中葉素與心力衰竭關系的研究進展

李首才,楊尚銘,耿超強,楊慧宇,高 奮

中葉素(intermedin,IMD)發現于2004年,是屬于降鈣素基因相關肽(CGRP)超家族的一種新型生物活性肽。CGRP超家族還包括降鈣素、降鈣素基因相關肽、胰淀粉樣多肽和腎上腺髓質素[1],因其編碼基因具有高度同源性。在人類22號染色體長臂遠端(22q13.33)[2],IMD基因編碼148個氨基酸組成的前IMD,前IMD可被剪切為IMD1-47和IMD8-47,隨后又發現在92位精氨酸和93位組氨酸之間可剪切形成IMD1-53,而IMD1-53被認為是IMD主要活性片段,其N端分子內環的酰胺化結構和兩側的二硫鍵,是發揮生物活性的主要化學結構[3]。

IMD在血漿中含量較低,然而其受體-降鈣素受體樣受體(CRLR)/受體活性修飾蛋白復合物(RAMPs)廣泛存在于人體心血管系統中,IMD可與其受體復合物非特異性結合。RAMPs由3種亞型組成,并與CRLR相互結合發揮其作用:RAMP1與CRLR結合為降鈣素基因相關肽受體,RAMP2或RAMP3與CRLR結合為腎上腺髓質素受體,而IMD對CRLR和3種RAMPs亞型復合物都有生物學活性[4]。既往研究發現,IMD在調節機體穩態和心血管疾病方面發揮著十分重要的作用[5],具有抗氧化應激、神經體液調節、抑制心室重構以及抗凋亡等多重效應。

1 IMD抗心力衰竭作用機制

心力衰竭是臨床最常見的心血管疾病之一,患病率高且預后差,是心臟器質性病變的終末階段,主要表現為漸進性的心室重構。隨著心力衰竭病理生理機制的研究進展,促進了心力衰竭治療的迅猛發展。其中,IMD作為一種新型生物活性肽,被證實可從多途徑、多通路發揮抗心力衰竭作用。

1.1 抑制心肌肥厚和纖維化途徑 左心室肥厚是心力衰竭的重要危險因素之一,是心臟對壓力負荷過重的一種病理性適應,目前研究認為心室肥厚可能與自噬減少有關。諸多體外證據表明IMD具有抗心肌肥厚和抗纖維化作用。Chen等[6]發現IMD通過激活環磷酸腺苷/蛋白激酶A(cAMP/PKA)和絲裂原活化蛋白激酶/細胞外信號調節激酶1/2(MAPK/ERK1/2)通路介導肥大心肌細胞自噬使其凋亡,從而抑制心肌肥厚和纖維化,改善心功能。IMD是一種有效的抗纖維化生物活性肽,可明顯降低成纖維細胞、膠原蛋白及轉化生長因子-β1(TGF-β1)的水平,從而抑制心肌纖維化,降低心力衰竭的發生和死亡風險。TGF-β的表達和Smad3蛋白的磷酸化是心肌纖維化的重要表達通路之一,Fang等[7]研究發現,IMD可以影響該通路信號傳導,并上調基質金屬蛋白酶(MMP)-2的表達,降解細胞外基質,抑制成纖維細胞的過度表達。Zhang等[8]發現IMD通過cAMP/PKA途徑抑制肌醇需求酶-1α(IRE-1α)避免NOD樣受體蛋白3(NLRP3)炎癥小體活化,降低Ⅰ型和Ⅲ型膠原mRNA及蛋白水平,從而防止心肌纖維化。Zhang等[5,9]發現IMD可經由過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)或cAMP/PKA通路促進klotho蛋白表達,同時降低鈣調神經磷酸的活性和Ca2+/磷酸化鈣調蛋白激酶Ⅱ(p-CaMKⅡ)的表達,進而減輕心室重構,避免心力衰竭的發生。

