巨噬細胞在心肌梗死后成纖維細胞激活中的作用

周昊, 張穎倩, 胡穎蕓,4, 陳潤都1,, 馬明睿1,, 李越洋, 陳韻岱

1.解放軍醫學院,北京 100853;2.中國人民解放軍總醫院第六醫學中心心血管病醫學部,北京 100853;3.中國人民解放軍聯勤保障部隊第九六六醫院心內科,遼寧丹東 118000;4.南開大學醫學院,天津 300071

急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)后早期干預,特別是及時的再灌注治療,顯著改善了患者的生存率,但AMI仍然是心力衰竭(heart failure,HF)常見的原因[1]。AMI患者出院后出現心力衰竭的情況普遍存在,大約13%的患者在出院30天后被診斷為心力衰竭,20%～30%的患者在出院1年后被診斷為心力衰竭[2]。急性心肌梗死后的心室重塑和心力衰竭仍然是一個嚴峻的臨床挑戰,并且與心肌纖維化密不可分[3]。巨噬細胞作為重要的免疫細胞,在心肌梗死引起的病理生理過程中發揮著重要作用[4]。當心臟發生重構時,巨噬細胞會被激活,并可能通過釋放多種成纖維介質如細胞因子和生長因子來促進成纖維細胞的激活。巨噬細胞的作用在心臟的重構和修復中起著至關重要的作用[5]。本文對心肌梗死后心肌中巨噬細胞來源及其在成纖維細胞激活中的作用作一綜述。

1 心肌梗死后巨噬細胞來源

心臟內含有常駐巨噬細胞和非常駐巨噬細胞。常駐巨噬細胞占非心肌細胞的6%～8%[6],通過CC類趨化因子受體2(CC chemokine receptor 2,CCR2)的表達分為主要存在于心肌中的CCR2-巨噬細胞和主要駐扎在心內膜中的CCR2+巨噬細胞,前者自我更新得到補充,后者通過招募循環單核細胞而得到補充[7-8]。CCR2-巨噬細胞根據主要組織相容性復合體Ⅱ(major histocompatibility complex class II,MHC-II)和Ly6C的表達,被進一步分為3個亞群即MHC-IIhi、MHC-IIlo和Ly6C+[9]?？偟膩碚f,根據表面標志物,駐留在心臟內的巨噬細胞可分為4個亞群,即CCR2-MHC-IIhi、CCR2-MHC-IIlo、CCR2-Ly6C+和CCR2+巨噬細胞[10]。非常駐巨噬細胞來源于血液中的單核細胞,分為具有炎癥激活作用的Ly6ChiCCR2hiCX3CR1lo單核細胞亞群和發揮組織修復作用的Ly6CloCCR2loCX3CR1hi單核細胞亞群。

組織損傷時,巨噬細胞被募集到損傷區域,Ly6ChiCCR2hiCX3CR1lo單核細胞亞群表現出炎癥激活作用,而Ly6CloCCR2loCX3CR1hi單核細胞亞群發揮組織修復作用[11]。研究表明,心肌梗死后早期階段,炎癥性Ly6Chi單核細胞/巨噬細胞起主導作用[12],并產生炎癥因子,如白細胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α),同時,在急性炎癥期發揮介導蛋白分解和吞噬細胞碎片的心臟保護功能[11,13]。與Ly6Chi單核細胞相反,Ly6Clo單核細胞在梗死后的后期被招募,通過分泌抗炎細胞因子和生長因子,如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β),介導心肌愈合,從而促進了心肌成纖維細胞的激活和新血管生成[14]。

2 心肌梗死后巨噬細胞促進成纖維細胞激活

巨噬細胞在重構的心臟中被招募和激活,并可能通過分泌廣泛的成纖維介質,在成纖維細胞的激活中發揮重要作用[15-16]。Ly6Chi單核細胞和Ly6Clo單核細胞分別在梗死后的前后兩個階段發揮作用[13]。在炎癥階段,Ly6Chi單核細胞在缺血性損傷后的心臟內通過分泌炎癥因子來維持炎癥反應,并吞噬心肌梗死過程中產生的細胞碎片;Ly6Clo單核細胞/巨噬細胞聚集在受傷的心肌中,促進血管生成和膠原蛋白的沉積,在心臟修復中發揮重要作用。心肌梗死后,首先進入炎癥期,M1巨噬細胞被招募,分泌大量炎癥因子TNF-α、IL-1β、IL-6等,而后進入修復期,M2巨噬細胞被招募,分泌大量的抑炎因子,如IL-4、IL-10、IL-13,血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)-A等[17]。巨噬細胞在心肌梗死后,成纖維細胞大量激活為肌成纖維細胞,引起過度心肌纖維化,導致心室不良重構[18](圖1)。

