巨噬细胞在心肌梗死后成纤维细胞激活中的作用

周昊, 张颖倩, 胡颖芸,4, 陈润都1,, 马明睿1,, 李越洋, 陈韵岱

1.解放军医学院,北京 100853;2.中国人民解放军总医院第六医学中心心血管病医学部,北京 100853;3.中国人民解放军联勤保障部队第九六六医院心内科,辽宁丹东 118000;4.南开大学医学院,天津 300071

急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)后早期干预,特别是及时的再灌注治疗,显著改善了患者的生存率,但AMI仍然是心力衰竭(heart failure,HF)常见的原因[1]。AMI患者出院后出现心力衰竭的情况普遍存在,大约13%的患者在出院30天后被诊断为心力衰竭,20%～30%的患者在出院1年后被诊断为心力衰竭[2]。急性心肌梗死后的心室重塑和心力衰竭仍然是一个严峻的临床挑战,并且与心肌纤维化密不可分[3]。巨噬细胞作为重要的免疫细胞,在心肌梗死引起的病理生理过程中发挥着重要作用[4]。当心脏发生重构时,巨噬细胞会被激活,并可能通过释放多种成纤维介质如细胞因子和生长因子来促进成纤维细胞的激活。巨噬细胞的作用在心脏的重构和修复中起着至关重要的作用[5]。本文对心肌梗死后心肌中巨噬细胞来源及其在成纤维细胞激活中的作用作一综述。

1 心肌梗死后巨噬细胞来源

心脏内含有常驻巨噬细胞和非常驻巨噬细胞。常驻巨噬细胞占非心肌细胞的6%～8%[6],通过CC类趋化因子受体2(CC chemokine receptor 2,CCR2)的表达分为主要存在于心肌中的CCR2-巨噬细胞和主要驻扎在心内膜中的CCR2+巨噬细胞,前者自我更新得到补充,后者通过招募循环单核细胞而得到补充[7-8]。CCR2-巨噬细胞根据主要组织相容性复合体Ⅱ(major histocompatibility complex class II,MHC-II)和Ly6C的表达,被进一步分为3个亚群即MHC-IIhi、MHC-IIlo和Ly6C+[9]。总的来说,根据表面标志物,驻留在心脏内的巨噬细胞可分为4个亚群,即CCR2-MHC-IIhi、CCR2-MHC-IIlo、CCR2-Ly6C+和CCR2+巨噬细胞[10]。非常驻巨噬细胞来源于血液中的单核细胞,分为具有炎症激活作用的Ly6ChiCCR2hiCX3CR1lo单核细胞亚群和发挥组织修复作用的Ly6CloCCR2loCX3CR1hi单核细胞亚群。

组织损伤时,巨噬细胞被募集到损伤区域,Ly6ChiCCR2hiCX3CR1lo单核细胞亚群表现出炎症激活作用,而Ly6CloCCR2loCX3CR1hi单核细胞亚群发挥组织修复作用[11]。研究表明,心肌梗死后早期阶段,炎症性Ly6Chi单核细胞/巨噬细胞起主导作用[12],并产生炎症因子,如白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α),同时,在急性炎症期发挥介导蛋白分解和吞噬细胞碎片的心脏保护功能[11,13]。与Ly6Chi单核细胞相反,Ly6Clo单核细胞在梗死后的后期被招募,通过分泌抗炎细胞因子和生长因子,如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β),介导心肌愈合,从而促进了心肌成纤维细胞的激活和新血管生成[14]。

2 心肌梗死后巨噬细胞促进成纤维细胞激活

巨噬细胞在重构的心脏中被招募和激活,并可能通过分泌广泛的成纤维介质,在成纤维细胞的激活中发挥重要作用[15-16]。Ly6Chi单核细胞和Ly6Clo单核细胞分别在梗死后的前后两个阶段发挥作用[13]。在炎症阶段,Ly6Chi单核细胞在缺血性损伤后的心脏内通过分泌炎症因子来维持炎症反应,并吞噬心肌梗死过程中产生的细胞碎片;Ly6Clo单核细胞/巨噬细胞聚集在受伤的心肌中,促进血管生成和胶原蛋白的沉积,在心脏修复中发挥重要作用。心肌梗死后,首先进入炎症期,M1巨噬细胞被招募,分泌大量炎症因子TNF-α、IL-1β、IL-6等,而后进入修复期,M2巨噬细胞被招募,分泌大量的抑炎因子,如IL-4、IL-10、IL-13,血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF)-A等[17]。巨噬细胞在心肌梗死后,成纤维细胞大量激活为肌成纤维细胞,引起过度心肌纤维化,导致心室不良重构[18](图1)。

