转化生长因子-β信号传导在心肌梗死和心脏重塑中的作用

摘要

1.简介

TGF-β家族成员在梗死心肌中显著诱导，通过其强大的作用能够在梗死愈合、心脏修复和左心室重塑中发挥中心作用。然而，对TGF-β在心脏损伤中确切作用的理解受到了TGF-？激活的复杂而不寻常的生物学特性以及其引起多种且通常相反的细胞反应的惊人多样性的阻碍。我们综述了TGF-β在梗死心肌和重塑心肌中的表达、激活和功能作用的最新研究进展。有证据表明，TGF-β是参与愈合的炎症和纤维化阶段的中心介质，并可能在梗死后心脏修复中严重调节许多细胞步骤。此外，TGF-β在心脏肥厚和纤维化重塑中起着关键作用，介导心肌细胞生长、成纤维细胞活化和细胞外基质沉积。

在哺乳动物中发现了三种结构相似的转化生长因子-β亚型（转化生长因子-β1、β2和β3），由三种不同的基因编码[1]. 这三种亚型通过相同的细胞表面受体发出信号，具有相似的细胞靶点，尽管每种亚型在独特的启动子控制下以不同的模式表达[2]. TGF-β1是普遍存在的亚型，几乎无处不在，而其他亚型在更有限的细胞和组织中表达。虽然这三种亚型具有相似的i体外试验属性及其体内效果是明显的。小鼠的敲除实验表明，每种TGF-β亚型在胚胎发育中都起着独立的作用，强调了它们的非补偿功能。

TGF-β由多种细胞类型产生，是一种巨大的潜在复合物，不能与其受体结合。转化生长因子β活性的细胞外浓度主要通过潜在转化生长因子-β转化为活性转化生长因子–β来调节。大多数组织都含有大量潜在的TGF-β；仅激活该潜在TGF-β的一小部分即可产生最大的细胞反应[三].

多种分子被描述为TGF-β活化剂。蛋白酶包括纤溶酶、基质金属蛋白酶（MMP）-2和MMP-9能够激活TGF-β，将基质降解与对维持基质完整性和稳定性起主要作用的分子的激活结合起来[5]. 血小板反应蛋白（TSP）-1是一种关键的TGFβ激活剂，其作用是破坏潜伏相关肽（LAP）和TGF-β分子之间的非共价相互作用[6]. 活性氧的生成和温和的酸性环境也能够诱导TGF-β的活化。

TGF-β超家族成员通过跨膜I型和II型丝氨酸/苏氨酸受体及其下游效应物Smad蛋白的不同组合将其信号从膜传递到细胞核[1], [8]. 活性TGF-β在细胞表面与组成活性II型受体（TβRII）结合。该复合物随后与I型受体（TβRI）（也称为ALK5）的细胞质域相互作用并转磷酸化[9]. 除了由多种不同细胞类型表达的特征良好的ALK5外，内皮细胞还表达第二种I型TGF-β受体，称为ALK1[10]. TβRI的磷酸化激活I型受体激酶结构域，然后通过Smad蛋白传播下游细胞内信号，Smad蛋白是TGF-β信号通路中的基本成分[11] (图1). 除了Smad介导的转录外，TGF-β还激活其他信号级联，包括细胞外信号调节激酶（Erk）、c-Jun-N-末端激酶（JNK）、TGF-β活化激酶1（TAK1）、阿贝尔森非受体酪氨酸激酶（c-Abl）和p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径[12] (图1).

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图1

TGF-β信号转导中的Smad依赖和Smad依赖途径

TGF-β结合跨膜受体丝氨酸/苏氨酸激酶复合物（I型和II型），通过II型受体激酶诱导I型受体中GS片段的转磷酸化。激活的I型受体磷酸化选定的Smad。受体活化Smads（R-Smads）与普通Smad4形成复合物。随后，Smad复合物转移到细胞核中，在那里调节靶基因的转录。结构分化抑制性Smads（Smad6和Smad7）负调控TGF-β信号传导。此外，TGF-β信号通过Smad依赖性级联（绿色）激活Erk、JNK、p38MAPK、蛋白磷酸酶2A（PP2A）和RhoA途径。

