馬紫微 左幫蕓 王大新 趙靜

(揚(yáng)州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院(江蘇省蘇北人民醫(yī)院) 1心內(nèi)科,江蘇 揚(yáng)州 225001;2藥學(xué)部;3大連醫(yī)科大學(xué))

炎癥反應(yīng)是機(jī)體自我防御的一種免疫反應(yīng),過度的炎癥反應(yīng)廣泛參與多種疾病的病理過程。2000年Franceschi等〔1〕首次提出炎性衰老概念。據(jù)統(tǒng)計(jì),70歲以上老年人約占心血管疾病人群的三分之二〔2〕。心臟衰老以結(jié)構(gòu)改變,功能障礙為特征。衰老過程中經(jīng)常伴隨炎癥發(fā)生,然而關(guān)于炎癥對(duì)心臟衰老的作用及調(diào)控心臟衰老的分子機(jī)制還不完全清楚。因此,深入了解心臟衰老的病理特征及發(fā)生機(jī)制,探討炎癥與心臟衰老之間的聯(lián)系及關(guān)鍵的調(diào)節(jié)機(jī)制,重要的分子靶標(biāo),對(duì)尋找延緩心臟衰老新靶點(diǎn)具有重要意義。

1 心臟衰老的病理特征及發(fā)生機(jī)制

老齡化是眾多疾病的主要危險(xiǎn)因素,特別是在高流行的心、肺系統(tǒng)疾病中〔3〕。心臟衰老主要表現(xiàn)為心室結(jié)構(gòu)重構(gòu)、功能障礙(收縮/舒張異常、電生理活動(dòng)改變),伴隨細(xì)胞外基質(zhì)沉積,最終出現(xiàn)心肌肥大、纖維化、心室壁僵硬、交感神經(jīng)活性增強(qiáng)、鈣通道活性降低等〔2,4〕。生理性心臟衰老與年齡相關(guān),而早發(fā)性心臟衰老則與各種病理改變密切相關(guān)。心臟衰老發(fā)病機(jī)制包括炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、自噬障礙、代謝改變、鈣調(diào)控受損、神經(jīng)內(nèi)分泌通路的激活、衰老細(xì)胞的堆積等。當(dāng)細(xì)胞分裂到一定次數(shù)后,不可逆的細(xì)胞周期停滯狀態(tài)被稱為細(xì)胞衰老〔4〕,包括復(fù)制性和應(yīng)激性衰老。氧化應(yīng)激、炎癥等病理性因素的刺激則可引起心肌細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激性衰老〔5〕。衰老相關(guān)分泌表型(SASP)是細(xì)胞衰老的一個(gè)重要標(biāo)志,由白細(xì)胞介素(IL)-1、IL-6和IL-8等促炎細(xì)胞因子及趨化因子、生長因子等細(xì)胞因子組成〔6〕。

2 炎癥促進(jìn)心臟衰老的分子機(jī)制

炎癥是以血管系統(tǒng)為中心,炎癥細(xì)胞為基礎(chǔ),促炎介質(zhì)為媒介的一系列自動(dòng)局部反應(yīng),促進(jìn)受損組織的愈合及再生。適度炎癥反應(yīng)對(duì)機(jī)體有益,但過度炎癥反應(yīng)會(huì)損傷組織。炎癥反應(yīng)是驅(qū)動(dòng)衰老的重要因素,在衰老的過程中通常伴隨炎癥信號(hào)的激活及促炎細(xì)胞因子表達(dá)增加;衰老細(xì)胞的堆積又加劇了炎癥水平升高。機(jī)體內(nèi)除了促炎機(jī)制,還有抗炎機(jī)制緊密協(xié)調(diào),炎癥的結(jié)果取決于促炎與抗炎過程的復(fù)雜平衡。炎癥在動(dòng)脈粥樣硬化、心房纖顫、心力衰竭等心血管疾病中均扮演重要角色。心肌細(xì)胞的炎癥信號(hào)通常是心肌損傷的早期反應(yīng),并通過細(xì)胞內(nèi)的一系列病理生理機(jī)制,致使細(xì)胞器功能障礙,與下游信號(hào)通路級(jí)聯(lián)放大炎癥信號(hào),驅(qū)動(dòng)心臟細(xì)胞功能紊亂,同時(shí)伴隨細(xì)胞周圍環(huán)境改變,最終組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡被打破,加速心臟衰老。

