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MicroRNAs与心力衰竭的研究进展

2018-01-23徐曼曼张久亮范书英

中国全科医学 2018年9期
关键词:心肌细胞纤维化心肌

徐曼曼,张久亮,范书英

心力衰竭一种由心脏结构和功能紊乱引起的复杂临床综合征,其是世界范围内危及生命的疾病[1],严重影响人们的生活质量,包括呼吸困难、疲劳、运动耐量差和液体潴留。心力衰竭的发病原因包括性别、年龄、种族、合并症和环境等因素,近年来发展的心肌血运重建治疗降低了急性心肌梗死(AMI)患者突然死亡的发生率,但AMI发展成心力衰竭的数量稳步增加[2]。据估计,全球心力衰竭患者超过3 770万人,且每年有87万人被新诊断为心力衰竭[3],尽管药物治疗和技术设备也取得了飞速的发展,但仍有约50%的心力衰竭患者在5年内死亡[4]。在美国,2030年心力衰竭患者的总医疗费用预计将从2012年的209亿美元上升到531亿美元[5]。如今,心力衰竭诊治仍是世界性的难题。如何通过早期诊断、早期治疗来控制和延缓心力衰竭病情发展,提高患者的生活质量成为当务之急。

MicroRNAs(miRNAs)在心力衰竭中的调控机制成为当前研究的热点之一,随着研究深入,miRNAs家族中众多miRNA被证明在心力衰竭发展过程中起到了重要作用[6]。miRNAs在心力衰竭的诊断、治疗和预后中的作用为临床提供了一条新的思路,有望成为新的生物学标志物,用于心力衰竭的早期诊断和治疗。

1 miRNAs和心力衰竭

1.1 miRNAs 生成成熟的miRNAs是一个单链小分子(19~23个核酸片段)内源性非编码RNA,其转录后可水平调控基因表达,广泛存在于动植物中。miRNAs的生成过程非常复杂,初始miRNA是在内转子或基因间区内,通过RNA酶Ⅱ转录形成,长度为1~3 kb。而后,初始miRNAs在细胞核内由RNA酶Ⅲ Drosha和双链RNA结合蛋白质Pasha作用下,形成茎环状结构的前体miRNAs(pre-miRNAs),长度为70~100个核苷酸。Pre-miRNAs在Exportin-5作用下,从细胞核转移到细胞质中,并在RNAs酶ⅢDicer酶作用下,裂解成为长度为18~24的双链寡核苷酸——成熟双链miRNA。成熟miRNA参与一系列的生命进程,并且调控各个阶段的基因表达,与多种心血管疾病的发病机制密切相关。

1.2 心脏重塑与心力衰竭 心力衰竭是各种心脏病发生发展的终末节段,心脏重塑是其发生和发展的基本机制。心脏重塑是心肌对各种外部刺激的一个自适应性改变过程,以维持心脏功能及外部刺激下的血流动力学平衡。当外部刺激持续存在时,心脏重塑就变成了一个不可逆的过程,并逐步恶化,最后导致心脏衰竭。

心脏重塑的3个主要特征包括过度的心脏细胞外基质纤维化、病理性心肌细胞肥大以及心肌细胞凋亡。

正常的心肌细胞被胶原纤维网包围,其中成纤维细胞分泌细胞外基质蛋白,以应对病理压力或心肌梗死。但是过度的细胞外基质蛋白分泌将导致心肌纤维化,引起机械僵硬,产生收缩性功能紊乱[7]。心肌细胞肥大是在多种病理状态下形成的,比如慢性超载、缺血性损伤和神经内分泌失衡。早期心肌细胞肥大是一个自适应性过程,主要是在应激状态下通过增强心肌壁的张力和收缩来保证心脏的排血功能,但是这种过程终会导致心肌细胞死亡。因此,病理性的心肌细胞肥大是心力衰竭的独立危险因素且多提示预后不良。心肌细胞的凋亡可通过多种通路发生,是细胞的程序性凋亡,可导致心肌细胞的大量丧失,从而加速心力衰竭的进程[8]。

2 心力衰竭相关的miRNAs

自2006年miRNAs与心力衰竭的关系首次被报道以来[9],miRNAs家族中大量miRNA被证明在心力衰竭发展过程中起到重要作用,例如miRNA-21、miRNA-1、miRNA-133、miRNA-208、miRNA-499等。

