炎症与心脏衰老的研究进展

马紫微 左帮芸 王大新 赵静

(扬州大学临床医学院(江苏省苏北人民医院) 1心内科,江苏 扬州 225001;2药学部;3大连医科大学)

炎症反应是机体自我防御的一种免疫反应,过度的炎症反应广泛参与多种疾病的病理过程。2000年Franceschi等〔1〕首次提出炎性衰老概念。据统计,70岁以上老年人约占心血管疾病人群的三分之二〔2〕。心脏衰老以结构改变,功能障碍为特征。衰老过程中经常伴随炎症发生,然而关于炎症对心脏衰老的作用及调控心脏衰老的分子机制还不完全清楚。因此,深入了解心脏衰老的病理特征及发生机制,探讨炎症与心脏衰老之间的联系及关键的调节机制,重要的分子靶标,对寻找延缓心脏衰老新靶点具有重要意义。

1 心脏衰老的病理特征及发生机制

老龄化是众多疾病的主要危险因素,特别是在高流行的心、肺系统疾病中〔3〕。心脏衰老主要表现为心室结构重构、功能障碍(收缩/舒张异常、电生理活动改变),伴随细胞外基质沉积,最终出现心肌肥大、纤维化、心室壁僵硬、交感神经活性增强、钙通道活性降低等〔2,4〕。生理性心脏衰老与年龄相关,而早发性心脏衰老则与各种病理改变密切相关。心脏衰老发病机制包括炎症反应、氧化应激、自噬障碍、代谢改变、钙调控受损、神经内分泌通路的激活、衰老细胞的堆积等。当细胞分裂到一定次数后,不可逆的细胞周期停滞状态被称为细胞衰老〔4〕,包括复制性和应激性衰老。氧化应激、炎症等病理性因素的刺激则可引起心肌细胞发生应激性衰老〔5〕。衰老相关分泌表型(SASP)是细胞衰老的一个重要标志,由白细胞介素(IL)-1、IL-6和IL-8等促炎细胞因子及趋化因子、生长因子等细胞因子组成〔6〕。

2 炎症促进心脏衰老的分子机制

炎症是以血管系统为中心,炎症细胞为基础,促炎介质为媒介的一系列自动局部反应,促进受损组织的愈合及再生。适度炎症反应对机体有益,但过度炎症反应会损伤组织。炎症反应是驱动衰老的重要因素,在衰老的过程中通常伴随炎症信号的激活及促炎细胞因子表达增加;衰老细胞的堆积又加剧了炎症水平升高。机体内除了促炎机制,还有抗炎机制紧密协调,炎症的结果取决于促炎与抗炎过程的复杂平衡。炎症在动脉粥样硬化、心房纤颤、心力衰竭等心血管疾病中均扮演重要角色。心肌细胞的炎症信号通常是心肌损伤的早期反应,并通过细胞内的一系列病理生理机制,致使细胞器功能障碍,与下游信号通路级联放大炎症信号,驱动心脏细胞功能紊乱,同时伴随细胞周围环境改变,最终组织内稳态平衡被打破,加速心脏衰老。

2.1炎症与细胞内分子调节机制

2.1.1炎症与线粒体功能障碍 与机体其他组织脏器相比,心脏具有更高的基础耗氧率,心肌细胞具有更高密度的线粒体,因此心肌细胞对能量的需求也相对较高〔4〕。心脏衰老过程中,心肌细胞线粒体体积增大,单位体积线粒体膜面积和长度的减少〔7〕。RNA测序的全转录组分析显示,大量衰老相关的指标变化与线粒体密切相关,特别是促炎症表型的改变〔8〕。线粒体功能障碍或自噬下降都会损害细胞稳态并引发炎症,并可以通过一系列级联反应诱导细胞衰老〔9〕。此外,线粒体在细胞免疫过程中起到重要调控作用,线粒体通过调节树突细胞和淋巴细胞之间的免疫突触的活力状态,调节炎症向免疫耐受或免疫原性方向发展〔10〕。线粒体转录因子A 缺乏而导致线粒体功能失调的T细胞可以作为衰老的加速因子,且当阻断肿瘤坏死因子(TNF)-α信号通路或用NAD+前体阻止衰老时,可以部分挽救线粒体转录因子A 缺陷的T细胞小鼠的过早衰老〔11〕。最近的研究表明,线粒体功能障碍以一种独特的分泌表型诱导衰老,被称作线粒体功能障碍相关衰老。该种类型的细胞可以分泌抗炎因子IL-10,也可以分泌高水平的促炎因子趋化因子配体(CCL)27和TNF-α,是一种缺乏IL-1依赖因子但包括其他因子的特殊SASP〔12〕。