2.1炎癥與細(xì)胞內(nèi)分子調(diào)節(jié)機(jī)制

2.1.1炎癥與線粒體功能障礙 與機(jī)體其他組織臟器相比,心臟具有更高的基礎(chǔ)耗氧率,心肌細(xì)胞具有更高密度的線粒體,因此心肌細(xì)胞對(duì)能量的需求也相對(duì)較高〔4〕。心臟衰老過程中,心肌細(xì)胞線粒體體積增大,單位體積線粒體膜面積和長度的減少〔7〕。RNA測(cè)序的全轉(zhuǎn)錄組分析顯示,大量衰老相關(guān)的指標(biāo)變化與線粒體密切相關(guān),特別是促炎癥表型的改變〔8〕。線粒體功能障礙或自噬下降都會(huì)損害細(xì)胞穩(wěn)態(tài)并引發(fā)炎癥,并可以通過一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞衰老〔9〕。此外,線粒體在細(xì)胞免疫過程中起到重要調(diào)控作用,線粒體通過調(diào)節(jié)樹突細(xì)胞和淋巴細(xì)胞之間的免疫突觸的活力狀態(tài),調(diào)節(jié)炎癥向免疫耐受或免疫原性方向發(fā)展〔10〕。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A 缺乏而導(dǎo)致線粒體功能失調(diào)的T細(xì)胞可以作為衰老的加速因子,且當(dāng)阻斷腫瘤壞死因子(TNF)-α信號(hào)通路或用NAD+前體阻止衰老時(shí),可以部分挽救線粒體轉(zhuǎn)錄因子A 缺陷的T細(xì)胞小鼠的過早衰老〔11〕。最近的研究表明,線粒體功能障礙以一種獨(dú)特的分泌表型誘導(dǎo)衰老,被稱作線粒體功能障礙相關(guān)衰老。該種類型的細(xì)胞可以分泌抗炎因子IL-10,也可以分泌高水平的促炎因子趨化因子配體(CCL)27和TNF-α,是一種缺乏IL-1依賴因子但包括其他因子的特殊SASP〔12〕。

2.1.2炎癥與氧化應(yīng)激 線粒體也是細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)的主要來源。ROS過度生成和氧化應(yīng)激會(huì)引發(fā)組織、細(xì)胞損傷,從而導(dǎo)致炎癥和氧化應(yīng)激的惡性循環(huán)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體在物理上相互連接,稱為線粒體相關(guān)膜,是NLRP3炎癥小體激活的重要部位〔13〕。功能障礙的線粒體伴隨線粒體自噬抑制,導(dǎo)致ROS蓄積,線粒體源ROS作為關(guān)鍵信號(hào)調(diào)控NLRP3炎癥小體活化,進(jìn)一步激活下游半胱氨酸蛋白酶(caspase)-1,釋放促炎因子,重現(xiàn)SASP,觸發(fā)心臟炎癥〔13〕。也有證據(jù)表明,NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白(NLRP)3炎性小體的清除,可保護(hù)老齡小鼠的心臟功能,延長壽命〔14〕。心肌細(xì)胞中依賴于單胺氧化酶A 活性的氧化應(yīng)激可促進(jìn)線粒體損傷、端粒功能障礙、衰老標(biāo)志物表達(dá)〔15〕。過多的ROS還可以作用于細(xì)胞內(nèi)其他結(jié)構(gòu),如其作用于脂質(zhì)膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化,破壞膜結(jié)構(gòu),使膜通透性增高〔4〕;作用于細(xì)胞核引起DNA損傷,并在正反饋回路中激活DNA損傷反應(yīng),最終導(dǎo)致衰老〔16〕。此外,ROS還可介導(dǎo)與細(xì)胞存活和增殖相關(guān)的信號(hào)通路,影響細(xì)胞有絲分裂〔17〕。研究表明,ROS能夠誘導(dǎo)異列酮修飾心臟中的特殊蛋白,其作為心臟新抗原,導(dǎo)致心臟內(nèi)T細(xì)胞抗原受體依賴的CD4+T細(xì)胞激活,促進(jìn)心臟功能障礙〔18〕。

