细胞因子在心肌组织结构重构中的作用研究进展

陈 维 综述，胡 蓉 审校

(重庆医科大学附属第二医院心内科，重庆 400010)

随着我国人口老龄化进程的加剧，心脏疾病已成为日渐增长的公共卫生问题。心肌组织结构重构是许多心脏疾病的共同病理特征，与高血压、心肌病、心脏瓣膜病和心肌梗死等密切相关。而心脏结构的不良重塑将引起心肌僵硬度增加、收缩力下降、冠状动脉血流储备降低等临床表现，心脏结构的不良重塑是导致心力衰竭的关键因素，也是导致患者死亡的主要原因之一。心肌组织结构重构的特性在病理上表现为心肌纤维化的形成，在细胞水平上表现出心肌细胞病理性肥大和心肌间质成纤维细胞的增殖及细胞外基质蛋白沉积。新近研究揭示炎症信号和免疫细胞的活化在心肌组织结构重构中起重要调控作用，如转化生长因子(TGF)、神经体液因子例如血管紧张素Ⅱ(Ang Ⅱ)、白细胞介素(IL)、结缔组织生长因子(CTGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)等均参与该病理生理过程。本文就这些细胞因子在心肌组织结构重构中的作用进行综述。

1TGF-β

TGF-β在肥厚和纤维化的心脏中高表达，被认为是激活心脏纤维化形成机制的主要细胞因子和关键介质之一。TGF-β有3种配体：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，在正常组织修复和病理性纤维化中TGF-β1的表达上调。TGFβ1可以调控靶基因的转录，在组织的修复和纤维化、炎症中起到关键作用[1]。TGF-β1发挥作用有2种途径即所谓的经典途径和非经典途径，经典和非经典TGF-β信号通路对血管内皮细胞和血管平滑肌细胞的增殖、迁移和分化具有重要的调控作用。经典途径的TGF-β1以蛋白水解的形式被激活后与TGF-β Ⅰ型和Ⅱ型受体结合。对于成纤维细胞而言，TGF-β1受体是一种激活素连接激酶5(ALK-5)。ALK-5可以磷酸化Smad2/3，磷酸化后的Smad2/3与Smad4结合后转位进入细胞核并激活基因转录从而引起细胞纤维化的表达[2]。非经典途径信号的TGF-β1激活MAPK信号级联反应协调转录程序，MAPK家族的信号级联可以将细胞外信息通过与跨膜受体蛋白结合后传递至细胞核中，从而导致心肌细胞中炎性和纤维化基因的表达增加[3]。TGF-β通过上述途径激活配体后可以上调基质组织抑制剂金属蛋白酶(TIMP)的表达，同时抑制基质金属蛋白酶(MMP)的表达来促进基质的沉积。TGF-β信号通路的活化有助于心肌纤维化形成，在心肌梗死的愈合边缘TGF-β/Smad3通路被明显地诱导激活并且表现出对心肌梗死的保护作用[4]。在风湿性心脏病患者心脏瓣膜中也发现TGF-β/MAPK的激活明显增加[5]。一项研究表明，在小鼠心脏中抑制TGF-β对成纤维细胞的活化(无论是用中和抗体将TGF-β中和亦或是使用阻断剂阻断Smad 的磷酸化)，可以减少小鼠心肌细胞的纤维化[6]。但该研究也发现使用中和抗体全面阻断TGF-β后也降低了小鼠心肌细胞对损伤性刺激的适应能力，最终致使血管重塑不良并导致死亡率增加[6]。只有当中和性抗体与病变心肌细胞靶向结合时，才能改善心脏功能、降低心肌肥厚而不增加死亡率。抑制TGF-β信号通路作为药物的靶点已经表现出良好的应用前景，但目前临床上要想靶向地阻断TGF-β仍有困难。TGF-β涉及的靶细胞种类多且生理效应复杂，精准地阐述TGF-β信号通路在心脏结构重构中的作用将有利于研发出更加特异性和更优化的治疗方案。