2.TGF-βs：对细胞行为具有强大和多样影响的多效性介质

TGF-β是一些已知的多效性和多功能肽。它们对许多不同的细胞类型具有强大和直接的影响，并参与多种生物过程，如胚胎发育、细胞生长和分化、细胞增殖和凋亡、纤维组织沉积和免疫反应的调节。TGF-β的细胞作用不仅依赖于细胞类型，还依赖于其分化状态和细胞因子环境[2]. TGF-β基因的遗传中断小鼠已经产生，并揭示了TGF-α亚型在胚胎发生和免疫调节中的作用。大约50%的TGF-β1基因缺失小鼠死亡子宫内由于卵黄囊血管生成和造血缺陷[13]. 其余的小鼠发育到足月，没有表现出明显的发育异常，但在出生后约2-4周，它们会患上与多灶性炎症和大量淋巴细胞和巨噬细胞浸润有关的消耗综合征，这些浸润主要发生在心脏和肺[14]. TGF-β1缺失小鼠的表型表明TGF-[14]. 与TGFβ1-/-动物相比，TGFβ2基因敲除小鼠表现出围产期死亡率和广泛的发育缺陷。最常见的发育过程包括上皮-间充质相互作用、细胞生长和细胞外基质生成，导致心脏、肺、颅面部、脊柱、眼、内耳和泌尿生殖器官缺陷[15]. TGF-β3缺陷动物也表现出上皮-间充质相互作用缺陷，导致腭裂和肺发育异常[16]. TGF-β基因敲除动物的不同表型表明三种TGF-α亚型具有许多非补偿功能。

在胚胎发育和成年期间，TGF-β在心脏中高水平表达[17]. 在成年小鼠心脏中，TGF-β定位于心肌细胞和细胞外基质[17]. 在胚胎发育过程中，TGF-β与心脏瓣膜的形态发生有关[18]. TGF-β2基因缺失小鼠表现出多种心脏发育异常，具有不同的外显率，包括右心室双出口、房间隔和心室间隔缺损，偶尔出现半月瓣增厚，反映循环、心肌化和心内膜垫分化障碍[19]. 虽然内源性TGF-β表达在正常成人心脏中的作用尚不清楚，但有人认为它可能维持心肌细胞的自发搏动率[20]. 此外，损伤后激活的潜在TGF-β的储存可能通过促进细胞外基质的新合成和沉积在组织修复中发挥重要作用。

3.炎症反应在梗死愈合中的作用

心肌梗死引发炎症反应，最终导致愈合和疤痕形成[21], [22]. 心脏修复过程可分为三个重叠阶段：炎症阶段、增殖阶段和成熟阶段。在炎症期，心肌细胞死亡和缺氧导致自由基生成，补体级联启动，核因子（NF）-κB和Toll样受体（TLR）介导的信号通路激活。这些事件诱导趋化因子和细胞因子合成，上调内皮细胞和白细胞中粘附分子的表达，导致单核细胞、淋巴细胞和多形核细胞浸润梗死区。中性粒细胞和巨噬细胞清除伤口上的死亡细胞和基质碎片。在愈合的增殖阶段，炎症介质的表达受到抑制，而成纤维细胞和内皮细胞浸润伤口。虽然炎症消退的机制尚不清楚，但及时抑制炎症介质的合成对于向纤维组织沉积过渡很重要。当大多数炎症细胞发生凋亡死亡时，活化的肌成纤维细胞产生细胞外基质蛋白，并形成广泛的微血管网络。疤痕的成熟过程如下：成纤维细胞和血管细胞发生凋亡，形成含有交联胶原束的疤痕。与梗死愈合相关的细胞和分子事件直接影响心肌梗死患者的左心室重构和预后。

TGF-β可能是调节许多与梗死愈合相关事件的关键介质。TGF-β可能在梗死愈合过程中单核细胞募集、促进肉芽组织形成中发挥重要作用。TGF-β信号通路的激活可能在抑制梗死心肌中促炎细胞因子和趋化因子的表达，从而消除炎症浸润方面很重要。此外，TGF-β可能通过介导肌纤维母细胞表型的获得、诱导细胞外基质蛋白合成以及通过增加金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）的表达促进基质保存，从而严重调节纤维组织沉积。为了更好地理解β介导的作用在梗死愈合中的作用，我们将简要讨论TGF-β刺激对参与心脏修复的主要细胞类型的影响。

