瞬时受体电位香草酸亚型4在心血管疾病中的研究进展

刘张弛 杨波

(武汉大学人民医院心内科 武汉大学心血管病研究所 心血管病湖北省重点实验室,湖北 武汉 430060)

Arrhythmia

心血管疾病发病率随着中国经济的蓬勃发展逐渐增加,给社会造成了巨大的经济负担。根据中国2021年的心血管健康与疾病报告,心血管疾病的患病率和死亡率持续增高,现已成为中国居民死亡的首因。在中国的城市中心血管疾病占死因的44.26%,在乡村中占46.74%,是目前中国居民健康的头号杀手[1]。因此,对心血管疾病的防治是当务之急。

自从1990年瞬时受体电位(transient receptor potential,TRP)家族被发现,目前已证实几乎所有的哺乳动物的不同细胞中均有其分布[2]。其中瞬时受体电位香草酸亚型(transient receptor potential vanilloid,TRPV)最初在神经病学领域被描述为介导疼痛和拉伸刺激传递的关键通道,随后在其他领域中逐渐被证实能发挥各种各样的作用[3]。在心血管领域中目前研究最为广泛的是TRPV1～4,它们被认为可参与心血管功能的调节及心血管结构的稳定。其中TRPV4是最晚被发现的,但目前越来越多的研究证实它在心血管系统中发挥重要的作用,这说明TRPV4未来作为防治心血管疾病的靶点具有可靠前景。

1 概述

1.1 TRP家族

TRP是一类具有相似整体结构的离子通道,根据其同源性的区别可分为6个亚家族——TRPV(vanilloid)、TRPC(carnical)、TRPA(ankyrin)、TRPP(polycystin)、TRPM(melastatin)和TRPML(mucolipin)。其中TRPV家族的命名源自于最早被发现的TRPV1,因其可被天然物质辣椒素(vanilloid)激活,其后所发现的与TRPV1具有相同氨基酸序列的蛋白便沿用了这个名字[2]。

1.2 TRPV4的发现及结构

TRPV4最早在不同的实验室中被发现并分别命名,最终这些蛋白被证实是同一种蛋白并命名为TRPV4[4]。最早的实验[5-6]仅提供了心脏中TRPV4的mRNA的表达,而随后的研究[7]证实了心脏中存在TRPV4的蛋白表达,并且发现TRPV4与心脏的病理状态存在密切联系[8-9]。

TRPV4是一个对渗透敏感、通过容量调节、非特异性的阳离子通道[9]。这个发现在当时被认为是不合常理的,因为由渗透激活的容量调节通道通常被认为是由专门的阴离子通道组成[10]。与其他TRPV通道类似,TRPV4也由6个跨膜α螺旋组成,在第5和第6亚基之间有1个孔环,Ca2+及部分其他阳离子可通过这个孔环进入细胞[11]。TRPV4通常以同四聚体的形式组装[12],但随后的研究[13]报道TRPV4同样具有异四聚体结构。

2 TRPV4与心血管疾病

2.1 TRPV4与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一种进展性疾病,其特征是动脉的慢性炎症反应和纤维脂肪病变,并且是脑梗死和心肌梗死的主要原因[14]。血管内皮损伤标志着动脉粥样硬化的开始,因此维持血管内皮的稳态对延缓动脉粥样硬化有重要的作用。而Ca2+的调控在血管内皮功能的维持中发挥十分重要的作用[15]。在最近的一项研究[16]中,通过特异性敲除内皮细胞中的TRPV4通道来探究其作用。结果显示基因敲除损害了完整血管内皮中Ca2+瞬变的产生,并改变了内皮刺激引起的Ca2+信号募集的正常模式。这些发现表明,内皮TRPV4通道在Ca2+依赖性血管稳态调节中起着重要作用。另外一项研究[17]发现,血管僵硬度增加通过诱导内皮功能障碍加速心血管疾病的发展,而TRPV4在这个过程中起到了重要的调控作用,使用特异性激动剂或拮抗剂作用于TRPV4通道会导致血管内皮功能障碍的减少或增加。

