成纖維細胞在心肌梗死后炎癥和修復中的作用

孔春燕 唐其柱

成纖維細胞由胚胎時期的間充質干細胞分化而來，廣泛存在于心臟、腎臟、肝臟、皮膚等器官間質中，可增殖、分化為纖維細胞并參與組織結構穩定性的維持，同時也具有很強的可塑性，在外周微環境改變時，展現為不同表型以適應器官結構功能[1]。成纖維細胞的活化主要發生于器官組織損傷等細胞周圍微環境改變時[2]。活化的成纖維細胞表達成纖維細胞激活蛋白α(fibroblast activation protein α, FAPα)。FAPα是表達于成纖維細胞膜表面的膜結合絲氨酸蛋白酶，為兩個亞基構成的二聚體，具有分解細胞外基質(extracellular matrix, ECM)和Ⅰ型膠原的活性；此外，活化的成纖維細胞還可以表達二肽酰基多肽酶Ⅳ(同為絲氨酸蛋白酶)，并促進基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs)合成[3]。

成纖維細胞是心臟中常見的組成細胞，在正常心臟中的占比與種屬及發育階段密切相關。早期Zak和Nag等的研究量化了成年大鼠左心室中細胞數量和組成，后來進一步的研究擴大到整個心臟，結果顯示非心肌細胞(成纖維細胞、內皮細胞、周細胞等)的比例約為70%。Banerjee等[4]使用流式細胞儀分析小鼠心臟，顯示45%的細胞是非肌細胞，其中心肌成纖維細胞占主導地位，約為55%。心肌成纖維細胞、內皮細胞、周細胞等缺少特異性標志物，因此非心肌細胞的準確量化存在困難。在心臟正常發育中，大部分心肌成纖維細胞是由心外膜細胞分化而成的[5, 6]。心肌成纖維細胞亞群主要位于室間隔內，在瓣膜中通過內皮-層間質轉移從心內膜衍生出。而在右心房中發現的小部分心肌成纖維細胞則來源于神經嵴。盡管心肌成纖維細胞在正常心臟中所占比例比之前描述的要少，但成纖維細胞在心臟中仍是一種中樞細胞類型。心肌成纖維細胞不僅通過維持ECM的內穩態來保護心臟結構的完整性，為心肌細胞提供一個支架，還在梗死后心室修復和重構中起關鍵作用。

當心臟主要灌注動脈發生梗阻時，心肌細胞缺血壞死，造成心肌梗死(myocardial infarction, MI)。梗死的心肌細胞釋放損傷相關分子模式識別受體 (damage associated molecular patterns, DAMPs)。位于成纖維細胞表面的模式識別受體如toll樣受體、核苷酸結合寡聚類受體和維甲酸誘導基因Ⅰ受體或非典型模式識別受體，可以識別DAMPs進而激活成纖維細胞[7]。活化的成纖維細胞表達FAPα、二肽酰多肽酶Ⅳ和MMPs，分解受損區域ECM和Ⅰ型膠原，清除受損細胞和組織碎片，釋放與ECM相結合的生長因子，發揮促生長作用。同時，為中性粒細胞、巨噬細胞等炎性細胞的浸潤開辟通路，為非心臟定居成纖維細胞的轉移以及內皮細胞遷移和血管的生成提供條件。活化的成纖維細胞可以表達生長因子并促進ECM生成，使得膠原和非膠原ECM在MI區域沉積形成膠原-纖維蛋白網絡維持心臟的結構功能。因此，成纖維細胞的活化在MI后的炎性反應和修復活動中扮演著重要角色。

