炎癥與心臟衰老的研究進展

馬紫微 左幫蕓 王大新 趙靜

(揚州大學臨床醫(yī)學院(江蘇省蘇北人民醫(yī)院) 1心內科,江蘇 揚州 225001;2藥學部;3大連醫(yī)科大學)

炎癥反應是機體自我防御的一種免疫反應,過度的炎癥反應廣泛參與多種疾病的病理過程。2000年Franceschi等〔1〕首次提出炎性衰老概念。據統(tǒng)計,70歲以上老年人約占心血管疾病人群的三分之二〔2〕。心臟衰老以結構改變,功能障礙為特征。衰老過程中經常伴隨炎癥發(fā)生,然而關于炎癥對心臟衰老的作用及調控心臟衰老的分子機制還不完全清楚。因此,深入了解心臟衰老的病理特征及發(fā)生機制,探討炎癥與心臟衰老之間的聯系及關鍵的調節(jié)機制,重要的分子靶標,對尋找延緩心臟衰老新靶點具有重要意義。

1 心臟衰老的病理特征及發(fā)生機制

老齡化是眾多疾病的主要危險因素,特別是在高流行的心、肺系統(tǒng)疾病中〔3〕。心臟衰老主要表現為心室結構重構、功能障礙(收縮/舒張異常、電生理活動改變),伴隨細胞外基質沉積,最終出現心肌肥大、纖維化、心室壁僵硬、交感神經活性增強、鈣通道活性降低等〔2,4〕。生理性心臟衰老與年齡相關,而早發(fā)性心臟衰老則與各種病理改變密切相關。心臟衰老發(fā)病機制包括炎癥反應、氧化應激、自噬障礙、代謝改變、鈣調控受損、神經內分泌通路的激活、衰老細胞的堆積等。當細胞分裂到一定次數后,不可逆的細胞周期停滯狀態(tài)被稱為細胞衰老〔4〕,包括復制性和應激性衰老。氧化應激、炎癥等病理性因素的刺激則可引起心肌細胞發(fā)生應激性衰老〔5〕。衰老相關分泌表型(SASP)是細胞衰老的一個重要標志,由白細胞介素(IL)-1、IL-6和IL-8等促炎細胞因子及趨化因子、生長因子等細胞因子組成〔6〕。

2 炎癥促進心臟衰老的分子機制

炎癥是以血管系統(tǒng)為中心,炎癥細胞為基礎,促炎介質為媒介的一系列自動局部反應,促進受損組織的愈合及再生。適度炎癥反應對機體有益,但過度炎癥反應會損傷組織。炎癥反應是驅動衰老的重要因素,在衰老的過程中通常伴隨炎癥信號的激活及促炎細胞因子表達增加;衰老細胞的堆積又加劇了炎癥水平升高。機體內除了促炎機制,還有抗炎機制緊密協(xié)調,炎癥的結果取決于促炎與抗炎過程的復雜平衡。炎癥在動脈粥樣硬化、心房纖顫、心力衰竭等心血管疾病中均扮演重要角色。心肌細胞的炎癥信號通常是心肌損傷的早期反應,并通過細胞內的一系列病理生理機制,致使細胞器功能障礙,與下游信號通路級聯放大炎癥信號,驅動心臟細胞功能紊亂,同時伴隨細胞周圍環(huán)境改變,最終組織內穩(wěn)態(tài)平衡被打破,加速心臟衰老。

2.1炎癥與細胞內分子調節(jié)機制

2.1.1炎癥與線粒體功能障礙 與機體其他組織臟器相比,心臟具有更高的基礎耗氧率,心肌細胞具有更高密度的線粒體,因此心肌細胞對能量的需求也相對較高〔4〕。心臟衰老過程中,心肌細胞線粒體體積增大,單位體積線粒體膜面積和長度的減少〔7〕。RNA測序的全轉錄組分析顯示,大量衰老相關的指標變化與線粒體密切相關,特別是促炎癥表型的改變〔8〕。線粒體功能障礙或自噬下降都會損害細胞穩(wěn)態(tài)并引發(fā)炎癥,并可以通過一系列級聯反應誘導細胞衰老〔9〕。此外,線粒體在細胞免疫過程中起到重要調控作用,線粒體通過調節(jié)樹突細胞和淋巴細胞之間的免疫突觸的活力狀態(tài),調節(jié)炎癥向免疫耐受或免疫原性方向發(fā)展〔10〕。線粒體轉錄因子A 缺乏而導致線粒體功能失調的T細胞可以作為衰老的加速因子,且當阻斷腫瘤壞死因子(TNF)-α信號通路或用NAD+前體阻止衰老時,可以部分挽救線粒體轉錄因子A 缺陷的T細胞小鼠的過早衰老〔11〕。最近的研究表明,線粒體功能障礙以一種獨特的分泌表型誘導衰老,被稱作線粒體功能障礙相關衰老。該種類型的細胞可以分泌抗炎因子IL-10,也可以分泌高水平的促炎因子趨化因子配體(CCL)27和TNF-α,是一種缺乏IL-1依賴因子但包括其他因子的特殊SASP〔12〕。