2.1 miRNA-21 THUM 等[10]研究表明,在心力衰竭小鼠模型的心肌细胞中,与其他心脏细胞类型相比,miRNA-21选择性的在成纤维细胞中有较高表达水平。miRNA-21可通过抑制Spry1,使ERK-MAP激酶活性增加,从而调节成纤维细胞的生长和生长因子的分泌,促进心肌纤维化和肥大[11]。miRNA-21受多个调节因素的影响。YANG等[11]证明抑制转化生长因子β(TGF-β)信号通路和抑制前纤维化的miRNA-21,可增强磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信号通路,以防止心肌纤维化。而过度表达的TGF-β可以抑制miRNA-21表达,减少心肌纤维化中胶原蛋白的产生[12]。miRNA-21也可由血管紧张素Ⅱ诱导,促进心肌纤维化的发生。另一方面,寡核苷酸介导的miRNA-21抑制可通过增加目标PTEN和SMAD7(均是心肌纤维化中的基因)以阻止心肌纤维化发展[13]。

miRNA-21可通过抑制PDCD4的表达来减缓心肌细胞的凋亡,HUANG等[14]研究表明miRNA-21的过表达可显著地抑制细胞自噬活性并且减少细胞凋亡,主要针对部分由蛋白激酶B(AKT)/mTOR通路激活并介导的路径。DONG等[15]研究也表明miRNA-21可以通过调控抗凋亡基因B淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)的表达抑制心肌细胞凋亡。HUANG等[16]发现在心肌细胞缺血、低氧条件下,miRNA-21和miRNA-146a在协同作用下可以更有效地发挥抑制心肌细胞凋亡的作用。

心房纤维化是心房颤动(简称房颤)结构重构的标志,也是心律失常维持和恶化的结构基础。研究显示,miRNA-21与心律失常有关[17]。研究发现,在心肌梗死小鼠心房组织中,随着靶基因Sprouty-1、重组人胶原蛋白1、胶原蛋白3的表达异常,miRNA-21的表达出现上调,可介导心房纤维化[15]。HUANG等[16]发现,miRNA-21可特异性降解Smad7,并降低Smad7对TGF-β1/SMAD信号通路的抑制性反馈调节,而下调Smad7也会促进心房纤维化的发展,从而成为房颤患者心房纤维化的新机制。以上结果表明,miRNA-21可能代表一个潜在的治疗靶点。

2.2 miRNA-1 miRNA-1专门表达心肌,是最丰富的心脏miRNAs之一,参与心脏的病理生理过程。miRNA-1缺少可引起严重的心脏缺陷。

miRNA-1可以通过NFAT信号通路影响心肌细胞生长,对钙调蛋白和钙调蛋白依赖的核因子的表达进行负调节。除了针对钙调蛋白,在心肌细胞生长过程中,miRNA-1还作用于数个重要基因转录因子的非翻译区,包括肌细胞增强因子(Mef2a)和GATA结合蛋白4(Gata4),也作用于其他转录因子,如Notch配体、Twf1、G3bp1 和 Hand2[18]。

腺病毒诱导的miRNA-1的过表达导致Mef2a和Gata4表达下调,而敲除miRNA-1基因后,上述因子表达上调[19]。研究表明,miRNA-1可以阻止心肌细胞肥大的进展,主要是通过抑制Hand2蛋白、拮抗GF-1和细胞外基质重塑因子——双解丝蛋白1(Twf1)的活性来实现[20]。另外,有研究发现GTP酶激活蛋白结合蛋白1(G3bp1)在心肌细胞肥大中是上调的,可以通过绑定的公式序列pre-miRNA-1-2茎环结构来限制miRNA-1的表达进程[20-21]。G3bp1具有下调成熟miRNA-1的作用,在心脏肥大发生过程中,用于抑制靶向目标和增强相关基因表达。研究显示,向左心室肥大(由压力超负荷诱导)的小鼠中静脉注射类miRNA-1物质可以减慢心肌纤维化、心脏肥大和心肌细胞凋亡的进展,并且可以改善钙信号[20],这说明miRNA-1在心肌细胞肥大的进程中扮演着重要角色,且该进程可以被类miRNA-1物质所逆转。

