Apelin/APJ系统在心血管疾病中的生理与病理作用

(1.南华大学衡阳医学院病原生物学研究所，湖南 衡阳 421001; 2.深圳大学第一附属医院，广东 深圳 518000)

Apelin是Tatemoto等[1]在1998年利用反向药理学的方法从牛胃组织的分泌物中提取获得的。它是血管紧张素II 1型受体相关蛋白(Apelin receptor angiotensin receptor-like 1，APJ)的内源性配体。Apelin/APJ在人体组织中分布广泛，通过自分泌和旁分泌等信号途径发挥重要的生物学效应，参与多种心血管疾病的发生发展过程。本文就Apelin/APJ系统在心血管疾病中发挥的生理与病理作用综述如下。

1 Apelin/APJ系统的生物学特征与组织分布

人类的Apelin基因位于Xq25～26，包含3个外显子和2个内含子，编码含77个氨基酸的Apelin前体肽，其被翻译加工后，可以被酶切为多种活性片段：Apelin-12、Apelin-13、Pyr-Apelin-13、Apelin-17及Apelin-36等[2]，其中Apelin-13和Apelin-36片段表达最多，也是被研究的最深入。且Apelin-13比Apelin-36具有更高的生物活性。因此，Apelin-13被更多地用于体外和体内实验，以研究Apelin的功能。Apelin不同的肽段可表现不同的生物学功能，如Apelin-36抑制HIV入侵的能力最强；Apelin-12降血压作用最强；Apelin-13诱导细胞迁移的能力远高于Apelin-36等。

Apelin在机体内分布广泛。在中枢神经系统、脑垂体、肺、心脏、血管内皮细胞、血管平滑肌细胞、胃肠道和乳腺中都发现有高水平的Apelin表达，而肾脏、骨骼肌中Apelin浓度较低。妊娠和哺乳期，乳腺Apelin的表达可增加7～20倍。由于脂肪组织可分泌Apelin，患有高胰岛素血症的肥胖个体会产生过量的Apelin。

APJ受体基因位于人11号染色体11q12.1段。APJ是一种由380个氨基酸组成的G蛋白偶联受体，有7个跨膜结构，其氨基酸序列与血管紧张素II 1型受体有30%～40%的同源序列，但并不与血管紧张素Ⅱ结合，故其被称为血管紧张素受体样蛋白J受体，简称APJ受体。APJ是目前唯一已知的Apelin受体。APJ通过N末端氨基酸残基与Apelin相互作用，参与机体多种生理、病理过程的调节。APJ受体在体内的表达分布与Apelin类似，在机体各个系统均有表达。在心血管系统，APJ存在于心肌细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞中。在中枢神经系统，下丘脑、丘脑、中脑、网状结构、大脑皮层、基底神经节等处均有APJ表达。在消化系统中，胃、十二指肠、胰腺腺泡、胰管、胰岛细胞中均有APJ高表达[3]。

2 Apelin/APJ在心血管系统中的生物学作用

2.1 Apelin/APJ系统调节血管舒缩功能

Apelin被认为是动脉和静脉的扩张器，当血管内皮功能正常时，Apelin有较强的舒张血管效应，它能阻断血管紧张素II(Angiotensin II，Ang-II)的血管收缩作用，促进NO的扩血管作用。Apelin能促使血管内皮细胞释放NO，舒张血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells，VSMC)达到降低血压的效应，其机制与Akt/eNOS磷酸化有关。采用一氧化氮合酶抑制剂后，Apelin诱导的降血压效应明显受到抑制；APJ基因敲除后，Apelin诱导的eNOS磷酸化作用消失，血管舒张作用也明显减弱[4]。上述研究提示Apelin通过与APJ受体结合，进而刺激一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)，促进NO合成，发挥降低血压的作用。Apelin的血管舒张作用依赖内皮细胞，当内皮功能受损时，Apelin反而会引起血管收缩，导致血压升高。去除隐静脉的内皮细胞后，用Apelin去刺激内皮受损的血管时发现，Apelin直接与血管平滑肌上的APJ受体结合，刺激肌球蛋白轻链收缩，引起血管收缩。在体实验中，采用不对称二甲基精氨酸造成大鼠血管内皮受损后，Apelin-13可使内皮受损后血管VSMC肌球蛋白轻链磷酸化增加，进而促进血管收缩，加重高血压的发生[5]。