2.1.2炎癥與氧化應激 線粒體也是細胞內活性氧(ROS)的主要來源。ROS過度生成和氧化應激會引發(fā)組織、細胞損傷,從而導致炎癥和氧化應激的惡性循環(huán)。內質網和線粒體在物理上相互連接,稱為線粒體相關膜,是NLRP3炎癥小體激活的重要部位〔13〕。功能障礙的線粒體伴隨線粒體自噬抑制,導致ROS蓄積,線粒體源ROS作為關鍵信號調控NLRP3炎癥小體活化,進一步激活下游半胱氨酸蛋白酶(caspase)-1,釋放促炎因子,重現SASP,觸發(fā)心臟炎癥〔13〕。也有證據表明,NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白(NLRP)3炎性小體的清除,可保護老齡小鼠的心臟功能,延長壽命〔14〕。心肌細胞中依賴于單胺氧化酶A 活性的氧化應激可促進線粒體損傷、端粒功能障礙、衰老標志物表達〔15〕。過多的ROS還可以作用于細胞內其他結構,如其作用于脂質膜發(fā)生脂質過氧化,破壞膜結構,使膜通透性增高〔4〕;作用于細胞核引起DNA損傷,并在正反饋回路中激活DNA損傷反應,最終導致衰老〔16〕。此外,ROS還可介導與細胞存活和增殖相關的信號通路,影響細胞有絲分裂〔17〕。研究表明,ROS能夠誘導異列酮修飾心臟中的特殊蛋白,其作為心臟新抗原,導致心臟內T細胞抗原受體依賴的CD4+T細胞激活,促進心臟功能障礙〔18〕。

2.1.3炎癥與DNA損傷 細胞增殖、代謝活動過程中,炎癥、氧化應激、紫外線照射等因素均會引起DNA損傷,且隨著年齡增長而不斷累積,最終將對轉錄、復制等生物學過程產生負面影響,破壞遺傳穩(wěn)定性。線粒體的功能失調與核編碼其氧化磷酸化的基因下調有關,進一步觸發(fā)ROS/c-Jun氨基末端激酶(JNK)反饋信號通路,驅動細胞核中脫落的胞漿染色質片段的形成〔19〕,這些片段和微核中核DNA的積累,會觸發(fā)環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶的激活,繼而產生環(huán)鳥苷酸-腺苷酸,激活STING蛋白,STING一旦被激活,招募TANK結合激酶1,磷酸化下游靶標,包括干擾素調節(jié)因子3 和核因子(NF)-κB信號通路的不同信號分子,最終導致促炎因子上調,從而促進天然免疫反應,觸發(fā)SASP〔20,21〕。

2.1.4炎癥與端粒功能障礙 端粒是染色體末端短DNA重復序列,隨著細胞分裂、炎癥和氧化應激反應等變短。有證據表明,由于哺乳動物出生后心臟發(fā)生炎癥和氧化應激,其心肌細胞的端粒長度顯著減少〔2〕。嚴重的炎癥、氧化應激和缺氧時,心肌細胞的端粒長度會發(fā)生快速變化〔22〕。心肌細胞的端粒酶可防止端?？s短,破壞這種酶的活性可導致心血管疾病發(fā)生發(fā)展〔23〕。與復制性衰老相比,易激性衰老不依賴端粒酶的活性或增殖時間〔5〕。有證據表明端粒長度不是衰老的獨立危險因素。人類和小鼠心肌細胞在衰老過程中端粒區(qū)域發(fā)生持續(xù)DNA損傷,且這些變化獨立于端粒長度縮短,隨后DNA損傷反應激活組蛋白H2A.X磷酸化、促進p53、p21和p16蛋白的合成,進而抑制細胞周期,導致SASP、炎癥增加及心臟功能障礙加劇〔23〕。NF-κB敲除炎癥小鼠模型中,心臟、結腸和脾臟及其他組織中激活DDR的細胞表達豐富,通過ROS介導的端粒功能障礙加速衰老進程〔24〕。

