心肌纖維化發病機制研究進展*

易勝利 綜述，鄧 瑋 審校

(重慶醫科大學附屬第二醫院老年病科/全科醫學科，重慶 400010)

心肌纖維化是缺血、缺氧、負荷過度、炎癥、代謝紊亂等損傷性因素造成的心臟細胞外基質(ECM)過量沉積，以心肌間質膠原含量升高、比例失調及排列紊亂為特征，可導致心肌僵硬度增加及不同程度心臟舒縮功能障礙；同時，構成致心律失常的結構基礎，與病理性心室重構及慢性心功能不全的進行性發展密切相關[1]。其常見于冠心病、擴張型心肌病、肥厚型心肌病、高血壓性心臟病等，是多種心血管疾病發展至一定階段的共同病理改變，也是引起終末期心力衰竭的關鍵因素。明確其發病機制對預防和延緩多種心臟疾病的惡化具有重要意義。

1 心肌纖維化概述

1.1心肌膠原 心肌細胞總數中負責心臟泵功能的心肌細胞不足1/3，而非心肌細胞占多數，其中90%以上是成纖維細胞。心肌成纖維細胞(CFs)可以合成膠原蛋白等ECM，ECM成分的含量可以評估器官纖維化程度[2]。既往有研究表明，ECM主要包含5種不同蛋白質，Ⅰ、Ⅲ型膠原占90%以上，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型膠原含量較少。Ⅰ型膠原(占心肌間質總膠原80%)具有較強的韌性，可維持肌壁張力，Ⅲ型膠原(占心肌間質總膠原11%)具有良好的伸展性，與室壁彈性有關。其適當比值對維持心肌組織結構及心臟功能的完整性具有重要意義[3]。

1.2心肌纖維化特征 心肌纖維化是在多種病理因素影響下(如缺血、缺氧、負荷過重等)導致心肌組織中CFs活化為肌成纖維細胞，并分泌Ⅰ型膠原蛋白，Ⅰ型膠原蛋白過度沉積，膠原濃度和膠原容積分數顯著升高，膠原成分比例失調且排列紊亂為主要特征。目前，根據病因及組織病理學表現心肌纖維化類型包括反應性心肌纖維化、替代性纖維化(或修復性纖維化)等。反應性心肌纖維化常發生于心肌負荷過重、缺血、缺氧、炎癥等因素導致ECM增多而沒有心肌數量的變化及細胞的壞死，進一步可分為間質纖維化和血管周圍纖維化。替代性纖維化一般見于急性心肌損傷，如心肌梗死，壞死的心肌細胞被富含膠原的瘢痕組織所替代[4-5]。

2 心肌纖維化發病機制

2.1腎素-血管緊張素(Ang)-醛固酮系統(RAAS) 既往多項研究表明，RAAS過度激活在心肌纖維化過程中具有至關重要的作用。發生心力衰竭時循環有效血容量降低，腎血流灌注減少，腎小球旁器β1交感受體的刺激是RAAS激活的主要機制。RAAS被激活后Ang轉化酶活性增強，致AngⅠ轉變為AngⅡ增多，導致循環阻力增加，并激活醛固酮系統。AngⅡ(是其中主要的效應物質)在心肌纖維化中發揮著重要的推動作用，AngⅡ與AngⅠ受體結合后通過 G 蛋白誘導多個 Scr激酶活化，多個激酶組成的復合物激活尿苷三磷酸酶和Ras，尿苷三磷酸酶及Raf-1相互反應使絲裂素活化蛋白激酶1、2磷酸化，激活細胞外信號調節激酶1、2，最后激活轉錄因子，刺激CFs增殖、遷移及ECM合成。有研究表明，心肌梗死發生后腫瘤壞死因子-α(TNF-α)通過上調AngⅠ受體增強AngⅡ所介導的促進心肌纖維化的作用[6]。AngⅡ是一種局部的調控生長因子，心肌組織可通過自分泌或旁分泌方式與轉化生長因子β(TGF-β)結合促進CFs轉化、增殖、合成膠原蛋白，從而推動心肌纖維化的進程。另外，AngⅡ受體則具有減輕炎癥、氧化應激反應及抗纖維化等作用[7]。可能抑制AngⅠ受體介導的成纖維細胞增殖及基質合成，從而對AngⅡ介導的促纖維化反應起到負調節的作用。AngⅡ還可刺激心肌產生醛固酮。醛固酮對成纖維細胞具有直接刺激作用，主要通過Ⅰ型甾體類激素受體的介導及所誘發的炎性反應及氧化應激反應，可使其膠原蛋白的合成增多。