2.2 Apelin/APJ系统调节血管内皮功能

Apelin/APJ系统在血管内皮中高表达。Apelin/APJ对血管内皮的生理功能包括促进血管内皮细胞增殖、迁移和血管生成几个重要的方面。Apelin被认为是内皮细胞的促裂剂，在缺氧、血流动力改变、全-反式维甲酸、VEGF等因素刺激下，Apelin表达上调，能促进内皮细胞增殖[6]。Zhang等[7]研究发现，缺氧会上调组织中Apelin/APJ信号系统，进而通过PI3K/AKt和MAPK信号通路促进内皮祖细胞的增殖。许多证据表明，Apelin/APJ能促进内皮细胞迁移。Berta等[8]发现Apelin可增加淋巴内皮细胞的迁移。Kwon等[9]发现，在血流剪切应力的影响下，Apelin可通过诱导血管内皮细胞极化来促进内皮细胞的迁移。流体剪切应力会影响血管内皮细胞中Apelin/APJ基因和蛋白的表达，并通过PI3K/Akt信号通路促进人血管内皮细胞中NO产生。siRNA沉默Apelin可以抑制流体剪切应力引起的Apelin/APJ基因和蛋白的表达，抑制PI3K磷酸化和eNOS的产生[10]，影响流体剪切力暴露下HUVEC的肌动蛋白应力纤维的形成[11]。Apelin可能也具有内皮保护功能，如王波等[12]研究发现Apelin-13能通过AMPK通路抑制同型半胱胺酸诱导的内皮细胞损伤。

2.3 Apelin/APJ系统的正性肌力作用

Apelin/APJ系统对心肌细胞具有正性肌力作用。Szokodi等[13]研究发现，Apelin能增强离体小鼠心肌的收缩力，使左室等容收缩期末压力增加，随着Apelin浓度增加，心肌细胞的正性肌力作用增强。Apelin对小鼠心肌细胞静息肌节长度没有影响，但能增加心肌细胞的肌节缩短分数，增强心肌收缩力，而对于APJ-KO小鼠，Apelin的这种特异性效应消失[14]。Perjés等[15]发现Apelin通过PKC/细胞外信号调节激酶1/2信号通路转导，激活下游肌球蛋白轻链激酶，使心肌肌丝对钙离子的敏感性增加，进而增强心肌细胞收缩力。

2.4 Apelin/APJ系统刺激VSMC表型转化和细胞增殖

Apelin/APJ系统有促进VSMC表型转化和增殖的作用。成熟血管中膜的VSMC为分化表型，能表达一系列对平滑肌舒张和收缩都非常重要的基因和蛋白质，进而起到调节血管张力的作用。当血管在某种因素刺激下发生损伤时，VSMC的表型转化为去分化表型，表现出很强的增殖和迁移能力[16]。PI3K/Akt信号通路、ERK信号通路、有丝分裂原激活蛋白激酶通路和血小板衍生生长因子信号通路均可以促进VSMC的表型转化。而Apelin/APJ系统能激活上述信号通路，这提示Apelin/APJ系统亦可能具有促进VSMC表型转化的作用[17]。

CyclinD1在VSMC增殖的过程中发挥重要作用，Apelin能上调VSMC中CyclinD1的表达，促进细胞周期由G0/G1期向S期推进，通过加快细胞周期而促进VSMC增殖。研究发现PI3K/Akt/ERK/CyclinD1信号通路和Jagged-1/Notch3/CyclinD1信号通路均参与Apelin促VSMC增殖的过程[18]。Egr-1是核转录因子，能调控骨桥蛋白的表达，被认为是VSMC增殖和迁移过程的关键启动因子。Apelin-13在促VSMC增殖和迁移过程中，能上调Egr-1的表达，使骨桥蛋白的mRNA和蛋白的表达增加。He等[19]研究发现，Apelin-13促进VSMC增殖和加重AS的形成，PINK1/Parkin介导的线粒体自噬参与其中。缺氧能触发VSMCs和内皮细胞中Apelin的表达。但在缺氧条件下，Apelin起到抑制肺动脉VSMCs增殖的作用。自噬参与了缺氧条件下肺动脉VSMCs的增殖，而Apelin通过激活PI3K/Akt/mTOR通道可逆转VSMCs的自噬和增殖。虽然大量证据表明Apelin有促进VSMCs增殖的作用，但在缺氧条件下Apelin表现出相反的作用。因此，Apelin/APJ系统在促进VSMCs增殖中的作用仍需进一步的研究。

