GDF-15与动脉粥样硬化

吴剑锋 ,张 敏 ,李 元 综述,曾高峰 ,唐朝克 审校

(1.南华大学心血管病研究所,动脉硬化学湖南省重点实验室,生命科学研究中心;2.南华大学附属第二医院心血管内科,湖南衡阳4210012)

生长分化因子-15(Growth differentiation factor-15,GDF-15)属于转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族成员之一,又称为巨噬细胞抑制因子-1(Macrophage inhibiting cytokine-1,MIC-1),或者胎盘转化生长因子 β(placental transforming growth factor beta,PTGF-β),或称非甾体类抗炎药物活化基因-1(Non-steroidal anti-inflammatory drug-activated gene,NAG-1)。流行病学调查及实验室研究发现,循环中GDF-15不仅与调控细胞凋亡、调节炎症反应[1]等密切相关,同时在心血管疾病,如心衰、缺血/再灌注损伤[2]、动脉粥样硬化[3,4]等的发生发展过程中发挥重要作用,是心血管系统疾病中极具研究前景的生物标志物。随着人类生活水平的提高,动脉粥样硬化(Atherosclerosis,As)等缺血性心脏病发病逐年增加,严重危害人类身心健康。动脉粥样硬化是一种多因素参与的慢性复杂性疾病[5,6],其中巨噬细胞胆固醇超负荷和血管壁炎症反应是其发生发展的两个重要环节,并且两者之间可相互促进[7],引起细胞发生一系列病理生理改变并最终促进动脉粥样硬化斑块形成。因此,降低巨噬细胞内脂质过量蓄积和抑制血管壁炎症反应是防治动脉粥样硬化的重要措施。基于GDF-15在动脉粥样硬化进展中的复杂作用,本文重点就GDF-15结构、功能、信号转导通路及其与动脉粥样硬化关系的最新研究做一综述,以期为动脉粥样硬化治疗提供新的理论依据和药物作用靶点,推动动脉粥样硬化治疗策略的发展。

1 GDF-15的生物学特征

1.1 GDF-15的结构与表达

GDF-15于1997年由澳大利亚研究人员[1]在人U937单核细胞株中分离获得,基因定位于染色体19p12-13.1,由2个外显子和1个内含子组成,成熟的GDF-15蛋白分子量约25 kDa,是一种二硫键连接的二聚体分泌蛋白。多种信号转导途径调控内源性GDF-15的表达、分泌和储存,从而调节其生理和病理状态下的生物功能,正常生理条件下,GDF-15在胎盘和前列腺组织高表达,而其他组织器官,例如心脏仅少量表达[1,8],但对细胞内应激信号敏感,如缺氧、炎症、急性组织损伤、光信号等,会刺激GDF-15大量表达[9,10]。

1.2 GDF-15信号转导途径

GDF-15在心血管疾病、炎症应答以及调控细胞凋亡等多方面发挥生物学效应,有关的信号传导通路有 PI3K/Akt,ERK1/2以及 SMAD2/3等[11]。早在2004年,研究人员发现动脉硬化斑块中有大量GDF-15表达,可能参与氧化应激及慢性炎症反应调控[12],但具体作用分子机制不清楚[13,14]。Kempf T.等研究发现,在心肌缺血/再灌注过程中主要通过依赖氮氧亚硝酸盐类化合物促进GDF-15表达上调,从而减少心肌细胞凋亡[2]。在急性心肌梗死后小鼠动物实验研究中发现,GDF-15可抑制白细胞整合素激活或干扰趋化因子信号传导改善小鼠预后[15]。在心力衰竭患者,心脏超负荷条件下可诱导GDF-15表达,通过SMAD2/3蛋白信号途径,可保护心肌细胞在压力超负荷时的心肌重构[16],而另一方面,GDF-15水平持续升高,会增加心力衰竭患者死亡的风险[17]。

2 GDF-15在动脉粥样硬化中的作用

2.1 GDF-15可作为心血管疾病新的生物标志物

细胞因子在动脉粥样硬化等病变的发生发展中扮演重要角色[18],GDF-15作为TGF-β超家族成员之一,具有多重生物学功能,参与心血管疾病、炎症反应等方面,其血清水平有望作为在心血管疾病尤其在冠心病等诊断和预后的判断指标[19,20]。临床上,GDF-15可作为预测急性冠脉综合征(Acute coronary syndrome,ACS)患者发病过程及预后的判断指标,ACS患者外周循环血中 GDF-15浓度低于1200 ng/L相对危险较低,而当浓度超过1800 ng/L则与增加死亡率、心肌梗死再发生相关[21,22]。

2.2 GDF-15的抗动脉粥样硬化效应

血管壁的慢性炎症反应与脂质代谢紊乱是动脉粥样硬化发生和发展过程中的两个重要特征[23-25]。动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病的观点越来越受到重视[26-28],首先富含脂质的脂蛋白经氧化修饰后沉积在动脉血管壁内,促进炎症细胞如巨噬细胞、淋巴细胞等趋附并释放炎症因子,损伤血管内皮,血管内皮损伤导致局部炎症细胞如巨噬细胞等的浸润、活化,释放多种生物活性因子,启动炎症反应,另一方面巨噬细胞吞噬、降解修饰的脂蛋白,产生巨噬细胞源性泡沫细胞,最终导致动脉粥样硬化斑块形成。但是动脉粥样硬化斑块的形成受多种因素影响,机制很复杂,目前尚无确切学说能全部解释这些病理因素。