3.1 TGF-β对炎症和免疫细胞的影响(图2)

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图2

TGF-β对参与梗死愈合的细胞类型的多样性、多功能性和多效性作用

在愈合的促炎期，TGF-β可诱导单核细胞趋化性并调节淋巴细胞表型。TGF-β对成熟巨噬细胞的作用主要是抑制、抑制促炎细胞因子和趋化因子的合成，并减少活性氧的生成。这些作用在调节梗死后炎症反应的消退方面可能很重要。TGF-β还通过增加胶原蛋白和纤维连接蛋白的合成，以及通过上调TIMP抑制基质降解，诱导肌纤维母细胞表型的获得，促进细胞外基质沉积。备用心肌细胞通过肥大对TGF-β产生反应。TGF-β对内皮细胞的作用是复杂的，且依赖于环境；它们在调节梗死血管生成中的重要性尚不清楚。TGF-β介导的对纤维组织沉积和心肌肥大的影响可能在左心室重构的发病机制中起重要作用。

TGF-β1的股动脉浓度引起中性粒细胞的直接趋化反应[23]和单核细胞[26]; 这种作用对于炎症组织中浸润白细胞的运动可能很重要。相反，TGF-β1对内皮细胞的作用导致白细胞粘附减少，中性粒细胞在内皮层的迁移受到抑制，部分原因是E-选择素的表面表达减少[24]. TGF-β对淋巴细胞、单核细胞和巨噬细胞的作用可以是刺激性的，也可以是抑制性的，这取决于细胞因子环境、分化状态和细胞的组织来源[25]强调了细胞因子的多效性。转化生长因子β的微粒体浓度激活单核细胞，刺激多种细胞因子（如白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子-α）、趋化因子（如单核细胞趋化蛋白-1）和生长因子（包括碱性成纤维细胞生长因子和血小板衍生生长因子-BB）的合成[2], [26]增加整合素的表达。与TGF-β对外周血单核细胞的激活作用相反，其对成熟巨噬细胞的作用主要是抑制性的。TGF-β对巨噬细胞具有失活作用，抑制促炎细胞因子和趋化因子的合成[27], [28]减少活性氧生成。TGF-β1缺失小鼠的表型表明，该分子对内皮细胞和巨噬细胞的抗炎作用对于抑制炎症反应和调节组织稳态至关重要。

4.心肌梗死中TGF-β的表达和激活

TGF-β在实验性心肌梗死模型中显著上调。TGF-β亚型在梗死区显示出不同的表达模式：TGF-[39], [40]. 血管紧张素转换酶抑制剂和血管紧张素受体阻滞剂减弱梗死心脏中TGF-β的表达[41], [42]提示血管紧张素II信号在刺激TGF-β合成中起重要作用[43]. 在梗死愈合早期，渗出的血小板可能是潜在TGF-β的主要来源，而巨噬细胞和成纤维细胞可能在愈合增殖期持续上调TGF-α。TGF-β的表达主要局限于梗死边缘区[44]. 在愈合的梗死灶中，TGF-β信号下游效应器的表达增加。瘢痕和边界区的Smad2、3和4蛋白表达显著上调[45]. 相反，抑制性Smad7在心肌瘢痕中的表达降低；这可能导致重塑心肌中的心肌纤维化[46]. 尽管有证据表明，在再灌注梗死后3-5小时，活性TGF-β在心脏细胞外液中释放[47]，梗死心脏TGF-β激活的机制尚不清楚。我们最近的实验表明，梗死边缘区TSP-1的诱导可能在小鼠和犬梗死中TGF-β信号通路的激活中发挥重要作用[48].

