Apelin/APJ系統在心血管疾病中的生理與病理作用

(1.南華大學衡陽醫學院病原生物學研究所，湖南 衡陽 421001; 2.深圳大學第一附屬醫院，廣東 深圳 518000)

Apelin是Tatemoto等[1]在1998年利用反向藥理學的方法從牛胃組織的分泌物中提取獲得的。它是血管緊張素II 1型受體相關蛋白(Apelin receptor angiotensin receptor-like 1，APJ)的內源性配體。Apelin/APJ在人體組織中分布廣泛，通過自分泌和旁分泌等信號途徑發揮重要的生物學效應，參與多種心血管疾病的發生發展過程。本文就Apelin/APJ系統在心血管疾病中發揮的生理與病理作用綜述如下。

1 Apelin/APJ系統的生物學特征與組織分布

人類的Apelin基因位于Xq25～26，包含3個外顯子和2個內含子，編碼含77個氨基酸的Apelin前體肽，其被翻譯加工后，可以被酶切為多種活性片段：Apelin-12、Apelin-13、Pyr-Apelin-13、Apelin-17及Apelin-36等[2]，其中Apelin-13和Apelin-36片段表達最多，也是被研究的最深入。且Apelin-13比Apelin-36具有更高的生物活性。因此，Apelin-13被更多地用于體外和體內實驗，以研究Apelin的功能。Apelin不同的肽段可表現不同的生物學功能，如Apelin-36抑制HIV入侵的能力最強；Apelin-12降血壓作用最強；Apelin-13誘導細胞遷移的能力遠高于Apelin-36等。

Apelin在機體內分布廣泛。在中樞神經系統、腦垂體、肺、心臟、血管內皮細胞、血管平滑肌細胞、胃腸道和乳腺中都發現有高水平的Apelin表達，而腎臟、骨骼肌中Apelin濃度較低。妊娠和哺乳期，乳腺Apelin的表達可增加7～20倍。由于脂肪組織可分泌Apelin，患有高胰島素血癥的肥胖個體會產生過量的Apelin。

APJ受體基因位于人11號染色體11q12.1段。APJ是一種由380個氨基酸組成的G蛋白偶聯受體，有7個跨膜結構，其氨基酸序列與血管緊張素II 1型受體有30%～40%的同源序列，但并不與血管緊張素Ⅱ結合，故其被稱為血管緊張素受體樣蛋白J受體，簡稱APJ受體。APJ是目前唯一已知的Apelin受體。APJ通過N末端氨基酸殘基與Apelin相互作用，參與機體多種生理、病理過程的調節。APJ受體在體內的表達分布與Apelin類似，在機體各個系統均有表達。在心血管系統，APJ存在于心肌細胞、血管內皮細胞、平滑肌細胞中。在中樞神經系統，下丘腦、丘腦、中腦、網狀結構、大腦皮層、基底神經節等處均有APJ表達。在消化系統中，胃、十二指腸、胰腺腺泡、胰管、胰島細胞中均有APJ高表達[3]。

2 Apelin/APJ在心血管系統中的生物學作用

2.1 Apelin/APJ系統調節血管舒縮功能

Apelin被認為是動脈和靜脈的擴張器，當血管內皮功能正常時，Apelin有較強的舒張血管效應，它能阻斷血管緊張素II(Angiotensin II，Ang-II)的血管收縮作用，促進NO的擴血管作用。Apelin能促使血管內皮細胞釋放NO，舒張血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells，VSMC)達到降低血壓的效應，其機制與Akt/eNOS磷酸化有關。采用一氧化氮合酶抑制劑后，Apelin誘導的降血壓效應明顯受到抑制；APJ基因敲除后，Apelin誘導的eNOS磷酸化作用消失，血管舒張作用也明顯減弱[4]。上述研究提示Apelin通過與APJ受體結合，進而刺激一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)，促進NO合成，發揮降低血壓的作用。Apelin的血管舒張作用依賴內皮細胞，當內皮功能受損時，Apelin反而會引起血管收縮，導致血壓升高。去除隱靜脈的內皮細胞后，用Apelin去刺激內皮受損的血管時發現，Apelin直接與血管平滑肌上的APJ受體結合，刺激肌球蛋白輕鏈收縮，引起血管收縮。在體實驗中，采用不對稱二甲基精氨酸造成大鼠血管內皮受損后，Apelin-13可使內皮受損后血管VSMC肌球蛋白輕鏈磷酸化增加，進而促進血管收縮，加重高血壓的發生[5]。

