急性心肌梗死后关键炎症因子的调控作用及意义

陈海璇 陈业群 朱金秀

心血管疾病是世界范围内致死率最高的疾病,而急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是冠状动脉疾病的严重表现,造成较高的死亡率和经济负担。尽管通过改善人们的生活习惯以及治疗策略,AMI 患者的住院死亡率和一年内死亡率有所下降,但AMI 后心力衰竭等不良事件的高发生率和死亡率仍在持续。了解AMI 后心脏的修复机制尤其是炎症因子相关调控机制,有助于防治AMI 后不良事件。

AMI 后心脏重塑首先涉及炎症反应。炎症细胞可吞噬死细胞和破碎基质,死细胞被清理后继而引发抗炎作用。在此过程中,炎症细胞通过转化生长因子β (transforming growth factor β,TGFβ)以及核因子kappa B(nuclear factor kappa B,NF-κB)等信号通路,合成白细胞介素(interleukin,IL)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)、趋化因子等,从而促进炎症进程。同时,成纤维细胞增殖并转分化为肌成纤维细胞,释放大量细胞外基质蛋白,以维持梗死位置的结构完整性。随着肉芽组织细胞的凋亡和胶原网络交联的形成,瘢痕逐渐成熟,完成AMI后的心脏重塑［1］。然而,修复期间的炎症抑制失效和过度纤维化,可能会引起心脏的不良重塑,从而导致心力衰竭、房颤、心脏破裂等AMI 后不良事件的发生［2］。本综述介绍了AMI 后心脏修复过程中关键炎症因子对梗死面积和左室功能的调控作用,旨在为临床上改善AMI 患者的预后提供依据和策略。

1 白细胞介素的调控作用

AMI 后心脏修复初期,成纤维细胞可通过自分泌或旁分泌方式释放IL 等因子参与炎症的发生［3］。IL-1、IL-6 和IL-1β 等因子被释放到体循环后,通过调节TGFβ 通路以及NF-κB 通路增强胶原的合成,并作为炎症的生物标志物。

有研究发现,某些IL 在心肌细胞的不同阶段具有相反的效果［4-5］。例如,IL-1β 和IL-6 在AMI 患者血浆中表达水平显著升高,过表达IL-1β 通过减轻炎症反应保护心肌免受缺血再灌注损伤［4］,而敲除IL-1β 可增加压力负荷诱发的房颤［5］。这表明IL-1β 对心肌具有保护作用。然而,也有研究表明IL-1β 在促发AMI 级联反应中发挥关键作用,利用IL-1β 阻滞剂可改善AMI 后的左室功能［6］。这提示炎症因子IL-1β 同时具有促炎和抗炎作用。类似地,心源性休克患者的体循环中IL-6、IL-1β 等表达水平也明显升高,进一步强化炎症反应［2］。这说明在缺血心肌中,IL-6 能调控许多类型细胞的基因表达,促进梗死心肌的愈合［7］,但也有研究发现,IL-6的敲除并不引起梗死面积扩大、左室功能障碍以及AMI 后的心脏不良重塑［8］。关于IL 在AMI 后心脏不良重塑中的作用,现有研究结果有相互矛盾之处,其原因可能与心肌缺血的持续时间、缺血程度以及循环中某些因子的浓度有关,仍需进一步研究。

2 基质金属蛋白酶的调控作用

心肌纤维化在宏观上是指Ⅰ型和Ⅲ型胶原的沉积及其与细胞外基质交联形成网络结构。心肌的纤维化及心脏瘢痕的产生与基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的上调有关,继而促进细胞外基质重塑。然而,心脏组织可能因胶原合成过多而变硬,导致心脏的弹性变差;干扰性化学递质在心脏中的传递则会导致心律失常,心脏的收缩率低下,舒张及收缩功能受损［1］。研究表明,MMPs 能激活Toll 样受体(Toll-like receptor,TLR)通路,导致肌成纤维细胞增多、胶原纤维密度增大,造成急性心脏破裂［9］。过度炎症与心脏破裂有关。MMPs(包括MMP2、MMP8、MMP9 和MMP13 亚型)的丰度及活性与炎症效应的强弱相关。小鼠发生AMI 后,早期MMP9 表达水平有所上升,左室功能也明显改善［10］。而MMP9 的敲除能减少心肌梗死后巨噬细胞的数量,抑制左室肥大,促进新生血管生成,从而改善左室重塑［11］。ROS 可激活MMPs。由于MMP2 或MMP9 的缺失可预防梗死后不良事件(如左室破裂、左室扩张和心力衰竭)的发生［12］,因此ROS 激活MMPs 可能是AMI 后不良事件的发生机制之一。

