雌激素受體對心腦血管保護作用的研究進展

王 杰,陳 瑛

(首都醫科大學附屬北京天壇醫院婦產科,北京 100070)

目前,包括中國在內的世界許多國家和地區都面臨著人口老齡化的嚴峻挑戰。對于女性而言,絕經后的時期占生命的1/3以上。心腦血管疾病是女性絕經后最重要的死亡原因之一。為實現對女性全生命周期的健康管理,應重視絕經后女性心腦血管疾病的發病狀況。

腦血管疾病在我國老年人死因中位居首位。腦血管疾病是由各種腦血循環障礙病因引起的腦部疾病的總稱。廣義上的腦血管疾病指病損累及腦、脊髓、視網膜及周圍視神經的疾病,狹義上的腦血管疾病病損主要累及腦。根據病理結果可以將腦血管疾病分為缺血性、出血性、占位性(如動靜脈畸形、動脈瘤壓迫等)及無癥狀腦血管疾病(即無神經功能缺損的腦血管疾病,如未引起缺血性卒中的動脈粥樣硬化性腦血管疾病);根據神經功能缺損發生的急緩將腦血管疾病分為急性腦血管疾病(又稱為卒中)和慢性腦血管疾病(如血管性癡呆、慢性腦缺血等)。

與男性相比,絕經前女性的心血管疾病發病率較低[1]。心腦血管疾病發病的性別和年齡差異現象提示,在年輕女性中可能存在心腦血管系統的保護因子,由于女性多在50歲左右絕經,絕經后雌激素水平顯著下降,提示雌激素可能保護女性以減少心腦血管疾病的發生。雌激素兼具有神經保護功能,雌激素作為一種抗氧化劑,能夠促進DNA修復,誘導生長因子表達,并調節腦血流量[2]。雌激素通過與雌激素受體結合發揮作用。多種心腦血管調控過程中都有雌激素受體的參與。現將雌激素受體對心腦血管的保護作用進行綜述。

1 雌激素受體的分類及在體內的分布

1.1 雌激素受體的分類

迄今為止,已知的雌激素受體(estrogen receptor,ER)有3種亞型:雌激素受體α(ERα)、雌激素受體β(ERβ)和G蛋白偶聯雌激素受體(G protein-coupled estrogen receptor,GPER);其中ERα和ERβ為核受體,GPER為膜受體。

1.2 雌激素受體在體內的分布

雌激素受體在體內廣泛分布,控制著生殖、心血管、肌肉和中樞神經系統[3]。雌激素作用于ER,在調節心血管系統、肝臟、胰腺、骨骼、大腦和免疫系統中發揮重要作用[4]。ERα主要在生殖組織(如子宮和卵巢)、骨骼、白色脂肪組織、腎臟、肝臟和乳房中表達,在心臟、腦組織中亦有一定程度的表達。ERβ主要在男性生殖器官、中樞神經系統、心血管系統,以及肺、免疫系統、結腸和腎臟中表達[4]。GPER在骨骼肌、神經元、血管內皮、各種免疫細胞和靶效應器官中的分布和表達更為廣泛。ERα和ERβ在細胞核、細胞質和細胞膜上均有表達[5],而GPER僅在細胞膜上有表達[2]。

1.3 雌激素受體在心腦血管組織中的分布

ERα、ERβ和GPER在心腦血管組織中均有表達。在雌激素受體分布的人群層面,不同年齡段的人群組織細胞中的雌激素受體分布存在差異,ERα和ERβ在新生兒和成人心肌細胞中均有表達,而GPER僅在成人心肌細胞中有表達[6]。ERα在整個心臟內的分布也存在差異,與心房相比,ERα更多地表達于心室組織中[7]。GPER主要定位于心肌細胞的內質網和質膜。GPER廣泛分布于心血管系統。GPER在幾種心肌細胞類型中均有表達,包括心肌細胞、心肌成纖維細胞、心血管內皮細胞和肥大細胞[8]。雌激素受體在腦組織中分布廣泛。ERα和ERβ存在于多種神經元的軸突末端和樹突棘中[9],在小腦和下丘腦中也發現了雌激素受體[10]。嚙齒類動物試驗表明,ERα在小鼠大腦中普遍呈現低水平分布態勢,而在杏仁核和下丘腦中表達相對較高[11]。ERα主要存在于椎體神經元和中間神經元中。ERβ廣泛分布和表達于海馬和大腦皮層、外側隔、內側和基底外側杏仁核。海馬中ERβ表達水平高于ERα。GPER主要在大腦皮層、海馬、下丘腦、紋狀體和黑質中表達,并定位于神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。男性與女性雌激素受體在心臟的分布和豐度未見差異。

