轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β在心肌纖維化中的表達(dá)及作用

張彩霞 曾 彬

心肌纖維化是由心肌成纖維細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)凈積累、微血管再生引起的心臟間質(zhì)擴(kuò)張，是多種心臟疾病的常見生理病理過(guò)程[1]。成年哺乳動(dòng)物心肌細(xì)胞已經(jīng)失去再生能力，因此由急、慢性缺血引起心肌細(xì)胞的大量死亡會(huì)觸發(fā)修復(fù)程序，導(dǎo)致纖維組織形成。纖維化修復(fù)對(duì)防止心臟破裂、保持心室結(jié)構(gòu)完整及防止擴(kuò)張性重構(gòu)至關(guān)重要[2]。壓力超負(fù)荷、容量超負(fù)荷、代謝功能障礙和衰老等生理刺激也會(huì)觸發(fā)心肌纖維化反應(yīng)，同時(shí)伴隨著心肌順應(yīng)性降低、心臟僵硬度增加、心功能障礙等現(xiàn)象。TGF-β是一種多效性細(xì)胞因子，分為TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3 3個(gè)亞型。其中TGF-β1幾乎存在于所有細(xì)胞中，其他同工型則在有限的細(xì)胞和組織中表達(dá)[3]。TGF-β1來(lái)源于多種細(xì)胞，可以促進(jìn)心肌成纖維細(xì)胞的增殖和激活而使細(xì)胞外基質(zhì)(主要成分是Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白)的合成增加，這是心肌纖維化的重要機(jī)制。

一、心肌纖維化中TGF-β的細(xì)胞來(lái)源

1.心肌成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblasts,CFs):盡管心肌細(xì)胞占正常心臟組織的大部分，但非心肌細(xì)胞(尤其是心肌成纖維細(xì)胞)在各種心臟病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中的作用遠(yuǎn)超過(guò)心肌細(xì)胞。心肌成纖維細(xì)胞的主要功能之一是產(chǎn)生和分泌影響心肌細(xì)胞形態(tài)和功能的生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子，如細(xì)胞外基質(zhì)、基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloprotein,MMP)和TGF-β等，是心肌纖維化的主要效應(yīng)細(xì)胞[4]。TGF-β1可通過(guò)控制心肌成纖維細(xì)胞的分化、遷移和膠原蛋白分泌，對(duì)心肌纖維化起重要作用[5]。Villalobos等[6]首次發(fā)現(xiàn)成年心臟中的初級(jí)纖毛結(jié)構(gòu)存在于心肌成纖維細(xì)胞表面，并且纖毛成纖維細(xì)胞聚集在心肌損傷區(qū)域，該細(xì)胞器及其必需的信號(hào)蛋白多囊蛋白-1(polycystin-1,PC-1)是TGF-β1-Smad3軸激活、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白產(chǎn)生及細(xì)胞收縮的關(guān)鍵要素。此外，心肌成纖維細(xì)胞釋放的TGF-β1可以在正反饋回路中進(jìn)一步促進(jìn)成纖維細(xì)胞活化和增殖，其釋放的旁分泌因子可導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大、凋亡和功能障礙[4]。

2.血小板:血小板中TGF-β1的含量是其他細(xì)胞的40～100倍，在血小板活化后會(huì)迅速釋放, 是血液循環(huán)中TGF-β1的主要成分，可代表血漿TGF-β水平。主動(dòng)脈縮窄手術(shù)4周后，大多數(shù)野生型小鼠的心臟間質(zhì)和血管周圍纖維化程度增高，而靶向敲除血小板中TGF-β1的小鼠心肌纖維化程度降低，說(shuō)明血小板源性TGF-β1在心肌肥厚發(fā)病機(jī)制中起重要作用[7]。同時(shí)，有研究指出，血小板中TGF-β1靶向缺失的小鼠可免受利托那韋誘導(dǎo)的心臟功能障礙和纖維化，而血小板源性TGF-β1可促進(jìn)蛋白酶抑制劑誘導(dǎo)的心肌纖維化[8]。另外，臨床中癌癥患者在接受放射治療時(shí)，電離輻射可直接導(dǎo)致DNA損傷和活性氧的生成，隨后其誘導(dǎo)血小板活化釋放TGF-β1而促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生和成纖維細(xì)胞積累并放大纖維化信號(hào)[9]。