3 活性氧的调控作用

心力衰竭或缺血再灌注期间的氧化应激,是由于自由基或其氧化产物的过度生成及积累所致［13］。ROS 是线粒体氧化磷酸化过程中不可避免的副产物,也是再灌注损伤的重要驱动因素。ROS 的来源主要包括线粒体、NAD(P)H 氧化酶、解偶联一氧化氮合酶等。尽管适量的ROS 能促进心肌梗死后心脏胶原的合成,但心肌梗死后线粒体内的氧化应激以及线粒体的氧化能力受损会导致左室重构异常［14］,主要表现在ROS 能激活多种肥大信号激酶和转录因子,并介导细胞凋亡。ROS 刺激心脏成纤维细胞增殖,激活MMPs,导致细胞外基质重塑。但心肌细胞中ROS 的过度生成可直接或间接导致细胞离子通道及转运蛋白受损,如Ca2+的异常转运及稳态受损、ATP 的合成异常、心肌细胞的膜兴奋性受损［15］。ROS 也能激活NF-κB 信号通路,通过抑制心肌Na+通道等转录参与房颤的发生［16］。AMI会引发心肌细胞凋亡以及ROS 等有害物质的积累,过多ROS 介导的信号转导使线粒体DNA 损伤持续,进一步诱导细胞外基质的降解。研究表明,心肌梗死过程中产生的ROS 是心脏纤维化的重要刺激因子,可通过MAPK 和TLR 通路发挥作用［17］。细胞内的氧化还原蛋白Prdx2 能通过抑制心肌组织中p65 的磷酸化及TLR4/NF-κB 信号通路的活性,降低caspase 等凋亡相关蛋白的表达,减少AMI 引起的细胞凋亡和ROS 的产生,从而减轻AMI 引起的心肌损伤［18］。

4 趋化因子的调控作用

趋化因子是响应促炎性细胞而分泌的一类细胞因子,在选择性募集单核细胞、中性粒细胞和淋巴细胞方面发挥着重要作用。单核细胞趋化蛋白(monocyte chemokine protein,MCP)1 或趋化因子配体［chemokine (C-C motif) ligand,CCL］2 介导单核细胞的募集,调节单核细胞和淋巴细胞表型,以及纤维组织沉积和血管生成;MCP1、CCL2 的表达在炎症刺激和组织损伤后上调［19］。心肌梗死后MCP1表达显著上升,并在梗死后重塑中发挥重要作用［20］。通过敲除MCP1 或其受体趋化因子受体［chemokine (C-C motif) receptor,CCR］2,可减少促炎性单核细胞的募集,下调梗死区细胞因子的表达,并预防AMI 后的心脏不良重塑。CCL5 在心肌梗死后作为中性粒细胞和巨噬细胞的趋化剂也起到关键作用,在非再灌注心肌梗死后采用小鼠CCL5单克隆抗体治疗可减小梗死面积,降低循环中的趋化因子水平,减少梗死心肌内中性粒细胞和巨噬细胞的浸润,预防不良的左室重构,降低死亡率［21］。但也有研究表明,CCR5-/-小鼠表现出心肌炎症加重,MMPs 表达增强,再灌注梗死后的左室重构恶化［22］。此外,特异性敲除趋化因子受体CCR6 会引起心肌梗死小鼠CCL2 和CCL3 的表达上升,从而引起左室扩张和射血分数降低,最终导致小鼠心肌破裂［23］。CCR9-/-小鼠在AMI 后表现出低死亡率及较小的梗死面积,同时不良的左室重构减少,上述改变主要与通过NF-κB 和MAPK 途径减少炎症信号有关［24］。在心肌缺血期间,通过抑制趋化因子诱导的心肌梗死后中性粒细胞募集和ROS 产生,可减小梗死面积［25］。

5 Ca2+稳态与线粒体通透性转换孔的调控作用

心肌细胞Ca2+稳态破坏可能介导缺血心肌功能障碍。与肌醇功能障碍相关的具体机制可能包括肌节蛋白对钙敏感性降低,钙超载诱导的蛋白酶激活,收缩蛋白加速分解。AMI 后心脏重塑导致的心肌纤维化和过度炎症使心脏电传导系统发生紊乱,导致心律失常和心搏过速,从而引发房颤。“延迟后除极”(delayed after depolarization,DAD)引起的“靶向激活”是心脏电传导机制失常的重要原因。DAD 是由肌浆网中ryanodine 受体2 (ryanodine receptor 2,RyR2)的钙异常释放引起的。RyR2 在动作电位期开放,响应肌浆网释放的Ca2+,使胞浆内游离Ca2+浓度显著升高,从而引起细胞收缩。在舒张期,释放的Ca2+通过Ca+/ATPase泵重回肌浆网。RyR2 在整个舒张期是闭合的,胞浆内Ca2+浓度平稳下降。然而,当肌浆网中Ca2+浓度升高或RyR2过度磷酸化时,RyR2 在舒张期释放Ca2+。这导致细胞质中的Ca2+浓度升高,释放的Ca2+通过位于血浆膜上的Na+-Ca2+交换器交换为Na+,即3 个Na+置换1 个Ca2+;Na+的增多引发正电荷增加,DAD发生去极化引发房性心动过速,并维持房颤。有研究表明,在小鼠耐力运动模型(游泳或跑步机上跑步)中观察到的房颤发生率升高,主要与炎症增加以及电传导减慢相关。耐力运动促使小鼠肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)增加,从而增强心房心肌细胞NF-κB 的激活,合成更多炎症因子。而耐力运动促进RyR2 通道释放过量Ca2+,导致Ca2+通道功能受损,从而促使小鼠心房心搏过速,引发房颤［26］。

