转化生长因子β在心肌纤维化中的表达及作用

张彩霞 曾 彬

心肌纤维化是由心肌成纤维细胞增殖、细胞外基质(extracellular matrix, ECM)净积累、微血管再生引起的心脏间质扩张，是多种心脏疾病的常见生理病理过程[1]。成年哺乳动物心肌细胞已经失去再生能力，因此由急、慢性缺血引起心肌细胞的大量死亡会触发修复程序，导致纤维组织形成。纤维化修复对防止心脏破裂、保持心室结构完整及防止扩张性重构至关重要[2]。压力超负荷、容量超负荷、代谢功能障碍和衰老等生理刺激也会触发心肌纤维化反应，同时伴随着心肌顺应性降低、心脏僵硬度增加、心功能障碍等现象。TGF-β是一种多效性细胞因子，分为TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3 3个亚型。其中TGF-β1几乎存在于所有细胞中，其他同工型则在有限的细胞和组织中表达[3]。TGF-β1来源于多种细胞，可以促进心肌成纤维细胞的增殖和激活而使细胞外基质(主要成分是Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白)的合成增加，这是心肌纤维化的重要机制。

一、心肌纤维化中TGF-β的细胞来源

1.心肌成纤维细胞(cardiac fibroblasts,CFs):尽管心肌细胞占正常心脏组织的大部分，但非心肌细胞(尤其是心肌成纤维细胞)在各种心脏病的发生和发展过程中的作用远超过心肌细胞。心肌成纤维细胞的主要功能之一是产生和分泌影响心肌细胞形态和功能的生长因子和细胞因子，如细胞外基质、基质金属蛋白酶(matrix metalloprotein,MMP)和TGF-β等，是心肌纤维化的主要效应细胞[4]。TGF-β1可通过控制心肌成纤维细胞的分化、迁移和胶原蛋白分泌，对心肌纤维化起重要作用[5]。Villalobos等[6]首次发现成年心脏中的初级纤毛结构存在于心肌成纤维细胞表面，并且纤毛成纤维细胞聚集在心肌损伤区域，该细胞器及其必需的信号蛋白多囊蛋白-1(polycystin-1,PC-1)是TGF-β1-Smad3轴激活、细胞外基质蛋白产生及细胞收缩的关键要素。此外，心肌成纤维细胞释放的TGF-β1可以在正反馈回路中进一步促进成纤维细胞活化和增殖，其释放的旁分泌因子可导致心肌细胞肥大、凋亡和功能障碍[4]。

2.血小板:血小板中TGF-β1的含量是其他细胞的40～100倍，在血小板活化后会迅速释放, 是血液循环中TGF-β1的主要成分，可代表血浆TGF-β水平。主动脉缩窄手术4周后，大多数野生型小鼠的心脏间质和血管周围纤维化程度增高，而靶向敲除血小板中TGF-β1的小鼠心肌纤维化程度降低，说明血小板源性TGF-β1在心肌肥厚发病机制中起重要作用[7]。同时，有研究指出，血小板中TGF-β1靶向缺失的小鼠可免受利托那韦诱导的心脏功能障碍和纤维化，而血小板源性TGF-β1可促进蛋白酶抑制剂诱导的心肌纤维化[8]。另外，临床中癌症患者在接受放射治疗时，电离辐射可直接导致DNA损伤和活性氧的生成，随后其诱导血小板活化释放TGF-β1而促进细胞外基质产生和成纤维细胞积累并放大纤维化信号[9]。

3.巨噬细胞(macrophages,MO):巨噬细胞在哺乳动物的发育过程中发挥关键作用，并且通过产生生长因子和其他介质为组织提供营养支持，几乎在所有器官系统中起稳态作用。心脏中的非心肌细胞除了内皮细胞外，心脏间质中还有少量的免疫细胞，包括巨噬细胞、肥大细胞、淋巴细胞和树突状细胞等。除了介导组织损伤外，巨噬细胞还可产生多种生长因子如TGF-β、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)等调节内皮细胞的增殖、肌成纤维细胞的活化和血管生成。Shiraishi等[10]的实验数据显示替代性活化(M2)巨噬细胞在心肌梗死区的数量明显增加，并有较强的组织修复能力；而TGF-β1敲除小鼠中该巨噬细胞受抑制，成纤维细胞介导的心肌梗死修复功能受损。此外，巨噬细胞的吞噬功能可以通过诱导TGF-β的释放来刺激纤维化反应，通过协调炎性反应和阻断多种促分解途径来间接促进心肌纤维化[11]。

