韓亞凡 李耀東

(新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心臟中心起搏電生理科 新疆心電生理與心臟重塑重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830054)

心房顫動(房顫)是臨床上最常見的心律失常。隨著人口老齡化,房顫的發(fā)病率呈逐年上升趨勢,根據最新流行病學調查,全球每年約新增400萬例房顫患者,總患病人數(shù)超4 600萬例[1]。房顫因心臟泵血量減少和心房血栓形成,不僅導致患者出現(xiàn)有害臨床癥狀和降低生活質量,而且相比于冠心病、高血壓等其他心血管疾病的腦卒中風險增加3～5倍,成為全球心臟相關死亡率較高的疾病之一[2]。房顫的病理生理學機制涉及多種細胞和分子之間的相互作用,同時使用抗心律失常藥或導管消融等治療房顫的方式已被證明存在不同程度的弊端[3]。鑒于其患病率不斷上升且缺乏有效的治療方法,需要更深入地了解房顫的潛在機制。最新研究[4]表明,心臟內質網在興奮收縮耦聯(lián)和心臟功能的調節(jié)過程中起著至關重要的作用。其內質網穩(wěn)態(tài)紊亂會導致內質網應激(endoplasmic reticulum stress,ERS)并在房顫的病理生理基礎中起著關鍵作用,或可成為新的治療靶點。

1 ERS與房顫

內質網是一種參與并調節(jié)多種細胞功能的細胞器,其在多糖、脂質和蛋白質合成,新生多肽鏈的折疊、修飾與加工,促進自噬體和過氧化物酶體的產生以及調節(jié)Ca2+穩(wěn)態(tài)等方面均具有十分重要的作用,被稱之為“有機物合成的車間”[5]。內質網自身存在專門且嚴苛的質量監(jiān)視系統(tǒng),常規(guī)可對蛋白質完成鑒別以保證其內質網功能的正常運行,然而當缺血、缺氧、Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡等內外環(huán)境改變造成的未折疊或者錯誤折疊的蛋白大量堆積超過該系統(tǒng)降解限度時,將引起ERS[6]。為緩解這種應激狀態(tài),熱激蛋白70家族的免疫球蛋白重鏈結合蛋白質(immunoglobulin heavy chain binding protein,BiP)與肌醇需要酶1(inositol requiring enzyme 1,IRE1)、蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like ER kinase,PERK)和轉錄激活因子(activating transcription factor,ATF)6,三種未折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)傳感器分離,啟動對應的下游信號,并通過操控伴侶蛋白的表達、調節(jié)脂質合成、督促內質網相關的蛋白質降解系統(tǒng)、抑制蛋白質從頭合成、提高內質網的折疊能力、減少尚未折疊以及錯誤折疊的蛋白等多種方式,共同致力于恢復內質網穩(wěn)態(tài),提高細胞生存能力[6]。因此ERS的初衷本是細胞自身的保護性應激反應,幫助內質網內蛋白質的正確折疊并避免細胞凋亡。

隨著身體和細胞逐漸衰老,維系蛋白質穩(wěn)態(tài)網絡的負擔將越來越重,加之伴侶蛋白表達傾向性下降,繼而蛋白質溶解度下降、錯誤折疊的蛋白質在內質網內累積和UPR傳感器功能失調等一系列反應引起心臟的損傷,最終可導致心房結構重構和纖維化的發(fā)生[7]。目前慢性ERS已被確定為心力衰竭、糖尿病心臟病、缺血再灌注損傷等多種心血管疾病的病理基礎,同時在室性心動過速和房顫等心律失常中,均已有研究報道ERS在其中扮演著重要的作用[8-9]。因此,ERS往往是在大多數(shù)細胞功能的極限附近活動,細胞必須謹小慎微地平衡UPR,以安全地挽救ERS并保持蛋白質平衡,但如果細胞狀況持續(xù)無改善或者UPR被過度激活,細胞就有向終末UPR轉移并導致細胞凋亡的風險,繼而引發(fā)各種疾病[10]。

