病理性心肌肥厚分子機(jī)制研究進(jìn)展

吳冰綜述 劉小熊,夏豪審校

心肌肥厚(cardiac hypertrophy)是指各種因素作用下出現(xiàn)的心臟質(zhì)量和體積的增加，包括心肌細(xì)胞的肥大、心肌間質(zhì)細(xì)胞增生及心肌細(xì)胞外基質(zhì)改變等變化。心肌肥厚是預(yù)測心臟疾病進(jìn)展和不良預(yù)后的主要因素，它通常與缺血性心臟病、心臟瓣膜疾病、高血壓和心力衰竭等疾病有關(guān)[1]。心肌肥厚有2種類型：生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚。病理性心肌肥厚會導(dǎo)致不良的心血管事件，包括心力衰竭、惡性心律失常和猝死等[2]。隨著人民生活水平提高及人口老齡化程度增加，心肌肥厚及心力衰竭發(fā)病率和患病率明顯增高。然而，目前心肌肥厚的發(fā)病機(jī)制尚不明確，臨床上對心肌肥厚及心力衰竭的治療效果并不理想。因此，探索心肌肥厚的發(fā)病機(jī)制，尋找新的治療靶點(diǎn)尤為重要。本文通過收集整理近年來心肌肥厚相關(guān)研究文獻(xiàn)，重點(diǎn)對病理性心肌肥厚分子機(jī)制的研究進(jìn)展作一綜述，為病理性心肌肥厚的干預(yù)和治療提供理論依據(jù)。

1 心肌肥厚概述

成年后大多數(shù)心肌細(xì)胞是終末分化的，在生理?xiàng)l件下不會增殖。然而，在心臟瓣膜病、心肌病、缺血性心臟病、高血壓等病理過程中，心肌組織對心臟負(fù)荷的增加做出代償反應(yīng)，使心肌細(xì)胞蛋白質(zhì)合成增加，體積增大，心肌細(xì)胞間質(zhì)纖維化及細(xì)胞間質(zhì)增加，從而導(dǎo)致心肌肥厚[3-4]。容量負(fù)荷過重時，肌小節(jié)串聯(lián)復(fù)制排列使心肌細(xì)胞的長度增加，表現(xiàn)為離心性肥厚；壓力負(fù)荷過重時，肌小節(jié)并行復(fù)制排列使心肌細(xì)胞直徑增加，表現(xiàn)為向心性肥厚[5-6]。當(dāng)心肌肥厚與正常的心臟功能如體育鍛煉或者妊娠相關(guān)時，被稱為生理性心肌肥厚，由于毛細(xì)血管網(wǎng)的相應(yīng)擴(kuò)張，擴(kuò)大的心肌細(xì)胞得到了充分的營養(yǎng)，心臟的結(jié)構(gòu)或功能不會發(fā)生異常。當(dāng)心肌肥厚與心臟功能障礙如大量神經(jīng)體液介質(zhì)的產(chǎn)生、血流動力學(xué)超負(fù)荷、損傷和心肌細(xì)胞的喪失相關(guān)時，心肌細(xì)胞的生長超過了毛細(xì)血管充分供應(yīng)營養(yǎng)和氧氣的能力導(dǎo)致的心肌肥厚，被稱為病理性心肌肥厚。病理性心肌肥厚使心肌收縮力下降,順應(yīng)性降低,氧耗量增加,最終導(dǎo)致心力衰竭、惡性心律失常和心源性猝死[7-8]。Framingham心臟研究和其他人群研究的數(shù)據(jù)表明，病理性心肌肥厚會增加室性早搏、非持續(xù)性室速的發(fā)生率，并相應(yīng)增加心源性猝死的風(fēng)險。俄勒岡州意外猝死研究(Oregon SUDS)證實(shí)，病理性心肌肥厚是心源性猝死風(fēng)險增加的獨(dú)立因素[9]。也有研究表明，發(fā)展中國家因病理性心肌肥厚所致心力衰竭死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的25%[7]。

2 病理性心肌肥厚分子機(jī)制

機(jī)械壓力超負(fù)荷和神經(jīng)體液增多等刺激通過多種信號通路調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)，包括基因表達(dá)、蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞代謝，導(dǎo)致毛細(xì)血管稀薄、代謝紊亂、鈣處理改變、炎性反應(yīng)、細(xì)胞衰老、細(xì)胞死亡和纖維化等一系列復(fù)雜的病理生理變化，進(jìn)而引起病理性心肌肥厚。因此，信號通路的調(diào)控對病理性心肌肥厚的防治至關(guān)重要。