2.5 Apelin/APJ系统促血管生成

Apelin参与生理和病理情况下的血管生成，能促进血管内皮细胞和平滑肌细胞的分裂。Apelin促血管生成方面的研究主要集中在胚胎血管的形成和新生视网膜血管发育方面。Kasai等[20]首次报道了Apelin是视网膜内皮细胞的血管生成因子。通过玻璃体注射Apelin可以诱导视网膜血管网络内皮细胞的萌芽和增殖。而敲除Apelin或应用Apelin和APJ阻滞剂，可以抑制血管生成[21]。Apelin基因缺失小鼠在胚胎发育期就会出现肌节间血管狭窄，其视网膜血管的发育明显延迟。在氧诱导视网膜病变的小鼠模型中，APJ拮抗剂ML221可抑制病理性视网膜血管生成[22]。对于Apelin/APJ系统促进血管生成的机制，也有一些学者进行了深入的研究。[Pyr1]apelin-13能增加血管生成分子VEGF、Ang-II和eNOS的表达。Yang等[23]发现Apelin-13能促进心肌微血管内皮细胞的增殖、迁移和血管生成，其促进血管生成的机制与Apelin-13调节心肌微血管内皮细胞中的AMP活化蛋白激酶(AMPK)和蛋白激酶Akt信号通路有关。

2.6 Apelin/APJ系统调节体液平衡的作用

在下丘脑的视上核和室旁核中，Apelin和APJ均有表达，其表达与血管加压素具有共定位，提示Apelin和血管加压素之间存在相互作用。给禁水24 h的小鼠脑室内注射Apelin后，可观察到血管加压素的释放明显下降，从而产生利尿效应。脱水状态下，大鼠血浆Apelin浓度降低，导致下丘脑神经元中Apelin含量大幅度增加，神经元中血管加压素含量明显减少，说明Apelin/APJ系统能拮抗加压素的作用。除了中枢利尿作用之外，Apelin的利尿效应还能直接作用于肾脏。在大鼠和人类的肾脏中都检测到Apelin及其受体的表达。野生型小鼠在缺水情况下会出现尿量减少，尿渗透压升高，而Apelin受体(APJ-/-)缺失的小鼠却无法将尿液浓缩到同样的程度。静脉注射Apelin-17可以使泌乳期大鼠精氨酸加压素合成和释放增加，尿量增加，尿渗透压显著性降低，而钠和钾的排泄无变化。这些实验均说明Apelin/APJ系统在调节体液平衡方面发挥了重要作用。

3 Apelin/APJ系统参与心血管疾病的发生发展

3.1 Apelin/APJ系统与动脉粥样硬化

Apelin是AS形成的关键介质，与AS形成、发展密切相关。Apelin/APJ系统可能通过促进VSMC迁移和增殖来促进AS的发生，并且加速AS发生的进程。Apelin呈时间和剂量依赖性的促进VSMC的增生和迁移，能促进VSMC从中膜向内膜迁移，导致AS斑块的形成[24]。敲除APJ可以显著降低AS小鼠的平滑肌细胞病变和AS的发生。内皮受损是AS发生发展的另一关键环节。Apelin/APJ在血管内皮中具有高表达。Li等[25]发现Apelin通过促进内皮细胞中粘附分子及趋化分子的表达，开启了内皮炎症相关性AS的发生。外源性Apelin-13可激活NF-κB信号通路，刺激人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVECs)分泌表达细胞间粘附分子(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)和血管内皮粘附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1，VCAM-1)，导致血管内皮炎症反应启动和加重，促使AS的进展。单核细胞向内皮细胞黏附亦参与了AS病变过程。Lu等[26]研究发现Apelin-13能促进HUVEC中NOX4源性的ROS生成增加，并诱导HUVEC自噬增加，促进MC-HUVEC的粘附。应用NAC、过氧化氢酶、DPI可抑制HUVEC中的ROS和自噬水平，并抑制MC-HUVEC的粘附，说明Apelin-13通过ROS自噬途径诱导MC-HUVEC粘附。由于MC-HUVEC粘附在AS的发生发展中起到重要作用，因而认为Apelin可能通过促MC-HUVEC粘附作用来促进AS的发生。

