細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制

趙國(guó)軍, 侯連杰,2

1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第六醫(yī)院清遠(yuǎn)市人民醫(yī)院,廣東清遠(yuǎn) 511518;2.廣州華立科技職業(yè)學(xué)院,廣東廣州 511325

心血管疾病是全球居民死亡和殘疾的主要原因,占所有死亡人數(shù)30%以上[1]。權(quán)威統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,1990—2019年全球心血管疾病死亡人數(shù)增加了41%,且心血管疾病相關(guān)醫(yī)療負(fù)擔(dān)越來(lái)越重[2]。雖然前期研究已開發(fā)了許多藥物(如血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、血管緊張素受體阻滯劑和他汀類藥物等)和治療方法(如冠狀動(dòng)脈旁路和經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入等),但心血管疾病的致死致殘率仍居高不下,因此,迫切需要鑒定和驗(yàn)證心血管疾病的新型治療靶標(biāo)并開發(fā)相關(guān)療法。

細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化是某種細(xì)胞在環(huán)境改變時(shí)失去其特定的表型特征而獲得另一種表型特征的生物學(xué)過(guò)程。越來(lái)越多研究表明,細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化在真核生物發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)控作用,其功能障礙可能與多種疾病的相關(guān)機(jī)制有關(guān)[3]。本文重點(diǎn)介紹了巨噬細(xì)胞極化、血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化和內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在心血管疾病發(fā)生發(fā)展中的潛在功能,以期為細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化在心血管疾病中的治療應(yīng)用指明方向。

1 巨噬細(xì)胞極化與心血管疾病

巨噬細(xì)胞是人體主要的免疫細(xì)胞之一,通過(guò)抗原呈遞、極化和吞噬作用調(diào)節(jié)炎癥和清除感染,參與免疫和炎癥修復(fù)的生理和病理過(guò)程。巨噬細(xì)胞極化是指巨噬細(xì)胞通過(guò)適應(yīng)周圍環(huán)境而改變表型并表現(xiàn)出不同功能的過(guò)程?；罨木奘杉?xì)胞通常分為M1巨噬細(xì)胞和M2巨噬細(xì)胞兩類[4]。M1巨噬細(xì)胞被多種因子激活,包括γ干擾素和脂多糖,并產(chǎn)生和分泌促炎細(xì)胞因子,如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β和IL-6,以及一氧化氮和活性氧。在功能上,M1巨噬細(xì)胞通過(guò)激活煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶復(fù)合物參與病原體的清除并誘導(dǎo)組織損傷,從而產(chǎn)生活性氧[5]。相反,M2巨噬細(xì)胞的主要功能是抑制炎癥、清除細(xì)胞碎片和凋亡細(xì)胞,促進(jìn)組織修復(fù)和纖維化[6]。在IL-4和IL-13的激活下,巨噬細(xì)胞分泌IL-10和TNF-β等抗炎因子,表達(dá)C-C趨化因子配體(C-C motif chemokine ligand,CCL)17、CCL22和CCL24等趨化因子,從而啟動(dòng)功能性抗炎調(diào)節(jié)機(jī)制,對(duì)抗M1巨噬細(xì)胞引起的慢性炎癥反應(yīng)[7]。

代謝重塑是巨噬細(xì)胞極化及其效應(yīng)功能的核心[8]。在M1巨噬細(xì)胞中,糖酵解上調(diào),線粒體氧化磷酸化被抑制。從機(jī)制上講,糖酵解是M1巨噬細(xì)胞快速產(chǎn)生ATP的途徑,而且糖酵解也提供了必要的代謝物,以支持增強(qiáng)的生物合成需求[9]。相反,M2巨噬細(xì)胞主要通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP,同時(shí)降低糖酵解相關(guān)酶活性[9]。此外,巨噬細(xì)胞的胞葬吞噬物可為線粒體呼吸提供燃料,維持NADH/NAD+氧化還原狀態(tài),從而驅(qū)動(dòng)M2巨噬細(xì)胞極化[10]。

巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化參與心肌損傷中炎癥的發(fā)生、進(jìn)展和消退。在心肌再灌注的早期階段,M1巨噬細(xì)胞被認(rèn)為通過(guò)產(chǎn)生炎癥介質(zhì)、活性氧和蛋白酶引起心肌損傷[11]。相反,在晚期階段,M2巨噬細(xì)胞通過(guò)IL-10的分泌減少炎癥,并啟動(dòng)細(xì)胞外基質(zhì)重塑和血管生成[12]。Rondeaux等[13]研究發(fā)現(xiàn),GSK-343抑制血管生長(zhǎng)因子A和干擾素調(diào)節(jié)因子4等基因組蛋白H3賴氨酸27三甲基化,上調(diào)M2巨噬細(xì)胞分化和功能所必需基因的表達(dá),從而加速心肌梗死區(qū)域炎癥的消退并改善心臟功能。分析心肌梗死小鼠心臟巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組信息發(fā)現(xiàn),在心肌梗死后早期(第0天和第1天),在巨噬細(xì)胞中編碼糖酵解酶的基因(M1型)被上調(diào);相反,在心肌梗死后的后期(第3天至第7天),線粒體氧化磷酸化相關(guān)基因(M2型)上調(diào)[9]。此外,在心肌梗死大鼠模型中發(fā)現(xiàn),抑制巨噬細(xì)胞糖酵解過(guò)程可改善炎癥并改善心功能[14]?？傊?這些結(jié)果說(shuō)明巨噬細(xì)胞極化與心肌梗死后心臟損傷修復(fù)和功能恢復(fù)密切相關(guān)。

研究表明,在動(dòng)脈粥樣硬化病變?cè)缙谝訫2巨噬細(xì)胞為主,M2巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌膠原蛋白和增強(qiáng)凋亡細(xì)胞的清除來(lái)促進(jìn)斑塊的穩(wěn)定。然而,隨著病變進(jìn)展,M2巨噬細(xì)胞數(shù)量減少,M1巨噬細(xì)胞數(shù)量逐漸增加,促炎因子分泌增加,導(dǎo)致斑塊破裂。膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)子A1(ATP-binding cassette A1,ABCA1)表達(dá)減少,導(dǎo)致膽固醇外排受阻。由此產(chǎn)生的膽固醇積累進(jìn)一步促進(jìn)巨噬細(xì)胞活化和M1極化,形成惡性循環(huán)。此外,M1巨噬細(xì)胞可分泌基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP),如MMP-2和MMP-9,引起斑塊內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)降解,導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定和破裂,增加急性心血管事件的發(fā)生率[15]。

2 血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化與心血管疾病

血管平滑肌細(xì)胞是動(dòng)脈血管壁上的主要細(xì)胞類型,具有收縮表型;在生理?xiàng)l件下維持正常的血管結(jié)構(gòu)和功能,在應(yīng)激或血管損傷的情況下平滑肌細(xì)胞由收縮表型轉(zhuǎn)化為合成表型,以獲得組織修復(fù)的細(xì)胞增殖、遷移和合成能力。隨著單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)和細(xì)胞譜系追蹤技術(shù)的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)血管平滑肌細(xì)胞有多種不同的亞型,如巨噬細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞、成骨樣血管平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞[16]。血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化失衡與動(dòng)脈粥樣硬化、主動(dòng)脈瘤和血管鈣化等多種心血管疾病發(fā)生密切相關(guān)。

巨噬細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞具有與巨噬細(xì)胞相似的表面標(biāo)記物和功能,如先天免疫信號(hào)、吞噬和胞葬[17]。動(dòng)脈粥樣硬化中血管平滑肌細(xì)胞的吞噬作用依賴于其巨噬細(xì)胞樣表型,因此高水平的氧化型低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)和膽固醇是驅(qū)動(dòng)巨噬細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞的主要代謝因素[18]。遺傳譜系追蹤研究表明,人和小鼠動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中約30%的泡沫細(xì)胞來(lái)源于血管平滑肌細(xì)胞[18]。膽固醇處理誘導(dǎo)小鼠主動(dòng)脈血管平滑肌細(xì)胞獲得巨噬樣細(xì)胞表型,并發(fā)生泡沫化,抑制小鼠血管平滑肌細(xì)胞的巨噬樣表型轉(zhuǎn)化,能夠顯著減少小鼠動(dòng)脈粥樣硬化斑塊泡沫細(xì)胞數(shù)量并增加纖維帽厚度,增強(qiáng)斑塊穩(wěn)定性[19]。此外,小鼠血管平滑肌細(xì)胞肝激酶B1敲除顯著加劇小鼠動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生,從機(jī)制上講,肝激酶B1通過(guò)與SIRT6結(jié)合將其磷酸化,SIRT6促進(jìn)ox-LDL受體基因組蛋白去乙?；?抑制ox-LDL受體表達(dá),最終導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞轉(zhuǎn)換為具有吞噬能力的巨噬細(xì)胞樣泡沫細(xì)胞[20]。李雙等[21]研究發(fā)現(xiàn),褪黑素可抑制血管平滑肌細(xì)胞巨噬樣表型轉(zhuǎn)化,提示褪黑素可能通過(guò)調(diào)控血管平滑肌細(xì)胞巨噬樣表型轉(zhuǎn)化影響動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展。

