尼古丁诱发心肌纤维化作用机制的研究进展*

荣瑞雪， 张 静， 秦 玮△

（1山东中医药大学药学院，山东 济南 250000；2济宁医学院药学院，山东 日照 276800）

心肌纤维化是多种心脏疾病发展到一定阶段所共有的病理改变，是心肌结构重塑的主要病理特征。心肌纤维化作为心肌损伤的应答机制［1］，其主要的病理特征是心肌成纤维细胞（cardiac fibroblasts，CFs）大量增殖活化、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）沉积以及瘢痕组织形成、组织顺应性降低和心功能下降［2］。心脏成纤维细胞的增殖活化主要是一些外在因素（如压力负荷、容量负荷、急性心肌梗死等）和局部促纤维化分子共同刺激作用的结果［3］。心肌纤维化主要分为两大类，一类是以心肌细胞凋亡为主的置换性心肌纤维化，又称为疤痕性心肌纤维化。当心肌细胞由于急性损伤发生凋亡时，静止状态的CFs 会被活化，增殖分化为具有瘢痕修复功能的肌成纤维细胞，肌成纤维细胞会替代凋亡的心肌细胞来维持心脏结构。另一类是以细胞外胶原弥漫性分布为主的弥漫性心肌纤维化，又可称为间质性纤维化，通常没有心肌细胞的凋亡，主要是因为心脏长期处于超负荷的状态导致局部信号分子发生改变造成的［4］。

尼古丁（nicotine）是一种从烟草中提取的生物碱，故又名烟碱，一种无色透明的油状挥发性液体，具有刺激的烟臭味，是烟草烟雾中的主要活性成分［5］。全球超过10 亿人吸烟，每年死于烟草相关疾病的人数高达600 万［6］。相关研究显示，尼古丁在多种疾病中扮演重要角色，可以促进心［7］、肺［8］、肝［9］和肾［10］的纤维化病变，以及糖尿病［11］、动脉粥样硬化［12］和肿瘤［13］等疾病的发生发展。尼古丁对疾病的作用主要是通过烟碱型乙酰胆碱受体（nictinic acetylcholine receptor，nAchR）介导的，nAchR 主要分为17 个亚基（α1～α10、β1～β4、δ、γ 和ɛ），这些亚基可以组成同源或异源的五聚体配体门控阳离子通道［14］。尼古丁以气溶胶的形式被肺吸收入血，并经血液循环到达各个器官，与靶器官的nAchR 结合发挥作用。研究显示，尼古丁在各个器官的分布并不均匀，吸烟者血液中平均尼古丁浓度为10～40 ng/mL，而心脏中的尼古丁水平可达血液中的2～3 倍，表明尼古丁有显著的心脏聚集性［15］。研究显示吸烟者患心血管疾病的风险显著高于非吸烟者，尼古丁可作为一个独立的危险因素诱导心肌纤维化的发生发展［16］。因此，明确尼古丁诱发心肌纤维化的分子机制对于寻找治疗吸烟相关心血管疾病的药物靶点具有重要意义。本文主要从尼古丁激活氧化应激反应、激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS）、损伤内皮细胞功能、改变非编码RNA 的表达、促进儿茶酚胺释放和扰乱基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）/金属蛋白酶组织抑制因子（tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs）的平衡等方面来综述尼古丁诱发心肌纤维化的分子机制。