2.2 Apelin/APJ系統調節血管內皮功能

Apelin/APJ系統在血管內皮中高表達。Apelin/APJ對血管內皮的生理功能包括促進血管內皮細胞增殖、遷移和血管生成幾個重要的方面。Apelin被認為是內皮細胞的促裂劑，在缺氧、血流動力改變、全-反式維甲酸、VEGF等因素刺激下，Apelin表達上調，能促進內皮細胞增殖[6]。Zhang等[7]研究發現，缺氧會上調組織中Apelin/APJ信號系統，進而通過PI3K/AKt和MAPK信號通路促進內皮祖細胞的增殖。許多證據表明，Apelin/APJ能促進內皮細胞遷移。Berta等[8]發現Apelin可增加淋巴內皮細胞的遷移。Kwon等[9]發現，在血流剪切應力的影響下，Apelin可通過誘導血管內皮細胞極化來促進內皮細胞的遷移。流體剪切應力會影響血管內皮細胞中Apelin/APJ基因和蛋白的表達，并通過PI3K/Akt信號通路促進人血管內皮細胞中NO產生。siRNA沉默Apelin可以抑制流體剪切應力引起的Apelin/APJ基因和蛋白的表達，抑制PI3K磷酸化和eNOS的產生[10]，影響流體剪切力暴露下HUVEC的肌動蛋白應力纖維的形成[11]。Apelin可能也具有內皮保護功能，如王波等[12]研究發現Apelin-13能通過AMPK通路抑制同型半胱胺酸誘導的內皮細胞損傷。

2.3 Apelin/APJ系統的正性肌力作用

Apelin/APJ系統對心肌細胞具有正性肌力作用。Szokodi等[13]研究發現，Apelin能增強離體小鼠心肌的收縮力，使左室等容收縮期末壓力增加，隨著Apelin濃度增加，心肌細胞的正性肌力作用增強。Apelin對小鼠心肌細胞靜息肌節長度沒有影響，但能增加心肌細胞的肌節縮短分數，增強心肌收縮力，而對于APJ-KO小鼠，Apelin的這種特異性效應消失[14]。Perjés等[15]發現Apelin通過PKC/細胞外信號調節激酶1/2信號通路轉導，激活下游肌球蛋白輕鏈激酶，使心肌肌絲對鈣離子的敏感性增加，進而增強心肌細胞收縮力。

2.4 Apelin/APJ系統刺激VSMC表型轉化和細胞增殖

Apelin/APJ系統有促進VSMC表型轉化和增殖的作用。成熟血管中膜的VSMC為分化表型，能表達一系列對平滑肌舒張和收縮都非常重要的基因和蛋白質，進而起到調節血管張力的作用。當血管在某種因素刺激下發生損傷時，VSMC的表型轉化為去分化表型，表現出很強的增殖和遷移能力[16]。PI3K/Akt信號通路、ERK信號通路、有絲分裂原激活蛋白激酶通路和血小板衍生生長因子信號通路均可以促進VSMC的表型轉化。而Apelin/APJ系統能激活上述信號通路，這提示Apelin/APJ系統亦可能具有促進VSMC表型轉化的作用[17]。

CyclinD1在VSMC增殖的過程中發揮重要作用，Apelin能上調VSMC中CyclinD1的表達，促進細胞周期由G0/G1期向S期推進，通過加快細胞周期而促進VSMC增殖。研究發現PI3K/Akt/ERK/CyclinD1信號通路和Jagged-1/Notch3/CyclinD1信號通路均參與Apelin促VSMC增殖的過程[18]。Egr-1是核轉錄因子，能調控骨橋蛋白的表達，被認為是VSMC增殖和遷移過程的關鍵啟動因子。Apelin-13在促VSMC增殖和遷移過程中，能上調Egr-1的表達，使骨橋蛋白的mRNA和蛋白的表達增加。He等[19]研究發現，Apelin-13促進VSMC增殖和加重AS的形成，PINK1/Parkin介導的線粒體自噬參與其中。缺氧能觸發VSMCs和內皮細胞中Apelin的表達。但在缺氧條件下，Apelin起到抑制肺動脈VSMCs增殖的作用。自噬參與了缺氧條件下肺動脈VSMCs的增殖，而Apelin通過激活PI3K/Akt/mTOR通道可逆轉VSMCs的自噬和增殖。雖然大量證據表明Apelin有促進VSMCs增殖的作用，但在缺氧條件下Apelin表現出相反的作用。因此，Apelin/APJ系統在促進VSMCs增殖中的作用仍需進一步的研究。