5.外源性TGF-β对缺血心脏的影响

Lefer及其同事首次提出外源性TGF-β对缺血心脏的保护作用，证明注射TGF-[49]. 在猫心肌缺血和再灌注模型中，再灌注前静脉注射TGF-β1可减轻心肌坏死和内皮功能障碍，并降低中性粒细胞对缺血冠状动脉内皮的粘附[50], [49]. Baxter及其同事认为外源性TGF-β1对缺血心肌的保护作用可能通过抑制心肌细胞凋亡介导[51]. 最近的研究集中于外源性TGF-β在梗死后心肌再生中的作用。TGF-β和骨形态发生蛋白（BMP）-2增加胚胎干细胞中心脏转录因子的表达，引导其分化为心肌细胞[52]. 将TGF-β预编程CD117+干细胞植入梗死心肌可导致心肌再生并诱导血管生成；当植入未经治疗的干细胞时，这些影响并不明显[53]. 尽管这些研究为TGF-β在心肌缺血中的潜在作用提供了见解，但外源性TGF-α给药对缺血心脏的影响可能是复杂的，并且取决于给药的剂量、种类、时间和途径。

6.内源性TGF-β在调节梗死愈合中的作用

7.TGF-β在心脏重塑中的作用

术语“心室重塑”描述了左心室的大小、形状和功能的改变，以响应血流动力学负荷条件的变化、神经激素的激活或改变心肌结构特征的局部介质的诱导。重塑是一个动态而复杂的过程，由涉及心肌细胞、成纤维细胞和细胞外基质的细胞和分子途径的激活引起。心脏重塑可以是生理性的（精英运动员所描述的）或病理性的。病理性重塑有三种主要模式：a）压力过载导致心肌细胞厚度增长时的同心重塑，b）容积负荷导致心肌细胞延长而导致的偏心重塑，c）梗死后重塑，它包括非损伤区域的压力和体积负荷，以及与心脏瘢痕的细胞和基质成分的相互作用[62], [63]. TGF-β可能通过其在心肌细胞肥大和心肌细胞外基质代谢中的直接和有效作用，成为心脏重塑的重要调节因子。

7.2. TGF-β信号转导与梗死后心室重构(图3)

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图3

TGF-β信号转导在梗死愈合和梗死后重塑中的作用

心肌梗死引发炎症反应，最终导致瘢痕形成。梗死愈合与心室几何特征的改变、扩张和透视有关；这些变化被称为“心室重塑”。在梗死愈合的早期阶段，TGF-β可能通过激活巨噬细胞和抑制内皮细胞趋化因子和细胞因子合成，在解决炎症反应方面发挥重要作用。在后期，TGF-β通过诱导细胞外基质沉积激活成纤维途径，并可能通过促进非梗死心肌的纤维化和肥大而促进左心室重塑的发病机制。

在梗死心脏中，左心室重构在梗死后数小时内开始，并在数周或数月内继续进展[63]. 坏死区域的修复和疤痕的形成与心室结构和几何形状的深刻变化有关，导致周长和球形度增加，左心室容积显著增加(图3). 梗死后重构与心力衰竭进展相关，并与心肌梗死后不良预后相关。心肌梗死后心室扩张是死亡率的重要预测因素[72]和不良心脏事件[73]包括心力衰竭和室性心律失常的发展。虽然重塑的途径仍不清楚，但很明显，与梗死愈合相关的病理和结构变化直接影响心肌梗死患者的重塑和预后。

由于TGF-β在调节纤维组织沉积、细胞外基质组成和心肌肥厚方面具有重要作用，因此它似乎是梗死后重塑发病机制中的一个关键介质。愈合增殖期TGF-β的抑制导致左心室重塑减弱，减轻心肌细胞肥厚，减少非梗死心室间质纤维化[56]. 抗TGF-β治疗对梗死的几何形状也有显著影响，缩短和增厚梗死节段，但不影响梗死的绝对大小[61].