3.巨噬細(xì)胞(macrophages,MO):巨噬細(xì)胞在哺乳動(dòng)物的發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并且通過(guò)產(chǎn)生生長(zhǎng)因子和其他介質(zhì)為組織提供營(yíng)養(yǎng)支持，幾乎在所有器官系統(tǒng)中起穩(wěn)態(tài)作用。心臟中的非心肌細(xì)胞除了內(nèi)皮細(xì)胞外，心臟間質(zhì)中還有少量的免疫細(xì)胞，包括巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等。除了介導(dǎo)組織損傷外，巨噬細(xì)胞還可產(chǎn)生多種生長(zhǎng)因子如TGF-β、胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)等調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、肌成纖維細(xì)胞的活化和血管生成。Shiraishi等[10]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示替代性活化(M2)巨噬細(xì)胞在心肌梗死區(qū)的數(shù)量明顯增加，并有較強(qiáng)的組織修復(fù)能力；而TGF-β1敲除小鼠中該巨噬細(xì)胞受抑制，成纖維細(xì)胞介導(dǎo)的心肌梗死修復(fù)功能受損。此外，巨噬細(xì)胞的吞噬功能可以通過(guò)誘導(dǎo)TGF-β的釋放來(lái)刺激纖維化反應(yīng)，通過(guò)協(xié)調(diào)炎性反應(yīng)和阻斷多種促分解途徑來(lái)間接促進(jìn)心肌纖維化[11]。

4.內(nèi)皮細(xì)胞(endothelial cells,ECs)和周細(xì)胞(Rouget細(xì)胞或壁細(xì)胞):TGF-β通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞的功能參與血管系統(tǒng)的發(fā)育，由TGF-β介導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)答是促進(jìn)性亦或抑制性，取決于細(xì)胞的分化狀態(tài)和細(xì)胞周圍環(huán)境。TGF-β活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)主要在血管生成部位表達(dá)，并在內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)水平最高。TAK1與Smad1/5轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合可刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖和遷移，而內(nèi)皮細(xì)胞也可表達(dá)TAK5并結(jié)合Smad2/3而起抑制作用。TGF-β可誘導(dǎo)前體細(xì)胞分化為周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，抑制內(nèi)皮細(xì)胞增殖，并促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)沉積，從而控制血管生成。內(nèi)皮細(xì)胞也是TGF-β1、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor,FGF)和內(nèi)皮素-1(endothelin-1,ET-1)的重要來(lái)源，可促進(jìn)由血管緊張素(angiotensin,Ang)誘導(dǎo)的心肌纖維化的發(fā)展[12]。內(nèi)皮細(xì)胞除了具有促纖維化作用外，還可作為纖維化的負(fù)調(diào)節(jié)劑，分泌使心肌成纖維細(xì)胞失活的介質(zhì)[2]。另外，內(nèi)皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化也與心肌纖維化密切相關(guān)。