2.1 蛋白激酶通路

2.1.1 環(huán)鳥苷酸(cGMP)/蛋白激酶G(PKG)：cGMP/ PKG信號通路是抗心肌肥厚的一個潛在靶點(diǎn)。cGMP是鳥苷酸環(huán)化酶受體和心房利尿肽(ANP)、B型利尿肽(BNP)及一氧化氮(NO)受體的第二信使。cGMP參與調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的生長和凋亡等生理過程，心肌細(xì)胞中cGMP信號的主要下游靶點(diǎn)是cGMP依賴性蛋白激酶I(PKG-I)。cGMP/PKG信號通路的激活可抑制心肌肥厚。有研究表明，壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚模型中，STAT3基因敲除可抑制cGMP/PKG信號通路激活，從而加重心肌肥厚[10]。也有研究表明，沙庫巴曲纈沙坦可通過部分恢復(fù)PKG信號通路從而抑制壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚[11]。越來越多的藥物通過提高cGMP水平，并激活PKG通路起到減輕心肌肥厚和心力衰竭的作用。

2.1.2 磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/AKT：PI3K信號傳導(dǎo)的主要靶點(diǎn)是AKT，也被稱為蛋白酶B(PKB)。PI3K是誘導(dǎo)心肌肥大、間質(zhì)纖維化和心臟功能障礙的關(guān)鍵酶。PI3K/AKTs信號誘導(dǎo)的心肌肥厚是由2個直接靶蛋白介導(dǎo)的，即哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)。AKT可直接磷酸化GSK-3β，GSK-3β又磷酸化NFAT，從而促進(jìn)NFAT蛋白的細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)錄失活。AKT的另一個下游靶點(diǎn)是mTOR。激活的AKT通過翻譯和磷酸化機(jī)制激活mTOR，導(dǎo)致新陳代謝的改變和細(xì)胞生長的增加[12]。有研究表明，青大顆粒通過PI3K/AKT信號通路可抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥厚[13]。PI3K/AKT信號通路作為防治心肌肥厚的潛在靶點(diǎn)，可能為臨床研究新藥提供有價值的理論依據(jù)。

2.1.3 Janus家族的酪氨酸激酶(JAK)/轉(zhuǎn)錄信號轉(zhuǎn)導(dǎo)者和激活者(STAT)：JAK/STAT信號通路在心肌肥厚過程中起著重要作用[14]。JAK /STAT可傳遞白介素-6(IL-6)、心肌營養(yǎng)素1(CT-1)和白血病抑制因子(LIF)信號，促進(jìn)心肌肥厚的發(fā)展。哺乳動物的JAK家族由4個成員組成，其中Tyk2、JAK1和JAK2在心肌細(xì)胞中表達(dá)。激活的JAKs會將細(xì)胞膜上的STATs蛋白磷酸化，被激活的STAT二聚體聚集在細(xì)胞核中，以激活其目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[15]。JAK/STAT與心肌肥厚和心肌重塑、缺血預(yù)處理和缺血/再灌注引起的心臟功能障礙有關(guān)。通過JAK2抑制劑阻斷JAK/STAT信號傳導(dǎo)已被證明可以改善心臟舒張末期壓力、收縮性和順應(yīng)性，但可能會增加心肌細(xì)胞凋亡[16]，目前對JAK2抑制劑是否促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡仍有爭議，需要進(jìn)一步探討。

2.1.4 蛋白激酶C(PKC)：PKC是絲氨酸/蘇氨酸激酶家族，由于受體依賴的磷脂酶C的激活和膜磷酸肌醇的水解而被激活。PKC是調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞生長和肥大的關(guān)鍵酶，在心臟的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。目前已知的10個PKC家族成員被分為3類：經(jīng)典PKCs、新型PKCs和非典型PKCs。PKC的活性取決于其在細(xì)胞內(nèi)的定位、表達(dá)和磷酸化水平。心肌細(xì)胞的牽拉可激活PKC-ε，PKC-ε的激活可能是導(dǎo)致心室肥大的重要因素，它對細(xì)胞生長有積極作用[17]。PKC-β被證明在心肌肥大中發(fā)揮了重要作用[18]。PKC-α的激活或PKC-α表達(dá)的增加與肥大、擴(kuò)張型心肌病、缺血性損傷或有絲分裂原刺激有關(guān)。近期研究表明，經(jīng)典PKCs(cPKCs)激活可能具有抗心肌肥大作用，而新型PKCs(nPKCs)激活具有促心肌肥厚的作用，預(yù)示著不同的PKCs亞型可能在心肌肥厚調(diào)控中具有相反的作用[19]。各種PKC亞型在心肌肥厚中的具體作用需要進(jìn)一步探索，這也將為防治心肌肥厚提供重要依據(jù)。

2.2 與Ca2+相關(guān)途徑 生理性和病理性心臟肥大都與心肌細(xì)胞的Ca2+水平升高有關(guān)。Ca2+調(diào)節(jié)各種Ca2+依賴性信號通路的活動，包括CaN-NFAT信號通路和鈣調(diào)蛋白依賴性激酶Ⅱ(CaMKⅡ)信號通路。