图1 心肌梗死后巨噬细胞促进成纤维细胞激活

2.1 CCR2+巨噬细胞募集并激活成纤维细胞

趋化因子是一类具有趋化作用的细胞因子,在调节免疫细胞、血管内皮细胞和炎症反应中发挥着重要作用。根据趋化因子分子中前两个半胱氨酸之间的氨基酸数量,趋化因子可分为4个亚家族:CC、CXC、CX3C和XC[19]。CC趋化因子主要是单核细胞螯合剂,而CXC趋化因子,参与中性粒细胞的招募。趋化因子主要是通过白细胞的趋化性招募来调节纤维化[20]。尽管该家族的几个成员可能直接调节成纤维细胞的表型和功能,但在体内影响心脏纤维化的意义仍不清楚。在心脏疾病相关的细胞因子中,趋化因子配体2(C-C motif chemokine 2,CCL2)能够在缺血、炎症和压力过载诱发的心肌纤维化中发挥重要作用[21]。

CCL2介导促纤维化的机制有:①在受损心肌中,CCL2/CCR2的激活会招募大量的巨噬细胞,从而扩大可以分泌纤维化介质的细胞池,如TGF-β和成纤维细胞生长因子[16]。②CCL2通过诱导TGF-β1的合成来促进巨噬细胞的纤维化激活[22]。③CCL2能够直接促进成纤维细胞的激活[21]。④CCL2通过招募成纤维细胞祖细胞促进心脏纤维化[23]。

2.2 多种炎症因子间接激活成纤维细胞

在心肌梗死后,巨噬细胞炎症因子的表达,如TNF-α、IL-1β和IL-6持续被诱导。研究表明,促炎细胞因子可以有效地调节心脏成纤维细胞的类型和基因表达,从而对心肌梗死后的心脏修复和重构产生影响[21]。在体外条件下,促炎细胞因子,如TNF-α、IL-1β和IL-6,可以减少离体心脏成纤维细胞的胶原蛋白合成,同时增加基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)的表达和活性,并减少MMP抑制剂的合成[24]。在心肌缺血再灌注损伤模型中,IL-1的敲除减弱了心室不良重构[25]。心脏纤维化中,促炎细胞因子TNF-α和IL-6水平明显升高;在扩张型心肌病患者中,心肌IL-6和TNF-α水平的升高与胶原蛋白的沉积具有相关性,并且在人类移植心脏中,心肌IL-6水平与心肌纤维化相关[21]。心肌TNF-α过表达的转基因小鼠出现心肌纤维化和心力衰竭[26]。综上,TNF-α、IL-1和IL-6的促纤维化作用可能涉及对成纤维细胞的间接作用,与招募巨噬细胞和上调具有激活成纤维细胞激活特性的细胞因子(如TGF-β)有关。

IL-33是IL-1细胞因子家族的成员,参与了几个不同器官的纤维化调节;在人类终末期心力衰竭患者中,IL-33的上调与心肌纤维化相关;在压力过载的心脏模型中,IL-33与生长刺激表达基因2蛋白(growth stimulation expressed gene 2 protein,ST2)受体结合发挥心脏保护和抗纤维化作用[27]。然而在体外,IL-33刺激不影响心脏成纤维细胞的胶原合成,所以IL-33在重构心脏中的保护作用是否通过直接作用于成纤维细胞来介导尚不清楚,有可能通过IL-33/ST2轴对心肌细胞、巨噬细胞和淋巴细胞间接发挥抗纤维化作用[28]。