1.4 更年期女性雌激素受體數目的變化

心肌組織中ERα及ERβ的數目與線粒體解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的表達高度相關[12]。UCP1能夠引導質子穿過線粒體內膜,將線粒體呼吸與三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的產生相連結,從而將質子的電化學梯度轉化為熱量。在不同性別及年齡段人群中,根據機體所需能量的多寡,激活的雌激素受體可調節UCP1的表達量,因此雌激素受體數目可因機體所需UCP1的表達量而發生變化。在絕經前后的健康女性中,隨著年齡的增加,機體所需的熱量減少,組織中表達的雌激素受體數目呈下降趨勢[13]。研究人員在動物實驗中發現,絕經早期小鼠主動脈ERα的表達高于絕經晚期小鼠,差異有統計學意義(P<0.05),而ERβ的表達與絕經晚期小鼠差別相對不明顯[14]。

2 雌激素受體對心腦血管的保護作用

ERα、ERβ和GPER的激活具有非基因組(急性)和基因組(慢性)效應,因此,描述雌激素激活各雌激素受體亞型及其下游信號通路的傳導機制是否及在何種程度上與缺血性心腦血管疾病中觀察到的性別差異有關是很重要的。

2.1 ERα對心腦血管的保護作用

ERα通過以下途徑保護心血管:

①預防或降低動脈粥樣硬化的程度:a.ERα的急性激活能夠以非基因方式,通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)依賴的途徑快速激活內皮型一氧化氮合酶(一種抗凋亡蛋白)(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)通路的非基因組激活,導致eNOS信號的下游激活;c.雌激素通過激活ERα介導的自噬,減輕內皮細胞凋亡,從而預防動脈粥樣硬化。②刺激心肌再生和血管生成,改善抗氧化機制和心臟功能:a.在ERα的介導下,雌激素作用于骨髓來源的內皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs),能夠增強EPCs的遷移,使EPCs更能參與到血管形成過程中,增強細胞之間相互黏附及提高EPCs基因轉錄活性;b.雌激素通過ER-α/apelin信號傳導軸介導對心臟的保護作用;c.ERα的激活介導活性氧(reactive oxygen species,ROS)合成酶的蛋白水平降低,減少ROS的生成,改善抗氧化機制。

ERα在肺動脈平滑肌細胞(pulmonary artery smooth muscle cells,PASMCs)和血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)中高表達,ERα能夠促進冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(coronary atherosclerotic heart disease,CHD)心功能恢復。雌激素作用于ERα,可通過多種途徑降低血清膽固醇水平,降低VSMCs的增殖,誘導血管內皮細胞的自噬,增加血管的抗氧化能力和減少血管內脂質積累[15],從而發揮抗動脈粥樣硬化的特性,降低動脈粥樣硬化的發生概率,起到對心腦血管的保護作用。

ERα活化所產生的非基因組(急性)和基因組(慢性)效應并非均對心臟缺血損傷具有保護作用。ERα的快速活化對心臟缺血損傷有保護作用,而ERα的慢速活化對心臟缺血損傷則無保護作用。快速活化的ERα以非基因方式,通過MAPK依賴的途徑快速激活eNOS,介導雌激素對血管內皮細胞的快速一氧化氮(nitric oxide,NO)釋放效應,改善血管功能,減少血管內皮細胞的凋亡,預防或降低動脈粥樣硬化的程度。在絕經后女性中,口服雌激素具有抗血脂異常、內皮依賴性血管舒張和潛在的抗動脈粥樣硬化作用[16],可能來源于ERα的調控。

絕經后女性的細胞自噬及ERα表達下降會導致升主動脈過度損傷。體內外實驗結果表明,雌激素通過上調ERα的表達,誘導血管內皮細胞的自噬來減少炎癥和凋亡,從而預防動脈粥樣硬化[17]。

