尼古丁誘發(fā)心肌纖維化作用機(jī)制的研究進(jìn)展*

榮瑞雪， 張 靜， 秦 瑋△

（1山東中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；2濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，山東 日照 276800）

心肌纖維化是多種心臟疾病發(fā)展到一定階段所共有的病理改變，是心肌結(jié)構(gòu)重塑的主要病理特征。心肌纖維化作為心肌損傷的應(yīng)答機(jī)制［1］，其主要的病理特征是心肌成纖維細(xì)胞（cardiac fibroblasts，CFs）大量增殖活化、細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）沉積以及瘢痕組織形成、組織順應(yīng)性降低和心功能下降［2］。心臟成纖維細(xì)胞的增殖活化主要是一些外在因素（如壓力負(fù)荷、容量負(fù)荷、急性心肌梗死等）和局部促纖維化分子共同刺激作用的結(jié)果［3］。心肌纖維化主要分為兩大類，一類是以心肌細(xì)胞凋亡為主的置換性心肌纖維化，又稱為疤痕性心肌纖維化。當(dāng)心肌細(xì)胞由于急性損傷發(fā)生凋亡時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)的CFs 會被活化，增殖分化為具有瘢痕修復(fù)功能的肌成纖維細(xì)胞，肌成纖維細(xì)胞會替代凋亡的心肌細(xì)胞來維持心臟結(jié)構(gòu)。另一類是以細(xì)胞外膠原彌漫性分布為主的彌漫性心肌纖維化，又可稱為間質(zhì)性纖維化，通常沒有心肌細(xì)胞的凋亡，主要是因?yàn)樾呐K長期處于超負(fù)荷的狀態(tài)導(dǎo)致局部信號分子發(fā)生改變造成的［4］。

尼古丁（nicotine）是一種從煙草中提取的生物堿，故又名煙堿，一種無色透明的油狀揮發(fā)性液體，具有刺激的煙臭味，是煙草煙霧中的主要活性成分［5］。全球超過10 億人吸煙，每年死于煙草相關(guān)疾病的人數(shù)高達(dá)600 萬［6］。相關(guān)研究顯示，尼古丁在多種疾病中扮演重要角色，可以促進(jìn)心［7］、肺［8］、肝［9］和腎［10］的纖維化病變，以及糖尿?。?1］、動脈粥樣硬化［12］和腫瘤［13］等疾病的發(fā)生發(fā)展。尼古丁對疾病的作用主要是通過煙堿型乙酰膽堿受體（nictinic acetylcholine receptor，nAchR）介導(dǎo)的，nAchR 主要分為17 個(gè)亞基（α1～α10、β1～β4、δ、γ 和?），這些亞基可以組成同源或異源的五聚體配體門控陽離子通道［14］。尼古丁以氣溶膠的形式被肺吸收入血，并經(jīng)血液循環(huán)到達(dá)各個(gè)器官，與靶器官的nAchR 結(jié)合發(fā)揮作用。研究顯示，尼古丁在各個(gè)器官的分布并不均勻，吸煙者血液中平均尼古丁濃度為10～40 ng/mL，而心臟中的尼古丁水平可達(dá)血液中的2～3 倍，表明尼古丁有顯著的心臟聚集性［15］。研究顯示吸煙者患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于非吸煙者，尼古丁可作為一個(gè)獨(dú)立的危險(xiǎn)因素誘導(dǎo)心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展［16］。因此，明確尼古丁誘發(fā)心肌纖維化的分子機(jī)制對于尋找治療吸煙相關(guān)心血管疾病的藥物靶點(diǎn)具有重要意義。本文主要從尼古丁激活氧化應(yīng)激反應(yīng)、激活腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS）、損傷內(nèi)皮細(xì)胞功能、改變非編碼RNA 的表達(dá)、促進(jìn)兒茶酚胺釋放和擾亂基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）/金屬蛋白酶組織抑制因子（tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs）的平衡等方面來綜述尼古丁誘發(fā)心肌纖維化的分子機(jī)制。

