机械应力诱导心肌重构的研究进展

吴 剑,邹云增

(复旦大学附属中山医院上海市心血管病研究所,上海200032)

心血管疾病正在成为危害人类健康和生命安全的头号杀手.高血压等病因导致的心肌重构是心力衰竭(心衰)等心血管主要事件的独立危险因素.血流动力学产生的机械应力对心脏形态和结构的改变具有重要作用.在生理状态下,机械应力对心脏发育、成体心脏正常结构和功能的维持起重要作用.然而,在病理状态下出现的机械应力超负荷可直接触发心肌重构,同时伴随神经体液因子表达升高,产生的协同作用会进一步加重心肌重构,是引起心力衰竭的主要病因[1-2].机械应力超负荷刺激作用下的心脏,在初期通过心肌细胞肥大、纤维组织增生、新生血管增多、炎性反应增强、代谢方式改变等变化,以应对室壁应力和能量代谢需求的增加,产生适应性的心肌重构.但如果产生机械应力超负荷的病因未能及时移除,心脏将逐渐从代偿期进入失代偿期,心肌重构进一步发展,最终产生心衰.目前,针对导致心肌重构过程中过度激活的神经体液因素和炎症因素等的药物和手术治疗已经取得一定进展,但仍有众多患者的病情未取得满意疗效.因此,尚需进一步明确心肌重构的驱动因素以进行早期有效防治.

机械应力超负荷分为压力超负荷(后负荷)和容量超负荷(前负荷)[1,3].心脏压力超负荷主要出现于收缩期,常见于高血压和主动脉狭窄；心脏容量超负荷主要出现于舒张期,常见于脉瓣返流疾病.两类超负荷并非互不相干,而是有一定的相互交叉重叠,压力超负荷心肌肥厚终末期会出现容量超负荷,容量超负荷心肌肥厚在收缩期也常常有一定程度的压力超负荷.总的来说,虽然压力超负荷和容量超负荷均引起心肌肥厚,但在大体形态上,压力超负荷心脏的室壁厚度增加非常明显,室腔内径无明显变化或稍有减小,表现为向心性肥厚；而容量超负荷心脏的室壁仅轻度肥厚甚至不增厚,室腔内径明显增大,表现为离心性肥厚[3].在细胞水平上,压力超负荷心脏的心肌细胞肌节横向增宽,容量超负荷心脏的心肌细胞肌节纵向伸长.在分子水平上则发现,心脏肥厚相关因子(如胞外信号调节激酶ERK1/2)在压力超负荷心脏中激活明显,在容量超负荷心脏中未见明显激活[4].压力超负荷心脏的钙火花、钙瞬变、L型钙电流、肌浆网钙释放等钙诱导的钙释放(calcium-induced calcium release,CICR)现象明显增加,而容量超负荷心脏的这些变化并未明显增加.此外,压力超负荷心脏的心肌纤维化、炎症反应及凋亡程度均高于容量超负荷心脏[3,5].在实验动物中发现,压力超负荷组生存率亦较容量超负荷组降低[3,6].这些证据提示,压力超负荷和容量超负荷所致的心肌重构的信号网络触发机制明显不同.另外,在临床实践中发现,一些药物对于这两类机械应力超负荷心肌重构的效果存在明显不同[7].比如,文献[8]报道钙通道拮抗剂对压力超负荷心肌肥厚疗效明显,但文献[9]则指出钙通道拮抗剂未能改善容量超负荷心肌重构.这些证据说明,在压力超负荷心肌重构中获得的经验并不能简单外推到容量超负荷心肌重构,对这两类机械应力超负荷引发的心肌重构需要更具个性化的甄选诊疗方案.然而,二者疗效差异的具体机制仍有待阐明.

目前,针对压力超负荷的研究较多,了解相对清楚,但对容量超负荷的研究较匮乏,主要原因有：(1)高血压的发病率高,压力超负荷模拟高血压,获得更多关注.可是,容量超负荷不仅见于瓣膜病,在其他多种心脏病,如心肌梗死、扩张性心肌病、机体过度运动,甚至高血压心脏病终末期,也普遍伴随着容量超负荷的现象.(2)缺少可高效复制的较具临床转化意义的容量超负荷心肌重构动物模型.然而,本课题组近期构建的主动脉瓣返流(aortic regurgitation,AR)小鼠模型,可以实时控制返流程度,并克服以往动静脉瘘模型中右心室同时明显重构带来的干扰,是一种较好的模拟容量超负荷心肌重构的新模型,相关成果已发表在心血管知名国际期刊上,获得学界认可[10].通过这一新型容量超负荷模型,与既往常规使用的主动脉缩窄(transverse aortic constriction,TAC)造成的压力超负荷模型在心脏结构、功能、信号转导通路等方面进行了对比,发现在承受同等程度机械应力刺激下,术后2周,两类超负荷小鼠心脏虽然同处代偿期,但各自的向心性肥厚和离心性肥厚特征明显,且压力超负荷心脏的钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ,CaMKⅡ)、钙调神经磷酸酶(calcineurin)、丝裂原活化蛋白激酶家族(包括extracellular signal-regulated kinases(ERK1/2,ERK5),JNK1/2,p38MAPK,Akt)、β-休止蛋白-2(β-arrestin-2)等心肌肥厚相关信号通路的激活程度普遍高于容量超负荷心脏.并且,压力超负荷心脏的心肌纤维化,特别是心肌炎症反应及凋亡程度均高于容量超负荷心脏,术后生存率也较容量超负荷小鼠明显降低[10].基于上述结果,本课题组推测不同机械应力激活不同的信号网络,诱导心肌细胞发生不同损伤和命运改变,产生不同类型的心肌重构.进而围绕这些差别,筛选出不同机械应力导致不同心肌重构的特征性因子并予以反向调控,以进一步厘清信号因子在两类超负荷心肌重构中的不同作用.