TGF-β1通过激活有丝分裂原活化蛋白激酶激酶（MAPKKK）家族成员TAK1诱导心肌细胞肥大[74]. 心肌梗死后备用心肌细胞中TGF-β1/TAK1-p38MAPK通路被激活，可能在重塑心肌肥厚的发展中起重要作用[74]. 此外，TGF-β可能严重调节梗死心脏细胞外基质网络的组成和空间定位。TGF-β信号的激活似乎主要局限于梗死边缘区，并可能增强局部成纤维细胞的细胞外基质蛋白表达。此外，TGF-β促进成纤维细胞TIMP合成，促进边界区存活心肌中基质沉积。非梗死心肌基质沉积增强可能导致功能障碍，导致梗死心室扩张性重塑。

7.3 TGF-β与肥厚性重塑(图4)

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图4

TGF-β在高密度和扩张性重塑中的作用

有证据表明TGF-β在肥厚性心脏重塑的发病机制中起着核心作用。压力超负荷激活肾素-血管紧张素系统，产生血管紧张素II。血管紧张素II的肥大作用是通过激活转化生长因子-β信号通路介导的。TGF-β诱导心肌细胞肥大和间质纤维化。相反，TGF-β在扩张型心肌病中的作用尚不明确。通过血管紧张素II生成或炎症途径激活介导的TGF-β诱导可能导致心脏纤维化在扩张性重塑中发挥作用。

血流动力学负荷导致的心脏肥大与细胞外基质沉积增加、心肌成纤维细胞增殖和心肌细胞肥大生长有关。一些证据表明TGF-β在调节肥厚性心脏重塑中起重要作用[75]. 首先，体外实验表明TGF-β1刺激改变了分离心肌细胞中分化基因表达的程序，促进了胎儿收缩蛋白的合成，这是压力超负荷肥大的特征[76]. 第二，TGF-β1在肥厚心肌中显著诱导[77]在压力过大的人心脏中，其表达与纤维化相关[65]. 第三，TGF-β在转基因小鼠中的过度表达导致心肌肥大，其特征是间质纤维化和心肌细胞肥大生长[78]. 最后，有直接证据表明TGF-β1在血管紧张素Ⅱ介导的心肌肥大中起关键作用。Schultz及其同事证明，在免疫功能受损的Rag1缺陷背景下繁殖的TGF-β1-/-小鼠（为了克服TGF-α1缺失动物的致死表型，这些动物会发展成弥漫性多器官炎症损伤），在亚加压剂量的血管紧张素II的作用下，可以防止心脏肥大的发展[71]. 这些发现表明TGF-β1作用于血管紧张素II下游，促进心肌细胞在心脏的生长。

关于TGF-β介导的肥厚反应的信号通路的信息有限。最近的一项研究表明，主动脉环扎导致的心肌肥大与TAK1激活有关。成年小鼠心脏中成分激活的TAK1模拟肥大TGF-β反应，导致心肌细胞肥大、间质纤维化、“胎儿”心脏基因诱导和早期死亡[79]. 尽管这些实验表明，TAK1的激活足以引发小鼠心肌的肥大和心力衰竭，但缺乏该途径在TGF-β介导的肥大反应中作用的直接证据。

8.TGF-β作为梗死和重塑心脏的治疗靶点

实验研究表明，抗TGF-β策略的效果取决于干预的时间[61], [86]. 梗死后24小时内抗TGF基因治疗增强了细胞因子和趋化因子的合成，增加了中性粒细胞浸润，导致左心室功能障碍加重，死亡率增加[56]. 相反，晚期TGF-β抑制可减轻心脏肥厚，减少重塑心脏的间质纤维化，减少左心室扩张和功能障碍。因此，在梗死愈合的炎症阶段抑制TGF-β是有害的，并导致局部炎症反应加剧和延长。另一方面，晚期TGF-β的抑制并不干扰炎症浸润消退的机制，并通过减轻纤维化和肥厚性重塑而发挥有益作用。尽管这一观点有些过于简单化，但它可以作为未来研究的初步指南，探索TGF-β介导的梗死愈合作用的机制基础。需要回答几个重要问题：

1. TGF-β对参与梗死愈合的各种细胞类型有何影响，这些影响如何影响重塑过程？

   参与心肌梗死愈合的所有细胞类型都表达TGF-β受体并对TGF-α刺激作出反应。选择性破坏特定细胞类型中TGF-β反应的突变小鼠的产生可能为TGF-α介导的梗死愈合作用的机制提供重要信息。了解体内TGF-β对特定细胞类型的作用的重要性可以让我们预测心肌梗死患者TGF-α抑制的后果。

