轉化生長因子β在心肌纖維化中的表達及作用

張彩霞 曾 彬

心肌纖維化是由心肌成纖維細胞增殖、細胞外基質(extracellular matrix, ECM)凈積累、微血管再生引起的心臟間質擴張，是多種心臟疾病的常見生理病理過程[1]。成年哺乳動物心肌細胞已經失去再生能力，因此由急、慢性缺血引起心肌細胞的大量死亡會觸發修復程序，導致纖維組織形成。纖維化修復對防止心臟破裂、保持心室結構完整及防止擴張性重構至關重要[2]。壓力超負荷、容量超負荷、代謝功能障礙和衰老等生理刺激也會觸發心肌纖維化反應，同時伴隨著心肌順應性降低、心臟僵硬度增加、心功能障礙等現象。TGF-β是一種多效性細胞因子，分為TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3 3個亞型。其中TGF-β1幾乎存在于所有細胞中，其他同工型則在有限的細胞和組織中表達[3]。TGF-β1來源于多種細胞，可以促進心肌成纖維細胞的增殖和激活而使細胞外基質(主要成分是Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白)的合成增加，這是心肌纖維化的重要機制。

一、心肌纖維化中TGF-β的細胞來源

1.心肌成纖維細胞(cardiac fibroblasts,CFs):盡管心肌細胞占正常心臟組織的大部分，但非心肌細胞(尤其是心肌成纖維細胞)在各種心臟病的發生和發展過程中的作用遠超過心肌細胞。心肌成纖維細胞的主要功能之一是產生和分泌影響心肌細胞形態和功能的生長因子和細胞因子，如細胞外基質、基質金屬蛋白酶(matrix metalloprotein,MMP)和TGF-β等，是心肌纖維化的主要效應細胞[4]。TGF-β1可通過控制心肌成纖維細胞的分化、遷移和膠原蛋白分泌，對心肌纖維化起重要作用[5]。Villalobos等[6]首次發現成年心臟中的初級纖毛結構存在于心肌成纖維細胞表面，并且纖毛成纖維細胞聚集在心肌損傷區域，該細胞器及其必需的信號蛋白多囊蛋白-1(polycystin-1,PC-1)是TGF-β1-Smad3軸激活、細胞外基質蛋白產生及細胞收縮的關鍵要素。此外，心肌成纖維細胞釋放的TGF-β1可以在正反饋回路中進一步促進成纖維細胞活化和增殖，其釋放的旁分泌因子可導致心肌細胞肥大、凋亡和功能障礙[4]。

2.血小板:血小板中TGF-β1的含量是其他細胞的40～100倍，在血小板活化后會迅速釋放, 是血液循環中TGF-β1的主要成分，可代表血漿TGF-β水平。主動脈縮窄手術4周后，大多數野生型小鼠的心臟間質和血管周圍纖維化程度增高，而靶向敲除血小板中TGF-β1的小鼠心肌纖維化程度降低，說明血小板源性TGF-β1在心肌肥厚發病機制中起重要作用[7]。同時，有研究指出，血小板中TGF-β1靶向缺失的小鼠可免受利托那韋誘導的心臟功能障礙和纖維化，而血小板源性TGF-β1可促進蛋白酶抑制劑誘導的心肌纖維化[8]。另外，臨床中癌癥患者在接受放射治療時，電離輻射可直接導致DNA損傷和活性氧的生成，隨后其誘導血小板活化釋放TGF-β1而促進細胞外基質產生和成纖維細胞積累并放大纖維化信號[9]。

3.巨噬細胞(macrophages,MO):巨噬細胞在哺乳動物的發育過程中發揮關鍵作用，并且通過產生生長因子和其他介質為組織提供營養支持，幾乎在所有器官系統中起穩態作用。心臟中的非心肌細胞除了內皮細胞外，心臟間質中還有少量的免疫細胞，包括巨噬細胞、肥大細胞、淋巴細胞和樹突狀細胞等。除了介導組織損傷外，巨噬細胞還可產生多種生長因子如TGF-β、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)等調節內皮細胞的增殖、肌成纖維細胞的活化和血管生成。Shiraishi等[10]的實驗數據顯示替代性活化(M2)巨噬細胞在心肌梗死區的數量明顯增加，并有較強的組織修復能力；而TGF-β1敲除小鼠中該巨噬細胞受抑制，成纖維細胞介導的心肌梗死修復功能受損。此外，巨噬細胞的吞噬功能可以通過誘導TGF-β的釋放來刺激纖維化反應，通過協調炎性反應和阻斷多種促分解途徑來間接促進心肌纖維化[11]。