2.1.3炎癥與DNA損傷 細(xì)胞增殖、代謝活動(dòng)過程中,炎癥、氧化應(yīng)激、紫外線照射等因素均會(huì)引起DNA損傷,且隨著年齡增長而不斷累積,最終將對(duì)轉(zhuǎn)錄、復(fù)制等生物學(xué)過程產(chǎn)生負(fù)面影響,破壞遺傳穩(wěn)定性。線粒體的功能失調(diào)與核編碼其氧化磷酸化的基因下調(diào)有關(guān),進(jìn)一步觸發(fā)ROS/c-Jun氨基末端激酶(JNK)反饋信號(hào)通路,驅(qū)動(dòng)細(xì)胞核中脫落的胞漿染色質(zhì)片段的形成〔19〕,這些片段和微核中核DNA的積累,會(huì)觸發(fā)環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶的激活,繼而產(chǎn)生環(huán)鳥苷酸-腺苷酸,激活STING蛋白,STING一旦被激活,招募TANK結(jié)合激酶1,磷酸化下游靶標(biāo),包括干擾素調(diào)節(jié)因子3 和核因子(NF)-κB信號(hào)通路的不同信號(hào)分子,最終導(dǎo)致促炎因子上調(diào),從而促進(jìn)天然免疫反應(yīng),觸發(fā)SASP〔20,21〕。

2.1.4炎癥與端粒功能障礙 端粒是染色體末端短DNA重復(fù)序列,隨著細(xì)胞分裂、炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)等變短。有證據(jù)表明,由于哺乳動(dòng)物出生后心臟發(fā)生炎癥和氧化應(yīng)激,其心肌細(xì)胞的端粒長度顯著減少〔2〕。嚴(yán)重的炎癥、氧化應(yīng)激和缺氧時(shí),心肌細(xì)胞的端粒長度會(huì)發(fā)生快速變化〔22〕。心肌細(xì)胞的端粒酶可防止端?？s短,破壞這種酶的活性可導(dǎo)致心血管疾病發(fā)生發(fā)展〔23〕。與復(fù)制性衰老相比,易激性衰老不依賴端粒酶的活性或增殖時(shí)間〔5〕。有證據(jù)表明端粒長度不是衰老的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。人類和小鼠心肌細(xì)胞在衰老過程中端粒區(qū)域發(fā)生持續(xù)DNA損傷,且這些變化獨(dú)立于端粒長度縮短,隨后DNA損傷反應(yīng)激活組蛋白H2A.X磷酸化、促進(jìn)p53、p21和p16蛋白的合成,進(jìn)而抑制細(xì)胞周期,導(dǎo)致SASP、炎癥增加及心臟功能障礙加劇〔23〕。NF-κB敲除炎癥小鼠模型中,心臟、結(jié)腸和脾臟及其他組織中激活DDR的細(xì)胞表達(dá)豐富,通過ROS介導(dǎo)的端粒功能障礙加速衰老進(jìn)程〔24〕。

2.2心臟內(nèi)多細(xì)胞調(diào)節(jié)機(jī)制 心臟免疫細(xì)胞、心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等均表達(dá)模式識(shí)別受體(PRRs)。心臟中最重要的PRRs包括Toll樣受體、C型凝集素受體、RIG-Ⅰ樣受體、NOD樣受體等〔25〕。巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞、B細(xì)胞和T細(xì)胞等眾多免疫細(xì)胞參與心臟免疫防御〔26〕。當(dāng)心臟組織受到損傷刺激時(shí),細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)或跨膜PRRs識(shí)別來自外源病原體相關(guān)的分子模式和損傷相關(guān)的分子模式,宿主免疫細(xì)胞被迅速激活,促炎因子和趨化因子表達(dá)增加,進(jìn)而激活體液免疫〔27〕。與此同時(shí),衰老心肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等本身表現(xiàn)為SASP,伴隨炎性因子持續(xù)分泌,募集免疫細(xì)胞浸潤,加劇炎癥反應(yīng)。有效的宿主免疫對(duì)維持心臟內(nèi)穩(wěn)態(tài)和心臟重構(gòu)至關(guān)重要,PRRs的長時(shí)間激活會(huì)促進(jìn)免疫衰老〔28〕。免疫監(jiān)視減弱,清除衰老細(xì)胞能力下降,衰老細(xì)胞堆積加速,誘發(fā)慢性持續(xù)性炎癥,形成炎癥與衰老的惡性循環(huán)。

2.2.1炎癥與心肌細(xì)胞 心肌細(xì)胞占心臟所有細(xì)胞的25%～35%〔29〕?？顾ダ系鞍譑lotho預(yù)處理可有效抑制高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞炎癥、ROS生成、線粒體功能障礙、心肌纖維化、心肌細(xì)胞肥大及凋亡,這些作用依賴于核因子E2相關(guān)因子2表達(dá)增強(qiáng)和NF-κB滅活〔30〕。INK-ATTAC轉(zhuǎn)基因小鼠心肌細(xì)胞端粒功能障礙激活經(jīng)典p21CIP和p16INK4a衰老相關(guān)通路,導(dǎo)致非典型的SASP,釋放內(nèi)皮素3、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β2等因子,促進(jìn)成纖維細(xì)胞激活和心肌細(xì)胞肥大〔31〕。采用藥理方法或遺傳技術(shù)清除衰老心肌細(xì)胞,將抑制心臟病理性重構(gòu),從而證實(shí)心肌細(xì)胞衰老是心臟衰老的重要環(huán)節(jié)〔31,32〕。