2.2.1 CaN-NFAT：CaN-NFAT通路是研究最早的信號通路之一。機(jī)械壓力和神經(jīng)體液介質(zhì)，如兒茶酚胺和血管緊張素Ⅱ(Ang-Ⅱ)與G蛋白偶聯(lián)的跨膜蛋白受體結(jié)合，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放并激活CaN-NFAT信號通路。CaN是一種由Ca2+激活的絲氨酸—蘇氨酸蛋白磷酸酶，它能使胞質(zhì)中的NFAT去磷酸化，誘導(dǎo)其核轉(zhuǎn)位和參與心肌肥大的基因表達(dá)。在壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的病理性肥大心臟中，CaN-NFAT通路被激活，但在運(yùn)動訓(xùn)練后的生理性肥大心臟中CaN-NFAT通路卻沒有被激活[6]，這表明CaN-NFAT通路可能只與病理性心肌肥厚相關(guān)。研究表明，TRPC也參與了CaN/NFAT信號通路的激活，抑制TRPC的基因表達(dá)可以減弱心臟肥大。近期有研究表明，鹽酸水蘇堿可通過抑制CaN-NFAT通路從而減輕去氧腎上腺素誘導(dǎo)的心肌肥厚[20]。然而，對于通過干擾CaN-NFAT信號通路來治療病理性心肌肥厚是否是一種理想的治療策略還需要進(jìn)一步探討。

2.2.2 CaMKⅡ：CaMKⅡ是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，受Ca2+/鈣調(diào)蛋白復(fù)合物、ROS和由cAMP直接激活的交換蛋白(EPAC)調(diào)節(jié)。CaMKⅡ?qū)⑸窠?jīng)體液激動劑的刺激與肥大基因表達(dá)聯(lián)系起來。腎素—血管緊張素—醛固酮系統(tǒng)的激活增加了Ang-Ⅱ的水平，并通過激活CaMKⅡ信號直接誘發(fā)心臟肥大。CaMKⅡ的激活導(dǎo)致心臟肥大，而抑制CaMKⅡ則可改善心肌肥大，并改善心力衰竭[21]。心臟特異性CaMKⅡ基因過表達(dá)導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大，與誘導(dǎo)胎兒基因表達(dá)有關(guān)。CaMKⅡ有4種異構(gòu)體(α、β、γ和δ)。CaMKⅡδ是心肌中的主要異構(gòu)體，其亞型CaMKⅡδB對誘導(dǎo)新生鼠心室肌細(xì)胞的肥大和ANF表達(dá)最為有效[22]。有研究表明，在壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)早期，核周圍CaMKⅡδC的激活促進(jìn)了肌細(xì)胞Ca2+瞬時和核轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的適應(yīng)性增加，然而核Ca2+-CaMKⅡδC軸的慢性進(jìn)展導(dǎo)致偏心性心肌肥厚和心力衰竭的發(fā)生。CaMKⅡδ敲除的小鼠對壓力過載的反應(yīng)顯示出不太明顯的心臟肥大，同時收縮功能障礙得到改善，存活率更高[23]。近期有研究表明，蛋白聚糖可抑制CaMKⅡ的激活，從而抑制壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的病理性心肌肥厚[24]。CaMKⅡ可以作為治療心肌肥厚的潛在靶點(diǎn)。

2.3 過氧化物酶體增殖劑激活受體(PPARs) PPARs是一組核受體蛋白，作為轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)各種基因的表達(dá)，在調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、發(fā)育及碳水化合物、脂肪代謝中發(fā)揮重要作用。PPARs有3種異構(gòu)體，即PPARα、PPARβ和PPARγ/δ。PPARα和PPARγ配體都具有多效性，可以抑制病理性心肌肥厚[25]。PPAR激動劑可通過減少脂肪毒性和膠原積累、抑制各種炎性細(xì)胞因子和拮抗各種氧化還原調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子來改善心肌肥厚的程度[26]。有研究表明，葛根素通過激活PPARγ通路抑制壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚的發(fā)生[27]。這些藥物可以降低心血管并發(fā)癥的風(fēng)險；然而，它們長期保護(hù)心臟的臨床效果還有待探討。

