白血病抑制因子在心血管疾病中的研究進展

陳施鑒，陳者旭，張邢煒

(杭州師范大學附屬醫院 心血管內科，浙江 杭州 310015)

炎癥因子激活在多種心血管疾病的病理生理發展過程中有著明確的意義，循環炎癥因子可以預測心血管病患者病情的預后轉歸，針對炎癥因子的治療也取得了一定成效[1]。白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)作為白介素6(interleukin-6，IL-6)家族中最具有多效性的細胞因子，由180個氨基酸組成，可在體內外環境中激活LIFR-GP130受體，通過JAK/STAT、PI3K等信號通路參與到缺血再灌注損傷、干細胞增殖、腫瘤進展、骨骼重塑、神經發育中[2]。LIF參與心血管疾病的發生發展，使對LIF的干預成為治療心血管疾病的新的可能。本文對LIF參與信號通路以及在各心血管病中的作用機制的研究進展作綜述如下。

1 LIF受體及其信號通路

1.1 LIF受體 LIF于1987年被 D P Gearing等人成功克隆，因其具有廣泛的分布范圍及多向性的功能信號受到科學家們的深入研究。IL-6家族受體復合物包括共享信號轉導受體β亞單位、gp130以及配體結合非信號受體α亞單位或類似gp130的信號受體β亞單位[3-5]，使用共同的gp130受體亞單位有助于調節由IL-6家族細胞因子控制的廣泛且重疊的活動。作為IL-6家族的一員，LIF受體由gp130和LIFR兩部分組成，被抑瘤素M、心肌營養素1、睫狀神經營養生長因子、心肌營養素樣生長因子所共享[6]。在不同的細胞類型中，LIF可以表現出相反的功能，這可能歸因于其中一條由LIF激活的下游信號通路在該細胞中占主導地位或是在同一信號通路中LIF對不同轉錄因子(STAT1、STAT3)的激活程度不同[5]。

1.2 LIF介導的信號通路 目前的研究已發現LIF具有激活下游包括PI3K/Akt、JAK/STAT、MAPK及Hippo等信號通路的能力，其中在心血管領域對LIF激活的PI3K/Akt、JAK/STAT的研究已初步建立體系。LIF的下游信號分化主要歸因于gp130 和LIFR細胞內區域存在兩個模體(YXXQ和YXXV)，這兩個模體允許不同信號分子的招募和激活，在結合后可被JAK酪氨酸激酶磷酸化[6]，一旦完成磷酸化，便可誘導下游的信號瀑布的發生，從而參與到抗凋亡、抗氧化、血管再生、心肌肥厚及心臟保護的過程中。

2 LIF與心血管病的關系

2.1 心肌保護 在心肌細胞損傷的急性期，常伴有大量炎癥因子的激活，多種信號通路共同參與?，F有的研究表明，由LIF激活的MAPK/ERK1/2和PI3K/Akt通路與心肌細胞急性缺血/再灌注(I/R)損傷的短期保護有關，其機制可能為這兩條通路能通過減少線粒體通透性轉換孔的開放從而抑制氧化應激造成的細胞損傷[7]。Maulik等[8]在研究蒽環類藥物對成年大鼠心肌損傷機制時發現，缺血預處理能通過PI3K途徑保護受阿霉素損傷的心肌，這一過程獨立于MAPK/ERK1/2的作用，且與氧化應激和線粒體通透性轉換孔開放減少無關，這意味著PI3K/Akt途徑可能存在尚未揭示的心肌保護機制。同樣地，LIF對JAK-STAT通路的調控也參與了對應激心臟的保護，以延緩心肌重構及纖維化的發生[9-10]。氧化應激被認為是參與心臟缺血再灌注損傷的重要理論基礎，而谷胱甘肽作為一種還原劑會在該病理過程中被耗竭。Kurdi等[11]采用左旋丁硫氨酸-磺酰亞胺(BSO)預處理心肌細胞以抑制谷胱甘肽的合成，在24 h后給予細胞外源性IL-6及LIF，結果發現：谷胱甘肽的耗竭抑制了LIF誘導的細胞內JAK1-STAT3的激活，而STAT1激活不受影響，在心肌細胞中，STAT3主要參與心肌保護，而STAT1則與細胞凋亡相關。這一實驗模擬了在心肌急性損傷或急性心力衰竭過程中，由于氧化應激反應的發生，細胞內還原產物的銳減，導致LIF介導的JAK1-STAT3信號通路對心肌保護作用減弱，而STAT1與STAT3比例的失調進一步加重了心肌細胞的損傷。這也提示維持正常的細胞內氧化還原環境是STAT3發揮其心肌保護作用的基礎。Jia等[12]通過建立心梗小鼠模型，觀察到間歇運動能明顯改善心梗后小鼠的骨骼肌萎縮及心功能惡化。心肌梗死的發生下調了大鼠骨骼肌中LIF及LIFR的表達，且減少了腓腸肌中LIF介導的STAT3磷酸化，從而抑制了LIF/STAT3途徑對心梗后骨骼肌增殖與凋亡的調控，這一過程可被間歇運動或加入外源性LIF所改善，其機制被推測與LIF能通過旁分泌的形式促進骨骼肌中衛星細胞的增殖有關。上述研究表明，LIF能通過多種途徑對急性損傷期的心肌細胞起到保護作用。