一、成纖維細胞與炎性反應和組織修復的關系

傳統意義上，成纖維細胞被認為是合成細胞外基質的靜態細胞，近年來多項研究表明成纖維細胞在免疫系統中也作為關鍵活躍細胞存在。這說明在組織損傷中成纖維細胞不僅參與組織的損傷修復，還在炎性反應中發揮作用。成纖維細胞的增殖、活化和累積可以填補壞死組織區域細胞空缺，并產生大量ECM構成細胞外周間質，達到維持結構和功能完整性的目的。但是過度的膠原和非膠原ECM的沉積也可以導致器官纖維化過程，導致結構和功能失調。成纖維細胞參與的炎性和免疫反應是纖維化過程的基礎，其中先天免疫和適應性免疫系統都有參與[8]。

組織損傷時，受損的上皮和內皮細胞釋放DAMPs，刺激成纖維細胞釋放生長因子和趨化因子，使中性粒細胞、單核細胞、巨噬細胞和肥大細胞先后活化并向受損部位轉移。中性粒細胞作為最先出現的免疫細胞釋放大量的活性氧參與損傷組織處的炎性反應[9]。

巨噬細胞是組織重構和纖維化過程的重要效應細胞，在組織損傷中也受到活化的成纖維細胞的激活。成纖維細胞刺激巨噬細胞產生MMPs和其內源性抑制物 (tissue inhibitor of matrix metalloproteinases, TIMPs)，兩者的內在平衡是ECM沉積和降解的關鍵。除了MMPs，巨噬細胞也是TGF-β的主要產生者，促進細胞外基質的產生和損傷的修復[10]。

隨后適應性免疫中，成纖維細胞刺激T細胞和B細胞的活化。成纖維細胞促進Th1、Th2和Th17細胞活化，活化的T細胞分別產生干擾素γ (interferon-γ, IFN-γ)、白介素-13 (interleukin-13, IL-13)和白介素-17α (interleukin-17α, IL-17α)。IFN-γ控制巨噬細胞的分化、轉移和激活，促進損傷修復。IL-13是調節纖維蛋白產生最顯著的細胞因子，通過c-jun NH2末端激酶依賴的方式和IL-4結合可以誘導人成纖維細胞的表型轉變為肌成纖維細胞參與修復。IL-13也可以抑制成纖維細胞MMPs合成，進而下調基質降解，使得膠原沉積。IL-17α誘導促炎性因子表達，招募和激活中性粒細胞，從而刺激損傷組織炎性反應。受成纖維細胞激活的B細胞表達細胞因子IL-6，趨化因子2 (chemokine ligand 2, CCL2)和TGF-β，引導炎性細胞轉移和浸潤。

二、心肌梗死后心肌重構

心肌重構是在心臟損傷或血流動力學變化時，心肌細胞基因表達發生改變所引起的心臟結構的改變。心肌重構以心肌細胞纖維增多、細胞骨架的改變、心肌細胞收縮裝置結構改變和能量代謝的異常為主要表現。心肌重構后，心肌細胞代謝和結構異常使得能量供應達不到心肌細胞活動的需要，導致心肌損傷和心功能惡化，嚴重時可導致心力衰竭。心肌重構可由MI引起。在MI發生時，心肌組織急性缺血缺氧導致心肌細胞壞死，此時梗死區域可出現膠原沉積、瘢痕形成、纖維化、非心肌細胞肥大和心肌細胞肥大等代償性的心肌重構，以平衡心室壁壓力和維持心臟功能。

MI后的心肌重構是一個持續的過程，該過程包括炎性反應和組織瘢痕修復兩個主要階段。MI最初的幾天至幾周，心肌細胞釋放細胞因子，激活多重炎性反應。 成纖維細胞釋放多種基質金屬蛋白酶類，降解基質膠原纖維和心肌細胞碎片，為炎性細胞浸潤開辟通道。細胞因子TGF-β增加成纖維細胞趨化性和增殖活性，促進巨噬細胞活化。白細胞從循環轉移至梗死區域產生炎性因子促進炎性反應，T細胞和B細胞受到激活分化為效應細胞參與壞死結構的清除。MI后的早期炎性反應不僅清除了壞死細胞和基質，減少了有害物質，如氧自由基的產生和梗死面積的擴大，還為組織的瘢痕修復提供了空間和結構基礎。在后續的幾個月甚至幾年中，梗死區域由纖維化瘢痕替代以維持心臟結構和功能[11]。MI后的纖維化過程分為兩種類型：修復性纖維化和反應性纖維化。修復性纖維化，即瘢痕形成，是預防心肌缺血性損傷后心室壁破裂的關鍵過程，主要發生在MI早期修復階段[12]。然而，MI后機械應力的增加再加上激素和旁分泌調節因子的作用可導致反應性纖維化。反應性纖維化時，梗死區域周圍的結締組織繼續向周圍擴張，在梗死邊緣區和未受傷的心肌中也發生纖維化。

