蕾曩琢字杂志,2014,24(4 J.80—82,封3 ◎2014 CHINESE JOURNAL OF MICROCIRCULATION doi:10.3969/j.issn.1005—1740.2014.04.020 心脏成纤维细胞在心肌纤维化中的作用 蔡辉张蓓蓓综述 [中图分类号]R361.3 [文献标识码]A [文章编号] 1005—1740(2014)o4—0080--04 【摘要】心脏成纤维细胞(CFB)调节细胞外基质(ECM)合成和降解,是参与心脏损伤修复和心肌纤维化 (MF)的关键细胞。多种来源的CFB聚集到损伤区域并活化,通过分化为肌成纤维细胞(MFB)、分泌多种生物活 性因子,影响基质金属蛋白的酶/组织金属蛋白酶抑制(MMP/T1MP)系统,引起MF。本文综述了CFB来源、CFB 对ECM的调节及CFB对MF作用的研究进展。 【关键词】心脏成纤维细胞;心肌纤维化 心脏成纤维细胞(Cardiac Fibroblasts,CFB)是调节细胞 细胞 ]、骨髓来源细胞(纤维细胞、单核细胞)F4 1、周细胞等都 外基质(Extracellular Matrix,ECM)合成和降解的主要细 可以转化为CFB,且这些细胞与固有CFB还可以进一步分 胞。各种心脏疾病造成心肌细胞丢失和ECM结构破坏时, 化为功能更强的肌成纤维细胞(Myofibroblast,MFB),共同 CFB便活化、增殖,参与心脏损伤的修复。但当胶原合成过 参与心肌组织修复和MF。MF时CFB的高度异质性(包括 度时,会发生心肌纤维化(Cardiac Fibrosis,MF)和心室重 细胞表型、细胞功能和细胞来源)可反映病理状态下心脏重 构。本文对CFB来源、对ECM合成降解的调节,对CFB分 塑的程度。 化、分泌功能的及其与MF的关系进行综述,为以CFB 目前,在体心脏组织中,CFB标记物主要有波形蛋白 为靶点的抗MF治疗提供新的思路。 (Vimentin)、盘状结构域受体一2(Discoidin Domain Receptor一 2,DDD-2)、成纤维细胞特异性蛋白一1(Fibroblast—Specific 1 CFB的来源 Protein一1,FSP一1,即S100A4,只在一种CFB亚型中表达 ) CFB和心肌细胞是心脏组织的主要细胞,但不同种属成 和a一平滑肌肌动蛋白(a—Smooth Muscle Actin,q—SMA);另 年哺乳动物心脏,两种细胞的比例有所不同。传统研究认 外,CFB也高度表达一些非特异性蛋白,如B1一整合素、纤维 为,胚胎在发育过程中,CFB主要起源于前心外膜细胞。前 连接蛋白、间隙连接蛋白和成纤维细胞活化蛋白(Fibroblast 心外膜细胞移行至胚心表面形成心外膜上皮细胞,即所谓的 Activation Protein,FAP)等。因此,在相关研究中根据CFB 心外膜来源细胞(Epicardium—Derived Cells,EPDCs);随后 的定位和功能状态,采用多种复合标记物可提高CFB鉴定 EPDCs经历上皮一间充质细胞转变(Epithelial—Mesenchymal— 结果的准确性_6]。 Transition,EMT)成为间充质细胞_1]。大量的问充质细胞向 心肌筋膜中迁移,最后定植于心肌细胞间质,成为固有CFB 2 CFB对ECM的调节 (Resident Cardiac Fibroblasts)。另外,中胚层来源的血管母 ECM主要由胶原、蛋白聚糖、糖蛋白、细胞因子、生长因 细胞(Mes0angiob1asts)也是胚心固有CFB来源之一。正常 子和蛋白酶等构成。其中的胶原主要是I型和Ⅲ型胶原,分 成人心脏固有CFB更新主要来源于内源性成纤维细胞和经 别约占8o 和1o ,主要功能是为心脏提供骨架支撑、传递 历EMT的细胞。与固有CFB不同,瓣膜间质成纤维细胞基 机械信号到心肌细胞、促进心脏有序收缩。正常情况下, 本上起源于内皮细胞,被覆心脏瓣膜的内皮细胞经历内皮一 CFB通过合成ECM、分泌胶原水解酶,有效调节ECM水 间充质细胞转变(Endothelial—Mesenchymal—Transition, 平。MF时,CFB能迅速感知ECM硬度,诱导基质金属蛋白 EndMT)后,分化为成纤维细胞表型。成年后的心脏瓣膜成 酶(Matrix Metalloproteinases,MMPs)表达,减少胶原沉 纤维细胞的更新依赖于骨髓来源细胞_2]。当心脏受到炎症、 积 。 缺血缺氧等的刺激时,除了活化大量固有CFB外,还可以募 2.1 CFB与ECM的合成 集并活化其它来源的成纤维细胞,现已明确,内皮细胞、上皮 生理状态时,CFB通过合成新胶原蛋白替代老化的胶原 蛋白来稳定心脏EcM的成分和结构。胶原纤维(Fibrillar [作者单位] 南京军区总医院中西医结合科,南京210002 Collagen)以前多肽(Precursor Polypeptide)形式分泌到细胞 本文2014—08 外,除去氨基基团或羧基端肽后聚合成原纤维(Nascent Fi— 13收到。2014—09—23修回 brils)。胶原纤维单体(Collagen Monomers)通过羟脯氨酸 矗■扭学者嘧 2014年第24卷第4期 综 心脏成纤维细胞在心肌纤维化中的作用 81 (Hydr0xyproline,HYP)和羟赖氨酸(Hydroxy1ysine)残基互 键蛋白[163。化学、物理和环境因素的刺激会影响TlMPs的 相结合形成成熟的胶原。