2.2.2炎癥與成纖維細(xì)胞 心臟成纖維細(xì)胞參與細(xì)胞外基質(zhì)的形成,維持心臟組織的完整性,此外,持續(xù)廣泛的纖維化將會(huì)導(dǎo)致心室壁僵硬進(jìn)行性增加及心臟舒張功能受損,最終導(dǎo)致心臟衰老〔33〕。有研究認(rèn)為心臟成纖維細(xì)胞具有炎性細(xì)胞的一些特征,也表達(dá)PRRs及分泌趨化因子和細(xì)胞因子〔34〕。壓力超負(fù)荷、缺血缺氧、炎癥等病理刺激條件下,靜息期成纖維細(xì)胞激活進(jìn)入增殖期,通過外源病原體相關(guān)的分子模式和損傷相關(guān)的分子模式激活PRRs,啟動(dòng)下游級(jí)聯(lián)信號(hào),分泌IL-6、IL-8等促炎因子及CCL2等趨化因子,從而獲得肌成纖維細(xì)胞表型,膠原分泌增加,細(xì)胞外基質(zhì)沉積〔35〕。一部分成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榧〕衫w維細(xì)胞具有抗炎特性,另一部分則重回靜息態(tài),出現(xiàn)凋亡或衰老〔33〕。成纖維細(xì)胞衰老表現(xiàn)為細(xì)胞周期阻滯或SASP,并通過絲氨酸蛋白酶抑制劑,介導(dǎo)內(nèi)皮炎癥反應(yīng)〔2,36〕。炎癥細(xì)胞浸潤釋放的細(xì)胞外基質(zhì)可激活心臟成纖維細(xì)胞,促進(jìn)纖維化發(fā)展,最終加劇心臟衰老〔37〕。

2.2.3炎癥與內(nèi)皮細(xì)胞 內(nèi)皮細(xì)胞活化是心血管疾病發(fā)生的一個(gè)重要標(biāo)志。內(nèi)皮細(xì)胞是除成纖維細(xì)胞之外數(shù)量較大的一類非心肌細(xì)胞,具有每年15%的高周轉(zhuǎn)率〔29,38〕。在衰老、肥胖、高血壓等心血管疾病的主要危險(xiǎn)因素刺激下,心臟內(nèi)皮細(xì)胞與炎癥、氧化應(yīng)激、膠原合成和細(xì)胞衰老相關(guān)的信號(hào)通路均上調(diào)〔39〕。血管細(xì)胞黏附分子(VCAM)-1在IL-1、TNF-α等炎癥因子作用后在內(nèi)皮細(xì)胞表面廣泛表達(dá),脂多糖誘導(dǎo)的全身炎癥小鼠模型心臟中活化的內(nèi)皮細(xì)胞VCAM-1表達(dá)水平顯著增高〔40〕。內(nèi)皮細(xì)胞通過TGF-β介導(dǎo)的內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化直接促進(jìn)心臟炎癥反應(yīng)及心臟纖維化發(fā)生〔35〕。特異性消融內(nèi)皮細(xì)胞保護(hù)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)研究表明,微循環(huán)功能障礙足以誘發(fā)心力衰竭〔41〕。

2.2.4炎癥與干細(xì)胞 成人間充質(zhì)干細(xì)胞的年更新率約為4%〔29〕,心肌原性心臟祖細(xì)胞(CPCs)含量<1%,但其具有重要的潛在功能〔42〕。小鼠衰老模型中心臟間充質(zhì)干細(xì)胞出現(xiàn)衰老標(biāo)志物改變:p16INK4A表達(dá)增高,SA-β-gal活性增加,DNA損傷明顯和端粒長度顯著縮短等,繼而產(chǎn)生功能失調(diào)的成纖維細(xì)胞,IL-6、Ⅰ型膠原等分泌進(jìn)一步增加,介導(dǎo)衰老心臟炎癥反應(yīng)與彌漫性間質(zhì)纖維化〔38,43〕。70歲以上老年人半數(shù)以上的CPCs表現(xiàn)為SASP,出現(xiàn)衰老標(biāo)志物的改變;移植到梗死心臟后不能復(fù)制、分化、再生或恢復(fù)心臟功能。體外使用Senolytics(一種具有清除衰老細(xì)胞能力的藥物)消除衰老的CPCs后可明顯逆轉(zhuǎn)SASP,全面消除老年小鼠體內(nèi)衰老細(xì)胞,且常駐CPCs被激活,增殖的心肌細(xì)胞數(shù)量有所增加〔44〕。