2.2 心臟再生 干細胞治療作為21世紀最為熱點的醫學研究之一，已有大量的醫學團隊為之進行了深入探索，其中包括心臟領域曾紅極一時的內源性成體心肌干細胞及干細胞移植治療，然而后續的實驗研究逐步推翻了該理論的真實性，使得干細胞治療引起了學界極大的爭議。早在LIF被發現的初期，就有研究表明LIF參與了多功能胚胎干細胞的形成，并能維持其多功能的狀態，在促進原始生殖細胞的增殖和骨髓重塑中起到重要作用。胚胎干細胞有分化為心肌細胞及血管內皮細胞的能力，如今的研究開始放在LIF對于胚胎干細胞的支持作用上，為心臟再生的治療開辟新方向。Blüguermann等[13]通過分離正在經歷向心肌細胞分化的人多功能胚胎干細胞，觀察到LIF在不同發育階段的人類心臟胚胎干細胞中廣泛表達，且在一個精準時間窗內加入外源性LIF可顯著提高體外培養心臟胚胎干細胞的存活能力，其機制被證實為LIF/STAT3能通過降低促凋亡因子Bax在細胞內的表達量從而調節細胞的凋亡易感性，起到提高其存活率的作用。在此之前，Iwakura等[14]的研究就發現了LIF激活STAT3可誘導心臟Sca-1+細胞的內皮分化，并通過DNA陣列實驗發現該過程與Pim-1基因激活相關，Sca-1+細胞曾被認為具有分化成為內源性心肌細胞的能力，然而后續的大型研究證明Sca-1+細胞不太可能直接分化為心肌細胞，其功能可能是標記血管內皮，被Sca-1標記的心肌細胞在對抗心肌損傷及衰老時有更強的增殖能力[15]，而這一標記過程可能被LIF/STAT3途徑激活。同樣地，Pozzi等[16]在對Hesx1基因遺傳缺失的小鼠研究中發現，Hesx1基因的遺傳缺失能通過降低多能性因子的表達和LIF/STAT3信號的活性來損害自我更新并促進向外胚層的分化，致使小鼠胚胎干細胞發育停滯，從側面反映了LIF/STAT3在干細胞多能性維持及促進包括心臟在內的器官發育中具有重要作用。Kanda等[17]通過對小鼠心室肌細胞注射他莫昔芬誘導其發生心肌梗死，采用X-gal法對99.9%以上的雙轉基因小鼠心肌細胞進行染色，并對實驗組注射LIF后發現，相比于對照組，實驗組心梗后小鼠具有更大面積的X-gal陰性心肌細胞，LIF明顯改善了實驗組小鼠心肌功能；同時他們發現在心臟側群細胞中，LIF可激活JAK-STAT、MEK/ERK及PI3K/Akt信號通路以刺激心肌細胞的再生，這可能是血中LIF水平的升高加速了心臟側群細胞的細胞周期，促進心臟干細胞增殖，并縮小了心肌梗死的面積。

雖然目前的實驗結論已基本否定成體內源性干細胞直接分化為心肌細胞的可能性，但干細胞治療作為心臟再生最有希望的研究方向，始終值得科學家們的不斷探索。如今學界早已不拘泥于對內源性心肌干細胞研究，而是另辟蹊徑，開始著眼于誘導胚胎干細胞、編程后iPS細胞分化為心肌細胞[18]及尋找促進成體心肌細胞增殖的方法[19]?？傊?，LIF在維持胚胎干細胞多功能性、提高其存活率上的作用是肯定的，在未來作為心肌損傷及心臟再生的治療靶點仍具有巨大的潛力，亟需更為確鑿的結論為之佐證。