二、TGF-β調(diào)節(jié)心肌纖維化的途徑

1.TGF-β的主要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路:TGF-β的作用途徑涉及經(jīng)典的細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)子家族Smads和獨(dú)立于Smad外的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。大部分TGF-β受體(TGF-β receptor,TGFβR)位于細(xì)胞內(nèi)部，需要胰島素等生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)其向細(xì)胞表面的轉(zhuǎn)運(yùn)。Duan等[13]研究發(fā)現(xiàn)TGF-β本身會(huì)通過(guò)TGFβRⅠ激酶和Akt誘導(dǎo)其受體向細(xì)胞表面快速轉(zhuǎn)運(yùn)，從而增加了細(xì)胞表面TGFβR的含量以及細(xì)胞對(duì)TGF-β的反應(yīng)性, 尚未在其他細(xì)胞表面受體發(fā)現(xiàn)這種應(yīng)答放大機(jī)制。TGF-β1與細(xì)胞表面的Ⅱ型受體結(jié)合，磷酸化的TGFβRⅡ與TGFβRⅠ形成穩(wěn)定的異源復(fù)合物激活素受體樣激酶5(activin receptor-like kinase 5,ALK5),募集并磷酸化下游信號(hào)蛋白Smad2/3，然后Smad4與之結(jié)合形成功能性轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，通過(guò)與親和力高的DNA轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或調(diào)控啟動(dòng)子序列而引發(fā)靶基因的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)[14]。另外，該復(fù)合物易位至細(xì)胞核還可調(diào)節(jié)Smad7的轉(zhuǎn)錄，Smad7可通過(guò)泛素蛋白酶降解系統(tǒng)降解Smad2、Smad3和TGF-β1，在心肌纖維化中起抑制作用[15]。關(guān)于糖尿病性心肌病中心肌纖維化機(jī)制的最新研究發(fā)現(xiàn)，高糖可誘導(dǎo)心肌成纖維細(xì)胞中鈣敏感受體(calcium-sensing receptor,CaSR)的表達(dá)增加，從而通過(guò)Ca2+/PKC/P38-MAPK途徑上調(diào)TGF-β1[16]。因此TGF-β-Smad2/3信號(hào)通路的激活在心肌纖維化、心肌梗死、心臟炎性反應(yīng)和心臟基質(zhì)成分的合成中十分重要。除了Smad介導(dǎo)的經(jīng)典信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，TGF-β還可激活PI3K-Akt-mTOR、ERK/JNK/P38-MAPK以及Rho樣GTPase信號(hào)通路。

2.TGF-β的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控: 心肌纖維化的發(fā)生和發(fā)展與TGF-β1/Smads途徑的激活密切相關(guān)。然而，在TGF-β1驅(qū)動(dòng)的心肌成纖維細(xì)胞的纖維化反應(yīng)的所有基因中，有1/3在翻譯水平上受到調(diào)控的，而與RNA轉(zhuǎn)錄本的豐度無(wú)關(guān)[17]。微小RNA(microRNA,miRNA)是細(xì)胞表型的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，可通過(guò)與3′-非翻譯區(qū)(3′untranslated region,3′-UTR)結(jié)合來(lái)抑制翻譯或促進(jìn)目標(biāo)mRNA的降解來(lái)微調(diào)蛋白質(zhì)表達(dá)，已被證明是一類新型的心血管疾病調(diào)節(jié)劑。部分研究表明，miRNA既可激活腫瘤相關(guān)TGF-β信號(hào)通路，又可抑制心肌纖維化TGF-β信號(hào)通路中相關(guān)蛋白的表達(dá)[18]。Zhao等[19]研究發(fā)現(xiàn)，miR-101a可直接靶向結(jié)合TGFβRⅠ阻斷TGF-β信號(hào)通路和下游分子的表達(dá)，通過(guò)抑制肌成纖維細(xì)胞的分化、遷移來(lái)改善心肌梗死后纖維化和功能障礙。在犬心房顫動(dòng)模型中，心房組織的TGF-β1和TGFβRⅡ的蛋白質(zhì)表達(dá)水平顯著上升，而miR-133和miR-590的水平降低了60%～70%；同時(shí)，將miR-133或miR-590轉(zhuǎn)染到體外培養(yǎng)的心房成纖維細(xì)胞中會(huì)降低TGF-β1和TGFβRⅡ水平以及膠原蛋白含量[20]。也有研究發(fā)現(xiàn)，miR-15家族可通過(guò)TGFβRⅠ、Smad、Smad7靶向激活TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[21]。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說(shuō)明TGF-β1及其受體可作為miRNA的靶標(biāo)。