1 尼古丁激活氧化应激反应

氧化应激反应是指体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态，倾向于氧化［17］，是机体受到有害刺激（如缺血、缺氧、炎症和细胞因子刺激等）后所做出的一种保护性的机制。研究显示，尼古丁能增加心脏对氧化应激的敏感性，增加心肌细胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，过量的ROS可以扰乱心肌细胞间的钙信号，增加心肌细胞凋亡，并通过介导CFs 中转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）相关信号通路促进心肌纤维化的发生发展［18-21］。Jia 等［22］在SD 成年大鼠皮下植入尼古丁泵持续注射尼古丁6 周，研究显示，经尼古丁处理后，心脏组织中I型胶原蛋白α1 链（collagen type I alpha 1 chain，Col1a1）和III 型胶原蛋白α1 链（collagen type III alpha 1 chain，Col3a1）沉积显著增多，尼古丁诱发了心肌纤维化。进一步研究显示，尼古丁显著增加了心肌细胞中cleaved caspase-3 和cleaved caspase-9 的水平，诱导ROS 爆发促进溶酶体碱化，阻断心肌细胞线粒体自噬降解，促进线粒体介导的心肌细胞凋亡并引起心肌纤维化。Hu 等［21］在心脏特异性过表达金属硫蛋白（一种抗氧化蛋白）的转基因小鼠腹腔注射尼古丁10 d，研究结果显示，心脏特异性过表达金属硫蛋白可通过抑制心肌细胞ROS积累和凋亡来缓解尼古丁暴露后引起的心肌收缩功能障碍和心肌纤维化。此外，Ramalingam 等［7］研究表明，用mito-TEMPO（一种线粒体靶向抗氧化剂）和白藜芦醇（一种sirtuin 激活剂）可部分减弱尼古丁诱导的大鼠心肌纤维化和心脏功能障碍，进一步研究显示mito-TEMPO 和白藜芦醇是通过抑制大鼠心肌细胞线粒体ROS 生成、下调心脏组织中Col1a1 和Col3a1 以及促纤维化因子TGF-β1的表达而实现的。

2 尼古丁激活RAAS

RAAS 是由肾素、血管紧张素II（angiotensin II，Ang II）和醛固酮组成的具有调节血压、体液和钠平衡的系统［23］。RAAS 作为心衰时重要的神经体液调节机制［24］，其主要通过Ang II 来发挥促纤维化作用［25］。尼古丁可以通过调节RAAS 系统诱导心肌纤维化的发生，Ramalingam 等［26］将雄性SD 大鼠腹腔注射尼古丁诱导心脏功能不全28 d，并设置尼古丁+Ang II 1 型受体（Ang II type 1 receptor，AT1R）拮抗剂厄贝沙坦组作为对照组，研究结果显示，尼古丁组与对照组相比，其大鼠心脏中Ang II 和血管紧张素转换酶的表达显著增高，心功能显著下降，并伴随着心肌氧化应激（ROS 生成增多）、纤维化（胶原沉积和TGF-β1表达增加）和炎症反应（肿瘤坏死因子α和白细胞介素6表达增高）的发生，但AT1R拮抗剂厄尔沙坦的应用却逆转了这些症状，说明AT1R 的激活可能是尼古丁诱发心肌纤维化的起始因素。