3.2 Apelin/APJ系统与高血压

高血压的发生、发展与肾素-血管紧张素系统有着紧密的联系。Apelin能拮抗AngII收缩血管的功能，参与调节血压的过程。研究发现，高血压和隐匿性高血压患者血浆Apelin水平显著低于正常血压者。血液透析合并肺动脉高压患者的血浆Apelin水平也比单纯血液透析无肺动脉高压者降低[27]。在双肾一夹高血压模型、醋酸脱氧皮质酮盐诱发高血压模型大鼠中均发现血浆中Apelin减少和心肌、主动脉中APJ表达的减少。因此，血中Apelin浓度降低与高血压的发生有密切关系。

apelin/APJ系统调节高血压的机制是多方面的。Apelin/APJ系统可依赖eNOS/NO途径来诱导血管扩张。Apelin能使大鼠平均动脉压降低，引起血浆亚硝酸盐/硝酸盐比例升高，给予eNOS抑制剂可以阻断Apelin的降压作用。APJ敲除后，血管内皮型eNOS磷酸化消失，血管舒张作用也被剥夺。这些研究提示Apelin降低血压的机制可能是NO依赖性的。Apelin调节血管舒张，降压的作用在一定程度上也是血管内皮依赖性的。当血管内皮完整时，Apelin与APJ相结合后促进血管内皮细胞产生释放NO，引起降压效应；当血管内皮受损时，Apelin则反而使血压升高。遗传也被认为是导致高血压发生的重要因素之一。Apelin基因遗传缺陷可使高血压的患病风险增加。Apelin及APJ基因多态性位点的变异与高血压的发生有关。WU等[28]研究发现APJ基因多态性rs10501367的突变会降低高血压的发病风险。而Apelin rs11544374基因多态性是高血压的易感因素。此外，Apelin还可以通过调节miRNA、CD39等其他途径参与高血压的调控。Bertero揭示了一个非常复杂的miRNA调控网络，miR-130/301在ECs中能调节apelin-miR424/503-FGF2信号促进肺动脉高压的形成。CD39位于内膜细胞表面，能将ATP和ADP水解成AMP，起到抑制高血压的作用，而Apelin能增强CD39的活性。

3.3 Apelin/APJ系统与心力衰竭

心力衰竭是指各种原因所致心脏收缩和舒张功能障碍，引起心室充盈或射血能力受损的一系列临床症候群。Apelin/APJ系统与心力衰竭的关系已经引起研究者的广泛关注。Szokodi等[13]首次报道了两种高血压心力衰竭大鼠模型中，心室肌细胞Apelin的变化。在左心室肥厚和代偿性心力衰竭的大鼠心肌中Apelin和APJ的表达增加，而在严重代偿性心力衰竭的大鼠心肌中Apelin和APJ的表达下调。通过Apelin水平可以预测慢性心衰患者的预后。研究发现，轻度心力衰竭患者血浆Apelin浓度升高，而中重度心力衰竭患者血浆中Apelin浓度降低[29]。EI等[30]发现，血清Apelin水平与左室收缩功能呈显著正相关。在儿童先天性心脏病的心衰患者中，Apelin水平与患者的预后有关，预后不良的患者血清Apelin水平明显低于预后良好的患者。

由于Apelin/APJ系统对心衰有改善作用，使Apelin成了心衰治疗的新靶点。应用Pyr-Apelin-13治疗盐敏感性高血压大鼠的终末期心衰，可以显著改善高血压大鼠心脏的收缩功能和舒张功能，并抑制大鼠的心功能不全和心血管重构，同时可以降低炎症因子如TNF-α、单核细胞趋化蛋白-1的表达。在慢性心衰患者，应用Apelin可以促进外周血管和冠状动脉扩张，增强心肌收缩力和增加心脏输出量，提高左室射血分数。

