神經(jīng)氨酸酶1在心血管疾病中的研究進展

王帥兵 劉江文 黃從新

(武漢大學人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學心血管病研究所 心血管病湖北省重點實驗室,湖北 武漢430060)

神經(jīng)氨酸酶(neuraminidase,NEU)又稱唾液酸酶,通過識別糖蛋白或糖脂末端的α-糖苷鍵,并酶促去除唾液酸殘基發(fā)揮作用。在哺乳動物中,迄今已鑒定出四種內(nèi)源性NEU,分別為NEU1、NEU2、NEU3和NEU4。其中,NEU1與各種疾病的關系最為密切,因為它在哺乳動物中的含量最高[1]。在人類中,NEU1在胰腺中高度表達,其次是骨骼肌、腎臟、胎盤、心臟、肺和肝臟。NEU1與保護蛋白/組織蛋白酶A(protective protein/cathepsin A,PPCA)和β-半乳糖苷酶在溶酶體中形成多酶復合物以發(fā)揮其降解唾液酸的功能,當復合物解離時導致NEU1失活[2]。NEU1參與體內(nèi)各種細胞代謝行為和信號傳遞的調(diào)節(jié),并影響心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病和癌癥等相關疾病的發(fā)展[3]。

盡管進行了幾十年的基礎和臨床研究,CVD在全球范圍內(nèi)仍是主要的死亡原因,并極大地造成健康損失和經(jīng)濟負擔[4]。據(jù)推算,中國CVD的現(xiàn)患人數(shù)為3.3億,在人口老齡化和代謝危險因素持續(xù)流行的雙重壓力下,CVD的負擔仍將持續(xù)增加[5]。CVD是一種損害心臟和血管的疾病的統(tǒng)稱,包括動脈粥樣硬化、缺血再灌注損傷、心力衰竭和心肌病等。傳統(tǒng)藥物治療存在多靶點,易造成多器官損傷等副作用,及時了解疾病的特異性靶點,有針對性地在分子層面進行干預是預防與治療CVD的重中之重。臨床研究[6]顯示,對于既往有CVD病史的流感患者,使用抗流感藥物奧司他韋治療后其心血管事件復發(fā)率顯著低于未使用組。此外,國內(nèi)外專家共識聲明[7-8]均建議暴發(fā)性心肌炎患者應盡早接受NEU抑制劑等抗病毒治療,以降低其死亡率并獲得更好的預后。因此,作為治療CVD的新興靶點,NEU1與CVD的關系逐漸受到研究人員的重視。現(xiàn)對與NEU1密切相關的動脈粥樣硬化、缺血再灌注損傷、心力衰竭和心肌病等CVD做一綜述,以期對臨床治療CVD帶來新的思路。

1 動脈粥樣硬化

動脈內(nèi)皮下脂質堆積在動脈粥樣硬化病變發(fā)展過程中起著至關重要的作用。研究[9]表明,NEU1通過去除低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)的唾液酸殘基并增加其被巨噬細胞吞噬是動脈粥樣硬化的初始階段,同時觸發(fā)主動脈脂肪條紋的形成。因此,NEU1對LDL的去唾液酸化修飾被認為是致動脈粥樣硬化的主要步驟[10]。在亞等位基因NEU1小鼠中,其NEU1表達水平和活性顯著下降,通過穩(wěn)定表達肝臟LDL受體蛋白來增強LDL的攝取,從而降低血清膽固醇水平,而使用輔助依賴性腺病毒逆轉小鼠的亞等位基因NEU1活性,導致極低密度脂蛋白和甘油三酯轉運蛋白的產(chǎn)生增加[11]。該研究強有力地支持了NEU1在脂蛋白的攝取和產(chǎn)生之間的中心作用。White等[12]進一步研究發(fā)現(xiàn),與雄性載脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)基因敲除(Apoe-/-)小鼠相比,特異性低表達NEU1的Apoe-/-(Neu1hypoApoe-/-)小鼠可降低血清極低密度脂蛋白和LDL膽固醇水平,從而減少炎癥細胞的浸潤,并顯著減少動脈粥樣硬化病變面積。與該結果一致的是,給予NEU抑制劑2-脫氧-2,3-二脫氫-N-乙酰神經(jīng)氨酸(2-deoxy-2,3-didehydro-N-acetylneuraminic acid,DANA)對Apoe-/-小鼠有顯著的抗動脈粥樣硬化作用。

