发育成熟心脏中血管内皮细胞和心肌细胞的关系

发育成熟心脏中血管内皮细胞和心肌细胞的关系

位庚郭勇英贾振华1，2，3

(河北医科大学，河北石家庄050017)

关键词〔〕血管内皮细胞；心肌细胞；神经调节蛋白；心肌再生

中图分类号〔〕R543.7〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(No.2012CB518606)

通讯作者：贾振华(1975-)，男，博士，主任医师，博士生导师，主要从事心血管疾病的研究。

1河北以岭医药研究院国家中医药管理局重点研究室(心脑血管络病)

2河北医科大学附属以岭医院心血管病科

3河北省络病重点实验室

第一作者：位庚(1980-)，女，博士，主治医师，主要从事心血管疾病的研究。

在正常成年哺乳动物的心脏中大约有30%的细胞是心肌细胞，另外的70%为内皮细胞、成纤维细胞、平滑肌细胞和免疫细胞〔1〕。各细胞间的相互诣调作用对心脏的发育至关重要〔2〕。内皮细胞已经成为目前心血管系统结构其功能的重要因素之一〔3〕，是血管张力和附近细胞生长的动态调节器〔4〕。心肌细胞不仅有赖内皮细胞提供血氧和营养物质，更需要内皮细胞自分泌和旁分泌信号，从而引导和促进心肌细胞发育、舒缩功能、缺血损伤后存活乃至有限再生。本文综述了以往研究中关于内皮细胞和心肌细胞之间相互作用的关键分子机制，讨论血管内皮细胞和心肌细胞相互作用在心脏形态、功能和损伤后修复方面的功效，以利于研究心肌细胞的再生和心血管疾病的治疗。

1血管内皮细胞和心肌细胞的解剖位置关系

在成年哺乳动物的心脏中，每一个心肌细胞旁至少有一根毛细血管，在重量上心肌细胞大约是血管内皮细胞的25倍但是在数量上内皮细胞至少是心肌细胞的3倍〔5〕。心肌细胞的大小通常是10～100 μm，由内皮细胞形成的微血管之间的距离为15～50 μm〔6〕，每一个心肌细胞与内皮细胞的距离都小于3 μm，冠状动脉微血管网络内心肌细胞和内皮细胞的这种紧密解剖结构不仅可以供应使充足的血液，同时也有利于这些细胞之间的相互作用〔7〕。

2心脏血管内皮细胞调节心肌细胞收缩

血管内膜可以感应流过血液的剪切应力和调节血管平滑肌的收缩。因此，心脏内皮细胞(包括心内膜内皮细胞和毛细血管内皮细胞)可以调节心脏的收缩。由心脏血管内皮细胞通过自分泌和旁分泌途径释放或活化信号分子，达到调节心肌细胞收缩反应的作用。心脏内皮细胞通过旁分泌作用调节心肌细胞的收缩功能，其分泌的因子包括一氧化氮、内皮素-1、前列环素、促尿钠肽和其他细胞因子〔8〕。

2.1一氧化氮三种不同的一氧化氮合酶同工酶将L-精氨酸合成为一氧化氮(NO)。神经元型和内皮型一氧化氮合酶(nNOS和eNOS)在正常生理状态下表达，而诱导型一氧化氮合酶(iNOS)在应激或细胞因子诱导下表达。NO作用于血管可以使血管平滑肌松弛，作用于心脏则影响心室的舒张。虽然NO主要由血管内皮细胞分泌起旁分泌效应，但是心肌细胞也同样表达nNOS和eNOS。内皮细胞表达的eNOS与心肌细胞表达的eNOS的比值大于4∶1〔9〕。心肌细胞表达的eNOS信号可以通过调节β-肾上腺素和胆碱来控制心脏的收缩状态〔10〕。

Barouch等〔11〕证明了心肌细胞表达的eNOS和nNOS可能对心脏的结构和功能起相反作用，他们利用eNOS或nNOS基因敲除小鼠，发现eNOS和nNOS不但在心肌细胞中有不同的定位，而且在心肌收缩功能上起相反的作用。eNOS定位在细胞质膜微囊，抑制L-型Ca2+通道，诱导负性肌力作用，而nNOS的靶器官是肌浆网，促进Ca2+释放，起正性肌力作用。这些结果表明不同的一氧化氮合酶亚型对维持心脏的结构和外型是独立起作用的。

