張彩霞 曾 彬

心肌纖維化是由心肌成纖維細胞增殖、細胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)凈積累、微血管再生引起的心臟間質(zhì)擴張，是多種心臟疾病的常見生理病理過程[1]。成年哺乳動物心肌細胞已經(jīng)失去再生能力，因此由急、慢性缺血引起心肌細胞的大量死亡會觸發(fā)修復程序，導致纖維組織形成。纖維化修復對防止心臟破裂、保持心室結構完整及防止擴張性重構至關重要[2]。壓力超負荷、容量超負荷、代謝功能障礙和衰老等生理刺激也會觸發(fā)心肌纖維化反應，同時伴隨著心肌順應性降低、心臟僵硬度增加、心功能障礙等現(xiàn)象。TGF-β是一種多效性細胞因子，分為TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3 3個亞型。其中TGF-β1幾乎存在于所有細胞中，其他同工型則在有限的細胞和組織中表達[3]。TGF-β1來源于多種細胞，可以促進心肌成纖維細胞的增殖和激活而使細胞外基質(zhì)(主要成分是Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白)的合成增加，這是心肌纖維化的重要機制。

一、心肌纖維化中TGF-β的細胞來源

1.心肌成纖維細胞(cardiac fibroblasts,CFs):盡管心肌細胞占正常心臟組織的大部分，但非心肌細胞(尤其是心肌成纖維細胞)在各種心臟病的發(fā)生和發(fā)展過程中的作用遠超過心肌細胞。心肌成纖維細胞的主要功能之一是產(chǎn)生和分泌影響心肌細胞形態(tài)和功能的生長因子和細胞因子，如細胞外基質(zhì)、基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloprotein,MMP)和TGF-β等，是心肌纖維化的主要效應細胞[4]。TGF-β1可通過控制心肌成纖維細胞的分化、遷移和膠原蛋白分泌，對心肌纖維化起重要作用[5]。Villalobos等[6]首次發(fā)現(xiàn)成年心臟中的初級纖毛結構存在于心肌成纖維細胞表面，并且纖毛成纖維細胞聚集在心肌損傷區(qū)域，該細胞器及其必需的信號蛋白多囊蛋白-1(polycystin-1,PC-1)是TGF-β1-Smad3軸激活、細胞外基質(zhì)蛋白產(chǎn)生及細胞收縮的關鍵要素。此外，心肌成纖維細胞釋放的TGF-β1可以在正反饋回路中進一步促進成纖維細胞活化和增殖，其釋放的旁分泌因子可導致心肌細胞肥大、凋亡和功能障礙[4]。

2.血小板:血小板中TGF-β1的含量是其他細胞的40～100倍，在血小板活化后會迅速釋放, 是血液循環(huán)中TGF-β1的主要成分，可代表血漿TGF-β水平。主動脈縮窄手術4周后，大多數(shù)野生型小鼠的心臟間質(zhì)和血管周圍纖維化程度增高，而靶向敲除血小板中TGF-β1的小鼠心肌纖維化程度降低，說明血小板源性TGF-β1在心肌肥厚發(fā)病機制中起重要作用[7]。同時，有研究指出，血小板中TGF-β1靶向缺失的小鼠可免受利托那韋誘導的心臟功能障礙和纖維化，而血小板源性TGF-β1可促進蛋白酶抑制劑誘導的心肌纖維化[8]。另外，臨床中癌癥患者在接受放射治療時，電離輻射可直接導致DNA損傷和活性氧的生成，隨后其誘導血小板活化釋放TGF-β1而促進細胞外基質(zhì)產(chǎn)生和成纖維細胞積累并放大纖維化信號[9]。

3.巨噬細胞(macrophages,MO):巨噬細胞在哺乳動物的發(fā)育過程中發(fā)揮關鍵作用，并且通過產(chǎn)生生長因子和其他介質(zhì)為組織提供營養(yǎng)支持，幾乎在所有器官系統(tǒng)中起穩(wěn)態(tài)作用。心臟中的非心肌細胞除了內(nèi)皮細胞外，心臟間質(zhì)中還有少量的免疫細胞，包括巨噬細胞、肥大細胞、淋巴細胞和樹突狀細胞等。除了介導組織損傷外，巨噬細胞還可產(chǎn)生多種生長因子如TGF-β、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)等調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的增殖、肌成纖維細胞的活化和血管生成。Shiraishi等[10]的實驗數(shù)據(jù)顯示替代性活化(M2)巨噬細胞在心肌梗死區(qū)的數(shù)量明顯增加，并有較強的組織修復能力；而TGF-β1敲除小鼠中該巨噬細胞受抑制，成纖維細胞介導的心肌梗死修復功能受損。此外，巨噬細胞的吞噬功能可以通過誘導TGF-β的釋放來刺激纖維化反應，通過協(xié)調(diào)炎性反應和阻斷多種促分解途徑來間接促進心肌纖維化[11]。