2 ERS調控Ca2+在房顫中的作用

內質網是細胞內Ca2+的高容量儲存庫,同時Ca2+是維持心臟功能的依賴性信號通路和心臟興奮收縮耦聯(lián)的關鍵離子之一,對心肌收縮和舒張的調節(jié)具有非常重要的作用[11]。在心肌細胞肌質網中,主要有轉運胞質Ca2+進入內質網腔的肌質網鈣ATP酶、釋放Ca2+至細胞質中的ryanodine受體2(RyR2)和介導Ca2+從內質網管腔轉移至細胞質的三磷酸肌醇受體等三種蛋白參與Ca2+攝取和釋放[12]。在單個心動周期中,位于肌膜和小管上的L型鈣通道首先被激活。其L型鈣通道的開放導致Ca2+移動并進入細胞質,誘導RyR2釋放肌質網內存儲的Ca2+到細胞質中,該過程被稱之為鈣誘導。當持續(xù)性房顫發(fā)生時,存在于肌質網內的RyR2將被氧化,引起細胞內異常的Ca2+釋放,從而導致線粒體ATP表達減少和心肌細胞收縮功能障礙等表現(xiàn)[13]。

隨著研究的進展,越來越多的證據[14]表明房顫在本質上是自我促進和進展,其心房肌細胞中Ca2+的異常是導致房顫進展和維持的重要因素。如2020年Heijman等[15]通過研究術后房顫的觸發(fā)機制,發(fā)現(xiàn)房顫患者的心房肌細胞中存在Ca2+處理異常和Ca2+-鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ,CaMKⅡ)信號通路激活。這些分子底物使心肌細胞自發(fā)釋放Ca2+和增加致心律失常后去極化的敏感性。2023年Yan等[16]的研究也發(fā)現(xiàn)Ca2+處理異常是房顫底物的關鍵因素,同時使用兒茶酚抑素可調節(jié)心肌細胞內Ca2+的處理并降低心力衰竭大鼠的房顫易感性。此外,異位電活動通過影響心房肌離子通道的表達和細胞內鈣穩(wěn)態(tài),增加心肌細胞中的瞬時鈣變化,進而促進心房電重構,也是引發(fā)房顫的主要機制之一[14]。如Na+的流入和Ca2+自發(fā)地從肌質網中泄漏,進而通過Na+-Ca2+交換體激活內向電流,導致心肌細胞自發(fā)去極化觸發(fā)動作電位,形成了包括肺靜脈在內的獨特電特性和復雜的結構,進而促進了心律失常所需的異位活動和折返,為維持心律失常和促進房顫進展奠定了基礎[14]。

3 ERS調控活性氧在房顫中的作用

既往研究[17]已知,內質網管腔具有專門的氧化折疊環(huán)境,包括內質網伴侶蛋白和氧化還原酶,對于蛋白質二硫鍵異構酶和內質網氧化還原蛋白1催化二硫鍵的形成至關重要,以確保新合成多肽的疏水延伸、折疊和新合成蛋白的正確折疊和組裝。心肌細胞中的活性氧(reactive oxygen species,ROS)主要源于NADPH氧化酶(NADPH oxidase,Nox)的激活和催化作用,其產生的ROS可以誘導蛋白質的肽鏈氧化,進而導致蛋白質折疊構象發(fā)生改變,同時心房組織中ROS的產生在心房重構和心房纖維化中起關鍵作用[18],還可以通過調節(jié)ERS激活的絲裂原活化蛋白激酶進而調節(jié)細胞的多種生理過程,最終引起心房組織氧化應激和心律失常的發(fā)生[19]。