2.3 miRNA-133 miRNA-133同 miRNA-1一样存在于同样的转录单元中,大量存在于心肌细胞中。不管是在动物模型还是人体试验中,miRNA-133均被认为是心脏肥大的调节器,并发现其在心力衰竭和心脏肥大中低表达[22]。基于分子水平的研究显示,miRNA-133可作用于多个抗心脏肥大基因[23]。MATKOVICH等[24]观察到稳定的miRNA-133水平可以减少心肌纤维化、改善心脏的舒张功能,并且抑制心脏肥大的进展,得出在转基因小鼠中miRNA-133具有保护心肌的作用。研究显示,miRNA-133的低表达可以加速糖尿病合并心脏病患者心肌肥大的形成,而其过表达则对糖尿病患者的心肌纤维化有拮抗作用[25]。DINIZ等[26]研究表明在由甲状腺激素诱导产生的心肌细胞肥大中,miRNA-133的表达是降低的,并且miRNA-133类似物可以在体外应对三碘甲状腺原氨酸(T3)以阻止心肌细胞肥大的进一步发展。而另一项研究则是由腺病毒所诱导miRNA-133过量表达,发现miRNA-133a在Akt通路中具有监管作用,并且可以通过激活Akt通路来减少心肌细胞肥大的发生,表明在心力衰竭小鼠中模拟miRNA-133a对心脏功能产生了积极作用[27]。

总之,miRNA-133的高表达可抑制心肌细胞凋亡起到保护心肌的作用。在单个miRNA-1或miRNA-133集群基因敲除的小鼠中,可在心肌细胞中发现心室动作电位的延长,表明其对正常心脏电生理学的调节至关重要[28]。功能获得性研究证实,诱导miRNA-133特异性表达可以减少心肌细胞凋亡和胶原沉积,并且促进慢性压力超负荷后心功能恢复[29]。miRNA-133还可以对Casp3、Casp8进行反向调控并且保护心肌细胞免受氧化应激引起的细胞凋亡[29]。

2.4 miRNA-208 miRNA-208家 族 由 miRNA-208a、miRNA-208b和miRNA-499组成,其编码基因分别位于(Myh)6/a组织相容性复合体(MHC)、Myh7/βMHC、Myh7b的内含子内,在调节肌肉肌凝蛋白含量、肌纤维的属性和肌肉性能方面发挥重要作用[30]。众所周知,对于miRNAs来说,组织和细胞的特异性至关重要,通过实时定量聚合酶链反应(qPCR)分析各种器官中的miRNAs含量,包括心、脑、肾、肺、肝和骨骼肌,发现miRNA-208a只在心脏中表达,但是miRNA-208b和miRNA-499在胚胎期的心脏和骨骼肌中均有表达[31]。miRNA-208a和miRNA-208b的过表达可以导致这些基因转录后抑制,包括与肿瘤坏死因子(TNF)受体相关联的蛋白1(Trap1)、肌肉生长抑制素(MSTN)以及转录因子Gata4,表明miRNA-208家族参与心肌肌凝蛋白的形成和血清效应因子依赖的启动子区域的转录基因的激活。miRNA-208基因敲除小鼠通过减弱同源域蛋白质和心肌细胞连接蛋白Cx-40的表达,可以导致心脏传导缺陷,说明miRNA-208a也是传导系统发育过程中的重要因子[31]。目前为止,许多研究显示miRNA-208家族的异位表达与心血管疾病的发生和发展密切相关,HUANG等[32]认为miRNA-208a的表达水平与受SRYBox6(SOX6)负调控的心肌细胞相关联,心脏特异性miRNA-208a超表达足以引起心脏肥大小鼠的心律失常,且miRNA-208a在患者外周血中表达水平的上升还会增加心脏肥大的发生风险[33]。在Dahl高血压小鼠实验中,miRNA-208a水平的抑制不仅可以阻止病理性肌凝蛋白的转换,还可以提高心脏功能和生存率[34]。

2.5 miRNA-499 miRNA-499也在心肌细胞中大量存在,miRNA-499与miRNA-208含有共同的mRNA靶基因,并且其中一些靶基因也与miRNA-1的靶基因相重叠,均与心肌分化有关[35]。在小鼠和人类胚胎干细胞培养中,miRNA-499的消融可以阻止心肌细胞的分化,但是miRNA-499的过表达却可以促进拟胚体集群的早期形成,表明其可以增强肌原性分化[36]。miRNA-499的目标基因是钙调磷酸酶基因(CnA),与线粒体裂变和细胞凋亡相关。CHUA等[37]研究表明miRNA-499通过控制含有CnA和发动蛋白相关性蛋白1(Drp1)的凋亡通道,调控PDCD4以抑制心力衰竭时的心肌细胞凋亡。

