雌激素受体对心脑血管保护作用的研究进展

王 杰,陈 瑛

(首都医科大学附属北京天坛医院妇产科,北京 100070)

目前,包括中国在内的世界许多国家和地区都面临着人口老龄化的严峻挑战。对于女性而言,绝经后的时期占生命的1/3以上。心脑血管疾病是女性绝经后最重要的死亡原因之一。为实现对女性全生命周期的健康管理,应重视绝经后女性心脑血管疾病的发病状况。

脑血管疾病在我国老年人死因中位居首位。脑血管疾病是由各种脑血循环障碍病因引起的脑部疾病的总称。广义上的脑血管疾病指病损累及脑、脊髓、视网膜及周围视神经的疾病,狭义上的脑血管疾病病损主要累及脑。根据病理结果可以将脑血管疾病分为缺血性、出血性、占位性(如动静脉畸形、动脉瘤压迫等)及无症状脑血管疾病(即无神经功能缺损的脑血管疾病,如未引起缺血性卒中的动脉粥样硬化性脑血管疾病);根据神经功能缺损发生的急缓将脑血管疾病分为急性脑血管疾病(又称为卒中)和慢性脑血管疾病(如血管性痴呆、慢性脑缺血等)。

与男性相比,绝经前女性的心血管疾病发病率较低[1]。心脑血管疾病发病的性别和年龄差异现象提示,在年轻女性中可能存在心脑血管系统的保护因子,由于女性多在50岁左右绝经,绝经后雌激素水平显著下降,提示雌激素可能保护女性以减少心脑血管疾病的发生。雌激素兼具有神经保护功能,雌激素作为一种抗氧化剂,能够促进DNA修复,诱导生长因子表达,并调节脑血流量[2]。雌激素通过与雌激素受体结合发挥作用。多种心脑血管调控过程中都有雌激素受体的参与。现将雌激素受体对心脑血管的保护作用进行综述。

1 雌激素受体的分类及在体内的分布

1.1 雌激素受体的分类

迄今为止,已知的雌激素受体(estrogen receptor,ER)有3种亚型:雌激素受体α(ERα)、雌激素受体β(ERβ)和G蛋白偶联雌激素受体(G protein-coupled estrogen receptor,GPER);其中ERα和ERβ为核受体,GPER为膜受体。

1.2 雌激素受体在体内的分布

雌激素受体在体内广泛分布,控制着生殖、心血管、肌肉和中枢神经系统[3]。雌激素作用于ER,在调节心血管系统、肝脏、胰腺、骨骼、大脑和免疫系统中发挥重要作用[4]。ERα主要在生殖组织(如子宫和卵巢)、骨骼、白色脂肪组织、肾脏、肝脏和乳房中表达,在心脏、脑组织中亦有一定程度的表达。ERβ主要在男性生殖器官、中枢神经系统、心血管系统,以及肺、免疫系统、结肠和肾脏中表达[4]。GPER在骨骼肌、神经元、血管内皮、各种免疫细胞和靶效应器官中的分布和表达更为广泛。ERα和ERβ在细胞核、细胞质和细胞膜上均有表达[5],而GPER仅在细胞膜上有表达[2]。

1.3 雌激素受体在心脑血管组织中的分布

ERα、ERβ和GPER在心脑血管组织中均有表达。在雌激素受体分布的人群层面,不同年龄段的人群组织细胞中的雌激素受体分布存在差异,ERα和ERβ在新生儿和成人心肌细胞中均有表达,而GPER仅在成人心肌细胞中有表达[6]。ERα在整个心脏内的分布也存在差异,与心房相比,ERα更多地表达于心室组织中[7]。GPER主要定位于心肌细胞的内质网和质膜。GPER广泛分布于心血管系统。GPER在几种心肌细胞类型中均有表达,包括心肌细胞、心肌成纤维细胞、心血管内皮细胞和肥大细胞[8]。雌激素受体在脑组织中分布广泛。ERα和ERβ存在于多种神经元的轴突末端和树突棘中[9],在小脑和下丘脑中也发现了雌激素受体[10]。啮齿类动物试验表明,ERα在小鼠大脑中普遍呈现低水平分布态势,而在杏仁核和下丘脑中表达相对较高[11]。ERα主要存在于椎体神经元和中间神经元中。ERβ广泛分布和表达于海马和大脑皮层、外侧隔、内侧和基底外侧杏仁核。海马中ERβ表达水平高于ERα。GPER主要在大脑皮层、海马、下丘脑、纹状体和黑质中表达,并定位于神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。男性与女性雌激素受体在心脏的分布和丰度未见差异。

