心肌成纤维细胞的起源

芦波，桂明泰，符德玉

心肌成纤维细胞（cardiac fibroblast，CF）约占正常心肌组织细胞总数的60%～70%，对于心脏稳态的维持有重要作用。CF可分泌各种生长因子，通过细胞间的相互作用，直接影响心脏的结构、机械力、生化和电生理特性，尤其是对维持细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的作用有重要意义。ECM能够支撑心脏各型细胞，并能将机械力分散到整个心脏组织[1,2]。ECM增加将直接导致纤维组织增生，增加心脏机械僵硬度，并引起舒张功能紊乱[3]，扰乱细胞的电偶联，导致心脏收缩功能紊乱[4]。本文着重综述CF的起源、鉴别等内容，为研究心肌纤维化提供方便。

1 心肌成纤维细胞的标记物

成纤维细胞及CF通常包含1到2个核仁[5]，由于对其分子特性还没有充分的理解，以及缺少特异性相对专一的CF标记物，因此研究CF一直充满挑战。如成纤维细胞特异性蛋白1（FSP1）是众多标记物之一，最初是用来鉴别肾成纤维细胞和肾上皮细胞，有证据表明它在心脏也具有特异性，但遗憾的是，FSP1抗体却只能检测到少部分的CF，而且FSP1+的CF在正常心脏中也少之又少。其次，健康的新生心脏中，CF并不表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）[6]。但在心肌纤维化时，CF会变为α-SMA+的肌成纤维细胞，因此这也被认为是成纤维细胞活化的标志。由于α-SMA也在血管平滑肌细胞以及外周细胞表达，这些细胞在分辨率不高的免疫荧光技术下可被误认为成纤维细胞，因此α-SMA也不是CF特异性标志物。此外，胶原受体（DDR2）和Periostin（骨膜蛋白）也有类似的限制性。越来越多的证据表明CF有多种来源[7,8]，这使得CF的鉴定难上加难。

2 心脏疾病中的CF来源

传统上，成纤维细胞根据其多形性简单分为失活或者激活状态（激活的成纤维细胞会变的更大，同时拥有一个主要的高尔基体），激活体可产生更多胶原，因此被认为是纤维化疾病的主要参与者。通常在损伤修复过程中，分泌胶原的成纤维细胞会逐渐凋亡，只剩下包含网状胶原和其他基质成分的成熟疤痕[9]，在心脏病发作时，CF却逃脱了这一调节机制控制，反应性胶原沉积急剧增加，使纤维化变成了一种持续过程，最终发展为心力衰竭，探讨CF的多种起源可窥探心肌纤维化的实质，也日渐成为研究热点。

2.1 原位的CF及其祖细胞 传统观点认为纤维化心脏中活化的成纤维细胞起源于原位的成纤维细胞，这是基于原位CF对多种循环分子敏感[如转化生长因子-β（TGF-β）等]，因而TGF-β等刺激CF的增殖性反应也较强[10]。理论上，这种反应只发生在心脏损伤区域，可引起原位成纤维细胞变成基质分泌细胞，出现替代性的纤维化。然而，心脏肥厚时对增殖细胞数目进行追踪的研究显示，只有血管周围才有成纤维细胞样的细胞。该研究表明增殖的前纤维化细胞可能并不是起源于心脏的原位成纤维细胞，而是在反应性间质重构时从其他细胞类别中募集而来。

2.2 内皮细胞间质转型 在心脏纤维化的实验模型中，大约30%活化的成纤维细胞来自于细胞转型后的内皮细胞，这一过程称为内皮细胞间质转型（EndMT），但在正常心脏中并无此现象[11]，说明在病理和生理状况下CF有着不同的起源。内皮细胞在促纤维化因素的影响下（如TGF-β和低氧），应激性地出现成纤维细胞样的表型，同时失去内皮细胞的特点[12,13]，这些细胞离开微血管床迁徙到间质中成为成纤维细胞。因此，EndMT通过成纤维细胞聚集和微血管稀疏两种途径促进纤维化发生和发展。最新研究发现心外膜的上皮细胞可能通过类似上皮细胞间质转型（EMT）亦参与了成纤维细胞的募集[14,15]。

在心脏发育过程中，EndMT和EMT分别参与房室结的形成及瓣环间质纤维化[16]。因此，这两种途径认为是早期残存的胚胎信号通路在成人心脏病中被再次激活。机体应激损伤状态下，有效动员损伤部位附近细胞而不是募集远处细胞转变为成纤维细胞，沉积到内膜下及血管周围。