1 尼古丁激活氧化應(yīng)激反應(yīng)

氧化應(yīng)激反應(yīng)是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態(tài)，傾向于氧化［17］，是機(jī)體受到有害刺激（如缺血、缺氧、炎癥和細(xì)胞因子刺激等）后所做出的一種保護(hù)性的機(jī)制。研究顯示，尼古丁能增加心臟對氧化應(yīng)激的敏感性，增加心肌細(xì)胞中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，過量的ROS可以擾亂心肌細(xì)胞間的鈣信號，增加心肌細(xì)胞凋亡，并通過介導(dǎo)CFs 中轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）相關(guān)信號通路促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展［18-21］。Jia 等［22］在SD 成年大鼠皮下植入尼古丁泵持續(xù)注射尼古丁6 周，研究顯示，經(jīng)尼古丁處理后，心臟組織中I型膠原蛋白α1 鏈（collagen type I alpha 1 chain，Col1a1）和III 型膠原蛋白α1 鏈（collagen type III alpha 1 chain，Col3a1）沉積顯著增多，尼古丁誘發(fā)了心肌纖維化。進(jìn)一步研究顯示，尼古丁顯著增加了心肌細(xì)胞中cleaved caspase-3 和cleaved caspase-9 的水平，誘導(dǎo)ROS 爆發(fā)促進(jìn)溶酶體堿化，阻斷心肌細(xì)胞線粒體自噬降解，促進(jìn)線粒體介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡并引起心肌纖維化。Hu 等［21］在心臟特異性過表達(dá)金屬硫蛋白（一種抗氧化蛋白）的轉(zhuǎn)基因小鼠腹腔注射尼古丁10 d，研究結(jié)果顯示，心臟特異性過表達(dá)金屬硫蛋白可通過抑制心肌細(xì)胞ROS積累和凋亡來緩解尼古丁暴露后引起的心肌收縮功能障礙和心肌纖維化。此外，Ramalingam 等［7］研究表明，用mito-TEMPO（一種線粒體靶向抗氧化劑）和白藜蘆醇（一種sirtuin 激活劑）可部分減弱尼古丁誘導(dǎo)的大鼠心肌纖維化和心臟功能障礙，進(jìn)一步研究顯示mito-TEMPO 和白藜蘆醇是通過抑制大鼠心肌細(xì)胞線粒體ROS 生成、下調(diào)心臟組織中Col1a1 和Col3a1 以及促纖維化因子TGF-β1的表達(dá)而實(shí)現(xiàn)的。

2 尼古丁激活RAAS

RAAS 是由腎素、血管緊張素II（angiotensin II，Ang II）和醛固酮組成的具有調(diào)節(jié)血壓、體液和鈉平衡的系統(tǒng)［23］。RAAS 作為心衰時(shí)重要的神經(jīng)體液調(diào)節(jié)機(jī)制［24］，其主要通過Ang II 來發(fā)揮促纖維化作用［25］。尼古丁可以通過調(diào)節(jié)RAAS 系統(tǒng)誘導(dǎo)心肌纖維化的發(fā)生，Ramalingam 等［26］將雄性SD 大鼠腹腔注射尼古丁誘導(dǎo)心臟功能不全28 d，并設(shè)置尼古丁+Ang II 1 型受體（Ang II type 1 receptor，AT1R）拮抗劑厄貝沙坦組作為對照組，研究結(jié)果顯示，尼古丁組與對照組相比，其大鼠心臟中Ang II 和血管緊張素轉(zhuǎn)換酶的表達(dá)顯著增高，心功能顯著下降，并伴隨著心肌氧化應(yīng)激（ROS 生成增多）、纖維化（膠原沉積和TGF-β1表達(dá)增加）和炎癥反應(yīng)（腫瘤壞死因子α和白細(xì)胞介素6表達(dá)增高）的發(fā)生，但AT1R拮抗劑厄爾沙坦的應(yīng)用卻逆轉(zhuǎn)了這些癥狀，說明AT1R 的激活可能是尼古丁誘發(fā)心肌纖維化的起始因素。

