Klotho在心力衰竭中作用的研究进展

柴亚如，邓玉婷，戴红艳，管 军

1.潍坊医学院 临床医学院，山东 潍坊 261000；青岛市市立医院 2.保健心内科；3.心内科，山东 青岛 266000

心力衰竭(heart failure, HF)是由结构性和/或功能性心脏异常引起,导致心室充盈和/或射血功能障碍的一组临床综合征,据估计全世界有6 430万人患有HF,在中国35岁以上人群中估计有890万心衰患者。尽管近年来在治疗HF方面取得了显著成就,但是HF患者的死亡率仍然很高,因此探索新途径治疗HF尤为迫切。Klotho是一种抗衰老蛋白,与HF的关系近年来受到广泛的重视,其抗衰老、抗氧化应激、抗炎、抗凋亡等生物学功能参与了心脏保护作用,本文对Klotho在HF中的研究进展作一概述,为HF的治疗靶点提供依据。

1 Klotho概述

Klotho是由日本学者Kuro等于1997年在研究自发性高血压大鼠时发现的与衰老相关的基因,人类和小鼠均位于染色体13q12,长度约50 kb,包括5个外显子和4个内含子,主要在肾远端小管、大脑脉络丛表达,在垂体、胎盘、骨骼肌、膀胱、主动脉、胰腺、睾丸、卵巢、结肠、甲状腺低表达,近期实验研究发现在人和大鼠心肌组织中高表达[1]。已经鉴定出三种可能具有不同功能的Klotho蛋白(通常称为α-Klotho)类型:全长跨膜型Klotho(130 ku),可溶性Klotho(65/130 ku)和分泌型Klotho(65 ku)[2]。全长跨膜型Klotho蛋白主要表达在肾脏、小肠、胎盘等脏器,作为远端小管中纤维细胞生长因子-23的共受体,调节钠-磷酸盐共转运蛋白活性和肾脏中磷酸盐的重吸收,其胞外结构域可被解整合素金属蛋白酶10(a disintegrin and metalloproteinase 10,ADAM10)、ADAM17和β位淀粉样前体蛋白裂解酶1(BACE1)剪切,产生65 ku和130 ku的可溶性Klotho,能够在血液、尿液和脑脊液检测到[3-4],通过抗氧化、抗凋亡、抗衰老、抗心肌纤维化等机制对心血管系统产生保护作用[1]。此外,小鼠和人类Klotho编码一个短形式的分泌型Klotho蛋白(65 ku),这是由于Klotho mRNA选择性剪接产生的,其生物学作用尚不清楚。

2 Klotho在心力衰竭发生发展中的作用

2.1 Klotho与氧化应激

氧化应激在广泛的病理条件下参与HF的发生和发展。在心肌细胞中,抗氧化防御主要内源性成分包括抗氧化酶[如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)]和抗氧化辅助因子,有效控制活性氧(reactive oxygen species, ROS)可作为预防HF的有效途径[5]。Klotho可以通过提高过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等抗氧化基因的表达,在一定程度上能够逆转异丙肾上腺素(isoproterenol, ISO)诱导的大鼠心肌损伤并且显著减少ROS的产生,因此推测Klotho的心脏保护作用可能与氧化应激的减弱有关[6]。在阿霉素(doxorubicin, Dox)诱导大鼠心功能不全模型中,Klotho蛋白同样能减弱Dox诱导的氧化应激和心脏凋亡,改善心脏收缩和舒张功能障碍,并进一步探讨了可能的分子机制,Klotho通过激活丝裂原活化的蛋白激酶/核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2)通路发挥其心脏保护作用,减少ROS介导的细胞凋亡[7]。GR是一种黄素蛋白氧化还原酶,对氧化应激具有保护作用。Klotho缺乏症能够降低GR的表达和活性,外源性补充分泌型Klotho能够通过抑制Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(keap1)并激活Nrf2上调GR来防止心脏老化,减轻老年小鼠和Klotho缺陷小鼠的衰老相关心力衰竭[8]。因此,Klotho可减少ROS的产生,参与氧化应激损伤条件下的心肌保护,通过补充外源性Klotho是一种很有前途的治疗HF的策略。

