黄芪甲苷治疗心肌梗死后慢性心力衰竭机制的研究进展
2021-01-03徐韫妍方祝元
徐韫妍,方祝元
心肌梗死是由于冠状动脉持续供血不足引起心肌缺血缺氧,最终导致心肌坏死的疾病,其发病快、致死率高,近年来已成为我国心血管疾病的主要死亡原因[1]。心力衰竭是心肌梗死的主要并发症,指心脏收缩或舒张功能障碍,以致心排血量降低不能满足机体代谢需要导致的一系列综合征,主要临床表现为气促、乏力、心悸、下肢水肿等,严重危害人类生命健康。黄芪甲苷(Astragaloside Ⅳ,As-Ⅳ)是中药黄芪的主要活性成分之一,既往研究表明,As-Ⅳ具有心脏保护、调节免疫、缺血保护、抗炎、抗肿瘤和抗病毒等作用[2]。现综述As-Ⅳ治疗心肌梗死后慢性心力衰竭机制的相关研究进展。
1 保护心肌细胞
1.1 维持心肌细胞内钙稳态 Ca2+是心肌细胞产生兴奋-收缩耦联的重要媒介,心力衰竭常伴随心肌细胞内Ca2+调控异常。有研究表明,Ca2+通过位于心肌细胞膜的L型钙通道(L-type calcium channel,LTCC)向细胞内扩散,而肌浆网上Ryanodine(RyR)受体及心肌肌浆网Ca2+-ATP酶2a(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2a,SERCA2a)分别将Ca2+从肌浆网内释放和回收,三者协同维持心肌细胞内Ca2+稳态[3]。有研究显示,曲美他嗪联合As-Ⅳ灌胃治疗的心力衰竭模型犬较曲美他嗪组心肌细胞内Ca2+平均荧光强度显著降低,SERCA2amRNA表达增加,表明As-Ⅳ可能通过上调SERCA2a基因表达,增加Ca2+回流,防止细胞内Ca2+超载,从而维持心肌舒张功能[4]。赵美眯等[5]研究显示,As-Ⅳ可明显抑制经LTCC的Ca2+内流,在无钙外液条件下,As-Ⅳ处理可升高[Ca2+]i,提示As-Ⅳ可能通过抑制LTCC减少细胞外Ca2+内流、激活RyR受体促进内钙释放,从而调节细胞内钙保持稳态,维持心肌生理功能。
1.2 抑制心肌细胞凋亡 钙敏感受体(calcium sensing receptor,CaSR)广泛存在于包括心脏在内的人体组织中,参与细胞凋亡等多个生理过程[6]。缺血/再灌注(ischemia/reperfusion,I/R)时CaSR通过激活c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)通路引起心肌细胞凋亡[7]。Yin等[8]研究显示,As-Ⅳ预处理可显著降低CaSR表达,减少I/R大鼠心肌细胞凋亡,提高细胞活力,这种作用被CaSR激动剂氯化钆(GdCl 3)部分抑制,提示As-Ⅳ可能通过抑制CaSR表达而抑制I/R心肌细胞凋亡。生长阻滞特异转录物5(growth arrest-specific transcript 5,GAS5)是一种长链非编码RNA,与糖皮质激素竞争结合糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor,GR),从而抑制GR敏感的下游靶基因转录活性,促进细胞凋亡[9]。Du等[10]研究表明,As-Ⅳ预处理的H9c2细胞内lncRNA GAS5表达下降,明显减轻了缺氧损伤,表明As-Ⅳ可能通过下调lncRNA GAS5抑制缺氧诱导的细胞凋亡。GATA-4是一种心脏基因的关键转录调节因子,在人体心肌细胞中高度表达,心脏GATA-4缺失可提高心肌细胞凋亡水平[11]。Yang等[12]运用As-Ⅳ处理I/R损伤的H9c2细胞后发现,与对照组比较,实验组GATA-4基因表达及生存因子表达均上调,而凋亡和自噬相关基因受到抑制,这一现象在沉默GATA-4表达后消失,提示As-Ⅳ心肌保护作用可能是由GATA-4介导的。B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)家族蛋白质通过调控线粒体外膜的完整性控制细胞内源性线粒体凋亡途径,其中,Bcl-2相关蛋白X(Bcl-2-associated X protein,Bax)等诱导凋亡的蛋白通过促进线粒体外膜渗透破坏线粒体,诱导细胞凋亡[13],而Bcl-2通过与线粒体外表面及与促凋亡亚族Bax结合抑制细胞凋亡[14],故Bax/Bcl-2比值认为是细胞易凋亡的指标[15]。多项研究显示,经As-Ⅳ处理的心肌细胞内Bax/Bcl-2比值下降,细胞凋亡减少,且该效应呈浓度依赖性,证实As-Ⅳ通过抑制Bax介导的通路抑制心肌细胞凋亡[16-18]。
2 抑制心脏纤维化