2 Ang Ⅱ

肾素-血管紧张素系统-醛固酮(RAAS)已被发现100多年，该系统中最活跃的成分——Ang Ⅱ除了与高血压相关外，还参与其他众多的病理生理作用，如细胞周期控制、代谢调节、凋亡和免疫，这些重要的生理病理作用往往与心血管结构重塑、肾病进展、糖尿病胰岛素代谢异常等密切相关。在心脏成纤维细胞中，Ang Ⅱ激活Smad3和细胞外信号调节激酶来诱导胶原蛋白的表达；Ang Ⅱ激活Smad3和细胞外信号调节激酶的过程是需要依赖IL-6的介导下方可完成[7]。Ang Ⅱ导致心肌纤维化的另一个机制可能与miR-29b有关。一项研究发现miR-29b的过表达可以抑制Ang Ⅱ诱导的纤维化，心脏miR-29b的过表达能够通过阻断TGF-β/ Smad3信号传导来预防Ang Ⅱ诱导的心脏纤维化和心脏功能障碍[8]。这项研究确定了Ang Ⅱ通过TGF-β/ Smad3依赖性机制下调miR-29b介导高血压性心肌纤维化，并提出无创超声微泡介导的miR-29b是治疗高血压心脏病的一种新疗法。此外，一项研究表明血管紧张素受体抑制剂可以减轻非梗阻性肥厚型心肌病患者的心肌肥大和纤维化进程[9]。目前在临床实践中血管紧张素受体抑制剂具有逆转心肌结构重构的临床疗效。与20世纪80年代相比，心力衰竭的病死率已经降低了50%～80%，而这一惊人成就的取得得益于心力衰竭机制的阐明和RAAS的积极应用。著名心脏病学专家BRAUNWALD将RAAS阻断剂列为近百年心血管领域影响最大的几种药物之一，针对神经内分泌系统为靶点的药物已经展现出光明的前景。

3IL

3.1IL-6 IL-6是一种多功能的炎症细胞因子,参与多种心血管病变的发生发展过程。IL-6可以调节心肌肥大，IL-6家族的成员通过跨膜gp130蛋白亚基发出信号，进而使下游第二信使磷酸化，从而又激活信号转导和转录激活[10]。IL-6对心肌细胞和非心肌细胞有多种作用，输注IL-6可以诱导心肌肥大、纤维化和功能障碍。一项相关研究发现用高盐饮食同时喂养正常小鼠(对照组)和IL-6基因敲除的小鼠(实验组)，结果表明虽然2组小鼠的血压都有相似程度的升高；但与实验组相比，对照组小鼠的左心室射血分数下降程度、心肌纤维化和巨噬细胞浸润程度更为严重[11]。这表明IL-6的敲除并不会阻止高盐诱导的高血压和心脏肥大的发生，但可以防止心脏功能障碍、心肌炎症和纤维化的发展。IL-6水平的升高与冠心病风险的逐步升高有关，有研究表明，IL-6是心血管死亡和全因死亡较强且独立的预测因子[12]。一项荟萃分析也表明，具有IL-6基因多态性的亚洲人患冠心病的易感性增加[13]。托珠单抗是针对IL-6R的人源化抗单克隆抗体,有研究表明，托珠单抗可抑制非ST段抬高型心肌梗死患者的心肌炎性反应,并减少肌钙蛋白T释放[14]。IL-6参与众多心脏疾病的病理过程，但是目前对IL-6信号通路了解并不十分完善，需要进一步探索IL-6作为潜在治疗靶标的机制。

3.2IL-33 IL-33是Th2细胞的活化因子，能够刺激肥大细胞产生炎症因子。IL-33主要由心脏成纤维细胞表达，其表达受循环压力的上调[15]。IL-33的受体ST2有跨膜ST2同工型和可溶性ST2同工型这2个主要的类型，IL-33与膜结合的ST2L受体结合，在心肌中起着抗心肌肥大和纤维化的作用[16]。IL-33对培养的静止细胞几乎没有影响，但在肾上腺素或Ang Ⅱ等刺激下，IL-33发挥着剂量依赖性的抗肥大作用。动物实验中，敲除IL-33基因后会加剧心肌炎性反应及心脏重塑事件[16]。IL-33的受体ST2已经被证明是心肌纤维化和心力衰竭进展的标志物，并且可以作为预测心血管疾病患者预后的生物学指标[17]。有关IL-33的很多研究尚停留在细胞水平或动物模型中，随着研究的不断深入将更加精准地评价IL-33对人类心脏疾病的作用机制，并将其应用于预防或治疗心脏疾病。

3.3IL-1 IL-1家族由2种激动剂(IL-1α、IL-1β)和1种拮抗剂(IL-1RA)组成。IL-1β是一种促炎性细胞因子，在心力衰竭中会逐渐升高，可能起着负性肌力的作用。关于心肌细胞培养物和动物实验表明，IL-1β调节着心肌的收缩和舒张[18]。IL-1β缺陷型小鼠可减轻压力超负荷引起的心脏肥大和功能障碍，在小鼠中注射IL-1β可导致小鼠心脏功能障碍[19]。接受IL-1β受体阻滞剂的心力衰竭患者表现出运动能力和耗氧量增加，这表明IL-1β阻滞可能成为一种潜在的药物治疗新策略[18]。在一项临床随机对照研究中，使用IL-1阻断剂anakinra治疗HFpEF(射血分数保留性心力衰竭)患者14 d可后显著降低全身炎性反应，并且改善了患者的有氧运动能力[20]。同样，在针对HErEF(射血分数下降心力衰竭)患者的随机对照实验中，使用anakinra治疗后同样也能降低患者血浆C反应蛋白水平并且能改善患者生活质量[21]。因此，IL-1可能是治疗心力衰竭的一个新靶点，针对IL-1为靶点的药物有望为心力衰竭患者带来新的曙光。