2020年Yang等[20]的研究表明,Nox的抑制劑香草乙酮可顯著下調心房Nox2、Nox4、p22-phox和轉化生長因子β等蛋白的表達,并通過調節(jié)氧化應激相關蛋白的表達來阻斷心房纖維化的發(fā)生和房顫的進展。2016年Abdelwahid等[21]的研究表明,在ERS條件下,心肌細胞中抗凋亡蛋白Hax1顯著下調導致線粒體融合蛋白-2下調和ROS產生,而通過逆向過表達Hax1可防止ERS誘導的線粒體變化和細胞凋亡。其次,ROS可激活并磷酸化CaMKⅡ和氧化CaMKⅡ,從而促進心肌肌質網中Ca2+的釋放并導致心律失常的發(fā)生,而通過抑制磷酸化的CaMKⅡ和氧化的CaMKⅡ等氧化應激相關蛋白的表達以緩解肌質網釋放Ca2+之后,心房重構的進展過程將被抑制或減弱[22]。綜上,抗氧化治療對房顫的發(fā)生和發(fā)展有一定的預防作用。因此,使用藥物或者低強度迷走神經刺激等方法來抑制和減少ROS的產生,可能成為房顫治療新的目標和靶點[23]。

4 ERS調控炎癥因子在房顫中的作用

炎癥因子和炎性小體可破壞內質網蛋白質折疊過程繼而激活ERS,如單核細胞趨化蛋白-1和包含蛋白3的核苷酸結合寡聚化結構域樣受體家族pyrin結構域[24]。同時心房組織中PERK、IRE1α、p38和c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)的磷酸化顯著增加等均可促進炎性細胞因子的產生,加之成年心肌細胞缺乏有效的自我修復或復制,從而進一步導致心功能障礙,促進房顫的發(fā)生和進展[25]。

核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路是與炎癥具有密切聯(lián)系的經典通路,在正常情況下與核因子-κB抑制因子(inhibitor of NF-κB,ΙκΒ)形成復合體,使NF-κB不能轉位到細胞核內并抑制細胞表達促炎因子和趨化因子;而在ERS下,IκB可被ΙκΒ激酶磷酸化和降解,最終使NF-κB易位至細胞核并觸發(fā)炎癥細胞因子的表達[26]。其ERS誘導的UPR信號的三個分支均可以通過基因轉錄激活NF-κB介導細胞炎癥反應,具體機制通常由內質網中錯誤折疊的蛋白積累導致伴侶蛋白BiP與IRE1、ATF6和PERK三個因子分離,IRE1自磷酸化后與銜接蛋白腫瘤壞死因子受體相關因子2(tumor necrosis factor receptor-associated factor 2,TRAF2)結合,激活JNK/Akt通路;同時IRE1/TRAF2復合物還可以激活ΙκΒ激酶,進而IκB磷酸化,導致NF-κB核移位和細胞因子表達[27]。PERK的自磷酸化可直接導致炎性細胞因子白細胞介素(interleukin,IL)-1、IL-6和腫瘤壞死因子α的表達增加,同時在PERK分支中被激活的促凋亡因子CCAAT/增強子結合蛋白同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologus protein,CHOP)也可以調節(jié)NF-κB促進細胞炎癥因子表達;最后ATF6分支依賴于mTOR/Akt信號通路激活NF-κB導致炎性細胞因子的表達增加[28]。綜上,ERS可促進炎癥反應并釋放炎癥介質,進而改變心房電生理和結構底物,導致房顫易感性增加。

5 ERS調控自噬在房顫中的作用

自噬是一種在進化上較為保守的蛋白質降解途徑,通過將受損或者過期的蛋白質和細胞器隔離在自噬體中,隨后經溶酶體來降解和清除以維持蛋白質和細胞穩(wěn)態(tài)[29]。由于其各種心臟疾病中的自噬激活在功能上并不均勻,因此自噬可以對疾病的病程和結果產生有益或有害的影響[30]。但無論如何,過度激活的自噬勢必會引起必需蛋白質和細胞器的降解,從而引發(fā)心臟重構,導致與年齡相關的心臟病發(fā)展,包括心力衰竭、高血壓心臟病和糖尿病心肌病等,而這些心臟疾病目前均被認為是導致房顫的致病底物,進一步表明自噬激活在房顫發(fā)展中具有關鍵的作用[31]。