2.5 Apelin/APJ系統促血管生成

Apelin參與生理和病理情況下的血管生成，能促進血管內皮細胞和平滑肌細胞的分裂。Apelin促血管生成方面的研究主要集中在胚胎血管的形成和新生視網膜血管發育方面。Kasai等[20]首次報道了Apelin是視網膜內皮細胞的血管生成因子。通過玻璃體注射Apelin可以誘導視網膜血管網絡內皮細胞的萌芽和增殖。而敲除Apelin或應用Apelin和APJ阻滯劑，可以抑制血管生成[21]。Apelin基因缺失小鼠在胚胎發育期就會出現肌節間血管狹窄，其視網膜血管的發育明顯延遲。在氧誘導視網膜病變的小鼠模型中，APJ拮抗劑ML221可抑制病理性視網膜血管生成[22]。對于Apelin/APJ系統促進血管生成的機制，也有一些學者進行了深入的研究。[Pyr1]apelin-13能增加血管生成分子VEGF、Ang-II和eNOS的表達。Yang等[23]發現Apelin-13能促進心肌微血管內皮細胞的增殖、遷移和血管生成，其促進血管生成的機制與Apelin-13調節心肌微血管內皮細胞中的AMP活化蛋白激酶(AMPK)和蛋白激酶Akt信號通路有關。

2.6 Apelin/APJ系統調節體液平衡的作用

在下丘腦的視上核和室旁核中，Apelin和APJ均有表達，其表達與血管加壓素具有共定位，提示Apelin和血管加壓素之間存在相互作用。給禁水24 h的小鼠腦室內注射Apelin后，可觀察到血管加壓素的釋放明顯下降，從而產生利尿效應。脫水狀態下，大鼠血漿Apelin濃度降低，導致下丘腦神經元中Apelin含量大幅度增加，神經元中血管加壓素含量明顯減少，說明Apelin/APJ系統能拮抗加壓素的作用。除了中樞利尿作用之外，Apelin的利尿效應還能直接作用于腎臟。在大鼠和人類的腎臟中都檢測到Apelin及其受體的表達。野生型小鼠在缺水情況下會出現尿量減少，尿滲透壓升高，而Apelin受體(APJ-/-)缺失的小鼠卻無法將尿液濃縮到同樣的程度。靜脈注射Apelin-17可以使泌乳期大鼠精氨酸加壓素合成和釋放增加，尿量增加，尿滲透壓顯著性降低，而鈉和鉀的排泄無變化。這些實驗均說明Apelin/APJ系統在調節體液平衡方面發揮了重要作用。

3 Apelin/APJ系統參與心血管疾病的發生發展

3.1 Apelin/APJ系統與動脈粥樣硬化

Apelin是AS形成的關鍵介質，與AS形成、發展密切相關。Apelin/APJ系統可能通過促進VSMC遷移和增殖來促進AS的發生，并且加速AS發生的進程。Apelin呈時間和劑量依賴性的促進VSMC的增生和遷移，能促進VSMC從中膜向內膜遷移，導致AS斑塊的形成[24]。敲除APJ可以顯著降低AS小鼠的平滑肌細胞病變和AS的發生。內皮受損是AS發生發展的另一關鍵環節。Apelin/APJ在血管內皮中具有高表達。Li等[25]發現Apelin通過促進內皮細胞中粘附分子及趨化分子的表達，開啟了內皮炎癥相關性AS的發生。外源性Apelin-13可激活NF-κB信號通路，刺激人臍靜脈內皮細胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVECs)分泌表達細胞間粘附分子(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)和血管內皮粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1，VCAM-1)，導致血管內皮炎癥反應啟動和加重，促使AS的進展。單核細胞向內皮細胞黏附亦參與了AS病變過程。Lu等[26]研究發現Apelin-13能促進HUVEC中NOX4源性的ROS生成增加，并誘導HUVEC自噬增加，促進MC-HUVEC的粘附。應用NAC、過氧化氫酶、DPI可抑制HUVEC中的ROS和自噬水平，并抑制MC-HUVEC的粘附，說明Apelin-13通過ROS自噬途徑誘導MC-HUVEC粘附。由于MC-HUVEC粘附在AS的發生發展中起到重要作用，因而認為Apelin可能通過促MC-HUVEC粘附作用來促進AS的發生。