2.1.2炎症与氧化应激 线粒体也是细胞内活性氧(ROS)的主要来源。ROS过度生成和氧化应激会引发组织、细胞损伤,从而导致炎症和氧化应激的恶性循环。内质网和线粒体在物理上相互连接,称为线粒体相关膜,是NLRP3炎症小体激活的重要部位〔13〕。功能障碍的线粒体伴随线粒体自噬抑制,导致ROS蓄积,线粒体源ROS作为关键信号调控NLRP3炎症小体活化,进一步激活下游半胱氨酸蛋白酶(caspase)-1,释放促炎因子,重现SASP,触发心脏炎症〔13〕。也有证据表明,NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白(NLRP)3炎性小体的清除,可保护老龄小鼠的心脏功能,延长寿命〔14〕。心肌细胞中依赖于单胺氧化酶A 活性的氧化应激可促进线粒体损伤、端粒功能障碍、衰老标志物表达〔15〕。过多的ROS还可以作用于细胞内其他结构,如其作用于脂质膜发生脂质过氧化,破坏膜结构,使膜通透性增高〔4〕;作用于细胞核引起DNA损伤,并在正反馈回路中激活DNA损伤反应,最终导致衰老〔16〕。此外,ROS还可介导与细胞存活和增殖相关的信号通路,影响细胞有丝分裂〔17〕。研究表明,ROS能够诱导异列酮修饰心脏中的特殊蛋白,其作为心脏新抗原,导致心脏内T细胞抗原受体依赖的CD4+T细胞激活,促进心脏功能障碍〔18〕。

2.1.3炎症与DNA损伤 细胞增殖、代谢活动过程中,炎症、氧化应激、紫外线照射等因素均会引起DNA损伤,且随着年龄增长而不断累积,最终将对转录、复制等生物学过程产生负面影响,破坏遗传稳定性。线粒体的功能失调与核编码其氧化磷酸化的基因下调有关,进一步触发ROS/c-Jun氨基末端激酶(JNK)反馈信号通路,驱动细胞核中脱落的胞浆染色质片段的形成〔19〕,这些片段和微核中核DNA的积累,会触发环鸟苷酸-腺苷酸合成酶的激活,继而产生环鸟苷酸-腺苷酸,激活STING蛋白,STING一旦被激活,招募TANK结合激酶1,磷酸化下游靶标,包括干扰素调节因子3 和核因子(NF)-κB信号通路的不同信号分子,最终导致促炎因子上调,从而促进天然免疫反应,触发SASP〔20,21〕。

2.1.4炎症与端粒功能障碍 端粒是染色体末端短DNA重复序列,随着细胞分裂、炎症和氧化应激反应等变短。有证据表明,由于哺乳动物出生后心脏发生炎症和氧化应激,其心肌细胞的端粒长度显著减少〔2〕。严重的炎症、氧化应激和缺氧时,心肌细胞的端粒长度会发生快速变化〔22〕。心肌细胞的端粒酶可防止端粒缩短,破坏这种酶的活性可导致心血管疾病发生发展〔23〕。与复制性衰老相比,易激性衰老不依赖端粒酶的活性或增殖时间〔5〕。有证据表明端粒长度不是衰老的独立危险因素。人类和小鼠心肌细胞在衰老过程中端粒区域发生持续DNA损伤,且这些变化独立于端粒长度缩短,随后DNA损伤反应激活组蛋白H2A.X磷酸化、促进p53、p21和p16蛋白的合成,进而抑制细胞周期,导致SASP、炎症增加及心脏功能障碍加剧〔23〕。NF-κB敲除炎症小鼠模型中,心脏、结肠和脾脏及其他组织中激活DDR的细胞表达丰富,通过ROS介导的端粒功能障碍加速衰老进程〔24〕。

