心脏成纤维细胞在心肌梗死后心脏重构中的作用研究

唐森胡，米永程，黄照河

(1.右江民族医学院，广西 百色 533000； 2.右江民族医学院附属医院心内科，广西 百色 533000)

心肌梗死是由于冠状动脉部分或完全闭塞导致部分心肌因严重的持久性缺血缺氧而发生局部坏死。流行病学研究显示，目前我国心血管疾病患者超过2.9亿，其中冠心病患者超过1 100万，50%的心血管疾病死亡由心肌梗死引起[1]。随着溶栓方案的不断完善以及介入治疗技术的快速发展，心肌梗死病死率得到了一定控制，但其全球罹患率仍居高不下。心肌梗死后产生的不良心脏重构与心力衰竭、心律失常的发生以及患者不良预后具有很强的相关性。因此，心肌梗死后心脏重构一直是心血管领域的研究重点，促进受损心肌愈合和预防梗死后不良心脏重构显得尤为重要。研究表明，心脏成纤维细胞(cardiac fibroblasts，CFs)在心肌梗死后心脏重构中起关键作用，既是维持梗死后心室结构完整性的关键修复细胞，对防止心脏破裂至关重要，同时又是心力衰竭的细胞效应器，可引起间质大量细胞外基质的沉积，最终导致心律失常、心力衰竭，甚至心源性猝死的发生[2]。CFs在心肌梗死后心脏重构中起到促进心肌纤维化、调节心肌梗死后炎症反应以及促血管再生等作用[2-4]。现对CFs在心肌梗死后心脏重构中的作用予以综述。

1 CFs的起源与发育

成纤维细胞广泛分布于人体内各组织器官间质。由于缺乏特异和可靠的标志物，成纤维细胞通常根据其位置(在结缔组织中形成网状)、形态特征(缺乏基膜的扁平或细长细胞)、功能(结构细胞外基质蛋白的产生)进行鉴定。CFs是心脏中数量最多的细胞类型，占正常左心室总细胞数的70%[5]，主要功能为产生细胞外基质。由CFs产生的细胞外基质蛋白主要包括骨膜蛋白、波形蛋白、纤维粘连蛋白以及Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型胶原蛋白等[6]。

在心脏正常发育过程中，大部分CFs主要分化自心外膜细胞，其余少部分来源于心内膜和心脏神经脊，分别位于室间隔及右心房[7]。在心脏中，不同部位CFs具有不同的基因表达谱和功能，心房和心室CFs的生物学特征以及细胞外基质的产生能力有重要差异[8-9]，这些差异可能与CFs由不同细胞分化或CFs所处微环境不同有关。

正常情况下，CFs保持静止，无明显的炎症或增殖活性；当心脏内微环境发生变化时，CFs通过获取广泛的表型特征对其做出反应，根据环境变化充当炎症细胞、基质合成细胞或促血管生成细胞等[3]。Villalobos等[10]研究发现，新生儿和成人心脏中的CFs含有原发性纤毛，这种细胞器及其必需的信号蛋白多囊蛋白-1是心肌纤维化发生的关键元素，参与转化生长因子(transforming growth factor，TGF)-β1/Smad3信号通路的活化及细胞外基质蛋白的产生。另外，血小板源性生长因子受体-α是CFs发育所必需的酪氨酸激酶受体，对CFs的存活至关重要，缺乏血小板源性生长因子受体-α时，CFs可发生凋亡[11]。

2 CFs在心肌梗死后心脏重构中的作用

2.1CFs向肌成纤维细胞转化 心脏重构是心肌损伤后和衰老过程中发生的一种病理状态。目前，有效减少或逆转不良心脏重构的手段非常有限[12]。深入了解负责胶原纤维生成CFs的关键是探寻一种安全有效的干预心肌梗死后不良心脏重构的方法。目前，对CFs生物学的了解还处于初级阶段，尚无法在体内识别CFs，在某种程度上，对CFs的研究局限于体外分析或肌成纤维细胞(一种活化的CFs)，肌成纤维细胞存在于心肌梗死后心脏修复过程中。心脏内的肌成纤维细胞可能来源于体内许多不同细胞的转分化，但其确切的前体细胞类型仍存在争议。研究表明，绝大多数肌成纤维细胞由常驻CFs转化而来，并非由骨髓细胞转化而成[13-14]。传统上，主要通过检测α平滑肌肌动蛋白的表达鉴定肌成纤维细胞。肌成纤维细胞具有CFs和平滑肌细胞的特性，可产生大量细胞外基质并收缩，还可能导致心律失常的发生。Nagaraju等[15]研究发现，将猪CFs和肌成纤维细胞分别与左心室心肌细胞共培养，缝隙连接蛋白43在肌成纤维细胞的表达高于CFs，且肌成纤维细胞可缩短心肌细胞的动作电位持续时间，使心肌细胞膜电位超极化。进一步证实了肌成纤维细胞致心律失常的作用。