4.内皮细胞(endothelial cells,ECs)和周细胞(Rouget细胞或壁细胞):TGF-β通过调节内皮细胞和周细胞的功能参与血管系统的发育，由TGF-β介导的细胞应答是促进性亦或抑制性，取决于细胞的分化状态和细胞周围环境。TGF-β活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)主要在血管生成部位表达，并在内皮细胞中表达水平最高。TAK1与Smad1/5转录因子结合可刺激内皮细胞增殖和迁移，而内皮细胞也可表达TAK5并结合Smad2/3而起抑制作用。TGF-β可诱导前体细胞分化为周细胞和平滑肌细胞，抑制内皮细胞增殖，并促进细胞外基质沉积，从而控制血管生成。内皮细胞也是TGF-β1、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)和内皮素-1(endothelin-1,ET-1)的重要来源，可促进由血管紧张素(angiotensin,Ang)诱导的心肌纤维化的发展[12]。内皮细胞除了具有促纤维化作用外，还可作为纤维化的负调节剂，分泌使心肌成纤维细胞失活的介质[2]。另外，内皮细胞向间质细胞转化也与心肌纤维化密切相关。

二、TGF-β调节心肌纤维化的途径

1.TGF-β的主要信号转导通路:TGF-β的作用途径涉及经典的细胞内效应子家族Smads和独立于Smad外的级联反应。大部分TGF-β受体(TGF-β receptor,TGFβR)位于细胞内部，需要胰岛素等生长因子诱导其向细胞表面的转运。Duan等[13]研究发现TGF-β本身会通过TGFβRⅠ激酶和Akt诱导其受体向细胞表面快速转运，从而增加了细胞表面TGFβR的含量以及细胞对TGF-β的反应性, 尚未在其他细胞表面受体发现这种应答放大机制。TGF-β1与细胞表面的Ⅱ型受体结合，磷酸化的TGFβRⅡ与TGFβRⅠ形成稳定的异源复合物激活素受体样激酶5(activin receptor-like kinase 5,ALK5),募集并磷酸化下游信号蛋白Smad2/3，然后Smad4与之结合形成功能性转录复合物，通过与亲和力高的DNA转录因子结合或调控启动子序列而引发靶基因的转录反应[14]。另外，该复合物易位至细胞核还可调节Smad7的转录，Smad7可通过泛素蛋白酶降解系统降解Smad2、Smad3和TGF-β1，在心肌纤维化中起抑制作用[15]。关于糖尿病性心肌病中心肌纤维化机制的最新研究发现，高糖可诱导心肌成纤维细胞中钙敏感受体(calcium-sensing receptor,CaSR)的表达增加，从而通过Ca2+/PKC/P38-MAPK途径上调TGF-β1[16]。因此TGF-β-Smad2/3信号通路的激活在心肌纤维化、心肌梗死、心脏炎性反应和心脏基质成分的合成中十分重要。除了Smad介导的经典信号转导，TGF-β还可激活PI3K-Akt-mTOR、ERK/JNK/P38-MAPK以及Rho样GTPase信号通路。

2.TGF-β的转录后调控: 心肌纤维化的发生和发展与TGF-β1/Smads途径的激活密切相关。然而，在TGF-β1驱动的心肌成纤维细胞的纤维化反应的所有基因中，有1/3在翻译水平上受到调控的，而与RNA转录本的丰度无关[17]。微小RNA(microRNA,miRNA)是细胞表型的关键调节因子，可通过与3′-非翻译区(3′untranslated region,3′-UTR)结合来抑制翻译或促进目标mRNA的降解来微调蛋白质表达，已被证明是一类新型的心血管疾病调节剂。部分研究表明，miRNA既可激活肿瘤相关TGF-β信号通路，又可抑制心肌纤维化TGF-β信号通路中相关蛋白的表达[18]。Zhao等[19]研究发现，miR-101a可直接靶向结合TGFβRⅠ阻断TGF-β信号通路和下游分子的表达，通过抑制肌成纤维细胞的分化、迁移来改善心肌梗死后纤维化和功能障碍。在犬心房颤动模型中，心房组织的TGF-β1和TGFβRⅡ的蛋白质表达水平显著上升，而miR-133和miR-590的水平降低了60%～70%；同时，将miR-133或miR-590转染到体外培养的心房成纤维细胞中会降低TGF-β1和TGFβRⅡ水平以及胶原蛋白含量[20]。也有研究发现，miR-15家族可通过TGFβRⅠ、Smad、Smad7靶向激活TGF-β信号转导[21]。这些实验结果都说明TGF-β1及其受体可作为miRNA的靶标。

