢性肾脏疾病人群的常见症状,可导致晚期动脉硬度增加、弹性受损和顺应性不足。血管钙化可以看作是一个成骨过程,血管细胞中成骨基因的激活起着关键作用。研究指出,血管平滑肌细胞向成骨表型转化是血管钙化的主要原因[22]。在向成骨表型转化的过程中,收缩标志物下调,成骨标志物如Ⅰ型胶原α1、Ⅱ型胶原、BMP2和碱性磷酸酶表达增加[23]。与不吸烟者相比,吸烟者颈动脉斑块中钙化更常见,体外研究表明,尼古丁增加成骨基因表达,从而诱导人类原发性血管平滑肌细胞钙化[24]。对高胆固醇饮食诱导的动脉粥样硬化ApoE缺陷(ApoE-/-)小鼠主动脉来源的CD45-细胞进行单细胞测序显示,生长分化因子-10介导血管平滑肌细胞成骨转化,不利于动脉粥样硬化斑块的稳定[25]。

成纤维细胞样血管平滑肌细胞的独特标记包括成纤维细胞标记lumican、biglycan和decorin[26]。成纤维细胞样血管平滑肌细胞主要具有3个功能:合成细胞外基质、增强细胞-基质黏附和促进细胞增殖。成纤维细胞样血管平滑肌细胞转化与动脉纤维化相关,导致动脉僵硬度增加[27]。在人类不稳定斑块中发现大脑和肌肉芳香烃受体核转运蛋白样蛋白1(brain and muscle arnt-like protein-1,BMAL1)水平较高,并伴有成纤维细胞标记物人成纤维细胞特异蛋白1(fibroblast specific protein1,FSP1)升高;BMAL1过表达通过上调YAP1的转录表达促进血管平滑肌细胞向成纤维细胞样细胞的转化[28]。

细胞间信号传递也影响血管平滑肌表型转化。巨噬细胞产生的分泌蛋白LGMN已被证明通过降解细胞外基质诱导胸主动脉夹层的发生。机制研究表明,LGMN通过结合并阻断血管平滑肌细胞中的整合素αvβ3,减弱Rho GTPase的激活,从而导致血管平滑肌细胞由收缩表型转化为合成表型,加剧胸主动脉夹层的发生[29]。合成型血管平滑肌细胞的产生需要增加合成代谢和分解代谢率来支持大分子的产生和能量产生,表现为参与厌氧糖酵解相关基因表达的增加,包括葡萄糖转运蛋白4、己糖激酶和乳酸脱氢酶;与氧化磷酸化相比,糖酵解支持更快地生成ATP;此外,糖酵解也提供了氨基酸合成所需的中间体3-磷酸甘油酸。另有研究发现,蛋白精氨酸甲基转移酶也与血管平滑肌细胞从收缩状态到合成状态的表型转化有关,具体而言,蛋白精氨酸甲基转移酶5通过促进组蛋白精氨酸二甲基化,减弱组蛋白乙酰化,抑制血清反应因子/心肌蛋白复合物募集到血管平滑肌标记基因启动子区域,进而降低血管平滑肌标志基因的表达[30]。邓洁锋等[31]研究也发现主动脉夹层病变过程中ADAM8表达上调,在巨噬细胞过表达ADAM8后,可诱导血管平滑肌细胞分化为合成表型,提示其在主动脉夹层中的潜在作用。

3 内皮间充质转化与心血管疾病

内皮细胞是心脏、血管、淋巴管的主要组成部分,在调节心血管系统的生理功能方面起着重要作用,内皮功能障碍与多种急慢性心血管疾病有关[32]。内皮间充质转化是一种特殊类型的上皮间充质转化,可调节内皮细胞向间充质细胞的转化,同时伴有各种转录因子和细胞因子的表达变化,与心肌纤维化和动脉粥样硬化等密切相关。

内皮细胞还是抵抗动脉粥样硬化的第一道防线,并在剪切应力和炎症刺激下激活转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)信号[33]。使用Cdh5-CreER或Tal1-CreER谱系追踪研究表明,内皮间充质转化在与斑块不稳定相关的动脉粥样硬化病变中很常见[34],动脉粥样硬化斑块中内皮间充质转化导致纤维连接蛋白沉积增加和新内膜形成。患者冠状动脉粥样硬化的程度与内皮间充质转化和内皮TGF-β信号的激活程度密切相关。虽然均匀的层流剪切应力抑制内皮间充质转化,但暴露于受干扰剪切应力的内皮细胞会发生内皮间充质转化并加速动脉粥样硬化进展[35]。DNA甲基转移酶1抑制剂5-Aza可以抑制剪切应力诱导的内皮间充质转化,内皮细胞特异性敲除该基因可缓解动脉粥样硬化,提示该酶是调节内皮间充质转化的关键表观遗传因子之一[36]。这些研究为内皮间充质转化在动脉粥样硬化进展中的作用提供了机制见解,表明内皮间充质转化在受干扰的剪切应力和炎症之间起着联系,组织重塑促进斑块形成。

谱系追踪研究发现,心肌成纤维细胞、内皮细胞、心外膜细胞和巨噬细胞是促成心肌梗死后瘢痕组织形成的主要细胞来源[37]。然而,这些来源在多大程度上导致心脏纤维化仍有争议[38]。在健康成人心脏中,内皮细胞是表型稳定的,心肌梗死后,心内膜细胞可通过内皮间充质转化生成成纤维细胞。通过内皮细胞特异性Tie-Cre系追踪升主动脉缩窄动物模型中的所有内皮细胞,发现心脏损伤后,大量Tie-Cre标记的细胞也表达成纤维细胞标记物FSP1,表明这些细胞经历了内皮间充质转化;该研究估计损伤心脏中27%～35%的成纤维细胞来源于内皮细胞[39]。在机制上,受损心脏中30%的内皮细胞表达pSMAD2和/或pSMAD3,进而激活TGF-β信号通路,启动内皮间充质转化程序[39]。此外,TGF-β拮抗剂BMP-7可显著抑制内皮间充质转化介导心脏纤维化的进展[40]。

4 结语与展望

心肌梗死、脑梗死、外周动脉疾病等大血管并发症仍然是全世界患者死亡的主要原因,动态可逆的细胞表型转化将是心血管疾病有潜力的治疗干预手段;虽然当前人们对心血管健康的认识与理解已经有很大的进步,但仍然远远不能满足人们预防与治疗心血管疾病的实际需要。本文总结了细胞表型转化在心血管疾病中的潜在功能,未来对细胞表型转化机制的深入研究将推动心血管疾病分子治疗的创新,同时基于调控细胞表型转化治疗心血管疾病将成为临床医学的研究重点,如何在巨噬细胞激活、血管平滑肌细胞表型转化和内皮间充质转化这些基础上开展心血管疾病的风险评估和模型预警,是基础、转化和临床工作者亟待解决的问题。尽管本专栏内基础与临床的多位专家针对心血管疾病的发病机制进行了全面而系统的阐述,但在心血管疾病患者的早期预防、风险预警、精准施治以及后期的不良事件综合管理上还需要各方力量重点关注,尤其是发病机制的精准调控和基础研究如何高效快速地向临床转化,尚需领域内专家共同探索,一起推动心血管疾病研究的前行。