心脏细胞外基质重塑：纤维胶原和富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白（SPARC）

摘要

心脏间质

心脏间质主要由I型胶原蛋白组成，少量的III型和V型胶原蛋白构成了大部分心脏结缔组织[1]. 与其他富含胶原蛋白的组织（如真皮和肌腱）的ECM中的胶原蛋白相比，心脏的胶原蛋白ECM的周转率相对较高[2]. 例如，在成年兔子中，心脏和皮肤中的胶原蛋白合成率分别为8.94%和0.86%[三]. 此外，由于间质胶原网络的心肌交联增加，心脏原纤维胶原比其他组织中的胶原更不溶[4]. 心脏中的胶原蛋白原纤维被整合到特征结构中，这些结构被识别为编织物、线圈和支柱[5]. 据推测，每种结构在维持心肌细胞收缩效率方面都起着不同的作用[6]. 在压力超负荷肥大和心肌梗死区，胶原纤维的大小和数量都会增加[1].

控制每种不同胶原纤维的组装和调节结构的机制尚未明确，但可能包括特定蛋白聚糖和糖胺聚糖-胶原蛋白结合伙伴的结合。例如，富含亮氨酸的小蛋白聚糖（SLRP），如卢米卡聚糖和双聚糖，已被证明可以调节肌腱中的胶原纤维直径，并与心脏ECM重塑有关[7,8]. 值得注意的是，心脏组织中卢米卡的表达水平仅与角膜中的表达水平相媲美[8]. 此外，其他类型胶原蛋白的掺入，如I型胶原蛋白与III型胶原蛋白的比例，或纤维相关胶原蛋白与中断三螺旋结构域（FACIT）胶原蛋白的结合，如XII型和XIV型胶原蛋白，都是促进心脏胶原原纤维组织的潜在因素[9]. 基质细胞蛋白，如SPARC（骨连接蛋白，BM-40），是另一类已知影响胶原纤维组装和形态的因子[10]. 评估SPARC和其他基质细胞蛋白在心脏病中的功能的研究揭示了这类蛋白在心脏生理和疾病中的关键活性[11–15].

MMP家族胶原酶对I型前胶原的转录调节和胶原纤维的降解是两个研究得很好的细胞机制示例，它们影响组织中胶原蛋白积累水平。证据表明，SPARC作用于第三个调节点，即合成后的前胶原加工和胶原组装成纤维(图1). 最近，发表了两项关于SPARC在应对心肌梗死（MI）和压力过载时胶原重塑中的作用的研究，这两种动物模型涉及心脏ECM的广泛重组，并伴有胶原纤维沉积。这些研究的结果证明了SPARC在心脏间质中不溶性原纤维胶原的组装中的必要作用。在这篇综述中，我们将主要基于非心脏组织的研究简要总结SPARC的活动。然后，我们将回顾对压力过载和心肌梗死引起的纤维胶原表达和沉积的相关分析，以强调SPARC在纤维胶原生成方面的表达模式。最后，将根据SPARC在前胶原合成后处理中的影响来评估这两种心脏病动物模型中取消SPARC表达的效果，这是控制胶原沉积的潜在细胞机制。

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图1

控制胶原蛋白稳态的调节机制。这篇综述将重点介绍SPARC在合成后前胶原加工中影响心脏胶原沉积的拟议功能。

SPARC公司

SPARC是一种由三个模块结构域组成的原型基质细胞蛋白[16]. 其他基质细胞蛋白包括SPARC家族成员hevin（SC1）、血小板反应蛋白1和2、tenascins C和X、骨膜炎素、CCN家族和骨桥蛋白[13]. 基质细胞蛋白是指在结构上不参与细胞外基质的形成，但在调节细胞与细胞外基质相互作用（如信号传递、粘附、增殖、迁移和存活）方面起辅助作用的蛋白质[10]. 在SPARC的三个模块结构域中，第一个是53个氨基酸结构域，包含17个残基N末端分泌信号肽和两组与钙离子结合的Glu残基。第二个结构域由两个亚结构域组成，分别由24个氨基酸卵泡抑素样结构域和55个氨基酸蛋白酶样抑制区组成。第三个结构域是151个氨基酸的胞外高亲和力钙结合区，称为EC结构域，包含胶原蛋白结合区。