1.4 更年期女性雌激素受体数目的变化

心肌组织中ERα及ERβ的数目与线粒体解偶联蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表达高度相关[12]。UCP1能够引导质子穿过线粒体内膜,将线粒体呼吸与三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的产生相连结,从而将质子的电化学梯度转化为热量。在不同性别及年龄段人群中,根据机体所需能量的多寡,激活的雌激素受体可调节UCP1的表达量,因此雌激素受体数目可因机体所需UCP1的表达量而发生变化。在绝经前后的健康女性中,随着年龄的增加,机体所需的热量减少,组织中表达的雌激素受体数目呈下降趋势[13]。研究人员在动物实验中发现,绝经早期小鼠主动脉ERα的表达高于绝经晚期小鼠,差异有统计学意义(P<0.05),而ERβ的表达与绝经晚期小鼠差别相对不明显[14]。

2 雌激素受体对心脑血管的保护作用

ERα、ERβ和GPER的激活具有非基因组(急性)和基因组(慢性)效应,因此,描述雌激素激活各雌激素受体亚型及其下游信号通路的传导机制是否及在何种程度上与缺血性心脑血管疾病中观察到的性别差异有关是很重要的。

2.1 ERα对心脑血管的保护作用

ERα通过以下途径保护心血管:

①预防或降低动脉粥样硬化的程度:a.ERα的急性激活能够以非基因方式,通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)依赖的途径快速激活内皮型一氧化氮合酶(一种抗凋亡蛋白)(endothelial nitric oxide synthase,eNOS);b.ERα的急性激活使磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)通路的非基因组激活,导致eNOS信号的下游激活;c.雌激素通过激活ERα介导的自噬,减轻内皮细胞凋亡,从而预防动脉粥样硬化。②刺激心肌再生和血管生成,改善抗氧化机制和心脏功能:a.在ERα的介导下,雌激素作用于骨髓来源的内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPCs),能够增强EPCs的迁移,使EPCs更能参与到血管形成过程中,增强细胞之间相互黏附及提高EPCs基因转录活性;b.雌激素通过ER-α/apelin信号传导轴介导对心脏的保护作用;c.ERα的激活介导活性氧(reactive oxygen species,ROS)合成酶的蛋白水平降低,减少ROS的生成,改善抗氧化机制。

ERα在肺动脉平滑肌细胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMCs)和血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)中高表达,ERα能够促进冠状动脉粥样硬化性心脏病(coronary atherosclerotic heart disease,CHD)心功能恢复。雌激素作用于ERα,可通过多种途径降低血清胆固醇水平,降低VSMCs的增殖,诱导血管内皮细胞的自噬,增加血管的抗氧化能力和减少血管内脂质积累[15],从而发挥抗动脉粥样硬化的特性,降低动脉粥样硬化的发生概率,起到对心脑血管的保护作用。

ERα活化所产生的非基因组(急性)和基因组(慢性)效应并非均对心脏缺血损伤具有保护作用。ERα的快速活化对心脏缺血损伤有保护作用,而ERα的慢速活化对心脏缺血损伤则无保护作用。快速活化的ERα以非基因方式,通过MAPK依赖的途径快速激活eNOS,介导雌激素对血管内皮细胞的快速一氧化氮(nitric oxide,NO)释放效应,改善血管功能,减少血管内皮细胞的凋亡,预防或降低动脉粥样硬化的程度。在绝经后女性中,口服雌激素具有抗血脂异常、内皮依赖性血管舒张和潜在的抗动脉粥样硬化作用[16],可能来源于ERα的调控。

绝经后女性的细胞自噬及ERα表达下降会导致升主动脉过度损伤。体内外实验结果表明,雌激素通过上调ERα的表达,诱导血管内皮细胞的自噬来减少炎症和凋亡,从而预防动脉粥样硬化[17]。