3 尼古丁引起血管内皮功能障碍

内皮细胞是位于血流和血管壁之间的一层扁平单核细胞，具有调节血管张力、细胞黏附、血栓抵抗、平滑肌细胞增殖和血管壁炎症等重要功能［27］，在血液和周围组织之间形成的一个可选择性渗透的屏障［28］。内皮细胞功能障碍时可表达促纤维化因子，如内皮素1（endothelin-1，ET-1）和TGF-β1 等，进而激活CFs 促进心肌纤维化的发生发展［29］。Mayyas等［30］将成年Wistar 大鼠分别暴露于新鲜空气和含有尼古丁的烟雾中，在烟雾暴露4 周后，烟雾组心脏ET-1 表达上调、TGF-β1 表达不变，心脏Masson 染色显示烟雾组大鼠心肌纤维化程度显著高于对照组，提示烟雾通过升高心脏ET-1 表达促进心肌纤维化。研究人员进一步观测烟雾对糖尿病大鼠心肌纤维化的影响，当暴露在新鲜空气中时，糖尿病大鼠相对于正常大鼠，其心脏ET-1 和TGF-β1 表达均上调，心肌纤维化程度升高；而当糖尿病大鼠暴露在烟雾环境下4 周后，相对于暴露在新鲜空气中的糖尿病大鼠，其心肌纤维化却得到了缓解，进一步研究显示烟雾暴露使糖尿病大鼠心脏ET-1表达上调，TGF-β1表达下降，提示烟雾可在糖尿病的基础上通过降低心脏TGF-β1 的表达延缓心肌纤维化的进展。研究显示动脉粥样硬化可促进心肌纤维化的发生发展，高脂饮食诱导的大鼠动脉粥样硬化模型也存在心肌纤维化病变［31］。尼古丁可通过损伤内皮细胞功能加速动脉粥样硬化病程进展，Wu 等［32］在尼古丁诱导的ApoE-/-动脉粥样硬化小鼠模型和人主动脉内皮细胞模型（human aortic endothelial cells，HAECs）中研究显示，尼古丁可通过ROS/核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（NOD-like receptor family pyrin domaincontaining 3，NLRP3）介导的内皮细胞焦亡促进动脉粥样硬化的发生发展。Qin 等［33］在尼古丁诱导的ApoE-/-动脉粥样硬化小鼠模型和体外HAECs 模型中研究显示，尼古丁与α7 烟碱乙酰胆碱受体（α7 nicotinic acetylcholine receptor，α7nAchR）结合后可通过激活细胞外信号调节激酶1/2（extracellular signalregulated kinase 1/2，ERK1/2）信号通路上调Snail 的表达诱导内皮细胞向间充质细胞转化（endothelial to mesenchymal transition，EndMT），进而增加小鼠动脉粥样斑块，加速动脉粥样硬化进程。然而，还未有研究在尼古丁诱导动脉粥样硬化的模型中同时关注其心肌纤维化的病理变化，因此，尼古丁是否能够通过诱导动脉粥样硬化促进心肌纤维化的发生发展还有待进一步的研究和证实。

4 尼古丁改变非编码RNA表达

非编码RNA 是一类由基因组转录而来，但是不翻译成蛋白，在RNA 水平上就能行使生物学功能的RNA，根据其分子量的大小可以分为长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）（＞200nt）和小非编码RNA（＜200nt）［34］。研究显示，尼古丁可通过调控非编码RNA 的表达影响心肌纤维化的进展。Chuang 等［35］利用大鼠和培养的新生大鼠CFs 研究显示围生期尼古丁暴露使后代心脏心肌梗死相关转录因子（myocardial infarction-associated transcript，MIAT）表达上调，MIAT 的上调导致miR-29 家族表达下调、Col1a1和Col3a1沉积，诱发心肌纤维化。MicroRNAs（miRNAs）是小非编码RNA 的一种，广泛参与细胞肥大、凋亡、增殖、炎症和应激反应等生物学过程［36］。研究显示，miRNAs 可通过多种途径调控心脏的发育、重构和再生、内皮功能和血管生成，促进心肌纤维化的进展［37］。Shan 等［38］在体外培养的犬心房CFs和体内犬心房颤动模型中研究显示，尼古丁可通过下调miR-133 和miR-590 的表达来上调TGF-β1 和TGF-βRII 的表达，刺激Col1a1 和Col3a1 生成和心房纤维化，并且使房颤易感性增加了8-15 倍。α-银环蛇毒素（alpha-bungarotoxin，α-BTX），一种α7nAchR拮抗剂，可逆转尼古丁的这些作用。目前，有关非编码RNA 参与尼古丁调控心肌纤维化的研究还较少，非编码RNA 在尼古丁诱发心肌纤维化过程中的关键作用还有待深入探究。