有研究發現,較正常的雌性小鼠,在敲除ERα基因的雌性小鼠中,心肌更容易受到損傷,提示了ERα對心肌保護的重要性[16]。對去卵巢大鼠進行體內研究發現,ERα可以介導雌激素對缺血再灌注后的心血管產生急性保護作用[18]。有研究發現,雌激素的快速心肌保護作用可以被特異性ERα激動劑丙基吡唑三醇(propyl pyrazole triol,PPT)模擬[19]。骨髓來源的EPCs可浸潤梗死心肌,促進血管生成,在雌性去卵巢-心肌梗死(ovariectomized-myocardial infarction,OVX-MI)小鼠模型中,雌激素通過激活EPCs,刺激心肌再生和血管生成,改善抗氧化機制和心臟功能,降低VSMCs鈣化、冠狀動脈緊張、心肌細胞纖維化和心肌梗死后的死亡率,發揮對心血管的保護作用[3]。ERα除了能夠介導EPCs對雌激素的反應性遷移,參與血管形成、黏附和基因轉錄活性的增強外,雌激素激活ERα還可增加心肌細胞的存活能力。人右心室中存在對其具有保護作用的ER-α/apelin信號傳導軸,在發生右心衰時,ER-α、apelin的表達均降低[20]。雌激素治療可減輕載脂蛋白E基因缺失(ovariectomy apolipoprotein E-/-,OVX ApoE-/-)小鼠由于雙側卵巢切除后體內所產生的炎性物質對血管內皮的損傷,并改善心臟主動脈細胞凋亡,對心功能的維持可起到積極作用;體外同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)誘導可造成人臍靜脈內皮細胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)不同程度的損傷,而雌激素對損傷的HUVECs的活性有保護作用,并可抑制其凋亡[17]。ERα的表達通過降低ROS合成酶的蛋白水平抑制細胞凋亡[21],消除細胞內ROS的產生,改善抗氧化機制,并阻止過氧化氫(H2O2)刺激人主動脈內皮細胞核轉錄因子κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)的激活,達到改善心肌功能的作用。

雌激素對ERα的急性刺激可誘導ERα轉位到PI3K調控域,并導致eNOS的激活,從而發揮對腦血管的保護作用[22]。與嚙齒類動物相似,人類ERα在大腦中的表達量較少。

2.2 ERβ對心腦血管的保護作用

ERβ主要通過基因轉錄調控,減少炎癥因子的釋放,減輕VSMCs的損傷及抑制損傷后的增殖反應,調控產生更多的NO,降低缺血再灌注損傷的發生概率,發揮對心腦血管的保護作用。

ERβ通過以下途徑對心腦血管產生保護作用:①ERβ的慢速激活能夠增加PI3K/Akt通路的激活,增加NO的產生;②ERβ誘導與血管張力控制相關蛋白[eNOS和環氧合酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)]的上調,并下調促炎和促纖維化基因程序;③膜ERβ介導eNOS磷酸化和抑制RhoA相關激酶(rho-associated coiled-coil containing kinase protein,ROCK),促進NO的產生;④膜ERβ通過eNOS增加蛋白S-亞硝基化(S-nitrosothiol,SNO),改善NO的產生;⑤ERβ可抑制血管損傷后的VSMCs增殖反應。

ERβ的激活能夠刺激新血管生成、抑制炎癥、減輕心肌纖維化和右心室的肥大,可恢復嚴重肺動脈高壓中肺和右心室結構的改變。ERβ在血管內皮細胞和VSMCs中表達;ERβ能夠改善心臟功能,減少纖維化、炎癥、血管收縮和右心室肥厚[23]。與ERα主要存在于肌膜相比,ERβ主要存在于心肌細胞的細胞核和胞漿中,這提示ERβ介導的心臟保護作用可能依賴于基因轉錄調控[24]。與心室內含有較多的ERα不同,ERβ均勻分布在心房內[25]。有研究發現,雌激素的快速心肌保護作用可以被特異性ERα激動劑PPT模擬,但不能被特異性ERβ激動劑2,3-雙(4-羥基苯基)丙腈(diarylpropionitrile,DPN)模擬,這提示ERβ的急性激活可能對心肌不具有保護作用[19]。由于ERβ能夠加強脂肪酸代謝,增加NO的產生,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的對照組雌性小鼠有更多的缺血再灌注損傷發生的概率。與ERα的急性激活能對心血管產生保護作用不同,雌激素通過慢性激活ERβ,使去卵巢雌性小鼠心肌梗死的面積變小,提示雌激素通過慢性激活ERβ對缺血再灌注損傷起到保護作用。基于ERβ慢性激活能夠對心臟產生保護作用,Iorga等[23]發現,ERβ激動劑DPN能夠通過刺激心臟血管生成、抑制纖維化和恢復血流動力學參數改善小鼠的心功能。ERβ上調與血管張力控制相關蛋白(eNOS和COX-2)的表達,并下調促炎和促纖維化相關基因程序。膜ERα和ERβ通過eNOS磷酸化和抑制ROCK的活性促進NO的產生。蛋白SNO是保護女性心臟的重要因素,膜ERβ也通過eNOS增加了蛋白SNO[3]。內皮細胞ERβ的表達可改善再灌注過程中NO的釋放,減輕心肌梗死和血管損傷[26]。采用雌激素和特異性ERβ激動劑DPN對心臟缺血再灌注損傷治療2周,可以激活蛋白SNO及其心臟保護作用,而蛋白SNO的激活和ERβ的激活所產生心臟保護作用均可隨著eNOS被抑制而阻斷,這提示長期(慢性)的雌激素暴露主要通過激活ERβ和NO信號來保護心臟[27]。