2.3 血管周围细胞 另一种成纤维细胞的来源可能就存在于心脏血管的周围区域。研究发现在皮肤疤痕模型中，外膜细胞可以分化为可产生胶原的细胞。又有研究发现，视网膜周细胞存在多种表型特点，并且在体外研究中与成纤维细胞有功能重叠[17]。此外，最新的家系追踪研究发现，受损肾脏中CD73+的外膜细胞是成纤维细胞的前体[18]。

然而，由于缺乏外膜细胞和成纤维细胞特异性标记物，以及缺乏特异性的细胞系追踪技术，目前关于外膜细胞是否参与心脏纤维化仍是一个争论的焦点。

2.4 循环骨髓起源的前体细胞、单核细胞和纤维细胞 骨髓起源的前体细胞亦被认为是纤维化心脏中CF的一个来源。这一观点是基于对心肌梗死前或主动脉结扎前，小鼠的心脏中移植表达绿色荧光蛋白（GFP）的骨髓细胞进行的研究，该研究发现在纤维化组织中出现了GFP阳性的细胞[19,20]。虽然报道称在心脏损伤部位，骨髓起源的成纤维细胞占全部成纤维细胞的25%～60%，但这对持续的纤维化过程贡献似乎并没那么多，因为心肌梗死14 d后，它们的数目显著下降。因此目前骨髓起源的细胞到底是成纤维细胞还是特殊表型的炎症细胞仍存争议。

单核细胞也可能是与病理相关的成纤维细胞的另一种来源。梗死心脏组织中成纤维细胞样细胞可同时表达单核细胞（CD45；CD11b）和肌成纤维细胞标志物（S100A4，α-SMA）。而且，阻止单核细胞的募集会降低心肌梗死后CF数量及减轻心肌重塑[21]。纤维细胞代表了循环中一群独特的成纤维细胞前体，同时表达间质系统和造血系统的标志物（CD45，CD34，前胶原Ⅰ，波形蛋白）。

循环中的纤维细胞起源于造血干细胞，会和其他白细胞表现出相似的表型，然而，这种表型重叠是否仅代表普通的起源相似[22]，还是也提示有功能的重叠还尚不明确。

3 理解成纤维细胞起源的意义

众所周知，CF是心脏纤维化的主要罪魁祸首，因此限制CF的增殖或者减少它们从其他细胞的衍生是一种非常有价值的治疗策略，尤其是后者，因为心肌中EndMT和骨髓起源的CF只存在于心脏病理过程中。出于这个原因，用重组的骨形态发生蛋白-7进行治疗可以抑制EndMT，虽不影响健康心脏的组织平衡，但能缓解实验小鼠心肌纤维化。

研究成人心脏中EndMT和EMT等促进CF形成的机制可能会提供治疗心脏发育缺陷的新方法。EndMT和EMT对于胚胎期的心脏发育都十分重要。例如，房室内的EndMT负责心内膜垫的形成，随后会发展为房室间隔和心脏瓣膜。EndMT的缺乏与一系列的先天性心脏病相关。心外膜上皮细胞的EMT对于瓣环的纤维化、结缔组织形成的电传导系统有重要意义。扰乱EMT的这一过程，可以影响心脏的电传导，可能会引起预激综合征[23,24]。虽然我们相信研究成人中成纤维细胞的起源有助于理解先天性心脏病，但是阻断这些形成机制也可能会潜在的影响心脏生理结构。

4 展望

虽然CF一直长期认为是一种独立、静止的细胞群，而细胞系追踪研究已经提示CF可能起源于多种细胞，包括内皮细胞、上皮细胞以及骨髓，拥有着多种功能，这些不同起源各自的CF参与心肌纤维化的程度目前仍不明确。由于缺乏合适的标志物以及适当的家系追踪技术，这阻碍了我们探求CF复杂的分化过程及其功能。因此对于研究者而言，通过探究细胞、分子及形态学变化来研究心脏间质仍是一个巨大的挑战。更好的认识CF生理可以加深对心脏病时CF功能的理解，深入理解不同成纤维细胞群对于心脏生理或病理性疤痕的作用，可能会提供给新的治疗策略，目前也只是掀开了心脏病中成纤维细胞神秘面纱的一角。

[1] Souders CA,Bowers SL,Baudino TA. Cardiac fibroblast: the Renaissance cell[J]. Circ Res,2009,105(12):1164-76.

[2] Baxter SC,Morales MO,Goldsmith EC. Adaptive changes in cardiac fibroblast morphology and collagen organization as a result of mechanical environment[J]. Cell Biochem Biophys,2008,51(1):33-44.

[3] Chaturvedi RR,Herron T,Simmons R,et al. Passive stiffness of myocardium from congenital heart disease and implications for diastole[J].Circulation,2010,121(8):979-88.