3 miRNAs与心力衰竭的诊断、预后与治疗

尽管目前脑钠肽(BNP)和N末端脑钠肽前体(NT-proBNP)被视为心力衰竭的首选标志物,但是越来越多的研究证实miRNAs可作为潜在的生物学标志物[38]。在心力衰竭的诊断中,BNP灵敏度高,但特异度差,且某些心肺疾病、肾衰竭、肝硬化等也可以使血浆BNP水平升高。此外BNP水平还可受到年龄、性别、体质指数等因素的影响。

大多数miRNAs具有诊断价值,但很少有预后价值,换言之,这些miRNAs可以从一组呼吸困难患者中识别出心力衰竭患者,或将其与健康对照组区分开来,但很少能预测出不利的预后情况。近年来的研究发现miR-423-5p具有很高的潜在诊断价值[39]。TIJSEN等[40]通过miRNA芯片技术观察12例正常人和12例心力衰竭患者,发现miR-423-5p特异性的广泛存在于心力衰竭患者中,并且在50例原因不明的呼吸困难患者中,根据miR-423-5p水平准确地分辨出其中30例心力衰竭患者。此外,DUYGU等[38]在30例慢性稳定型心力衰竭患者与30例健康门诊对照者的研究中也证实了miR-423-5p的诊断价值;miR-423-5p可联合升高的miR-320a、miR-22和miR-92b来诊断心力衰竭患者,其灵敏度和特异度均可达90%;此外,上述4种miRNAs也与升高的BNP水平、宽QRS波群、增加的左心室舒张末期内径(LVEDD)和增加的左心室直径(LAD)呈明显的相关性。另外,其他miRNAs对心力衰竭的诊断也存在一定价值,CHEN等[25]、DUYGU等[38]发现在不同呼吸困难患者中,miRNAs存在差异性表达,并且与NT-proBNP和肌钙蛋白相比较,确定miR-103、miR-142-3p、miR-23a、miR-27b、miR-324-5p、miR-342-3p与心力衰竭的诊断具有相关性,其中3种(miR-103、miR-142-3p、miR-342-3p)和 miR-30b在心力衰竭患者组、对照组、慢性阻塞性肺疾病(COPD)组和其他呼吸困难疾病组之间有差异性表达。与NT-proBNP相比,虽然以上单个miRNA诊断心力衰竭的灵敏度和特异度均较低,但与NT-proBNP联合应用可增加诊断心力衰竭的准确性[41]。另外有研究确定了8种miRNAs(miR-558、miR-122、miR-520d-5p、miR-200b、miR-622、miR-519e、miR-1231、miR-1228)联合应用在识别心力衰竭患者时表现出较高的精确度、特异度和灵敏度,其中miR-520d-5p、miR-558、miR-122具有最高的统计学意义。miR-622、miR-520d-5p、miR-519e、miR-200b与左心室功能的恶化也有较大相关性,但以上miRNAs没有任何一种被证实与美国纽约心脏病学会(NYHA)心功能分级具有相关性[42]。但是FUKUSHIMA等[43]发现在心力衰竭患者中,miRNA-126的血浆浓度与NT-proBNP呈负相关,还发现miRNA-126的血浆浓度随着NYHA心功能分级的改善(Ⅳ-Ⅲ)而升高,证明其与NYHA心功能分级具有相关性。

一些急性心肌损伤,例如心肌梗死的出现可能会削弱miRNAs对心力衰竭的诊断价值。BAUTERS等[44]从WILSON等[35]和DUYGU等[38]的大型研究中筛选心力衰竭患者,这些患者均是因心肌梗死住院(Killip分级>2),在对这246例心肌梗死患者的随访中,进一步的证实miR-423-5p与不良左心室重构程度没有明显的相关性。

