心肌桥联因子1在心力衰竭中的研究进展

2022-11-29戴志宏李秀丽王晓彤孙小沛

南昌大学学报(医学版) 2022年3期

戴志宏，李秀丽，王晓彤，戴懿，孙小沛，周慧

(南昌大学第二附属医院心血管内科，南昌 330006)

心力衰竭(心衰)是一种常见的各种心脏疾病的终末期综合征，影响着全球2%的成年人[1-2]，其病死率和再住院率居高不下。尽管近几十年来新药和基于设备的疗法不断发展，在预防、诊断和治疗方面取得了进步，但有效的早期诊断和治疗仍然很有限，心衰患者的生活质量仍然很低，病死率也很高[3-4]。所以心衰的早期诊断、干预显得尤为重要。当前的心衰生物标志物都不是心肌特异的，也不能有效识别心肌的健康状态。故迫切需要新的生物标志物来早期识别心肌细胞健康状态，进一步指导临床治疗。心肌横管(又称T管)重塑是心衰的一个重要标志，而心肌桥联因子1(cardiac bridging integrator 1，cBIN1)是T管上一种钙处理蛋白，对T管组成及功能至关重要，cBIN1及其构成的cBIN1膜微域已被证实在兴奋收缩偶联(excitation-contraction coupling，E-C偶联)调节钙释放与重摄取中起着关键作用。在应激和病变的心肌细胞中，cBIN1转录水平降低，其膜微域发生异常重构，并参与了心衰的病理生理过程。心肌桥联因子1评分(cardiac bridging integrator 1 score，CS)，是cBIN1血浆浓度倒数的自然对数[5]，其在对射血分数降低型心衰(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)[6]或射血分数保留型心衰(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)[5]稳定性非卧床患者具有辅助临床诊断和预测预后作用。CS还支持冠状动脉微血管功能障碍(coronary microvascular dysfunction，CMD)可能进展为HFpEF的假设[7]。此外，以腺相关病毒9(adeno-associated virus 9，AAV9)介导的引入外源cBIN1基因疗法成功地保护了心肌功能，延缓甚至逆转了心衰的进展[8]。目前对于心衰高风险人群的血cBIN1水平与心衰之间的关系尚有待研究。本文就cBIN1结构与功能及其在心衰诊断和基因治疗的潜在用途展开综述。

1 心衰与E-C偶联

正常的心肌收缩是由一系列钙信号事件启动，这些钙信号需要T管膜上的L型钙通道(L-type calcium channels，LTCC)和肌质网(sarcoplasmic reticulum，SR)膜上的雷诺丁受体(ryanodine receptor type，RyR)之间的特异性信号传导。在每次心跳时，初始动作电位通过激活的LTCC诱导少量钙内流，进入胞质的钙与SR膜中RyR通道激活位点结合，再引起RyR通道开放，SR内大量的钙释放到胞质中，这一过程被称为钙诱导钙释放(calcium-induced calcium release，CICR)[9]。CICR的同步性决定了钙瞬变的强度和E-C偶联的效率。

E-C偶联中，钙瞬变减弱是心衰的重要病理生理机制。许多膜蛋白包括JPH2、Caveoline-3和Bin/AmphiPhyin/Rvs(BAR)结构域的蛋白桥联因子1(BIN1)[10]在调节E-C偶联中发挥重要作用。其中，心脏BIN1亚型(cBIN1或BIN1+13+17)参与了T管膜微域的形成，聚集了LTCC，并募集磷酸化的RyR与LTCC偶联[11]。这些cBIN1微区形成功能性的LTCC-RyR偶联体控制CICR和E-C偶联[12]。因此，cBIN1在LTCC-RyR偶联的形成和维持中起着重要的蛋白质桥梁作用。心衰时LTCC-RyR偶联体的结构紊乱损害CICR，减弱钙瞬变，从而限制心脏收缩力。

在心肌功能失代偿和症状性心衰之前的早期心肌细胞中，可发现T管cBIN1转录减少[8]，并可通过cBIN1酶联免疫吸附试验(enzyme linked immunosorbent assay，ELISA)特异性检测其血浆浓度。这种cBIN1特异性ELISA检测可以准确地测量患者血浆中cBIN1的水平，以帮助预测心衰患者的预后[5-6]。

2 cBIN1结构与功能

桥联因子1(bridging integrator 1，BIN1)属于含有bar结构域的超家族蛋白，并且表达广泛[13]。来自大脑、心脏和骨骼肌的组织可选择性剪接表达BIN1亚型[14-15]。心脏BIN1的亚型是由外显子13(缺失外显子14-16)与外显子17形成BIN1+13或BIN1+13+17(现称为cBIN1)[14-16]的蛋白异构体。BIN1可通过其N端带正电的棒状结构域与细胞膜内的酸性磷脂相互作用而使膜双层变形，并诱导膜内陷[17-19]，这一功能为T管的形成奠定了理论基础。