3.4IL-10 IL-10是由辅助性T淋巴细胞分泌的一种抗炎性细胞因子，可以抑制巨噬细胞向心脏浸润。IL-10可以降低肿瘤坏死因子α(TNF-α)的mRNA稳定性，对小鼠颈动脉损伤后炎症介导的内膜增生有抑制作用[22]。小鼠的IL-10基因敲除后加剧了异丙肾上腺素和TAC(横向主动动脉缩窄)引起的心脏肥大和病理性重塑；而补充IL-10则通过激活STAT3和核因子-κB(NF-κB)来抑制，甚至逆转TAC诱导的心脏重塑[23]。另一项相关研究也表明，用Ang Ⅱ处理IL-10基因敲除的小鼠表现出心室扩张继而出现心功能恶化的表现，而在野生型小鼠中输注Ang Ⅱ则心脏功能正常[24]。IL-10有着很强的抗炎作用，但是目前临床试验尚未取得明显的净获益[25]。从抗炎性细胞因子的角度设计心血管药物可能是未来的一个药物研发方向，但对于IL-10的作用机制及临床应用还有待进一步研究。

4CTGF

CTGF也被称为CCN2，是细胞外基质分泌的CCN(Cyr61、CTGF和Nov)蛋白家族的成员，在包括心脏纤维化等的纤维化疾病中高表达[26]。CCN2具有多种生物学作用，参与细胞增殖、细胞黏附、细胞迁移和细胞外基质的产生，特别是对心脏纤维化的致病过程至关重要。一项动物研究表明，与生理盐水对照组相比，暴露于Ang Ⅱ的动物心肌中CCN2 mRNA在6 h达到高峰，而TGF-β在3 d才达到高峰[27]。该研究还表明响应CCN2的作用，浸润的纤维细胞能够促进细胞外基质沉积，从而促进纤维化发展[27]。另一项动物研究表明，使用CCN2抗体可改善小鼠胸主动脉缩窄后超负荷的心脏出现不良的左心室重塑和左心室功能障碍[28]。同时有研究表明，葫芦素Ⅰ可以通过靶向阻断CTGF/TGF-β信号传导从而起到改善心肌肥大的作用[29]。也有研究表明，中药黄芪甲苷能够改善慢性心力衰竭模型大鼠心脏功能,减轻心脏纤维化的程度，可能是与其抑制心肌组织CTGF的过度表达有关，并呈现剂量的依赖性[30]。CCN2可能是心肌纤维化的治疗靶标，可能是逆转心脏组织不良重构的新方向，但其临床作用仍需大规模实验来证实。

5PDGF

PDGF由一个复杂的同二聚体或异二聚体生长因子家族组成，包括PDGF-AA、PDGF-AB、PDGF-BB、PDGF-CC和PDGF-DD，它们通过作用于PDGFRα和PDGFRβ受体发挥作用[31]。心肌梗死后，上皮细胞、巨噬细胞和成纤维细胞中的PDGF A、D显著增加，其促血管生成及纤维化的作用短期内对心脏损伤部位起着重要的修复作用，但其长期过度表达会最终导致心力衰竭[32]。动物实验表明，注射PDGF 的α受体阻断剂可以减轻压力超负荷引起的心房纤颤，而输注PDGF-AA会刺激正常心脏发生心房纤颤[32]。有研究表明，伊马替尼可以减少心肌成纤维细胞中PDGFRα活化从而降低心脏纤维化，该研究指出，伊马替尼可能是心脏纤维化的潜在治疗选择[33]。PDGF信号通路与心血管疾病及其他纤维化疾病密切相关，但考虑PDGF信号途径有关分子的复杂性，目前针对该途径开发抗纤维化剂可能会十分困难。

综上所述，细胞因子对心肌细胞及人体的影响既存在有利的方面也存在不利的方面，其中部分作用机制尚未研究清楚，如何利用细胞因子改善心脏不良重构并降低不良反应仍亟需进一步研究。细胞因子是心脏结构重塑中的关键调节因子，针对这些细胞因子开发激动剂或拮抗剂有望为改善心力衰竭等患者的症状、降低心血管疾病死亡率、改善预后提供新的治疗策略。