2.2心臟內多細胞調節(jié)機制 心臟免疫細胞、心肌細胞、成纖維細胞和內皮細胞等均表達模式識別受體(PRRs)。心臟中最重要的PRRs包括Toll樣受體、C型凝集素受體、RIG-Ⅰ樣受體、NOD樣受體等〔25〕。巨噬細胞、肥大細胞、B細胞和T細胞等眾多免疫細胞參與心臟免疫防御〔26〕。當心臟組織受到損傷刺激時,細胞胞質內或跨膜PRRs識別來自外源病原體相關的分子模式和損傷相關的分子模式,宿主免疫細胞被迅速激活,促炎因子和趨化因子表達增加,進而激活體液免疫〔27〕。與此同時,衰老心肌細胞、成纖維細胞等本身表現為SASP,伴隨炎性因子持續(xù)分泌,募集免疫細胞浸潤,加劇炎癥反應。有效的宿主免疫對維持心臟內穩(wěn)態(tài)和心臟重構至關重要,PRRs的長時間激活會促進免疫衰老〔28〕。免疫監(jiān)視減弱,清除衰老細胞能力下降,衰老細胞堆積加速,誘發(fā)慢性持續(xù)性炎癥,形成炎癥與衰老的惡性循環(huán)。

2.2.1炎癥與心肌細胞 心肌細胞占心臟所有細胞的25%～35%〔29〕?？顾ダ系鞍譑lotho預處理可有效抑制高糖誘導的心肌細胞炎癥、ROS生成、線粒體功能障礙、心肌纖維化、心肌細胞肥大及凋亡,這些作用依賴于核因子E2相關因子2表達增強和NF-κB滅活〔30〕。INK-ATTAC轉基因小鼠心肌細胞端粒功能障礙激活經典p21CIP和p16INK4a衰老相關通路,導致非典型的SASP,釋放內皮素3、轉化生長因子(TGF)-β2等因子,促進成纖維細胞激活和心肌細胞肥大〔31〕。采用藥理方法或遺傳技術清除衰老心肌細胞,將抑制心臟病理性重構,從而證實心肌細胞衰老是心臟衰老的重要環(huán)節(jié)〔31,32〕。

2.2.2炎癥與成纖維細胞 心臟成纖維細胞參與細胞外基質的形成,維持心臟組織的完整性,此外,持續(xù)廣泛的纖維化將會導致心室壁僵硬進行性增加及心臟舒張功能受損,最終導致心臟衰老〔33〕。有研究認為心臟成纖維細胞具有炎性細胞的一些特征,也表達PRRs及分泌趨化因子和細胞因子〔34〕。壓力超負荷、缺血缺氧、炎癥等病理刺激條件下,靜息期成纖維細胞激活進入增殖期,通過外源病原體相關的分子模式和損傷相關的分子模式激活PRRs,啟動下游級聯信號,分泌IL-6、IL-8等促炎因子及CCL2等趨化因子,從而獲得肌成纖維細胞表型,膠原分泌增加,細胞外基質沉積〔35〕。一部分成纖維細胞轉變?yōu)榧〕衫w維細胞具有抗炎特性,另一部分則重回靜息態(tài),出現凋亡或衰老〔33〕。成纖維細胞衰老表現為細胞周期阻滯或SASP,并通過絲氨酸蛋白酶抑制劑,介導內皮炎癥反應〔2,36〕。炎癥細胞浸潤釋放的細胞外基質可激活心臟成纖維細胞,促進纖維化發(fā)展,最終加劇心臟衰老〔37〕。

2.2.3炎癥與內皮細胞 內皮細胞活化是心血管疾病發(fā)生的一個重要標志。內皮細胞是除成纖維細胞之外數量較大的一類非心肌細胞,具有每年15%的高周轉率〔29,38〕。在衰老、肥胖、高血壓等心血管疾病的主要危險因素刺激下,心臟內皮細胞與炎癥、氧化應激、膠原合成和細胞衰老相關的信號通路均上調〔39〕。血管細胞黏附分子(VCAM)-1在IL-1、TNF-α等炎癥因子作用后在內皮細胞表面廣泛表達,脂多糖誘導的全身炎癥小鼠模型心臟中活化的內皮細胞VCAM-1表達水平顯著增高〔40〕。內皮細胞通過TGF-β介導的內皮-間充質轉化直接促進心臟炎癥反應及心臟纖維化發(fā)生〔35〕。特異性消融內皮細胞保護信號的實驗研究表明,微循環(huán)功能障礙足以誘發(fā)心力衰竭〔41〕。