心脏T管是由胞膜内陷形成，它通过组织钙离子通道和其他在CICR过程中起关键作用的膜蛋白，形成一个动态的膜系统。成熟和健康的T管是不稳定的，表现为膜、离子通道和膜蛋白的动态变化[20]。心脏T管膜可通过额外的调节和蛋白质的相互作用，内吞或向细胞外释放囊泡构成T管cBIN1微域的胞膜循环[21]。由于释放的囊泡携带cBIN1标志性蛋白，心脏T管cBIN1微区的数量与循环中cBIN1囊泡的水平相关，血浆cBIN1水平即是心肌T管cBIN1微域数量的直接反映[22]。虽然其他BIN1亚型在心肌中的表达水平也较高，但BIN1+17和cBIN1是仅有的2种可在人和小鼠血液中检测到的[21]。检测人血浆中BIN1+17和cBIN1的非特异性试验[23]与cBIN1特异性试验[5-6]的比较表明，血浆BIN1+17与心功能之间缺乏相关性，而cBIN1可帮助诊断和判断心衰患者的预后[5-6]。因此。cBIN1的血液可获得性及心脏的特异性，为临床使用cBIN1定量标示心衰患者的心肌衰竭程度提供了可能。

在人和小鼠心肌细胞中，cBIN1定位于心脏T管[19]，形成T管cBIN1膜微域[11,14]，T管cBIN1促进微管依赖的LTCC正向运输，使得T管上LTCC富集，可占整个细胞表面LTCC的80%[19,24]。超分辨率(10～20 nm)荧光成像显示LTCC在cBIN1膜上形成大簇[25]，但在cBIN1杂合子缺失的心肌细胞中LTCC则变小[14,25]。在分离的原代小鼠心室肌细胞中，cBIN1基因敲除破坏了这一转运机制，造成T管膜表面LTCC表达减少，钙瞬变异常[19]，并可导致小鼠围产期致死性心肌病[26]。

除了影响收缩期钙释放外，T管cBIN1微域还通过组织SR膜上肌质/内质网钙ATP酶(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ATPase，SERCA2a)在细胞内的分布，对舒张期钙再摄取起关键作用[8]。此外，T管cBIN1微域有助于维持SR附近SERCA2a的亚群，以促进舒张期钙重吸收到SR，这对心脏的正常舒张至关重要[8]。故一个健康的钙释放和再摄取循环对于维持正常的心脏功能起着决定性的作用[27]。

在调节细胞钙循环的作用外，cBIN1还促进心肌细胞的电稳定性，cBIN1的膜折叠限制了细胞外离子在T管腔内的扩散[14]，创造了一个缓慢扩散区[28]。在收缩速度加快的过程中，缓慢扩散区会导致钾等向外流动的离子积累，而钙等内向离子迅速减少，保护心肌细胞的电稳定性[29]。

3 cBIN1与心衰

3.1 cBIN1缺乏引起的病理生理改变

当心肌受到共同的应激因素:如慢性异丙肾上腺素(isoproterenol,ISO)持续性输注引起的交感神经过度兴奋[8]和横向主动脉缩窄(transverse aortic constriction,TAC)引起的持续压力超负荷时，cBIN1的表达会降低[30]。实际上，在获得性心衰患者[24]和其他心衰的动物模型[31]中都发现cBIN1转录减少，而cBIN1表达减少引起的T管重塑和离子通道紊乱正是心衰的重要病理生理机制[32]。

衰竭心肌细胞cBIN1减少引起的病理生理改变主要包括：1)微管依赖的LTCC正向运输受损，导致T管表面LTCCs表达减少，LTCCs分布改变，且通道功能受损，钙瞬变出现异常[19]；2)由于cBIN1减少，T管膜折叠结构消失，使保护性慢离子扩散区被移除，出现易感性室性心律失常[14,28]；3)LTCC-RyR二联体减少和残缺的RyR堆积[11,19,25]；4)肌质网上SERCA2a的无序排列，造成钙重摄取异常，引起心脏舒张功能障碍[8]。以上心脏病理生理改变，造成钙释放和再摄取循环功能障碍，E-C偶联效率受到严重影响。

3.2 cBIN1与临床诊断

CS是cBIN1血浆浓度倒数的自然对数，由于CS与cBIN1血浆浓度成反比，心衰患者血浆cBIN1水平越低，CS越高[5]。作为一种新的心衰生物标志物，它可反映心肌细胞健康状态，不受液体容量、炎症状态或身体习性引起的波动影响，而被引入HFpEF患者的诊断。NIKOLOVA等[5]研究表明，与对照组相比，稳定的非卧床HFpEF患者的CS明显升高，并且预测了HFpEF患者1年内不良心血管事件。另外，在纽约心功能分级(New York Heart Association，NYHA)Ⅰ级和Ⅱ级患者的症状中，虽然他们NT-proBNP水平在正常范围内，但CS值却明显增加，而在对照组中没有观察到CS升高[5]。有缺血和无梗阻性冠状动脉疾病(ischemia with no obstructive coronary artery disease，INOCA)证据的女性经常被诊断为CMD，这与随访期间不良心血管事件的风险增加有关[33]。这些不良心血管事件中最常见的是HFpEF[34-35]；与随机对照组相比，疑似INOCA的女性的CS水平更高，但是低于HFpEF组，疑似INOCA患者的CS升高代表了介于健康和疾病之间的中间群体，支持CMD可能进展为HFpEF的假设[7]。目前，HFpEF患者占心衰患者的50%[36]，并且患病率在急剧上升[3]，现阶段尚缺乏有效的治疗手段，而CS的潜在优势在于可早期识别心肌细胞重构，对无症状心衰患者做出早期诊断及干预，未来的研究方向可进一步验证CS在HFpEF诊断中的价值，并探讨CS在早期亚临床HFpEF检测中的作用。

