中醫藥調控心力衰竭分子機制研究進展

謝許峰,譚穎穎,黃星星,任曉芳

心力衰竭是各種心血管疾病發展到終末期導致的心臟功能衰竭[1]。心力衰竭的發生主要與心肌能量代謝異常、心室重構、心肌纖維化、心肌細胞凋亡等息息相關。其中,心肌能量供給不足或者代謝障礙往往損及線粒體結構和功能,會迫使心肌超負荷工作,從而引發心臟結構及功能受損。而心臟重構是心力衰竭產生和發展的基本機制,心肌纖維化是心臟重構的重要原因,預防和延緩心臟重構已經成為心力衰竭治療的主要方向[2]。臨床上使用最為廣泛的強心、利尿和擴血管藥物所帶來的明顯的副作用日益引起關注。而中藥因其多通路、多靶點、副作用少的優勢,目前在臨床和科研中備受期待。本研究系統地整理了中醫藥從分子生物學角度調控心力衰竭和影響心肌細胞活動的研究現狀,以期為中醫藥臨床和實驗研究提供更加精準的研究方向,為研究人員提供新思路。

1 中醫藥調控心力衰竭分子機制

1.1 中醫藥調控心力衰竭腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)/過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)信號通路 AMPK/PPARα在促進線粒體生物發生和改善衰竭心肌能量代謝方面發揮著重要作用。AMPK 是生物能量代謝的閥門,與線粒體的生物發生有關[3]。PPAR 是核激素受體家族中的配體激活受體,其中,PPARα是該信號通路的下游靶點,與AMPK的表達呈正相關,主要參與脂肪酸的氧化,促進多種脂肪酸代謝酶和基因表達,提高脂肪酸的利用率[4]。心力衰竭發生后,血氧供需異常、線粒體損傷,三磷酸腺苷(ATP)下降,線粒體氧化磷酸化功能異常,AMPK/PPARα表達減少,會進一步加重心力衰竭[5]。另外,本通路可促進葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)基因表達,調控糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)抑制糖原合成,保障心肌能量代謝底物的供給。

實驗觀察以腹主動脈縮窄法建立舒張性心力衰竭大鼠模型探討補陽還五湯和酒石酸美托洛爾對心肌能量代謝的影響,研究發現,手術后僅予等離子水的大鼠線粒體數量減少、形態異常,一磷酸腺苷(AMP)、二磷酸腺苷(ADP)顯著升高,ATP 顯著減少,而補陽還五湯、酒石酸美托洛爾兩組均可見AMP、ADP 明顯減少,而ATP 含量增加,鏡下線粒體數量明顯增加,形態也得以改善;酶聯免疫吸附法(ELISA)結果表明,補陽還五湯與酒石酸美托洛爾對能量代謝的改善可能與兩者均可激活舒張性心力衰竭大鼠AMPK 通路,上調PPARα、過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α(PGC-1α)的表達有關[6],其中,靶標PGC-1α主要參與激活多種與氧化磷酸化有關的基因,促進底物的氧化磷酸化,驅使ATP 的合成[7]。參附強心合劑(組成:人參、附子、桑白皮、豬苓、葶藶子等)和曲美他嗪均可上調心力衰竭大鼠磷酸化AMPK(p-AMPK)、PGC-1α的表達,降低心力衰竭大鼠的血清腦鈉肽(BNP)、游離脂肪酸(FFA)、乳酸脫氫酶(LDH)水平,調控葡萄糖轉運和脂肪酸氧化代謝,加速心肌能量代謝,其中,高劑量的參附強心合劑在多個方面均可取得與曲美他嗪相當的療效[8]。

1.2 中醫藥調控心力衰竭絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路 MAPK 通路作為經典的信號通路,包含細胞外信號調節蛋白激酶(ERK)、c-Jun 氨基末端激酶(JNK)、p38 MAPK 等多條通路,可調節細胞凋亡、能量代謝,廣泛參與心力衰竭、心肌梗死、心肌肥厚等多種心血管疾病的發生[9]。