3 尼古丁引起血管內(nèi)皮功能障礙

內(nèi)皮細(xì)胞是位于血流和血管壁之間的一層扁平單核細(xì)胞，具有調(diào)節(jié)血管張力、細(xì)胞黏附、血栓抵抗、平滑肌細(xì)胞增殖和血管壁炎癥等重要功能［27］，在血液和周圍組織之間形成的一個(gè)可選擇性滲透的屏障［28］。內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙時(shí)可表達(dá)促纖維化因子，如內(nèi)皮素1（endothelin-1，ET-1）和TGF-β1 等，進(jìn)而激活CFs 促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展［29］。Mayyas等［30］將成年Wistar 大鼠分別暴露于新鮮空氣和含有尼古丁的煙霧中，在煙霧暴露4 周后，煙霧組心臟ET-1 表達(dá)上調(diào)、TGF-β1 表達(dá)不變，心臟Masson 染色顯示煙霧組大鼠心肌纖維化程度顯著高于對照組，提示煙霧通過升高心臟ET-1 表達(dá)促進(jìn)心肌纖維化。研究人員進(jìn)一步觀測煙霧對糖尿病大鼠心肌纖維化的影響，當(dāng)暴露在新鮮空氣中時(shí)，糖尿病大鼠相對于正常大鼠，其心臟ET-1 和TGF-β1 表達(dá)均上調(diào)，心肌纖維化程度升高；而當(dāng)糖尿病大鼠暴露在煙霧環(huán)境下4 周后，相對于暴露在新鮮空氣中的糖尿病大鼠，其心肌纖維化卻得到了緩解，進(jìn)一步研究顯示煙霧暴露使糖尿病大鼠心臟ET-1表達(dá)上調(diào)，TGF-β1表達(dá)下降，提示煙霧可在糖尿病的基礎(chǔ)上通過降低心臟TGF-β1 的表達(dá)延緩心肌纖維化的進(jìn)展。研究顯示動脈粥樣硬化可促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展，高脂飲食誘導(dǎo)的大鼠動脈粥樣硬化模型也存在心肌纖維化病變［31］。尼古丁可通過損傷內(nèi)皮細(xì)胞功能加速動脈粥樣硬化病程進(jìn)展，Wu 等［32］在尼古丁誘導(dǎo)的ApoE-/-動脈粥樣硬化小鼠模型和人主動脈內(nèi)皮細(xì)胞模型（human aortic endothelial cells，HAECs）中研究顯示，尼古丁可通過ROS/核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NOD-like receptor family pyrin domaincontaining 3，NLRP3）介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞焦亡促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。Qin 等［33］在尼古丁誘導(dǎo)的ApoE-/-動脈粥樣硬化小鼠模型和體外HAECs 模型中研究顯示，尼古丁與α7 煙堿乙酰膽堿受體（α7 nicotinic acetylcholine receptor，α7nAchR）結(jié)合后可通過激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2（extracellular signalregulated kinase 1/2，ERK1/2）信號通路上調(diào)Snail 的表達(dá)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化（endothelial to mesenchymal transition，EndMT），進(jìn)而增加小鼠動脈粥樣斑塊，加速動脈粥樣硬化進(jìn)程。然而，還未有研究在尼古丁誘導(dǎo)動脈粥樣硬化的模型中同時(shí)關(guān)注其心肌纖維化的病理變化，因此，尼古丁是否能夠通過誘導(dǎo)動脈粥樣硬化促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展還有待進(jìn)一步的研究和證實(shí)。

4 尼古丁改變非編碼RNA表達(dá)