随着对动脉粥样硬化发病机理认识的逐渐深入,越来越多的研究指向细胞因子,发现其在动脉粥样硬化斑块微环境中发挥重要调节作用。在这些细胞因子中,TGF-β超家族成员与血管炎症反应密切相关[29]。GDF-15是TGF-β超家族中的一员,活化的巨噬细胞分泌的促炎因子,如白介素1β(Interleukin-1β,IL-1β)、肿瘤坏死因子 α(Tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)以及巨噬细胞集落刺激因子(Macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)等,可诱导GDF-15快速表达,GDF-15作为自分泌调控因子,参与调节巨噬细胞活性和炎症反应,影响动脉粥样硬化进程[1],但相应膜受体蛋白及信号转导通路至今未明确,可能通过利用TGF-β受体Ⅱ(TGF-β RⅡ)抑制CCR2介导的巨噬细胞趋化,缓减血管壁炎症反应[30]。Fairlie WD等研究发现,重组GDF-15能抑制脂多糖诱导的巨噬细胞TNF-α的产生,提示GDF-15参与调节细胞炎症反应[31]。在低密度脂蛋白受体敲除动脉粥样硬化小鼠模型中,GDF-15表达缺陷的小鼠动脉粥样硬化斑块中巨噬细胞蓄积增多,导致斑块不稳定以及细胞粘附分子表达增多,从另一角度揭示了GDF-15可能通过减少巨噬细胞蓄积以及黏附分子的表达,从而发挥抑制动脉粥样硬化作用。颜毅等[4]研究发现,在冠状动脉扩张与冠状动脉粥样硬化不同病理阶段,GDF-15水平存在显著差异,提示GDF-15可能是冠状动脉扩张抵抗动脉粥样硬化分泌的保护性因子。氧化型低密度脂蛋白(Ox-LDL)能够加速细胞的凋亡,体外培养的巨噬细胞经ox-LDL处理后显著促进GDF-15表达,免疫组织化学分析显示颈动脉粥样硬化斑块中同样有GDF-15的表达[12]。靶向敲除小鼠GDF-15基因表达可提高心肌梗死后心脏破裂发生的几率,同时增加梗死区域多形核白细胞的聚集[15],GDF-15表达缺陷会促进炎症反应的发生,其作为活化巨噬细胞的产物之一,提示其在动脉粥样硬化病变发生发展过程中发挥调节作用。

外周血中脂质过高尤其是胆固醇蓄积增多,沉积在动脉血管壁,影响血管内皮细胞功能,诱发单核/巨噬细胞趋化并吞噬过量脂质形成泡沫细胞,内皮细胞功能紊乱在动脉粥样硬化斑块形成中起重要作用。GDF-15通过激活PI3K/Akt/eNOS通路抑制高糖诱导的内皮细胞凋亡,改善内皮细胞功能,因而维持血管内皮细胞的正常生理功能对抑制动脉粥样硬化的发生具有重要作用[32]。Johen H.等研究发现,高脂喂养的载脂蛋白E基因敲除动脉粥样硬化模型小鼠,过表达GDF-15水平后,观察到动脉粥样硬化斑块面积较前缩小,而斑块复合物中的促炎或抗炎因子生成,血脂水平等无统计学差异[3,4],提示GDF-15参与动脉粥样硬化保护作用。De Jager S.C.等研究证实,敲除低密度脂蛋白受体的高脂喂养小鼠模型,GDF-15在动脉粥样硬化病变的不同时期所起的作用不同,从而影响动脉粥样硬化斑块的稳定性[30]。在缺血/再灌注心肌梗死动物模型实验中,与野生型正常小鼠相比,GDF-15表达缺陷的小鼠心肌梗死面积扩大,心肌细胞凋亡数增加,而加入重组的GDF-15处理后可减少心肌细胞的凋亡,说明GDF-15具有保护心肌细胞防止细胞缺血/再灌注损伤的作用[2]。总之,GDF-15在动脉粥样硬化方面具有抑制作用,可能通过抑制巨噬细胞活性,缓解血管壁炎症反应,改善内皮细胞功能,延缓动脉粥样硬化进程,但GDF-15在脂质代谢方面的研究甚少,有待更多更进一步的深入研究。

3 问题与展望

目前关于GDF-15作用的研究大多集中在调节细胞凋亡,抑制肿瘤增生等领域,而其在心血管疾病领域尤其动脉粥样硬化的研究进展缓慢,GDF-15在抑制巨噬细胞蓄积,调节炎症反应以及可能参与脂质代谢平衡等方面的作用,有可能作为防治心血管疾病特别是动脉粥样硬化的潜在靶点。对作为一个评估与管理心血管系统疾病的生化指标,尽管现在已有部分动物实验证实其在As斑块中的有益作用,但具体作用机制仍未明确。随着研究的进一步深入,我们必将更加全面、更加准确地了解GDF-15的生理及各种病理状态下所表现的功能调控机制,并最终为动脉粥样硬化等心脑血管疾病的临床诊断、预防和治疗提供新的策略和药物靶点。

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