3.2 Apelin/APJ系統與高血壓

高血壓的發生、發展與腎素-血管緊張素系統有著緊密的聯系。Apelin能拮抗AngII收縮血管的功能，參與調節血壓的過程。研究發現，高血壓和隱匿性高血壓患者血漿Apelin水平顯著低于正常血壓者。血液透析合并肺動脈高壓患者的血漿Apelin水平也比單純血液透析無肺動脈高壓者降低[27]。在雙腎一夾高血壓模型、醋酸脫氧皮質酮鹽誘發高血壓模型大鼠中均發現血漿中Apelin減少和心肌、主動脈中APJ表達的減少。因此，血中Apelin濃度降低與高血壓的發生有密切關系。

apelin/APJ系統調節高血壓的機制是多方面的。Apelin/APJ系統可依賴eNOS/NO途徑來誘導血管擴張。Apelin能使大鼠平均動脈壓降低，引起血漿亞硝酸鹽/硝酸鹽比例升高，給予eNOS抑制劑可以阻斷Apelin的降壓作用。APJ敲除后，血管內皮型eNOS磷酸化消失，血管舒張作用也被剝奪。這些研究提示Apelin降低血壓的機制可能是NO依賴性的。Apelin調節血管舒張，降壓的作用在一定程度上也是血管內皮依賴性的。當血管內皮完整時，Apelin與APJ相結合后促進血管內皮細胞產生釋放NO，引起降壓效應；當血管內皮受損時，Apelin則反而使血壓升高。遺傳也被認為是導致高血壓發生的重要因素之一。Apelin基因遺傳缺陷可使高血壓的患病風險增加。Apelin及APJ基因多態性位點的變異與高血壓的發生有關。WU等[28]研究發現APJ基因多態性rs10501367的突變會降低高血壓的發病風險。而Apelin rs11544374基因多態性是高血壓的易感因素。此外，Apelin還可以通過調節miRNA、CD39等其他途徑參與高血壓的調控。Bertero揭示了一個非常復雜的miRNA調控網絡，miR-130/301在ECs中能調節apelin-miR424/503-FGF2信號促進肺動脈高壓的形成。CD39位于內膜細胞表面，能將ATP和ADP水解成AMP，起到抑制高血壓的作用，而Apelin能增強CD39的活性。

3.3 Apelin/APJ系統與心力衰竭

心力衰竭是指各種原因所致心臟收縮和舒張功能障礙，引起心室充盈或射血能力受損的一系列臨床癥候群。Apelin/APJ系統與心力衰竭的關系已經引起研究者的廣泛關注。Szokodi等[13]首次報道了兩種高血壓心力衰竭大鼠模型中，心室肌細胞Apelin的變化。在左心室肥厚和代償性心力衰竭的大鼠心肌中Apelin和APJ的表達增加，而在嚴重代償性心力衰竭的大鼠心肌中Apelin和APJ的表達下調。通過Apelin水平可以預測慢性心衰患者的預后。研究發現，輕度心力衰竭患者血漿Apelin濃度升高，而中重度心力衰竭患者血漿中Apelin濃度降低[29]。EI等[30]發現，血清Apelin水平與左室收縮功能呈顯著正相關。在兒童先天性心臟病的心衰患者中，Apelin水平與患者的預后有關，預后不良的患者血清Apelin水平明顯低于預后良好的患者。

由于Apelin/APJ系統對心衰有改善作用，使Apelin成了心衰治療的新靶點。應用Pyr-Apelin-13治療鹽敏感性高血壓大鼠的終末期心衰，可以顯著改善高血壓大鼠心臟的收縮功能和舒張功能，并抑制大鼠的心功能不全和心血管重構，同時可以降低炎癥因子如TNF-α、單核細胞趨化蛋白-1的表達。在慢性心衰患者，應用Apelin可以促進外周血管和冠狀動脈擴張，增強心肌收縮力和增加心臟輸出量，提高左室射血分數。