ERβ能夠促進腦神經元的存活和分化。存在于細胞膜上的ERβ參與介導了雌激素對腦血管內皮細胞的快速NO釋放效應。反轉錄聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,RT-PCR)分析顯示,存在于細胞膜表面的ERβ介導雌激素對腦血管壁的快速效應,生理濃度的雌激素即能夠刺激腦動脈血管內皮細胞在數秒之內釋放NO,這種作用是呈劑量依賴性的。

ERβ在VSMCs中的分布占優勢。雌激素對VSMCs的保護效應主要是通過ERβ介導的。實驗性去除內皮細胞層引發VSMCs增殖,可觀察到ERβ表達上調約40倍,而ERα表達基本不變,給予雌激素后,VSMCs的增殖受到抑制,這可能與ERβ介導雌激素對VSMCs增殖的抑制作用有關。有研究發現,在ERα基因敲除鼠和野生鼠中,雌激素同樣抑制了血管損傷后的VSMCs增殖反應[28],進一步印證了ERβ介導雌激素對VSMCs的保護效應。

2.3 GPER對心腦血管的保護作用

動脈粥樣硬化是一種慢性血管炎癥過程,也是心肌梗死和外周卒中的危險因素,當給予致動脈粥樣硬化飲食時,GPER的缺失會加速動脈粥樣硬化的進程,使總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)和炎癥標志物水平升高,血管對NO反應降低。雌激素的耗竭進一步加速了動脈粥樣硬化的發展,而GPER激動劑G-1的治療可減少動脈粥樣硬化和炎癥,且無子宮生長作用,GPER激動劑G-1能夠誘導冠狀動脈舒張,提示GPER可作為抑制動脈粥樣硬化、促進冠脈舒張、降低心肌梗死治療風險的靶點。雌激素對心臟的保護作用可以被GPER阻斷劑G-15所阻斷。GPER能夠降低血壓,刺激血管舒張,抑制成纖維細胞的增殖,降低VSMCs增殖和遷移[29]。

GPER通過以下途徑對心腦血管產生保護作用:①GPER的活化能夠通過下調前蛋白轉化酶蛋白酶枯草溶菌素9(proprotein convertase subtilisin/kexin type 9,PCSK9)來降低LDL-C;②雌激素作用于GPER可激活磷脂酰肌醇3-激酶/絲裂原活化蛋白激酶/細胞外信號調節激酶(PI3K/MEK/ERK)及其下游信號通路,減少心肌梗死灶的延伸;③GPER激活后可介導糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)的失活;④GPER的激活可抑制線粒體通透性過渡孔(mPTP)的開放;⑤GPER通過G蛋白-cAMP-蛋白激酶A(PKA)途徑來發揮作用;⑥GPER能夠通過抑制Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)介導的小膠質細胞炎癥來減輕缺血性損傷;⑦GPER的激活可阻止NF-κB的表達,顯著抑制炎癥相關因子的產生;⑧GPER的激活可以抑制心臟的重構,改善心臟功能和心肌細胞收縮力,減少纖維化;⑨GPER的心臟保護能力與心室肌細胞中腎上腺素能受體的表達存在某種關聯;⑩GPER的激活可能通過抑制cyclin、cyclin B1和細胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinase 1,CDK1)來限制成纖維細胞的增殖。

