TRPM7在心脏疾病中的研究进展

徐颖,汤依群

(中国药科大学,江苏 南京 211198)

《中国心血管病健康和疾病报告2021》指出我国心血管患病率处于持续上升阶段,心血管疾病死亡率仍居首位。心脏是人体重要的器官,其功能异常离不开离子通道改变。TRPM7(transient receptor potential cation channel subfamily M member 7)是细胞膜上重要的非选择性阳离子受体电位,是早期胚胎发育必需的通道。TRPM7的结构是由三个主要区域组成:N端、通道域和C端,位于跨膜空间的通道结构域包含有P环,形成了离子传导。此外,TRPM7的C端有两个结构域:丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域和α-激酶结构域[1]。TRPM7通道与激酶结构域会有互相影响,其活性受细胞内阳离子(如Mg2+)、Mg-ATP、低细胞内pH值等的负调控[2]。TRPM7结构特点决定了其可以调控离子分布和参与细胞内信号转导,TRPM7通透的阳离子包括二价阳离子Zn2+、Ni2+、Co2+、Mg2+、Ca2+等。TRPM7在心脏和肾脏中表达最高,通过调节细胞内外离子平衡,如Ca2+、Mg2+稳态,参与各类疾病的发生、发展过程,以及细胞增殖、活力、迁移、黏附和细胞凋亡的生理过程[3]。目前研究表明,TRPM7不仅在早期心脏发生期间对心肌增殖至关重要,并在成年心脏中促进成纤维细胞的迁移分化[4],参与转化生长因子-β(transforming growth factor β,TGF-β)介导的纤维化[5]。TRPM7可以作为免疫调节剂,在炎症期间参与调节中性粒细胞募集[6],以及调控巨噬细胞增殖极化和细胞因子表达[7-8]。本文主要对TRPM7在心脏疾病过程中的研究进展做一总结,为今后的研究提供相应参考。

1 TRPM7与心肌纤维化

心肌纤维化是许多心血管疾病的共同病理反应,细胞异常活化导致胶原、纤维连接蛋白、弹性蛋白等过度沉积并且伴随降解失调,由此发展出纤维性增殖,进而形成多种心脏疾病,如心肌肥大、心力衰竭和心律失常等。肌成纤维细胞是心脏成纤维细胞(cardiac fibroblast,CF)分化形成的,心肌损伤、氧化应激、炎症等病理刺激介导肌成纤维细胞合成并沉积,导致过多的细胞外基质蛋白(extracellular matrix,ECM)积蓄,从而引发纤维化。纤维化形成的疤痕可增加肌肉组织的硬度并降低心脏收缩力,产生异常心脏传导和心室壁僵硬,损害心脏功能[9]。损伤的心肌细胞可以引发心肌组织代谢改变,诱发炎症和病理重塑[10],产生和分泌多种旁分泌因子,如白细胞介素(interleukin)、TGF-β、成纤维细胞生长因子(ibroblast growth factor,FGF),调节成纤维细胞的功能[11]。心脏纤维化的生化机制涉及受损的Ca2+或Mg2+稳态、氧化应激、血管血流异常和细胞因子的活化[12]。TRPM7介导的TGF-β/Smads信号转导是促进纤维化的重要信号通路,TGF-β1可以诱导心房成纤维细胞转化为肌成纤维细胞,通过调节其下游分子Smad2/3和应激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)促进心脏纤维化。

心肌细胞 TRPM7在心脏病理学中的作用尚不清楚,但成纤维细胞通过其与心肌细胞的复杂相互作用来创造和维持心脏的生化和机械环境。心脏成纤维细胞中的TRPM7与心脏炎症和纤维化以及心房颤动有关[13]。氧化应激和炎症等病理刺激下,TRPM7通过介导大鼠原代心脏成纤维细胞中的Ca2+流入和细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK1/2)活化而促进过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)诱导的心脏纤维化,TRPM7还介导Mg2+和Ca2+流入参与血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)介导的心肌纤维化,黄芪甲苷通过靶向成纤维细胞miR-135a-TRPM7-TGF-β/Smad通路抑制了ISO诱导的心脏纤维化[14]。阻断或沉默TRPM7会抑制SMA表达和CF增殖,抑制心肌纤维化。

