心脏机械牵张激活的信号转导途径研究进展
【关键词】 心肌肥大
心肌肥大不仅是对负荷增加所致的有利的功能性代偿反应，而且是心血管疾病的一种常见并发症[1,2]。
心肌肥大的主要病理改变为心肌纤维明显增粗，核大、染色较深，与正常心肌组织比较更明显。细胞水平上心肌肥厚可分为3个环节：胞外的肥大刺激信号、胞内信号转导及核内基因转录的活化，最终诱发细胞发生肥大表型变化。肥大回应的生化特点为收缩蛋白含量增加、肌丝组织、胚胎标志的再表达（如心房利钠肽、α?肌动蛋白和β?肌凝蛋白重链），主要是由于编码这些蛋白的基因的转录活化体内外实验证实，牵张刺激是诱发心肌肥厚的一个直接的刺激因素。而一些结果提示，超负荷条件下的机械牵张刺激才是心肌肥大的始动机制。
牵拉人工培养的心肌细胞，在无神经或体液因子参与下仍然可使蛋白质合成增加并表达特定基因[3]。心肌肥大的进程中可以观察到心肌细胞发生的一些具体变化：①快速诱导原癌基因及热休克蛋白基因（即极早基因immediate early gene,IEG）；②基因表达质与量的改变；③蛋白合成增加。机械刺激启动胞内信号转导通路可能存在以下几种机制:①机械牵张激活细胞上的牵张敏感性离子通道（stretch activated channels,SAC），将机械能量转化为电信号或者化学信号，而活化各种信号转导通路;②机械牵张直接引起与质膜连接的某些分子如生长因子受体、G蛋白、磷脂酶或蛋白激酶的构型改变，从而使其直接活化,启动下游信号转导通路;③机械应激可能引起某些生长因子释放，这些因子作用于它们相应的受体，从而活化胞内信号系统。
1 磷脂酶C、D通路（PLC and PLD)
磷脂酶是一种催化磷脂膜分解成第二信使的分子。它们的催化活性依赖于Ca2+。活化的PLC可以将磷脂酰二磷酸肌醇（phosphatidylinositol?bis?phosphate，PIP2)水解为三磷酸肌醇(inositol?triphosphate,IP3)和二酰甘油(dia?cylglycerol，DAG)。DAG能够使PKC同工酶从胞液转移至胞膜，并激活它们[4]。活化的PKC能降低PLC的活性并激活PLD。Sadoshima J[5]等报道活化的PLC /PLD在机械牵拉诱导的心肌肥大起了重要作用。
2 蛋白激酶C通路（PKC）
PKC是一种丝/苏氨酸蛋白激酶。PKC家族有许多同工酶，它们的分布、调节、活性各不相同。活化的PKC通过直接和间接两条通路调节核内信号。激活心肌细胞中的PKC刺激c?fos和α?actin的表达，也可激活心房利钠肽，β?肌凝蛋白重链的转录[6]。
3 低氧诱导分子?1通路(HIF?1)
1992年Semenza在人Hep 3B 细胞株的核提取物中发现一种蛋白,能特异性地结合于红细胞生成素(EPO)基因增强子的寡核苷酸序列,命名为低氧诱导因子1(HIF?1)。对HIF?1进行蛋白序列分析和cDNA分离证实,HIF?1是异二聚体结构,两个亚单位均为碱性螺旋?环?螺旋(bHLH)蛋白,且含有PAS 结构域,属于bHLH/PA S转录因子超家族的成员。其中HIF?1ａ是HIF?1所特有的蛋白组成,而HIF?1ｂ是ARNT基因产物。HIF?1的活性分4个层次调节:HIF?1 mRNA表达水平调节、蛋白表达水平调节、HIF?1的二聚化和DNA结合活性调节、HIF?1a转录活性调节。常氧下HIF?1a和HIF?1b mRNA均属构建型表达,此时HIF?1无DNA结合活性,低氧可诱导HIF?1a蛋白水平和HIF?1 DNA结合活性的增加,而HIF?1b不受低氧诱导[7]。