1.2.1 中醫藥調控心力衰竭p38 MAPK 信號通路p38 MAPK 主要在細胞質中表達,正常狀態下呈低表達,其主要參與基因表達和抗氧化損傷。磷酸化p38 MAPK(p-p38 MAPK)轉移到細胞核內,磷酸化激活轉錄因子,影響下游多種靶基因[10]。實驗證實,麥冬甾體皂苷可誘導p38 MAPK 表達下調,抑制炎性因子白細胞介素(IL)-6、腫瘤壞死因子α(TNF-α),減緩氧化應激[11]。采用腹主動脈縮窄法建立慢性心力衰竭模型后,分別予以等離子水、復方溫陽補心湯(組成:制附子、白術、生姜、桂枝、黃芪、當歸、茯苓、益母草、川芎、紅花)以及琥珀酸美托洛爾。蛋白質印跡法(Western Blot)和ELISA 證明,復方溫陽補心湯和琥珀酸美托洛爾均可下調p38 MAPK、p-p38 MAPK 表達,激活過氧化脂質體增殖激活受體-γ(PPAR-γ)通路,促進ATP 表達,減少ADP、N 末端B 型利鈉肽前體(NT-proBNP)含量,改善線粒體功能和能量產生緩解心力衰竭[12]。實驗探討心衰康顆粒(組成:紅參、熟附子、黃芪、丹參、紅花、葶藶子、赤芍、茯苓、車前子等)與卡托普利調控心力衰竭大鼠自噬及其原理時,造模采用結扎左冠狀動脈前降支法來復制大鼠慢性心力衰竭模型,通過檢測評估大鼠心臟功能、觀察心肌組織形態學變化以及檢測心肌細胞凋亡和相關通路蛋白表達后發現,心衰康顆粒和卡托普利均可促進心肌細胞形態改善,抑制炎性細胞浸潤,抑制細胞凋亡,改善心臟功能相關指數,抑制心肌自噬及凋亡,這與抑制磷酸化ERK(p-ERK)、p-p38 MAPK、微管相關蛋白1 輕鏈3(LC3)-Ⅱ/LC3-Ⅰ和Beclin-1 蛋白水平,上調p62 表達有關[13]。保元湯(組成:人參、黃芪、甘草、肉桂等)除了可以抑制氧化應激誘導下的細胞凋亡,還能抑制活性氧(ROS)激活的p38 MAPK-αBcrystallin(CRYAB)通路,保護心肌細胞[14]。

1.2.2 中醫藥調控心力衰竭ERK 信號通路 ERK 所介導的信號通路是MAPK 眾多通路中的1 條,參與細胞的生長、發育及分裂。磷酸化后被激活,發生位置轉位,從胞質進入細胞核內介導Ets 樣轉錄因子-1(ELK-1)、轉錄激活因子(ATF)、c-fos 等活化轉錄,參與多項生物學活動[15]。三七總皂苷可以改善慢性心力衰竭大鼠心功能,鏡下可觀察到空白對照組心肌細胞肥大、壞死,心肌纖維排列不規則,炎性細胞浸潤,大量心肌細胞凋亡,而三七總皂苷干預下大鼠心肌組織結構完整,心肌細胞肥大得以減輕,心肌纖維排列疏松,血清TNF-α和IL-6 水平也顯著下降,其作用機制則可能與下調心肌組織中p-ERK、磷酸化JNK(p-JNK)和p-p38蛋白含量有關[16]。參附益心顆粒(組成:豬苓、人參、附子、益母草、葶藶子、車前子、大棗、澤瀉等)、卡托普利、氯沙坦均能下調心力衰竭大鼠心肌中c-fos、c-myc的表達,延緩心肌重塑[17]。

1.3 中醫藥調控心力衰竭轉化生長因子β1(TGF-β1)/Smad 信號通路 TGF-β1/Smad 信號轉導通路與組織纖維化緊密相關,參與心肌成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞,并在此過程中促使其產生大量的細胞外基質,抑制金屬蛋白酶,促進心肌纖維化。TGF-β1 是目前證實的與組織纖維化最為密切的細胞因子[18]。Smad3蛋白是該通路的下游效應蛋白。

人參皂苷Rb1 及Rg1 可下調心肌組織periostin蛋白和TGF-β表達,抑制TGF-β1/Smad 信號通路引發的心肌纖維化以防治心力衰竭[19]。槲皮素[20]、枸杞多糖[21]均可明顯改善慢性心力衰竭大鼠心功能參數,與空白組對照效果顯著,鏡下觀察染色結果可見心肌細胞腫脹明顯消退,僅有少量炎性細胞浸潤及膠原纖維蛋白沉積,纖維化程度也顯著減弱,TGF-β1、Smad3、磷酸化Smad3(p-Smad3)、Ⅰ型膠原蛋白(collagenⅠ)、Ⅲ型膠原蛋白(collagenⅢ)表達明顯下降,均表明與TGFβ1/Smad3 信號通路有關。