2.2.4炎癥與干細胞 成人間充質干細胞的年更新率約為4%〔29〕,心肌原性心臟祖細胞(CPCs)含量<1%,但其具有重要的潛在功能〔42〕。小鼠衰老模型中心臟間充質干細胞出現衰老標志物改變:p16INK4A表達增高,SA-β-gal活性增加,DNA損傷明顯和端粒長度顯著縮短等,繼而產生功能失調的成纖維細胞,IL-6、Ⅰ型膠原等分泌進一步增加,介導衰老心臟炎癥反應與彌漫性間質纖維化〔38,43〕。70歲以上老年人半數以上的CPCs表現為SASP,出現衰老標志物的改變;移植到梗死心臟后不能復制、分化、再生或恢復心臟功能。體外使用Senolytics(一種具有清除衰老細胞能力的藥物)消除衰老的CPCs后可明顯逆轉SASP,全面消除老年小鼠體內衰老細胞,且常駐CPCs被激活,增殖的心肌細胞數量有所增加〔44〕。

2.2.5炎癥與脂肪細胞 脂肪組織在受巨噬細胞浸潤后能夠產生大量促炎細胞因子。脂肪組織也可獨立于巨噬細胞產生炎癥介質,被稱為代謝性炎癥〔45〕。此外,內臟脂肪組織可通過產生促纖維化因子如骨橋蛋白OPN和TGF-β,促使心臟成纖維細胞衰老,從而加速心臟衰老中和心臟功能衰退;采用OPN小分子抑制劑Agelastatin A干預后,衰老小鼠能夠完全逆轉衰老相關的心肌纖維化表型,改善心臟功能失調〔46〕。

3 炎癥與細胞間穩(wěn)態(tài)

衰老細胞的衰老相關分泌表型通過分泌物質與鄰近細胞交流,影響細胞周圍的微環(huán)境,誘導鄰近細胞DNA損傷和衰老,導致組織器官發(fā)生炎性改變〔32〕。衰老成纖維細胞的炎癥特征,細胞外基質及血管新生,成骨基因發(fā)生變化。功能分析顯示衰老心臟成纖維細胞和內皮細胞之間的旁分泌交流受損〔36〕。衰老CPCs出現衰老相關分泌表型,通過旁分泌釋放促炎因子、趨化因子等,使原來正常的CPCs失去增殖能力并轉變?yōu)樗ダ媳硇汀?4〕。相關研究表明,單胺氧化酶A轉基因小鼠急性氧化應激模型中,心肌基質細胞中β半乳糖苷酶(SA-β Gal,衰老細胞的一種特異性標志)陽性細胞積聚,DNA損傷增加,獲取SASP,此外IL-1家族細胞因子(IL-1α、IL-1β)等促炎介質富集,伴隨血清中炎癥介質升高,由此形成的慢性炎癥微環(huán)境促進心血管功能障礙發(fā)生〔47〕。衰老過程中,細胞間通訊功能改變,神經內分泌系統(tǒng)功能失調,神經元變性及神經激素信號通路的失調,則出現炎癥反應增強、免疫監(jiān)視功能降低〔48〕。上述的這些變化使心臟修復反應變緩,其中膠原蛋白發(fā)生年齡依賴性蓄積,心室發(fā)生進行性僵硬增加,最終心臟發(fā)生退行性改變。

綜上,心臟衰老是由炎癥信號參與并驅動細胞內一系列變化,包括線粒體功能障礙、氧化應激、基因組不穩(wěn)定性、端粒功能障礙等。在特定條件下,炎性衰老是由細胞器損傷、分子損傷、不適當的免疫信號和自身抗原引起的不可控性“無菌”炎癥的結果〔49〕。生物體內抗炎促炎機制的復雜平衡,如何從多角度有效地抗炎,這仍是一個亟待解決的重要問題。單純清除衰老細胞效果不佳,通過延緩細胞衰老保持正?！澳贻p”細胞表型的方式,可能是未來抗衰老研究的重要方向〔32〕。炎癥參與心臟衰老進程中的多個環(huán)節(jié),識別心臟炎癥的分子觸發(fā)機制,深入剖析炎癥信號網絡,從抗炎角度開發(fā)抗心臟衰老的新藥具有重要的科學價值。