圖1 心肌梗死后巨噬細胞促進成纖維細胞激活

2.1 CCR2+巨噬細胞募集并激活成纖維細胞

趨化因子是一類具有趨化作用的細胞因子,在調節免疫細胞、血管內皮細胞和炎癥反應中發揮著重要作用。根據趨化因子分子中前兩個半胱氨酸之間的氨基酸數量,趨化因子可分為4個亞家族:CC、CXC、CX3C和XC[19]。CC趨化因子主要是單核細胞螯合劑,而CXC趨化因子,參與中性粒細胞的招募。趨化因子主要是通過白細胞的趨化性招募來調節纖維化[20]。盡管該家族的幾個成員可能直接調節成纖維細胞的表型和功能,但在體內影響心臟纖維化的意義仍不清楚。在心臟疾病相關的細胞因子中,趨化因子配體2(C-C motif chemokine 2,CCL2)能夠在缺血、炎癥和壓力過載誘發的心肌纖維化中發揮重要作用[21]。

CCL2介導促纖維化的機制有:①在受損心肌中,CCL2/CCR2的激活會招募大量的巨噬細胞,從而擴大可以分泌纖維化介質的細胞池,如TGF-β和成纖維細胞生長因子[16]。②CCL2通過誘導TGF-β1的合成來促進巨噬細胞的纖維化激活[22]。③CCL2能夠直接促進成纖維細胞的激活[21]。④CCL2通過招募成纖維細胞祖細胞促進心臟纖維化[23]。

2.2 多種炎癥因子間接激活成纖維細胞

在心肌梗死后,巨噬細胞炎癥因子的表達,如TNF-α、IL-1β和IL-6持續被誘導。研究表明,促炎細胞因子可以有效地調節心臟成纖維細胞的類型和基因表達,從而對心肌梗死后的心臟修復和重構產生影響[21]。在體外條件下,促炎細胞因子,如TNF-α、IL-1β和IL-6,可以減少離體心臟成纖維細胞的膠原蛋白合成,同時增加基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)的表達和活性,并減少MMP抑制劑的合成[24]。在心肌缺血再灌注損傷模型中,IL-1的敲除減弱了心室不良重構[25]。心臟纖維化中,促炎細胞因子TNF-α和IL-6水平明顯升高;在擴張型心肌病患者中,心肌IL-6和TNF-α水平的升高與膠原蛋白的沉積具有相關性,并且在人類移植心臟中,心肌IL-6水平與心肌纖維化相關[21]。心肌TNF-α過表達的轉基因小鼠出現心肌纖維化和心力衰竭[26]。綜上,TNF-α、IL-1和IL-6的促纖維化作用可能涉及對成纖維細胞的間接作用,與招募巨噬細胞和上調具有激活成纖維細胞激活特性的細胞因子(如TGF-β)有關。

IL-33是IL-1細胞因子家族的成員,參與了幾個不同器官的纖維化調節;在人類終末期心力衰竭患者中,IL-33的上調與心肌纖維化相關;在壓力過載的心臟模型中,IL-33與生長刺激表達基因2蛋白(growth stimulation expressed gene 2 protein,ST2)受體結合發揮心臟保護和抗纖維化作用[27]。然而在體外,IL-33刺激不影響心臟成纖維細胞的膠原合成,所以IL-33在重構心臟中的保護作用是否通過直接作用于成纖維細胞來介導尚不清楚,有可能通過IL-33/ST2軸對心肌細胞、巨噬細胞和淋巴細胞間接發揮抗纖維化作用[28]。