Levy等通过对鼠嗜铬细胞瘤PC12细胞进行研究后发现:VEGF基因5’端启动子中有一28bp的增强子片段，内含HIF?1结合位点(包括核心序列5’?CGTG?3和附加序列)，该片段与缺氧时血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）基因转录率增加有关。Chan[8]等报道，在离体大鼠心脏模型里，依赖SACS和PI3K/Akt/FRAP途径，机械牵张可以诱导HIF?1和VEGF，推测该信号转导途径为SACS/PI3K/Akt/FRAP/HIF?1/VEGF。G.Camenisch[9]研究指出：降低HIF?1的DNA结合活性能够减少内皮素(endothelin?1,ET?1)的表达。Palfi A[10]报道：糖原合成酶激酶－3b(glycogen synthase kinase?3beta，GSK?3beta)的抑制剂通过Akt、PKC或MAPK在左室重构中起了重要作用。GSK?3β还参与其他几种细胞内信号的调节,研究发现GSK?3β直接作用于HIF?1α,对其ODD结构域进行磷酸化，推测GSK?3β通过磷酸化HIF?1α促进其进入蛋白?蛋白酶解系统,PI3K/AKT激活后,通过抑制GSK?3β的磷酸化作用而稳定HIF?1α蛋白质。
4 丝裂原激活蛋白激酶家族通路（MAPK）
MAPK家族包括细胞外信号调控的蛋白激酶(extracellular signal regulated protein kinase，ERK)、Jun N 端激酶/应激活化的蛋白激酶(Jun?N?terminal kinase/ stress?activated protein kinase ，JN K/ SAPK)、p38MAPK，是一组可以被多种细胞外信号激活的白丝/苏氨酸激酶，处于胞浆信号转导通路的终末位置，活化后转位到核内，作用于核内转录因子，调节基因表达。在牵张致细胞增殖分化等过程中起重要作用。牵拉刺激可按一定顺序活化MAPK途径的多种信号分子，它们的活化顺序是Raf?1和MEKK→MAPKK→MAPKs。Li Z[11]指出，p38MAPK的抑制剂SD?282能够降低急性心血管疾病如心肌梗死的炎性反应及心功能降低。在缺血心肌病激活MAPK信号通路需要ERK1/2和p38 MAPK的参与，其信号转导通路为p38 MAPK→MSMAPK1(Mitogen? and Stress?Activated Protein Kinase 1)→cAMPREBP（cAMP Response Element?Binding Protein）[12]。
5 信号转导及转录因子通路（STAT）
STAT是一组具有数个相同结构域构成的DNA结合家族成员之一，作为Jak(janus kinase)一种非跨膜的酪氨酸激酶，共有4个成员：Jak1、Jak2、Jak3、Tyk2,是STAT途径中重要的Jak底物，STAT在细胞因子的信号转导中起着关键性的作用。研究表明牵张刺激和压力负荷可激活STAT通路。腹主动脉结扎引起的压力负荷诱导的心肌肥大模型中发现gp130无表达的转基因小鼠的心脏重量指数（心重/体重）﹑心室壁厚度及心肌细胞横截面积及心肌组织脑钠肽（brain natriuretic peptide,BNP）表达与无转基因的野生鼠相比均明显减弱，压力负荷可引起野生鼠STAT活化及ERK激活。表明通过gp130引起STAT活化在压力负荷及牵张刺激所致的心肌肥大中具有重要作用。STAT6基因缺陷型小鼠主动脉缩窄1周后，与野生型相比左室舒张末压力显著增高，提示STAT6在血液动力学超负荷时起到保护作用[13]。
6 牵张敏感离子通道通路（SAC）
