TGF—β/Smads信号通路对心肌纤维化进展的临床意义

张秀娟 李菊红 李亮 李应东

【摘要】心肌纤维化（MF）又称为心肌钙化，与心律失常、心功能障碍甚至心源性猝死密切相关，是目前多种常见心脏疾病发展到一定阶段的病理转归，也是心室重构的一种重要表现。心肌纤维化是一个多因素相互制约与促进的过程。其中，转化生长因子-β（TGF-β）在MF的发展进程中有着至关重要的作用，TGF-β/Smads信号通路是转化生长因子-β发挥生物学作用的主要通路，现将在MF的发展进程中TGF-β的临床意义作如下综述。

【关键词】心肌纤维化；慢性心力衰竭；TGF-β/Smads信号通路；转化生长因子-β

【中图分类号】R542.2 【文献标识码】A 【文章编号】ISSN.2095-6681.2018.6..03

高血压病、心脏瓣膜病、风湿性心脏病、心肌梗死、心肌炎等均可致心肌收缩能力下降、心室重构、心肌细胞凋亡等病理生理改变，进而发展为慢性心力衰竭。心肌纤维化是心力衰竭的病理基础。大量研究表明，心肌纤维化是多种致病因子长期作用于心脏，引起细胞外基质（extracellu-lar matrix，ECM）异常增多及过度沉积，导致ECM合成和降解失衡、各类胶原比例失调、排列紊乱及心肌成纤维细胞大量增生，导致心室顺应性下降，影响心脏的正常舒缩功能，是一种慢性炎症逐渐病变的过程[1]。Komamura K等提出，根据有无细胞缺失和坏死，心肌纤维化可分为反应性纤维化（reactive interstitial fibrosis）和修复性纤维化（reparative fibrosis）[2]。反应性心肌纤维化发生在炎症的反应过程，是指心肌胶原纤维过度沉积在细胞间和心内血管周围，没有明显的心肌细胞缺失和坏死，并且通过一定的干预手段，反应性心肌纤维化可以得到有效改善甚至消除，是可逆的。而修复性心肌纤维化一般由于心肌组织损伤而引发，是指心肌细胞死亡后，分泌的胶原纤维填充在其空腔内，替代心肌细胞的位置，这一病理过程是无法逆转的。

MF是胶原合成和降解代谢失衡的结果，是多种心脏疾病的终末期表现，它是心血管领域研究的重点、难点之一，是决定心血管疾病预后的关键性因素。Tian J等研究证实[3]，充血性心力衰竭发生时，肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin angiotensin aldo-sterone system，RAAS）被激活，心肌收缩力加强，以维持心、脑等重要器官的血液供应。同时，RAAS系统激活后产生的血管紧张素Ⅱ及醛固酮在心衰进程中无法完全代偿，促进心肌重塑，最终导致心肌纤维化的发生。Kwak HB等研究证实[4]，在调节ECM代谢的细胞因子中，转化生长因子-β可有效改善主动脉弓缩窄术所致的间质纤维化、胶原蛋白的沉积等病理变化，转化生长因子-β是目前公认的促成纤维分裂和胶原沉积的细胞因子，是调控心肌纤维化的有效靶点。

1 心肌纤维化与慢性心力衰竭

随着我国老龄化形势的逐步加剧，慢性心力衰竭已成为严重威胁人类健康的慢性、难治性疾病之一[5]。高血压病、心脏瓣膜病、风湿性心脏病、心肌梗死、心肌炎等均可发展为慢性心力衰竭（chronic heart failure，CHF），是导致心脏病患者死亡的重要原因。