1.2 抑制內質網應激(ERS)和氧化應激途徑 ERS反應是由于各種應激源刺激導致內質網中未折疊和錯誤折疊蛋白增多所致,該反應最初具有適應性和保護性,并且通過激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)和核轉錄因子κB(NF-κB)通路調節炎癥反應,但長期或嚴重ERS可導致細胞程序性死亡。Ren等[10-11]發現IMD可顯著減輕ERS,抑制心肌和血管平滑肌細胞凋亡,并降低了主動脈中促炎細胞因子的信使RNA水平,以及其在病變部位的蛋白水平;Xue等[12]亦發現敲除細胞IMD基因促進了巨噬細胞浸潤和氧化應激反應,二者皆可引起ERS,從而加重心臟與血管的負荷和損傷。Zhang等[8]還發現IMD可以調節3個ERS相關基因和100多個炎癥反應和免疫調節基因,如白細胞介素(IL)-18、IL-1受體-2、IL-1受體抗體基因、Toll樣受體2和Toll樣受體8等,通過抑制ERS和炎癥反應,防止心肌細胞損傷。

氧化應激是導致心室重構的主要因素之一,而還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶則是通過氧化應激反應產生氧自由基的重要來源。Kang等[13]實驗發現IMD顯著降低了肥胖相關高血壓大鼠NADPH氧化酶活性和活性氧水平,抑制了MAPK/ERK激活,并減弱了血管緊張素Ⅱ誘導的交感興奮。Xu等[14]發現心肌梗死后心力衰竭模型大鼠經體外注射IMD,可顯著降低丙二醛、氧自由基等細胞毒性氧化產物,提高超氧化物歧化酶活性,催化代謝產物降解,抑制氧化應激反應,減輕缺血再灌注損傷,減弱梗死區域交感神經重構,降低室性心律失常的發生率;同時提高心室射血分數,降低左室舒張末壓及腦鈉肽(BNP)水平等,改善心功能。IMD通過抑制氧化應激反應預防心室重構并改善心力衰竭時的心功能,是防治心力衰竭的一種潛在藥物。

1.3 抗凋亡途徑 心肌細胞程序性凋亡是心室重構的基本病理特征。Wu等[15]研究發現IMD可以通過兩條途徑減少心肌細胞凋亡,進而發揮其抗心力衰竭作用。IMD既能阻斷NLRP3/Caspase-1/IL-1β通路,切斷NLRP3與外源性配體的識別,避免其激活Caspase-1蛋白,進一步阻礙Caspase-1將IL-1β等多種細胞因子分離為活性形式,從而減輕心臟組織炎癥反應和功能障礙;同時降低心臟中Caspase-3活性并增加B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl-2)/Bcl-2相關X蛋白基因(Bax)表達比值,經IMD處理的大鼠心臟中Bcl-2/Bax比值升高,心肌細胞凋亡減少,說明IMD使凋亡級聯反應向促生存方向的轉變可能是其發揮抗心力衰竭作用機制的基礎。

1.4 調節神經-體液-細胞因子途徑 在神經-體液-細胞因子致心力衰竭病理生理機制中,交感神經系統興奮性增高、腎素-血管緊張素-醛固酮系統失衡等在心力衰竭的發生發展中發揮著重要作用。心臟交感傳入反射是具有正反饋特性的交感興奮反射,心肌缺血時產生的緩激肽和活性氧等體液因子刺激心臟交感傳入反射,繼而提高交感神經興奮性和血壓,長期過度的交感神經激活是導致慢性心力衰竭發生的重要因素之一[16]。Gan等[17]發現IMD可明顯降低慢性心力衰竭大鼠的交感神經活動性和平均動脈壓,降低氧自由基等超氧陰離子水平和對血管緊張素Ⅱ的反應。Sun等[18]發現IMD可以通過抑制MAPK/ERK通路的激活發揮抗心力衰竭作用,IMD通過降低交感神經活動性,抑制室旁核Toll樣受體4激活所導致的MAPK/ERK磷酸化增加,降低去甲腎上腺素水平和平均動脈壓,避免交感神經過度興奮。

1.5 誘導血管擴張途徑 心力衰竭的主要病因之一便是長期壓力負荷過重,導致心臟泵功能衰竭。Telli等[19]發現IMD誘導血管舒張的作用主要是通過cAMP/PKA通路實現的。IMD可以使激活型G蛋白α亞基(Gsα)活化后部分激活cAMP/PKA通路,因為在許多組織中大電導鈣依賴性鉀通道是PKA底物,因此,PKA水平的升高可能激活大電導鈣依賴性鉀通道,該通道可引起膜電位超極化,通過誘導Ca2+流入細胞導致一氧化氮(NO)釋放和隨后的血管舒張作用。

