β腎上腺素能受體信號通路調控心力衰竭心肌纖維化作用機制的研究進展

王新婷 魯 成 史天云 鐘逸航 劉永明▲

1.上海中醫藥大學附屬曙光醫院心血管內科，上海 201203；2.上海中醫藥大學附屬第七人民醫院心血管內科，上海 201203

心力衰竭是多種因素導致心臟結構和（或）功能異常改變，使心室收縮和（或）舒張功能發生障礙而引起的一組復雜臨床綜合征，我國心力衰竭人數約450 萬，心力衰竭患病率為0.9%，住院病死率為4.1%，且隨著老齡化的加劇，患病率顯著上升。心力衰竭的發展伴隨著心肌纖維化的病理改變，心肌纖維化是指心肌組織結構中膠原的過度積聚，是不良心肌重構的主要表現，而心肌重構又可降低組織順應性，損傷心臟功能，促進心律失常的發生，加速心力衰竭的進展。研究證明在心力衰竭患者中，心肌纖維化與左心室僵硬程度、舒張和收縮功能障礙、心律失常和冠狀動脈血流量受損有關，且嚴重的心肌纖維化是心力衰竭患者長期死亡率的有效指標，心肌纖維化程度預測主要的心血管不良事件及死亡是判斷心力衰竭治療有效性的重要因素。

腎上腺素能受體（β-adrenergic receptor，βAR）屬于G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptor，GPCR）超家族， 在心臟中，βAR 亞型包括βAR、βAR 和βAR 3種，βAR 的生理功能主要體現在身體對外界壓力的應激反應。 應激時，由腎上腺分泌的兒茶酚胺作用于心臟中的βAR， 能強而有力地增強心肌收縮力及加快心率。 βAR 信號通路系統異常是心力衰竭的主要特征之一，βAR 在心肌的生理調節中起著基礎性的作用，而慢性刺激βAR 可引起心肌肥厚、心肌纖維化和心肌細胞凋亡，誘導成纖維細胞增殖、膠原分泌、遷移并向肌成纖維細胞表型轉化，進而造成心肌纖維化和心力衰竭，這是心力衰竭病理生理學的重要組成部分。

1 心肌纖維化

心肌纖維化是指心肌間質膠原網絡因心臟缺血性損傷、系統性疾病、藥物或任何其他影響循環系統或心臟本身的有害刺激而發生的各種數量和質量的變化。心肌纖維化改變心肌的結構，促進心功能不全、心律失常的發展，影響心力衰竭患者的臨床病程和轉歸。盡管心肌纖維化促進心力衰竭的進展，但到目前為止還沒有一種有效的治療策略確保其逆轉，且心肌纖維化是心力衰竭患者從常規護理向基于生物標志物的個性化治療及精確藥物治療過渡的真正挑戰。

心肌纖維化涉及成纖維細胞和肌成纖維細胞。成纖維細胞負責細胞外基質的動態平衡，細胞外基質為心肌細胞提供結構支架， 通過心臟組織分配機械力，并介導電傳導。 成纖維細胞負責調節正常的心肌功能，在導致心力衰竭的心肌重構中起關鍵作用。 心臟纖維化是通過激活心臟成纖維細胞介導的，成纖維細胞在受到損傷或壓力時會分化為肌成纖維細胞。盡管肌成纖維細胞的形成是對急性損傷的生理反應表現，而心肌成纖維細胞的持續存在，會導致心力衰竭伴適應性不良的重塑和進行性功能衰退。

心肌在多種損傷因素的刺激下，成纖維細胞增殖并分化為一種非增殖性分泌表型，即肌成纖維細胞，它通過結合α 平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，αSMA）表達和收縮應激纖維，而獲得平滑肌細胞的超微結構和表型特征， 以及合成活性成纖維細胞的特征。 肌成纖維細胞的分泌體由Ⅰ型和Ⅲ型前膠原、調節Ⅰ型和Ⅲ型細胞外纖維膠原轉換所必需的分子、模擬其代謝活性的自分泌和旁分泌因子組成，使心肌纖維永久化生成。 膠原是細胞外基質的主要成分，其中Ⅰ型膠原約占85%，Ⅲ型膠原約占11%。