在纤维化进展过程中,活化的巨噬细胞产生细胞因子,包括肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNFα)和TGF-β1,刺激肌成纤维细胞产生ECM[15]。TRPM7影响巨噬细胞增殖和功能,TRPM7缺陷型巨噬细胞显示出LPS诱导的炎症基因表达显著降低[16]。TRPM7在M1型巨噬细胞中高度表达[7],同时参与了巨噬细胞向M2表型的极化以及M2巨噬细胞的增殖。缺失激酶结构域的TRPM7缺陷小鼠炎症反应失调,TNFα、IL-12、IL-10和Arg1的基因表达增加,其中IL-10和Arg1是组织修复和纤维化消退阶段的重要蛋白质,体内巨噬细胞与成纤维细胞共培养后,诱导了成纤维细胞的增殖分化与促纤维化表型[17]。TRPM7可以通过STAT1/STAT6途径调节巨噬细胞极化,阻断TRPM7可以抑制STAT1磷酸化并促进STAT6磷酸化来抑制M1型巨噬细胞极化[7],缺失激酶结构域的TRPM7缺陷小鼠表现出心肌组织中Stat1的磷酸化增加[17]。TRPM7通过离子调控介导了LPS诱导的巨噬细胞活化和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的核转位[16],在单侧输尿管梗阻小鼠模型中抑制TRPM7可以消除巨噬细胞活化和增殖[15],因此可以推测TRPM7参与调控了巨噬细胞活化与细胞因子释放,抑制其表达可以减少ECM沉积,抑制纤维化发展。以上研究发现表明TRPM7在心脏纤维化的分子机制和病理过程中发挥着重要调控作用,多数研究认为其调控作用是朝促纤维化方向发展,加重心肌病变。

2 TRPM7与缺血性心肌病

缺血性心肌病是全球死亡的主要原因之一,心脏血流阻塞可导致心肌缺血,持续性心肌缺血会导致心肌梗死,造成心肌细胞死亡,产生不可逆的心肌损伤以及心脏功能障碍。阻塞后冠状动脉血流改变会造成心肌缺氧,ATP水平降低,导致离子跨细胞膜重新分配的不平衡[18]。缺血时心肌损伤是由多种因素引起的,例如钙超载、氧自由基的大量产生、中性粒细胞迁移和聚集等,这些会导致炎症细胞活化[19]。心肌梗死后,坏死的心肌细胞释放损伤相关分子模式(damage associated molecular patterns,DAMPs)在成纤维细胞中诱导促炎表型,诱导细胞因子和趋化因子的分泌并刺激白细胞浸润[20]。在长时间缺血过程后再灌注会形成再灌注损伤,导致心肌顿挫、心肌梗死面积增大甚至恶性心律失常。缺血缺氧情况下,心肌能量代谢发生紊乱,氧化磷酸化受损,无氧代谢成为主要的代谢方式。

TRPM7表达与心肌损伤之间存在正相关关系。Tymianski等[21]研究表明TRPM7在缺血性疾病中起关键作用。TRPM7在心脏缺血期间介导Ca2+流入和细胞死亡,并在心肌缺血再灌注期间过程参与再灌注损伤,协助清除凋亡细胞。香芹酚作为TRPM7通道的天然抑制剂,通过抗氧化和抗凋亡途径保护大鼠急性心肌梗死的心脏,激活有丝分裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶(MAPK/ERK)和丝/苏氨酸激酶/一氧化氮合酶(Akt/eNOS)信号通路保护心肌缺血再灌注损伤[22]。