SPARC在多种多样的进化多样的生物体中都是保守的(例如,秀丽线虫,果蝇属（如卤虾、鳟鱼、鸡、小鼠和人类），表明SPARC在多细胞生物学中的基本功能[16].体外，SPARC在多种细胞类型中诱导细胞趋圆，因此被指定为抗粘附蛋白。SPARC结合I型、III型、V型和IV型等纤维性胶原蛋白的能力表明SPARC参与了结缔组织（富含纤维性胶原I、III和V）和基底层（其中IV型胶原是主要成分）中ECM组装的调节[16,17].

SPARC在包括胚胎心脏在内的许多发育中组织中高表达。然而，在器官成熟后，正常心脏和大多数成人组织中SPARC水平下降，并保持相对较低，但那些ECM周转率高的组织除外，如骨和肠上皮[16]. 损伤后，尤其是与胶原蛋白过度沉积相关的损伤后，SPARC会重新表达。因此，SPARC的表达模式与该蛋白在胶原蛋白生成和沉积中的关键作用一致。因此，通过腺病毒传递反义SPARC抑制SPARC的产生体内在大鼠肝纤维化模型中，胶原蛋白的组织浓度显著降低[18].

SPARC阴性小鼠表现出一系列表型，其基础似乎主要存在于ECM组织的改变中。例如，SPARC阴性小鼠的皮肤在富含胶原蛋白的真皮的结构和组成方面都显示出了严重的畸变。成年SPARC缺失皮肤的胶原含量约为野生型（WT）的一半，值得注意的是，与野生型小鼠相比，皮肤中的SPARC缺失胶原纤维在胶原成熟方面减少[19]. 此外，透射电镜显示，在没有SPARC的情况下，胶原原纤维较小，其大小比WT原纤维更均匀[19]. 在博莱霉素诱导的SPARC阴性小鼠肺部损伤中，也有胶原沉积减少的报道，在高血压动物模型中，与WT小鼠相比，SPARC阴性鼠的肾脏纤维化减轻[20,21].

通过羟脯氨酸和胶原蛋白体积分数分析评估，与WT小鼠相比，3个月龄SPARC阴性小鼠的心脏中纤维胶原含量显著减少[11]. 在苦杏仁红染色切片中，与WT小鼠相比，SPARC缺失的胶原纤维较少出现，也不太成熟。扫描电子显微镜拍摄的图像显示，SPARC阴性心脏与WT心脏中较小的胶原纤维数量较少。因此，SPARC是包括心脏在内的多种组织中胶原蛋白ECM组装和稳定性的主要介质。

在与胶原沉积增加相关的心脏病理学中也发现SPARC表达增加。例如，在接受β肾上腺素能刺激的大鼠心脏中发现SPARC表达增加，同时I型和III型胶原增加，TGF-β1增加[22]. TGF-β1是ECM沉积的有效介质，与心肌肌成纤维细胞转化有关。SPARC影响TGF-β1信号转导和肌成纤维细胞分化的能力将在下文中进一步讨论。一项研究发现，在人类心脏病患者左心室肥厚的心室组织切片中，SPARC表达升高[23]. 在人类心脏病中更广泛地描述SPARC将是未来研究的一个重要和主要重点。

虽然胶原mRNA的转录调节代表了一种控制胶原合成水平的机制，但大量的胶原蛋白在沉积到心脏ECM中之前被降解，代表了影响ECM在心脏中沉积的胶原的翻译后调节水平[三]. 虽然已知其他组织中也会发生前胶原降解，但心脏成纤维细胞利用这一机制的水平尤其令人印象深刻。在加入ECM之前，90%的新合成的前胶原被迅速降解[三]. 因此，I型前胶原的合成后调节（包括通过去除N端和C端前肽将I型前胶原蛋白加工成I型胶原蛋白）在控制组装到ECM纤维中的胶原蛋白数量方面发挥着重要作用(图2).