心肌纖維化主要有兩種類型：①在替代性纖維化中，心肌纖維化替代心肌細胞壞死的小病灶，形成為疤痕，替代性纖維化是指心肌細胞凋亡或壞死后發生的膠原沉積；②在反應性纖維化中，纖維組織在間質和冠狀動脈壁內周圍血管空間的積聚，以及肌膜和內膜改變了心肌束和單個心肌細胞周圍通常很薄的纖維組織層，形成較厚的鞘層，通常沒有明顯心肌細胞丟失。 替代性纖維化是指心肌細胞凋亡或壞死后發生的膠原沉積，具有不可逆性，與多種心肌疾病的預后相關。 而反應性纖維化發生在病程早期，表現為分化的肌成纖維細胞對各種刺激的反應、合成和沉積膠原，具有可逆性。

2 β1AR 信號通路在心力衰竭心肌纖維化中的作用機制

在慢性壓力超負荷過程中，交感神經系統的過度激活導致兒茶酚胺的釋放，從而激活心肌細胞的腎上腺素能受體，導致心率和心肌收縮力的增加。 研究已證實βAR 基因敲除可減輕壓力超負荷誘導的心肌纖維化，提示βAR 參與了壓力超負荷誘導的心肌纖維化。 此外，βAR 刺激無論是用激動劑干預，還是在βAR 特異性表達的轉基因模型、 或以βAR 刺激增加為特征的心力衰竭模型中， 都會導致心肌壞死，加速心肌纖維化進程。

2.1 β1AR 信號通路促進炎癥相關因子致心肌纖維化

腎上腺素能信號通路在心衰期間被過度激活，βAR 在應激狀態下迅速過度激活， 誘導多種促炎細胞因子表達導致心臟炎癥， 加劇心肌損傷和長期的病理重構， 是肌成纖維細胞形成和膠原沉積的關鍵介質，從而導致心肌纖維化，加速心力衰竭的進展。因此，在心衰期間阻斷炎癥反應和βAR 的過度激活是減輕心臟病理重構的一種策略。 Xiao 等研究發現，在異丙腎上腺素（isoproterenol，ISO）誘導的急性βAR 損傷早期抑制白介素-18 （interleukin-18，IL-18）活性不僅可以有效地減輕心臟炎癥、心肌纖維化和舒張功能障礙， 還可以有效地防止不利的心臟重構，在保持βAR 生理功能的同時改善心臟損害。Dang 等研究體內主動脈弓縮窄（transverse aortic constriction，TAC）大鼠模型、體外去甲腎上腺素刺激心肌成纖維細胞發現，βAR 信號通路可激活炎癥小體促進心肌纖維化， 阻斷βAR 信號通路可抑制炎癥小體，減輕心臟纖維化，提高心臟功能，βAR 信號通路激活炎癥小體，在通過鈣通道/活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）途徑促進心力衰竭心臟纖維化中發揮重要作用。

2.2 β1AR 信號通路促進鈣通道/ROS 途徑致心肌纖維化

β 腎上腺素能信號在心力衰竭期間過度激活。βAR 的激活導致三磷酸腺苷轉化為第二信使環磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP），cAMP激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），PKA 磷酸化一些鈣循環蛋白，如鈣通道，鈣通道的激活介導鈣的釋放，心臟興奮收縮耦合和鈣超載。 細胞溶質鈣的升高激活了促纖維途徑， 導致心肌細胞肥大和纖維化，并導致線粒體損傷，進而產生ROS，ROS 調節細胞內信號通路，促進細胞死亡和心臟纖維化。

2.3 靶向HuR 表達恢復β1AR 信號抑制心肌纖維化

在衰竭的心臟中，心肌細胞凋亡、喪失和心肌間質纖維化導致β 受體密度降低， 而人抗原R（human antigen R，HuR）參與βAR 的調節，其在心臟重構或心臟發育過程中部分抑制βAR。 研究顯示βAR 被認為是HuR 介導的基因翻轉的靶點， 心肌細胞HuR的缺失具有降低βAR 表達的作用， 進而加重ISO誘導的心肌肥厚和心肌纖維化。 在H9C2 細胞中，HuR與βAR-mRNAs 的結合穩定了βAR 的mRNA。此外，HuR 在調節轉化生長因子（transforming growth factor-β，TGF-β）的穩定性方面起著中心作用，從而影響促纖維化信號傳導，TGF-β 是纖維化發生和發展的有力的驅動因素。