非編碼RNA 是一類由基因組轉(zhuǎn)錄而來，但是不翻譯成蛋白，在RNA 水平上就能行使生物學(xué)功能的RNA，根據(jù)其分子量的大小可以分為長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）（＞200nt）和小非編碼RNA（＜200nt）［34］。研究顯示，尼古丁可通過調(diào)控非編碼RNA 的表達(dá)影響心肌纖維化的進(jìn)展。Chuang 等［35］利用大鼠和培養(yǎng)的新生大鼠CFs 研究顯示圍生期尼古丁暴露使后代心臟心肌梗死相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（myocardial infarction-associated transcript，MIAT）表達(dá)上調(diào)，MIAT 的上調(diào)導(dǎo)致miR-29 家族表達(dá)下調(diào)、Col1a1和Col3a1沉積，誘發(fā)心肌纖維化。MicroRNAs（miRNAs）是小非編碼RNA 的一種，廣泛參與細(xì)胞肥大、凋亡、增殖、炎癥和應(yīng)激反應(yīng)等生物學(xué)過程［36］。研究顯示，miRNAs 可通過多種途徑調(diào)控心臟的發(fā)育、重構(gòu)和再生、內(nèi)皮功能和血管生成，促進(jìn)心肌纖維化的進(jìn)展［37］。Shan 等［38］在體外培養(yǎng)的犬心房CFs和體內(nèi)犬心房顫動模型中研究顯示，尼古丁可通過下調(diào)miR-133 和miR-590 的表達(dá)來上調(diào)TGF-β1 和TGF-βRII 的表達(dá)，刺激Col1a1 和Col3a1 生成和心房纖維化，并且使房顫易感性增加了8-15 倍。α-銀環(huán)蛇毒素（alpha-bungarotoxin，α-BTX），一種α7nAchR拮抗劑，可逆轉(zhuǎn)尼古丁的這些作用。目前，有關(guān)非編碼RNA 參與尼古丁調(diào)控心肌纖維化的研究還較少，非編碼RNA 在尼古丁誘發(fā)心肌纖維化過程中的關(guān)鍵作用還有待深入探究。

5 尼古丁促進(jìn)兒茶酚胺釋放

兒茶酚胺是一類含有兒茶酚和胺基的神經(jīng)類物質(zhì)，主要包括去甲腎上腺素、腎上腺素、多巴胺及其的衍生物，由交感神經(jīng)和腎上腺髓質(zhì)產(chǎn)生和合成，在心血管系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用［39］。尼古丁作為一種擬交感神經(jīng)藥物，會作用于遍及自主神經(jīng)系統(tǒng)的nAchR，當(dāng)尼古丁與nAchR 結(jié)合時(shí)，nAchR 中心孔的構(gòu)象會發(fā)生改變，刺激Ca2+內(nèi)流從而觸發(fā)兒茶酚胺的快速釋放［40-41］。兒茶酚胺的異常釋放會導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟毒性：一方面，過量兒茶酚胺會使冠狀動脈強(qiáng)烈收縮、心率增加以及心臟收縮力增強(qiáng)，造成心肌缺血、缺氧和壞死，產(chǎn)生代償性心肌肥大、膠原蛋白增生，誘發(fā)心肌纖維化；另一方面，環(huán)磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）可被過量的兒茶酚胺激活，導(dǎo)致交感神經(jīng)興奮、心臟壓力負(fù)荷增加，引發(fā)心肌細(xì)胞肥大和心室重構(gòu)，促進(jìn)心肌纖維化發(fā)展［42］。Yu 等［43］對妊娠3～21 d 的大鼠皮下注射尼古丁，對照組給予生理鹽水，結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組子代血腎上腺素和去甲腎上腺素水平顯著增高且子代在妊娠21 d 和出生后15 d 的心臟和體重顯著降低，雄性后代出現(xiàn)心肌纖維化。異丙腎上腺素作為兒茶酚胺的一員，許多研究會選擇異丙腎上腺素刺激動物構(gòu)建心肌纖維化模型［44-46］，但尼古丁是否能誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生異丙腎上腺素從而導(dǎo)致心肌纖維化還未有報(bào)道，尼古丁對機(jī)體兒茶酚胺的調(diào)控還有待進(jìn)一步研究。

