慢性心力衰竭患者脑钠肽抵抗机制的研究进展

李彤 呼海娟 崔炜

(河北医科大学第二医院心血管内科河北省心脑血管病研究所,河北 石家庄 050000)

利尿钠肽系统(natriuretic peptide system, NPS)在慢性心力衰竭(chronic heart failure, CHF)中发挥重要的代偿作用。脑钠肽(brain natriuretic peptide, BNP)是利尿钠肽家族的成员之一,在CHF早期,BNP通过排钠利尿和血管扩张效应,保护心脏免受过高前后负荷的危害。然而,在临床实践中发现,随着CHF程度的加重,循环中急剧升高的BNP非但未使CHF症状得到缓解,反而加剧了水钠潴留和血管收缩,预示着病情的加重。此外,重组人脑利钠肽(recombinant human brain natriuretic peptide,rhBNP)作为模拟内源性BNP 生物活性的药物,在用于血浆BNP水平明显升高的患者时,疗效也并不总是令人满意。由此不禁联想到2型糖尿病的胰岛素抵抗现象——CHF时机体是否也对高水平的BNP产生耐受,发生了“BNP抵抗”?基于这一猜想,首先要了解BNP对水钠代谢和血管容量的调节方式,以及CHF患者BNP耐受的潜在机制,这将有助于发掘治疗CHF的新方向。

1 BNP的作用与清除途径

生理状态下,血浆BNP的浓度很低,当心室肌出现容量过载或压力过载时,心室肌细胞BNP基因的表达将呈爆发式增加[1]。在正常人血浆中,BNP的主要分子形式是低活性的脑钠肽前体(proBNP)-108,而不是发挥主要生物效能的BNP-32,二者在CHF时均明显升高[2]。利尿钠肽受体(natriuretic peptide receptor,NPR)-A是BNP的主要结合受体,它是与鸟苷酸环化酶(guanylyl cyclase,GC)耦联的单次跨膜蛋白,由一个N端胞外配体结合区(450个氨基酸)、一个短疏水跨膜结构域(20～25个氨基酸)和一个C端胞内结构域(570个氨基酸)组成,后者进一步细分为蛋白激酶同源结构域、二聚结构域和GC催化结构域[3]。NPR-A主要分布于肾、肾上腺、回肠末端、脂肪、主动脉和肺组织。当BNP与NPR-A结合后,可催化合成细胞内第二信使环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP),进而激活一系列cGMP结合蛋白,如cGMP依赖型蛋白激酶、cGMP依赖型磷酸二酯酶(cGMP-dependent phosphodiesterase,PDE)和cGMP依赖性离子通道等,共同发挥多种生理作用[4]。

BNP主要通过NPR-C途径得以清除。NPR-C在许多细胞类型中都有表达,尤其是内皮细胞和脂肪细胞,它无GC活性,以二聚体形式存在于胞膜上[5],又被称为“清除受体”。BNP与NPR-A和NPR-C结合后形成配体-受体复合物,该复合物通过一种能量-温度依赖机制,由网格蛋白包被形成的囊泡迅速内吞入胞内[6-8]。进入胞内的大部分复合物将被溶酶体降解,降解产物释出胞外;另有约20%的复合物逃脱了溶酶体的降解,受体重新循环至胞膜,配体则再次进入胞外,二者可继续结合参与生理活动的调节[8-9]。NPR-A与NPR-C的比值对BNP的生物活性起着重要的调节作用[10]。此外,BNP还可被脑啡肽酶(neprilysin, NEP) 、二肽基肽酶-4和胰岛素酶裂解清除[11]。NEP是一种表达于质膜上的锌依赖酶,存在于肺内皮、肾脏和中性粒细胞中,它可降解包括BNP、缓激肽、血管紧张素(angiotensin,Ang)Ⅰ和Ⅱ及内皮素-1在内的多种肽类。

2 BNP对水钠代谢和血管容量的调节

机体对水钠代谢和血管容量稳态的维持,是通过拮抗系统间的微调协作和动态互动来实现的:促进血管收缩和水钠潴留的神经体液通路主要包括肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system,RAAS)、交感神经系统、内皮素-1和抗利尿激素;促进血管舒张和排钠利尿的通路主要是NPS和内皮型一氧化氮,其中NPS和RAAS是一对主要的拮抗系统[12]。BNP与NPR-A结合后,可抑制肾小球球旁细胞对肾素的分泌和肾上腺皮质球状带对醛固酮的分泌,除此之外,该途径还可直接拮抗AngⅡ和醛固酮产生的血管收缩和水钠潴留效应,但其中的具体机制尚不清楚[13]。