TRPM7表达水平在缺氧条件下明显增加[23],缺血再灌注可以增加H9C2细胞中低氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1,HIF-1α)和TRPM7的表达,增加细胞凋亡的程度,而敲低TRPM7可显着减轻H9C2细胞的再灌注损伤,减少凋亡[19]。缺血后ATP水平下调促进柠檬酸循环代谢物琥珀酸盐在缺血期间大量积累,其在再灌注时迅速氧化,琥珀酸的积累诱导线粒体产生过量ROS[24],激活HIF-1α[25]。激活的HIF-1α在心肌细胞缺氧引发的细胞保护和代谢变化中起关键作用,促进糖酵解产生[19]。AMP依赖的蛋白激酶[adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK]是与代谢紊乱相关的潜在靶点,作为细胞对能量压力和线粒体损伤的反应的中心介质发挥作用。有研究表明TRPM7沉默可能激活AMPK以促进HIF-1α泛素化蛋白酶体降解,从而减弱HIF-1α介导的糖酵解,促进糖酵解转变为氧化磷酸化(OXPHOS),从而抑制卵巢癌细胞的增殖[26]。此外,Ca2+和活性氧(reactive oxygen species,ROS)信号系统有着相互作用,在其他缺氧疾病下,TRPM7可能参与了缺氧引发的心脏代谢改变。

在急性损伤期间,受损组织释放炎症介质和募集的白细胞会改变屏障功能[27],而钙是重要的第二信使,参与影响内皮通透性的信号通路。在血管阻塞后,内皮TRP通道可以通过介导Ca2+进入来控制血管生成,以响应细胞外生长因子,例如VEGF和碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)[28]。研究发现TRPM7通道具有调节血管内皮细胞的功能,其对细胞内Mg2+浓度的降低和氧-葡萄糖剥夺敏感。沉默TRPM7促进细胞迁移、伤口愈合和血管形成。在体外氧-葡萄糖剥夺后,TRPM7负调节脑微血管内皮细胞的迁移和血管形成[29]。因此,TRPM7可能在缺血性心脏中负调节血管生成过程。

TRPM7是调节凋亡细胞信号通路的中心调节因子,介导吞噬体持续酸化所必需的阳离子电流,在缺乏TRPM7的情况下,巨噬细胞不能完全酸化或消化吞噬体所吞噬的死亡细胞[30],TRPM7通道的Ca2+流入与自噬水平相关,这表明TRPM7通过介导Ca2+信号参与吞噬体成熟和细胞分解代谢过程。TRPM7介导的Ca2+与Mg2+内流还参与了巨噬细胞内cAMP-蛋白激酶A(cyclic-AMP dependent protein kinase A,cAMP-PKA)信号激活的抑癌基因LKB1/AMPK轴后续反应[31]。

综上所述,TRPM7在心肌梗死、缺血再灌注等心脏血流异常疾病中有着重要作用,不仅参与了心肌损伤机制,还参与血管重建、凋亡过程以及缺血性疾病的代谢机制,但是在心脏代谢方面研究较少,有待进一步研究。

3 TRPM7与糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是重要的糖尿病并发症之一,主要特征是心脏功能障碍、氧化应激和代谢紊乱。高血糖、血脂异常等糖尿病损伤促进了心肌病变,导致心脏代谢紊乱。代谢紊乱促进了心脏重塑、纤维化、舒张功能障碍,以及胰岛素代谢信号受损、葡萄糖摄取受损和线粒体功能障碍等。全身胰岛素产生不足或细胞胰岛素抵抗导致的胰岛素信号受损会降低心脏葡萄糖摄取,与糖尿病相关的能量压力会诱导代谢和信号通路的改变[32]。