2.2心脏内多细胞调节机制 心脏免疫细胞、心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞等均表达模式识别受体(PRRs)。心脏中最重要的PRRs包括Toll样受体、C型凝集素受体、RIG-Ⅰ样受体、NOD样受体等〔25〕。巨噬细胞、肥大细胞、B细胞和T细胞等众多免疫细胞参与心脏免疫防御〔26〕。当心脏组织受到损伤刺激时,细胞胞质内或跨膜PRRs识别来自外源病原体相关的分子模式和损伤相关的分子模式,宿主免疫细胞被迅速激活,促炎因子和趋化因子表达增加,进而激活体液免疫〔27〕。与此同时,衰老心肌细胞、成纤维细胞等本身表现为SASP,伴随炎性因子持续分泌,募集免疫细胞浸润,加剧炎症反应。有效的宿主免疫对维持心脏内稳态和心脏重构至关重要,PRRs的长时间激活会促进免疫衰老〔28〕。免疫监视减弱,清除衰老细胞能力下降,衰老细胞堆积加速,诱发慢性持续性炎症,形成炎症与衰老的恶性循环。

2.2.1炎症与心肌细胞 心肌细胞占心脏所有细胞的25%～35%〔29〕。抗衰老蛋白Klotho预处理可有效抑制高糖诱导的心肌细胞炎症、ROS生成、线粒体功能障碍、心肌纤维化、心肌细胞肥大及凋亡,这些作用依赖于核因子E2相关因子2表达增强和NF-κB灭活〔30〕。INK-ATTAC转基因小鼠心肌细胞端粒功能障碍激活经典p21CIP和p16INK4a衰老相关通路,导致非典型的SASP,释放内皮素3、转化生长因子(TGF)-β2等因子,促进成纤维细胞激活和心肌细胞肥大〔31〕。采用药理方法或遗传技术清除衰老心肌细胞,将抑制心脏病理性重构,从而证实心肌细胞衰老是心脏衰老的重要环节〔31,32〕。

2.2.2炎症与成纤维细胞 心脏成纤维细胞参与细胞外基质的形成,维持心脏组织的完整性,此外,持续广泛的纤维化将会导致心室壁僵硬进行性增加及心脏舒张功能受损,最终导致心脏衰老〔33〕。有研究认为心脏成纤维细胞具有炎性细胞的一些特征,也表达PRRs及分泌趋化因子和细胞因子〔34〕。压力超负荷、缺血缺氧、炎症等病理刺激条件下,静息期成纤维细胞激活进入增殖期,通过外源病原体相关的分子模式和损伤相关的分子模式激活PRRs,启动下游级联信号,分泌IL-6、IL-8等促炎因子及CCL2等趋化因子,从而获得肌成纤维细胞表型,胶原分泌增加,细胞外基质沉积〔35〕。一部分成纤维细胞转变为肌成纤维细胞具有抗炎特性,另一部分则重回静息态,出现凋亡或衰老〔33〕。成纤维细胞衰老表现为细胞周期阻滞或SASP,并通过丝氨酸蛋白酶抑制剂,介导内皮炎症反应〔2,36〕。炎症细胞浸润释放的细胞外基质可激活心脏成纤维细胞,促进纤维化发展,最终加剧心脏衰老〔37〕。

2.2.3炎症与内皮细胞 内皮细胞活化是心血管疾病发生的一个重要标志。内皮细胞是除成纤维细胞之外数量较大的一类非心肌细胞,具有每年15%的高周转率〔29,38〕。在衰老、肥胖、高血压等心血管疾病的主要危险因素刺激下,心脏内皮细胞与炎症、氧化应激、胶原合成和细胞衰老相关的信号通路均上调〔39〕。血管细胞黏附分子(VCAM)-1在IL-1、TNF-α等炎症因子作用后在内皮细胞表面广泛表达,脂多糖诱导的全身炎症小鼠模型心脏中活化的内皮细胞VCAM-1表达水平显著增高〔40〕。内皮细胞通过TGF-β介导的内皮-间充质转化直接促进心脏炎症反应及心脏纤维化发生〔35〕。特异性消融内皮细胞保护信号的实验研究表明,微循环功能障碍足以诱发心力衰竭〔41〕。