CHF是指因心脏前负荷过重（如瓣膜关闭不全、动脉导管未闭、房间隔缺损等）、后负荷过重（如主动脉瓣狭窄、高血压、肺动脉高压等）、心肌收缩力减弱（如冠脉硬化所致的心肌缺血或坏死、甲状腺机能亢进性心脏病等）、心室收缩不协调（如室壁瘤等）、心室顺应性减低（如室壁瘤等）使心脏舒缩功能减弱，即心泵功能减弱，导致心输出量下降不能维持正常心排血量，无法满足机体代谢需要的病理生理过程。其典型症状是呼吸困难、疲乏无力、体液潴留。这一病理过程通过一系列心血管系统代偿反应发生，如交感神经兴奋、肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）活性增加、血管紧张素原增加等，包括增加心肌收缩力、增加回心血量、心肌肥厚等，以维持器官的血流量。这些初期代偿进程会导致心室重构、心脏舒缩功能异常、心肌细胞凋亡[6]。心室重构即心肌细胞重构和间质重构。心肌细胞重构主要表现为心肌蛋白质合成增加及心肌细胞的体积较前增大；间质重构主要表现为心肌成纤维细胞数目增多，心肌间质中胶原蛋白的积聚增多，导致细胞外基质平衡紊乱，使心肌组织的僵硬度增加、心室壁的顺应性减低，其结果是引发MF[7]。

2 TGF-β/Smads信号通路

2.1 转化生长因子-β

TGF-β属于调节细胞生长和分化的超家族分子，最初从血小板中提出，广泛地参与调控胚胎发育、创伤愈合、细胞增殖和分化等重要的生物学行为调控过程，在慢性心力衰竭、肿瘤发生、高血压病、糖尿病、支气管哮喘等疾病发展进程中起著重要的作用。TGF-β超家族成员包括：转化生长因子-β、米勒抑制因子（mullerian inhibiting factor，MIF）、激活素（activin）、抑制素（inhibins）、骨形成蛋白（BMP）等组成。其中TGF-β1是细胞内蛋白TGF-β中含量最丰富的蛋白家族成员，是由两条多肽链组合的相对分子量为25×103的二聚体，是与器官纤维化发生发展最密切相关的细胞因子[8]。其受体主要有五种同分异构体，哺乳动物为TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3三种亚单体。三种亚单体中，TGF-β1是与心室重构发生发展最密切的亚型，其在哺乳动物体细胞中所占比例最高，也是分布最广泛、活性最强的细胞因子。自上世纪九十年代它的一些生物学效应才逐渐被发现，主要有：①增加胶原合成：诱导心肌成纤维细胞增生，促进Ⅰ、Ⅲ型胶原的mRNA和蛋白表达水平高表达，促使心肌间质纤维化。②调节细胞外基质合成：如促进金属蛋白酶等的表达升高并抑制基质降解酶表达，对ECM的合成具有组织修复作用，而过多则使血管内皮对低密度脂蛋白的结合能力增强，导致ECM在血管内皮下沉积，促进冠状动脉狭窄的发生。③引起心肌细胞肥大：在心脏肥大过程中TGF-β1可诱导纤维蛋白过度表达，使Ⅰ、Ⅲ型胶原增加[9]。

2.2 Smads蛋白

Smads蛋白最早在果蝇（Mad）和秀丽隐杆线虫（Sma）中发现。Smads蛋白作为TGF-β信号通路中下游的主要效应分子，介导着TGF-β的信号在细胞膜受体至核内的传递，是TGF-β/Smads信号传导途径中的重要调控因子，且TGF-β家族成员的信号转导由不同的Smad蛋白介导。TGF-β及其受体将Smads蛋白磷酸化，以调节相关基因的表达。目前发现的Smads蛋白有9种，从其结构和功能的不同，可分为3个亚型[10]：①受体调节型Smads（R-Smads）：包括5种，即Smad1、2、3、5、8，作为TGF-β1激酶的底物，调节特异基因的表达。其中Smad1、5、8介导骨形成蛋白和孤儿受体ALK的信号，Smad2、3介导TGF-β1和activin的信号。②共同介质型Smads（Co-Smads）：脊椎动物中唯有Smad4，其结构与R-Smads相似，协同R-Smads信号传导，形成异聚体，是TGF-β家族各类信号传导过程中共同需要的介质[11]。③抑制型Smads（I-Smads），主要有Smad6、7。I-Smads与R-Smads竞争性的结合受体，阻碍活化的R-Smads与Co-Smads的异聚体形成，对TGF-β信号转导通路起负调控作用，抑制纤维化的发生[12]。