2.2内皮素-1(ET-1)ET-1是由21个氨基酸组成的多肽，主要由血管内皮细胞经过直接的收缩作用产生和释放，具有收缩血管的作用〔12〕。在心脏中，ET-1有自分泌和旁分泌两种途径，其受体包括内皮素A(ETA)受体和内皮素B(ETB)受体。ETA受体在心肌细胞上表达。当ET-1与ETB 受体结合，可导致其他信号分子(如：NO和前列环素I2)的释放而不是血管收缩，而当ET-1与ETA 受体结合时，ET-1可以引起心肌细胞的收缩〔13〕。以上结果表明，在心脏内皮细胞和心肌细胞之间可能有一个反馈机制并通过ET-1系统控制心肌的收缩功能。

2.3神经调节蛋白-1/ErbBs神经调节蛋白(NRG)是表皮生长因子家族的成员，这些成员的受体为ErbB家族受体络氨酸激酶。NRG可分为四种亚型：NRG-1、NRG-2、NRG-3和NRG-4。在心脏形成早期，心内膜内皮细胞产生NRG-1，心肌细胞则表达ErbB2和ErbB4两种受体。ErbB2/4系统通过旁分泌信号通路从心内膜到心肌，对心肌小梁和心脏垫的形成起到至关重要的作用〔14〕。有研究表明，NRG或两种其同源受体(ErbB2和ErbB4)的突变，可致心肌小梁中止生长，使胚胎中期死亡〔15〕。在成年心脏中NRG-1特异性的在心肌内皮细胞中表达，而且NRG-1表达似乎严格限制在靠近心肌细胞的心肌微血管内皮细胞中，在大的冠脉静脉和主动脉中均无表达，但ErbB2和ErbB4在心肌细胞中却有表达。因此，考虑可能是靠近心肌细胞的内皮细胞合成并释放NRG-1作用于心肌细胞中的受体，从而发挥旁分泌效应〔16〕。在成年小鼠中，心肌细胞特异性敲除ErbB2后可导致扩张型心肌病〔17〕。来自内皮细胞的神经调节蛋白在兔离体乳头肌中可以诱导负性肌力作用〔18〕。这表明神经调节蛋白信号通路和NO在心脏肌力调节中充当了内皮源性调节器的作用。

3心肌细胞的再生

自然界中，脊椎动物的器官再生现象相对较少，而斑马鱼能够在心脏部分切除后实现心肌再生〔19〕。Porrello等〔20〕最近的研究也发现小鼠出生后早期具有心肌再生的能力，在出生7 d后则基本丧失了这种能力。他们的研究还发现，心肌梗死术后的新生小鼠心肌可以依赖预先存在的心肌细胞的增殖而实现再生〔21〕。但人类心脏缺血后死亡的心肌细胞由于不能被充分置换，从而导致心室功能障碍〔22〕。有证据表明，心肌细胞在特定情况下可以持续再生，其再生能力随着年龄的增长逐渐下降〔23〕。关于成人再生的心肌细胞来源，Quaini等〔24〕研究了8名接受了女性供体心脏的男性患者，在这些男性患者去世后，发现其移植的心脏内有含Y染色体的干细胞。显然这些干细胞要么来自受体的骨髓，要么来自受体残留的部分心血管组织。另有研究表明，现有的心脏干细胞是心肌再生的来源〔25〕。

由于缺乏对心肌细胞新生机制的了解，所以研究人员将不同类型的细胞或者将损伤的心肌细胞注入心脏，试图刺激心肌细胞的新生。这些细胞都表现出向益处发展的潜力，包括骨骼肌细胞、成人和新生儿的心肌细胞、骨髓干细胞和新生儿干细胞〔26〕。在某些情况下，注入的细胞或者植入未完全分化的细胞存活较差，其他情况是宿主心肌细胞与植入细胞整合不佳〔27〕。注入骨髓来源的内皮祖细胞已经成为心梗后促进心肌血管生成和提高心肌存活率的辅助疗法〔28〕，虽然它们转化为心肌细胞的能力很有限。实验性的细胞疗法似乎有利于受损心脏的功能，即使大多数细胞并没有存活甚至更少的细胞在功能上融入心肌细胞。因为注射的细胞刺激了血管的生成，无论这些注射的细胞是存活还是死亡其都含有丰富的血管生成因子。