成熟的胶原高度稳定,在正常心脏 表达。TIMPs在体内的半衰期很短_】 ,药物干预有很大难 中半衰期约100天。胶原合成的转录由促纤维化因子介导, 度,目前尚未开发出相关药物。 而转录后调节由4一脯氨酰羟化酶(Prolyl一4一Hydroxylase)限 3 CFB与MF 速酶。 如上所述,CFB是心脏损伤修复的关键细胞。多种来源 心脏损伤后,CFB功能受到自分泌或旁分泌的多种生物 的CFB聚集到损伤区域,迅速活化、增殖,部分CFB分化为 活性因子的调节。这些生物活性因子可以改变成纤维细胞 MFB,并分泌多种生物活性因子作用于自身,加快损伤修 基因表达,促使各种来源的成纤维细胞向损伤区域迁移而有 复。MFB在心肌组织的持续存在及各种促纤维化因子的作 助于伤口愈合和瘢痕形成。急性心肌梗死后,CFB分泌 用是损伤修复后期继发MF的重要原因。 MMPs分解基质胶原,而后迁移到梗死区域,并且合成大量 3.1 CFB分化为MFB 胶原以替代坏死的心肌细胞(替代性纤维化)。CFB合成 MFB的出现是纤维化组织的重要特征。MFB兼具 ECM不仅发生在梗死局部,在梗死区域远端也有ECM合成 CFB和平滑肌细胞的功能和结构特点,特异性表达a-SMA。 的增加(反应性纤维化)。有研究表明,左室超负荷模型动物 从成纤维细胞转变为MFB经历两个步骤:第一步是形成包 也存在反应性纤维化,其最初是一种适应性反应,目的是保 含B_/7一肌动蛋白的应力纤维,第二步是前体MFB(Proto— 护心脏的容量负荷,但随着心脏负荷的逐渐加重、心肌细胞 myofibroblasts)发育成为完全分化的MFB。a—SMA进入应 代偿性肥大和坏死,继发替代性纤维化[8]。纤维化对心脏功 力纤维可以提高MFB的收缩力。微丝通过MFB特有的纤 能有重要影响,首先是胶原的过度沉积引起心肌顺应性下 维连接复合体(也被称为成熟黏着斑)与细胞外的纤维连接 降,影响心脏舒张功能,纤维化持续进展还可引起收缩功能 蛋白相连接,从而与ECM联系并相互作用n 。CFB向 障碍;其次是过多的胶原会增加心肌细胞之间的电传导,容 MFB的分化受到多种因素的调节,如压力超负荷、促炎性细 易诱发心律失常;而后冠状动脉周围纤维化会减少心肌细胞 胞因子、血管肽和激素等,其中转化生长因子一B (Transfor— 供氧,加剧心肌缺血。 ming Growth Factor,TGF- ̄1、白介素一1p(Interleukin,IL一1p) 2.2 CFB与ECM的降解 起到促进作用。而成纤维细胞生长因子(Fibroblast Growth CFB通过合成MMPs降解ECM,组织金属蛋白酶抑制 Factors,FGF)可以阻止或逆转CFB向MFB分化 。 剂(Tissue Inhibitor of Metalloproteinases,TIMPs)抑制 MFB因具有发达的粗面内质网和高尔基体,合成胶原 MMPs活性。MMP/TIMP系统失衡在MF和心衰的进展 的速率较成纤维细胞显著增加,是参与心肌损伤修复的主要 中起重要作用,不同心脏疾病(如肥厚性心肌病、心肌炎、缺 细胞。MFB还能大量分泌TGF-]3 、肿瘤坏死因子一a(Tumor 血性心脏病)导致的心衰,MMP/TIMP比例有所不同,但都 Necrosis Factor,TNF-a)、IL一6、单核细胞趋化因子一1等。 表现为胶原过度沉积 ]。 MFB过度合成胶原除了引起心肌僵硬,顺应性下降外,还会 目前已识别和鉴定的MMPs有2o余种,能降解ECM 干扰电信号的正常传导,引起心律失常。 的所有成分。正常心脏中,MMPs表达和活性是受严格 在组织损伤修复后期,MFB凋亡是肉芽组织向成熟瘢 的,包括基因转录的调节、转录后酶原的活化及TIMPs的拮 痕转变的关键,但心脏中的MFB耐受凋亡,使心脏中的疤痕 抗等。心肌梗死者,MMPs表达和活性升高,ECM过度降 持久存在,心肌损伤后数年,仍可以在心肌瘢痕中发现 解,早期可导致损伤区域扩大,后期则引起室壁变薄,对心脏 MFB,使得MFB持续合成ECM,也使得MF和心力衰竭持 功能产生严重影响。MMPs大部分由CFB分泌。人体CFB 续进展。因此,抑制CFB分化为MFB和促进MFB凋亡是 能分泌的MMPs包括胶原酶(MMP一1和MMP一13)、明胶酶 治疗MF的有效途径[2“21]。 (MMP一2和MMP一9),基质溶解素(MMP一3)和膜型MMP 3.2 CFB分泌功能的 (Membrane-type Matrix MetalIoproteinases,MT—MMP,主 CFB活化后可以合成一系列生物活性因子,并分泌到间 要是MT1一MMP,即MMP一14)。各种MMPs表达和活性除 质,不仅作用于心脏中其它细胞,也作用于CFB自身。体外 受CFB分泌和TIMB水平调节外,促炎细胞因子、B型利钠 培养的CFB能分泌TGF- ̄I、Ang一Ⅱ、IL-6_2 、TNF_a、IL-1t3 肽、机械压力和氧化应激均能促进其表达和活性增加_1 “], 等生物活性因子,促进CFB活化、迁移和分化。Ang一1I和 而血管紧张素(Angiotensin-Ⅱ,An Ⅱ)的作用则相反l 1。 TGF-131是公认的促纤维化物质,可以刺激成纤维细胞增殖; TIMP有4种单体,分别为TIMP-1、TIMP-2、TIMP-3 而TNF-a和IL一1B能抑制CFB合成胶原和活化MMPs,导 和TIMP-4与MMPs一起表达于心脏组织。