三、TGF-β對(duì)心臟功能的影響

1.TGF-β在心臟收縮功能中的作用:根據(jù)組織病理學(xué)的不同，心肌纖維化分為間質(zhì)纖維化、血管周圍纖維化和替代性纖維化3類。前兩者通常與舒張功能障礙有關(guān)，而由心肌細(xì)胞原發(fā)性壞死引起的替代性纖維化與收縮功能障礙有關(guān)[3]。心臟富含控制電生理功能的離子通道，細(xì)胞外基質(zhì)過(guò)度產(chǎn)生和沉積會(huì)導(dǎo)致心肌電生理功能的破壞，多效性TGF-β1調(diào)節(jié)離子通道也較常見。早前就有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1處理的新生大鼠心肌細(xì)胞中Na+/Ca2+交換子的mRNA水平更高、肌質(zhì)網(wǎng)功能更為發(fā)達(dá)，因此TGF-β1可使心肌細(xì)胞的收縮頻率增加。另外，高血糖會(huì)引起TGF-β及其受體的表達(dá)變化，促進(jìn)糖尿病性心肌病的發(fā)展，從而間接引起左心室肥大、心臟舒張和收縮功能障礙[22]。心肌細(xì)胞收縮力下降與端粒縮短有關(guān)，絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim1可通過(guò)抑制TGF-β途徑下游效應(yīng)子Smad2和Smad3的磷酸化來(lái)維持心肌細(xì)胞端粒的長(zhǎng)度，拮抗端粒相關(guān)的心肌細(xì)胞衰老和功能障礙。

2.TGF-β在纖維化心臟的心律失常中的作用:纖維化可通過(guò)形成不均勻分布的細(xì)胞外基質(zhì)蛋白而損害心肌細(xì)胞泵功能而引發(fā)心律不齊。與對(duì)肌成纖維細(xì)胞的影響相反，心臟特異性過(guò)表達(dá)TGF-β1不能影響單個(gè)心肌細(xì)胞的膜電位和膜電阻，心肌細(xì)胞僅在與肌成纖維細(xì)胞結(jié)合時(shí)會(huì)發(fā)生部分去極化。另外，心肌成纖維細(xì)胞可通過(guò)整合素-β和鈣黏著蛋白家族與心肌細(xì)胞相互作用。Lu等[23]研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1可上調(diào)鈉泄漏通道使神經(jīng)元去極化，因此推測(cè)TGF-β1可能對(duì)肌成纖維細(xì)胞去極化有重要作用。Salvarani等[5]研究顯示，TGF-β1可以改變心肌成纖維細(xì)胞的電生理表型，從而使離子通道、離子泵和連接蛋白的基因表達(dá)發(fā)生變化，這些變化超出了成纖維細(xì)胞在收縮力、細(xì)胞外基質(zhì)成分分泌等方面的調(diào)控能力，表明TGF-β1可能在纖維化心臟的心律失常中起重要作用。因此，血漿TGF-β1的水平可能成為評(píng)估心律失常的生物學(xué)標(biāo)志物，而由TGF-β1調(diào)節(jié)的離子通道可能會(huì)成為抗心律不齊治療中的新靶點(diǎn)。

四、展 望

目前，大量研究已經(jīng)證明了TGF-β在心肌纖維化、心肌重構(gòu)、心律失常、心力衰竭等生理病理過(guò)程中的重要作用。因此，通過(guò)受體拮抗、抗體或反義寡核苷酸抑制、特異基因缺失等途徑阻斷TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是潛在的治療策略。本文主要敘述了心肌纖維化過(guò)程中TGF-β的來(lái)源、TGF-β調(diào)節(jié)纖維化的重要途徑以及TGF-β對(duì)心臟功能的影響機(jī)制，說(shuō)明了TGF-β在心肌纖維化發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的獨(dú)特作用。成年哺乳動(dòng)物的心臟再生潛能受限、纖維化的細(xì)胞類型和信號(hào)通路復(fù)雜、心臟損傷后的微環(huán)境不穩(wěn)定，仍然缺乏有效抑制或逆轉(zhuǎn)纖維化的治療方法。目前尚無(wú)批準(zhǔn)用于治療心臟纖維化的藥物，細(xì)胞移植、生物材料、重編程成纖維細(xì)胞等新技術(shù)可能為治療心臟纖維化提供新方向。由于TGF-β的多效性，在治療心肌纖維化過(guò)程中總體抑制TGF-β的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)可能對(duì)心血管系統(tǒng)和其他器官產(chǎn)生不良影響。因此，TGF-β系統(tǒng)在心肌纖維化中的特異性作用及分子機(jī)制需要更深入研究。