2. TGF-β介导的梗死愈合效应的信号机制是什么？

   在愈合的梗死区，TGF-β的抗炎和促纤维化作用可能涉及激活不同的信号通路。为了设计选择性靶向特定反应的策略，解剖梗死心肌中TGF-β介导的不同效应的信号通路非常重要。靶向TGF-β受体下游特定通路的药物更有可能达到预期效果，同时避免不必要的并发症[87]. 最近，针对Smad依赖和Smad依赖途径的几种药物已经开发出来。Halofuginone是一种低分子量的植物生物碱，可抑制Smad3的活化并快速增强Smad7的表达，具有强大的抗纤维化特性[88]. 此外，c-abl激酶抑制剂伊马替尼改善肾脏[89]和肺部[90]通过干扰Smad依赖的TGF-β信号通路而导致纤维化。了解Smad依赖和Smad依赖信号在梗死愈合中的作用，可以让我们预测针对心肌梗死患者TGF-β信号级联的各种方法的后果。

3. TGF-β对梗死愈合和左心室重塑有不同的影响吗？

   TGF-β可能在参与梗死愈合和左心室重构的事件中发挥不同的调节作用。梗死区TGF-β信号通路的激活可能对胶原瘢痕的形成和维持、增强张力和防止左心室扩张至关重要[91]. 相反，TGF-β介导的非梗死重塑心肌效应可能导致不适当的纤维化和功能障碍。因此，在梗死愈合的纤维化阶段TGF-β抑制的后果可能取决于抑制剂的局部定位。

4. TGF-β激活的机制是什么？

   虽然TGF-β的激活在TGF-α的生物学中起着至关重要的作用，但对梗死心脏中TGF-γ激活的机制知之甚少。TSP-1似乎在介导梗死边缘区TGF-β活化中起关键作用。然而，其他TGF-β激活机制（如蛋白酶、整合素和自由基生成）的意义尚不清楚。各种TGF-β激活因子的作用可能取决于它们的空间分布及其表达的时间进程。因此，TSP-1可能对梗死边缘区TGF-β的激活起重要作用，而自由基生成在损伤后立即激活可用的TGF-。

5. 特定TGF-β亚型在梗死愈合和心脏重塑中的作用是什么？

   TGF-β1、β2和β3在愈合梗死中的差异表达可能表明TGF-α亚型在梗死心脏中的不同作用。TGF-β1是最丰富的亚型，是巨噬细胞和成纤维细胞分泌的主要亚型，也是人类血小板中唯一的亚型。用转化生长因子β1或转化生长因子-β2治疗的皮肤伤口在伤口愈合的早期增加了细胞外基质的沉积。相反，应用TGF-β3可减少愈合伤口中单核细胞的募集和细胞外基质的沉积[93]并减少瘢痕形成。尚未进行研究探讨特定TGF-β亚型在梗死愈合中的作用。

6. TGF-β信号在糖尿病患者和老年人等高危人群中的作用是什么？

   有证据表明，衰老和糖尿病显著改变细胞对TGF-β的反应。患有缺血性皮肤溃疡的衰老动物[94]和有切口的糖尿病大鼠[95]对TGF-β刺激反应受损。此外，来自衰老受试者的真皮成纤维细胞显示TGF-β受体的表达减少，对生长因子和纤维化物质的反应迟钝[96]. 这些发现与心肌梗死愈合的相关性尚不清楚。了解TGF-β信号在老年人和糖尿病心肌梗死患者中的作用对于为这些高危人群设计最佳治疗策略至关重要。

8.结论

TGF-β在梗死愈合过程中被诱导和激活，通过其多效性和多功能作用可以调节对心脏修复至关重要的广泛细胞反应。不幸的是，TGF-β复杂且常常相互矛盾的生物学特性阻碍了人们对其在梗死愈合和心脏重塑中作用的理解，TGF--β可能参与单核细胞的募集、炎症基因合成的抑制、炎症浸润的消解、，心肌梗死后纤维组织的沉积和新生血管的形成在协调梗死后炎症反应中起着至关重要的作用。了解TGF-β介导作用的时间、定位和信号机制对于设计针对梗死和重塑心脏中TGF-α信号级联的新治疗策略至关重要。

致谢

脚注

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