β肾上腺素能受体信号通路调控心力衰竭心肌纤维化作用机制的研究进展

王新婷 鲁 成 史天云 钟逸航 刘永明▲

1.上海中医药大学附属曙光医院心血管内科，上海 201203；2.上海中医药大学附属第七人民医院心血管内科，上海 201203

心力衰竭是多种因素导致心脏结构和（或）功能异常改变，使心室收缩和（或）舒张功能发生障碍而引起的一组复杂临床综合征，我国心力衰竭人数约450 万，心力衰竭患病率为0.9%，住院病死率为4.1%，且随着老龄化的加剧，患病率显著上升。心力衰竭的发展伴随着心肌纤维化的病理改变，心肌纤维化是指心肌组织结构中胶原的过度积聚，是不良心肌重构的主要表现，而心肌重构又可降低组织顺应性，损伤心脏功能，促进心律失常的发生，加速心力衰竭的进展。研究证明在心力衰竭患者中，心肌纤维化与左心室僵硬程度、舒张和收缩功能障碍、心律失常和冠状动脉血流量受损有关，且严重的心肌纤维化是心力衰竭患者长期死亡率的有效指标，心肌纤维化程度预测主要的心血管不良事件及死亡是判断心力衰竭治疗有效性的重要因素。

肾上腺素能受体（β-adrenergic receptor，βAR）属于G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）超家族， 在心脏中，βAR 亚型包括βAR、βAR 和βAR 3种，βAR 的生理功能主要体现在身体对外界压力的应激反应。 应激时，由肾上腺分泌的儿茶酚胺作用于心脏中的βAR， 能强而有力地增强心肌收缩力及加快心率。 βAR 信号通路系统异常是心力衰竭的主要特征之一，βAR 在心肌的生理调节中起着基础性的作用，而慢性刺激βAR 可引起心肌肥厚、心肌纤维化和心肌细胞凋亡，诱导成纤维细胞增殖、胶原分泌、迁移并向肌成纤维细胞表型转化，进而造成心肌纤维化和心力衰竭，这是心力衰竭病理生理学的重要组成部分。

1 心肌纤维化

心肌纤维化是指心肌间质胶原网络因心脏缺血性损伤、系统性疾病、药物或任何其他影响循环系统或心脏本身的有害刺激而发生的各种数量和质量的变化。心肌纤维化改变心肌的结构，促进心功能不全、心律失常的发展，影响心力衰竭患者的临床病程和转归。尽管心肌纤维化促进心力衰竭的进展，但到目前为止还没有一种有效的治疗策略确保其逆转，且心肌纤维化是心力衰竭患者从常规护理向基于生物标志物的个性化治疗及精确药物治疗过渡的真正挑战。

心肌纤维化涉及成纤维细胞和肌成纤维细胞。成纤维细胞负责细胞外基质的动态平衡，细胞外基质为心肌细胞提供结构支架， 通过心脏组织分配机械力，并介导电传导。 成纤维细胞负责调节正常的心肌功能，在导致心力衰竭的心肌重构中起关键作用。 心脏纤维化是通过激活心脏成纤维细胞介导的，成纤维细胞在受到损伤或压力时会分化为肌成纤维细胞。尽管肌成纤维细胞的形成是对急性损伤的生理反应表现，而心肌成纤维细胞的持续存在，会导致心力衰竭伴适应性不良的重塑和进行性功能衰退。

心肌在多种损伤因素的刺激下，成纤维细胞增殖并分化为一种非增殖性分泌表型，即肌成纤维细胞，它通过结合α 平滑肌肌动蛋白（α-smooth muscle actin，αSMA）表达和收缩应激纤维，而获得平滑肌细胞的超微结构和表型特征， 以及合成活性成纤维细胞的特征。 肌成纤维细胞的分泌体由Ⅰ型和Ⅲ型前胶原、调节Ⅰ型和Ⅲ型细胞外纤维胶原转换所必需的分子、模拟其代谢活性的自分泌和旁分泌因子组成，使心肌纤维永久化生成。 胶原是细胞外基质的主要成分，其中Ⅰ型胶原约占85%，Ⅲ型胶原约占11%。