4内皮细胞促进心肌细胞存活

4.1eNOS-NO途径Leucker等〔29〕将血管内皮细胞与心肌细胞按1∶12的比例混合培养，在缺氧/复氧的体外模型中，异氟烷可通过激活内皮细胞的缺氧诱导因子(HIF1α)-eNOS途径加强其对心肌细胞的保护作用，其机制与内皮细胞产生的NO，抑制心肌细胞线粒体通透性转换孔(mPTP)开放有关。该研究团队的另一个实验是将血管内皮细胞与心肌细胞按1:3的比例混合培养，缺氧/复氧处理后NO的产生量明显高于单独培养心肌细胞，而混合培养的细胞中乳酸脱氢酶(LDH)的产量明显降低。高糖环境则损伤了上述内皮细胞的保护作用，补充四氢叶酸(Bp)或上调三磷酸鸟苷环化水解酶(GTPCH-1)活性则可以恢复上述内皮细胞对心肌细胞的保护作用，其机制与促进eNOS耦联以及磷酸化有关〔30〕。Liu等〔31〕研究发现在心肌细胞-血管内皮细胞共培养缺氧/复氧模型中，血管内皮细胞损伤可加剧心肌细胞损伤，而vasostatin-1基因转染可通过血管内皮保护机制，对共培养中的心肌细胞产生更为显著的抗心肌缺血再灌注损伤保护，该作用与内皮来源的NO信号通路密切相关。

4.2NRG/ErbB途径NRG-1在心脏微血管内皮中表达，而ErbB2和ErbB4在心肌细胞中表达，这就为内皮细胞通过NRG-1/ErbB2/4旁分泌作用于心肌细胞提供了可能。Kuramochi等〔7〕的研究证明了活性氧可以调节NRG/ErbB信号通路。他们发现NRG通过PI-3K/Akt信号通路促进心肌细胞存活。心脏微血管内皮细胞表达NRG和NRG-1β可保护心肌细胞抵抗蒽环类药物、β-肾上腺素能受体和过氧化氢(H2O2)诱导的心肌细胞死亡〔7〕。H2O2以浓度依赖的方式和旁分泌的机制激活心肌细胞的ErbB4信号，从而诱导血管内皮细胞NRG-1β的释放〔7〕。共培养心肌内皮细胞通过NRG/ErbB4信号通络保护H2O2诱导的心肌细胞凋亡。缺氧/复氧环境亦可促进内皮细胞释放NRG-1，起到保护心肌细胞的作用。Hedhli等〔32〕发现，在缺氧再灌注后，内皮细胞释放NRG-1水平明显高于单独缺氧；在内皮与心肌细胞隔离共培养后进行缺氧/复氧处理，心肌细胞凋亡明显被抑制，存活数量增多；小鼠体内内皮特异性敲除NRG-1基因后，心肌缺血后梗死面积明显增多。Ebner等〔33〕的研究证实，即使给予NRG-1，在eNOS功能受损(解耦连)的小鼠体内，其心肌保护作用也被大大削弱；在eNOS基因敲除的小鼠中，NRG-1可通过失活GSK-3β而达到明显的心肌保护作用。该研究提示NRG-1可能也是部分通过eNOS未发挥作用的。

4.3其他保护机制在心脏微血管内皮细胞和心肌细胞三维立体培养中，内皮细胞可保护心肌细胞，减少凋亡〔34〕。初步研究数据表明：内皮细胞在与心肌细胞接触培养中，内皮细胞(PDGF-B)分泌血小板衍生生长因子-B，它可以通过PI-3k/Akt信号通路保护心肌细胞提高心脏微血管内皮细胞的止血和血管生成活性〔35〕。

除了eNOS、NRG和PDGF-B，另外一个血管内皮细胞介导心肌细胞存活的因子是血管生成素-1。Ang-1基因缺陷的小鼠在发育中死亡主要是因为心脏功能缺陷。这些缺陷通常是由于内皮细胞功能受损引起的。Ang-1不仅提高了内皮细胞的存活率而且可以提高骨骼肌细胞和心肌细胞的存活质量，Ang-1的腺病毒过表达可以减少实验性心肌梗死的面积〔36〕。

5结语

正常成年哺乳动物的心脏中每一个心肌细胞都被错综复杂的毛细血管网络所包绕。心肌细胞不仅依赖血管内皮细胞供血供氧，而且血管内皮细胞在生理和病理状态还介导了局部的保护信号，这些保护信号可以增强心肌细胞的功能并提高存活率。我们了解了成年哺乳动物心脏中血管内皮细胞和心肌细胞之间的关键分子机制，以及内皮细胞对心肌细胞的保护机制，因此，本文综述之内可为心肌细胞再生研究和心血管疾病治疗提供一定的依据。

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〔2014-09-19修回〕

(编辑郭菁)