ERS在房顫中的重要作用涉及自噬的調節(jié)。在ERS的早期階段,內質網可誘導線粒體代謝增加,通過增強細胞生物能量學,此時ERS被激活后可以通過自噬途徑促進細胞生存,為健康適應ERS建立代謝基礎[32]。比如UPR過程中IRE1分支激活JNK并磷酸化B淋巴細胞瘤-2,導致其與BECN1基因所編碼自噬相關蛋白Beclin-1解離;PERK分支通過激活ATF4繼而激活Beclin-1及增加自噬受體1(neighbor of brca 1,NBR1)的表達促進自噬的激活;ATF6分支激活亦可磷酸化Beclin-1進而激活自噬,同時ATF6還可上調BiP的表達來抑制mTOR/Akt信號通路,進而激活自噬-溶酶體通路,在心臟的應激反應中起主要作用;反過來,ATF4和ATF6亦可通過增強CHOP和自噬基因ATG12和LC3β的表達來激活自噬[33-34]。另一方面,Beclin-1及位于10號染色體的磷酸酶和張力蛋白同源基因誘導激酶1在內質網膜可被重新定位,以促進內質網和線粒體的交互作用及自噬小體形成[35]。綜上,ERS所介導的自噬在正常范圍內可通過清除內質網中受損蛋白質來緩解內質網的壓力,對抗ERS介導的細胞凋亡,恢復細胞穩(wěn)態(tài),對維持心肌細胞正常功能起重要調節(jié)作用;然而,ERS介導的自噬過度或過低均將導致心肌細胞代謝受損,進而導致心房重構,引起房顫的發(fā)生與發(fā)展[36](見圖1)。

6 ERS可作為房顫的治療靶點

2020年Zhang等[37]研究發(fā)現(xiàn)ERS在肥胖引起的小鼠房顫過程中起著關鍵作用,通過應用ERS抑制劑4-苯基丁酸鈉可以顯著降低高脂飲食引起的心房纖維化和房顫的發(fā)生率。同年Yuan等[38]研究SD大鼠原代心肌細胞發(fā)現(xiàn),線粒體融合蛋白-2在高糖誘導的心房肌細胞ERS中發(fā)揮著重要作用,沉默線粒體融合蛋白-2的基因可防止線粒體Ca2+超載,從而減少ERS介導的心肌細胞死亡。2021年Hu等[39]通過研究人左心耳組織、動物及細胞實驗顯示,房顫時硫化氫合酶和血清硫化氫含量降低,進而促進ERS和心房纖維化;而增加外源硫化氫可抑制ERS誘導的心房纖維化,改善左心房功能障礙和房顫易感性,從而減少房顫的發(fā)生和發(fā)展。2022年Tu等[40]研究顯示,攝入ω-3不飽和脂肪酸亦通過減輕心肌ERS進而顯著降低高頻起搏誘導的房顫犬模型的房顫易感性等。此外,最新研究[36-39]表明,在體內外房顫模型中過表達內質網伴侶蛋白和突變真核翻譯起始因子2α的磷酸化位點等方法均可阻斷ERS,繼而抑制快速起搏時的心肌收縮功能障礙。

7 總結

內質網是調節(jié)蛋白質穩(wěn)態(tài)的關鍵參與者,其蛋白質的穩(wěn)態(tài)決定著心肌細胞的正常收縮功能。在房顫發(fā)生發(fā)展機制中,ERS可參與鈣超載、炎癥、自噬和凋亡等多種誘發(fā)房顫的途徑,同時抑制ERS可明顯改善心房肌組織電重構和結構重構,在減弱房顫發(fā)生和進展的風險等方面具有顯著的益處,或可成為未來治療房顫的新靶點。

注:S1P,位點蛋白酶1;S2P,位點蛋白酶2;Bcl-2,B淋巴細胞瘤-2;eIF2α,真核翻譯起始因子2α;NLRP3,NOD樣受體家族熱蛋白結構域相關蛋白3;XBP1S,X-Box結合蛋白1S;NRF-2,核因子E2相關因子2;IP3R1,1型1,4,5-三磷酸肌醇受體;NAD-PH,還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;P,磷酸化;OX,氧化型;ERAD,內質網相關的蛋白降解。