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图2

SPARC在合成后原胶原加工中的拟议功能模型

面板A：在正常野生型（WT）小鼠心肌中，前胶原加工成成熟的胶原纤维：1前胶原分泌到细胞外间隙。2SPARC与前胶原结合（或前胶原由SPARC分泌结合）。三。SPARC减少胶原与细胞表面受体（或受体子集）的联系。4BMP-1裂解的前胶原C末端前肽（PCPE活性增强例如PCPE-1、PCPE-2和Srfp2），5N-末端前肽被ADAMTS-2/14裂解，6胶原通过形成交联而稳定在成熟纤维中。

B组：SPARC缺失改变了成熟胶原纤维加工和降解之间的平衡；增加的细胞相关胶原被细胞表面胶原受体降解和/或吸收，导致有效加工成成熟原纤维的前胶原减少，组装成不溶性纤维的间质胶原水平降低。

面板C：SPARC过度表达会进一步减少细胞相关胶原，促进前胶原的高效加工，并将胶原并入原纤维，从而促进胶原沉积和成熟纤维的形成。

SPARC公司：分泌的蛋白质呈酸性，富含半胱氨酸，骨形态发生蛋白：骨形态发生蛋白，PCPE：前胶原C-蛋白酶增强剂1，其他活性增强剂包括PCPE-2和Srfp2。ADAMTS公司：一个具有凝血酶原反应蛋白型基序的去整合素样和金属蛋白酶结构域，MT1-基质金属蛋白酶：膜型基质金属蛋白酶。

心肌梗死（MI）

心肌梗死的反应在心肌内产生特定区域，每个区域具有不同的细胞环境。例如，胶原蛋白沉积的主要部位梗死区域（梗死区）是由纤维蛋白和纤维连接蛋白等血浆蛋白外渗产生的临时基质初始形成之后形成的。边界区是指与梗死区相邻的区域，将梗死区与心肌保留其结构组织的边远区域隔开。表达多种不同细胞因子和生长因子的巨噬细胞浸润可刺激梗死区及其周围胶原蛋白的生成[24]. 胶原主要由成纤维细胞产生，其中许多成纤维细胞表现出肌成纤维细胞分化的蛋白质表达模式，是维持心室完整性和防止心脏破裂的纤维瘢痕的主要成分[25]. 肌成纤维细胞的特征是α-平滑肌肌动蛋白的表达，这是一种高度收缩的表型，与成纤维细胞相比，其产生胶原蛋白的能力增加[26].

梗死区内相关细胞的SPARC表达与胶原蛋白I和III的表达非常相似。在犬模型中，梗死7天时可见有组织的胶原纤维，从黑色素瘤红染色组织切片中提取的胶原体积分数在14天时继续达到峰值。SPARC免疫阳性细胞的量化发现，阳性细胞的数量在第7天显著增加，并在第14天达到峰值[27]. 在小鼠早期可检测到胶原蛋白沉积，在梗死后3天发现大量胶原蛋白积聚[27]. 同样，小鼠梗死后第3天SPARC免疫阳性细胞数量显著增加，第7天减少，但仍显著高于对照组[27]. 吴等人。发现小鼠心肌梗死后第2天SPARC mRNA增加了约2.6倍，第7天达到约3.7倍的峰值[28]. 因此，SPARC的表达与原纤维胶原的表达密切相关。在狗和小鼠中观察到SPARC生成的时间差异与两种动物胶原蛋白沉积的差异一致[27].

Schellings及其同事最近对心肌梗死后SPARC的表达进行了独立分析，结果表明，通过免疫印迹分析对蛋白水平进行定量评估，在远端和梗死区，SPARC水平显示出与基线水平相比适度增加约2倍。心肌梗死后第7天和第14天，梗死区SPARC水平显著升高，而未检测到远区SPARC高于基线水平的显著升高[12]. SPARC表达主要与α-平滑肌细胞阳性肌成纤维细胞和CD45阳性白细胞相关[12].