2.4 β1-腎上腺素受體自身抗體（β1-adrenergic receptor antibody，β1-AA）促進心肌纖維化

β-AA 在心血管疾病血清中的高陽性率、高滴度率會引起心功能不全和心肌纖維化。 β-AA 類似于βAR 激動劑， 在心室重構的病理生理特征中起著重要作用。 研究發現β-AA 激活βAR/cAMP/PKA 通路，并通過與βAR 特異性結合，而非βAR，促進原代心臟成纖維細胞增殖；β-AA 還可能通過激活p38MAPK 和ERK1/2 部分逆轉心臟成纖維細胞的增殖；β-AA 刺激的心臟成纖維細胞條件培養液誘導心肌細胞凋亡， 提示β-AA 改變了心臟成纖維細胞的分泌，導致心肌纖維化。

2.5 RNA 調控β1AR 信號通路與心肌纖維化

心肌細胞富含大量的環狀RNA（circular RNA，circRNA），包括鈉鈣交換基因（sodium-calcium exchanger gene，SLc8a1）。CircSLc8a1 RNA 敲除可減輕壓力超負荷所致的心肌肥厚， 而心肌細胞特異性過表達CircSLc8a1 則導致心力衰竭。 研究顯示miR-133a 的靶點包括βAR， 且受CircSLc8a1 介導的基因敲除和過表達干預的調控。βAR 和βAR 信號轉導級聯中的cAMP、PKA 是微小RNA-133 （micro RNA-133，miR-133）的直接靶點。 刺激新生兒和成人心肌細胞的βAR， 致cAMP 積累及下游靶點的激活均受到miR-133 過表達的抑制。 心臟特異性miR-133 基因過表達小鼠模型（Tg133）的體內研究證實，經主動脈弓縮窄模型，Tg133 小鼠與對照小鼠相比， 保持了心功能，表現出凋亡減少和纖維化減輕。 此外，miR-133具備對抗慢性βAR 刺激引起的有害心肌凋亡效應中的作用。miR-133 控制βAR 轉導級聯的多個組件，在心力衰竭期間具有心臟保護作用。

2.6 靶向成纖維細胞β-arrestin 表達恢復β1AR 信號抑制心肌纖維化

心力衰竭期間， 心臟成纖維細胞中的β 受體銜接蛋白（β-arrestins）表達上調；而β-arrestins 基因敲除恢復βAR 信號和βAR 激動劑介導的膠原合成。β-arrestins 在正常成纖維細胞中的過度表達， 導致βAR 信號的解偶聯，增加ERK1/2 和Smad2/3 磷酸化促進TGF-β 刺激的膠原合成及心肌纖維化的表型，導致心室壁僵硬，加速心力衰竭進程。 因此，靶向抑制成纖維細胞中β-Arrestins 可能是預防適應不良心肌纖維化的一種治療策略。 此外，成纖維細胞β-arrestin 基因特異性敲除使ROS 和NADPH 氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4）的表達減少了50%，而β-arrestin 在正常成纖維細胞中的過表達使線粒體超氧化物的產生增加兩倍，在衰竭的成纖維細胞中，NOX4 的上調是ROS 產生增加的主要機制，刺激膠原沉積。β-arrestin 在心力衰竭中表達上調，并在調控線粒體氧化物生成中發揮重要的作用，靶向抑制成纖維細胞中的β-arrestins 可減輕氧化應激和病理性心肌纖維化。