IMD可以通過NO途徑降低心臟壓力負荷,改善心功能[20]。Pires等[21]發現 IMD在壓力超負荷心肌中,顯著誘導了心肌細胞的收縮性,并對舒張性也有明顯的增強作用,IMD誘導內皮型一氧化氮合酶(eNOS)活化鈍化,使eNOS同型二聚體形式解耦聯變為單體形式;在亞細胞水平上,心肌對IMD的反應表現為肌鈣蛋白I磷酸化受損和受磷蛋白(PLB)磷酸化增強,提高了肌漿網對Ca2+的攝取,增強了心肌細胞的收縮性和舒張性。

1.6 抑制血管重塑途徑 IMD可能通過減少心力衰竭前期血管重塑,從而發揮抗心力衰竭作用。Zhu等[22]發現IMD通過cAMP/PKA信號通路,抑制血小板衍生因子-BB(PDGF-BB)誘導的血管平滑肌細胞遷移和表型轉化,并且使其保持收縮表型特征,進而抑制心力衰竭前期血管重塑。Li等[23]發現IMD對血管緊張素Ⅱ的升壓效應有拮抗作用,通過抑制蛋白激酶B(Akt)和MAPK磷酸化,減少多型前膠原蛋白表達,避免血管重塑;而Chen等[24-25]發現IMD可能通過激活AMPK-Akt-eNOS或Wnt/β-catenin信號通路,上調血管內皮生長因子(VEGF)和受體活性修飾蛋白2(RAMP2)的表達;此外,Wang等[26]發現IMD還可以下調MMP-2、MMP-9、內皮素-1(ET-1)的表達,一定程度上促進微血管內皮細胞的增殖。Zhang等[27]發現IMD通過調節Wnt/β-catenin信號通路,減輕高磷酸鹽誘導的血管鈣化,繼而改善心肌梗死區域血供,避免不良心室重構,顯著提高左室射血分數和心功能,一定程度上防止心力衰竭的發生。Xiao等[28]觀察到IMD可以在細胞接觸上重建血管內皮鈣黏蛋白復合物,防止血管內皮因子誘導的細胞連接解離,抑制血管重塑。Holmes等[29]發現IMD可以抑制肺平滑肌細胞的遷移和肺成纖維細胞的增殖,病理層面阻止肺動脈壓升高,防止繼發右心衰竭,保護心功能。

2 IMD對心力衰竭的診療及預后價值

基因組學的迅猛發展極大促進了生物標志物的研究,心力衰竭生物標志物檢測的未來趨勢可能是多標志物聯合檢測。腎上腺髓質素(ADM)已被證實是判斷心力衰竭病人預后和生存的良好新型生物標志物[30-31]。而同屬降鈣素基因相關肽超家族的IMD,也在心力衰竭的臨床診斷及預后中顯現了極大應用前景。

IMD及其mRNA水平可揭示心力衰竭病人心功能情況和病情嚴重程度。Manuela等[32]發現臨床不同階段慢性心力衰竭病人白細胞內IMD基因轉錄增加,IMD mRNA表達量與心功能的降低程度呈正相關,并且這一正相關趨勢也與射血分數下降相關的心室擴張和心肌收縮功能障礙程度相一致,與其他心力衰竭標志物的聯合檢測可能有助于心力衰竭的準確診斷或危險分層。

2.1 IMD與心肌梗死繼發型心力衰竭 IMD水平是心力衰竭等不良心血管事件(MACE)的獨立預測因子,且其預后準確性可能與N末端B型利鈉肽原(NT-proBNP)水平相當。有研究發現急性ST段抬高型心肌梗死病人中,血漿IMD水平顯著高于穩定型心絞痛病人和健康人群,且濃度在心肌梗死后96 h達到峰值[33];Li等[34]通過臨床生存分析顯示高濃度IMD的急性非ST段抬高型心肌梗死病人發生心力衰竭等MACE風險升高了12.69倍,高濃度IMD病人生存期明顯短于低濃度IMD病人,并且血漿IMD濃度對6個月內的心力衰竭等MACE的預測價值更高;在非ST段抬高的急性心肌梗死病人中,即便控制NT-proBNP水平和其他危險因素后,血漿IMD濃度不受影響,仍保持了獨立預后的準確性。