心肌梗死后，在各种细胞及因子的作用下，CFs向肌成纤维细胞转化，促进了心肌纤维化。在组织修复和纤维化过程中，部分肌成纤维细胞的蛋白表达水平升高，而正常组织及其前体细胞通常不表达这些蛋白，如钙黏蛋白-11以及整合素α11β1等[16]。以往研究发现，肌成纤维细胞可持续存在于心肌梗死后心脏瘢痕中，可能与内皮素、血管紧张素以及TGF-β信号有关[17]。持续存在的肌成纤维细胞可引起大量细胞外基质在细胞外过度沉积，导致心脏结构和功能障碍。然而，Fu等[18]研究发现，小鼠心脏梗死区的肌成纤维细胞随着梗死区瘢痕的完全成熟失去增殖和表达平滑肌蛋白的能力，逐渐分化成稳定的基质纤维细胞后在梗死瘢痕中持续存在，且人类心脏瘢痕中也观察到这种细胞，提示肌成纤维细胞向基质纤维细胞转化对心肌梗死后心脏重构产生积极影响，并可能成为逆转心肌梗死后不良心脏重构的潜在策略，其机制仍需进一步探讨。

目前，调控CFs向肌成纤维细胞转化的信号介质尚未完全阐明。一些研究表明，巨噬细胞可通过分泌TGF-β1、血小板衍生因子、白细胞介素-16、白细胞介素-10等刺激CFs增殖，并向肌成纤维细胞转化，从而导致心肌间质沉积大量的细胞外基质[19-22]。目前还发现了多条信号通路参与调控CFs向肌成纤维细胞转化，其中TGF-β/Smad信号通路被认为是最有效的调控CFs向肌成纤维细胞转化的诱导机制之一[23]。此外，调控CFs向肌成纤维细胞转化的其他信号介质还包括Ski致癌基因蛋白/E盒结合锌指蛋白2/间充质同源盒蛋白2通路、蛋白磷酸酯酶-2B/活化T细胞核因子通路、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4/活性氧类/磷酸化p38促分裂原活化的蛋白激酶通路、溴结构域蛋白-4、卵泡抑素样-1、细胞骨架相关蛋白-4以及miR-122等[24-30]。Rodriguez等[31]研究证实，脂肪前体细胞因子-1通过诱导miR-370表达抑制TGF-β1/Smad3通路，参与CFs向肌成纤维细胞转化过程，提示脂肪前体细胞因子-1可能成为干预CFs向肌成纤维细胞转化的靶点。

2.2CFs参与心肌梗死后血管再生 心肌梗死后血管再生指内皮细胞中新的微血管的形成，以重新建立梗死心肌的血流，通常有利于心脏修复，与心功能及患者预后存在密切联系，因此，促进心肌血管再生对改善心肌梗死后不良心脏重构具有重要意义。随着医疗技术的进步，介入治疗能有效恢复心脏大血管血流，但仍有30%以上的患者出现微血管功能障碍，最终导致左心室重构不良以及心力衰竭的发生[32]。既往认为，心肌梗死后，CFs分化为内皮细胞，占新形成血管内皮细胞总数的30%[33]。然而，He等[34]通过遗传谱系示踪技术证实，成体CFs并不具有转分化形成血管内皮细胞的能力，新生血管主要来自血管内皮细胞的自我复制。因此，进一步研究CFs在血管生成中的作用对于阐明CFs与内皮细胞之间的相互作用非常有必要。