鹽酸腎上腺素(ISO)誘導大鼠心力衰竭造模后,鏡下可見其心肌細胞腫脹,界線模糊不清,大量炎性細胞浸潤及膠原蛋白沉積。給予不同劑量生脈散干預后,均可下調心肌細胞TGF-β1、p-Samd3 蛋白表達,并且促進左室射血分數(LVEF)、左室短軸縮短率(LVFS)升高,左室舒張末內徑(LVEDD)、左室收縮末內徑(LVESD)降低,染色后觀察中低劑量組的心肌細胞基本完整,排列尚為有序,但仍有大量炎性細胞浸潤,而高劑量組大鼠心肌細胞結構較中低劑量組完整,炎性細胞浸潤及膠原纖維蛋白沉積減少[22]。而分別選用氯沙坦鉀以及不同劑量參附益心顆粒治療心力衰竭大鼠后,3 組都能有效改善心臟功能參數,下調miR-21 mRNA 和TGF-β、Smad3 表達,上調TGF-β受體3 抗體(TGF-βRⅢ)mRNA 表達,其中,高劑量的參附益心顆粒與常規劑量相比,差異有統計學意義[23]。芪丹利心丸(組成:黃芪、黨參、刺五加、丹參、葶藶子等)被證實可能通過下調TGF-β1及Smad3 水平,促進抑制劑Smad7 表達,推遲心肌纖維化進展[24]。

1.4 中醫藥調控心力衰竭核轉錄因子-κB(NF-κB)信號通路 NF-κB 是細胞內重要的核轉錄因子,被多條信號通路激活后參與機體的炎癥反應、免疫應答,調控細胞凋亡、應激反應。如炎性因子TNF-α、IL-1、脂多糖等介導的經典通路、腫瘤壞死因子受體(TNFR)家族配體介導的非經典通路以及ROS 催化的Raf1-MAPK 通路;血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)誘導的Src/磷酸肌醇-3 激酶(PI3K)信號通路等。在炎性細胞因子的負性肌力作用下,心肌細胞凋亡和心肌成纖維細胞增殖異常,最終會損及心臟。有研究表明,NF-κB 炎癥信號通路肩負著抑制炎癥反應、延緩心室重構、改善心功能的重大使命[25]。

綠原酸提取自金銀花,可上調其抑制劑核因子κB抑制因子α(NF-κBIA)表達,阻滯NF-κB 的核轉運功能,抑制ROS,以改善鹽酸腎上腺素誘導的心力衰竭大鼠心肌肥大[26]。黃芪甲苷不僅能顯著抑制脂多糖誘導的心力衰竭小鼠炎癥基因表達,還可以通過抑制Toll 樣受體(TLR)4/NF-κB 通路轉導,減少心肌細胞凋亡,保護心肌活性[27]。

針對益氣溫陽方(組成:生黃芪、紅景天、制附片、豬苓、葶藶子、莪術、白芍、生姜)對于心力衰竭大鼠作用機制的研究,選用了微創主動脈弓縮窄法(MTAC)制備壓力負荷誘導的心力衰竭Wistar 大鼠模型,通過不同劑量益氣溫陽方治療后發現,治療組心肌纖維化明顯改善,可能是通過激活IL-10/信號轉導與轉錄激活因子3(STAT3)信號通路,促進相關蛋白表達,并下調NF-κB 表達,抑制炎性因子TNF-α、誘導型一氧化氮合酶(iNOS)等改善心室重構,抑制心肌纖維化及細胞凋亡[28]。黃芪多糖聯合丹參酮作用于心力衰竭大鼠后,NF-κB 表達逐漸減少,而抑制劑NF-κB 抑制蛋白(IKB)、IκB 激酶(IKK)活性增強,充分顯示了經典途徑下的調控效果[29]。