摄取氧化或其他修饰的低密度脂蛋白(low-density lipoprotein,LDL)颗粒会导致巨噬泡沫细胞形成,这是动脉粥样硬化发展的关键过程。之前的研究[18]显示,牙龈卟啉单胞菌是牙周病的主要病原体,已被报道可加速动物模型中的促动脉粥样硬化过程,并通过各种机制发挥其作用,包含促进巨噬细胞吞噬氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,oxLDL)颗粒,而TRPV4可调控这一过程。另一研究[19]报道在机械刺激的作用下,TRPV4是巨噬细胞内化oxLDL和形成巨噬泡沫细胞所必需的,TRPV4功能丧失会减少泡沫细胞的形成。Ca2+信号同样可调控多种巨噬细胞功能,包括吞噬作用、泡沫细胞形成等。在一项关于银杏黄素(一种黄酮类物质, TRPV4天然抑制剂)的研究[20]中,作者发现银杏黄素阻断TRPV4诱导的Ca2+内流进入巨噬细胞,进而抑制巨噬细胞摄取oxLDL诱导的泡沫细胞形成而发挥其抗动脉粥样硬化作用。结合上述研究,TRPV4对Ca2+的调控作用似乎是其发挥抗动脉粥样硬化作用的重要机制。乙酰化低密度脂蛋白 (acetylated low-density lipoprotein,acLDL)颗粒是另一种参与动脉粥样硬化形成的LDL颗粒,近期的一篇报道[21]表明抑制TRPV4会增加巨噬细胞对acLDL的吞噬作用,这似乎与上面的结论相悖。而早年的一项研究[22]同样显示了TRPV4的动脉粥样硬化保护功能,其中TRPV4在内皮细胞中的功能与内皮型一氧化氮合酶的激活和抑制单核细胞与内皮细胞的黏附有关。

因此,目前关于TRPV4在动脉粥样硬化中的作用仍具有争议,但不可否认的一点是,TRPV4在动脉粥样硬化的发生发展中起到了重要的作用。并且目前所进行的研究均为体外细胞实验,因此在体内进行相关的实验探究是有必要的,载脂蛋白E缺陷小鼠是已建立的良好的动脉粥样硬化鼠模型[23]。为了更好地理解TRPV4与动脉粥样硬化之间的联系,利用载脂蛋白E/TRPV4双敲除小鼠模型阐明该通道的体内作用并确定相关的分子机制至关重要。

2.2 TRPV4与高血压

高血压是中国患病率最高的心血管疾病,其定义为体循环的动脉血压增高,可伴有心、脑、肾等器官功能或器质性损害的临床综合征。在高血压的发生与进展中,血管内皮细胞同样起到了关键的作用。越来越多的证据表明,依赖TRPV4内流的Ca2+在血管床内皮依赖性血管舒张中发挥重要作用,并且参与了一些血管床内皮功能障碍的病理生理过程[24]。

血管内皮细胞通过细胞内Ca2+的升高产生一氧化氮引起血管舒张[25-26],Boudaka等[27]发现肠系膜动脉出现内皮依赖性的血管舒张功能受损,其主要原因就是由于TRPV4下调所导致的一氧化氮减少。而同时内皮细胞内Ca2+的升高通过小电导Ca2+激活K+通道(small conductance Ca2+-activated K+channels,SKCa)和中间电导Ca2+激活K+通道(intermediate conductance Ca2+-activated K+channels,IKCa)的激活产生内皮依赖性超极化(endothelium-dependent hyperpolarization,EDH),并通过肌内皮缝隙连接扩散到邻近的平滑肌细胞,也可引起许多血管床的血管舒张。对EDH介导的血管舒张功能的损害极大地导致了遗传性高血压大鼠的内皮功能障碍[26]。Seki等[28]也表明内皮TRPV4的开放和随后的SKCa和IKCa的激活是正常血压Wistar-Kyoto(WKY)大鼠肠系膜上动脉产生EDH的先决条件。并且证明了内皮细胞TRPV4和SKCa的表达减少和功能降低引起了自发性高血压大鼠肠系膜上动脉EDH介导的舒张功能受损。这两项研究都强调内皮细胞TRPV4是导致遗传性高血压内皮功能障碍的关键因素。

