Micro RNA 在心力衰竭中的应用研究

2021-11-29

医学信息 2021年4期

（天津市第一中心医院心血管外科，天津 300192）

心力衰竭（heart failure，HF）是一种由于心排血量不足而不能满足机体器官和组织代谢需要引起的复杂的临床综合征[1]，其是由心脏进行性结构和功能改变引起的收缩和（或）舒张收缩功能障碍演变而来，主要分为射血分数降低心衰（HFrEF，LVEF＜40%）及射血分数保留心衰（HFpEF，LVEF≥50%）以及射血分数中间心衰（HFmrEF，LVEF 40%～49%）[2]。HFpEF 和HFrEF 具有不同的流行病学和病因学特征，与HFrEF 相比，HFpEF 患者年龄较大，女性较多，多有高血压和心房颤动（AF）病史[2，3]。心衰可能是急性或慢性的，其中慢性心衰占大多数，许多终末期心脏病患者反复发作急性失代偿性心衰，严重威胁患者生命安全[1，4]。尽管心衰的治疗取得了长足的进步，但心衰的发病率、死亡率和住院率仍然很高。美国和欧盟数据统计[5]，心衰的患病率为1%～14%，并且每年大约新增96 万例新患者。英国数据统计[6]，2002 年～2014 年心衰患病率为1.5%～1.6%。亚洲的心衰总患病率约为1%～2%，随着亚洲人口老龄化加速，约有60%全球人口总数承担着心血管疾病的高风险，据估计，17%～45%的住院心衰患者在入院后1年内死亡，5 年后存活率不超过一半[7]。随着全球人口的老龄化进程，心衰的发病率和患病率仍然上升。心衰作为一个重大的全球健康问题，面临着巨大而日益严峻的挑战，迫切需要科研工作者加快了解心衰预测因子，并为诊断/预后、预防和治疗心衰提供有效参考。MicroRNAs 是一种长度约为21～22 个核苷酸的高度保守的非编码小RNA，通过抑制信使RNA（mRNA）的翻译或通过诱导特定mRNA 的降解参与基因表达的转录后调控。MicroRNAs 与许多人类疾病相关，包括糖尿病、心血管疾病、肥胖和癌症等。研究表明MicroRNAs 可能影响HF 发生和发展的不同方面，如心肌细胞凋亡、肥大、纤维化、炎症、氧化应激和缺氧损伤等[8]。本文就Micro RNA 参与心衰的病理发生机制、与心力衰竭生物标志物的关系及其在心力衰竭治疗的应用前景作一综述，以期为临床治疗该疾病提供参考。

1 MicroRNA 参与心衰的病理发生机制

免疫及炎症反应通过促炎症细胞因子参与心衰的发生发展，如以C 反应蛋白（CRP）、白细胞介素-1（IL-1）、白细胞介素-6（IL-6）、生长分化因子15（GDF15）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）等炎性因子水平升高为标志的全身炎症和微血管疾病状态。炎症状态影响包括心脏在内的多个器官，导致微血管内皮细胞功能障碍，血管细胞黏附分子（VCAM）和E-选择素表达上调，继而白细胞浸润。炎症因子进一步激活心肌的促炎和促纤维化过程，导致心肌细胞僵硬，代谢重塑和间质胶原蛋白沉积[9]。心衰发生时机体外周血及心肌局部活化大量的炎症介质，内皮细胞粘附分子水平的升高及局部炎症介质的增加，两者都促进内皮功能障碍和免疫细胞浸润，进一步加剧心肌收缩功能障碍及心衰的发生[10]。研究显示[11]，miR-9、miR127、miR-155 和miR-125b 参与促炎症反应的发生，而miR-124、miR-223、miR-34a、miR-132、miR-146a 和miR-125a-5p 则通过发挥抗炎反应参与心衰的发生发展。“促炎”相关的microRNA介导心脏炎症和巨噬细胞向心肌细胞浸润的促肥大信号，Seok HY 等[12]通过构造高血压心脏病小鼠模型研究发现，miR-155 是病理性心肌细胞肥大的诱导因子，是导致心脏重塑和衰竭的关键因素。内皮源性miR-146a 则通过NF-κB 通路调节炎症细胞因子和细胞外基质蛋白的产生，进而减轻小鼠糖尿病模型的心肌炎症和纤维化发生[13]。miR-126 是内皮细胞中最丰富的microRNA，在维持内皮稳态和血管完整性方面起着关键作用，其丢失会导致血管渗漏、出血、血管完整性丧失及内皮细胞增殖、迁移和血管生成能力的损害,而促炎细胞因子以miR-138依赖的方式降低内皮一氧化氮合酶（eNOS）活性和NO 生成，抑制miR-138 被认为有可能通过恢复NO功能，延缓与内皮功能障碍相关的心衰发生[14]。