炎癥反應在動脈粥樣硬化中起著重要作用。在動脈粥樣硬化斑塊中,炎癥因子脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS)和白細胞介素(interleukin,IL)-1β誘導單核細胞和巨噬細胞表達NEU1,隨后上調(diào)的NEU1增強CD80、腫瘤壞死因子-α、IL-1β的釋放,同時促進單核/巨噬細胞的促炎和活化表型來增強其吞噬和遷移能力。更重要的是,單核/巨噬細胞中的LPS、NEU1和IL-1β作為正反饋回路中的炎癥增強因子,進一步促進動脈粥樣硬化的病變發(fā)展并增加斑塊的不穩(wěn)定性[13]。此外,修飾的LDL也具有促炎特性,易于聚集和形成復合物,進一步增加其致動脈粥樣硬化性[14]。由NEU1介導的從白細胞β2整合素或內(nèi)皮細胞細胞間黏附分子-1中去唾液酸化,已被證明可增強白細胞與內(nèi)皮細胞之間的相互作用,從而促進白細胞募集導致動脈粥樣硬化的血管炎癥[15]。鑒于以上背景,White等[12]繼續(xù)探討NEU1對炎癥的影響,研究發(fā)現(xiàn)與Apoe-/-小鼠相比,Neu1hypoApoe-/-小鼠在主動脈根部顯示更少的巨噬細胞、T細胞和平滑肌細胞,這意味著斑塊內(nèi)的炎癥程度和細胞募集程度降低。

此外,隨著年齡的增長,在細胞外基質重塑過程中所釋放的彈性蛋白肽(elastin-derived peptides,EDP)可促進動脈粥樣硬化的進展,而由彈性蛋白結合蛋白、PPCA和NEU1組成的彈性蛋白受體復合物(elastin receptor complex,ERC)參與內(nèi)源性EDP的反應。Gayral等[16]報道了EDP通過NEU1/PI3Kγ信號通路途徑誘導單核細胞遷移和活性氧產(chǎn)生來加重動脈粥樣硬化。因此,給予V14肽或NEU抑制劑DANA可有效阻斷EDP與ERC之間的相互作用,同時改善CD36的唾液酸化水平并減少巨噬細胞對氧化型LDL的攝取,最終降低EDP的致動脈粥樣硬化作用[17]。更重要的是,V14肽與DANA還可阻斷EDP與ERC結合后由NEU1介導的單核細胞β2整合素和內(nèi)皮細胞細胞間黏附分子-1的去唾液酸化,減弱單核細胞向炎癥部位的募集及其跨內(nèi)皮遷移能力[18]。

2 缺血再灌注損傷

炎癥已被確定為缺血再灌注損傷后決定心臟重構及其預后的關鍵因素之一[19-20]。細胞中過表達NEU1通過增強單核細胞和巨噬細胞的促炎狀態(tài)來促進腫瘤壞死因子-α、IL-1、IL-6等炎癥因子的釋放[13,21],從而誘導或加劇缺血性心肌損傷。Heimerl等[22]報道缺血再灌注誘導后,小鼠左心室NEU活性上調(diào),這與可導致心肌肥厚和心功能不全的多酶復合物水平升高有關。而亞等位基因NEU1小鼠由于NEU1活性較低,促炎性單核細胞轉變?yōu)榭寡仔跃奘杉毎?因此其左心室功能得以改善。此外,沉默NEU1同樣可減少炎癥細胞的積聚,抵抗由異丙腎上腺素誘導的缺血性心肌損傷[23]。

線粒體功能障礙和結構變化與缺血性心肌損傷的發(fā)生發(fā)展密切相關[24]。有研究[25]已證實,急性心肌梗死患者的血清NEU1水平明顯升高。在大鼠心臟中,缺血再灌注誘導后沉默信息調(diào)節(jié)因子1(sirtuin 1,SIRT1)與過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ co-activator 1α,PGC-1α)的表達下調(diào),表現(xiàn)為活性氧的產(chǎn)生增加和線粒體功能障礙[26]。進一步的實驗發(fā)現(xiàn),心肌細胞特異性NEU1缺乏通過SIRT1/PGC-1α軸改善小鼠心肌梗死后的線粒體能量代謝和氧化應激,進而改善心肌重構并恢復心臟功能,提高其存活率。與此相反,抑制SIRT1或PGC-1α的活性可消除心肌細胞特異性NEU1缺乏所產(chǎn)生的有益影響[27]。

此外,急性冠脈綜合征患者血漿中NEU1下游代謝產(chǎn)物N-乙酰神經(jīng)氨酸(N-acetylneuraminic acid,Neu5Ac)的水平明顯升高,與冠狀動脈的病變程度密切相關,可預測急性冠脈綜合征患者接受經(jīng)皮冠狀動脈介入治療后主要不良心血管事件的發(fā)生概率[28]。Zhang等[23]通過功能代謝組學研究進一步確定了Neu5Ac在急性心肌梗死中的關鍵作用。Neu5Ac通過特異性結合RhoA和Cdc42并激活Rho/ROCK-JNK/ERK信號通路,從而在體外和體內(nèi)引發(fā)心肌損傷。而在冠狀動脈結扎和異丙腎上腺素誘導的大鼠心肌缺血模型中,沉默NEU1顯著降低血清Neu5Ac水平,同時有效改善氧糖剝奪誘導的心肌細胞缺血性損傷。有趣的是,抗流感藥物奧司他韋可通過提高心肌代謝活性與抑制細胞凋亡來保護心肌細胞免受缺血性損傷[10]。