3 β2AR 信號通路在心力衰竭心肌纖維化中的作用機制

βAR 信號通路促進ROS 致心肌纖維化。 氧化應激促進心肌成纖維細胞向肌成纖維細胞的轉化和膠原合成，導致心肌纖維化，這是心力衰竭的前兆。在心肌細胞特異性過表達βAR 的轉基因小鼠中，心肌間質纖維化是最早的心肌重構跡象，事實上，導致交感神經系統/βAR 信號通路過度激活的基因修飾都會導致纖維性心肌病，涉及的細胞外基質沉積是轉基因過表達βAR 激活心肌細胞產生ROS 的不良心肌重構后果之一。 而βAR 和βAR 雙基因敲除，通過抑制ROS的形成，極大程度地消除了壓力超負荷引起的心肌肥大和心肌纖維化，并保留了左心室功能。 Xu 等研究發現慢性刺激βAR， 促使心臟產生NADPH 氧化酶衍生的ROS，ROS 升高激活了p38MAPK，并在心臟功能障礙以及增強的促炎和促纖維化信號中起重要作用， 而抗氧化治療則保護心臟免受這些異常的影響，表明ROS 的產生是βAR 有害信號的中心，提示βAR 通過NADPH 氧化酶/ROS/p38MAPK 的非經典信號通路在心肌纖維化、心肌重構等心肌病理和心力衰竭發病機制中的起重要作用。心肌纖維化導致進行性收縮性和舒張性心力衰竭。間質纖維化是由血流動力學超負荷和神經激素包括作用于βAR 的兒茶酚胺推動的。

4 β3AR 信號通路在心力衰竭心肌纖維化中的作用機制

βAR 信號通路促進ROS 致心肌纖維化。 心臟βAR 對βAR、βAR 刺激具有拮抗作用，在調節心肌重構、心肌纖維化方面具有重要作用。Hermida 等研究發現心臟βAR 可減輕血流動力學應激所致的心肌纖維化， 顯著降低結締組織生長因子（connective tissue growth factor，CTGF/CCN2）的表達，而CTGF 的表達是通過體內和體外的活性氧ROS 產生介導的，意味著βAR 的表達降低了活性氧的產生。 這種抗氧化和抗纖維化作用涉及心肌細胞內βAR 與一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，nNOS）神經元亞型的偶聯，心臟βAR 通過調節NO 和氧化應激依賴的旁分泌信號，減弱成纖維細胞的血流動力學應激反應，抑制心肌纖維化。 βAR 通過抑制心肌纖維化和心肌細胞過度肥大，同時優化灌注，在心肌重構中發揮有益作用。 此外，βAR 對同源脫敏具有抗藥性，因此在慢性交感神經刺激的背景下，βAR 是治療干預的理想靶點，在心力衰竭和多種心肌病中有著廣泛的應用。

5 小結

心力衰竭心肌纖維化是多種介質參與的復雜病理過程。 目前，心力衰竭心肌纖維化的動物模型研究以TAC 頗多，研究顯示TAC 術后4 周，小鼠心肌纖維化明顯；TAC 術后8 周，心力衰竭心肌纖維化病理表型明顯。 心力衰竭心肌纖維化可分為反應性纖維化和替代性纖維化形式。 以TAC 致左心室壓力超負荷動物模型而言， 最初的特征是反應性間質纖維化，是保護心臟結構和功能的適應性反應，隨后是心肌細胞壞死區域的替代性纖維化。在急性缺血性損傷的動物模型中，如心肌梗死或缺血/再灌注損傷，最初的損傷以活躍的、強烈的炎癥反應和廣泛的心肌細胞死亡為特征； 替代性纖維化恢復了損傷區域心肌細胞的代償作用以防止心臟破裂。 盡管心臟重構過程不同，但兩者最終都會導致心力衰竭。 心力衰竭伴細胞凋亡、損傷，促進了心肌重構和βAR 信號通路系統的改變，心力衰竭的發生伴βAR 過度刺激、表達，βAR 在心肌的生理調節中起基礎性作用， 過度激活會導致心肌纖維化的心力衰竭，誘導成纖維細胞增殖、膠原分泌、遷移并向肌成纖維細胞表型轉化，進而引起心臟形態學的改變造成不良心臟重構。 βAR 具有多種亞型，且其基因也具有多態性，βAR 信號通路在心力衰竭心肌纖維化中也具有多種形式， 還需要進一步的研究探索。

綜上所述，炎癥相關因子、氧化應激、HuR、β-arrestins、β-AA 與β 腎上腺素能受體信號通路在心力衰竭心肌纖維化的關聯，為有效針對疾病進展的病理機制提供潛在治療策略的開發。