2.2.4炎症与干细胞 成人间充质干细胞的年更新率约为4%〔29〕,心肌原性心脏祖细胞(CPCs)含量<1%,但其具有重要的潜在功能〔42〕。小鼠衰老模型中心脏间充质干细胞出现衰老标志物改变:p16INK4A表达增高,SA-β-gal活性增加,DNA损伤明显和端粒长度显著缩短等,继而产生功能失调的成纤维细胞,IL-6、Ⅰ型胶原等分泌进一步增加,介导衰老心脏炎症反应与弥漫性间质纤维化〔38,43〕。70岁以上老年人半数以上的CPCs表现为SASP,出现衰老标志物的改变;移植到梗死心脏后不能复制、分化、再生或恢复心脏功能。体外使用Senolytics(一种具有清除衰老细胞能力的药物)消除衰老的CPCs后可明显逆转SASP,全面消除老年小鼠体内衰老细胞,且常驻CPCs被激活,增殖的心肌细胞数量有所增加〔44〕。

2.2.5炎症与脂肪细胞 脂肪组织在受巨噬细胞浸润后能够产生大量促炎细胞因子。脂肪组织也可独立于巨噬细胞产生炎症介质,被称为代谢性炎症〔45〕。此外,内脏脂肪组织可通过产生促纤维化因子如骨桥蛋白OPN和TGF-β,促使心脏成纤维细胞衰老,从而加速心脏衰老中和心脏功能衰退;采用OPN小分子抑制剂Agelastatin A干预后,衰老小鼠能够完全逆转衰老相关的心肌纤维化表型,改善心脏功能失调〔46〕。

3 炎症与细胞间稳态

衰老细胞的衰老相关分泌表型通过分泌物质与邻近细胞交流,影响细胞周围的微环境,诱导邻近细胞DNA损伤和衰老,导致组织器官发生炎性改变〔32〕。衰老成纤维细胞的炎症特征,细胞外基质及血管新生,成骨基因发生变化。功能分析显示衰老心脏成纤维细胞和内皮细胞之间的旁分泌交流受损〔36〕。衰老CPCs出现衰老相关分泌表型,通过旁分泌释放促炎因子、趋化因子等,使原来正常的CPCs失去增殖能力并转变为衰老表型〔44〕。相关研究表明,单胺氧化酶A转基因小鼠急性氧化应激模型中,心肌基质细胞中β半乳糖苷酶(SA-β Gal,衰老细胞的一种特异性标志)阳性细胞积聚,DNA损伤增加,获取SASP,此外IL-1家族细胞因子(IL-1α、IL-1β)等促炎介质富集,伴随血清中炎症介质升高,由此形成的慢性炎症微环境促进心血管功能障碍发生〔47〕。衰老过程中,细胞间通讯功能改变,神经内分泌系统功能失调,神经元变性及神经激素信号通路的失调,则出现炎症反应增强、免疫监视功能降低〔48〕。上述的这些变化使心脏修复反应变缓,其中胶原蛋白发生年龄依赖性蓄积,心室发生进行性僵硬增加,最终心脏发生退行性改变。

综上,心脏衰老是由炎症信号参与并驱动细胞内一系列变化,包括线粒体功能障碍、氧化应激、基因组不稳定性、端粒功能障碍等。在特定条件下,炎性衰老是由细胞器损伤、分子损伤、不适当的免疫信号和自身抗原引起的不可控性“无菌”炎症的结果〔49〕。生物体内抗炎促炎机制的复杂平衡,如何从多角度有效地抗炎,这仍是一个亟待解决的重要问题。单纯清除衰老细胞效果不佳,通过延缓细胞衰老保持正常“年轻”细胞表型的方式,可能是未来抗衰老研究的重要方向〔32〕。炎症参与心脏衰老进程中的多个环节,识别心脏炎症的分子触发机制,深入剖析炎症信号网络,从抗炎角度开发抗心脏衰老的新药具有重要的科学价值。