在血管紧张素Ⅱ诱导的高血压小鼠的肾实质小动脉中,TRPV4和SKCa的表达减少和功能降低减少了TRPV4激动剂所诱导的血管舒张[29]。 观察到这些小鼠血浆醛固酮水平升高,并且给予选择性盐皮质激素受体拮抗剂——依普利酮,能在不影响血压水平的情况下恢复降低的TRPV4和SKCa的表达及功能[29-30],提示醛固酮在血管紧张素Ⅱ所致高血压中降低了肾实质小动脉TRPV4和SKCa的表达。Zhang等[31]最近发现在高盐饮食引起的高血压小鼠主动脉中,依赖TRPV4的Ca2+内流诱导内皮依赖性血管收缩,可能与环氧合酶-2表达增加有关。

结合上述研究,目前大部分研究中激活TRPV4似乎是有益的,对血管舒张功能起到了保护性作用,但仍有研究发现TRPV4会介导血管收缩。因此,探究更多关于TRPV4对血管内皮及血压的影响及其机制是必要的,在将来似乎可将TRPV4作为治疗高血压的一个潜在靶点。

2.3 TRPV4与心肌梗死

心肌梗死是常见心血管疾病中最为紧急的一种,目前有赖于冠状动脉介入的发展而大大降低了死亡率,然而心肌梗死后所伴随的并发症如术后心律失常或心力衰竭等仍不可忽视。缺血再灌注(ischemia reperfusion,IR)所引起的心肌损伤是导致术后并发症发生的重要机制。

第一个证明TRPV4在心肌IR损伤中起关键作用的研究[32]是在心肌梗死模型——结扎左前降支的小鼠中进行的,不管是否使用TRPV4特异性抑制剂,TRPV4 的mRNA和蛋白表达在IR损伤后均呈时间依赖性升高,而在IR后24 h使用TRPV4拮抗剂可减少梗死面积,增加射血分数。通过TUNEL染色检测,TRPV4拮抗剂减少了IR诱导的心肌细胞凋亡。从该小组随后的论文中也得到了类似的结果,这些结果在TRPV4基因敲除老鼠中进行了重复,使用缺氧培养的大鼠心肌细胞系(H9C2)和新生大鼠心室肌细胞,阐述了TRPV4参与IR损伤的更详细机制[33]。如前所述,TRPV4拮抗剂改善了IR后的结果,该组还证明了TRPV4激动剂分别对细胞和整个心脏的缺氧再灌注和IR损害的加剧作用。这些模型中减轻TRPV4依赖性缺氧再灌注和IR损伤的机制后来被证明与改善抗氧化能力和减少活性氧生成有关[34]。在最新的研究中,Zhang等[35]使用小鼠心脏和小鼠心肌细胞系(HL-1)分别进行了体内和体外的评估,与前面的研究一致,使用TRPV4特异性激动剂——GSK101会加剧心脏IR的损伤。在IR期间,GSK101可进一步增加分离出来的心脏中c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)和Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ,CaMKⅡ)的磷酸化。TRPV4拮抗剂或TRPV4基因敲除可显著减少GSK101诱导的上述作用。在HL-1心肌细胞中,GSK101触发Ca2+内流并诱发JNK和CaMKⅡ的磷酸化,但这些作用通过去除细胞外Ca2+或在TRPV4拮抗剂的存在下被消除。这些数据[35]表明,TRPV4激活通过JNK-CaMKⅡ磷酸化途径加剧了心肌IR损伤。Peana等[36]在老年小鼠离体灌注心脏中检查 IR后TRPV4对心肌细胞膜电位的影响。 IR后,TRPV4导致膜电位去极化,动作电位动力学减慢,室性心律失常发生率增加。研究显示TRPV4在IR后衰老相关的心律失常中的作用,提示TRPV4可能是老年心肌梗死后的治疗靶点。

