細胞表型轉化在心血管疾病發生發展中的作用機制

趙國軍, 侯連杰,2

1.廣州醫科大學附屬第六醫院清遠市人民醫院,廣東清遠 511518;2.廣州華立科技職業學院,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30%以上[1]。權威統計數據表明,1990—2019年全球心血管疾病死亡人數增加了41%,且心血管疾病相關醫療負擔越來越重[2]。雖然前期研究已開發了許多藥物(如血管緊張素轉換酶抑制劑、血管緊張素受體阻滯劑和他汀類藥物等)和治療方法(如冠狀動脈旁路和經皮冠狀動脈介入等),但心血管疾病的致死致殘率仍居高不下,因此,迫切需要鑒定和驗證心血管疾病的新型治療靶標并開發相關療法。

細胞表型轉化是某種細胞在環境改變時失去其特定的表型特征而獲得另一種表型特征的生物學過程。越來越多研究表明,細胞表型轉化在真核生物發育過程中發揮重要調控作用,其功能障礙可能與多種疾病的相關機制有關[3]。本文重點介紹了巨噬細胞極化、血管平滑肌細胞表型轉化和內皮間充質轉化在心血管疾病發生發展中的潛在功能,以期為細胞表型轉化在心血管疾病中的治療應用指明方向。

1 巨噬細胞極化與心血管疾病

巨噬細胞是人體主要的免疫細胞之一,通過抗原呈遞、極化和吞噬作用調節炎癥和清除感染,參與免疫和炎癥修復的生理和病理過程。巨噬細胞極化是指巨噬細胞通過適應周圍環境而改變表型并表現出不同功能的過程?；罨木奘杉毎ǔ７譃镸1巨噬細胞和M2巨噬細胞兩類[4]。M1巨噬細胞被多種因子激活,包括γ干擾素和脂多糖,并產生和分泌促炎細胞因子,如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白細胞介素(interleukin,IL)-1β和IL-6,以及一氧化氮和活性氧。在功能上,M1巨噬細胞通過激活煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶復合物參與病原體的清除并誘導組織損傷,從而產生活性氧[5]。相反,M2巨噬細胞的主要功能是抑制炎癥、清除細胞碎片和凋亡細胞,促進組織修復和纖維化[6]。在IL-4和IL-13的激活下,巨噬細胞分泌IL-10和TNF-β等抗炎因子,表達C-C趨化因子配體(C-C motif chemokine ligand,CCL)17、CCL22和CCL24等趨化因子,從而啟動功能性抗炎調節機制,對抗M1巨噬細胞引起的慢性炎癥反應[7]。

代謝重塑是巨噬細胞極化及其效應功能的核心[8]。在M1巨噬細胞中,糖酵解上調,線粒體氧化磷酸化被抑制。從機制上講,糖酵解是M1巨噬細胞快速產生ATP的途徑,而且糖酵解也提供了必要的代謝物,以支持增強的生物合成需求[9]。相反,M2巨噬細胞主要通過氧化磷酸化產生ATP,同時降低糖酵解相關酶活性[9]。此外,巨噬細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,從而驅動M2巨噬細胞極化[10]。

巨噬細胞表型轉化參與心肌損傷中炎癥的發生、進展和消退。在心肌再灌注的早期階段,M1巨噬細胞被認為通過產生炎癥介質、活性氧和蛋白酶引起心肌損傷[11]。相反,在晚期階段,M2巨噬細胞通過IL-10的分泌減少炎癥,并啟動細胞外基質重塑和血管生成[12]。Rondeaux等[13]研究發現,GSK-343抑制血管生長因子A和干擾素調節因子4等基因組蛋白H3賴氨酸27三甲基化,上調M2巨噬細胞分化和功能所必需基因的表達,從而加速心肌梗死區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胞轉錄組信息發現,在心肌梗死后早期(第0天和第1天),在巨噬細胞中編碼糖酵解酶的基因(M1型)被上調;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基因(M2型)上調[9]。此外,在心肌梗死大鼠模型中發現,抑制巨噬細胞糖酵解過程可改善炎癥并改善心功能[14]?？傊?這些結果說明巨噬細胞極化與心肌梗死后心臟損傷修復和功能恢復密切相關。