2.4 有絲分裂原激活蛋白激酶(MAPK) MAPK級聯(lián)是高度保守的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，它將各種細(xì)胞外信號與細(xì)胞內(nèi)信號包括細(xì)胞分化、運(yùn)動、分裂和死亡等聯(lián)系起來。它們使底物蛋白的絲氨酸和蘇氨酸殘基磷酸化，并調(diào)節(jié)細(xì)胞活動。MAPK信號傳導(dǎo)有3個主要分支，即p38 MAPK、c-Jun N端激酶(JNKs)和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERKs)。p38 MAPK和JNKs對誘導(dǎo)心肌肥厚反應(yīng)包括特定基因表達(dá)和增加蛋白質(zhì)合成有重要意義，而ERKs與生長相關(guān)反應(yīng)有關(guān)[28]。JNK的活性在壓力超負(fù)荷時上調(diào)，而p38的活性在容量超負(fù)荷時被明顯誘導(dǎo)[29]。壓力超負(fù)荷或GPCR激動劑會使小G蛋白如Ras、Raf激活，從而進(jìn)一步激活MAPK信號通路。JNK可通過抑制CaN-NFAT信號傳導(dǎo)抑制心臟肥大[30]。有研究表明，前列腺素E1通過抑制MAPK通路激活而抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥厚[31]。以上研究表明，MAPK是調(diào)控心肌肥厚的關(guān)鍵通路，作為防治心肌肥厚的潛在治療靶點(diǎn)，為研發(fā)新的藥物提供理論依據(jù)。

2.5 Wnt途徑 Wnts是高度保守的、由350～400個氨基酸組成的分泌型糖蛋白。Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是調(diào)控胚胎心臟發(fā)育的信號通路之一，Wnt信號的激活可導(dǎo)致心臟和血管的異常[32]。Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可分為經(jīng)典的Wnt信號通路和非經(jīng)典Wnt信號通路。前者主要是通過Wnt/β連環(huán)蛋白(β-catenin)通路進(jìn)行信號傳遞，各種原因?qū)е陆?jīng)典Wnt信號通路激活會促進(jìn)β-catenin聚集并與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，從而促進(jìn)肥厚基因表達(dá)，導(dǎo)致心肌肥厚；后者主要通過Wnt/ Ca2+和Wnt/JNK通路進(jìn)行信號傳遞。如G蛋白介導(dǎo)卷曲蛋白家族激活Wnt/Ca2+信號通路，促進(jìn)Ca2+釋放，進(jìn)而激活CaMKⅡ、蛋白激酶和CaN，導(dǎo)致心肌肥厚的發(fā)生。Wnts作為干預(yù)心肌肥厚的潛在靶點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。

2.6 自噬 自噬是機(jī)體降解有毒物質(zhì)、損傷的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器等來維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的過程。自噬可以分為宏觀自噬、微觀自噬和伴侶介導(dǎo)的自噬。自噬被饑餓、缺血再灌注、感染、ROS和缺氧等激活。越來越多的證據(jù)表明，自噬在心臟肥大中起作用。多個與肥大有關(guān)的信號通路也廣泛地參與自噬調(diào)節(jié)[33]。PI3K/AKT途徑通過下游蛋白mTOR和GSK3β參與心臟肥大，兩者都能調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞自噬[34]。Ca2+/鈣蛋白信號通路已被證明能以AMPK依賴的方式抑制自噬并促進(jìn)心臟肥大[35]。研究發(fā)現(xiàn)，心肌肥厚早期自噬被誘導(dǎo)，而后期自噬則被過度抑制；在Atg5基因表達(dá)下調(diào)小鼠壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚實(shí)驗(yàn)中，自噬被明顯抑制，心肌肥厚較野生型小鼠明顯增強(qiáng)[36]；Beclin1過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚實(shí)驗(yàn)中，自噬活性顯著增強(qiáng)，心肌肥厚和心肌纖維化程度明顯增強(qiáng)。這表明自噬對心肌肥厚的調(diào)控是雙向的，心肌肥厚是自噬水平失衡的結(jié)果，自噬的激活或抑制都可導(dǎo)致心肌肥厚的發(fā)生。自噬對心肌肥厚的影響也可能與刺激因素及損傷程度等有關(guān)。近期有研究表明，白藜蘆醇、黃連素及姜黃素等天然藥物可以通過不同通路調(diào)控自噬從而影響心肌肥厚[37]。這也可能為心肌肥厚的干預(yù)提供思路。

3 小 結(jié)

心臟為適應(yīng)各種因素刺激發(fā)生代償性改變，最終失代償導(dǎo)致病理性心肌肥厚發(fā)生、發(fā)展。目前雖然在細(xì)胞分子等水平上對心肌肥厚產(chǎn)生機(jī)制取得了一定的認(rèn)識，但病理性心肌肥厚潛在機(jī)制較復(fù)雜，不是單一信號通路激活的結(jié)果，往往涉及多個信號通路同時激活、共同作用。因此，要從整體上認(rèn)識心肌肥厚信號通路，從而找到更有效的治療靶點(diǎn)。就目前的研究結(jié)果，病理性心肌肥厚及心力衰竭是多因素共同作用的結(jié)果，在治療上也需要多方位聯(lián)合用藥來控制甚至逆轉(zhuǎn)病情進(jìn)展，從而改善癥狀和預(yù)后。