MI后的心肌重構會導致心室順應性下降、室壁硬度增加從而降低心排出量。除了對心臟收縮力的影響之外，纖維化瘢痕也被證明會干擾心肌細胞正常的電生理活動，從而導致心律失常[13]。致密的瘢痕區是絕緣的非興奮區，錨定室壁可以導致持續性室性心動過速。在心肌細胞間質的纖維化中，心肌細胞之間的非傳導性纖維膠原網絡可能通過誘導焦點異位活動，減慢或阻斷傳導而導致折返性心動過速。此外，肌成纖維細胞和心肌細胞的電子偶合可能在纖維化引起的心律失常中發揮作用[14]。毫無疑問，MI導致的代償性心肌重構已成為MI后心律失常和心力衰竭的主要危險因素，大大地提高了心血管疾病的整體病死率[15]。

三、成纖維細胞在心肌梗死中的作用

成年哺乳動物的心肌細胞數目不會增加，成熟機體的心肌細胞不會增殖分化出新的心肌細胞。心肌損傷后心肌細胞的再生修復能力十分有限，心肌細胞一旦發生壞死或者凋亡，該區域丟失的細胞則被非心肌細胞取代。MI后的心臟修復過程是一個精細的過程：損傷修復的任何步驟出現誤差都會引發災難性的后果，如心室擴張、心肌纖維化或室壁瘤、心臟破裂。最終可導致死亡的發生。成纖維細胞在MI后的炎性反應和修復中均發揮有重要作用。

在MI后，心肌結構的完整性受到破壞使成纖維細胞暴露于機械壓力下，損傷上皮和內皮通過膜受體TLRs(toll like receptors，TLRs)激活成纖維細胞。活化的成纖維細胞釋放生長因子(TGF-β等)并表達基質蛋白酶，促進基質膠原和蛋白的分解、釋放與基質膠原等結合的生長因子。受損的上皮細胞和內皮細胞釋放細胞因子引發成纖維細胞反應后，活化的成纖維細胞可引起生長因子和趨化因子聯合作用，誘導中性粒細胞和單核細胞大量流入MI區域。中性粒細胞作為最先反應的炎性細胞，在被成纖維細胞激活后，啟動急性炎性反應，吞噬壞死細胞和組織碎片，以促進MI修復。然而，過度和持續的中性粒細胞浸潤或延遲消除可通過炎性介質和蛋白酶的釋放加劇MI程度[16]。中性粒細胞通過NADPH氧化酶釋放大量活性氧和顆粒酶(MMPs、彈性蛋白酶等)刺激成纖維細胞活化和心臟纖維化[17]。實驗表明抑制NADPH氧化酶對成纖維細胞活化以及心肌梗死后心肌纖維化均有抑制作用[18]。