如前所述，缺乏SPARC导致心肌梗死后心肌破裂和心室功能障碍显著增加[12]. 尽管在SPARC阴性与WT梗死中，编码I型和III型胶原的mRNA水平没有发现显著差异，但在缺乏SPARC表达的情况下，胶原纤维紊乱且不成熟。透射电镜显示，与WT小鼠相比，SPARC阴性梗死区的胶原纤维直径定量较小，与之前报道的SPARC阴性皮肤胶原纤维异常相似[12,19]. 这些结果与SPARC是胶原蛋白原纤维合成后加工和组装中的一个基本成分相一致。

重要的是，心肌梗死前2天通过腺病毒在WT小鼠中过度表达SPARC，血浆中SPARC水平升高证实了这一点，导致心功能改善和扩张减少，但对梗死面积没有显著影响[12]. 因此，除了与心肌梗死相关的内源性SPARC水平增加外，腺病毒介导的SPARC过度表达有助于损伤后保持心脏功能。

先令等人。接着根据转化生长因子（TGF）-β1信号转导评估SPARC依赖性活性。此前，SPARC与其他细胞类型中TGF-β1信号的调节有关在体外例如，在原代肾系膜细胞和上皮细胞中[29,30]. SPARC表达升高的WT小鼠的梗塞表现出磷酸化Smad2水平升高，Smad2是TGF-β1信号级联中的下游元件。尽管shRNA抑制成纤维细胞中SPARC的表达降低了TGF-β1刺激后p-Smad2/Smad2的比率，但SPARC阴性与WT梗死在Smad2激活方面没有显著差异体内然而，心肌梗死后通过微型泵输注TGF-β1导致SPARC阴性小鼠心脏破裂显著减少，成熟胶原纤维沉积增加[12]. 因此，这些研究与之前的结果一致，即SPARC在某些条件下通过一种尚未明确的机制增强TGF-β1的活性。

有趣的是，SPARC阴性梗死的肌成纤维细胞明显多于WT梗死[12]. 由于TGF-β1是一种有效的肌成纤维细胞转化激活剂，可能已经预测到相反的情况，即由于TGF--β1的效力降低，SPARC阴性梗死中肌成纤维纤维细胞的数量减少。然而，根据这些结果，Chlenksi等人。报道SPARC阻断NIH 3T3和原代成纤维细胞中肌成纤维细胞的激活[31]. 因此，SPARC在调节TGF-β1信号转导通路活性方面的功能，例如Smad2磷酸化与肌成纤维细胞转化，可能表明在常驻心脏成纤维细胞中，或在来源于循环干细胞的成纤维细胞内，存在不同的TGF-？依赖性通路，控制肌成纤维细胞分化。例如，涉及α的机制_三β₁最近研究表明，整合素和透明质酸分别在肌成纤维细胞转化和维持中独立于Smad2磷酸化[32,33]. 此外，在SPARC无效的梗死中，肌成纤维细胞数量增加会增加胶原沉积水平的预测也不正确，这表明仅增加肌成纤维分化不足以推动成熟胶原的掺入增加。

压力过载心脏肥大

压力超负荷心肌肥大的动物模型模拟某些类型的人类心脏病，如高血压和主动脉瓣狭窄，其特征是胶原纤维沉积等[34]. 查普曼等人。报告称，例如，在大鼠肾上腹部动脉结扎后第3天，编码I型和III型胶原的mRNA增加[35]. Villarreal和Dillman报告了I型和III型胶原mRNA的类似增加，他们还报告了在显带后不久TGF-β1 mRNA编码水平的增加[36]. TGF-β1是胶原mRNA的有效诱导剂，也是肌成纤维细胞转化的已知介质。有趣的是，久原等人。结果表明，腹腔注射TGF-β1中和抗体可抑制压力超负荷大鼠心肌成纤维细胞的分化和心肌纤维化[37].

小鼠主动脉环扎（主动脉横缩，TAC）在第3天导致编码I型和III型胶原的mRNA表达增加[38]. 与大鼠相似，与I型胶原相比，III型胶原mRNA的诱导作用更强[37,38]. 多个研究的结果表明，在束带术后4至5周，左心室明显存在胶原蛋白积聚，主要通过测量胶原蛋白体积分数进行评估[11].

