转化生长因子－β对心肌纤维化作用的研究进展＊

许淑文 戴 雯综述 李 艳审校

慢性心力衰竭（Chronic Heart Failure，CHF）已成为日益严重的公共卫生问题，目前全球约有3800万CHF患者，发病率以每年50%的速率增加［1－2］。心脏重塑是导致CHF发生的关键过程。研究证据表明，转化生长因子－β（Transforming Growth Factor－β，TGF－β）作为多功能细胞因子，可参与组织修复和心肌纤维化（Myocardial Fibrosis，MF）的发生发展进程［3］，因而可能直接参与CHF的渐进性重构。TGF－β在心脏重塑和CHF的发病机制中的作用已在动物实验中进行了广泛研究［4］，但其对人类心脏的作用研究至今较少［3］。本文综述TGF－β在 MF中作用的研究进展，为临床研究TGF－β作为CHF治疗靶点提供资料。

1 CHF和MF

1.1 CHF的临床病理表现

CHF是在各种致病因素作用下，心脏收缩和（或）舒张功能发生障碍，即心泵功能减弱，使心输出量绝对或相对下降，以至不能满足机体代谢需要的病理生理过程或综合征。其典型症状是呼吸困难、气短乏力和体液潴留。心脏的急性（心肌梗死）或慢性损伤（长期高血压）导致心室功能降低和室壁应力增加，使HF呈进展性发展。这种进展通过一系列心血管系统代偿反应而发生，主要有血管神经收缩系统，如肾素－血管紧张素－醛固酮系统（RAAS）及肾上腺素能神经系统，以维持重要器官的血流量，包括增加心室前负荷、心室扩张、外周血管收缩、心肌肥厚。这些初期代偿过程进行性发展会导致心室功能逐渐丧失，引起收缩和（或）舒张功能异常和心室重构［5］，包括心肌细胞重构和间质重构。心肌细胞重构多表现为心肌细胞肥大及心肌细胞凋亡、坏死增加；间质重构与成纤维细胞（Cadiacfibloblast，CFs）增生及细胞外基质（Extra Cellular Matrix，ECM）平衡紊乱密切相关，其结果是引发 MF［6］。

1.2 MF在CHF中的作用

MF是指由各种原因导致的心肌CFs增殖和ECM沉积、细胞死亡以及血管再生，是多种心血管疾病发展到一定阶段的共同病理过程，是心肌重构的主要表现。MF可分为反应性纤维化和修复性纤维化两种类型［6］，前者发生在对炎症的反应过程，后者一般由于心肌组织损伤而引发。CFs通过增殖、分泌ECM蛋白等引起胶原纤维积聚、胶原成分改变和心脏空间结构排列紊乱，形成MF，导致心室壁僵硬、顺应性降低和心脏舒缩功能不全。MF还可以在心肌中形成特有的一道屏障，削弱心肌电藕联，从而破坏收缩期和舒张期的兴奋－收缩偶联，使心脏收缩和舒张功能异常。此外，纤维化心脏中胶原网的紊乱可通过各种不同的机制导致收缩功能障碍，如胶原网的层粘连蛋白α4缺失小鼠即表现出心室收缩功能障碍［7］。MF还会造成心室肌层细胞数量减少，不仅影响心肌代谢，还可导致心室重构，最终造成 HF［8］。研究表明，多种心血管疾病发展到一定阶段均可出现MF，其中包括高血压病、冠心病、HF以及各种心肌病。

心脏ECM中的胶原蛋白的过量沉积不仅会影响心肌收缩功能，而且会阻断电传导而引起细胞结构，特别是心肌细胞间连接的改变，从而导致心律失常。胶原蛋白通过动态的细胞－细胞和细胞－ECM相互作用，调节CFs对ECM的合成和降解，保持心脏结构的完整性。炎症反应、缺血、机械拉伸、高血糖、激素和多肽等多种刺激可以激发CFs的活化，从而使ECM积聚和纤维化加剧，进而使心室顺应性受损和充盈受限。炎症反应可引起 TGF－β、核因子－κB（NF－κB）、肿瘤坏死因子（TNF－α）、白介素－6（ⅠL－6）和促炎因子（如血管紧张素Ⅱ）等的水平升高［7，9］，诱导CFs转变为肌成纤维细胞，后者通过破坏基质金属蛋白酶（MMPs）及其抑制因子（TⅠMPs）的平衡而促进 MF［10］，导致心脏重塑和CHF。