2013年MATSUMOTO等[45]第一次证实了miRNAs可能也具有预测心力衰竭患者的预后价值,其研究了心肌梗死1年后发展为心力衰竭的患者的miRNAs,并将其与1年内没有发生心力衰竭的患者的miRNAs谱进行比较,发现miR-192、miR-194、miR-34a在心力衰竭急性期的表达水平与急性心肌梗死1年内心力衰竭发生率显著相关。而后,CAKMAK等[46]也证实了miR-182的预后价值,其调查了20例临床稳定型心力衰竭患者(NYHA Ⅱ),22例失代偿心力衰竭患者(NYHAⅢ级和Ⅳ级)和15例健康对照者,发现在慢性心力衰竭患者中,部分miRNAs水平升高(miR-21、miR-650、miR-744、miR-516-5p、miR-1292、miR-182、miR-1228、miR-595、miR-663b、miR-1296、miR-1825、miR-299-3p、miR-662、miR-122、miR-3148、miR-518e),而部分miRNAs水平降低(miR-129-3p、miR-3155、miR-3175、miR-583、miR-568、miR-30d、miR-200a、miR-1979、miR-371-3p、miR-155、miR-502-5P);此外,在6个月随访中,其发现miR-182预测心血管病死率优于NT-proBNP和C反应蛋白(CRP)[46]。然而,没有一个标志物能够预测继发性临床终点,如住院失代偿性心力衰竭或室性心律失常。

目前临床基于miRNAs的治疗方法主要有2种:miRNAs抑制剂和miRNAs类似物,这2种方法的目的均是使机体内异常表达的miRNAs恢复正常,即沉默过度表达的miRNAs或交替缺失的miRNAs。miRNAs拮抗剂是一类人工合成的单链寡核苷酸,能够与特异性成熟的miRNAs相匹配,在局部或者全身发挥作用,miRNAs拮抗剂进入细胞质,与靶miRNAs特异性结合并产生降解作用。THUM等[47]应用一个特定的miRNA-21干预治疗(miRNA-21主要在心肌的成纤维细胞中过表达)通过增加后负荷诱导的小鼠心脏肥大模型,发现心脏肥大和心肌纤维化被明显逆转,并且减缓了心功能的恶化。MONTGOMERY等[48]在心肌肥厚诱导的心力衰竭模型中,应用miRNA-208a拮抗剂抑制其表达,发现miRNA-208a表达的抑制可避免心室重构和肌凝蛋白的病理改变,从而改善心功能。以上研究均证实miRNAs拮抗剂能有效逆转心肌肥厚,但迄今为止大多数研究仅对一个miRNA沉默,而多个miRNAs参与心室重构过程,因此拮抗多个miRNAs后可能获得更好的疗效。

miRNAs类似物是一类人工制造的类似前体miRNA的双链寡核苷酸,当其进入细胞时被miRNAs生物合成机制所识别。随后,miRNAs类似物被Dicer酶作用替代内源性miRNAs。但是在miRNAs替代疗法中首先要确保组织的特异性,如果不能得到保证,miRNAs替代疗法将触发正常组织中的miRNAs的异常变化,从而引起一系列的不良反应。因此,一个复杂的运输系统是实现这种疗法的前提,目前病毒载体被认为是一个很有潜力的运输系统[38],这些载体主要源于病毒家族的致病病毒和具有高亲和力的心肌细胞。SUCKAU等[49]通过增加后负荷来制造心力衰竭小鼠模型,应用病毒载体进行miRNAs模拟疗法,结果表明其可以改善心肌纤维化和心室肥厚。

4 小结与展望

近年来,miRNAs引起了越来越多的关注,尽管对于其的起源和作用机制尚有许多不确定因素,但越来越多的研究对于其的转运功能和作用机制进行了探究,并为今后的临床应用提供了重要线索。数个miRNAs已经确定参与心力衰竭发生、发展,例如参与心脏肥大、纤维化和凋亡机制,是一类很有前景的新的生物学标志物,同时也增加了人们对心力衰竭更深层面的病理生理学认识。此外,在对心力衰竭的诊断和治疗方面,miRNAs可能是心力衰竭临床诊断、治疗干预甚至预后评估的一种新工具和新手段。或许在不久的将来,以miRNAs介导的预防、诊断和治疗心力衰竭将成为现实,以miRNAs为靶点设计的新药物将为心血管疾病的治疗打开新篇章。

作者贡献:范书英进行文章的构思与设计;徐曼曼、范书英负责撰写论文、修订论文;徐曼曼、张久亮、范书英负责文章的质量控制及审校;张久亮、范书英对文章整体负责,并进行监督管理。

本文无利益冲突。

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