血管鈣化是老年人和慢性腎臟疾病人群的常見癥狀,可導(dǎo)致晚期動(dòng)脈硬度增加、彈性受損和順應(yīng)性不足。血管鈣化可以看作是一個(gè)成骨過(guò)程,血管細(xì)胞中成骨基因的激活起著關(guān)鍵作用。研究指出,血管平滑肌細(xì)胞向成骨表型轉(zhuǎn)化是血管鈣化的主要原因[22]。在向成骨表型轉(zhuǎn)化的過(guò)程中,收縮標(biāo)志物下調(diào),成骨標(biāo)志物如Ⅰ型膠原α1、Ⅱ型膠原、BMP2和堿性磷酸酶表達(dá)增加[23]。與不吸煙者相比,吸煙者頸動(dòng)脈斑塊中鈣化更常見,體外研究表明,尼古丁增加成骨基因表達(dá),從而誘導(dǎo)人類原發(fā)性血管平滑肌細(xì)胞鈣化[24]。對(duì)高膽固醇飲食誘導(dǎo)的動(dòng)脈粥樣硬化ApoE缺陷(ApoE-/-)小鼠主動(dòng)脈來(lái)源的CD45-細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞測(cè)序顯示,生長(zhǎng)分化因子-10介導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞成骨轉(zhuǎn)化,不利于動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定[25]。

成纖維細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞的獨(dú)特標(biāo)記包括成纖維細(xì)胞標(biāo)記lumican、biglycan和decorin[26]。成纖維細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞主要具有3個(gè)功能:合成細(xì)胞外基質(zhì)、增強(qiáng)細(xì)胞-基質(zhì)黏附和促進(jìn)細(xì)胞增殖。成纖維細(xì)胞樣血管平滑肌細(xì)胞轉(zhuǎn)化與動(dòng)脈纖維化相關(guān),導(dǎo)致動(dòng)脈僵硬度增加[27]。在人類不穩(wěn)定斑塊中發(fā)現(xiàn)大腦和肌肉芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白樣蛋白1(brain and muscle arnt-like protein-1,BMAL1)水平較高,并伴有成纖維細(xì)胞標(biāo)記物人成纖維細(xì)胞特異蛋白1(fibroblast specific protein1,FSP1)升高;BMAL1過(guò)表達(dá)通過(guò)上調(diào)YAP1的轉(zhuǎn)錄表達(dá)促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞向成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞的轉(zhuǎn)化[28]。

細(xì)胞間信號(hào)傳遞也影響血管平滑肌表型轉(zhuǎn)化。巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的分泌蛋白LGMN已被證明通過(guò)降解細(xì)胞外基質(zhì)誘導(dǎo)胸主動(dòng)脈夾層的發(fā)生。機(jī)制研究表明,LGMN通過(guò)結(jié)合并阻斷血管平滑肌細(xì)胞中的整合素αvβ3,減弱Rho GTPase的激活,從而導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞由收縮表型轉(zhuǎn)化為合成表型,加劇胸主動(dòng)脈夾層的發(fā)生[29]。合成型血管平滑肌細(xì)胞的產(chǎn)生需要增加合成代謝和分解代謝率來(lái)支持大分子的產(chǎn)生和能量產(chǎn)生,表現(xiàn)為參與厭氧糖酵解相關(guān)基因表達(dá)的增加,包括葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4、己糖激酶和乳酸脫氫酶;與氧化磷酸化相比,糖酵解支持更快地生成ATP;此外,糖酵解也提供了氨基酸合成所需的中間體3-磷酸甘油酸。另有研究發(fā)現(xiàn),蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶也與血管平滑肌細(xì)胞從收縮狀態(tài)到合成狀態(tài)的表型轉(zhuǎn)化有關(guān),具體而言,蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶5通過(guò)促進(jìn)組蛋白精氨酸二甲基化,減弱組蛋白乙?；?抑制血清反應(yīng)因子/心肌蛋白復(fù)合物募集到血管平滑肌標(biāo)記基因啟動(dòng)子區(qū)域,進(jìn)而降低血管平滑肌標(biāo)志基因的表達(dá)[30]。鄧潔鋒等[31]研究也發(fā)現(xiàn)主動(dòng)脈夾層病變過(guò)程中ADAM8表達(dá)上調(diào),在巨噬細(xì)胞過(guò)表達(dá)ADAM8后,可誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞分化為合成表型,提示其在主動(dòng)脈夾層中的潛在作用。