2 TGF－β对 MF的作用

2.1 TGF－β的生物学活性

基于结构和生物学的相似性，TGF－β大家族可以分为四个主要部分：苗勒管抑制物质（MⅠS）家族，抑制素／活化家族，骨形成蛋白（BMP）家族和TGF－β家族。MⅠS可以诱导男性胚胎中副中肾管的形成［11］，抑制素／活化物可调节垂体细胞的激素分泌能力［12］，BMP纯化后可以诱导骨形成，调节无脊椎动物和脊椎动物的各种早期发育过程［13］。TGF－β以三种异构体形式存在于哺乳动物体内，包括TGF－β1、TGF－β2和 TGF－β3，而编码 TGF－β1、β2和β3的基因存在于染色体的不同位置，分别为19q13.1－q13.3 19、1q41和14q23 24。TGF－β是一个典型的多功能多肽，最初从血小板中提出，它的一些主要特性自上世纪九十年代才被逐渐发现：不仅能抑制上皮细胞和造血细胞生长，调节骨髓间充质干细胞ECM的产生，还参与多种基本生物过程，如细胞生长、分化、发育、组织修复和细胞凋亡等［14］。

TGF－β广泛存在于人体多种细胞中，如上皮细胞、内皮细胞、造血细胞、神经细胞、结缔组织细胞，这些细胞不仅能产生TGF－β，而且具有相应的受体。TGF－β1mRNA主要在内皮细胞、造血细胞和结缔组织细胞中表达。TGF－β1蛋白对CFs及其它间叶组织来源细胞有明显刺激作用，以增加胶原蛋白、糖蛋白的表达，增加细胞黏附蛋白分泌，增强有关受体的转录、翻译和处理过程，并减少MMPs的合成，从而对细胞的增殖和分化过程起重要作用，有利于胚胎发育和组织修复［15］。TGF－β是最重要的促 MF细胞因子之一，可以刺激CFs的增生、胶原合成，使心肌间质纤维化［16］。

2.2 TGF－β的活化与调节

虽然TGF－β三种亚型通过相同的细胞表面受体传导信号，且作用于相同的靶细胞，但是三者的表达却截然不同。TGF－β1是心血管系统中最主要的亚型，其它亚型只在其它细胞中少量表达。三种亚型可能在人体内的功能不同，目前对于MF的研究主要针对TGF－β1亚型。TGF－β1在正常心脏中以复合物前体形式存在，不能与受体结合。心肌损伤后，细胞外TGF－β1将由前体转化为活性形式，极少量的TGF－β1活化已经足够诱导最大程度的细胞反应［17］。目前已经发现大量“TGF－β激活剂”，它们在TGF－β的激活过程中发挥着不同的作用。蛋白酶（MMP－2和 MMP－9）能够激活 TGF－β1，将基质降解与分子的活化联系起来，使基质保持完整性和稳定性［18］。此外，ECM 和 活 性 氧 也 是 TGF－β1激 活 物。TGF－β1活化信号的传导还与心脏损伤的类型和强度有关。

炎症反应和心肌细胞凋亡与 MF密不可分。Westermann等［19］发现心肌炎症反应是心衰患者促 MF的刺激因素，对心衰患者心内膜活检发现，其炎性细胞增多，TGF－β1 mRNA水平升高。在心肌梗死模型中，继纤维组织沉积和梗死愈合后机体出现了一个明显的炎性阶段。研究显示，TGF－β1可促进组织纤维化和CFs转化，同时使巨噬细胞失活并抑制炎性趋化因子的表达。而压力负荷增加的心衰动物学模型表明，在胸主动脉缩窄后进行TGF－β1抑制可减少纤维化，且可以在不造成心肌肥厚的情况下改善心脏收缩功能［20］。还有研究发现，TGF－β1可促进大鼠心肌细胞凋亡，且一氧化氮等的释放在其促凋亡过程中起到重要作用［21］。表明炎症反应、凋亡和MF紧密相关，它们都参与心脏重塑，而TGF－β1在其中起重要作用。

而负调控TGF－β1表达可能对抑制 MF发挥重要的作用。近年研究发现，心肌梗死或HF中存在两种可以抑制MF的潜在机制：裂解和释放可溶性内分泌激素将会抑制TGF－β信号在HF中的传导［22］。压力超负荷情况下，BMPs／脑钠肽（BNP）和激活素（BAMBⅠ）表达可下调 TGF－β表达，从而减弱促纤维化效应［20］。因此，防止TGF－β在心肌中的失控表达对维持心肌结构和功能至关重要。

2.3 TGF－β对 MF的细胞效应

TGF－β1可刺激CFs增生、胶原合成、心肌细胞肥大，在心室重构中起着极其重要的作用［23］。杂合子TGF－β1基因缺失小鼠与野生型小鼠相比，表现出与年龄有关的纤维化和左心室顺应性降低［24］。在血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）2型受体刺激下，通过对 MMP－1、MMP－9和大鼠 TGF－β1的调节作用，能改善左心室纤维化和功能障碍［25］。图1显示［26］，TGF－β可诱导成纤维细胞分化，促进细胞外基质的合成［17］。TGF－β介导的结缔组织生长因子（CCN2）诱导也可能有助于纤维化的形成，且TGF－β1和CCN2的共同作用可能导致持续的纤维化反应［25］。TGF－β介导的其它类型细胞（如巨噬细胞，淋巴细胞和心肌细胞）的作用也可能通过旁分泌方式促进纤维化反应。此外，TGF－β的基质保护效应是受蛋白酶抑制剂，如纤溶酶原激活物抑制物（PAⅠ）－1和基质蛋白酶等的诱导而产生［27］。