BNP还可通过直接的肾脏作用,对水钠代谢进行调节。NPR-A在肾血管、肾小球系膜细胞、足细胞和肾小管上皮细胞中都有高度表达[2]。BNP通过扩张入球小动脉和收缩出球小动脉,使肾小球毛细血管压力升高,增加肾小球滤过率。同时,BNP还能加快肾脏血流速度,抑制RAAS,降低交感神经系统活性,拮抗内皮素-1和抗利尿激素等途径,协同发挥排钠利尿作用,这一系列作用主要是通过NPR-A信号通路来实现。

在血管系统中,NPR-A主要表达于平滑肌细胞和内皮细胞,后者密度更高。有研究利用Crelox技术对小鼠这两种细胞中的NPR-A基因进行选择性消融,以分析究竟是哪种细胞在NPS介导的降压调节中起主导作用。对平滑肌细胞进行NPR-A消融后,小鼠在急性应激条件下表现出明显的高血压反应,但其慢性动脉血压水平未发生变化,这表明平滑肌细胞产生的血管扩张效应主要参与NPS对血压的急性调节。与之相反,对内皮细胞进行NPR-A消融后,小鼠出现了慢性高血压,其血容量增加了11%～13%,这表明NPS通过调节血管内皮细胞的通透性来维持血容量的长期稳定[13-14]。

3 CHF时BNP反应性降低的潜在机制

现已证实,BNP 水平的升高与CHF严重程度呈正相关[15-16],BNP水平显著升高的患者会出现明显的水钠潴留和血管收缩体征。此外,大量临床研究[17-21]表明,将rhBNP用于纽约心功能分级Ⅲ～Ⅳ级的患者时,患者应用rhBNP之前的静脉血浆BNP水平越高,rhBNP排钠利尿和改善心功能的疗效就越差。这似乎表明,此时高水平的BNP已无法发挥正常的心脏保护作用,CHF患者已对BNP产生了“抵抗”,对它的反应性降低了。针对这一现象,国内外学者展开了广泛的研究,提出了诸多可能机制。

3.1 活性BNP的生成减少

人类BNP自心脏分泌后,以较长的proBNP-108形式释放,随后在心肌细胞表面被跨膜丝氨酸蛋白酶corin和furin裂解为N末端脑钠肽前体(NT-proBNP)和BNP-32[22]。proBNP-108、NT-proBNP和BNP-32连同它们的多种截断片段一起循环于体内[22-23]。CHF时具有生物活性的BNP-32只占血浆BNP的很小一部分,此时处于高循环水平的是那些未处理、低活性或无活性的BNP,也正是这部分BNP竞争性地占据了NPR-A,减弱了BNP对CHF的保护性调节[22,24]。产生这一现象的可能原因主要有两方面,其一是CHF时心室中proBNP-108的产生和分泌明显增加,其靠近裂解位点区域的O-糖基化抑制了corin和furin的活性[22,25],使得对BNP加工成熟起重要作用的两种酶无法发挥作用,致使BNP-32的生成受阻。其二是CHF时二肽基肽酶-4的活性增强,它可将循环BNP中的N端二肽去除,产生生物活性较低的截短形式并快速被降解,这同样阻碍了BNP-32的生成。proBNP-108产生cGMP的能力只有BNP-32的1/20～1/10,且其与NPR-C的亲和力比BNP-32弱,这使得proBNP-108在循环中的半衰期更长,然而现有的检测手段无法将BNP-32与proBNP-108区分开来。由此可见,尽管CHF时测定的血浆BNP浓度增加,但真正具有生物活性的BNP-32仍相对缺乏,以至无法正常行使对心脏的保护作用[26]。

3.2 BNP的清除增加

在CHF患者的心肌组织中观察到,NPR-C mRNA的表达增加,且其增加与抑制BNP产生cGMP有关,同时,在左心室辅助设备支持期间的反向重构可使NPR-C mRNA水平正常化,并恢复GC活性和BNP的抗重构作用[27]。来自大鼠模型的证据显示,与对照组相比,严重CHF时肾NEP的活性显著增加,肾NEP mRNA的表达增加了3倍,这提示CHF时NEP对BNP的降解作用增强[28]。Fielitz等[29]也发现,CHF患者左心室心肌组织中NEP mRNA的表达量和NEP活性比心功能正常者高约4倍。通过临床研究[30]证实,抑制NEP可降低CHF患者的住院和死亡风险。

3.3 靶器官对BNP的反应性减弱

Forfia等[31]研究发现,CHF犬血浆cGMP与BNP的比值显著下降,这提示CHF犬外周血管床中的NPR-A可能出现了下调。Singh等[32]应用放射性标记的利尿钠肽类似物证实,CHF患者心肌细胞、血管内皮细胞和平滑肌细胞中NPR-A的密度显著下调。