3 TGF-β/Smad信号通路在心肌纤维化中的作用

近年来，较多与心血管系统疾病相关的细胞因子被发现并研究，TGF-β就是其中之一。TGF-β/Smads信号通路被认为与多种组织和器官纤维化这一病理过程密切相关。如果能够控制心肌纤维化的发展，就能够阻止或延缓心血管疾病的进程。Yuan Y等的研究表明[13]，心肌纤维化的主要原因是心肌梗死、压力负荷等刺激使TGF-β高表达，进而导致胶原蛋白、纤维连接素持续性高表达，最终导致心肌纤维化的发生。Deten A等的研究发现[14]：在大鼠心肌梗死后TGF-β1、TGF-β2 、TGF-β3 表达持续升高，其与ECM代谢参数成正比。石斌豪等的研究证实[15]，在超负荷心肌代偿性肥大发展为心力衰竭的病理进程中，TGF-β1和心肌纤维化的程度密切相关。Li PF等的研究证实[16]，在心肌细胞的生长和纤维化的整个病理进程中，均可见到心肌细胞和心肌成纤维细胞中TGF-β1高表达。沈育芬等的研究证实[17]，血管紧张素Ⅱ、内皮素、异丙肾上腺素等引起MF均可导致TGF-β1增加，血管紧张素Ⅱ可通过刺激TGF-β/Smad信号通路，以增加Ⅰ、Ⅲ型胶原和纤连蛋白的合成，从而促进心肌纤维化的发生。Zhao W等的研究证实[18]，血管紧张素Ⅱ通过刺激内皮细胞和心肌成纤维细胞TGF-β1的合成，促进心肌纤维化的发生。

近年来，诸多科学家的药物临床试验研究表明部分药物有调节TGF-β/Smads信号转导通路的作用。Seth B等的临床研究发现[19]，曲尼司特和吡非尼酮等TGF-β1抑制剂药物能下调TGF-β1表达、阻止Smad3的磷酸化并抑制其它病理生长因子，减轻胶原积聚和左室肥大。Liu J等的临床研究表明[20]，白藜芦醇可通过降低TGF-β1水平减少心肌纤维化的发生；纤溶酶活性抑制剂甲璜酸卡莫司他可阻止TGF-β1的激活而起到抗心肌纤维化作用。虽然这些研究表明，使用TGF-β1抑制剂可有效控制心肌纤维化的进展，但这些策略在诸多病理条件下存在一定的挑战性。

动物实验表明，抑制TGF-β1的作用可有效抑制心肌纤维化的发展进程，但用于临床扔存在争议。Ellmers LJ等的动物实验发现[21]，在心肌梗死24 h后抑制TGF-β1信号通路，可有效改善心功能并可抑制心肌重塑进程。Frazier K等的临床研究发现[22]，长期使用人TGF-β1抗体抑制TGF-β1受体时，会导致骨畸形的發生。

4 展 望

心肌纤维化是导致慢性心力衰竭发生的重要机制。其中，TGF-β1/Smad是导致心肌纤维化的关键因子。由于转化生长因子-β具有高度分化、多效性和网络性特点，同时Smads蛋白具有不同的结构和功能特点，二者决定了TGF-β/Smads信号通路转导的多样性。TGF-β与AngⅡ形成的工作网在心肌重塑、纤维化形成中有着至关重要的作用，同时其它信号通路相互影响。TGF-β/Smads信号通路在心肌纤维化中发挥至关重要的作用，以TGF-β/Smads信号通路作为靶目标缓解慢性心力衰竭及其并发症的发展进程，将会为心脏疾病的治疗提供一个新的治疗策略。综上所述，TGF-β/Smads信号转导通路可作为靶点，为阻止和延缓慢性心力心力衰竭的治疗提供新的思路和策略。

参考文献

[1] Passino C，Barison A，VergaroG，etal.Markers of fibrosis，inflammation，andremodeling pathways in heart failure[J].Clinica Chimica Acta，2015，443：29-38.

[2] Komamura K.Similarities and Differences between the Pathogenesis and Pathophysiology of Diastolic and Systolic Heart Failure.Cardiol Res Pract 2013；2013：824135.