2.3 心力衰竭 心力衰竭作為幾乎所有心臟疾病的中晚期表現，包含了不同的病理生理機制，如神經內分泌調節、心室重塑以及炎癥因子的爆發。近年來，血管緊張素受體腦啡肽酶抑制劑的投入臨床，在傳統“金三角”治療方案的基礎上，進一步使心衰患者的預后得到改善，但仍然沒有解決后期炎癥因子的過度激活。現有的研究表明，IL-6可作為預測心衰患者預后的獨立因素，其相關靶向藥物也已投入臨床研究。作為LI-6家族的一員，早期對LIF的研究大多數集中在LIF參與了急性心肌損傷的過程，鮮有證據能夠揭示LIF與慢性心臟疾病的發生發展的關系。隨著研究逐漸發現了LIF在自發性高血壓小鼠的血漿及衰竭心室中存在大量表達，并與心衰的嚴重程度呈現顯著相關性[20]。目前有兩種理論支持LIF參與了心衰的發展過程：LIF/JAK/STAT3信號通路以及通過膽堿能轉分化影響心肌機械電活動。主流的觀點認為這兩種機制均改善了心功能并延緩了心室重構的發展。然而，亦有研究提出LIF大量表達背后的影響并非是完全正向性的。

與LIF保護心肌細胞免受急性缺血再灌注損傷的機制相似，在慢性損傷應激中，LIF很可能是通過激活下游的JAK/STAT3信號通路起到對心肌的保護作用，早在2004年Hilfiker-Kleiner等就發現心肌細胞特異性敲除STAT3會誘發年齡依賴性心力衰竭[21]。如今已有越來越多的證據揭示了LIF/JAK/STAT3信號通路在心肌功能保護及延緩心肌重構中發揮了重要的作用。Zgheib等[22]通過給予心衰小鼠外源性LIF治療的研究發現，經LIF處理的小鼠射血分數和縮短分數分別增加了21%和32%，在組織學上沒有觀察到心臟肥大，心臟全能性長度比沒有變化，也沒有觀察到心臟纖維化。并在左心室觀察到STAT3被顯著激活，印證了LIF通路在預防心衰中發揮了關鍵作用。此外，Mao等[23]采用多柔比星注射制造擴張性心肌病大鼠模型，通過人骨髓間充質干細胞(hUCMSCs)注射觀察到：其能顯著提高左心室射血分數(LVEF)和左心室分數縮短(LVFS)并顯著改善擴張型心肌病大鼠的心衰表現，且升高外周血中的HGF、LIF、GCSF和VEGF因子的表達量，其中只有LIF的升高與hUCMSCs的使用劑量呈顯著正相關性，間接揭示了與hUCMSCs可能通過LIF信號途徑對心肌細胞產生正向影響。

另一種被證明的途徑是LIF通過使心臟交感神經膽堿能轉分化，平衡了心室中去甲腎上腺素與乙酰膽堿的分泌量，使原本被交感神經激活代償性升高的心率下降從而延緩了心室重構。Kanazawa等[24]通過建立充血性心衰小鼠模型發現，心臟特異性過表達LIF小鼠的心臟交感神經呈現高度膽堿能轉化，且交感神經膽堿能轉分化程度與LIF左心室的表達量呈正相關性，同時在體外培養的大鼠心衰心肌細胞分泌LIF所致的膽堿能轉分化亦可被LIF靶向的siRNAs所逆轉，并且觀察到交感神經特異性靶向編碼LIF和CT-1受體gp130亞單位的基因可防止心力衰竭誘導的膽堿能轉分化，這進一步證明了LIF通過LIFR-gp130參與了心衰膽堿能轉化的發生。然而，也有研究認為膽堿能分化可能會加速失代償心力衰竭的發展。Wang等[25]亦發現，心肌梗死后的膽堿能轉分化延長了遠端和邊緣區心肌細胞的動作電位時程，降低了動作電位的異質性，從而具有抗心律失常作用，而這種在心肌梗死中發生的膽堿能轉分化現象被證明是通過gp130誘導的[26]。然而在Wang等[27]通過對使用桂枝湯抑制心衰大鼠心臟交感神經轉分化的研究中發現，桂枝湯能通過升高NGF并降低LIF在心臟中的表達延緩失代償性心力衰竭的進展。Fernandez等[28]的研究亦有力地支持了這一推測，他們認為膽堿能刺激的增加會減弱心臟收縮性并抑制心電傳導，使本已失代償的心功能進一步惡化。心肌細胞膽堿能受體的上調在衰竭的心臟中是一把雙刃劍，從長遠來看，心臟交感神經(SNS)的過度激活會造成包括心臟重塑在內的一系列心肌毒性作用，而SNS向膽堿能神經(PNS)轉化的過程很可能是心臟為了適應這種高負荷環境從而形成一種內源性的保護機制；然而膽堿能神經過度轉化，以及LIF的失衡亦會造成包括P-R間期延長、心肌病理性損傷等諸多問題[27]。總之，LIF在心力衰竭中作用的利弊仍需更多研究加以證實。