图1 TGF－β对心肌纤维化的细胞效应［26］

心肌细胞坏死往往是MF被激活的初始事件，伤害性刺激（如压力超负荷或心肌炎症反应）也可以激活MF通路。CFs转化为具有分泌和收缩作用的肌纤维母细胞是关键的驱动纤维化反应的细胞事件。

TGF－β1一旦被激活和释放后，先与细胞表面活性ⅠⅠ型受体（TβRⅠⅠ）结合，再与Ⅰ型受体（TβRⅠ）结合，形成复合物，该复合物作用于R－Smads蛋白C’端丝氨酸残基，Smad2、Smad3增加且磷酸化，并与Smad4结合，形成Smad2－Smad3－Smad4转录复合体，进入细胞核内，即所谓TGF－β／Smads信号传导通路。已有研究表明，Smad3信号对心肌梗死心室重塑中有至关重要的作用［28］。Smad3缺乏不会干扰肌纤维母细胞分化，Smad3基因敲除的动物模型的成纤维母细胞数量明显增加，说明因为TGF－β可以不依赖Smad3途径发挥抗CFs增殖作用。但也有研究发现，Smad3基因敲除心肌梗死模型中MF重塑减少，原因可能由于TGF－β／Smads抗纤维化效应的降低所致［29］。因此，Smad蛋白依赖的信号通路在MF心脏重塑中的作用尚需系统研究。

3 TGF－β1是临床CHF治疗的重要靶标

3.1 针对 TGF－β1靶向治疗CHF

目前已有一些研究致力于探究TGF－β1在慢性肾脏疾病以及由心肌梗死、糖尿病导致的HF中的作用［30－33］。动物实验表明，抑制TGF－β1的作用可以有效抑制MF，但用于临床仍存在争议。动物实验发现，在心肌梗死前或发生心肌梗死即刻抑制TGF－β1信号通路，反而会增加死亡率并加重心功能障碍［34］，而在心肌梗死24h后抑制TGF－β信号通路，则会减少重塑并使心功能得到改善［35，36］。还有研究者使用抗TGF－β1中和抗体防止了心脏损伤后发生的结构和功能变化，有效减少压力超负荷模型中大鼠MF和心脏舒张功能障碍［37］。但在临床上长期使用人TGF－β1抗体的可行性并不强，因为临床研究发现，使用一些小分子物质抑制TGF－β1受体时，会导致骨畸形的发生［38］。大量 TGF－β1抑制剂药物，包括曲尼司特和吡非尼酮等化合物，虽然其作用机制还未完全清楚，但可以肯定的是，它们能够抑制TGF－β1以及其它病理生长因子［39，40］。

3.2 针对MF的治疗策略

因为MF、心脏重塑与心脏收缩和舒张功能障碍密切相关，预防和逆转MF是心血管诊治基础研究和临床应用研究的一个重要目标。通过抑制TGF－β1信号通路，可以有效防止MF的发生，但对如何把握抑制时机，以及如何避免抑制通路所带来的副作用，仍需要进一步研究。丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）系统是一个高度保守的丝氨酸／苏氨酸激酶家族，对细胞生长和增殖起重要作用，细胞外信号调节激酶（ERK1和ERK2或 p42／44MAPK）、c－Jun氨基末端激酶（JNK1和JNK2）和p38激酶三个MAPK通路在心脏的病理重塑中起着重要作用，都参与细胞肥大和细胞因子的激活［41］，这 三 条 通 路 都 可 由 活 性 TGF－β1 激 活［41，42］，并 发 挥MF的细胞效应，JNK和p38活化后能促进心肌细胞凋亡，而p42／44MAPK则抑制凋亡。但TGF－β1激活和下游信号通路JNK、p38和ERK1／ERK2的具体机制及其导致MF的病理生理过程还需进一步研究。吡非尼酮（FT011）等一些最新研发的用于减轻MF的药物，是直接抑制TGF－β1信号通路还是抑制下游JNK、ERK1／ERK2和p38MAPK激酶，还需要进一步论证。

4 小结与展望

MF是心脏重构的最主要表现之一，是导致CHF发生的重要机制。TGF－β1作为最重要的促 MF细胞因子，可作为CHF的治疗靶点。TGF－β1不仅可以促进MF的发生，同时还可以调节细胞凋亡、炎症反应等复杂过程，故其作用机制仍待深入研究。此外，正确把握抑制TGF－β1信号通路的时机，避免抑制通路所带来的副作用，可为防治MF的发生，延缓心脏的进展性重构及CHF提供新的思路和策略。