[3] Tian J，An X.Myocardial fibrosis in congenital and pediatric heart disease[J].Experimental and therapeutic medicine，2017，13（5）：1660-1664.

[4] Kwak HB.Aging，exercise，and extracellular matrix in the heart[J].Journal of exercise rehabilitation，2013，9（3）：338-347.

[5] Braunwald E.The war against heart failure： the Lancet lecture[J].Lancet （London，England），2015，385（9970）：812-824.

[6] Edgley AJ，Krum H.Targeting fibrosis for the treatment of heart failure： a role for transforming growth factor-β[J].Cardiovascular therapeutics，2012，30（1）：e30-40.

[7] Komamura K.Similarities and Differences between the Pathogenesis and Pathophysiology of Diastolic and Systolic Heart Failure[J].Cardiology research and practice，2013，2013（）：824135.

[8] Roberts AB.TGF-beta signaling from receptors to the nucleus[J].Microbes and infection / Institut Pasteur，1999，1（15）：1265-1273.

[9] Bujak M.The role of IL-1 in the pathogenesis of heart disease[J].Archivum immunologiae et therapiae experimentalis，2009，57（3）：165-176.

[10] Lan HY.Diverse roles of TGF-β/Smads in renal fibrosis and inflammation[J].International journal of biological sciences，2011，7（7）：1056-1067.

[11] Wu RY，Zhang Y，Feng XH.Heteromeric and homomeric interactions correlate with signaling activity and functional cooperativity of Smad3 and Smad4/DPC4[J].Molecular and cellular biology，1997，17（5）：2521-2528.

[12] Nakao A，Afrakhte M，Morén A，et al.Identification of Smad7，aTGFbeta-inducible antagonist of TGF-beta signalling[J].Nature，1997，389（6651）：631-635.

[13] Yuan Y，Zhang Y，Han X，et al.Relaxin alleviates TGFβ-1-induced cardiac fibrosis via inhibition of Stat3-dependent autophagy[J].Biochemical and biophysical research communications，2017，493（4）：1601-1607.

[14] Deten A，Holzl H，Leicht M.Changes in extracellular matrixand in transforming growth factor neta isoforms after coronary artery ligation in rats[J].J Cell Cardiol，2001， 33（6）：1191-1207.

[15] 石斌豪，徐宗佩，樊官伟.基于TGF-β1/Smads信号通路治疗心肌梗死后心肌纤维化的研究进展[J].中国药理学通报，2018，34（01）：5-8.

[16] Li PF，Dietz R.Superoxide induces apoptosis in cardiomyocytes， but proliferation and expression of transforming growth factor-beta1 in cardiac fibroblasts[J].FEBS letters，1999，448（2-3）：206-210.

[17] 沈育芬.替米沙坦對糖尿病大鼠肾脏中TSP-1/TGF-β_1/Smad通路的影响[D].郑州大学，2010.

[18] Zhao W，Zhao T，Chen Y，et al.Oxidative stress mediates cardiac fibrosis by enhancing transforming growth factor-beta1 in hypertensive rats[J].Molecular and cellular biochemistry，2008，317（1-2）：43-50.

[19] Seth B，Yadav A，Agarwal S，et al.Inhibition of the transforming growth factor-β/SMAD cascade mitigates the anti-neurogenic effects of the carbamate pesticide carbofuran[J].The Journal of biological chemistry，2017，292（47）：19423-19440.

[20] Liu J，Zhuo X，Liu W，et al.Resveratrol inhibits high glucose induced collagen upregulation in cardiac fibroblasts through regulating TGF-β1-Smad3 signaling pathway.Chem Biol Interact 2015；227：45-52.

[21] Ellmers LJ，Scott NJ，Medicherla S，et al.Transforming growth factor-beta blockade down-regulates the renin-angiotensin system and modifies cardiac remodeling after myocardial infarction.Endocrinology 2008；149：5828-5834.

[22] Frazier K，Thomas R，Scicchitano M，et al.Inhibition of ALK5 signaling induces physeal dysplasia in rats.Toxicol Pathol 2007；35：284-295.