在另一项研究中，CS成功地区分了HFrEF患者和对照组之间的心肌健康状况。高CS反映晚期NYHA分期、病理性心肌重构，并可预测非卧床HFrEF患者1年内发生心血管事件的风险。此外CS在诊断HFrEF中与NT-proBNP起到了很好的协同作用[6]。CS的诊断和预后价值与BNP互补。通过使用BNP和NT-proBNP作为心肌壁应力和容量超负荷状态的标志物，结合CS作为心肌细胞衰竭的指示物，这两个生物标志物可以为评估慢性心衰提供有用的补充信息[37]。

单次测量血液中的BIN1水平可以对致心律失常性右室心肌病(arrhythmorenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)患者的疾病严重程度进行分类。少数ARVC患者的血浆BIN1水平与心功能状态和有无持续性室性心律失常相关，并可以预测未来室性心律失常的发生[23]。不过限于当时的认识，还未发现cBIN1的存在，未能开发出针对cBIN1的特异性检测，检测结果可能包括非心脏特异性BIN1。

CS测试具有更高的灵敏度，能够检测到<10 ng·mL-1的cBIN1血浆浓度，可以发现心血管疾病和与心衰相关的高风险(如肥胖、糖尿病和高血压)的患者T管cBIN1水平的微小变化。有心衰高危因素的前心衰患者，CS轻度到中度升高可能有助于确定哪些患者会有更高的心衰发病率[38]。

所以，CS作为一种新型的心衰生物标志物，可以成功地区分衰竭心肌和健康心肌，而不考虑整体器官功能，如射血分数。因此，心衰的分类可以更少地考虑整体器官功能，而更多地从心肌细胞病理生理学的分子水平进行考量。

3.3 cBIN1与心衰基因治疗

作为预防和治疗心衰的替代方法，基因治疗的原理是将外源基因(转基因)直接导入患者，以恢复靶蛋白的水平，这有利于心肌健康和改善心脏功能[39]。目前的研究[40-43]揭示了涉及心肌细胞功能和细胞信号通路的各种潜在基因治疗靶点。虽然基因疗法已经在临床的许多领域取得了突破，并有相关产品被批准用于临床，但还没有一种基因疗法能够显著改善心衰的临床结果[43]。因此，cBIN1作为一个新的基因治疗靶点，GAMBARDELLA等[44]认为cBIN1替代疗法通过调节钙离子转运改善了心衰的肌力。

cBIN1基因治疗心衰的疗效已经在两种小鼠模型上进行了验证，其中一项研究了AAV9介导的cBIN1基因转移对慢性输注ISO小鼠的影响[8]。ISO是一种人工合成的儿茶酚胺和非选择性β受体激动剂，已被用于诱导左心室肥厚和功能障碍模型的研究[45]。持续输注ISO可导致心肌细胞cBIN1水平下降，细胞内钙处理蛋白(包括LTCC和SERCA2a)分布紊乱。通过AAV9介导的基因转移使cBIN1水平正常化，增加了心脏的每搏输出量，从而特异性改善了心功能。并且发现外源性cBIN1可能为心衰患者带来额外的类似运动的益处，提高运动能力和生活质量[8]。另一项TAC诱导的肥厚和心衰的小鼠模型[30]中也观察到外源性cBIN1的功能保护作用。在TAC诱导的压力超负荷下，心脏代偿性肥厚逐渐向失代偿转化，而后心脏重构过程变得不可逆转，导致心衰恶化。而外源性cBIN1导入可以使T管钙处理微区正常化，限制心衰进展，挽救心功能，提高存活率。这种微域靶向治疗方法可能成为一种新的治疗策略，可以提高总体心衰存活率[30]。两项小鼠模型的研究均表明，AAV9介导的cBIN1基因疗法成功地保护了心肌功能，延缓甚至逆转了心衰的进展。

目前cBIN1基因靶向治疗在小鼠模型上取得了可喜的进步，但在临床试验测试cBIN1基因治疗心衰患者疗效之前，仍需要在小鼠和大型哺乳动物进一步实验。将cBIN1整合在AAV9中，并在AAV9插入心脏特异的高效启动子，以诱导心肌细胞外源蛋白表达，需要更多的动物实验来证明其安全性。此外，目前的研究缺乏对血压等血流动力学参数的全面评估，还需要进一步确定cBIN1是否会影响全身血流动力学和血压。为了更好地理解cBIN1基因治疗和心衰病理生理之间的相互作用，还需要进一步了解cBIN1下游靶向分子和信号通路。