TIMP-1的表 致心室扩大和心衰[2 ,IL一1B还具有促进CFB迁移的能 达和活性下降是MF的重要原因口 ;TIMP一2和TIMP一3在 力[ 。上述生物活性因子还互相影响,相互调节。CFB的 心室重构中的作用存在差别,有研究表明TIMP一2基因缺失 分泌功能除受到自分泌生物活性因子影响外,机械压力、低 小鼠表现为心脏明显肥大但无纤维化,而TIMP一3基因缺失 氧、活性氧和其它一些化学物质对CFB分泌的生物活性因 小鼠表现为明显纤维化但无心脏肥大l_】 。另外TIMP-4 子的质和量也能产生影响。纤维化心脏中,各种因素共同作 能抑制MT1一MMP活性所以是缺血~再灌注损伤修复的关 用,最终影响MMP/TIMP系统,破坏ECM平衡,使之发生 穗疆环学杂志 2014年第24卷第4期 综述 82 蔡辉,张蓓蓓 CFB对MF有重要作用,主要通过其分化成为MFB、分 泌多种生物活性因子,影响MMP/TIMP平衡等机制而引起 MF。在此过程中,多种因素参与了CFB功能的调节。目 MF。逆转纤维化相关生物活性因子的异常表达是目前抗纤 维化治疗的重要思路,但由于很难确切区分各种因子的作 用,抗纤维化药物的靶向作用较差,其弊可能大于其利。事 实上,正常心脏可通过分泌抗纤维化因子拮抗促纤维化因 子,如提高心肌肝细胞生长因子(Hepatocyte Growth Fac— 前,MF的西医治疗主要针对某一种影响因素,总体效果不 如人意;中药通过多种途径抑制CFB合成胶原,对MF治疗 显示了良好的疗果,已成为研究热点之一。对CFB功能的 深入研究将为防治MF提供新的策略。 ● tor,HGF)浓度或能降低MF风险。因有研究发现,用TGF- 81处理过的CFB分泌HGF的能力明显下降,并且HGF过 度表达可以抑制CFB增殖、分泌和分化成为MFBl2 ;HGF 还能抑制EndMET。故提高心肌中的HGF水平可能是防 治MF的思路之一l2 。 本文第一作者简介: 蔡辉(1959一)。男,汉族,博士,主任医师,研究方向:中西医结合临 床与基础研究 4总结和展望 参考文献 ocardial response to pressure overload[J].Circ Heart Fail, 2O14,7(2):340—350. 1 Lie—Venema H.van den Akker NM,Bax NA,et a1.Origin,fate, and function of epicardium-derived cells(EPDCs)in normal and abnormal cardiac development[J].ScientificWorldJournal,2007, 12(7):1 777—1 798. 1 1 Park JY,Ryu SK,Choi JW,et a1.Association of inflamma— tion,myocardial fibrosis and cardiac remodelling in patients with mild aortic stenosis as assessed by biomarkers and echocardio— 2 Hajdu Z,Romeo SJ,Fleming PA,et a1.Recruitment of bone marrow-derived valve interstitial cells is a normal homeostatic graphy[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2014,41(3):185—191. 1 2 Kuan TC,Chen MY,Liao YC,et a1.Angiotensin II downregu— lates ACE2一mediated enhancement of MMP一2 activity in human process[J].J Mol Cell Cardiol,2011,51(6):955—965. 3 Zhou B,von Gise A,Ma Q,et a1.Genetic fate mapping demon— strates contribution of epicardium-derived cells to the annulus fi— cardiofibrob1asts[J].Biochem Cell Biol,2013,91(6):435—442. 13 Kinoshita T,Ishikawa Y,Arita M,et a1.Antifibrotic response brosis of the mammalian heart[J].Dev Biol,2010,338(2): 251—261. of cardiac fibroblasts in hypertensive hearts through enhanced 4 Chu PY,Mariani J,Finch S,et a1.Bone marrow—derived cells TIMP一1 expression by basic fibroblast growth factor[J].Card— iovasc Pathol,2014,23(2):92—100. contribute to fibrosis in the chronically failing heart[J].Am J Patho1,2010,176(4):1 735—1 742. 