5 尼古丁促进儿茶酚胺释放

儿茶酚胺是一类含有儿茶酚和胺基的神经类物质，主要包括去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺及其的衍生物，由交感神经和肾上腺髓质产生和合成，在心血管系统发挥着重要作用［39］。尼古丁作为一种拟交感神经药物，会作用于遍及自主神经系统的nAchR，当尼古丁与nAchR 结合时，nAchR 中心孔的构象会发生改变，刺激Ca2+内流从而触发儿茶酚胺的快速释放［40-41］。儿茶酚胺的异常释放会导致严重的心脏毒性：一方面，过量儿茶酚胺会使冠状动脉强烈收缩、心率增加以及心脏收缩力增强，造成心肌缺血、缺氧和坏死，产生代偿性心肌肥大、胶原蛋白增生，诱发心肌纤维化；另一方面，环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）可被过量的儿茶酚胺激活，导致交感神经兴奋、心脏压力负荷增加，引发心肌细胞肥大和心室重构，促进心肌纤维化发展［42］。Yu 等［43］对妊娠3～21 d 的大鼠皮下注射尼古丁，对照组给予生理盐水，结果显示，实验组子代血肾上腺素和去甲肾上腺素水平显著增高且子代在妊娠21 d 和出生后15 d 的心脏和体重显著降低，雄性后代出现心肌纤维化。异丙肾上腺素作为儿茶酚胺的一员，许多研究会选择异丙肾上腺素刺激动物构建心肌纤维化模型［44-46］，但尼古丁是否能诱发机体产生异丙肾上腺素从而导致心肌纤维化还未有报道，尼古丁对机体儿茶酚胺的调控还有待进一步研究。

6 尼古丁引起MMPs/TIMPs比例失衡

心肌纤维化的发生是由于心脏ECM 的合成和降解之间的动态平衡被打破，导致胶原蛋白过度沉积。ECM 的代谢受MMPs 和TIMPs 共同调节，MMPs是一类锌依赖的内源性蛋白酶，能够降解多种ECM成分，TIMPs是MMPs的抑制剂，参与调控MMPs在机体组织中的活性［47］。MMPs 和TIMPs 共同维系着心脏的正常结构与功能，研究显示MMPs 表达增加，伴有或不伴有TIMPs 表达下降，导致心肌纤维化的发生［48］。Thompson 等［49］在怀孕的豚鼠模型中研究显示，产前尼古丁暴露会使胎儿心脏中MMP-2 的表达以及间质胶原纤维形成增加，这一现象可被天然抗氧化剂谷胱甘肽合成中的内源性底物N-乙酰半胱氨酸所逆转，表明尼古丁可能通过激活氧化应激上调MMP-2 的表达，进而促进心肌纤维化的发生。Wu等［50］在老龄大鼠心脏中研究显示，二手烟暴露显著增高了年龄依赖的MMP-2 和MMP-9 的活性，同时也抑制了TIMPs（TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4）的表达，加速了左心室纤维化的进展。

7 总结与展望

综上所述，尼古丁可通过激活氧化应激反应、激活RAAS、损伤血管内皮功能、改变非编码RNA 的表达、促进儿茶酚胺分泌、以及紊乱MMPs/TIMPs 平衡等不同作用机制影响心脏功能从而促进心肌纤维化的发生（图1）。

Figure 1. The mechanisms of nicotine-induced myocardial fibrosis. ROS：reactive oxygen species；RAAS：renin-angiotensin-aldosterone system；ET-1：endothelin-1；ECM：extracellular matrix；MMPs：matrix metalloproteinases；TIMPs：tissue inhibitors of metalloproteinases.图1 尼古丁诱发心肌纤维化的分子机制

尼古丁可通过上调多种促纤维化分子最终促进CFs 激活、增殖并分化为肌成纤维细胞，在其过程中ECM 会大量分泌和沉积，并且ECM 的代谢也会受到MMPs/TIMPs 的调控。值得注意的是，目前有关尼古丁诱发心肌纤维化的分子机制是独立研究的，不同分子机制之间是否有相互作用、是否存在共同的最后发挥作用的信号分子还有待进一步研究。此外，尼古丁对身体多个脏器有损伤作用，但还未有研究探讨尼古丁在诱发心肌纤维化的过程中是否涉及到其他脏器损伤的相互叠加作用。需要指出的是，心肌纤维化的发病过程中不同细胞类型可通过直接产生基质蛋白（如成纤维细胞）或间接分泌促纤维化介质（如内皮细胞、巨噬细胞、肥大细胞、淋巴细胞和心肌细胞）促进心肌纤维化，但尼古丁对这些细胞的作用及其对心肌纤维化的影响、不同细胞之间相互作用的分子机制仍需进一步研究。