细胞因子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,并与心脏纤维化的发病机制相关[29]。研究表明,IL-6通过激活转录激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)3发挥促进纤维化的作用[30]。据报道,抑制IL-6能发挥抗纤维化的作用,在醛固酮介导的心脏重塑、左心室压力过大诱导的遗传性心肌病模型中,抑制IL-6可减少成纤维细胞的激活[31]。

2.3 多种抗炎细胞因子激活成纤维细胞

抗炎细胞因子IL-4、IL-10、IL-13和纤维化相关。体内外实验证实内源性IL-4具有促进心脏纤维化的作用[32]。IL-4可能通过转录激活STAT6刺激心肌成纤维细胞的胶原蛋白合成而直接发挥促纤维化作用[33]。IL-13可以激活成纤维细胞的基质合成程序,刺激TGF-β表达和激活,并可能促进单核细胞和巨噬细胞的纤维化表型。然而,IL-13的成纤维作用在体内对心脏纤维化反应的文献缺乏[34]。在压力过载引起的心肌纤维化动物模型中,IL-10在浸润的T淋巴细胞和巨噬细胞亚群中上调[35]。IL-10除了有抗炎作用外,还可能具有调节心脏纤维化反应[36]。IL-10的纤维化作用是间接的,并非通过影响成纤维细胞的基因表达谱,而是通过抑制促炎细胞因子表达对纤维化途径的下游激活发挥抑制作用[37]。

2.4 TGF-β在成纤维细胞激活中发挥重要作用

TGF-β在心肌重构的动物模型中持续激活,主要来源于巨噬细胞、成纤维细胞、心肌细胞和血小板[21]。TGF-β刺激可有效地诱导肌成纤维细胞转化,并增加激活的成纤维细胞的细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的合成[38]。研究表明,典型的Smad依赖性级联和非典型的Smad非依赖性信号都有助于纤维化心脏中成纤维细胞的激活[39]。体内研究表明,Smad3信号转导在心肌梗死后修复性成纤维细胞的激活中起着重要作用[40]。TGF-β能诱导ECM蛋白合成、整合素的转录和α-平滑肌肌动蛋白的表达,有助于形成有组织的瘢痕,从而促进心肌梗死后的心脏修复。梗死肌成纤维细胞中的Smad3信号转导抑制了细胞增殖,产生了排列整齐的活化肌成纤维细胞阵列,保持梗死心脏的结构完整性[41]。

2.5 PDGF在成纤维细胞激活中发挥重要作用

PDGF家族由4个不同的多肽链PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C和PDGF-D组成。具有生物活性的PDGF蛋白结合成二硫键二聚体,包括4个同质二聚体PDGF-AA、PDGF-BB、PDGF-CC和PDGF-DD,以及一个异质二聚体PDGF-AB。通过激活两个结构相关的酪氨酸激酶受体,即PDGFR-α和PDGFR-β,发挥其生物活性[42]。PDGF-A、PDGF-C和PDGF-D通过直接作用或间接激活TGF-β的方式对心肌产生强大的促纤维化作用[43]。体外实验证实,PDGF-A和PDGF-D能有效刺激心脏成纤维细胞增殖和ECM蛋白合成[44]。PDGF-A通过与其受体PDGFR-α相结合发挥作用,PDGFR-α在成纤维细胞中高表达,在再灌注心肌梗死模型中,使用抗PDGFR抗体治疗可减弱胶原沉积[45]。IL-1β可以上调PDGF-α的表达,从而促进成纤维细胞的激活。而PDGF-A主要在内皮细胞、成纤维细胞和巨噬细胞中表达[46]。所以巨噬细胞可能在通过旁分泌PDGF-A调节梗死后心肌纤维化中发挥重要作用。

3 结语与展望

巨噬细胞在心肌梗死的发病机制中起着重要的作用。心脏驻留巨噬细胞以及单核细胞来源的巨噬细胞参与了心肌梗死后炎症的起始、进展和消退。这些过程是由心脏巨噬细胞的各种表型介导的,本文从巨噬细胞亚型着手进行了分析,并对其可能分泌的促纤维化细胞因子进行了回顾,旨在为心肌梗死后心肌纤维化的防治提供参考。