1.5 中醫藥調控心力衰竭PI3K/蛋白激酶B(Akt)通路 PI3K 隸屬胞內磷脂酞肌醇激酶,共有3 類,其中,Ⅰ類的兩個亞基p85 和p110 結合后可以產生3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3),進而促使二磷酸肌醇轉化為三磷酸肌醇,活化磷酸肌醇依賴的蛋白激酶(PDK)激活細胞內信號蛋白Akt。Akt 磷酸化會影響下游靶基因Caspase-9、Bad、Forkhead、NF-κB、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、P21Par-4、糖原合成酶激酶-3β(GSK3β)等抑制細胞凋亡,促進細胞生長[30]。葶藶子可抑制神經內分泌系統過度激活,改善心肌纖維化,逆轉線粒體病變,恢復線粒體結構,可能與增強Akt 表達及抑制caspase-3、Bax/Bcl-2 有關[31]。紅景天苷則可抑制心肌梗死后心力衰竭大鼠心肌組織中CollagenⅠ、前纖維蛋白-1(Profilin-1)表達,下調磷酸化PI3K(p-PI3K)、磷酸化Akt(p-Akt)、磷酸化GSK3β(p-GSK3β)表達,抑制心肌纖維化[32]。

復心湯(組成:人參、黃芪、茯苓、白術、桂枝、丹參、三七等)可明顯下調p-PI3K、p-Akt 表達,增加GSK3β表達來延緩心力衰竭進程[33]。溫陽消飲方(組成:附子、干姜、桂枝、茯苓等)通過上調阿奇霉素誘導的心力衰竭大鼠心肌組織中p-PI3K、p-Akt、Bcl-2 等表達,減少Bax、Caspase-8 表達,削弱細胞凋亡,改善心肌損傷[34]。生脈散還可以通過Akt 和ERK1/2 通路減弱氧化應激誘導的心肌細胞損傷[35]。不同劑量的芪藶強心膠囊干預慢性心力衰竭大鼠模型后,心力衰竭大鼠血清中LDH 和ROS 均下降,超氧化物歧化酶(SOD)活性增強,并抑制促凋亡蛋白表達,上調Bcl-2、p-Akt/Akt 和p-GSK3β/GSK3β表達。而細胞實驗還證明,過氧化氫(H2O2)損傷心肌細胞H9c2 后,在芪藶強心超微粉干預下24 h 后細胞增殖明顯改善,SOD 活性、血紅素氧合酶1(HO-1)和過氧化氫酶(CAT)mRNA 表達顯著上調,而LDH、ROS、細胞凋亡均被明顯抑制。同時,還抑制線粒體分裂、線粒體膜通透性轉換孔(mPTP)開放及基質金屬蛋白酶(MMP)下降。因此,可以認為芪藶強心膠囊可能通過激活 PI3K/Akt/GSK3β通路減緩氧化應激損傷心肌細胞線粒體依賴性凋亡[36]。

除了中藥以外,研究表明,艾灸心力衰竭SD 大鼠雙側心俞穴、肺俞穴,除了可有效抑制MMP-2 和MMP-9 水平,減少心肌細胞自噬,還可以激活PI3K、Akt、mTOR、核糖體蛋白S6 激酶(P70S6K),抑制unc-51樣自噬激活激酶1(ULK1)表達[37]。

1.6 中醫藥調控心力衰竭Wnt-β-catenin 信號通路Wnt 信號通路涉及多種細胞活動,分為經典與非經典Wnt 通路,經典通路中,Wnt 蛋白結合受體LRP5/6FZD激活下游的β-catenin,繼而誘導心肌細胞肥大[38]。非經典通路里,Wnt 蛋白與受體FZD 結合后激活Wnt/Ca2+和Wnt/平面細胞極性(planar cell polarity,PCP)/JNK 信號通路,誘使心肌肥厚發生[39]。Dickkopf-1(DKK1)、分泌型卷曲相關蛋白1(sFRP1)、Wnt 抑制因子-1(WIF1)作為Wnt 信號通抑制劑,通過不同途徑阻斷Wnt 信號通路轉導進而起到保護心臟的作用[40]。

參草通脈顆粒(組成:丹參、人參、黃芪、紅花、三七粉、益母草、茯苓、葶藶子)與賴諾普利分別干預冠狀動脈結扎造模的慢性心力衰竭大鼠,均可明顯升高Wnt3a、Wnt5a、Wnt11 蛋 白 水 平,明 顯 下 調DKK1、sFRP1、WIF1 的表達,通過經典與非經典兩條通路調節心功能,其中,參麥通草顆粒效果明顯優于賴諾普利[41]。補腎活血方(組成:菟絲子、龜板膠、黃精、黃芪、丹參、人參、紅花、益母草、三七)可抑制大鼠心肌組織中β-catenin、dishevelled-1(Dvl1)、p-GSK3β、myc mRNA 表達,延緩心肌肥大,優化心肌細胞排列和心室結構[42]。