心肌纤维化主要有两种类型：①在替代性纤维化中，心肌纤维化替代心肌细胞坏死的小病灶，形成为疤痕，替代性纤维化是指心肌细胞凋亡或坏死后发生的胶原沉积；②在反应性纤维化中，纤维组织在间质和冠状动脉壁内周围血管空间的积聚，以及肌膜和内膜改变了心肌束和单个心肌细胞周围通常很薄的纤维组织层，形成较厚的鞘层，通常没有明显心肌细胞丢失。 替代性纤维化是指心肌细胞凋亡或坏死后发生的胶原沉积，具有不可逆性，与多种心肌疾病的预后相关。 而反应性纤维化发生在病程早期，表现为分化的肌成纤维细胞对各种刺激的反应、合成和沉积胶原，具有可逆性。

2 β1AR 信号通路在心力衰竭心肌纤维化中的作用机制

在慢性压力超负荷过程中，交感神经系统的过度激活导致儿茶酚胺的释放，从而激活心肌细胞的肾上腺素能受体，导致心率和心肌收缩力的增加。 研究已证实βAR 基因敲除可减轻压力超负荷诱导的心肌纤维化，提示βAR 参与了压力超负荷诱导的心肌纤维化。 此外，βAR 刺激无论是用激动剂干预，还是在βAR 特异性表达的转基因模型、 或以βAR 刺激增加为特征的心力衰竭模型中， 都会导致心肌坏死，加速心肌纤维化进程。

2.1 β1AR 信号通路促进炎症相关因子致心肌纤维化

肾上腺素能信号通路在心衰期间被过度激活，βAR 在应激状态下迅速过度激活， 诱导多种促炎细胞因子表达导致心脏炎症， 加剧心肌损伤和长期的病理重构， 是肌成纤维细胞形成和胶原沉积的关键介质，从而导致心肌纤维化，加速心力衰竭的进展。因此，在心衰期间阻断炎症反应和βAR 的过度激活是减轻心脏病理重构的一种策略。 Xiao 等研究发现，在异丙肾上腺素（isoproterenol，ISO）诱导的急性βAR 损伤早期抑制白介素-18 （interleukin-18，IL-18）活性不仅可以有效地减轻心脏炎症、心肌纤维化和舒张功能障碍， 还可以有效地防止不利的心脏重构，在保持βAR 生理功能的同时改善心脏损害。Dang 等研究体内主动脉弓缩窄（transverse aortic constriction，TAC）大鼠模型、体外去甲肾上腺素刺激心肌成纤维细胞发现，βAR 信号通路可激活炎症小体促进心肌纤维化， 阻断βAR 信号通路可抑制炎症小体，减轻心脏纤维化，提高心脏功能，βAR 信号通路激活炎症小体，在通过钙通道/活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）途径促进心力衰竭心脏纤维化中发挥重要作用。

2.2 β1AR 信号通路促进钙通道/ROS 途径致心肌纤维化

β 肾上腺素能信号在心力衰竭期间过度激活。βAR 的激活导致三磷酸腺苷转化为第二信使环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP），cAMP激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），PKA 磷酸化一些钙循环蛋白，如钙通道，钙通道的激活介导钙的释放，心脏兴奋收缩耦合和钙超载。 细胞溶质钙的升高激活了促纤维途径， 导致心肌细胞肥大和纤维化，并导致线粒体损伤，进而产生ROS，ROS 调节细胞内信号通路，促进细胞死亡和心脏纤维化。

2.3 靶向HuR 表达恢复β1AR 信号抑制心肌纤维化

在衰竭的心脏中，心肌细胞凋亡、丧失和心肌间质纤维化导致β 受体密度降低， 而人抗原R（human antigen R，HuR）参与βAR 的调节，其在心脏重构或心脏发育过程中部分抑制βAR。 研究显示βAR 被认为是HuR 介导的基因翻转的靶点， 心肌细胞HuR的缺失具有降低βAR 表达的作用， 进而加重ISO诱导的心肌肥厚和心肌纤维化。 在H9C2 细胞中，HuR与βAR-mRNAs 的结合稳定了βAR 的mRNA。此外，HuR 在调节转化生长因子（transforming growth factor-β，TGF-β）的稳定性方面起着中心作用，从而影响促纤维化信号传导，TGF-β 是纤维化发生和发展的有力的驱动因素。