研究表明,在動脈粥樣硬化病變早期以M2巨噬細胞為主,M2巨噬細胞通過分泌膠原蛋白和增強凋亡細胞的清除來促進斑塊的穩定。然而,隨著病變進展,M2巨噬細胞數量減少,M1巨噬細胞數量逐漸增加,促炎因子分泌增加,導致斑塊破裂。膽固醇轉運相關蛋白ATP結合盒轉運子A1(ATP-binding cassette A1,ABCA1)表達減少,導致膽固醇外排受阻。由此產生的膽固醇積累進一步促進巨噬細胞活化和M1極化,形成惡性循環。此外,M1巨噬細胞可分泌基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP),如MMP-2和MMP-9,引起斑塊內細胞外基質降解,導致斑塊不穩定和破裂,增加急性心血管事件的發生率[15]。

2 血管平滑肌細胞表型轉化與心血管疾病

血管平滑肌細胞是動脈血管壁上的主要細胞類型,具有收縮表型;在生理條件下維持正常的血管結構和功能,在應激或血管損傷的情況下平滑肌細胞由收縮表型轉化為合成表型,以獲得組織修復的細胞增殖、遷移和合成能力。隨著單細胞測序技術和細胞譜系追蹤技術的發展,發現血管平滑肌細胞有多種不同的亞型,如巨噬細胞樣血管平滑肌細胞、成骨樣血管平滑肌細胞和成纖維細胞樣血管平滑肌細胞[16]。血管平滑肌細胞表型轉化失衡與動脈粥樣硬化、主動脈瘤和血管鈣化等多種心血管疾病發生密切相關。

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

血管鈣化是老年人和慢性腎臟疾病人群的常見癥狀,可導致晚期動脈硬度增加、彈性受損和順應性不足。血管鈣化可以看作是一個成骨過程,血管細胞中成骨基因的激活起著關鍵作用。研究指出,血管平滑肌細胞向成骨表型轉化是血管鈣化的主要原因[22]。在向成骨表型轉化的過程中,收縮標志物下調,成骨標志物如Ⅰ型膠原α1、Ⅱ型膠原、BMP2和堿性磷酸酶表達增加[23]。與不吸煙者相比,吸煙者頸動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,從而誘導人類原發性血管平滑肌細胞鈣化[24]。對高膽固醇飲食誘導的動脈粥樣硬化ApoE缺陷(ApoE-/-)小鼠主動脈來源的CD45-細胞進行單細胞測序顯示,生長分化因子-10介導血管平滑肌細胞成骨轉化,不利于動脈粥樣硬化斑塊的穩定[25]。

成纖維細胞樣血管平滑肌細胞的獨特標記包括成纖維細胞標記lumican、biglycan和decorin[26]。成纖維細胞樣血管平滑肌細胞主要具有3個功能:合成細胞外基質、增強細胞-基質黏附和促進細胞增殖。成纖維細胞樣血管平滑肌細胞轉化與動脈纖維化相關,導致動脈僵硬度增加[27]。在人類不穩定斑塊中發現大腦和肌肉芳香烴受體核轉運蛋白樣蛋白1(brain and muscle arnt-like protein-1,BMAL1)水平較高,并伴有成纖維細胞標記物人成纖維細胞特異蛋白1(fibroblast specific protein1,FSP1)升高;BMAL1過表達通過上調YAP1的轉錄表達促進血管平滑肌細胞向成纖維細胞樣細胞的轉化[28]。