心肌梗死后血管再生是一个十分复杂的过程，CFs在心肌梗死后不同时间段以及不同亚型CFs对血管再生的作用不同。Mouton等[35]研究表明，CFs在心肌梗死后对血管再生起双重调节作用。心肌梗死后第3天，梗死区CFs促血管生成基因表达增加，其中包括血管内皮生长因子A；心肌梗死后第7天，CFs通过血小板反应蛋白-1对血管再生起负性调节作用，此转变可能与CFs在特定的时间段内受到某些特定的信号分子的调控有关。然而，导致CFs对血管再生作用转变的因素尚无明确结论。Saraswati等[36]的实验研究发现，心肌梗死小鼠心脏中存在两种不重叠的CFs亚型，分别表达成纤维细胞特异性蛋白及α平滑肌肌动蛋白，在受损心脏愈合过程中，表达成纤维细胞特异性蛋白的CFs亚群较表达α平滑肌肌动蛋白的CFs亚群的促血管再生作用更强，这可能与不同亚型CFs对微环境变化的反应不同有关。因此，深入理解不同亚型CFs的起源与功能对精准促进血管再生起重要作用。

目前，心肌梗死后CFs促进血管再生的具体机制仍不明确。CFs内某些酶以及CFs分泌的部分因子可促进血管再生。Korf-Klingebiel等[37]研究表明，小鼠血管内皮细胞和CFs表达的硫脂酶1和单核细胞表达的硫脂酶2均可减轻小鼠心肌梗死区域硫酸乙酰肝素的硫酸化程度，并增强血管内皮生长因子A的血管生成活性，从而促进缺血性组织修复，但尚未解释体内硫脂酶对血管再生的真实影响。另有研究发现，心源性细胞外囊泡可诱导CFs分泌细胞衍生因子-1和血管内皮生长因子，从而促进心肌梗死后血管再生，对心功能的恢复具有重要意义[38]。总之，既不影响梗死区瘢痕成熟，又能促进梗死心肌血管再生是改善心肌梗死后不良心脏重构的一项有效治疗措施，CFs可能成为促进心肌梗死后血管再生的靶细胞。

2.3CFs参与心肌梗死后炎症反应 心肌梗死后产生强烈的炎症反应，炎症反应是心脏修复必需，而过度的炎症反应则加重心肌梗死，并促进心脏不良重构。心肌梗死后长期或失调的炎症反应会引起梗死面积扩大和修复性纤维化形成障碍，导致室壁瘤形成，加重心室功能不全。目前，CFs在心肌梗死后炎症反应中的具体作用尚不明确。近年证据表明，心肌梗死后，乳脂球表皮生长因子-8在CFs中的表达可介导CFs获得抗炎细胞表型，促进CFs吞噬梗死区的凋亡细胞，细胞定量分析显示，CFs吞噬的凋亡细胞约占巨噬细胞吞噬细胞总数的40%[39-40]。此外，Scharf等[41]研究发现，减少CFs中Sox蛋白9表达可以改善梗死瘢痕内持续的白细胞浸润，防止心肌扩张，并改善心肌梗死后的心功能。以上研究表明，CFs具有很强的可塑性，可根据微环境的变化表现出不同的功能，对心肌梗死后炎症反应起抗炎作用，但具体作用机制还需要进一步阐明。

然而，CFs在心肌梗死炎症期同样也可起到促炎作用。另有研究表明，心肌梗死后，在活性氧类、Toll样受体4配体以及白细胞介素-1β等刺激下，CFs能够产生促炎介质以及基质降解蛋白酶，在清除梗死灶基质碎片中发挥至关重要的作用[42-43]。同时，CFs还能产生单核细胞驱化蛋白-1，从而驱动单核细胞向受损心脏迁移，加重炎症反应[44]。此外，Chen等[45]研究发现，小鼠心肌梗死后，炎症因子白细胞介素-17可通过激活核因子激活的B细胞κ轻链增强信号通路，并活化T细胞核转录因子，从而诱导表达干细胞抗原的CFs产生粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子以及单核细胞驱化蛋白-1，最终导致大量免疫细胞浸润心脏以及心肌梗死后心力衰竭的发生。心肌梗死后，心脏微环境变化过程极其复杂，表达干细胞抗原的CFs可能是心肌梗死炎症期调控局部细胞因子和趋化因子平衡以及调控免疫细胞募集的潜在治疗靶点。

近年来，巨噬细胞的极化受到广大学者的关注。心肌梗死后，大量巨噬细胞向心脏迁移，参与炎症反应，巨噬细胞极化在心肌梗死后心脏重构中起重要作用。目前，CFs是否参与巨噬细胞极化过程尚不清楚。Humeres等[46]通过体外实验研究发现，受到炎症或TGF刺激的CFs可以通过单核细胞驱化蛋白-1介导的趋化作用和细胞黏附因子-1以及血管细胞黏附分子-1招募单核细胞并调节M1/M2型巨噬细胞的平衡，可能有助于理解心肌梗死后心脏炎症期向修复期的过渡。但CFs干预心肌梗死后巨噬细胞极化，使心肌组织达到平衡状态，以及促进受损心脏的修复的机制仍需研究。