1.7 中醫藥調控心力衰竭蛋白激酶C(PKC)信號通路 已知的PKC 家族擁有12 種PKC 同工酶,主要參與細胞功能和信號轉導系統,調控細胞的增殖、分化和細胞死亡。有研究表明,PKC 信號通路的過度激活會加速心力衰竭。正常情況下,二酯酰甘油(DAG)直接激活PKC 后,與激活的PKC 的C1 位結合,C2 位結合磷脂酰絲氨酸后轉移至細胞膜,在膜磷脂的作用下PDK1 磷酸化PKC 蘇氨酸位點,使得PKC 處于激活狀態。在此基礎上轉位結合蛋白激酶C 受體(RACKS),從而起到催化作用。

在高糖環境下建立的心力衰竭乳鼠模型中,心肌細胞PKC 表達增加,白屈菜紅堿可以下調PKC-α、PKC-β2表達,維護心肌細胞形態功能[43]。葶藶生脈方(組成:紅參、葶藶子、五味子、麥冬、赤芍、生黃芪、益母草、丹參、紅花)會抑制AngⅡ1 型(AT1)、PKC 受體表達,從而制約心力衰竭發展[44]。益氣活血復方(組成:黃芪、人參、紅花、丹參、三七、益母草)可下調SD心力衰竭大鼠AngⅡ和PKC 表達[45]。人參強心滴丸(組成:人參、丹參、生地黃、蟾酥)可抑制慢性心力衰竭大鼠體內AngⅡ含量、AT1 mRNA 和PKC 的過度表達[46]。

2 小結及展望

中醫學中對心力衰竭的論述最早可見于《黃帝內經》。譬如《靈樞·脹論》有云:“心脹者,煩心氣短,臥不安”,即是指心力衰竭發生時喘息不能平臥的表現。《靈樞·本臟篇》又載:“心小則安,邪弗能傷,易傷以憂”。《靈樞·天年》則曰:“心氣始衰,若憂悲,血氣懈惰,故好臥”。而《素問》中亦有“心痹者,脈不通,煩則心下鼓,暴上氣而喘”“水病下為跗腫大腹,上為喘呼,不得臥者,標本俱病”“夫不得臥,臥則喘者,是水氣之客也”等等一系列描述。而張仲景在《金匱要略》首先提出了“心水”一詞,而西晉時王叔和所著的《脈經》一書中,其書有云:“心衰則伏,肝微則沉,做令脈伏而沉”。率先提出“心衰”病名。古代醫家通過長期臨證總結,提出心衰病位在心,為本虛標實之證。氣血陰陽虛衰,臟腑功能失司是本,瘀血、痰濁、水飲、氣滯痹阻血脈是標。此病經氣虛—血瘀—水停不斷演化而來,早期以氣虛為主,瘀血、痰飲、水濕瘀滯脈絡,晚期則陰虛、血瘀并見,因此,在臨床治療中,活血化瘀貫穿始終,兼以益氣、化痰、溫陽、養陰等。

在慢性心力衰竭病機演化過程中,與心肌纖維細胞增殖、分泌細胞外基質頗為相似。現代醫學認為心肌纖維化影響心室重構;而心室重構是發病的病理基礎,貫穿疾病始終;炎癥細胞浸潤、能力代謝障礙參與心力衰竭發展進程,這與中醫提出的瘀血、水飲、痰濁不謀而合,為進一步明確中醫藥治療機制就需要明確干預的靶點及相關通路。

隨著研究的日益精進,中醫藥在心力衰竭靶點治療的各個方面取得了一定的成效,也展現了廣闊的前景。然而同樣也發現了很多問題,如基礎實驗研究不足;大多數動物造模方式雷同,無法證明各種中醫證型下的療效;除了益氣活血中藥以外的中醫藥研究比較少見;缺乏傳統中醫治法在臨床和細胞分子水平的研究,缺少與西藥組的療效比較等。仍需進一步發掘中醫藥在心力衰竭不同證型、不同研究方向的機制研究,為臨床治療心力衰竭提供更有利的支持。