2.2 Klotho与炎性反应

炎性反应是导致HF发展的主要病理生理因素,对心脏的收缩及舒张功能产生不利影响。可溶性Klotho与炎性反应之间存在双向关系,一方面,炎性反应可通过转录和表观遗传机制降低Klotho的表达,另一方面,Klotho具有强大的抗炎作用。热休克蛋白70(heat shock protein 70, HSP70)可以调节炎性细胞因子如肿瘤坏死因子 α(tumor necrosis factor alpha, TNF- α)和白细胞介素-1β(interleukin- 1β, IL-1β),抑制炎性反应,减少与衰老相关的慢性炎性反应引起的组织损伤。心肌HSP70水平与Klotho水平呈正相关,内毒素血症可降低心肌Klotho水平,而重组Klotho蛋白可上调老龄内毒素血症小鼠心肌HSP70水平,抑制经典核因子κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)活化,降低TNF- α、IL- 6和IL-1β水平,改善心功能[9],这表明Klotho具有改善老年人内毒素性心功能障碍的潜力。除此之外,巨噬细胞被认为广泛参与炎性反应过程,在人类心脏病中,巨噬细胞的募集和激活与心肌细胞损伤的严重程度和心脏病的进展密切相关。Klotho可通过下调TLR4/MyD88/NF-κB途径及阻断NF-kB通路,促进M2型巨噬细胞极化,降低包括心肌细胞和巨噬细胞在内的整个心脏的炎性反应,减轻HF[10-11]。补充血清可溶性Klotho可以防止老年心脏过度氧化应激、炎性反应、细胞凋亡和心功能不全。基于上述研究,Klotho可以通过抑制炎性反应发挥心脏保护作用,改善心功能。

2.3 Klotho与心肌肥厚及纤维化

心肌重构是HF发生发展的病理生理基础,常伴有心肌肥厚、纤维化、功能障碍。病理性心肌肥厚是心脏对各种内部或外部压力作出反应的复杂过程,包括心肌肥大、间质纤维化增加、细胞死亡和心功能障碍,最终发展为HF。Ca2+水平升高在心肌肥厚中起关键作用,可溶性Klotho通过抑制心脏中异常的钙信号传导以减轻心肌肥大、纤维化和心脏毒性。其机制可能与以下方面有关:1)循环中的αKlotho与胰岛素样生长因子-1(insulin- like growth factor 1, IGF1)受体相互作用,通过阻断磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase, PI3K)依赖性的瞬时受体电位通道6(transient receptor potential channel 6,TRPC6)通道的胞吐,抑制心肌细胞中的TRPC6通道介导的心脏异常Ca2+信号,保护心脏免受应激诱导的心肌肥厚和重构[12]。2)通过上调钠钾三磷酸腺苷酶的表达同时抑制反向型钠/钙交换体调控心肌细胞内Ca2+来改善ISO诱导的心肌肥厚[13]。

心肌纤维化是导致HF的另一重要病理生理过程,多项研究表明Klotho具有抗心肌纤维化的作用。研究发现给予Klotho在体内体外均可减轻ISO诱导的心肌纤维化和细胞凋亡[14]。Klotho的抗纤维化作用包括:1)Klotho通过下调转化生长因子β1-miR-132轴来预防血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ, Ang Ⅱ)诱导的小鼠心脏重塑及功能障碍,抑制Ang Ⅱ诱导的心肌细胞肥大,抑制心肌组织的纤维化[15]。2)可溶性Klotho主要通过与整合素β1结合,抑制细胞外信号调节激酶1/2途径来改善糖尿病心肌病心肌纤维化,减轻左室舒张功能障碍[16]。3)Klotho通过与减少TRPC6、心肌β-肌球蛋白重链、α-平滑肌肌动蛋白的表达以及增加成纤维细胞生长因子21的表达,减轻心肌纤维化以及慢性肾脏病所致的心功能不全[17]。以上结果均说明Klotho通过多种机制减轻心肌细胞肥厚以及心肌纤维化,改善心室重构,可作为改善心功能重要决定因素。