3 內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化與心血管疾病

內(nèi)皮細(xì)胞是心臟、血管、淋巴管的主要組成部分,在調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)的生理功能方面起著重要作用,內(nèi)皮功能障礙與多種急慢性心血管疾病有關(guān)[32]。內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化是一種特殊類型的上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,可調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化,同時(shí)伴有各種轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞因子的表達(dá)變化,與心肌纖維化和動(dòng)脈粥樣硬化等密切相關(guān)。

內(nèi)皮細(xì)胞還是抵抗動(dòng)脈粥樣硬化的第一道防線,并在剪切應(yīng)力和炎癥刺激下激活轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)信號(hào)[33]。使用Cdh5-CreER或Tal1-CreER譜系追蹤研究表明,內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在與斑塊不穩(wěn)定相關(guān)的動(dòng)脈粥樣硬化病變中很常見[34],動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化導(dǎo)致纖維連接蛋白沉積增加和新內(nèi)膜形成?；颊吖跔顒?dòng)脈粥樣硬化的程度與內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和內(nèi)皮TGF-β信號(hào)的激活程度密切相關(guān)。雖然均勻的層流剪切應(yīng)力抑制內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,但暴露于受干擾剪切應(yīng)力的內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)發(fā)生內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化并加速動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展[35]。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1抑制劑5-Aza可以抑制剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,內(nèi)皮細(xì)胞特異性敲除該基因可緩解動(dòng)脈粥樣硬化,提示該酶是調(diào)節(jié)內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵表觀遺傳因子之一[36]。這些研究為內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展中的作用提供了機(jī)制見解,表明內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在受干擾的剪切應(yīng)力和炎癥之間起著聯(lián)系,組織重塑促進(jìn)斑塊形成。

譜系追蹤研究發(fā)現(xiàn),心肌成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、心外膜細(xì)胞和巨噬細(xì)胞是促成心肌梗死后瘢痕組織形成的主要細(xì)胞來(lái)源[37]。然而,這些來(lái)源在多大程度上導(dǎo)致心臟纖維化仍有爭(zhēng)議[38]。在健康成人心臟中,內(nèi)皮細(xì)胞是表型穩(wěn)定的,心肌梗死后,心內(nèi)膜細(xì)胞可通過(guò)內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化生成成纖維細(xì)胞。通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞特異性Tie-Cre系追蹤升主動(dòng)脈縮窄動(dòng)物模型中的所有內(nèi)皮細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)心臟損傷后,大量Tie-Cre標(biāo)記的細(xì)胞也表達(dá)成纖維細(xì)胞標(biāo)記物FSP1,表明這些細(xì)胞經(jīng)歷了內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化;該研究估計(jì)損傷心臟中27%～35%的成纖維細(xì)胞來(lái)源于內(nèi)皮細(xì)胞[39]。在機(jī)制上,受損心臟中30%的內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)pSMAD2和/或pSMAD3,進(jìn)而激活TGF-β信號(hào)通路,啟動(dòng)內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化程序[39]。此外,TGF-β拮抗劑BMP-7可顯著抑制內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化介導(dǎo)心臟纖維化的進(jìn)展[40]。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

心肌梗死、腦梗死、外周動(dòng)脈疾病等大血管并發(fā)癥仍然是全世界患者死亡的主要原因,動(dòng)態(tài)可逆的細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化將是心血管疾病有潛力的治療干預(yù)手段;雖然當(dāng)前人們對(duì)心血管健康的認(rèn)識(shí)與理解已經(jīng)有很大的進(jìn)步,但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們預(yù)防與治療心血管疾病的實(shí)際需要。本文總結(jié)了細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化在心血管疾病中的潛在功能,未來(lái)對(duì)細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化機(jī)制的深入研究將推動(dòng)心血管疾病分子治療的創(chuàng)新,同時(shí)基于調(diào)控細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化治療心血管疾病將成為臨床醫(yī)學(xué)的研究重點(diǎn),如何在巨噬細(xì)胞激活、血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化和內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化這些基礎(chǔ)上開展心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和模型預(yù)警,是基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)化和臨床工作者亟待解決的問(wèn)題。盡管本專欄內(nèi)基礎(chǔ)與臨床的多位專家針對(duì)心血管疾病的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的闡述,但在心血管疾病患者的早期預(yù)防、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、精準(zhǔn)施治以及后期的不良事件綜合管理上還需要各方力量重點(diǎn)關(guān)注,尤其是發(fā)病機(jī)制的精準(zhǔn)調(diào)控和基礎(chǔ)研究如何高效快速地向臨床轉(zhuǎn)化,尚需領(lǐng)域內(nèi)專家共同探索,一起推動(dòng)心血管疾病研究的前行。