3.4 Apelin/APJ系统与心肌梗死

心肌梗死(myocardial infarction，MI)已经成为心血管疾病死亡的主要原因之一。Apelin/APJ系统的表达在MI时发生明显的变化。Ronkainen等首次证实缺氧可调节心肌细胞中Apelin基因和蛋白的表达。在大鼠MI后35 min和第6周，其心肌中APJ和Apelin表达均升高，机制与缺血缺氧激活缺氧诱导因子-1使Apelin的表达上调有关[31]。临床研究也发现，在ST抬高心肌梗死(ST-elevation myocardial infarction，STEMI)的急性期，患者血浆Apelin-12水平与肌钙蛋白水平是呈负相关的。入院时Apelin-12水平越低的患者，其SYNTAX评分越高，血管病变程度越严重，主要不良心脏事件发生率越高。因此，Apelin-12被认为可作为STEMI患者主要不良心脏事件预后的标志物[32]。在STEMI患者中，血清Apelin水平还与梗死后冠状动脉自发性再灌注相关。梗死后发生自发性再灌注的患者血清Apelin水平高于未发生自发性再灌注的患者。血清Apelin水平的升高是STEMI患者自发性再灌注的一个独立和新的预测指标[33]。

Apelin/APJ系统表达上调对MI后的心肌细胞有保护作用，其能抑制心肌细胞凋亡、增加血管新生、改善心脏功能、减轻缺血再灌注损伤等。动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp-1)介导的线粒体分裂在MI缺血性损伤中发挥重要作用。Apelin能抑制MI时Drp-1的磷酸化，保护线粒体形态，降低缺氧诱导的心肌细胞凋亡，进而能挽救缺血的心肌细胞，缩小梗死面积，使受损的心脏功能恢复正常。Apelin抑制Drp-1活化是保护MI时心肌细胞的机制之一[34]。给MI大鼠注射Apelin-13能促进大鼠心肌血管新生，降低心梗面积和纤维化，从而改善心肌功能障碍。腹腔注射Apelin-13，可以使急性MI小鼠的心肌梗死区面积减小，毛细血管的密度增加，心肌细胞凋亡减少，心脏功能得到改善，并且使祖细胞群增加，其能向心肌血管内皮方向分化。Apelin-13可以改善左室功能，减弱MI后的心肌纤维化，其机制与抑制核转录因子NF-κB信号的激活有关。Apelin/APJ系统还是心肌缺血再灌注损伤的潜在治疗靶点。Apelin/APJ系统能够显著减轻内质网应激诱导的细胞凋亡，保护心脏免受心肌缺血再灌注的损伤。

3.5 Apelin/APJ系统与心房纤颤

心房纤颤是较为常见一种心律失常，其发病率在逐年增加。目前临床上还没有很好的能够预测心房纤颤发生与发展的指标。随着Apelin在心血管疾病研究的不断深入，人们发现Apelin与心房纤颤有一定相关性。Ellinor等研究发现，孤立心房纤颤组患者的血浆Apelin水平较无房颤的正常组明显下降。当心房纤颤患者血浆Apelin水平低于限定值时，其心房纤颤复律后复发的危险率比Apelin水平正常者高3.1倍[35]。常规应用抗心律失常药物治疗的心房纤颤患者，其血浆Apelin浓度降低可作为预测心房纤颤复发的一个独立因子。Salska等[36]还发现血浆Apelin水平可以作为心房纤颤电复律效果和复发的判断指标。在心房纤颤的患者中，血浆Apelin浓度较高的患者直流电复律的效果较差，而且复律成功后一个月内心律失常复发率更高。因此，通过血浆Apelin浓度高低，可以预测心房纤颤的治疗效果。Apelin可能是通过调节心肌细胞上离子通道来参与心房纤颤的发生发展。研究发现，Apelin能激活细胞膜上的Na+/H+交换，碱化细胞内液，使肌原纤维对Ca2+的敏感性增加。Apelin还能增加狗离体心肌细胞钠电流的峰值，同时能阻碍钠电流在失活状态的恢复，机制可能与激活PKC有关。Apelin通过调节心肌细胞离子通道，缩短心房动作电位时程，调节心脏传导和兴奋，参与心律失常的发生。

4 小结与展望

由于诸多体内外实验和临床研究表明Apelin/APJ系统在调节心血管功能方面发挥着重要的生理和病理作用。Apelin/APJ系统参与动脉粥样硬化、高血压、心力衰竭、心肌梗死等心血管疾病发生、发展过程，已经成为防治心血管疾病的重要研究靶点。但Apelin/APJ系统在动脉粥样硬化、高血压发病过程中的作用尚存争议，在不同病理条件下，研究结果存在互相矛盾之处，因此，对于Apelin/APJ系统在心血管疾病中的生理、病理作用仍需进一步的研究与探讨。