有研究发现,较正常的雌性小鼠,在敲除ERα基因的雌性小鼠中,心肌更容易受到损伤,提示了ERα对心肌保护的重要性[16]。对去卵巢大鼠进行体内研究发现,ERα可以介导雌激素对缺血再灌注后的心血管产生急性保护作用[18]。有研究发现,雌激素的快速心肌保护作用可以被特异性ERα激动剂丙基吡唑三醇(propyl pyrazole triol,PPT)模拟[19]。骨髓来源的EPCs可浸润梗死心肌,促进血管生成,在雌性去卵巢-心肌梗死(ovariectomized-myocardial infarction,OVX-MI)小鼠模型中,雌激素通过激活EPCs,刺激心肌再生和血管生成,改善抗氧化机制和心脏功能,降低VSMCs钙化、冠状动脉紧张、心肌细胞纤维化和心肌梗死后的死亡率,发挥对心血管的保护作用[3]。ERα除了能够介导EPCs对雌激素的反应性迁移,参与血管形成、黏附和基因转录活性的增强外,雌激素激活ERα还可增加心肌细胞的存活能力。人右心室中存在对其具有保护作用的ER-α/apelin信号传导轴,在发生右心衰时,ER-α、apelin的表达均降低[20]。雌激素治疗可减轻载脂蛋白E基因缺失(ovariectomy apolipoprotein E-/-,OVX ApoE-/-)小鼠由于双侧卵巢切除后体内所产生的炎性物质对血管内皮的损伤,并改善心脏主动脉细胞凋亡,对心功能的维持可起到积极作用;体外同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)诱导可造成人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)不同程度的损伤,而雌激素对损伤的HUVECs的活性有保护作用,并可抑制其凋亡[17]。ERα的表达通过降低ROS合成酶的蛋白水平抑制细胞凋亡[21],消除细胞内ROS的产生,改善抗氧化机制,并阻止过氧化氢(H2O2)刺激人主动脉内皮细胞核转录因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)的激活,达到改善心肌功能的作用。

雌激素对ERα的急性刺激可诱导ERα转位到PI3K调控域,并导致eNOS的激活,从而发挥对脑血管的保护作用[22]。与啮齿类动物相似,人类ERα在大脑中的表达量较少。

2.2 ERβ对心脑血管的保护作用

ERβ主要通过基因转录调控,减少炎症因子的释放,减轻VSMCs的损伤及抑制损伤后的增殖反应,调控产生更多的NO,降低缺血再灌注损伤的发生概率,发挥对心脑血管的保护作用。

ERβ通过以下途径对心脑血管产生保护作用:①ERβ的慢速激活能够增加PI3K/Akt通路的激活,增加NO的产生;②ERβ诱导与血管张力控制相关蛋白[eNOS和环氧合酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)]的上调,并下调促炎和促纤维化基因程序;③膜ERβ介导eNOS磷酸化和抑制RhoA相关激酶(rho-associated coiled-coil containing kinase protein,ROCK),促进NO的产生;④膜ERβ通过eNOS增加蛋白S-亚硝基化(S-nitrosothiol,SNO),改善NO的产生;⑤ERβ可抑制血管损伤后的VSMCs增殖反应。

ERβ的激活能够刺激新血管生成、抑制炎症、减轻心肌纤维化和右心室的肥大,可恢复严重肺动脉高压中肺和右心室结构的改变。ERβ在血管内皮细胞和VSMCs中表达;ERβ能够改善心脏功能,减少纤维化、炎症、血管收缩和右心室肥厚[23]。与ERα主要存在于肌膜相比,ERβ主要存在于心肌细胞的细胞核和胞浆中,这提示ERβ介导的心脏保护作用可能依赖于基因转录调控[24]。与心室内含有较多的ERα不同,ERβ均匀分布在心房内[25]。有研究发现,雌激素的快速心肌保护作用可以被特异性ERα激动剂PPT模拟,但不能被特异性ERβ激动剂2,3-双(4-羟基苯基)丙腈(diarylpropionitrile,DPN)模拟,这提示ERβ的急性激活可能对心肌不具有保护作用[19]。由于ERβ能够加强脂肪酸代谢,增加NO的产生,以及增加PI3K/Akt通路的激活,所以敲除ERβ的雌性小鼠比未敲除ERβ的对照组雌性小鼠有更多的缺血再灌注损伤发生的概率。与ERα的急性激活能对心血管产生保护作用不同,雌激素通过慢性激活ERβ,使去卵巢雌性小鼠心肌梗死的面积变小,提示雌激素通过慢性激活ERβ对缺血再灌注损伤起到保护作用。基于ERβ慢性激活能够对心脏产生保护作用,Iorga等[23]发现,ERβ激动剂DPN能够通过刺激心脏血管生成、抑制纤维化和恢复血流动力学参数改善小鼠的心功能。ERβ上调与血管张力控制相关蛋白(eNOS和COX-2)的表达,并下调促炎和促纤维化相关基因程序。膜ERα和ERβ通过eNOS磷酸化和抑制ROCK的活性促进NO的产生。蛋白SNO是保护女性心脏的重要因素,膜ERβ也通过eNOS增加了蛋白SNO[3]。内皮细胞ERβ的表达可改善再灌注过程中NO的释放,减轻心肌梗死和血管损伤[26]。采用雌激素和特异性ERβ激动剂DPN对心脏缺血再灌注损伤治疗2周,可以激活蛋白SNO及其心脏保护作用,而蛋白SNO的激活和ERβ的激活所产生心脏保护作用均可随着eNOS被抑制而阻断,这提示长期(慢性)的雌激素暴露主要通过激活ERβ和NO信号来保护心脏[27]。