最近评估了SPARC对压力超负荷肥大时胶原沉积的影响[11]. 与心肌梗死类似，在缺乏SPARC的情况下，对压力过载的纤维化反应减弱。当加入到不溶性ECM中时，胶原蛋白通过共价交联的形成而稳定[4]. 据报道，作为胶原蛋白交联的一种间接测量手段，不溶性胶原蛋白与可溶性胶原蛋白水平的增加是对压力过载的反应，并被证明有助于心室僵硬的增加[39]. WT小鼠TAC后4周，不溶性胶原蛋白水平增加，而可溶性胶原蛋白减少[11]. 与对照组WT小鼠相比，从WT TAC小鼠分离出的乳头肌表现出与不溶性胶原蛋白含量增加相关的肌肉硬度增加。相反，与年龄匹配的WT TAC小鼠相比，SPARC阴性小鼠的跨主动脉带（TAC）导致间质中沉积的不溶性胶原蛋白较少，伴有较多的可溶性胶原蛋白[11]. 在没有SPARC的情况下，不溶性胶原蛋白浓度的降低与SPARC阴性小鼠与WT对照组以及SPARC阴性鼠与WT TAC小鼠的肌肉硬度降低相关[11].

与心肌梗死相似，SPARC的缺失不会影响胶原合成，SPARC缺失TAC小鼠肥大心室中的总胶原浓度与通过羟脯氨酸分析测量的WT TAC心脏肥大心室的总胶原含量没有显著差异。SPARC缺失的主要影响是可溶性胶原蛋白的增加，而不溶性胶原蛋白的掺入则被破坏，这表明在缺乏SPARC的情况下，胶原蛋白掺入原纤维的效率低下。

SPARC活动的细胞基础

心肌梗死和压力超负荷研究的结果表明，SPARC在胶原沉积于心脏ECM之前调节胶原的合成后处理，而不是参与胶原合成的转录控制。在伦茨等人。，对皮肤成纤维细胞的研究表明，在没有SPARC的情况下，I型胶原不能有效地沉积到不溶性ECM中，因为I型胶原的细胞结合增加，很可能是通过与细胞表面受体的相互作用增加[40]. 在这种情况下，预计SPARC结合的I型胶原会减少I型胶原与细胞的结合，这与之前描述的SPARC的反粘附活性一致。在缺乏SPARC表达的情况下，I型胶原与细胞表面的结合或束缚有利于I型胶原的周转，可能是通过吞噬作用或细胞表面相关胶原酶的降解，而不是ECM的掺入(图2) [41,42]. 在SPARC过度表达的情况下，SPARC可能会进一步限制胶原与细胞表面的结合，从而促进胶原沉积和形成成熟的不溶性胶原纤维(图2).

在这些成纤维细胞研究中还注意到，与WT细胞相比，去除两种前肽的SPARC空细胞层中总胶原蛋白I的比例增加[40]. 前胶原由N端和C端前肽产生，这些前肽被裂解生成纤维形成的胶原I单体。因此，提出了SPARC在调节前胶原合成后加工中的作用。SPARC阴性TAC小鼠中不溶性胶原蛋白掺入减少，同时可溶性胶原蛋白水平增加，这与SPARC促进胶原蛋白加工并随后掺入心脏ECM的机制一致。分泌型Frizzled-related protein（sFRP）2是一种前胶原C蛋白酶增强子，是一种通过增加前胶原C末端蛋白酶BMP-1的活性来增强前胶原加工的蛋白质[43]. 小林等人。表明缺乏sFRP2的小鼠对心肌梗死的纤维化反应减少[43]. 这些结果代表了前胶原加工和随后胶原并入ECM作为心脏纤维化胶原沉积调节要点的重要性。