神经内分泌激活在心衰发生发展过程中发挥着重要作用，其中以肾素-血管紧张素-醛固酮（RAAS）和交感神经（SNS）系统为主的交感神经系统的激活被认为是心衰过程中重要的病理生理因素。在心脏损伤的背景下，RAAS 和SNS 的不适当激活会导致血流动力学紊乱、过多的循环容量和过高的心脏后负荷，进而促进心肌肥大和纤维化发生以及加速心肌细胞凋亡，加速发展为心力衰竭[15]。相反，神经系统激素，如内皮素、心钠素（ANP）、B 型脑利钠肽（BNP）、C 型钠尿肽（CNP）及N-端脑利钠肽前体（NT-proBNP）等，其通过利钠、利尿、血管扩张、抗肥大和抗纤维化等发挥心脏保护作用。心力衰竭发生时，miR-100 和miR-133b 分别在神经内分泌系统中被上调和下调，miR-133b 在调节心肌细胞肥大中具有重要作用。但是，这些miRNAs 的特定基因靶点上的具体调控机制尚未被确定。研究显示[16]，miR-100 的基因靶点可能为利钠肽受体3（NPR3）的3'-UTR 端，提示在心力衰竭患者中观察到的miR-100 的升高可能反映了一种代偿机制，即减弱NPR3 的表达可延长循环和组织中基础钠尿肽的半衰期。另有研究显示[17]，miR-125a/b-5p 与易卒中高血压大鼠主动脉内皮素-1 水平呈负相关，提示miR-125a/b-5p 靶向结合前内皮素-1 的3'-UTR 端并调控内皮细胞内皮素的表达。

另外，氧化应激通过改变多个基因的表达而导致心肌细胞损伤，其也是心衰发生发展的重要病理生理过程，其中活性氧（ROS）水平升高或抗氧化剂防御能力降低是心衰进展的重要原因[18]。ROS 是一个统称，它包括过氧化氢（H2O2）、超氧阴离子O2-和羟基自由基（-OH）。正常生理状态下，ROS 可以由以下几种潜在的来源，如线粒体、质膜结合的NADPH 氧化酶（NOXs）、内质网（ER）及参与氧化还原反应的不同酶。已有研究证实[19]，线粒体DNA 缺失通过增加线粒体活性氧参与了收缩性心力衰竭的发生。存在于心脏线粒体中的miRNAs，其可显著调节线粒体基因的表达，防止ROS 诱导的心肌细胞损伤。研究表明[20]，血浆miR-1 水平在心力衰竭时显著升高，并与心力衰竭的发生密切相关；在小鼠心衰模型中，给予抗miR-1 可以显著降低小鼠的ROS 和氧化应激敏感性，并显著提高心功能。氧化应激条件下心肌细胞miR-25 水平显著升高，miR-25 的过表达通过下调线粒体钙单转运体和增强心肌细胞活性来保护心肌细胞免受氧化损伤[21]。此外，氧化应激显著上调miR-200c 的表达，并通过下调E 盒锌指结合蛋白1（ZEB1）和内皮依赖性舒张（EDRs），显著抑制内皮细胞生长，增加细胞凋亡和衰老，而通过抑制miR-200c 可促进细胞生长，显著减少细胞凋亡[22]。此外，全细胞色素c 合成酶（HCCS）、Caspase3、环氧合酶-2（COX-2）蛋白的表达基本上受miR-200c 的调控，从而极大地减少了心肌细胞的凋亡。心力衰竭患者循环miR17-5p 水平明显改变，氧化应激条件下心肌miR17-5p 水平明显上调。过表达miR-17-5p可引起心肌细胞损伤，细胞存活率下降，H2O2 诱导的细胞凋亡增加，拮抗miR-17-5p 可显著减少心肌梗死面积和细胞凋亡，显著提高心肌细胞存活率[23]。