2.4 β1-肾上腺素受体自身抗体（β1-adrenergic receptor antibody，β1-AA）促进心肌纤维化

β-AA 在心血管疾病血清中的高阳性率、高滴度率会引起心功能不全和心肌纤维化。 β-AA 类似于βAR 激动剂， 在心室重构的病理生理特征中起着重要作用。 研究发现β-AA 激活βAR/cAMP/PKA 通路，并通过与βAR 特异性结合，而非βAR，促进原代心脏成纤维细胞增殖；β-AA 还可能通过激活p38MAPK 和ERK1/2 部分逆转心脏成纤维细胞的增殖；β-AA 刺激的心脏成纤维细胞条件培养液诱导心肌细胞凋亡， 提示β-AA 改变了心脏成纤维细胞的分泌，导致心肌纤维化。

2.5 RNA 调控β1AR 信号通路与心肌纤维化

心肌细胞富含大量的环状RNA（circular RNA，circRNA），包括钠钙交换基因（sodium-calcium exchanger gene，SLc8a1）。CircSLc8a1 RNA 敲除可减轻压力超负荷所致的心肌肥厚， 而心肌细胞特异性过表达CircSLc8a1 则导致心力衰竭。 研究显示miR-133a 的靶点包括βAR， 且受CircSLc8a1 介导的基因敲除和过表达干预的调控。βAR 和βAR 信号转导级联中的cAMP、PKA 是微小RNA-133 （micro RNA-133，miR-133）的直接靶点。 刺激新生儿和成人心肌细胞的βAR， 致cAMP 积累及下游靶点的激活均受到miR-133 过表达的抑制。 心脏特异性miR-133 基因过表达小鼠模型（Tg133）的体内研究证实，经主动脉弓缩窄模型，Tg133 小鼠与对照小鼠相比， 保持了心功能，表现出凋亡减少和纤维化减轻。 此外，miR-133具备对抗慢性βAR 刺激引起的有害心肌凋亡效应中的作用。miR-133 控制βAR 转导级联的多个组件，在心力衰竭期间具有心脏保护作用。

2.6 靶向成纤维细胞β-arrestin 表达恢复β1AR 信号抑制心肌纤维化

心力衰竭期间， 心脏成纤维细胞中的β 受体衔接蛋白（β-arrestins）表达上调；而β-arrestins 基因敲除恢复βAR 信号和βAR 激动剂介导的胶原合成。β-arrestins 在正常成纤维细胞中的过度表达， 导致βAR 信号的解偶联，增加ERK1/2 和Smad2/3 磷酸化促进TGF-β 刺激的胶原合成及心肌纤维化的表型，导致心室壁僵硬，加速心力衰竭进程。 因此，靶向抑制成纤维细胞中β-Arrestins 可能是预防适应不良心肌纤维化的一种治疗策略。 此外，成纤维细胞β-arrestin 基因特异性敲除使ROS 和NADPH 氧化酶4（NADPH oxidase 4，NOX4）的表达减少了50%，而β-arrestin 在正常成纤维细胞中的过表达使线粒体超氧化物的产生增加两倍，在衰竭的成纤维细胞中，NOX4 的上调是ROS 产生增加的主要机制，刺激胶原沉积。β-arrestin 在心力衰竭中表达上调，并在调控线粒体氧化物生成中发挥重要的作用，靶向抑制成纤维细胞中的β-arrestins 可减轻氧化应激和病理性心肌纤维化。