3 心力衰竭

盡管病理性肥厚最初是由心室向心性生長所誘導的一種代償反應,但長期的心肌細胞延長、收縮功能障礙可導致心腔擴張和室壁變薄[29]。上述骨髓移植實驗[22]證明,NEU1上調(diào)后通過促進侵入的單核/巨噬細胞的炎癥、增強心肌細胞肥大、削弱縫隙連接功能,導致心力衰竭的發(fā)展。因此,盡早地抑制這種心肌肥厚有助于防止其轉變?yōu)樾牧λソ遊30]。Chen等[31]研究發(fā)現(xiàn)在肥厚型心肌病患者以及小鼠和大鼠的肥厚心臟模型中NEU1水平明顯升高,而心肌細胞特異性 NEU1缺乏可減輕橫向主動脈縮窄或鹽酸異丙腎上腺素輸注引起的肥大效應。在機制上,NEU1擴散至細胞核并與轉錄因子GATA4相互作用,導致胎兒基因(Nppa和Nppb)的產(chǎn)生,從而導致心肌肥厚。而對人NEU1具有高親和力的新型化合物C-09,可有效地阻止細胞和動物模型中心臟重構的發(fā)展。

越來越多的證據(jù)[32-33]表明異常的唾液酸化是心力衰竭的一個重要因素。基于以上背景,Li等[34]報道心力衰竭患者血漿Neu5Ac水平升高與心血管死亡及心臟移植事件等不良臨床結局風險的增加之間具有顯著相關性。而奧司他韋對異丙腎上腺素和血管緊張素Ⅱ所誘導的小鼠心力衰竭模型可顯著抑制其去唾液酸化,降低血漿Neu5Ac水平,并改善小鼠心臟功能[15]。為驗證NEU1抑制劑在上述動物模型中所獲得的結果,由388例患者參與的第一項隨機、開放標簽、空白對照臨床試驗(NCT05008679,中國武漢)已啟動,以確定奧司他韋對慢性心力衰竭患者血清Neu5Ac水平的影響,并對其治療效果進行臨床評估。

4 心肌病

蒽環(huán)類藥物多柔比星(doxorubicin,DOX)是治療肺癌、乳腺癌、白血病等多種癌癥最常見和最有效的化療藥物之一。然而,大量研究[35-37]證實DOX累積劑量過高會導致不可逆性心肌病和心力衰竭,使其臨床應用受到限制。線粒體功能障礙被認為是DOX誘導的心臟毒性并最終導致心力衰竭的關鍵因素[38]。NEU1通過促進線粒體動力蛋白相關蛋白1介導的線粒體分裂和PINK1/Parkin信號通路介導的線粒體自噬來促進DOX誘導的心臟毒性。因此,NEU1抑制劑奧司他韋和線粒體動力蛋白相關蛋白1抑制劑Mdivi-1表現(xiàn)出協(xié)同作用,通過降低促凋亡蛋白Bax和Bad的表達,促進抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,以及減少胱天蛋白酶-3和胱天蛋白酶-9的釋放,顯著抑制心肌細胞的凋亡,從而有效地改善DOX誘導的心臟功能障礙[39]。

作為糖尿病患者心力衰竭的主要原因之一,糖尿病心肌病可引起心肌肥厚和舒張/收縮功能障礙[40]。氧化應激和炎癥反應在糖尿病心肌病的發(fā)展中起著關鍵作用[41-42]。Guo等[43]進一步研究發(fā)現(xiàn)NEU1在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病心肌病小鼠模型或高糖刺激的心肌細胞中顯著上調(diào),并通過抑制AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和沉默信息調(diào)節(jié)因子3(sirtuin 3,SIRT3)的活性及表達水平來促進隨后的氧化應激、炎癥反應、纖維化和細胞凋亡,從而引起心臟功能障礙。而沉默NEU1則可通過AMPK/SIRT3信號通路抑制活性氧產(chǎn)生和炎癥反應,從而改善心臟重構,并減輕由鏈脲佐菌素誘導的糖尿病心肌病。

5 總結與展望

綜上所述,NEU1在動脈粥樣硬化、缺血再灌注損傷、心力衰竭和心肌病等CVD的發(fā)生發(fā)展中起著至關重要的作用。同時越來越多的研究證明抑制NEU1具有有效的心肌保護作用,這使其應用于臨床防治CVD成為可能。鑒于在該領域進行的研究數(shù)量較為有限,有理由認為NEU1在CVD進展中的更多機制仍有待發(fā)現(xiàn)。此外,目前臨床上的NEU1抑制劑僅有用于抗流感病毒的奧司他韋和扎那米韋等,但其應用于CVD是否獲益仍需進一步研究。因此有必要進行更多的研究和大型臨床試驗來證明NEU1抑制劑在CVD治療中的有效性和安全性,從而為CVD的治療提供新的見解和思路。