[4] Spach MS,Boineau JP. Microfibrosis produces electrical load variations due to loss of side-to-side cell connections: a major mechanism of structural heart disease arrhythmias[J]. Pacing Clin Electrophysiol,1997,20(2 Pt 2):397-413.

[5] Tsuruda T,Imamura T,Hatakeyama K,et al. Stromal cell biology--a way to understand the evolution of cardiovascular diseases[J]. Circ J,2010,74(6):1042-50.

[6] Snider P,Standley KN,Wang J,et al. Origin of cardiac fibroblasts and the role of periostin[J].Circ Res,2009,105(10):934-47.

[7] Krenning G,Zeisberg EM,Kalluri R. The origin of fibroblasts and mechanism of cardiac fibrosis[J]. J Cell Physiol,2010,225(3):631-7.

[8] Zeisberg EM,Tarnavski O,Zeisberg M,et al. Endothelial-tomesenchymal transition contributes to cardiac fibrosis[J].Nat Med,2007,13(8):952-961

[9] Gurtner GC,Werner S,Barrandon Y,et al. Wound repair and regeneration[J].Nature,2008,453(7193):314-21.

[10] Lucas JA,Zhang Y,Li P,et al. [J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol,2010,298(2):H424-32.

[11] Lugus JJ,Park C,Ma YD,et al. Both primitive and definitive blood cells are derived from Flk-1+ mesoderm[J].Blood,2009,113(3):563-566

[12] Krenning G,Moonen JR,van Luyn MJ,et al. Vascular smooth muscle cells for use in vascular tissue engineering obtained by endothelialto-mesenchymal transdifferentiation (EnMT) on collagen matrices[J].Biomaterials,2008,29(27):3703-11.

[13] Moonen JR,Krenning G,Brinker MG,et al. Endothelial progenitor cells give rise to pro-angiogenic smooth muscle-like progeny[J].Cardiovasc Res,2010,86(3):506-15

[14] van Tuyn J,Atsma DE,Winter EM,et al. Epicardial cells of human adults can undergo an epithelial-to-mesenchymal transition and obtain characteristics of smooth muscle cells in vitro[J]. Stem Cells,2007,25(2):271-8.

[15] Zhou B,von Gise A,Ma Q,et al. Genetic fate mapping demonstrates contribution of epicardium-derived cells to the annulus fibrosis of the mammalian heart[J]. Dev Biol,2010,338(2):251-61.

[16] Niessen K,Fu Y,Chang L,et al. Slug is a direct Notch target required for initiation of cardiac cushion cellularization[J]. J Cell Biol,2008,182(2):315-25.

[17] Covas DT,Panepucci RA,Fontes AM,et al. Multipotent mesenchymal stromal cells obtained from diverse human tissues share functional properties and gene-expression profile with CD146+perivascular cells and fibroblasts[J].Exp Hematol,2008,36(5):642-54.

[18] Humphreys BD,Lin SL,Kobayashi A,et al. Fate tracing reveals the pericyte and not epithelial origin of myofibroblasts in kidney fibrosis[J].Am J Pathol,2010,176(1):85-97.

[19] van Amerongen MJ,Bou-Gharios G,Popa E,et al. Bone marrowderived myofibroblasts contribute functionally to scar formation after myocardial infarction[J].J Pathol,2008,214(3):377-86.

[20] Kania G,Blyszczuk P,Stein S,et al. Heart-infiltrating prominin-1+/CD133+progenitor cells represent the cellular source of transforming growth factor beta-mediated cardiac fibrosis in experimental autoimmune myocarditis[J].Circ Res,2009,105(5):462-70.

[21] van Amerongen MJ,Harmsen MC,van Rooijen N,et al. Macrophage depletion impairs wound healing and increases left ventricular remodeling after myocardial injury in mice[J].Am J Pathol,2007,170(3):818-29.

[22] Niedermeier M,Reich B,Rodriguez Gomez M,et al. CD4 T cells control the differentiation of Gr1t monocytes into fibrocytes[J]. Proc Natl Acad Sci USA,2009,106(42):17892-7.

[23] Kolditz DP,Wijffels MC,Blom NA,et al. Epicardium-derived cells in development of annulus fibrosis and persistence of accessory pathways[J]. Circulation,2008,117(12):1508-17.

[24] Kolditz DP,Wijffels MC,Blom NA,et al. Persistence of functional atrioventricular accessory pathways in postseptated embryonic avian hearts: implications for morphogenesis and functional maturation of the cardiac conduction system[J]. Circulation,2007,115(1):17-26.