細胞因子IL-6家族包括IL-6、IL-11、抑瘤素M、白血病抑制因子和心磷脂-1,并與心臟纖維化的發病機制相關[29]。研究表明,IL-6通過激活轉錄激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)3發揮促進纖維化的作用[30]。據報道,抑制IL-6能發揮抗纖維化的作用,在醛固酮介導的心臟重塑、左心室壓力過大誘導的遺傳性心肌病模型中,抑制IL-6可減少成纖維細胞的激活[31]。

2.3 多種抗炎細胞因子激活成纖維細胞

抗炎細胞因子IL-4、IL-10、IL-13和纖維化相關。體內外實驗證實內源性IL-4具有促進心臟纖維化的作用[32]。IL-4可能通過轉錄激活STAT6刺激心肌成纖維細胞的膠原蛋白合成而直接發揮促纖維化作用[33]。IL-13可以激活成纖維細胞的基質合成程序,刺激TGF-β表達和激活,并可能促進單核細胞和巨噬細胞的纖維化表型。然而,IL-13的成纖維作用在體內對心臟纖維化反應的文獻缺乏[34]。在壓力過載引起的心肌纖維化動物模型中,IL-10在浸潤的T淋巴細胞和巨噬細胞亞群中上調[35]。IL-10除了有抗炎作用外,還可能具有調節心臟纖維化反應[36]。IL-10的纖維化作用是間接的,并非通過影響成纖維細胞的基因表達譜,而是通過抑制促炎細胞因子表達對纖維化途徑的下游激活發揮抑制作用[37]。

2.4 TGF-β在成纖維細胞激活中發揮重要作用

TGF-β在心肌重構的動物模型中持續激活,主要來源于巨噬細胞、成纖維細胞、心肌細胞和血小板[21]。TGF-β刺激可有效地誘導肌成纖維細胞轉化,并增加激活的成纖維細胞的細胞外基質(extracellular matrix,ECM)的合成[38]。研究表明,典型的Smad依賴性級聯和非典型的Smad非依賴性信號都有助于纖維化心臟中成纖維細胞的激活[39]。體內研究表明,Smad3信號轉導在心肌梗死后修復性成纖維細胞的激活中起著重要作用[40]。TGF-β能誘導ECM蛋白合成、整合素的轉錄和α-平滑肌肌動蛋白的表達,有助于形成有組織的瘢痕,從而促進心肌梗死后的心臟修復。梗死肌成纖維細胞中的Smad3信號轉導抑制了細胞增殖,產生了排列整齊的活化肌成纖維細胞陣列,保持梗死心臟的結構完整性[41]。

2.5 PDGF在成纖維細胞激活中發揮重要作用

PDGF家族由4個不同的多肽鏈PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C和PDGF-D組成。具有生物活性的PDGF蛋白結合成二硫鍵二聚體,包括4個同質二聚體PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-CC和PDGF-DD,以及一個異質二聚體PDGF-AB。通過激活兩個結構相關的酪氨酸激酶受體,即PDGFR-α和PDGFR-β,發揮其生物活性[42]。PDGF-A、PDGF-C和PDGF-D通過直接作用或間接激活TGF-β的方式對心肌產生強大的促纖維化作用[43]。體外實驗證實,PDGF-A和PDGF-D能有效刺激心臟成纖維細胞增殖和ECM蛋白合成[44]。PDGF-A通過與其受體PDGFR-α相結合發揮作用,PDGFR-α在成纖維細胞中高表達,在再灌注心肌梗死模型中,使用抗PDGFR抗體治療可減弱膠原沉積[45]。IL-1β可以上調PDGF-α的表達,從而促進成纖維細胞的激活。而PDGF-A主要在內皮細胞、成纖維細胞和巨噬細胞中表達[46]。所以巨噬細胞可能在通過旁分泌PDGF-A調節梗死后心肌纖維化中發揮重要作用。

3 結語與展望

巨噬細胞在心肌梗死的發病機制中起著重要的作用。心臟駐留巨噬細胞以及單核細胞來源的巨噬細胞參與了心肌梗死后炎癥的起始、進展和消退。這些過程是由心臟巨噬細胞的各種表型介導的,本文從巨噬細胞亞型著手進行了分析,并對其可能分泌的促纖維化細胞因子進行了回顧,旨在為心肌梗死后心肌纖維化的防治提供參考。