心肌间质纤维化是心肌损伤修复的一个重要标志，它与HF 的发病机制密切相关[24]。细胞外基质的主要结构蛋白是纤维胶原，心衰发生发展的病理生理过程中，胶原蛋白沉积引起心肌间质纤维化过程不可忽视。心脏胶原蛋白沉积可能由不同的原因引起：①浸润的单核/巨噬细胞释放的转化生长因子β(TGFβ)有利于成纤维细胞分化为产生胶原蛋白的肌成纤维细胞；②微血管炎症诱导成纤维细胞增殖；③压力超负荷诱导的促生长激素如内皮素-1、血管紧张素Ⅱ和醛固酮等具有促纤维化作用[25，26]。miR-21 富含在衰竭心脏的成纤维细胞中，通过调节ERK-MAP 激酶信号通路，影响成纤维细胞的生存和激活。拮抗miR-21 可防止压力超负荷所致的心脏间质纤维化和心功能不全的发生[27]。miR-29 家族也与心脏纤维化的发展有关，通过抑制miR-29 可以增加胶原蛋白沉积，而在心脏损伤后引入miR-29则有利于减少胶原含量。另有研究显示[28]，心脏中含量最丰富的miR-22 与促纤维化信号、心肌肥大和衰老密切相关。

总之，在心力衰竭的发生发展过程中，免疫及炎症反应、神经内分泌激活、心肌间质纤维化、细胞凋亡以及氧化应激是一个相互交错、相互促进的复杂的生理过程，在这个过程中，庞大的microRNA 家族发挥着重要的作用。

2 MicroRNA 与心力衰竭生物标志物的关系

BNP 和NT-proBNP 目前被用作诊断心衰并判断心衰预后的主要生物标志物，另外，循环中心肌特异性结构蛋白，如肌钙蛋白T 和肌钙蛋白Ι，或细胞膜的关键成分，凝集素样氧化型低密度脂蛋白受体-1（LOX-1）的循环水平也反映了心脏损伤和（或）功能障碍的严重程度[1,2,4]。循环中的miRNAs 作为新的潜在的诊断HF 的新生物标志物已经成为临床研究热点。目前认为单独使用NT-proBNP 对预测心衰最有意义，并且显示出更高的敏感性和特异性，但将microRNA 水平与NT-proBNP 结合起来可能更能增加心衰诊断价值[30]。多项研究结果提示[31,32]，循环中的miRNAs 可能是心力衰竭患者稳定的血液生物标志物。多种循环miRNAs（miR-423-5p、miR-18b、miR-129-5p、miR-1254、miR-675 和miR-622）在心衰患者中表达上调，其中miR-423-5p 与心衰的临床诊断关系最为密切。有研究显示[33]，在收缩期心力衰竭的大鼠心衰模型中循环miR-423-5p 显著上调，并与NT-proBNP 和EF 密切相关。收缩期心衰患者血清miR-320a、miR-22 和miR-92b 水平显著升高，这些miRNAs 与患者临床参数（如血清NTproBNP 水平升高、QRS 增宽、左心室和左心房扩张等）相结合对心衰具有很高的诊断价值[34]。非缺血性扩张型心肌病（NIDCM）和缺血性心肌病（ICM）患者的miR-107、miR-139 和miR142-5p 的表达水平明显不同，研究表明[35]，NIDCM 患者miR-142-3p 和miR-29b 水平明显上调，而ICM 患者miR-125b 和miR-497 水平明显下调，提示不同的miRNA 表达水平可能对心衰的病因鉴别具有重要的临床意义。此外，终末期心衰患者循环microRNAs（miR-30b、miR-103、miR-199a-3p、miR-23a、miR-27b、miR-324-5p、miR-342-3p 和miR-142-3p）的表达明显改变，研究表明[36]，高血压性心衰大鼠血浆miR-16、miR-20b、miR-93、miR-106b 和miR-223 水平变化最为明显，且与循环BNP 高度相关，这些血浆microRNA 均可以潜在地作为HF 的治疗效果和疾病进展的生物标志物。Nair N 等[37]研究发现，HFpEF 患者循环中miRNAs（miR-454、miR-500、miR-1246 和miR142-3p）的表达水平与HFrEF 患者表达水平明显不同，且舒张功能不全时循环miR-454 和miR-500 表达减少，而miR-1246 表达增加。Wong LL 等[38]和Watson CJ 等[39]研究均提示，在心衰和非心衰患者之间有12 个显著不同的miRNAs 水平对照，其中4 种（miR-125a-5p、miR-550a-5p、miR-190a 和miR-638）具有鉴别诊断HFpEF 和HFrEF 的临床价值。总之，与单独血浆NT-proBNP 水平相比，microRNAs 组成的生物标志物组合对HFpEF 和HFrEF 的鉴别价值更好，而将多个microRNAs 组合与NT-proBNP 结合则进一步提高了心衰的鉴别诊断能力。