4.內(nèi)皮細胞(endothelial cells,ECs)和周細胞(Rouget細胞或壁細胞):TGF-β通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞和周細胞的功能參與血管系統(tǒng)的發(fā)育，由TGF-β介導的細胞應答是促進性亦或抑制性，取決于細胞的分化狀態(tài)和細胞周圍環(huán)境。TGF-β活化激酶1(TGF-β activated kinase 1,TAK1)主要在血管生成部位表達，并在內(nèi)皮細胞中表達水平最高。TAK1與Smad1/5轉錄因子結合可刺激內(nèi)皮細胞增殖和遷移，而內(nèi)皮細胞也可表達TAK5并結合Smad2/3而起抑制作用。TGF-β可誘導前體細胞分化為周細胞和平滑肌細胞，抑制內(nèi)皮細胞增殖，并促進細胞外基質(zhì)沉積，從而控制血管生成。內(nèi)皮細胞也是TGF-β1、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)和內(nèi)皮素-1(endothelin-1,ET-1)的重要來源，可促進由血管緊張素(angiotensin,Ang)誘導的心肌纖維化的發(fā)展[12]。內(nèi)皮細胞除了具有促纖維化作用外，還可作為纖維化的負調(diào)節(jié)劑，分泌使心肌成纖維細胞失活的介質(zhì)[2]。另外，內(nèi)皮細胞向間質(zhì)細胞轉化也與心肌纖維化密切相關。

二、TGF-β調(diào)節(jié)心肌纖維化的途徑

1.TGF-β的主要信號轉導通路:TGF-β的作用途徑涉及經(jīng)典的細胞內(nèi)效應子家族Smads和獨立于Smad外的級聯(lián)反應。大部分TGF-β受體(TGF-β receptor,TGFβR)位于細胞內(nèi)部，需要胰島素等生長因子誘導其向細胞表面的轉運。Duan等[13]研究發(fā)現(xiàn)TGF-β本身會通過TGFβRⅠ激酶和Akt誘導其受體向細胞表面快速轉運，從而增加了細胞表面TGFβR的含量以及細胞對TGF-β的反應性, 尚未在其他細胞表面受體發(fā)現(xiàn)這種應答放大機制。TGF-β1與細胞表面的Ⅱ型受體結合，磷酸化的TGFβRⅡ與TGFβRⅠ形成穩(wěn)定的異源復合物激活素受體樣激酶5(activin receptor-like kinase 5,ALK5),募集并磷酸化下游信號蛋白Smad2/3，然后Smad4與之結合形成功能性轉錄復合物，通過與親和力高的DNA轉錄因子結合或調(diào)控啟動子序列而引發(fā)靶基因的轉錄反應[14]。另外，該復合物易位至細胞核還可調(diào)節(jié)Smad7的轉錄，Smad7可通過泛素蛋白酶降解系統(tǒng)降解Smad2、Smad3和TGF-β1，在心肌纖維化中起抑制作用[15]。關于糖尿病性心肌病中心肌纖維化機制的最新研究發(fā)現(xiàn)，高糖可誘導心肌成纖維細胞中鈣敏感受體(calcium-sensing receptor,CaSR)的表達增加，從而通過Ca2+/PKC/P38-MAPK途徑上調(diào)TGF-β1[16]。因此TGF-β-Smad2/3信號通路的激活在心肌纖維化、心肌梗死、心臟炎性反應和心臟基質(zhì)成分的合成中十分重要。除了Smad介導的經(jīng)典信號轉導，TGF-β還可激活PI3K-Akt-mTOR、ERK/JNK/P38-MAPK以及Rho樣GTPase信號通路。

2.TGF-β的轉錄后調(diào)控: 心肌纖維化的發(fā)生和發(fā)展與TGF-β1/Smads途徑的激活密切相關。然而，在TGF-β1驅(qū)動的心肌成纖維細胞的纖維化反應的所有基因中，有1/3在翻譯水平上受到調(diào)控的，而與RNA轉錄本的豐度無關[17]。微小RNA(microRNA,miRNA)是細胞表型的關鍵調(diào)節(jié)因子，可通過與3′-非翻譯區(qū)(3′untranslated region,3′-UTR)結合來抑制翻譯或促進目標mRNA的降解來微調(diào)蛋白質(zhì)表達，已被證明是一類新型的心血管疾病調(diào)節(jié)劑。部分研究表明，miRNA既可激活腫瘤相關TGF-β信號通路，又可抑制心肌纖維化TGF-β信號通路中相關蛋白的表達[18]。Zhao等[19]研究發(fā)現(xiàn)，miR-101a可直接靶向結合TGFβRⅠ阻斷TGF-β信號通路和下游分子的表達，通過抑制肌成纖維細胞的分化、遷移來改善心肌梗死后纖維化和功能障礙。在犬心房顫動模型中，心房組織的TGF-β1和TGFβRⅡ的蛋白質(zhì)表達水平顯著上升，而miR-133和miR-590的水平降低了60%～70%；同時，將miR-133或miR-590轉染到體外培養(yǎng)的心房成纖維細胞中會降低TGF-β1和TGFβRⅡ水平以及膠原蛋白含量[20]。也有研究發(fā)現(xiàn)，miR-15家族可通過TGFβRⅠ、Smad、Smad7靶向激活TGF-β信號轉導[21]。這些實驗結果都說明TGF-β1及其受體可作為miRNA的靶標。

