急性心肌梗死后關鍵炎癥因子的調控作用及意義

陳海璇 陳業群 朱金秀

心血管疾病是世界范圍內致死率最高的疾病,而急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是冠狀動脈疾病的嚴重表現,造成較高的死亡率和經濟負擔。盡管通過改善人們的生活習慣以及治療策略,AMI 患者的住院死亡率和一年內死亡率有所下降,但AMI 后心力衰竭等不良事件的高發生率和死亡率仍在持續。了解AMI 后心臟的修復機制尤其是炎癥因子相關調控機制,有助于防治AMI 后不良事件。

AMI 后心臟重塑首先涉及炎癥反應。炎癥細胞可吞噬死細胞和破碎基質,死細胞被清理后繼而引發抗炎作用。在此過程中,炎癥細胞通過轉化生長因子β (transforming growth factor β,TGFβ)以及核因子kappa B(nuclear factor kappa B,NF-κB)等信號通路,合成白細胞介素(interleukin,IL)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)、趨化因子等,從而促進炎癥進程。同時,成纖維細胞增殖并轉分化為肌成纖維細胞,釋放大量細胞外基質蛋白,以維持梗死位置的結構完整性。隨著肉芽組織細胞的凋亡和膠原網絡交聯的形成,瘢痕逐漸成熟,完成AMI后的心臟重塑［1］。然而,修復期間的炎癥抑制失效和過度纖維化,可能會引起心臟的不良重塑,從而導致心力衰竭、房顫、心臟破裂等AMI 后不良事件的發生［2］。本綜述介紹了AMI 后心臟修復過程中關鍵炎癥因子對梗死面積和左室功能的調控作用,旨在為臨床上改善AMI 患者的預后提供依據和策略。

1 白細胞介素的調控作用

AMI 后心臟修復初期,成纖維細胞可通過自分泌或旁分泌方式釋放IL 等因子參與炎癥的發生［3］。IL-1、IL-6 和IL-1β 等因子被釋放到體循環后,通過調節TGFβ 通路以及NF-κB 通路增強膠原的合成,并作為炎癥的生物標志物。

有研究發現,某些IL 在心肌細胞的不同階段具有相反的效果［4-5］。例如,IL-1β 和IL-6 在AMI 患者血漿中表達水平顯著升高,過表達IL-1β 通過減輕炎癥反應保護心肌免受缺血再灌注損傷［4］,而敲除IL-1β 可增加壓力負荷誘發的房顫［5］。這表明IL-1β 對心肌具有保護作用。然而,也有研究表明IL-1β 在促發AMI 級聯反應中發揮關鍵作用,利用IL-1β 阻滯劑可改善AMI 后的左室功能［6］。這提示炎癥因子IL-1β 同時具有促炎和抗炎作用。類似地,心源性休克患者的體循環中IL-6、IL-1β 等表達水平也明顯升高,進一步強化炎癥反應［2］。這說明在缺血心肌中,IL-6 能調控許多類型細胞的基因表達,促進梗死心肌的愈合［7］,但也有研究發現,IL-6的敲除并不引起梗死面積擴大、左室功能障礙以及AMI 后的心臟不良重塑［8］。關于IL 在AMI 后心臟不良重塑中的作用,現有研究結果有相互矛盾之處,其原因可能與心肌缺血的持續時間、缺血程度以及循環中某些因子的濃度有關,仍需進一步研究。

2 基質金屬蛋白酶的調控作用

心肌纖維化在宏觀上是指Ⅰ型和Ⅲ型膠原的沉積及其與細胞外基質交聯形成網絡結構。心肌的纖維化及心臟瘢痕的產生與基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的上調有關,繼而促進細胞外基質重塑。然而,心臟組織可能因膠原合成過多而變硬,導致心臟的彈性變差;干擾性化學遞質在心臟中的傳遞則會導致心律失常,心臟的收縮率低下,舒張及收縮功能受損［1］。研究表明,MMPs 能激活Toll 樣受體(Toll-like receptor,TLR)通路,導致肌成纖維細胞增多、膠原纖維密度增大,造成急性心臟破裂［9］。過度炎癥與心臟破裂有關。MMPs(包括MMP2、MMP8、MMP9 和MMP13 亞型)的豐度及活性與炎癥效應的強弱相關。小鼠發生AMI 后,早期MMP9 表達水平有所上升,左室功能也明顯改善［10］。而MMP9 的敲除能減少心肌梗死后巨噬細胞的數量,抑制左室肥大,促進新生血管生成,從而改善左室重塑［11］。ROS 可激活MMPs。由于MMP2 或MMP9 的缺失可預防梗死后不良事件(如左室破裂、左室擴張和心力衰竭)的發生［12］,因此ROS 激活MMPs 可能是AMI 后不良事件的發生機制之一。