2.4 心肌肥厚 促進心肌肥厚的因素往往不是單一的，雖然目前關于心肌肥厚的原因尚不明確，但是炎癥因子被證明在心肌肥厚發生和發展過程中均起到關鍵作用。IL-6家族的gp130依賴性細胞因子包括IL-6、LIF和心肌營養素1等均與心肌細胞的肥大密切相關。gp130/LIFR激活相關的三種主要信號通路已在體內外都被證明能誘導心肌肥厚。Fahmi等[29]通過觀察大鼠心肌細胞大小和肌絲組織等形態學特征的變化、心肌細胞特異性標記物的染色和基因表達發現，IL-6、LIF具有誘導離體培養的新生大鼠心室心肌細胞肥大的能力，并且證明了與ERK1/2、PI3K/Akt及JAK/STAT信號通路的激活相關，IL-6與LIF誘導心肌肥大的方式相似，均能讓肌絲從與細胞長軸對其的線性模式重組成為伴隨應力纖維增加的放射狀模式。但相較于IL-6，用LIF處理的細胞中α-肌動蛋白和細胞外基質標記層粘連蛋白的染色程度較低，暗示了兩者誘導心肌肥大亦存在表型差異。Li等[30]對內皮素誘導心肌細胞肥大模型的大鼠研究后發現，與對照組相比，給予腫瘤壞死因子-α抑制劑依那西普的大鼠LIF及其他炎癥因子的表達量明顯下降，同時明顯下降的還有包括心鈉素、基質金屬蛋白酶-9和基質金屬蛋白酶-13在內的心肌肥厚相關標志基因mRNA的表達水平，提示依那西普能通過抑制炎癥因子激活和調節心肌肥厚相關基因表達起到延緩心肌肥厚的作用。研究中亦觀察到依那西普顯著增加了抗凋亡蛋白Bcl-2的表達并降低了促凋亡蛋白Bax的表達，暗示凋亡蛋白表達失衡參與了心肌肥厚的發展。而先前的研究已明確LIF能通過PI3K/Akt途徑參與調控Bax與Bcl-2的表達，提示LIF可能通過細胞凋亡誘導了心肌肥厚的發生[31-32]。細胞因子信號抑制物(suppressor of cytokine signaling,SOCS)能夠通過抑制包括LIF在內的炎癥因子的過度激活及其誘導的Ca2+內流以延緩心肌細胞肥厚性病理改變，其中SOCS1和SOCS3均能與gp130受體結合從而抑制JAK/STAT通路的激活。在Rocha-Resende等[33]對野生型和SOCS2-KO小鼠心肌細胞的實驗中觀察到，與對照組相比，SOCS2-KO組中LIF無法成功誘導瞬時內向鈣離子流。已知LIF激活的MAPK/ERK通路能有效升高細胞內Ca2+，而Ca2+內流的缺失提示LIF信號通路在SOCS2-/-中被完全抑制，然而這與實驗結果中觀察到ERK、STAT3的升高不符。其機制可能與在SOCS2缺失的情況下LIF和刺激Ca2+內流的下游信號通路脫偶聯以及SOCS3被代償性過度激活相關。總之，LIF參與誘導了心肌肥厚的形成過程，抑制LIF的表達可一定程度延緩心肌肥厚。

3 小結與展望

作為IL-6家族中的一員，近年來LIF在心血管領域的作用已得到了一定的拓展。LIF對胚胎干細胞的存活起支持作用，并能有效地保護并修復受損的心肌細胞，這使得未來對LIF在干細胞治療中的作用研究具有極大的潛力。目前，主流的研究聚焦于LIF對心梗缺血灌注后損傷、心力衰竭、心肌肥厚的促炎作用上，然而作為一個獨立的炎癥因子，其起到的作用僅是冰山一角，且由于當前實驗LIF表現出的兩面性特征以及缺乏大型試驗的對比，使得其對慢性心臟病變的影響仍有待商榷。總之，對于LIF在心臟方面的研究仍需不斷深入，完善其信號通路網絡，以明確具體的臨床作用，成為新的治療靶點。