心肌纤维化是细胞外基质(extracellular matrix,ECM)及受损组织中成纤维细胞过度累积的表现,急性局灶性纤维化瘢痕可帮助心肌愈合并防止心脏破裂,慢性弥漫性纤维化可破坏心肌结构,引起心脏机械、电和血管功能障碍,从而促进心力衰竭发展[19]。转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)/Smads通路(Smads)在心肌纤维化过程中发挥着重要作用。TGF-βⅡ型受体(TβRⅡ)通过配体TGF-β与TGF-βⅠ型受体(TβRⅠ)结合后,激活TβRⅠ激酶,使下游的受体相关Smads(receptor-associated Smads,R-SMADs)如smad2/3蛋白磷酸化并转移至细胞核中促使纤维化基因过表达发挥促纤维化作用[20]。Zheng等[21]研究显示,采用芪参益气丸(主要成分含As-Ⅳ)对I/R模型大鼠灌胃治疗后能明显下调TGF-β和Smad3水平,且Masson染色显示心肌纤维化程度显著低于对照组,提示As-Ⅳ可能通过抑制TGF-β/Smads通路发挥抗纤维化作用。炎症在心肌纤维化进程中发挥着重要作用。Wan等[22]研究表明,As-Ⅳ经肠道菌群转化后的主要代谢产物环黄芪醇(cycloastragenol,CAG)不仅能下调异丙肾上腺素(isoprenaline,ISO)处理后小鼠心脏TGF-β mRNA含量,还能下调核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain like receptor protein 3,NLRP3)及下游白细胞介素6(IL-6)等炎症相关因子mRNA表达,心脏胶原沉积减少,且该效应呈剂量依赖性,表明As-Ⅳ通过抑制NLRP3炎性小体途径抑制心肌纤维化。
瞬时受体电位M7(transient receptor potential melastatin 7,TRPM7)通道是心肌成纤维细胞唯一的钙通道蛋白,其表达增加导致细胞外Ca2+内流,促进Ⅰ型、Ⅲ型胶原表达,是心肌纤维化发生发展的重要因子[23],上游调控因子微小RNA-135a(micro RNA-135a,miR-135a)表达水平升高可抑制TRPM7表达,从而抑制心肌纤维化[24]。Wei等[25]采用As-Ⅳ灌胃处理ISO诱导的心肌纤维化大鼠模型,结果显示心肌Ⅰ型胶原和α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)表达均下降,同时miR-135a水平显著升高而TRPM7降低,并伴有TGF-β/Smads通路抑制,该研究首次证明TGF-β与TRPM7之间可能存在正反馈,提示As-Ⅳ可能通过miR-135a/TRPM7/TGF-β/Smads通路抑制心肌纤维化。
3 改善心脏血液循环
心肌梗死发生后,心肌细胞大量坏死同时伴有血管损伤,进一步加重心脏缺血,最终导致心功能受损[26],故恢复心肌梗死病人心脏血液供应是治疗重点。心脏血管新生可提高心肌梗死区域血液供应和心肌缺血缺氧,有利于病人预后。
3.1 促进心脏血管再生
3.1.1 磷酸酶和张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten,PTEN)/磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/Akt通路 PTEN/PI3K/Akt信号通路在血管生成中发挥着重要作用。活化的PI3K及靶标Akt磷酸化形式均能提高血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)水平从而促进血管生成[27]。第10号染色体上缺失的PTEN是一种肿瘤抑制因子,可抑制PI3K/Akt信号通路。有研究表明,As-Ⅳ灌胃处理的心肌梗死大鼠心肌微血管形成较模型组明显增多,同时伴有PTEN水平下降,磷酸化PI3K和Akt水平升高,而在体外实验中,这一效应被慢病毒高表达PTEN拮抗,表明抑制PTEN从而激活PI3K/Akt信号通路可能是As-Ⅳ促进心肌梗死后血管再生的机制之一[28]。
3.1.2 JAK/信号转导和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)通路 STAT3是血管形成的正向调节因子[29],由Janus激酶(Janus kinase,JAK)激活后转导血管生成信号[30]。Sui等[31]研究采用黄芪注射液对左冠状动脉结扎心力衰竭大鼠模型进行灌胃治疗,血管造影显示实验组心脏血管密度明显增加,且JAK和STAT3磷酸化水平均提高。内皮源性一氧化氮合酶(endothelial-derived nitric oxide synthase,eNOS)来源的一氧化氮(nitric oxide,NO)是导致动脉生成和稳定血管生成通路的第二信使[32]。Wang等[33]研究显示,As-Ⅳ对人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVEC)增殖、迁移和管状形成均有促进作用,且诱导JAK2、STAT3及eNOS磷酸化,而JAK2抑制剂AG490可明显抑制上述结果,提示As-Ⅳ可能通过激活JAK2/STAT3通路促进心肌梗死后血管生成。