3 活性氧的調控作用

心力衰竭或缺血再灌注期間的氧化應激,是由于自由基或其氧化產物的過度生成及積累所致［13］。ROS 是線粒體氧化磷酸化過程中不可避免的副產物,也是再灌注損傷的重要驅動因素。ROS 的來源主要包括線粒體、NAD(P)H 氧化酶、解偶聯一氧化氮合酶等。盡管適量的ROS 能促進心肌梗死后心臟膠原的合成,但心肌梗死后線粒體內的氧化應激以及線粒體的氧化能力受損會導致左室重構異常［14］,主要表現在ROS 能激活多種肥大信號激酶和轉錄因子,并介導細胞凋亡。ROS 刺激心臟成纖維細胞增殖,激活MMPs,導致細胞外基質重塑。但心肌細胞中ROS 的過度生成可直接或間接導致細胞離子通道及轉運蛋白受損,如Ca2+的異常轉運及穩態受損、ATP 的合成異常、心肌細胞的膜興奮性受損［15］。ROS 也能激活NF-κB 信號通路,通過抑制心肌Na+通道等轉錄參與房顫的發生［16］。AMI會引發心肌細胞凋亡以及ROS 等有害物質的積累,過多ROS 介導的信號轉導使線粒體DNA 損傷持續,進一步誘導細胞外基質的降解。研究表明,心肌梗死過程中產生的ROS 是心臟纖維化的重要刺激因子,可通過MAPK 和TLR 通路發揮作用［17］。細胞內的氧化還原蛋白Prdx2 能通過抑制心肌組織中p65 的磷酸化及TLR4/NF-κB 信號通路的活性,降低caspase 等凋亡相關蛋白的表達,減少AMI 引起的細胞凋亡和ROS 的產生,從而減輕AMI 引起的心肌損傷［18］。

4 趨化因子的調控作用

趨化因子是響應促炎性細胞而分泌的一類細胞因子,在選擇性募集單核細胞、中性粒細胞和淋巴細胞方面發揮著重要作用。單核細胞趨化蛋白(monocyte chemokine protein,MCP)1 或趨化因子配體［chemokine (C-C motif) ligand,CCL］2 介導單核細胞的募集,調節單核細胞和淋巴細胞表型,以及纖維組織沉積和血管生成;MCP1、CCL2 的表達在炎癥刺激和組織損傷后上調［19］。心肌梗死后MCP1表達顯著上升,并在梗死后重塑中發揮重要作用［20］。通過敲除MCP1 或其受體趨化因子受體［chemokine (C-C motif) receptor,CCR］2,可減少促炎性單核細胞的募集,下調梗死區細胞因子的表達,并預防AMI 后的心臟不良重塑。CCL5 在心肌梗死后作為中性粒細胞和巨噬細胞的趨化劑也起到關鍵作用,在非再灌注心肌梗死后采用小鼠CCL5單克隆抗體治療可減小梗死面積,降低循環中的趨化因子水平,減少梗死心肌內中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤,預防不良的左室重構,降低死亡率［21］。但也有研究表明,CCR5-/-小鼠表現出心肌炎癥加重,MMPs 表達增強,再灌注梗死后的左室重構惡化［22］。此外,特異性敲除趨化因子受體CCR6 會引起心肌梗死小鼠CCL2 和CCL3 的表達上升,從而引起左室擴張和射血分數降低,最終導致小鼠心肌破裂［23］。CCR9-/-小鼠在AMI 后表現出低死亡率及較小的梗死面積,同時不良的左室重構減少,上述改變主要與通過NF-κB 和MAPK 途徑減少炎癥信號有關［24］。在心肌缺血期間,通過抑制趨化因子誘導的心肌梗死后中性粒細胞募集和ROS 產生,可減小梗死面積［25］。

5 Ca2+穩態與線粒體通透性轉換孔的調控作用

心肌細胞Ca2+穩態破壞可能介導缺血心肌功能障礙。與肌醇功能障礙相關的具體機制可能包括肌節蛋白對鈣敏感性降低,鈣超載誘導的蛋白酶激活,收縮蛋白加速分解。AMI 后心臟重塑導致的心肌纖維化和過度炎癥使心臟電傳導系統發生紊亂,導致心律失常和心搏過速,從而引發房顫?！把舆t后除極”(delayed after depolarization,DAD)引起的“靶向激活”是心臟電傳導機制失常的重要原因。DAD 是由肌漿網中ryanodine 受體2 (ryanodine receptor 2,RyR2)的鈣異常釋放引起的。RyR2 在動作電位期開放,響應肌漿網釋放的Ca2+,使胞漿內游離Ca2+濃度顯著升高,從而引起細胞收縮。在舒張期,釋放的Ca2+通過Ca+/ATPase泵重回肌漿網。RyR2 在整個舒張期是閉合的,胞漿內Ca2+濃度平穩下降。然而,當肌漿網中Ca2+濃度升高或RyR2過度磷酸化時,RyR2 在舒張期釋放Ca2+。這導致細胞質中的Ca2+濃度升高,釋放的Ca2+通過位于血漿膜上的Na+-Ca2+交換器交換為Na+,即3 個Na+置換1 個Ca2+;Na+的增多引發正電荷增加,DAD發生去極化引發房性心動過速,并維持房顫。有研究表明,在小鼠耐力運動模型(游泳或跑步機上跑步)中觀察到的房顫發生率升高,主要與炎癥增加以及電傳導減慢相關。耐力運動促使小鼠腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)增加,從而增強心房心肌細胞NF-κB 的激活,合成更多炎癥因子。而耐力運動促進RyR2 通道釋放過量Ca2+,導致Ca2+通道功能受損,從而促使小鼠心房心搏過速,引發房顫［26］。