三、TGF-β對心臟功能的影響

1.TGF-β在心臟收縮功能中的作用:根據(jù)組織病理學的不同，心肌纖維化分為間質(zhì)纖維化、血管周圍纖維化和替代性纖維化3類。前兩者通常與舒張功能障礙有關，而由心肌細胞原發(fā)性壞死引起的替代性纖維化與收縮功能障礙有關[3]。心臟富含控制電生理功能的離子通道，細胞外基質(zhì)過度產(chǎn)生和沉積會導致心肌電生理功能的破壞，多效性TGF-β1調(diào)節(jié)離子通道也較常見。早前就有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1處理的新生大鼠心肌細胞中Na+/Ca2+交換子的mRNA水平更高、肌質(zhì)網(wǎng)功能更為發(fā)達，因此TGF-β1可使心肌細胞的收縮頻率增加。另外，高血糖會引起TGF-β及其受體的表達變化，促進糖尿病性心肌病的發(fā)展，從而間接引起左心室肥大、心臟舒張和收縮功能障礙[22]。心肌細胞收縮力下降與端?？s短有關，絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim1可通過抑制TGF-β途徑下游效應子Smad2和Smad3的磷酸化來維持心肌細胞端粒的長度，拮抗端粒相關的心肌細胞衰老和功能障礙。

2.TGF-β在纖維化心臟的心律失常中的作用:纖維化可通過形成不均勻分布的細胞外基質(zhì)蛋白而損害心肌細胞泵功能而引發(fā)心律不齊。與對肌成纖維細胞的影響相反，心臟特異性過表達TGF-β1不能影響單個心肌細胞的膜電位和膜電阻，心肌細胞僅在與肌成纖維細胞結合時會發(fā)生部分去極化。另外，心肌成纖維細胞可通過整合素-β和鈣黏著蛋白家族與心肌細胞相互作用。Lu等[23]研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1可上調(diào)鈉泄漏通道使神經(jīng)元去極化，因此推測TGF-β1可能對肌成纖維細胞去極化有重要作用。Salvarani等[5]研究顯示，TGF-β1可以改變心肌成纖維細胞的電生理表型，從而使離子通道、離子泵和連接蛋白的基因表達發(fā)生變化，這些變化超出了成纖維細胞在收縮力、細胞外基質(zhì)成分分泌等方面的調(diào)控能力，表明TGF-β1可能在纖維化心臟的心律失常中起重要作用。因此，血漿TGF-β1的水平可能成為評估心律失常的生物學標志物，而由TGF-β1調(diào)節(jié)的離子通道可能會成為抗心律不齊治療中的新靶點。

四、展 望

目前，大量研究已經(jīng)證明了TGF-β在心肌纖維化、心肌重構、心律失常、心力衰竭等生理病理過程中的重要作用。因此，通過受體拮抗、抗體或反義寡核苷酸抑制、特異基因缺失等途徑阻斷TGF-β信號轉導是潛在的治療策略。本文主要敘述了心肌纖維化過程中TGF-β的來源、TGF-β調(diào)節(jié)纖維化的重要途徑以及TGF-β對心臟功能的影響機制，說明了TGF-β在心肌纖維化發(fā)生、發(fā)展過程中的獨特作用。成年哺乳動物的心臟再生潛能受限、纖維化的細胞類型和信號通路復雜、心臟損傷后的微環(huán)境不穩(wěn)定，仍然缺乏有效抑制或逆轉纖維化的治療方法。目前尚無批準用于治療心臟纖維化的藥物，細胞移植、生物材料、重編程成纖維細胞等新技術可能為治療心臟纖維化提供新方向。由于TGF-β的多效性，在治療心肌纖維化過程中總體抑制TGF-β的信號轉導系統(tǒng)可能對心血管系統(tǒng)和其他器官產(chǎn)生不良影響。因此，TGF-β系統(tǒng)在心肌纖維化中的特異性作用及分子機制需要更深入研究。