生物学研究表明，将力学刺激转变为电化学的机制，存在于多个门类的生物器官细胞膜上。近年来用膜片钳技术研究了心肌细胞上的SAC，现已发现心肌细胞至少存在2种SAC:非选择性阳离子通道（stretch activated non?selective cation channels,SANC）以及K+选择性通道（stretch activated potassium selective channels,SAKC）。细胞牵拉或低渗激活的Cl?通道是否可归于SAC尚有争议。最近Maroto等[14]又发现TRPC1(Transient receptor potential channel1)是脊椎动物SANC的一个组成部分,它是脂质双分子层门控通道,和其他原核SANC一样。
Calkins[15等的研究表明犬离体心脏容积与左心室外膜记录的APD之间成反比关系。Cheng等的实验证实直接牵张单个兔心室肌细胞可使其动作电位时程（action potential duration,APD ）缩短，对其极度牵张可导致动作电位(action potential,AP)复极早期时程缩短而复极晚期时程延长，并可引起早后除极及自发性动作电位。
在心肌AP平台初期（正于反转电位）给予牵张，激活心肌非特异性阳离子通道，产生外向复极电流，使APD缩短；相反，在心肌细胞AP复极后期（负于反转电位）激活SAC，产生一个内向的除极电流，使复极减慢，APD延长：若牵张时膜电位水平与SAC反转电位相近,则AP形态不发生改变。激活SAKC,可解释复极过程的加快,如APD50缩短,但无法解释APD90的延长。因此,牵张刺激对AP形态的影响被认为是多种SAC参与活动的总和。
通过用机模拟各种离子通道包括SAC发现：动作电位明显改变，动作电位时程在复极早期缩短，在复极末期延长。并发现胞内Na+到达控制浓度5.4mmol时，瞬时Ca2+将不再发生变化[15]。
对SAC阻滞剂的研究不仅可以进一步证实心肌组织中牵张激活的离子通道，而且还可阐明心律失常产生机制中SAC的作用，进而研制出心律失常的新药。对犬离体心脏的研究表明，Gd3+可剂量依赖性地阻断牵张激活的离子通道，并以剂量依赖方式抑制牵张心肌导致的心律失常，这从另一角度证实了SAC在临床心律失常中的意义。不过Gd3+可从膜部替换其他离子,对心脏有毒性,因而不能作为药物作用于治疗牵张心肌所致的心律失常。异博定等虽然可特异的阻断L型Ca2+通道,但对牵张激活的心肌除极却没有作用。链霉素（streptomycin）具有抑制SAC活性的能力,并能减少因心室超负荷引起的心律失常。体外灌流大鼠心脏，以增加左室压力及室壁张力，200μmol/L的链霉素能有效降低室壁张力引起的心率失常。200μmol/L的链霉素能够延长单个豚鼠心肌细胞动作电位，同时还能够降低慢Ca2+离子通道电流幅度，降低迟发整流K＋电流。对链霉素抑制SAC活性的能力具体机制尚不明了，但多数人认为它能够减少Ca2+内流是基本的机制。链霉素作为SACs通道阻断剂，仅阻断通道而不会对心肌及通道本身产生毒性和不可逆性损害，阻断剂量在(100～500)μmol/L。总的来说,目前尚未发现能针对所有SAC的阻滞剂。
心肌组织中三分之二的细胞是非心肌细胞，包括成纤维细胞，内皮细胞，平滑肌细胞和巨噬细胞等，其中成纤维细胞占绝大多数（90%）。在体状态下，机械负荷可使心肌细胞和成纤维细胞同样受到牵张。有实验表明，牵张可使心肌细胞自/旁分泌AngⅡ、ET?1、TNFɑ、ANP增加，而参与心肌肥大。
总之，在机械刺激作用下，心肌细胞与胞外间质相互作用通过SAC及Integrin感知从而导致离子通道的电流变化，引发心律失常，刺激基因表达，进而引起了心血管系统的重构，因此SAC在心血管结构和功能中起着重要作用。对它的进一步研究将丰富和完善关于心肌肥大的理论，为临床研发新的治疗药物提供基础。
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