在此基础上,本课题组首先重点观察了钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ.压力超负荷和容量超负荷分别作用于心动周期的收缩期和舒张期.心肌细胞通过钙离子流在细胞膜和内质网的周期性变化,实现心动周期的收缩和舒张.钙离子作为第二信使,在心肌细胞的兴奋-收缩耦联中起关键作用[11].越来越多的研究表明,钙离子参与病理条件下心肌肥厚及心衰的发生发展过程[12].在压力超负荷中,心脏需要加强主动收缩对抗后负荷的增加,钙离子及其相关处理蛋白的变化较早.已知钙离子可通过激活钙相关的肥厚通路,如钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ,触发压力超负荷心肌肥厚[12].很多研究均有证明,压力超负荷可激活钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ,经组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)-肌细胞增强因子2(myocyte enhancer factor-2,MEF2)信号通路激活ERK1/2,诱发心肌肥厚[12-13].CaMKⅡ也可直接促发压力超负荷心脏细胞炎性死亡.由于心肌细胞是终末分化细胞,细胞死亡将导致心肌细胞数量减少,加重心肌重构.Zhang等[14]提出CaMKⅡ可通过加重缺血再灌注心脏或阿霉素处理心脏的程序性坏死(necroptosis),促进心衰的发生.近期则有报道指出,压力超负荷活化的钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ激发炎性反应和NLRP3(NOD-like receptor pyrin domain containing protein 3,NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3)炎症小体的高表达,促进压力超负荷心肌恶性重构[15].结合前述的钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ在压力超负荷心脏明显激活,而在容量超负荷活化轻微的结果,推测压力超负荷对钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ信号转导通路的差异性激活是触发两类心肌肥厚差异的重要原因,对钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ进行干预可能对压力超负荷诱导的心肌重构治疗更加精准.

另一个重点观察的信号因子是Akt,其作为一种丝/苏氨酸蛋白激酶,是心脏众多病理生理信号的重要调节枢纽,与心肌细胞存活、细胞增殖、糖原合成、能量代谢、肌力维持等过程密切相关.Akt在生理性肥厚和病理性肥厚中均起作用,其信号紊乱会导致心肌重构加重并失代偿[16].但Akt本身的作用较为复杂,激活心脏Akt信号虽会促进游泳所致的生理性肥厚,但会减轻TAC等压力超负荷引起的病理性肥厚[17].目前已知磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)通过其亚单位p110活化磷酸肌醇依赖性蛋白激酶(phosphoinositide-dependent kinase,PDK),进而激活Akt[18].PI3K的PI3Kγ亚型的激活介导病理性心脏肥厚,PI3Kα亚型则介导生理性心脏肥厚[19].Akt通过磷酸化激活或抑制下游靶蛋白,包括糖原合成激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK3β)、Caspase-9、Bad、叉头蛋白(forkhead)、核因子活化B细胞κ轻链增强子(nuclear factor-κB,NF-κB)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)、葡糖糖转运体4(glucose transporter,GLUT4)等,起到上述病理生理作用.同时发现结构活性(constitutively active)Akt短期内对心脏有保护作用,长期却会通过降低线粒体氧化能力起到诱发病理性肥厚的作用,进一步证实了其作用的多样性和复杂性[20].近期则在AR小鼠心脏发现返流早期Akt即迅速激活,随后开始回落,但仍高于相应的假手术组.相比其他相关信号因子没有激活或至少轻度激活,Akt在容量超负荷心脏中被显著激活[10].这显示Akt可能是一个独特的介导容量超负荷心肌重构的因子.

总之,虽然均为机械应力超负荷诱发,但是压力超负荷和容量超负荷分别引起截然不同的向心性和离心性的心肌肥厚.然而,这两类机械应力超负荷心肌肥厚,并非各方面都泾渭分明、各自为战,而是呈现相互交叉的特点,且在各自病变的不同阶段其肥厚信号还可呈现动态变化.目前本课题组的工作进一步探讨了一些肥厚相关信号在两类超负荷心肌肥厚触发机制差异中的可能机制,并初步提出钙/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ和Akt有可能是针对两类超负荷重构精准化治疗的有效靶点.但是,目前尚亟待阐明几个关键性问题：(1)容量超负荷心肌重构区别于压力超负荷心肌重构的关键性触发因子/标记物是什么？(2)两类重构中均发生变化的因子对各自重构的作用是否一样？因而,对上下游主要调控因子在两类超负荷心脏重构中的调控差异,尚需抽丝剥茧,进行较为深入的研究,其研究结果必将为临床心肌肥厚的精准化研究和个性化诊疗提供重要参考.