磷酸化是一种重要的翻译后修饰方式,对NPR-A的活性调节至关重要[33]。体内和体外研究[13,34]均表明,AngⅡ、内皮素-1和高浓度的BNP都可使NPR-A去磷酸化而脱敏。然而在实验性CHF中,肾脏对NPS的低反应虽伴随着NPR-A表达水平的降低,但其磷酸化状态仍被保留[35]。因此,CHF时发生的NPR-A脱敏,是否还有去磷酸化以外的其他调节途径,有待进一步探究。

众所周知,cGMP可被胞内PDE降解(如PDE5)。在一项应用持续心房起搏诱导犬发生心力衰竭的实验中发现,在心力衰竭时PDE5的活性增强,应用PDE5抑制剂可使血浆cGMP 与BNP比值降低的情况得到改善,但在非心力衰竭动物中无效[31]。

因此,在CHF状态下,靶器官的NPR-A表达减少且对BNP的敏感性降低,使得大量BNP无法与足量正常的受体相结合,同时胞内的信号转导也受到抑制,这些都削弱了BNP对心脏的保护作用。

3.4 拮抗系统对BNP的反调节

BNP是RAAS的天然拮抗剂,可抑制心肌肥厚和纤维化。正常情况下AngⅡ能刺激BNP的合成与释放,但随着CHF的进展,RAAS的慢性过度刺激效应将会压倒BNP的有益影响,同时削弱BNP的响应能力。研究表明,高水平的AngⅡ可诱导NPR-A下调[19],过量的AngⅠ可使NEP活性显著增加[36],这些都降低了BNP的生物活性。

交感神经系统会抵消NPS的效应,特别是在肾脏,因为二者在小动脉和肾小管水平有多个共同靶点。与同龄健康受试者相比,CHF患者的全身和心脏交感神经活性均显著升高[37]。失神经肾中的NPR-A密度高于非失神经肾,且在失神经肾中,与NPR-A相关的 cGMP产量也更高,还表现出更高的肾小球滤过率[38]。

除上述BNP抵抗的机制外,BNP显著升高的患者还常伴有严重的CHF、肾脏充血、肾脏低血流灌注和肾功能受损等情况,这些不利因素均会抑制内源性BNP和rhBNP对肾血管扩张及排钠利尿的效果。

4 基于提高BNP水平的临床治疗方法

CHF时BNP-32的分泌量相对不足,以至于无法发挥对机体的保护作用,提高BNP-32的血浆水平似乎是治疗CHF的有效方法。通过基因重组技术,人们获得了与内源性BNP-32具有相同氨基酸序列和空间结构的rhBNP,它可模拟内源性BNP-32 的生物活性,加速血管扩张,改善血流动力学,降低肺循环压力,促进排钠利尿,对CHF起到治疗作用。但如前所述,其治疗效果会受到BNP严重程度的制约。

另有研究发现,抑制NEP可减少BNP降解,提高BNP的血浆水平,但同时也会相应地增强AngⅡ和内皮素-1的拮抗作用[39],因此具有抑制NEP与RAAS双重效应的血管紧张素受体-脑啡肽酶抑制剂(angiotensin receptor-neprilysin inhibitor,ARNI)便应运而生。沙库巴曲/缬沙坦是目前唯一可用的ARNI类药物。2016年更新的心力衰竭指南[40]建议使用ARNI、血管紧张素转化酶抑制剂或血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂来降低慢性射血分数降低性心力衰竭患者的发病率和死亡率,并建议症状性纽约心功能分级Ⅱ～Ⅲ级的患者,若能耐受血管紧张素转化酶抑制剂或血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂,则应更换为ARNI以进一步降低发病率和死亡率(Ⅰ,B)。随着对《2017 ACC专家共识决策路径:优化心力衰竭的治疗》的聚焦,ARNI类药物在慢性射血分数降低性心力衰竭患者中的有益作用得到了更多研究数据的支持[41-44]。更新的《2021 ACC专家共识决策路径:优化心力衰竭的治疗》[45]将ARNI列为RAAS抑制剂的首选药物,并指出,当患者符合所有ARNI起始治疗标准时,应直接启动ARNI,而无需用血管紧张素转化酶抑制剂或血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂进行预处理。

5 小结

人体是一个复杂的有机整体,造成CHF时机体对BNP反应性降低的机制更是环环相扣,这其中有太多未知需更深入地研究与发掘。利用药理途径提高CHF时BNP-32的血浆水平,虽能在一定程度上使BNP的有益效能得以延续,但 “BNP抵抗”现象的存在,依然让增加的BNP不能充分发挥作用,以至无法达到理想的治疗效果。因此,应探寻更有效的治疗途径,扭转CHF时BNP低效能的状态,增加机体对BNP的敏感性,例如研制NPR-A激动剂、增敏剂和NPR-C抑制剂等,使BNP能最大程度地发挥保护机体的作用,得到CHF更加完备的治疗方案。