ERβ能够促进脑神经元的存活和分化。存在于细胞膜上的ERβ参与介导了雌激素对脑血管内皮细胞的快速NO释放效应。反转录聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,RT-PCR)分析显示,存在于细胞膜表面的ERβ介导雌激素对脑血管壁的快速效应,生理浓度的雌激素即能够刺激脑动脉血管内皮细胞在数秒之内释放NO,这种作用是呈剂量依赖性的。

ERβ在VSMCs中的分布占优势。雌激素对VSMCs的保护效应主要是通过ERβ介导的。实验性去除内皮细胞层引发VSMCs增殖,可观察到ERβ表达上调约40倍,而ERα表达基本不变,给予雌激素后,VSMCs的增殖受到抑制,这可能与ERβ介导雌激素对VSMCs增殖的抑制作用有关。有研究发现,在ERα基因敲除鼠和野生鼠中,雌激素同样抑制了血管损伤后的VSMCs增殖反应[28],进一步印证了ERβ介导雌激素对VSMCs的保护效应。

2.3 GPER对心脑血管的保护作用

动脉粥样硬化是一种慢性血管炎症过程,也是心肌梗死和外周卒中的危险因素,当给予致动脉粥样硬化饮食时,GPER的缺失会加速动脉粥样硬化的进程,使总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)和炎症标志物水平升高,血管对NO反应降低。雌激素的耗竭进一步加速了动脉粥样硬化的发展,而GPER激动剂G-1的治疗可减少动脉粥样硬化和炎症,且无子宫生长作用,GPER激动剂G-1能够诱导冠状动脉舒张,提示GPER可作为抑制动脉粥样硬化、促进冠脉舒张、降低心肌梗死治疗风险的靶点。雌激素对心脏的保护作用可以被GPER阻断剂G-15所阻断。GPER能够降低血压,刺激血管舒张,抑制成纤维细胞的增殖,降低VSMCs增殖和迁移[29]。

GPER通过以下途径对心脑血管产生保护作用:①GPER的活化能够通过下调前蛋白转化酶蛋白酶枯草溶菌素9(proprotein convertase subtilisin/kexin type 9,PCSK9)来降低LDL-C;②雌激素作用于GPER可激活磷脂酰肌醇3-激酶/丝裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶(PI3K/MEK/ERK)及其下游信号通路,减少心肌梗死灶的延伸;③GPER激活后可介导糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)的失活;④GPER的激活可抑制线粒体通透性过渡孔(mPTP)的开放;⑤GPER通过G蛋白-cAMP-蛋白激酶A(PKA)途径来发挥作用;⑥GPER能够通过抑制Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)介导的小胶质细胞炎症来减轻缺血性损伤;⑦GPER的激活可阻止NF-κB的表达,显著抑制炎症相关因子的产生;⑧GPER的激活可以抑制心脏的重构,改善心脏功能和心肌细胞收缩力,减少纤维化;⑨GPER的心脏保护能力与心室肌细胞中肾上腺素能受体的表达存在某种关联;⑩GPER的激活可能通过抑制cyclin、cyclin B1和细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase 1,CDK1)来限制成纤维细胞的增殖。