3.1.3 蛋白激酶D1(protein kinase D1,PKD1)/组蛋白去乙酰化酶5(histone deacetylase 5,HDAC5)通路 PKD1/HDAC5通路在VEGF调控血管生成中发挥重要作用。Yang等[34]研究发现,As-Ⅳ注射治疗心肌梗死模型大鼠,与模型组相比心肌细胞颜色浅、排列紊乱的现象明显减轻,且逆转录-聚合酶链反应、免疫组化、免疫印迹法(Western Blotting)证明PKD1/HDAC5、VEGF蛋白表达及mRNA水平均上调,该效应能被PKD1阻滞剂CID755673阻断,表明As-Ⅳ可能通过PKD1/HDAC5/VEGF通路介导心肌梗死心脏血管生成。
3.1.4 缺氧诱导因子-1α(hypoxia induced factor,HIF-1α) HIF-1α是机体对缺氧的重要应答机制,在慢性缺氧侧支循环形成中发挥重要作用。李军昌等[35]采用As-Ⅳ连续21 d,2 mg/(kg·d)腹腔给药心肌梗死小鼠,发现实验组小鼠梗死区及缺血区面积明显减小,梗死周边新生血管密度、HIF-1α及下游VEGF表达显著增加,提示As-Ⅳ可能通过促进HIF-1α表达促进血管新生。
3.2 改善血管舒缩 NO是重要的血管舒张因子,有研究显示,As-Ⅳ在穴位导入及体外实验中可提高微血管舒缩活动振幅,改善皮下及心脏微循环状态,其机制可能与NO及血管收缩因子内皮素-1(endothelin-1,ET-1)分泌增加有关[36]。As-Ⅳ可能通过改善血管内皮功能障碍提高动脉内皮依赖性舒张功能,其机制可能是As-Ⅳ促进eNOS产生的NO水平升高[37]。上述研究均表明As-Ⅳ通过改善血管舒缩功能而维持心脏血液循环。
4 改善心肌细胞能量代谢
心脏对能量需求较高,超过95%的能量来自三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),其余来自糖酵解。超过60%的ATP来自游离脂肪酸(free fatty acids,FFA)氧化[38],FFA是心脏能量的主要来源。终末期心力衰竭中,心脏代谢底物由FFA的氧化转变为葡萄糖的无氧酵解[39],而糖酵解释放能量少,不能满足心脏需求。Tang等[40]动物实验研究表明,As-Ⅳ能上调心力衰竭大鼠心肌FFA氧化的关键酶——中链酰辅酶A脱氢酶(medium-chain acyl-CoA dehydrogenase,MCAD)和肌肉碱棕榈酰转移酶-1(muscle carnitine palmitoyl transferase-1,MCPT-1)及其调控因子——核因子过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator-activated receptor alpha,PPARα)蛋白表达及mRNA水平,且治疗组大鼠血清和心肌FFA浓度明显降低。许放等[41]研究显示,As-Ⅳ可能显著减少ISO诱导的H9c2心肌细胞中FFA表达,同时增加ATP/单磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)比值,上述结果均提示As-Ⅳ能改善心肌能量代谢从而改善心功能。
5 改善血管内皮功能
内皮功能障碍是心力衰竭的重要伴发特征,是病情恶化的独立预测因子[42],内皮促炎状态是重要特征之一。内皮细胞表面的凝集素样氧化型低密度脂蛋白受体(lectin-like oxidized LDL receptor,LOX-1)被血液氧化型低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)激活后诱导NLRP3炎性小体激活,从而导致内皮炎症。Qian等[43]研究显示,经As-Ⅳ处理的小鼠血管内皮细胞功能障碍明显减轻,且As-Ⅳ以浓度依赖方式抑制ox-LDL诱导的LOX-1表达及下游NLRP3炎性小体激活,提示As-Ⅳ可能通过抑制LOX-1/NLRP3途径改善血管内皮功能。
Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)存在于微血管内皮细胞及心肌细胞,其下游核转录因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)炎症反应信号通路的激活促进血管黏附和炎症细胞激活,从而导致内皮功能障碍。有研究显示,As-Ⅳ在体内外实验中均可抑制高糖诱导的NF-κBp65核转位,降低TLR4 mRNA表达,阻断TLR4/NF-κB信号通路改善内皮功能[37]。
6 小 结
综上所述,As-Ⅳ通过保护心肌细胞、抑制心肌纤维化、改善心脏血液循环、心肌细胞能量代谢及血管内皮功能等多方面发挥改善心肌梗死后心功能的作用,在传统心力衰竭药物治疗基础上起到辅助和补充作用,其药理作用处于实验研究阶段,治疗心血管疾病方面具有广阔的研究前景,值得进一步深入研究。