5 Kong P.Christia P,Saxena A,et a1.Lack of specificity of fibro— 1 4 Brauer PR.Cai DH.Expression of tissue inhibitor of metallo— proteinases(TIMPs)during early cardiac development[J]. Mech Dev,2002,113(2):175—179. 15 Fan D,Takawale A,Basu R,et a1.Differential role of TIMP2 and TIMP3 in cardiac hypertrophy,fibrosis,and diastolic dys blast—specific protein 1 in cardiac remodeling and fibrosis[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2013,305(9):H1 363~1 372. Santiago JJ,Dangerfield AL,Rattan SG,et a1.Cardiac fibro— blast to myofibroblast differentiation in vivo and in vitro:expres— sion of foca1 adhesion components in neonata1 and adult rat ven— function[J].Cardiovasc Res,2014,103(2):268—280. 16 Takawale A,Fan D,Basu R,et a1.Myocardial recovery from ischemia—-reperfusion is compromised in the absence of tissue in—L tricular myof|brob1asts[J].Dev Dyn,2010,239(6):1 573—1 584. hibitor of metall0proteinase 4[J]. Circulation Heart Failure, 2Ol4,7(4):652—662. 7 Xie J,Zhang Q,Zhu T,et a1.Substrate stiffness—regulated ma— trix metalloprotein—ase output in myocardial cells and cardiac fi— 17 Batra J,Robinson J,Mehner C,et a1.PEGylation extends cir cutation half life while preserving in vitro and in vivo activity of broblasts:implications for myocardial fibrosis[J].Acta Bio mater,2014。10(6):2 463—2 472. tissue inhibitor of metalloprotein—ases一1(TIMP 1)[J].PLoS One,2O12,7(11):e50 028. 18 Eyden R The myofibroblast:phenotypic characterization as prereq 8 Li Q,Xu Y,Li X,et a1.Inhibition of Rho-kinase ameliorates myocardial remodeling and fibrosis in pressure overload and myo— cardial infarction:role of TGF—betal—TAK1[J].Toxicol Lett, 2012,211(2):91—97. uisite to understanding its functions in translational medicine[J].J Cell Mo1 Med,2008,12(1):22—37. 9 Polyakova V,Loeffler I,Hein S,et a1.Fibrosis in endstage hu— man heart failure:severe changes in collagen metabolism and 19 Fedak PW,Bai L,Turnbull J,et a1.Cell therapy limits myofi— broblast differentiation and structura1 cardiac remodeling:basic MMP/TIMP profiles[J].Int J Cardiol,2011,151(1):18—33. 10 Zile MR,Baieu CF,Stroud RE,et a1.Mechanistic relationship between membrane type 1 matrix metalloproteinase and the my一 fibroblast growth factor—mediated paracrine mechanism[J].Circ Hcart Fail,2O12,5(3):349—356. (下转封3) 蕾■Ⅱ学杂志 2014年第24卷第4期 综擅 ▲