2.4 Klotho与自噬

自噬是一种主要的细胞内蛋白质降解机制,在HF的发展过程中起着病理作用,而mTOR和Beclin-1是自噬的两个主要调节因子[18]。近年来,发现Klotho可作为一种潜在的自噬调控因子,在不同生理或病理条件下通过调控mTOR和 Beclin-1表达恢复自噬水平[18]。在探讨Klotho是否参与了心脏老化和寿命的研究中,Klotho亚型突变的小鼠更虚弱、更瘦,出生150 d后100%死亡,其原因可能与Klotho缺乏会损害心脏功能,导致心肌肥大有关。其次,Klotho缺乏降低了小鼠心脏的自噬功能,增加了细胞凋亡的活性。而通过外源性补充Klotho可减轻心肌细胞老化,逆转D-半乳糖引起的自噬和凋亡活性的变化[19]。这些结果表明Klotho可能通过增加自噬和减少细胞凋亡来延缓心脏衰老,但具体分子机制仍需要进一步研究。

2.5 Klotho与线粒体功能障碍

线粒体是心肌细胞产生能量所必需的,线粒体的功能障碍参与了HF的发展,线粒体动力相关蛋白1(dynamin-related protein, Drp1)对线粒体分裂和自噬是必不可少的,Drp1会引发线粒体和心脏功能障碍[20]。在Dox诱导的心脏疾病模型中,线粒体宽度显著增加,线粒体长度显著缩短,线粒体长宽比明显降低。当Klotho治疗小鼠时,线粒体宽度和线粒体长宽比均显著增加,外源性Klotho可通过下调Drp1减少细胞凋亡改善Dox诱导的心功能障碍和心肌损伤[21]。该研究为Klotho在Dox诱导的心肌病中抗线粒体分裂和炎症反应的作用提供了新的证据,Klotho可能成为未来治疗心功能障碍的潜在治疗靶点。

3 Klotho与心力衰竭的临床研究

在一项涉及美国13 765名中老年人的横断面研究中,血清Klotho与充血性心力衰竭(congestive heart failure,CHF)独立相关,血清Klotho浓度较低的中老年人群CHF患病率较高,且血清Klotho浓度与CHF呈线性负相关。该研究还发现,肾功能在Klotho和 CHF患病率之间发挥重要中介效应,这可能为研究Klotho水平对CHF的积极作用的潜在机制提供线索[22]。钠葡萄糖共转运蛋白2抑制剂(sodium glucose co-transporter-2 inhibitors, SGLT2i)作为一种新型口服降糖药,能够有效缓解心室重构及改善心脏功能,降低HF的风险[23],其机制与抗氧化和抗炎作用、早期利钠、维持电解质平衡、抑制心肌肥大和纤维化等密切相关。而Klotho也具有类似作用,因此有人推断SGLT2i和抗衰老蛋白Klotho在改善糖尿病和心肾疾病方面存在联系,揭示SGLT2i可能通过上调Klotho治疗心肾综合征,改善心功能[24]。此外,且近期有临床试验表明α-Klotho是HF患者治疗反应性的新预测因子,这更加揭示了Klotho在HF的重要作用[25]。

4 问题与展望

综上所述,Klotho通过氧化应激、炎性反应、心肌肥厚与纤维化、自噬、线粒体功能障碍等多重效应广泛参与HF的病理生理机制,可能是心血管保护的一个关键因素,但是也存在一些待解决的问题,例如血清中可溶性Klotho存在两种形式,是否对HF具有不同的作用机制以及如何区分两种不同形式的Klotho蛋白尚不明确。目前关于Klotho在HF中的作用和潜在机制仍未完全清楚,如何利用药物调控血清或心肌细胞中Klotho的表达以及能否通过外源性补充Klotho治疗HF,这些或都将成为今后研究的重要方向。