GPEE能夠改善心功能的恢復并降低成纖維細胞和VSMCs增殖[30]。GPER介導雌激素對心血管產生某些有益的作用,如預防動脈粥樣硬化和高血壓[31-32]。GPER的激活也可通過正向調節OVX-MI大鼠LDL-C受體的表達來降低LDL-C,這可能是通過下調PCSK9實現的[33]。在促炎條件下,GPER的激活能夠抑制內皮細胞中血管收縮性前列腺素的生成[34]。GPER的激活能夠通過激活PI3K/ERK信號通路抑制雄性小鼠mPTP開放,從而改善心功能,減少兩性小鼠的梗死延伸。在3種敲除雌激素受體(ESR1-/-,ESR2-/-e,GPER-/-)的小鼠模型中,只有GPER-/-未表現出雌激素誘導的心肌保護作用,這與心臟功能、梗死面積和線粒體鈣離子超載有關,提示通過GSK-3β激活PI3K/MEK/ERK通路可能是有益的作用[35]。Wang等[36]研究發現,氧化應激影響卵巢雌激素喪失后的心臟重構,GPER缺乏可通過氧化應激誘導心臟重構。有研究顯示,GPER可以減少心肌細胞纖維化,改善心肌舒張功能[37]。GPER激動劑G-1能夠降低雌性小鼠因異丙腎上腺素誘導所產生心力衰竭的風險[38]。采用GPER激動劑G-1治療可以改善心功能和心肌細胞收縮力,減少纖維化。因此,GPER的心臟保護能力與心室肌細胞中腎上腺素能受體的表達可能存在某種關聯。

GPER能夠增加海馬的樹突棘密度并保護神經。雌激素介導的腦血管保護作用與GPER激活后所啟動的PI3K/MEK/ERK的激活、GSK-3β的失活和mPTP開放的延遲有關。雌激素在多種組織中,與膜受體GPER結合,從而激活G蛋白偶聯通路。目前認為,G蛋白偶聯受體的活化可以通過兩種方式介導。一種方式是通過Ca2+結合蛋白介導而發揮其效應,導致Ca2+轉運和磷脂酰肌醇的合成,屬于Ca2+依賴性蛋白激酶途徑;另一種方式是雌激素通過與膜受體GPER-1相互作用,使cAMP水平升高,通過G蛋白-cAMP-PKA途徑來發揮作用。Evans等[39]研究觀察到,在神經元和心肌細胞中,GPER會啟動c-Src和腺苷酸環化酶,導致cAMP水平的增加和促存活MAPK、PI3K/Akt和cAMP反應元件結合蛋白(cyclic-AMP response binding protein,CREB)通路的激活。在星形膠質細胞中,GPER的激活與通過激活磷脂酶C(phospholipase C,PLC)途徑和細胞內鈣水平升高的細胞死亡有關。雌激素與GPER結合后,可直接或通過激活MEK1/2/ERK1/2途徑引起蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)的轉位,從而增加GSK-3β的磷酸化。mPTP開放受到GSK-3β的調節,GSK-3β的激活與mPTP的開放關系密切[40],而mPTP的開放又在缺血再灌注后細胞死亡的機制中起著至關重要的作用[41]。雌激素與GPER結合后可能通過調節炎癥整合免疫機制而產生神經保護作用。GPER在免疫循環中具有強大的抗炎作用[42]。Zhang等[43]研究觀察到,GPER能夠通過抑制TLR4介導的小膠質細胞炎癥來減輕缺血性損傷。小膠質細胞中的GPER通過抑制TLR4介導的小膠質細胞炎癥來發揮急性神經保護作用,GPER的激活緩解了小膠質細胞的激活,降低了Iba1和TLR4蛋白表達及TLR4 mRNA水平;GPER能夠抑制炎性細胞分泌的基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)活性。MMPs介導的血-腦屏障破壞是缺血性腦卒中的關鍵環節。GPER的激活能夠抑制NF-κB的活化[43],阻止NF-κB的表達,顯著抑制炎癥相關因子的產生,從而產生神經保護作用。

3 總結與展望

女性絕經后心腦血管疾病患病率增加[44],體現了雌激素的缺乏在女性心腦血管疾病發展中的重要性。雌激素與3種雌激素受體亞型結合,激活雌激素受體,可增加下游NO的合成,減少血管細胞的增殖,通過抗炎和抗凋亡作用調節心腦血管,防止心肌細胞和血管內皮細胞壞死,發揮對心腦血管的保護作用。特定的雌激素受體調節劑,可能成為預防或治療絕經后女性心腦血管疾病的藥物新靶點;同時為絕經激素治療(menopause hormone therapy,MHT)與心腦血管疾病的關系提供新的證據,在達到療效的同時,實現MHT利益最大化。