AZUSHIMA等[8]發現，醛固酮對Ang轉化酶 mRNA 具有上調作用，從而導致AngⅡ增多。表明通過抑制/阻斷RAAS能在一定程度上逆轉心肌纖維化的發展。

2.2細胞因子調控 心肌纖維化的發生與多種細胞分子的調控密不可分，TGF-β、AngⅡ、結締組織生長因子(CTGF)、TNF-α、鈣離子(Ca2+)等均具有重要作用。TGF-β是一種最具特征性的多效型纖維化生長因子，分為4種亞型，即TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGF-β1β2等，在組織纖維化中 TGF-β1 表達量遠超過其他幾類亞型，是誘導纖維化的最強細胞因子[9]。TGF-β1/Smads(TGF-β1及其信號蛋白)是心肌纖維化進程中最為關鍵性的信號通路，其機制為通過Ⅰ、Ⅱ型2種受體介導，進行跨膜、胞內傳導、核內調控靶基因轉錄使ECM形成及降解失衡，導致ECM沉積[10]。同時，活化的 TGF-β1 也可直接上調基質金屬蛋白酶(MMPs)抑制劑(TIMPs)、下調MMPs水平，而促進纖維化的形成[11]。TGF-β還可通過有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路激活蛋白激酶 1。HOU等[12]、GAO等[13]和CHE等[14]通過動物實驗研究證明，抑制TGF-β1/Smads信號傳導通路可改善心肌纖維化。因此，對TGF-β1/Smads 信號通路的深入研究為尋找治療靶點具有重要意義。AngⅡ是致心肌纖維化的重要的細胞因子之一，在各種病理因素作用下心肌組織通過分泌AngⅡ，以及與TGF-β介導的效應，收縮周圍血管，刺激CFs活化。CTGF存在于組織器官中，是一類新的富含半胱氨酸生長因子家族，對成纖維細胞具有趨化及促有絲分裂作用，與動脈粥樣硬化、器官纖維化等疾病密切相關。CTGF被認為是TGF-β1的下游效應介質，主要介導TGF-β的促纖維化作用，并且其作用局限于結締組織間質細胞中。也許靶向CTGF的抗纖維化治療是一個較阻斷TGF-β更有效和特異的靶點。TNF-α主要由活化的巨噬細胞產生。有研究表明，TNF-α基因敲除小鼠表現出壓力超負荷所致的炎性反應減弱和心肌纖維化，其介導的心臟重構和心力衰竭在心臟纖維化中發揮著重要作用[15]。Ca2+與組織細胞離子通道控制、信號傳導、血管收縮、細胞增生密切相關。Ca2+介導成纖維細胞形成、增殖等，發揮其促纖維化的作用，但其具體機制并不十分明確。

2.3非編碼 RNAs(ncRNAs) 一類轉錄組中不編碼蛋白的RNA分子。主要的功能ncRNAs 包括微小RNAs(miRNA)、長非編碼 RNAs(lncRNAs)、環狀RNAs(circRNAs) 等。ncRNAs參與了調控細胞基因表達、代謝、細胞自噬等細胞生命活動，是心肌纖維化的重要調控因子。miRNA通過堿基互補配對方式與靶mRNA結合，誘導靶mRNA降解或抑制其翻譯[16]。另外，miRNA可與蛋白直接結合而調控其功能。心肌纖維化病程中miR-21表達顯著升高，可作為心肌纖維化的生物標記物。有研究表明，miR-21可能通過抑制TGF-β1/Smad2信號途徑上調 WW含域蛋白-1進而抑制CFs的增殖，起到抗心肌纖維化的作用[17]。另有研究表明，miR-21通過Smad7抑制 Smad2和 Smad3的激活起到抗心肌纖維化的作用[18]。lncRNAs通過與DNAs、RNAs和蛋白結合參與表觀遺傳學、轉錄和轉錄后水平的調控[19]。據文獻報道，lncRNAs抑制 Smad3與α肌動蛋白(α-SMA)基因啟動子的結合，減少CFs向肌成纖維細胞的轉化，發揮抗心肌纖維化的作用[20]。circRNAs廣泛表達于真核細胞中，GU等[21]發現，circRNAs與TGF-β、磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B、磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)、MAPK等纖維化相關信號通路關系密切。同源結構域相互作用蛋白激酶3-circRNA是心肌纖維化重要的調控因子，ncRNAs通過與DNA、RNA、蛋白結合調控心肌纖維化相關信號通路，可作為心肌纖維化的潛在治療靶點。

2.4氧化應激 活性氧(ROS)的產生是氧化應激的關鍵要素，在心肌缺血、缺氧、組織重構過程中ROS在活化的成纖維細胞中生成增加，并可能嚴格調節其表型和功能，促進纖維化的進程[22]。可能代表在許多不同形式的心臟應激和纖維化之間ROS起著重要的介導作用。有研究表明，纖維生成生長因子，如TGF-β、AngⅡ、醛固酮的促纖維化作用可能是通過ROS生成介導的[23]。TGF-β刺激產生線粒體ROS，并誘導煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶進一步增加細胞ROS水平。活化成纖維細胞ROS水平的增加刺激ECM基因轉錄，同時，參與了調節ECM成分的翻譯后修飾。此外，ROS的基質保存作用和基質降解作用，除對膠原合成的影響外，ROS還關鍵地調控參與了ECM降解和重塑MMPs的合成和活性[23]。氧化應激是器官纖維化、高血壓、動脈粥樣硬化等疾病的重要因素，有研究證實，一種天然胞外抗氧化劑蝦青素通過其抗氧化、凋亡、脂質過氧化和自噬活性發揮抗纖維化作用，有望成為治療氧化應激類疾病的主要方法[24]。