目前关于TRPV4与心肌梗死的相关研究均显示出TRPV4对IR后损伤的加剧作用,这对于未来将TRPV4作为心肌梗死相关治疗靶点来说具有肯定的作用。但目前关于TRPV4对心肌梗死后心肌的具体机制探究仍较局限,可进一步探索心肌梗死后的心脏炎症纤维化、血管生成与渗漏等相关机制,并探索更多的相关通路以增加药物的可选择性,促进其临床转化。

2.4 TRPV4与心律失常

心律失常是指心脏电活动的起源和/或传导障碍导致心脏搏动的频率和/或节律异常,可单独发生或与其他心血管疾病伴发。Liao等[37]的研究是最早明确显示TRPV4与心律失常关系的。用TRPV4特异性拮抗剂——GSK2193874可使无菌性心包炎大鼠模型中延长的动作电位时程(action potential duration,APD)缩短。用拮抗剂处理模型组后,通过起搏诱发的心房颤动(房颤)在频率和持续时间上均有改善,并且离体心脏的房颤发生率也有所降低。这些结果提示TRPV4在房颤发生中起致心律失常作用。Chaigne等[38]随后对TRPV4在小鼠心脏电生理中的作用进行了研究,小鼠心电图检测显示TRPV4依赖性QT间期延长。随后通过膜片钳研究了野生型和TRPV4基因敲除小鼠的心室肌细胞,其中基因敲除小鼠的动作电位复极90%时程(90% of duration of action potential,APD90)显著缩短。野生型小鼠使用TRPV4激动剂——GSK1016790A使APD90延长,而GSK2193874对TRPV4的拮抗作用使APD90缩短。TRPV4基因敲除小鼠的离体心室Ca2+瞬时振幅也减弱,证实TRPV4参与调节心室肌细胞Ca2+通量。QT间期和APD90在体内和体外的延长提示TRPV4可能在介导室性心律失常中起到一定的作用。

上文所述的Peana等[36]的研究同样提示了TRPV4在心律失常中的作用,对于TRPV4与心律失常的研究,目前主要局限于房性和室性心律失常,并且局限于啮齿动物中,未外推到哺乳动物类进行相关研究,TRPV4与人类房颤发生发展的关系目前的证据尚且不足。因此,仍需更多的研究探索TRPV4与房/室性心律失常的关系以增加其可信度,并且可探索其他心律失常的类型如传导阻滞等,扩展相关的动物模型并增加心律失常患者的相关研究。

3 总结与展望

关于TRPV4在心血管疾病中的研究在近几年越来越多,因为Ca2+的调控在心血管系统中具有不可忽视的作用,而TRPV4作为具有Ca2+高通量的阳离子通道自然成为了关注的热点。从目前的研究来看,TRPV4参与了多种心血管疾病,并通过使用拮抗剂或激动剂均能取得一定的保护效应,但其具体的作用机制仍需进一步的探究。心血管疾病的发生发展是紧密联系的,因此在一种疾病中无论是使用激动剂还是拮抗剂均需衡量其对其他心血管疾病存在的可能影响。而且目前对于TRPV4的相关药物研究的安全性及不良反应知之甚少,使用天然药物如银杏黄素可能是将来可行的药物研究方向之一。并且因为目前所进行的相关研究均为基础研究,多局限于啮齿动物类,因此仍需开展相关的临床研究来探究TRPV4在心血管疾病中的作用以及相关药物的安全性。但不可否认的是,目前看来TRPV4在心血管系统中具有重要的地位,并且在未来是一个很有潜力的心血管疾病的干预靶点。