蛋白质酪氨酸磷酸酶镶嵌在线粒体内膜和外膜之间,介导线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transitionpore,mPTP)形成。在健康细胞中,线粒体无法透过水、离子和质子;而当线粒体基质内处于高渗透压状态时,mPTP 通道开放,引起水流入线粒体,导致严重的线粒体肿胀,促发心肌坏死。在心肌缺血或AMI 患者中,Ca2+过多将引起线粒体膜电位消失,抑制ATP 的合成,而mPTP 开放将引起线粒体膜破裂,导致caspase 和凋亡因子的激活［27］。心肌缺血和再灌注期间产生的ROS 诱导mPTP 开放,进而诱发AMI 后不良事件。缺血导致缺氧、无氧代谢和细胞内酸中毒。亲环素D(cyclophilin D,CypD)是mPTP 的重要调节因子。缺乏CypD 的细胞不易发生氧化应激和Ca2+诱导的细胞凋亡,即通过特异性敲除心肌中的CypD 可降低非梗死区域心肌的死亡率,使左室收缩及舒张功能增强。ELROD 等［28］研究表明,对CypD 不敏感的小鼠,其再灌注后心肌梗死面积减小。

6 肿瘤坏死因子α 的调控作用

心脏重塑过程中引发的炎症信号可能会诱导心肌细胞的凋亡,当缺血再灌注时会促发心肌细胞的进一步坏死和自噬;反之,心肌细胞的坏死会促发炎症。TNFα 是炎症过程中产生的细胞因子,主要通过肿瘤坏死因子受体(tumor necrosis factor receptor,TNFR)1、TNFR2 发挥作用。研究发现,TNFα能通过TNFR1 加重左室功能障碍及不良重塑,而TNFR2 能逆转这种效果。内源性TNFα 的增加会导致AMI 后心房纤维化以及慢性左室功能障碍,其主要机制是增强心脏局部炎症以及MMP2 活性,随后促进基质和胶原降解,最终增加心肌细胞的凋亡［29］。但有研究提出,TNFα 对心脏也有保护作用。在AMI 患者中,受体TNFR1 或TNFR2 的缺失并不影响梗死面积的大小,只有当两种受体同时缺失才会导致冠状动脉闭塞后梗死面积扩大。此外,TNFR2-/-小鼠会发生严重的心室扩张和功能障碍。而在TNFR1-/-小鼠中,IL-6、IL-1β、TGFβ 和MCP1的表达显著下调,TNFR2-/-小鼠中IL-6 和IL-1β 的表达则上调,这表明TNFR2 对心脏起保护作用［30］。TNFα 可能是通过WNT 通路激活AKT,促进心肌存活;而TNFR2 被激活后,可减轻TNFR1 引发的心肌死亡［31］。TNFR2 对心脏的保护作用主要是通过STAT3 以及NF-κB 信号通路保护心肌细胞线粒体功能［32］。TNFα 介导TNFR1/2 的激活,使NF-κB 和激活蛋白1 介导的Nlrp3、IL-1β等基因转录增强,而上述基因参与炎症途径,导致炎症进一步持续,房颤患者心房组织中总NF-κB 和磷酸化NF-κB 水平升高［5］。TNFα 浓度影响梗死面积的大小主要是通过其受体TNFR1/2 的参与,但内源性TNFα 发挥心脏保护作用的浓度尚不清楚。因此,在以TNFα 为AMI 后不良事件的治疗靶点时,需考虑其浓度及受体的不同机制。

7 总结

尽管现有研究揭示了AMI 后心脏修复的关键炎症因子的重要调控作用和机制,但目前这些研究成果仍得不到充分的转化运用。这主要是因为AMI后的心脏修复是一个复杂且高度动态的过程,有些炎症因子在AMI 中同时存在抗炎和促炎信号,其中涉及的信号通路错综复杂。今后的研究需要了解参与心脏重塑的各种细胞类型和分子机制的影响,从而针对有害的促炎信号开展精准靶向治疗。