2.5MMPs系統 一個離子依賴的(如鋅離子和Ca2+)中性蛋白酶家族。心肌纖維化是ECM膠原纖維合成和降解失衡所致，MMPs能降解ECM的幾乎所有成分。正常狀態下MMPs與TIMPs在維持 ECM 正常結構和功能中具有重要作用。MMPs 表達譜發生改變，MMPs/TIMPs調控失衡參與了心血管疾病、炎癥、腫瘤等疾病的發病機制。MMPs與心肌梗死和心力衰竭的疾病進展相關，可能與心肌病變部位局部炎癥因子誘導 MMP-2、MMP-9 表達上調有關。TGF-β等則可在轉錄水平激活 MAPK等信號通路實現對MMPs表達水平的抑制[25]。TIMP-1廣泛存在于組織中，可被多種細胞因子誘導，由巨噬細胞、成纖維細胞、平滑肌細胞和內皮細胞合成，可抑制絕大多數MMPs。TIMP-3是一種結合于 ECM 的非可溶性蛋白，幾乎可抑制全部MMPs。HUNG等[26]在長期醛固酮輸注小鼠模型中發現，血清和心臟TIMP-1水平顯著升高，TIMP-1表達增加通過抑制MMP-1活性導致膠原積累增強促進心肌纖維化。明確不同MMPs作用機制、MMPs/TIMPs 的平衡關系可為心肌纖維化的診治提供新思路。

2.6血管內皮功能障礙 血管內皮細胞是介于血流和血管壁之間的一層單核細胞，可通過局部分泌一氧化氮(NO)、前列環素I2(PGI2)、內皮素-1(ET-1)等血管活性物質對心肌纖維化發揮重要調控作用。NO可影響AngⅡ生成和調節ET-1水平，對間質膠原的合成與分泌具有一定的抑制作用。PGI2具有舒張血管和抗血小板聚集的作用，前列腺環素類似物貝前列素以濃度依賴性和時間依賴性方式抑制AngⅡ誘導成纖維細胞增殖，也可通過抑制TGF-β/Smad蛋白通路抑制心肌纖維化[27]。ET具有收縮血管、促進心臟成纖維細胞增殖及膠原合成等作用。ET通過自分泌、旁分泌途徑引起強烈的收縮血管作用，增加AngⅡ合成，導致膠原積聚而引發心肌纖維化[28]。他汀類藥物促進內皮細胞釋放NO和抑制ET-1而發揮內皮保護作用，從而改善心肌纖維化。

2.7免疫炎性反應 大量研究表明，免疫炎性反應在心肌纖維化過程中發揮著重要作用。在損傷和重塑的心肌中免疫系統激活，免疫細胞(T淋巴細胞、B淋巴細胞、巨噬細胞等)可通過分泌γ干擾素、白細胞介素-6(IL-6)、 TNF-α、IL-1β等炎性細胞因子和基質細胞蛋白促進成纖維細胞活化，導致膠原代謝異常，從而引起心肌纖維化。有研究表明，IL-6 可由成纖維細胞產生，通過激活MAPK、Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ-轉錄激活因子3(CaMKⅡ-STAT3)通路介導心肌細胞和 CFs之間的串擾，在心肌細胞肥大和心肌纖維化中具有核心作用[29]。有研究證實，急性心肌梗死早期出現免疫細胞浸潤，多種促炎性細胞因子合成和釋放增加，包括TNF-α、IL-6、IL-1β等。IL-1 是一種重要的促炎性細胞因子，主要由活化的單核-巨噬細胞產生，存在形式為IL-1α和IL-1β。IL-1分泌增加會誘導許多其他炎癥介質的表達和激活。有研究表明，在柯薩奇病毒B3誘導的小鼠心肌炎中IL-1表達顯著上調，其中IL-1β在病毒復制導致的炎性反應的誘導中起著決定性的作用，使用IL-1β抗體治療可減少病毒誘導的心肌損傷及連續的免疫反應，從而防止嚴重的心臟重構[30]。

3 小 結

心肌纖維化是多種心血管疾患不良結局必經的病理生理過程，主要過程可分為CFs的激活與ECM的合成或異常沉積，其機制錯綜復雜，涉及RAAS、細胞因子的調控、非編碼RNAs、氧化應激、MMPs系統、內皮功能障礙、免疫炎性反應等，各因素間相互作用、互相影響。明確心肌纖維化的發病機制、發現關鍵的有效靶點開發對應靶點的藥物成為目前心血管研究領域的熱門和重點。相信隨著科研技術的不斷提高、研究層次的逐漸深入可找到安全、有效的治療方法。