適應性免疫中，成纖維細胞可使B細胞分化為漿細胞發揮作用。漿細胞可分泌因子IL-6引發心肌基質細胞向肌纖維化細胞轉化，又可促進成纖維細胞增殖、膠原增加和TIMP合成；最近的一項研究表明B細胞活化因子是膠原蛋白、TIMP、MMP-9等在成纖維細胞中表達的誘導因子，也促進促炎性和親纖維化因子IL-6、CCL2T的合成和釋放。 T細胞表達的IL-17α誘導促炎性調節因子IL-1、IL-6、TNF-α、CXCL-8和集落刺激因子的表達，誘導成纖維細胞向MI區域的遷移和向肌成纖維細胞的轉化；另外，IL-17α通過NF-κB，AP-1和CCAAT增強結合蛋白(C/EBP)-β的激活增加成纖維細胞MMP-1的表達和激活蛋白激酶C (PKC)β/Erk1/2/NF-κB通路減輕纖維化程度[19]。這些炎癥相關的刺激因子、細胞因子和生長因子誘導成纖維細胞的增殖、遷移到梗死區域，并轉化為肌成纖維細胞。肌成纖維細胞是表現成纖維細胞和平滑肌細胞特性的細胞，在健康的心肌中不表達[12]。肌成纖維細胞最突出的特點是它們的遷徙和收縮表型，表現為α-SMA和非肌肉肌漿球蛋白的合成。同時，細胞質中也存在廣泛的內質網用于合成和分泌大量的ECM蛋白，用于損傷后的結構修復和功能穩定[20]。

在MI炎性反應和瘢痕成熟階段，首先是炎性反應期，壞死的心肌細胞能夠釋放大量DAMPs，激活固有免疫通路。實驗證明壞死的心肌細胞釋放IL-1α通過細胞膜表面TLRs激活成纖維細胞向MI區域遷移并促進白細胞等炎性細胞浸潤[21]。IL-1信號誘導MMP的表達促進基質降解。在此期間，IL-1抑制成纖維細胞增殖，抑制成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞，延遲瘢痕組織形成及修復反應過程，直到梗死區域死細胞和基質碎片被清除[10]。隨后在瘢痕成熟階段，適應性免疫被激活。成纖維細胞在IL-17α等轉化生長因子的刺激下活化為肌成纖維細胞，使得ECM合成增多、膠原基質沉積、細胞間連接形成，梗死區域纖維化瘢痕形成暫時性的維持了心臟的結構和功能。

肌成纖維細胞在瘢痕形成后數量急劇下降，但是MI發生多年后仍可在愈合瘢痕處找到一定的肌成纖維細胞，殘存的肌成纖維細胞對維持瘢痕處的力量和舒縮性有重要作用，也是適應性瘢痕產生的重要條件[22]。但是長期存在的活化的肌成纖維細胞和持續產生炎性細胞因子，特別是在非梗死區域的心肌組織中造成持續性炎性反應，神經內分泌調節紊亂，血管壁硬化，心臟功能不足，最終可導致心力衰竭。

四、展 望

成纖維細胞在心肌層中分布廣泛。MI時，成纖維細胞可以通過巨噬細胞、T細胞、B細胞等炎性細胞的刺激而活化為肌成纖維細胞從而參與炎性反應過程；活化的肌成纖維細胞還可以合成和釋放轉化生長因子促進細胞外基質的形成和膠原的沉積從而參與組織修復過程。成纖維細胞的分布特性及其在心肌梗死過程中的作用，使它成為心肌梗死后的重要效應細胞。盡管心肌梗死早期成纖維細胞的活動有利于壞死組織的清除和新膠原和非膠原基質的形成，有減少心室壁破裂風險、維持心臟結構和功能的作用；但是MI區域修復后成纖維細胞的持續存在和適應性纖維瘢痕的產生，可引起心肌細胞細胞外間質纖維化，使得心室壁順應性下降、彈性減少或消失，心臟舒縮功能失代償，甚至有心臟破裂、心力衰竭等嚴重后果。在心肌梗死時，控制免疫系統中性粒細胞、巨噬細胞、T細胞和B細胞等的激活程度及其相關細胞因子的產生，對于成纖維細胞的增殖、轉移和分化有一定的控制作用。因此，可以從成纖維細胞在心肌梗死后的炎性反應和修復反應中起到的作用入手，探索控制成纖維細胞修復心肌梗死區域和防止心臟纖維化的作用靶點，從而減少心肌梗死修復后適應性瘢痕的產生，減輕心室重構。