2.2 IMD與高血壓繼發型心力衰竭 高血壓是最常見的心血管疾病,血壓長期控制不佳使心臟后負荷過重,可導致左心室肥厚和擴大,最終繼發心力衰竭。Yang等[20]發現在腎性高血壓大鼠中,IMD不僅可以發揮降壓作用,還可以降低左室壓力最大變化速率和左室舒張末壓等,發揮心功能保護作用。Sun等[18]發現在肥胖相關高血壓大鼠中,外源性給予IMD可輕度降低血糖、血脂水平,并且檢測到腎上腺素濃度和平均動脈壓水平顯著下降,下降幅度與IMD劑量呈線性相關。Bell等[35]發現在自發性高血壓大鼠中,左室心肌細胞IMD mRNA表達提高6.8倍,并且可以減輕長期壓力負荷下心肌的肥厚性重塑,可進一步預防心力衰竭發生。由此可見,IMD具有明顯的防治高血壓繼發型心力衰竭的臨床作用,并且IMD與其mRNA的升高程度可用于高血壓繼發心力衰竭的預測,是一種具有廣闊應用前景的新型生物標志物。

2.3 IMD與糖尿病心肌病繼發型心力衰竭 糖尿病心肌病是糖尿病病人最常見的并發癥之一,可導致心肌細胞代謝紊亂、心肌缺血、心肌纖維化等,最終繼發心力衰竭。Li等[36]發現糖尿病大鼠IMD水平降低,心肌缺血再灌注后糖尿病大鼠血漿和心肌組織的IMD水平明顯上升,且外源性給予糖尿病大鼠IMD后心肌缺血面積顯著減少,進一步實驗發現IMD可以降低氧化應激、炎癥反應和細胞凋亡,進而抑制糖尿病心肌病發生,最終避免進展為心力衰竭。

2.4 IMD與腎衰竭繼發型心力衰竭 血漿IMD水平具有預測心腎綜合征并與單純心力衰竭病人相鑒別的潛在臨床價值。在心力衰竭臨床隊列研究中,Bell等[37]研究發現,伴有腎功能損害[腎小球濾過率<60 mL/(min·1.73 m2)]的心力衰竭病人血漿IMD水平明顯升高,而6例腎功能正常的心力衰竭病人IMD水平無明顯變化。此外,年齡和性別對IMD表達水平沒有影響,不同于經典心力衰竭標志物NT-proBNP需據年齡校正,該研究還發現IMD的前體片段preproIMD25-56和preproIMD57-92不受體質指數、年齡等混雜因素的影響,其在血漿中的濃度明顯高于IMD,且與NT-proBNP無關聯,可能更適宜作為心力衰竭的預測標志物。IMD也是一種具有腎功能保護作用的多肽,Wang等[38]發現糖尿病腎病大鼠血漿IMD濃度明顯升高,并可以減輕足細胞損傷和凋亡,降低nephrin和podocin蛋白表達,同時抑制裂孔膜蛋白合成,由此改善腎小球濾過膜屏障功能障礙和減少蛋白尿,減輕容量負荷和電解質紊亂,避免繼發心力衰竭。

3 小 結

IMD是一種具有多重調節效應的生物活性肽,尤其在心血管系統具有強大的抗心力衰竭效應,可從多種途徑發揮作用,同時影響細胞內的多種信號轉導、離子通路和酶的表達,是治療心力衰竭的潛在靶點。并且IMD與心肌梗死、高血壓、腎衰竭、糖尿病心肌病等繼發型心力衰竭關系密切,既可在發病早期檢測到蛋白及mRNA水平明顯變化,又可以根據其血漿濃度或聯合其他心臟生物標志物判斷心力衰竭預后,有著極大的臨床診斷和預測預后的價值。目前,IMD抗心力衰竭作用雖然被諸多實驗多方面所證實,但其涉及通路眾多,尚無明確定論,且多中心、大樣本臨床試驗較少,對心力衰竭具體作用機制及診療價值,仍有待于進一步研究。