GPEE能够改善心功能的恢复并降低成纤维细胞和VSMCs增殖[30]。GPER介导雌激素对心血管产生某些有益的作用,如预防动脉粥样硬化和高血压[31-32]。GPER的激活也可通过正向调节OVX-MI大鼠LDL-C受体的表达来降低LDL-C,这可能是通过下调PCSK9实现的[33]。在促炎条件下,GPER的激活能够抑制内皮细胞中血管收缩性前列腺素的生成[34]。GPER的激活能够通过激活PI3K/ERK信号通路抑制雄性小鼠mPTP开放,从而改善心功能,减少两性小鼠的梗死延伸。在3种敲除雌激素受体(ESR1-/-,ESR2-/-e,GPER-/-)的小鼠模型中,只有GPER-/-未表现出雌激素诱导的心肌保护作用,这与心脏功能、梗死面积和线粒体钙离子超载有关,提示通过GSK-3β激活PI3K/MEK/ERK通路可能是有益的作用[35]。Wang等[36]研究发现,氧化应激影响卵巢雌激素丧失后的心脏重构,GPER缺乏可通过氧化应激诱导心脏重构。有研究显示,GPER可以减少心肌细胞纤维化,改善心肌舒张功能[37]。GPER激动剂G-1能够降低雌性小鼠因异丙肾上腺素诱导所产生心力衰竭的风险[38]。采用GPER激动剂G-1治疗可以改善心功能和心肌细胞收缩力,减少纤维化。因此,GPER的心脏保护能力与心室肌细胞中肾上腺素能受体的表达可能存在某种关联。

GPER能够增加海马的树突棘密度并保护神经。雌激素介导的脑血管保护作用与GPER激活后所启动的PI3K/MEK/ERK的激活、GSK-3β的失活和mPTP开放的延迟有关。雌激素在多种组织中,与膜受体GPER结合,从而激活G蛋白偶联通路。目前认为,G蛋白偶联受体的活化可以通过两种方式介导。一种方式是通过Ca2+结合蛋白介导而发挥其效应,导致Ca2+转运和磷脂酰肌醇的合成,属于Ca2+依赖性蛋白激酶途径;另一种方式是雌激素通过与膜受体GPER-1相互作用,使cAMP水平升高,通过G蛋白-cAMP-PKA途径来发挥作用。Evans等[39]研究观察到,在神经元和心肌细胞中,GPER会启动c-Src和腺苷酸环化酶,导致cAMP水平的增加和促存活MAPK、PI3K/Akt和cAMP反应元件结合蛋白(cyclic-AMP response binding protein,CREB)通路的激活。在星形胶质细胞中,GPER的激活与通过激活磷脂酶C(phospholipase C,PLC)途径和细胞内钙水平升高的细胞死亡有关。雌激素与GPER结合后,可直接或通过激活MEK1/2/ERK1/2途径引起蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)的转位,从而增加GSK-3β的磷酸化。mPTP开放受到GSK-3β的调节,GSK-3β的激活与mPTP的开放关系密切[40],而mPTP的开放又在缺血再灌注后细胞死亡的机制中起着至关重要的作用[41]。雌激素与GPER结合后可能通过调节炎症整合免疫机制而产生神经保护作用。GPER在免疫循环中具有强大的抗炎作用[42]。Zhang等[43]研究观察到,GPER能够通过抑制TLR4介导的小胶质细胞炎症来减轻缺血性损伤。小胶质细胞中的GPER通过抑制TLR4介导的小胶质细胞炎症来发挥急性神经保护作用,GPER的激活缓解了小胶质细胞的激活,降低了Iba1和TLR4蛋白表达及TLR4 mRNA水平;GPER能够抑制炎性细胞分泌的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)活性。MMPs介导的血-脑屏障破坏是缺血性脑卒中的关键环节。GPER的激活能够抑制NF-κB的活化[43],阻止NF-κB的表达,显著抑制炎症相关因子的产生,从而产生神经保护作用。

3 总结与展望

女性绝经后心脑血管疾病患病率增加[44],体现了雌激素的缺乏在女性心脑血管疾病发展中的重要性。雌激素与3种雌激素受体亚型结合,激活雌激素受体,可增加下游NO的合成,减少血管细胞的增殖,通过抗炎和抗凋亡作用调节心脑血管,防止心肌细胞和血管内皮细胞坏死,发挥对心脑血管的保护作用。特定的雌激素受体调节剂,可能成为预防或治疗绝经后女性心脑血管疾病的药物新靶点;同时为绝经激素治疗(menopause hormone therapy,MHT)与心脑血管疾病的关系提供新的证据,在达到疗效的同时,实现MHT利益最大化。