此外，在压力过载的兔子模型中，Bishop等人。结果表明，除了编码I型胶原的mRNA增加外，ECM组装前降解的胶原量在压力过载诱导后2天出现减少，持续14天[44]. 这种降解的减少预计会导致压力过载心肌中心室胶原浓度的总体增加[44]. 这些结果强调了合成后的前胶原处理作为心脏成纤维细胞控制胶原沉积的调节点的重要性，预测SPARC的表达将促进这一调节点。

令人惊讶的是，在MI和压力过载的分析中，血管功能和密度的差异并没有因缺乏SPARC而显著改变。SPARC最初在内皮细胞条件培养基中被鉴定为高丰度的分泌蛋白[45]. 尽管许多关于SPARC功能的研究已经在内皮细胞中进行在体外到目前为止，对SPARC阴性小鼠的分析还没有发现在这些小鼠的大多数组织中检测到显著的血管表型。

心肌细胞在早期发育和培养细胞中已显示SPARC的表达[46,47]. 为了测试SPARC的缺失是否影响成年小鼠的心肌细胞收缩力，根据收缩和舒张功能评估了来自SPARC阴性和WT动物的单个心肌细胞[11]. SPARC空细胞与WT细胞相比，细胞缩短的百分比或速率以及延长或僵硬的速率没有差异[11]. 尽管不能排除SPARC在心肌细胞中的功能作用，但迄今为止的证据支持SPARC在影响心肌间质方面更为显著的活性。

与心肌梗死动物模型相比，心肌细胞显著死亡时会形成临时基质，而压力过载肥大时则不会形成临时基质。然而，在束带后早期压力超负荷的动物模型中显示，血管周围纤维化伴炎症细胞标志物[48]. 因此，炎症介质可能也有助于胶原在压力过度负荷心肌动物模型中的初始沉积。先令等人。据报道，SPARC阴性小鼠与WT小鼠的白细胞浸润并无显著差异，但在14天的时间点，SPARC阳性梗死中发现的白细胞较少[12]. Rempel报道了SPARC阴性小鼠免疫反应的改变等人。以脾脏细胞组织改变和对脂多糖攻击的免疫反应降低为特征[49]. 巨噬细胞表达SPARC和SPARC结合细胞表面受体稳定素-1，该受体可能从细胞外环境中清除SPARC[50]. 因此，巨噬细胞可能有助于控制细胞外SPARC水平体内由于白细胞浸润的差异仅在心肌梗死后的后期才明显，因此SPARC阴性小鼠白细胞缺乏SPARC表达不太可能是心肌梗死后胶原合成和沉积增加的主要机制。

结论

进一步描述心脏间质中SPARC活性机制的未来实验应包括成纤维细胞特异性过度表达和SPARC的抑制表达。这些研究将确定SPARC是否必须与I型胶原在同一细胞中共同表达才能影响胶原沉积，或者其他细胞类型分泌的细胞外SPARC是否可以提供足够的活性来促进胶原沉积。此外，应测试不结合胶原蛋白的SPARC突变形式的表达，以破译SPARC的胶原蛋白结合活性是否需要如本模型中预测的那样引起胶原蛋白组装的变化(图2). 由于SPARC由秀丽线虫和果蝇属缺乏I型胶原的有机体，同样令人感兴趣的是SPARC是否通过与IV型胶原的相互作用在基底层组装中发挥类似的功能。

纤维性胶原蛋白在心脏中起着关键作用，支持这个重要器官的形态和功能。由于人类心脏胶原浓度的增加与某些类型的心脏病有关，尤其是舒张性心力衰竭，因此有必要确定指示心脏胶原沉积增加的因素作为生物标志物，这是一个活跃的研究领域[34,51]. 此外，增强心肌纤维化的蛋白质活性特征为设计潜在治疗药物以缓解心室胶原含量增加的生理效应提供了新的途径。除SPARC外，许多蛋白质可能参与心脏中的前胶原成熟，包括C端和N端前胶原蛋白酶、蛋白酶增强子和其他基质细胞蛋白质。然而，SPARC-null小鼠提醒我们，心脏纤维化反应能力的降低会导致梗死的负面结果。因此，心脏胶原沉积的调节必须是一个微调和适应性强的系统，以使生物体能够在心脏疾病中存活。

致谢

脚注

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