6 尼古丁引起MMPs/TIMPs比例失衡

心肌纖維化的發(fā)生是由于心臟ECM 的合成和降解之間的動態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致膠原蛋白過度沉積。ECM 的代謝受MMPs 和TIMPs 共同調(diào)節(jié)，MMPs是一類鋅依賴的內(nèi)源性蛋白酶，能夠降解多種ECM成分，TIMPs是MMPs的抑制劑，參與調(diào)控MMPs在機(jī)體組織中的活性［47］。MMPs 和TIMPs 共同維系著心臟的正常結(jié)構(gòu)與功能，研究顯示MMPs 表達(dá)增加，伴有或不伴有TIMPs 表達(dá)下降，導(dǎo)致心肌纖維化的發(fā)生［48］。Thompson 等［49］在懷孕的豚鼠模型中研究顯示，產(chǎn)前尼古丁暴露會使胎兒心臟中MMP-2 的表達(dá)以及間質(zhì)膠原纖維形成增加，這一現(xiàn)象可被天然抗氧化劑谷胱甘肽合成中的內(nèi)源性底物N-乙酰半胱氨酸所逆轉(zhuǎn)，表明尼古丁可能通過激活氧化應(yīng)激上調(diào)MMP-2 的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生。Wu等［50］在老齡大鼠心臟中研究顯示，二手煙暴露顯著增高了年齡依賴的MMP-2 和MMP-9 的活性，同時(shí)也抑制了TIMPs（TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3和TIMP-4）的表達(dá)，加速了左心室纖維化的進(jìn)展。

7 總結(jié)與展望

綜上所述，尼古丁可通過激活氧化應(yīng)激反應(yīng)、激活RAAS、損傷血管內(nèi)皮功能、改變非編碼RNA 的表達(dá)、促進(jìn)兒茶酚胺分泌、以及紊亂MMPs/TIMPs 平衡等不同作用機(jī)制影響心臟功能從而促進(jìn)心肌纖維化的發(fā)生（圖1）。

Figure 1. The mechanisms of nicotine-induced myocardial fibrosis. ROS：reactive oxygen species；RAAS：renin-angiotensin-aldosterone system；ET-1：endothelin-1；ECM：extracellular matrix；MMPs：matrix metalloproteinases；TIMPs：tissue inhibitors of metalloproteinases.圖1 尼古丁誘發(fā)心肌纖維化的分子機(jī)制

尼古丁可通過上調(diào)多種促纖維化分子最終促進(jìn)CFs 激活、增殖并分化為肌成纖維細(xì)胞，在其過程中ECM 會大量分泌和沉積，并且ECM 的代謝也會受到MMPs/TIMPs 的調(diào)控。值得注意的是，目前有關(guān)尼古丁誘發(fā)心肌纖維化的分子機(jī)制是獨(dú)立研究的，不同分子機(jī)制之間是否有相互作用、是否存在共同的最后發(fā)揮作用的信號分子還有待進(jìn)一步研究。此外，尼古丁對身體多個(gè)臟器有損傷作用，但還未有研究探討尼古丁在誘發(fā)心肌纖維化的過程中是否涉及到其他臟器損傷的相互疊加作用。需要指出的是，心肌纖維化的發(fā)病過程中不同細(xì)胞類型可通過直接產(chǎn)生基質(zhì)蛋白（如成纖維細(xì)胞）或間接分泌促纖維化介質(zhì)（如內(nèi)皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和心肌細(xì)胞）促進(jìn)心肌纖維化，但尼古丁對這些細(xì)胞的作用及其對心肌纖維化的影響、不同細(xì)胞之間相互作用的分子機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。