2.2.5炎癥與脂肪細(xì)胞 脂肪組織在受巨噬細(xì)胞浸潤后能夠產(chǎn)生大量促炎細(xì)胞因子。脂肪組織也可獨(dú)立于巨噬細(xì)胞產(chǎn)生炎癥介質(zhì),被稱為代謝性炎癥〔45〕。此外,內(nèi)臟脂肪組織可通過產(chǎn)生促纖維化因子如骨橋蛋白OPN和TGF-β,促使心臟成纖維細(xì)胞衰老,從而加速心臟衰老中和心臟功能衰退;采用OPN小分子抑制劑Agelastatin A干預(yù)后,衰老小鼠能夠完全逆轉(zhuǎn)衰老相關(guān)的心肌纖維化表型,改善心臟功能失調(diào)〔46〕。

3 炎癥與細(xì)胞間穩(wěn)態(tài)

衰老細(xì)胞的衰老相關(guān)分泌表型通過分泌物質(zhì)與鄰近細(xì)胞交流,影響細(xì)胞周圍的微環(huán)境,誘導(dǎo)鄰近細(xì)胞DNA損傷和衰老,導(dǎo)致組織器官發(fā)生炎性改變〔32〕。衰老成纖維細(xì)胞的炎癥特征,細(xì)胞外基質(zhì)及血管新生,成骨基因發(fā)生變化。功能分析顯示衰老心臟成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞之間的旁分泌交流受損〔36〕。衰老CPCs出現(xiàn)衰老相關(guān)分泌表型,通過旁分泌釋放促炎因子、趨化因子等,使原來正常的CPCs失去增殖能力并轉(zhuǎn)變?yōu)樗ダ媳硇汀?4〕。相關(guān)研究表明,單胺氧化酶A轉(zhuǎn)基因小鼠急性氧化應(yīng)激模型中,心肌基質(zhì)細(xì)胞中β半乳糖苷酶(SA-β Gal,衰老細(xì)胞的一種特異性標(biāo)志)陽性細(xì)胞積聚,DNA損傷增加,獲取SASP,此外IL-1家族細(xì)胞因子(IL-1α、IL-1β)等促炎介質(zhì)富集,伴隨血清中炎癥介質(zhì)升高,由此形成的慢性炎癥微環(huán)境促進(jìn)心血管功能障礙發(fā)生〔47〕。衰老過程中,細(xì)胞間通訊功能改變,神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)功能失調(diào),神經(jīng)元變性及神經(jīng)激素信號(hào)通路的失調(diào),則出現(xiàn)炎癥反應(yīng)增強(qiáng)、免疫監(jiān)視功能降低〔48〕。上述的這些變化使心臟修復(fù)反應(yīng)變緩,其中膠原蛋白發(fā)生年齡依賴性蓄積,心室發(fā)生進(jìn)行性僵硬增加,最終心臟發(fā)生退行性改變。

綜上,心臟衰老是由炎癥信號(hào)參與并驅(qū)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)一系列變化,包括線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、基因組不穩(wěn)定性、端粒功能障礙等。在特定條件下,炎性衰老是由細(xì)胞器損傷、分子損傷、不適當(dāng)?shù)拿庖咝盘?hào)和自身抗原引起的不可控性“無菌”炎癥的結(jié)果〔49〕。生物體內(nèi)抗炎促炎機(jī)制的復(fù)雜平衡,如何從多角度有效地抗炎,這仍是一個(gè)亟待解決的重要問題。單純清除衰老細(xì)胞效果不佳,通過延緩細(xì)胞衰老保持正?！澳贻p”細(xì)胞表型的方式,可能是未來抗衰老研究的重要方向〔32〕。炎癥參與心臟衰老進(jìn)程中的多個(gè)環(huán)節(jié),識(shí)別心臟炎癥的分子觸發(fā)機(jī)制,深入剖析炎癥信號(hào)網(wǎng)絡(luò),從抗炎角度開發(fā)抗心臟衰老的新藥具有重要的科學(xué)價(jià)值。