細胞間信號傳遞也影響血管平滑肌表型轉化。巨噬細胞產生的分泌蛋白LGMN已被證明通過降解細胞外基質誘導胸主動脈夾層的發生。機制研究表明,LGMN通過結合并阻斷血管平滑肌細胞中的整合素αvβ3,減弱Rho GTPase的激活,從而導致血管平滑肌細胞由收縮表型轉化為合成表型,加劇胸主動脈夾層的發生[29]。合成型血管平滑肌細胞的產生需要增加合成代謝和分解代謝率來支持大分子的產生和能量產生,表現為參與厭氧糖酵解相關基因表達的增加,包括葡萄糖轉運蛋白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。另有研究發現,蛋白精氨酸甲基轉移酶也與血管平滑肌細胞從收縮狀態到合成狀態的表型轉化有關,具體而言,蛋白精氨酸甲基轉移酶5通過促進組蛋白精氨酸二甲基化,減弱組蛋白乙?；?抑制血清反應因子/心肌蛋白復合物募集到血管平滑肌標記基因啟動子區域,進而降低血管平滑肌標志基因的表達[30]。鄧潔鋒等[31]研究也發現主動脈夾層病變過程中ADAM8表達上調,在巨噬細胞過表達ADAM8后,可誘導血管平滑肌細胞分化為合成表型,提示其在主動脈夾層中的潛在作用。

3 內皮間充質轉化與心血管疾病

內皮細胞是心臟、血管、淋巴管的主要組成部分,在調節心血管系統的生理功能方面起著重要作用,內皮功能障礙與多種急慢性心血管疾病有關[32]。內皮間充質轉化是一種特殊類型的上皮間充質轉化,可調節內皮細胞向間充質細胞的轉化,同時伴有各種轉錄因子和細胞因子的表達變化,與心肌纖維化和動脈粥樣硬化等密切相關。

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

譜系追蹤研究發現,心肌成纖維細胞、內皮細胞、心外膜細胞和巨噬細胞是促成心肌梗死后瘢痕組織形成的主要細胞來源[37]。然而,這些來源在多大程度上導致心臟纖維化仍有爭議[38]。在健康成人心臟中,內皮細胞是表型穩定的,心肌梗死后,心內膜細胞可通過內皮間充質轉化生成成纖維細胞。通過內皮細胞特異性Tie-Cre系追蹤升主動脈縮窄動物模型中的所有內皮細胞,發現心臟損傷后,大量Tie-Cre標記的細胞也表達成纖維細胞標記物FSP1,表明這些細胞經歷了內皮間充質轉化;該研究估計損傷心臟中27%～35%的成纖維細胞來源于內皮細胞[39]。在機制上,受損心臟中30%的內皮細胞表達pSMAD2和/或pSMAD3,進而激活TGF-β信號通路,啟動內皮間充質轉化程序[39]。此外,TGF-β拮抗劑BMP-7可顯著抑制內皮間充質轉化介導心臟纖維化的進展[40]。

4 結語與展望

心肌梗死、腦梗死、外周動脈疾病等大血管并發癥仍然是全世界患者死亡的主要原因,動態可逆的細胞表型轉化將是心血管疾病有潛力的治療干預手段;雖然當前人們對心血管健康的認識與理解已經有很大的進步,但仍然遠遠不能滿足人們預防與治療心血管疾病的實際需要。本文總結了細胞表型轉化在心血管疾病中的潛在功能,未來對細胞表型轉化機制的深入研究將推動心血管疾病分子治療的創新,同時基于調控細胞表型轉化治療心血管疾病將成為臨床醫學的研究重點,如何在巨噬細胞激活、血管平滑肌細胞表型轉化和內皮間充質轉化這些基礎上開展心血管疾病的風險評估和模型預警,是基礎、轉化和臨床工作者亟待解決的問題。盡管本專欄內基礎與臨床的多位專家針對心血管疾病的發病機制進行了全面而系統的闡述,但在心血管疾病患者的早期預防、風險預警、精準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關注,尤其是發病機制的精準調控和基礎研究如何高效快速地向臨床轉化,尚需領域內專家共同探索,一起推動心血管疾病研究的前行。