蛋白質酪氨酸磷酸酶鑲嵌在線粒體內膜和外膜之間,介導線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability transitionpore,mPTP)形成。在健康細胞中,線粒體無法透過水、離子和質子;而當線粒體基質內處于高滲透壓狀態時,mPTP 通道開放,引起水流入線粒體,導致嚴重的線粒體腫脹,促發心肌壞死。在心肌缺血或AMI 患者中,Ca2+過多將引起線粒體膜電位消失,抑制ATP 的合成,而mPTP 開放將引起線粒體膜破裂,導致caspase 和凋亡因子的激活［27］。心肌缺血和再灌注期間產生的ROS 誘導mPTP 開放,進而誘發AMI 后不良事件。缺血導致缺氧、無氧代謝和細胞內酸中毒。親環素D(cyclophilin D,CypD)是mPTP 的重要調節因子。缺乏CypD 的細胞不易發生氧化應激和Ca2+誘導的細胞凋亡,即通過特異性敲除心肌中的CypD 可降低非梗死區域心肌的死亡率,使左室收縮及舒張功能增強。ELROD 等［28］研究表明,對CypD 不敏感的小鼠,其再灌注后心肌梗死面積減小。

6 腫瘤壞死因子α 的調控作用

心臟重塑過程中引發的炎癥信號可能會誘導心肌細胞的凋亡,當缺血再灌注時會促發心肌細胞的進一步壞死和自噬;反之,心肌細胞的壞死會促發炎癥。TNFα 是炎癥過程中產生的細胞因子,主要通過腫瘤壞死因子受體(tumor necrosis factor receptor,TNFR)1、TNFR2 發揮作用。研究發現,TNFα能通過TNFR1 加重左室功能障礙及不良重塑,而TNFR2 能逆轉這種效果。內源性TNFα 的增加會導致AMI 后心房纖維化以及慢性左室功能障礙,其主要機制是增強心臟局部炎癥以及MMP2 活性,隨后促進基質和膠原降解,最終增加心肌細胞的凋亡［29］。但有研究提出,TNFα 對心臟也有保護作用。在AMI 患者中,受體TNFR1 或TNFR2 的缺失并不影響梗死面積的大小,只有當兩種受體同時缺失才會導致冠狀動脈閉塞后梗死面積擴大。此外,TNFR2-/-小鼠會發生嚴重的心室擴張和功能障礙。而在TNFR1-/-小鼠中,IL-6、IL-1β、TGFβ 和MCP1的表達顯著下調,TNFR2-/-小鼠中IL-6 和IL-1β 的表達則上調,這表明TNFR2 對心臟起保護作用［30］。TNFα 可能是通過WNT 通路激活AKT,促進心肌存活;而TNFR2 被激活后,可減輕TNFR1 引發的心肌死亡［31］。TNFR2 對心臟的保護作用主要是通過STAT3 以及NF-κB 信號通路保護心肌細胞線粒體功能［32］。TNFα 介導TNFR1/2 的激活,使NF-κB 和激活蛋白1 介導的Nlrp3、IL-1β等基因轉錄增強,而上述基因參與炎癥途徑,導致炎癥進一步持續,房顫患者心房組織中總NF-κB 和磷酸化NF-κB 水平升高［5］。TNFα 濃度影響梗死面積的大小主要是通過其受體TNFR1/2 的參與,但內源性TNFα 發揮心臟保護作用的濃度尚不清楚。因此,在以TNFα 為AMI 后不良事件的治療靶點時,需考慮其濃度及受體的不同機制。

7 總結

盡管現有研究揭示了AMI 后心臟修復的關鍵炎癥因子的重要調控作用和機制,但目前這些研究成果仍得不到充分的轉化運用。這主要是因為AMI后的心臟修復是一個復雜且高度動態的過程,有些炎癥因子在AMI 中同時存在抗炎和促炎信號,其中涉及的信號通路錯綜復雜。今后的研究需要了解參與心臟重塑的各種細胞類型和分子機制的影響,從而針對有害的促炎信號開展精準靶向治療。