3 β2AR 信号通路在心力衰竭心肌纤维化中的作用机制

βAR 信号通路促进ROS 致心肌纤维化。 氧化应激促进心肌成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化和胶原合成，导致心肌纤维化，这是心力衰竭的前兆。在心肌细胞特异性过表达βAR 的转基因小鼠中，心肌间质纤维化是最早的心肌重构迹象，事实上，导致交感神经系统/βAR 信号通路过度激活的基因修饰都会导致纤维性心肌病，涉及的细胞外基质沉积是转基因过表达βAR 激活心肌细胞产生ROS 的不良心肌重构后果之一。 而βAR 和βAR 双基因敲除，通过抑制ROS的形成，极大程度地消除了压力超负荷引起的心肌肥大和心肌纤维化，并保留了左心室功能。 Xu 等研究发现慢性刺激βAR， 促使心脏产生NADPH 氧化酶衍生的ROS，ROS 升高激活了p38MAPK，并在心脏功能障碍以及增强的促炎和促纤维化信号中起重要作用， 而抗氧化治疗则保护心脏免受这些异常的影响，表明ROS 的产生是βAR 有害信号的中心，提示βAR 通过NADPH 氧化酶/ROS/p38MAPK 的非经典信号通路在心肌纤维化、心肌重构等心肌病理和心力衰竭发病机制中的起重要作用。心肌纤维化导致进行性收缩性和舒张性心力衰竭。间质纤维化是由血流动力学超负荷和神经激素包括作用于βAR 的儿茶酚胺推动的。

4 β3AR 信号通路在心力衰竭心肌纤维化中的作用机制

βAR 信号通路促进ROS 致心肌纤维化。 心脏βAR 对βAR、βAR 刺激具有拮抗作用，在调节心肌重构、心肌纤维化方面具有重要作用。Hermida 等研究发现心脏βAR 可减轻血流动力学应激所致的心肌纤维化， 显著降低结缔组织生长因子（connective tissue growth factor，CTGF/CCN2）的表达，而CTGF 的表达是通过体内和体外的活性氧ROS 产生介导的，意味着βAR 的表达降低了活性氧的产生。 这种抗氧化和抗纤维化作用涉及心肌细胞内βAR 与一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，nNOS）神经元亚型的偶联，心脏βAR 通过调节NO 和氧化应激依赖的旁分泌信号，减弱成纤维细胞的血流动力学应激反应，抑制心肌纤维化。 βAR 通过抑制心肌纤维化和心肌细胞过度肥大，同时优化灌注，在心肌重构中发挥有益作用。 此外，βAR 对同源脱敏具有抗药性，因此在慢性交感神经刺激的背景下，βAR 是治疗干预的理想靶点，在心力衰竭和多种心肌病中有着广泛的应用。

5 小结

心力衰竭心肌纤维化是多种介质参与的复杂病理过程。 目前，心力衰竭心肌纤维化的动物模型研究以TAC 颇多，研究显示TAC 术后4 周，小鼠心肌纤维化明显；TAC 术后8 周，心力衰竭心肌纤维化病理表型明显。 心力衰竭心肌纤维化可分为反应性纤维化和替代性纤维化形式。 以TAC 致左心室压力超负荷动物模型而言， 最初的特征是反应性间质纤维化，是保护心脏结构和功能的适应性反应，随后是心肌细胞坏死区域的替代性纤维化。在急性缺血性损伤的动物模型中，如心肌梗死或缺血/再灌注损伤，最初的损伤以活跃的、强烈的炎症反应和广泛的心肌细胞死亡为特征； 替代性纤维化恢复了损伤区域心肌细胞的代偿作用以防止心脏破裂。 尽管心脏重构过程不同，但两者最终都会导致心力衰竭。 心力衰竭伴细胞凋亡、损伤，促进了心肌重构和βAR 信号通路系统的改变，心力衰竭的发生伴βAR 过度刺激、表达，βAR 在心肌的生理调节中起基础性作用， 过度激活会导致心肌纤维化的心力衰竭，诱导成纤维细胞增殖、胶原分泌、迁移并向肌成纤维细胞表型转化，进而引起心脏形态学的改变造成不良心脏重构。 βAR 具有多种亚型，且其基因也具有多态性，βAR 信号通路在心力衰竭心肌纤维化中也具有多种形式， 还需要进一步的研究探索。

综上所述，炎症相关因子、氧化应激、HuR、β-arrestins、β-AA 与β 肾上腺素能受体信号通路在心力衰竭心肌纤维化的关联，为有效针对疾病进展的病理机制提供潜在治疗策略的开发。