4.內皮細胞(endothelial cells,ECs)和周細胞(Rouget細胞或壁細胞):TGF-β通過調節內皮細胞和周細胞的功能參與血管系統的發育，由TGF-β介導的細胞應答是促進性亦或抑制性，取決于細胞的分化狀態和細胞周圍環境。TGF-β活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)主要在血管生成部位表達，并在內皮細胞中表達水平最高。TAK1與Smad1/5轉錄因子結合可刺激內皮細胞增殖和遷移，而內皮細胞也可表達TAK5并結合Smad2/3而起抑制作用。TGF-β可誘導前體細胞分化為周細胞和平滑肌細胞，抑制內皮細胞增殖，并促進細胞外基質沉積，從而控制血管生成。內皮細胞也是TGF-β1、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)和內皮素-1(endothelin-1,ET-1)的重要來源，可促進由血管緊張素(angiotensin,Ang)誘導的心肌纖維化的發展[12]。內皮細胞除了具有促纖維化作用外，還可作為纖維化的負調節劑，分泌使心肌成纖維細胞失活的介質[2]。另外，內皮細胞向間質細胞轉化也與心肌纖維化密切相關。

二、TGF-β調節心肌纖維化的途徑

1.TGF-β的主要信號轉導通路:TGF-β的作用途徑涉及經典的細胞內效應子家族Smads和獨立于Smad外的級聯反應。大部分TGF-β受體(TGF-β receptor,TGFβR)位于細胞內部，需要胰島素等生長因子誘導其向細胞表面的轉運。Duan等[13]研究發現TGF-β本身會通過TGFβRⅠ激酶和Akt誘導其受體向細胞表面快速轉運，從而增加了細胞表面TGFβR的含量以及細胞對TGF-β的反應性, 尚未在其他細胞表面受體發現這種應答放大機制。TGF-β1與細胞表面的Ⅱ型受體結合，磷酸化的TGFβRⅡ與TGFβRⅠ形成穩定的異源復合物激活素受體樣激酶5(activin receptor-like kinase 5,ALK5),募集并磷酸化下游信號蛋白Smad2/3，然后Smad4與之結合形成功能性轉錄復合物，通過與親和力高的DNA轉錄因子結合或調控啟動子序列而引發靶基因的轉錄反應[14]。另外，該復合物易位至細胞核還可調節Smad7的轉錄，Smad7可通過泛素蛋白酶降解系統降解Smad2、Smad3和TGF-β1，在心肌纖維化中起抑制作用[15]。關于糖尿病性心肌病中心肌纖維化機制的最新研究發現，高糖可誘導心肌成纖維細胞中鈣敏感受體(calcium-sensing receptor,CaSR)的表達增加，從而通過Ca2+/PKC/P38-MAPK途徑上調TGF-β1[16]。因此TGF-β-Smad2/3信號通路的激活在心肌纖維化、心肌梗死、心臟炎性反應和心臟基質成分的合成中十分重要。除了Smad介導的經典信號轉導，TGF-β還可激活PI3K-Akt-mTOR、ERK/JNK/P38-MAPK以及Rho樣GTPase信號通路。

2.TGF-β的轉錄后調控: 心肌纖維化的發生和發展與TGF-β1/Smads途徑的激活密切相關。然而，在TGF-β1驅動的心肌成纖維細胞的纖維化反應的所有基因中，有1/3在翻譯水平上受到調控的，而與RNA轉錄本的豐度無關[17]。微小RNA(microRNA,miRNA)是細胞表型的關鍵調節因子，可通過與3′-非翻譯區(3′untranslated region,3′-UTR)結合來抑制翻譯或促進目標mRNA的降解來微調蛋白質表達，已被證明是一類新型的心血管疾病調節劑。部分研究表明，miRNA既可激活腫瘤相關TGF-β信號通路，又可抑制心肌纖維化TGF-β信號通路中相關蛋白的表達[18]。Zhao等[19]研究發現，miR-101a可直接靶向結合TGFβRⅠ阻斷TGF-β信號通路和下游分子的表達，通過抑制肌成纖維細胞的分化、遷移來改善心肌梗死后纖維化和功能障礙。在犬心房顫動模型中，心房組織的TGF-β1和TGFβRⅡ的蛋白質表達水平顯著上升，而miR-133和miR-590的水平降低了60%～70%；同時，將miR-133或miR-590轉染到體外培養的心房成纖維細胞中會降低TGF-β1和TGFβRⅡ水平以及膠原蛋白含量[20]。也有研究發現，miR-15家族可通過TGFβRⅠ、Smad、Smad7靶向激活TGF-β信號轉導[21]。這些實驗結果都說明TGF-β1及其受體可作為miRNA的靶標。