3 MicroRNA 在心力衰竭治疗的应用前景

大量研究表明miRNAs 在心衰发生发展过程中具有举足轻重的作用，因此，MicroRNA 在心衰中的潜在治疗价值引起了广大研究人员的重视。尽管目前尚无针对人类患者心脏的基于miRNA 的疗法的临床试验，但在小鼠、小型猪和非人类灵长类动物的心衰模型中，miRNA 的疗法表现出了良好的应用前景[40]。目前应用MicroRNA 治疗方法主要有以下2种，使用特定AntimiRs 来抑制相关miRNAs 的表达水平，或者使用miRNA 模拟物来提高目标miRNAs的表达水平。AntimiRs 是单链反义寡核苷酸分子，可以通过与成熟的miRNAs 结合直接沉默目标miRNAs，从而阻止目标miRNAs 与靶mRNAs 的结合。在临床前动物模型中，长期应用AntimiRs 抑制miRNAs 能够减轻心血管疾病，且没有毒性证据[40]。在心肌肥大小鼠模型中，miR-21 在心脏成纤维细胞中的表达水平升高，使用经过特殊化学修饰的且能在功能上抑制 miR -21 的 miRNA 拮抗剂（AnagomiR）可显著减少心肌肥厚并改善心功能，且通过使用AntimiRs 沉默小鼠心脏中的miR-21，心脏ERK-MAP 激酶活性降低，可以减轻小鼠心肌纤维化并改善心功能[41]。另有研究表明[42]，在心衰的发展过程中，miR-25 的过度表达与心肌细胞的钙摄取能力下降明显相关，通过对miR-25 使用设计良好的AnagomiR，可以明显改善受损的心脏功能。此外，在心梗动物模型实验中发现，用于miR-92a 和miR-320 的AnagomiR 通过促进血管的恢复和凋亡信号的抑制从而减小了心肌梗死面积[43]。

miRNA 模拟物是一类人工合成的双链寡核苷酸miRNA 类似物，广泛用于恢复心衰相关的失调的“保护性”miRNAs 的表达水平。在靶细胞中，它们被切割成功能性的单链miRNAs，进而与靶mRNA 的3'UTR 结合，从而抑制其表达。腺病毒、慢病毒和腺相关病毒（AAV）被广泛用做RNA 载体。在心脏特异的miR-133 可诱导的转基因小鼠模型中，miR-133 的过表达减少了压力超负荷后的心肌细胞凋亡并改善了心功能[44]。另有研究显示[45]，miR-133 水平稳定的高血压小鼠模型中，心肌纤维化显著减少，舒张功能改善，无心肌肥厚发展。在基于miRNA 的治疗广泛应用于临床之前，需要解决一些重要的问题。AntimiRs 和miRNA 模拟物的药效学和药代动力学效应尚未完全确定，有必要进行长期随访研究，以确定几个月或几年后可能出现的任何副作用。AntimiRs 的器官特异性给药方法目前是具有挑战性的，需要建立靶向心脏给药的技术。然而，由于一个miRNA 具有多个靶基因，基于miRNA 的治疗可能导致靶基因以外的其他基因产生不利的脱靶效应，如miRNA 模拟物的使用导致了与内源性miRNAs结合方面的细胞内竞争，干扰了正常的miRNA 功能，从而导致基因调控的紊乱。