趙國軍, 侯連杰,2

1.廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第六醫(yī)院清遠市人民醫(yī)院,廣東清遠 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)療負擔(dān)越來越重[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(如冠狀動脈旁路和經(jīng)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(biāo)并開發(fā)相關(guān)療法。

細胞表型轉(zhuǎn)化是某種細胞在環(huán)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(xué)過程。越來越多研究表明,細胞表型轉(zhuǎn)化在真核生物發(fā)育過程中發(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)機制有關(guān)[3]。本文重點介紹了巨噬細胞極化、血管平滑肌細胞表型轉(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(diào)節(jié)炎癥和清除感染,參與免疫和炎癥修復(fù)的生理和病理過程。巨噬細胞極化是指巨噬細胞通過適應(yīng)周圍環(huán)境而改變表型并表現(xiàn)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(chǎn)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(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(fù)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(diào)節(jié)機制,對抗M1巨噬細胞引起的慢性炎癥反應(yīng)[7]。

代謝重塑是巨噬細胞極化及其效應(yīng)功能的核心[8]。在M1巨噬細胞中,糖酵解上調(diào),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(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(chǎn)生ATP,同時降低糖酵解相關(guān)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(tài),從而驅(qū)動M2巨噬細胞極化[10]。

巨噬細胞表型轉(zhuǎn)化參與心肌損傷中炎癥的發(fā)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(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巨噬細胞通過IL-10的分泌減少炎癥,并啟動細胞外基質(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巨噬細胞分化和功能所必需基因的表達,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),抑制巨噬細胞糖酵解過程可改善炎癥并改善心功能[14]?？傊?這些結(jié)果說明巨噬細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(wěn)定。然而,隨著病變進展,M2巨噬細胞數(shù)量減少,M1巨噬細胞數(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)運相關(guān)蛋白ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運子A1(ATP-binding cassette A1,ABCA1)表達減少,導(dǎo)致膽固醇外排受阻。由此產(chǎn)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(huán)。此外,M1巨噬細胞可分泌基質(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 血管平滑肌細胞表型轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和功能,在應(yīng)激或血管損傷的情況下平滑肌細胞由收縮表型轉(zhuǎn)化為合成表型,以獲得組織修復(fù)的細胞增殖、遷移和合成能力。隨著單細胞測序技術(shù)和細胞譜系追蹤技術(shù)的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)生密切相關(guān)。

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(biāo)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(qū)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(dǎo)小鼠主動脈血管平滑肌細胞獲得巨噬樣細胞表型,并發(fā)生泡沫化,抑制小鼠血管平滑肌細胞的巨噬樣表型轉(zhuǎn)化,能夠顯著減少小鼠動脈粥樣硬化斑塊泡沫細胞數(shù)量并增加纖維帽厚度,增強斑塊穩(wěn)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(fā)生,從機制上講,肝激酶B1通過與SIRT6結(jié)合將其磷酸化,SIRT6促進ox-LDL受體基因組蛋白去乙酰化,抑制ox-LDL受體表達,最終導(dǎo)致血管平滑肌細胞轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn),褪黑素可抑制血管平滑肌細胞巨噬樣表型轉(zhuǎn)化,提示褪黑素可能通過調(diào)控血管平滑肌細胞巨噬樣表型轉(zhuǎn)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(dǎo)致晚期動脈硬度增加、彈性受損和順應(yīng)性不足。血管鈣化可以看作是一個成骨過程,血管細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(dǎo)人類原發(fā)性血管平滑肌細胞鈣化[24]。對高膽固醇飲食誘導(dǎo)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(dǎo)血管平滑肌細胞成骨轉(zhuǎn)化,不利于動脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定[25]。

成纖維細胞樣血管平滑肌細胞的獨特標(biāo)記包括成纖維細胞標(biāo)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(zhì)、增強細胞-基質(zhì)黏附和促進細胞增殖。成纖維細胞樣血管平滑肌細胞轉(zhuǎn)化與動脈纖維化相關(guān),導(dǎo)致動脈僵硬度增加[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(biāo)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(diào)YAP1的轉(zhuǎn)錄表達促進血管平滑肌細胞向成纖維細胞樣細胞的轉(zhuǎn)化[28]。