生理水平的ROS是正常心血管细胞稳态所必需的信号分子,但糖尿病细胞内高血糖会导致过量的ROS产生,激活核聚(ADP核糖)聚合酶,从而抑制GAPDH,将早期糖酵解中间体分流到致病信号通路中。胰岛素抵抗通过增加脂肪酸通量和氧化作用导致心肌细胞产生过多的活性氧。TRPM7是胰腺内分泌发育和高脂饮食诱导的β细胞增殖的关键调节因子[33],抑制TRPM7表达可以上调葡萄糖刺激的胰岛素来缓解1型糖尿病[34]。此外,TRPM7可以被氧化应激激活。在高糖条件下,免疫细胞和血管内皮细胞的TRPM7表达增加,表明TRPM7在糖尿病的病理生理学中发挥作用。在链脲佐菌素(streptozotocin,STZ)诱发的小鼠糖尿病模型中,TRPM7在1型糖尿病小鼠中过度表达,沉默TRPM7可以减少海马神经元的凋亡,减缓神经损伤[35]。因此,TRPM7不仅参与调控胰岛素分泌,还可以响应氧化应激,高糖刺激下在心脏多种细胞中表达增加,促进了心脏炎症。

糖尿病对血管内皮有多种负性影响,损伤内皮的屏障功能,增加内皮通透性和促进黏附分子沉积于血管间质,改变内皮细胞内多种血管活性因子的合成,从而影响血管紧张性、血流动力学等生理功能,加剧糖尿病并发症的发生。TRPM7是促进细胞外Mg2+进入细胞并调节随后的Mg2+信号传导的主要质膜转运蛋白。Mg2+可以调节血管功能,Mg2+缺乏,与高血压、阿尔茨海默病、中风、偏头痛、心血管疾病和糖尿病等有关[36]。Mg2+缺乏会增强小鼠的内皮屏障通透性,细胞外Mg2+主要通过TRPM7通道和镁离子转运蛋白1(magnesium ion transporter 1,MagT1)转运蛋白进入内皮细胞,Mg2+可减少内皮中的Ca2+信号传导,降低内皮细胞内ROS水平和炎症。此外,Mg2+信号传导增加内皮细胞的存活和生长、黏附和迁移,还增强cAMP、FGF1/2、Akt、Ang和eNOS表达促进细胞骨架重组和连接蛋白以增强屏障功能[36]。沉默TRPM7可促进人脐静脉内皮细胞的生长和增殖,并防止高血糖引起的损伤。因此,可以认为TRPM7参与了糖尿病的发生发展,但目前关于TRPM7与糖尿病心肌病相关报道较少,有待进一步研究。

4 总结与展望

TRPM7作为TRP通道家族成员之一,不仅是胚胎发育中必要的通道,还发挥离子通道特性,平衡细胞内外离子发布,在心脏多种疾病的病理过程中起关键作用。多数研究发现TRPM7介导了离子转运参与心肌纤维化、心肌缺血、糖尿病心肌病的发生,促进心肌病变。通道孔与TRPM7分子内的激酶结构域的融合促使TRPM7产生动态变化应对各种环境,将蛋白质表达、离子转运和胞内信号转导事件结合起来。因此有必要进一步了解TRPM7生物学功能及作用机制。目前TRPM7相关药物包括抑制剂NS8593,2-氨基乙基二苯基硼酸酯(2-APB),waixenicin A以及多种中药成分。NS8593作为TRPM7的选择性抑制剂,阻止了Ca2+内流,其可以作为潜在的气管扩张药物[37]。2-APB具有良好的促进皮肤伤口愈合的作用[38],其作用机制包括通过抑制TRPM7表达来调节成纤维细胞增殖进而改善小鼠皮肤创伤。Waixenicin A是TRPM7的特异性抑制剂,最新研究表明用waixenicin A治疗后减少了缺氧缺血性脑损伤[39],因此waixenicin A可能是治疗缺血性疾病的有效药物先导化合物。此外,多种中药成分,如香芹酚、黄芪甲苷Ⅳ等,是多靶点药物,研究已表明这些成分可以调控TRPM7表达来改善多种疾病[14,40]。关于TRPM7的研究大多数处于动物模型阶段,若想通过TRPM7缓解或者治疗相关疾病,还需要大量研究者进行更深一步的研究。本综述阐述3种心脏疾病和TRPM7的最新关联,希望通过对TRPM7通道多种生物功能的分析讨论,为治疗相关疾病以及药物研究提供理论依据。