心肌梗死后，保持心脏内炎症的平衡状态对心脏修复至关重要。由于缺乏特异且可靠的CFs标志物，故对CFs的研究仍非常有限，在梗死灶愈合过程中CFs是否作为抗炎细胞尚未有定论。基于心脏富含CFs，其在心肌梗死愈合过程中动态表型变化，并对炎症具有抑制作用，故推测CFs可能成为抑制炎症的重要细胞效应器。

2.4CFs参与调节心肌细胞 在心脏内，许多不同的细胞群协同工作，形成正常发育和对生理或病理刺激做出适当反应所必需的微环境。既往研究主要集中于心肌细胞与炎症细胞之间，忽略了心脏内数量众多但体积较小的CFs。在受损和重构心脏中，CFs对心肌细胞起关键性的调节作用。研究表明，当CFs受到炎症刺激后，细胞内的炎症小体被激活，使CFs分泌大量的炎症介质，最终导致心肌细胞增殖分化能力减弱[47]。此外，CFs还可通过整合素、缝隙连接蛋白43以及电偶联等影响心肌细胞的生理功能[48-50]。研究发现，心肌梗死后，CFs可通过G蛋白偶联受体激酶2信号延长缺血性损伤，从而加重心肌细胞凋亡，但具体机制尚不明确[4]。目前，CFs促进心肌细胞凋亡的主要机制有3种：①CFs可能分泌可溶性促凋亡介质(如促炎细胞因子)，从而促进心肌细胞死亡；②CFs可能通过分泌蛋白酶调节细胞外基质的组成，间接降低心肌细胞的存活率；③CFs可能分泌信号分子，从而激活心肌细胞的促凋亡途径。将CFs及肌成纤维细胞与心肌细胞共同培养发现，两者均能降低心肌细胞存活率[15]。心肌梗死后，在各种炎症介质及细胞因子的作用下，CFs大量增殖。一方面，有利于受损心脏的修复，另一方面，大量增殖的CFs可能对心肌细胞的存活起负性调节作用，从而加重心肌损害。

心肌梗死后，大量心肌细胞丢失，目前干细胞移植是一种较具前景的治疗方式，但实践过程中干细胞来源的心肌细胞往往分化不成熟。随着对CFs与心肌细胞相互作用的深入探讨，发现CFs可作为心肌细胞微环境的主要成分驱动幼稚心肌细胞向成熟心肌细胞转化，表明CFs对心肌细胞的分化起到积极作用[51]。另外，Zhou等[52]利用心肌细胞重编程的方法，通过病毒转导重要的转录因子使CFs逐渐关闭成纤维状态相关的基因转录，且大规模地激活心肌细胞所需的转录调控网络。该实验描绘了CFs向心肌细胞转化的命运图谱，有助于深入理解心肌细胞的再生过程。

由此可见，确定心脏内各种细胞的相互作用以及利用它们之间的相互作用修复和治疗受损的心脏细胞是潜在的心脏病干预治疗手段。未来应致力于心肌损伤和重构过程中细胞特异性信号通路的研究。在心脏损伤和重构过程中，某些细胞群可能在特定的时间对这些信号产生独特的反应。

3 小 结

CFs参与心肌梗死后组织修复、炎症反应、血管生成和与心肌细胞相互作用。目前，对CFs功能的认识已经不仅仅局限于细胞外基质生成作用。鉴于CFs在心肌梗死后心脏重构中的多重作用，在正确的时间激活适量的CFs，并在适当的时间抑制CFs，从而使心脏修复达到平衡状态非常重要。CFs在重构心脏中功能作用的多样性反映了不同CFs亚群具有不同的作用。目前，不同CFs亚群的表型特征、起源和功能等尚未明确。CFs功能的多元化可能反映了其对微环境变化的高反应性，然而哪些分子信号和环境信号驱动CFs的显著表型变化以及小鼠模型中记录的细胞生物学过程是否再现了人类CFs的表型变化仍需进一步深入探讨，以上研究问题的明确对精准抑制心肌梗死后不良心肌重构起到关键作用。