細胞間信號傳遞也影響血管平滑肌表型轉(zhuǎn)化。巨噬細胞產(chǎn)生的分泌蛋白LGMN已被證明通過降解細胞外基質(zhì)誘導(dǎo)胸主動脈夾層的發(fā)生。機制研究表明,LGMN通過結(jié)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(dǎo)致血管平滑肌細胞由收縮表型轉(zhuǎn)化為合成表型,加劇胸主動脈夾層的發(fā)生[29]。合成型血管平滑肌細胞的產(chǎn)生需要增加合成代謝和分解代謝率來支持大分子的產(chǎn)生和能量產(chǎn)生,表現(xiàn)為參與厭氧糖酵解相關(guān)基因表達的增加,包括葡萄糖轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn),蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶也與血管平滑肌細胞從收縮狀態(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通過促進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)記基因啟動子區(qū)域,進而降低血管平滑肌標(biāo)志基因的表達[30]。鄧潔鋒等[31]研究也發(fā)現(xiàn)主動脈夾層病變過程中ADAM8表達上調(diào),在巨噬細胞過表達ADAM8后,可誘導(dǎo)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(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化與心血管疾病

內(nèi)皮細胞是心臟、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)皮細胞向間充質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)化,同時伴有各種轉(zhuǎn)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(guān)。

內(nèi)皮細胞還是抵抗動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(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化在與斑塊不穩(wěn)定相關(guān)的動脈粥樣硬化病變中很常見[34],動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?；颊吖跔顒用}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)皮細胞會發(fā)生內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化并加速動脈粥樣硬化進展[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)皮細胞特異性敲除該基因可緩解動脈粥樣硬化,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)化在動脈粥樣硬化進展中的作用提供了機制見解,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,組織重塑促進斑塊形成。

譜系追蹤研究發(fā)現(xiàn),心肌成纖維細胞、內(nèi)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(dǎo)致心臟纖維化仍有爭議[38]。在健康成人心臟中,內(nèi)皮細胞是表型穩(wěn)定的,心肌梗死后,心內(nèi)膜細胞可通過內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化生成成纖維細胞。通過內(nèi)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(nèi)皮細胞,發(fā)現(xiàn)心臟損傷后,大量Tie-Cre標(biāo)記的細胞也表達成纖維細胞標(biāo)記物FSP1,表明這些細胞經(jīng)歷了內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化;該研究估計損傷心臟中27%～35%的成纖維細胞來源于內(nèi)皮細胞[39]。在機制上,受損心臟中30%的內(nèi)皮細胞表達pSMAD2和/或pSMAD3,進而激活TGF-β信號通路,啟動內(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)心臟纖維化的進展[40]。

4 結(jié)語與展望

心肌梗死、腦梗死、外周動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,動態(tài)可逆的細胞表型轉(zhuǎn)化將是心血管疾病有潛力的治療干預(yù)手段;雖然當(dāng)前人們對心血管健康的認識與理解已經(jīng)有很大的進步,但仍然遠遠不能滿足人們預(yù)防與治療心血管疾病的實際需要。本文總結(jié)了細胞表型轉(zhuǎn)化在心血管疾病中的潛在功能,未來對細胞表型轉(zhuǎn)化機制的深入研究將推動心血管疾病分子治療的創(chuàng)新,同時基于調(diào)控細胞表型轉(zhuǎn)化治療心血管疾病將成為臨床醫(yī)學(xué)的研究重點,如何在巨噬細胞激活、血管平滑肌細胞表型轉(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)險評估和模型預(yù)警,是基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)化和臨床工作者亟待解決的問題。盡管本專欄內(nèi)基礎(chǔ)與臨床的多位專家針對心血管疾病的發(fā)病機制進行了全面而系統(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關(guān)注,尤其是發(fā)病機制的精準(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,一起推動心血管疾病研究的前行。