三、TGF-β對心臟功能的影響

1.TGF-β在心臟收縮功能中的作用:根據組織病理學的不同，心肌纖維化分為間質纖維化、血管周圍纖維化和替代性纖維化3類。前兩者通常與舒張功能障礙有關，而由心肌細胞原發性壞死引起的替代性纖維化與收縮功能障礙有關[3]。心臟富含控制電生理功能的離子通道，細胞外基質過度產生和沉積會導致心肌電生理功能的破壞，多效性TGF-β1調節離子通道也較常見。早前就有研究發現，TGF-β1處理的新生大鼠心肌細胞中Na+/Ca2+交換子的mRNA水平更高、肌質網功能更為發達，因此TGF-β1可使心肌細胞的收縮頻率增加。另外，高血糖會引起TGF-β及其受體的表達變化，促進糖尿病性心肌病的發展，從而間接引起左心室肥大、心臟舒張和收縮功能障礙[22]。心肌細胞收縮力下降與端粒縮短有關，絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim1可通過抑制TGF-β途徑下游效應子Smad2和Smad3的磷酸化來維持心肌細胞端粒的長度，拮抗端粒相關的心肌細胞衰老和功能障礙。

2.TGF-β在纖維化心臟的心律失常中的作用:纖維化可通過形成不均勻分布的細胞外基質蛋白而損害心肌細胞泵功能而引發心律不齊。與對肌成纖維細胞的影響相反，心臟特異性過表達TGF-β1不能影響單個心肌細胞的膜電位和膜電阻，心肌細胞僅在與肌成纖維細胞結合時會發生部分去極化。另外，心肌成纖維細胞可通過整合素-β和鈣黏著蛋白家族與心肌細胞相互作用。Lu等[23]研究發現，TGF-β1可上調鈉泄漏通道使神經元去極化，因此推測TGF-β1可能對肌成纖維細胞去極化有重要作用。Salvarani等[5]研究顯示，TGF-β1可以改變心肌成纖維細胞的電生理表型，從而使離子通道、離子泵和連接蛋白的基因表達發生變化，這些變化超出了成纖維細胞在收縮力、細胞外基質成分分泌等方面的調控能力，表明TGF-β1可能在纖維化心臟的心律失常中起重要作用。因此，血漿TGF-β1的水平可能成為評估心律失常的生物學標志物，而由TGF-β1調節的離子通道可能會成為抗心律不齊治療中的新靶點。

四、展 望

目前，大量研究已經證明了TGF-β在心肌纖維化、心肌重構、心律失常、心力衰竭等生理病理過程中的重要作用。因此，通過受體拮抗、抗體或反義寡核苷酸抑制、特異基因缺失等途徑阻斷TGF-β信號轉導是潛在的治療策略。本文主要敘述了心肌纖維化過程中TGF-β的來源、TGF-β調節纖維化的重要途徑以及TGF-β對心臟功能的影響機制，說明了TGF-β在心肌纖維化發生、發展過程中的獨特作用。成年哺乳動物的心臟再生潛能受限、纖維化的細胞類型和信號通路復雜、心臟損傷后的微環境不穩定，仍然缺乏有效抑制或逆轉纖維化的治療方法。目前尚無批準用于治療心臟纖維化的藥物，細胞移植、生物材料、重編程成纖維細胞等新技術可能為治療心臟纖維化提供新方向。由于TGF-β的多效性，在治療心肌纖維化過程中總體抑制TGF-β的信號轉導系統可能對心血管系統和其他器官產生不良影響。因此，TGF-β系統在心肌纖維化中的特異性作用及分子機制需要更深入研究。