三、TGF-β对心脏功能的影响

1.TGF-β在心脏收缩功能中的作用:根据组织病理学的不同，心肌纤维化分为间质纤维化、血管周围纤维化和替代性纤维化3类。前两者通常与舒张功能障碍有关，而由心肌细胞原发性坏死引起的替代性纤维化与收缩功能障碍有关[3]。心脏富含控制电生理功能的离子通道，细胞外基质过度产生和沉积会导致心肌电生理功能的破坏，多效性TGF-β1调节离子通道也较常见。早前就有研究发现，TGF-β1处理的新生大鼠心肌细胞中Na+/Ca2+交换子的mRNA水平更高、肌质网功能更为发达，因此TGF-β1可使心肌细胞的收缩频率增加。另外，高血糖会引起TGF-β及其受体的表达变化，促进糖尿病性心肌病的发展，从而间接引起左心室肥大、心脏舒张和收缩功能障碍[22]。心肌细胞收缩力下降与端粒缩短有关，丝氨酸/苏氨酸激酶Pim1可通过抑制TGF-β途径下游效应子Smad2和Smad3的磷酸化来维持心肌细胞端粒的长度，拮抗端粒相关的心肌细胞衰老和功能障碍。

2.TGF-β在纤维化心脏的心律失常中的作用:纤维化可通过形成不均匀分布的细胞外基质蛋白而损害心肌细胞泵功能而引发心律不齐。与对肌成纤维细胞的影响相反，心脏特异性过表达TGF-β1不能影响单个心肌细胞的膜电位和膜电阻，心肌细胞仅在与肌成纤维细胞结合时会发生部分去极化。另外，心肌成纤维细胞可通过整合素-β和钙黏着蛋白家族与心肌细胞相互作用。Lu等[23]研究发现，TGF-β1可上调钠泄漏通道使神经元去极化，因此推测TGF-β1可能对肌成纤维细胞去极化有重要作用。Salvarani等[5]研究显示，TGF-β1可以改变心肌成纤维细胞的电生理表型，从而使离子通道、离子泵和连接蛋白的基因表达发生变化，这些变化超出了成纤维细胞在收缩力、细胞外基质成分分泌等方面的调控能力，表明TGF-β1可能在纤维化心脏的心律失常中起重要作用。因此，血浆TGF-β1的水平可能成为评估心律失常的生物学标志物，而由TGF-β1调节的离子通道可能会成为抗心律不齐治疗中的新靶点。

四、展 望

目前，大量研究已经证明了TGF-β在心肌纤维化、心肌重构、心律失常、心力衰竭等生理病理过程中的重要作用。因此，通过受体拮抗、抗体或反义寡核苷酸抑制、特异基因缺失等途径阻断TGF-β信号转导是潜在的治疗策略。本文主要叙述了心肌纤维化过程中TGF-β的来源、TGF-β调节纤维化的重要途径以及TGF-β对心脏功能的影响机制，说明了TGF-β在心肌纤维化发生、发展过程中的独特作用。成年哺乳动物的心脏再生潜能受限、纤维化的细胞类型和信号通路复杂、心脏损伤后的微环境不稳定，仍然缺乏有效抑制或逆转纤维化的治疗方法。目前尚无批准用于治疗心脏纤维化的药物，细胞移植、生物材料、重编程成纤维细胞等新技术可能为治疗心脏纤维化提供新方向。由于TGF-β的多效性，在治疗心肌纤维化过程中总体抑制TGF-β的信号转导系统可能对心血管系统和其他器官产生不良影响。因此，TGF-β系统在心肌纤维化中的特异性作用及分子机制需要更深入研究。