3.4 Apelin/APJ系統與心肌梗死

心肌梗死(myocardial infarction，MI)已經成為心血管疾病死亡的主要原因之一。Apelin/APJ系統的表達在MI時發生明顯的變化。Ronkainen等首次證實缺氧可調節心肌細胞中Apelin基因和蛋白的表達。在大鼠MI后35 min和第6周，其心肌中APJ和Apelin表達均升高，機制與缺血缺氧激活缺氧誘導因子-1使Apelin的表達上調有關[31]。臨床研究也發現，在ST抬高心肌梗死(ST-elevation myocardial infarction，STEMI)的急性期，患者血漿Apelin-12水平與肌鈣蛋白水平是呈負相關的。入院時Apelin-12水平越低的患者，其SYNTAX評分越高，血管病變程度越嚴重，主要不良心臟事件發生率越高。因此，Apelin-12被認為可作為STEMI患者主要不良心臟事件預后的標志物[32]。在STEMI患者中，血清Apelin水平還與梗死后冠狀動脈自發性再灌注相關。梗死后發生自發性再灌注的患者血清Apelin水平高于未發生自發性再灌注的患者。血清Apelin水平的升高是STEMI患者自發性再灌注的一個獨立和新的預測指標[33]。

Apelin/APJ系統表達上調對MI后的心肌細胞有保護作用，其能抑制心肌細胞凋亡、增加血管新生、改善心臟功能、減輕缺血再灌注損傷等。動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp-1)介導的線粒體分裂在MI缺血性損傷中發揮重要作用。Apelin能抑制MI時Drp-1的磷酸化，保護線粒體形態，降低缺氧誘導的心肌細胞凋亡，進而能挽救缺血的心肌細胞，縮小梗死面積，使受損的心臟功能恢復正常。Apelin抑制Drp-1活化是保護MI時心肌細胞的機制之一[34]。給MI大鼠注射Apelin-13能促進大鼠心肌血管新生，降低心梗面積和纖維化，從而改善心肌功能障礙。腹腔注射Apelin-13，可以使急性MI小鼠的心肌梗死區面積減小，毛細血管的密度增加，心肌細胞凋亡減少，心臟功能得到改善，并且使祖細胞群增加，其能向心肌血管內皮方向分化。Apelin-13可以改善左室功能，減弱MI后的心肌纖維化，其機制與抑制核轉錄因子NF-κB信號的激活有關。Apelin/APJ系統還是心肌缺血再灌注損傷的潛在治療靶點。Apelin/APJ系統能夠顯著減輕內質網應激誘導的細胞凋亡，保護心臟免受心肌缺血再灌注的損傷。

3.5 Apelin/APJ系統與心房纖顫

心房纖顫是較為常見一種心律失常，其發病率在逐年增加。目前臨床上還沒有很好的能夠預測心房纖顫發生與發展的指標。隨著Apelin在心血管疾病研究的不斷深入，人們發現Apelin與心房纖顫有一定相關性。Ellinor等研究發現，孤立心房纖顫組患者的血漿Apelin水平較無房顫的正常組明顯下降。當心房纖顫患者血漿Apelin水平低于限定值時，其心房纖顫復律后復發的危險率比Apelin水平正常者高3.1倍[35]。常規應用抗心律失常藥物治療的心房纖顫患者，其血漿Apelin濃度降低可作為預測心房纖顫復發的一個獨立因子。Salska等[36]還發現血漿Apelin水平可以作為心房纖顫電復律效果和復發的判斷指標。在心房纖顫的患者中，血漿Apelin濃度較高的患者直流電復律的效果較差，而且復律成功后一個月內心律失常復發率更高。因此，通過血漿Apelin濃度高低，可以預測心房纖顫的治療效果。Apelin可能是通過調節心肌細胞上離子通道來參與心房纖顫的發生發展。研究發現，Apelin能激活細胞膜上的Na+/H+交換，堿化細胞內液，使肌原纖維對Ca2+的敏感性增加。Apelin還能增加狗離體心肌細胞鈉電流的峰值，同時能阻礙鈉電流在失活狀態的恢復，機制可能與激活PKC有關。Apelin通過調節心肌細胞離子通道，縮短心房動作電位時程，調節心臟傳導和興奮，參與心律失常的發生。

4 小結與展望

由于諸多體內外實驗和臨床研究表明Apelin/APJ系統在調節心血管功能方面發揮著重要的生理和病理作用。Apelin/APJ系統參與動脈粥樣硬化、高血壓、心力衰竭、心肌梗死等心血管疾病發生、發展過程，已經成為防治心血管疾病的重要研究靶點。但Apelin/APJ系統在動脈粥樣硬化、高血壓發病過程中的作用尚存爭議，在不同病理條件下，研究結果存在互相矛盾之處，因此，對于Apelin/APJ系統在心血管疾病中的生理、病理作用仍需進一步的研究與探討。