韩 翠 郑春霞 综述 刘志红 审校
心脏或肾脏的器官衰竭可启动各种复杂的细胞和体液途径,影响远端器官,导致较高的死亡率和高额的治疗费用。心脏功能和肾脏功能紧密联系,二者互为影响。急性肾损伤(AKI)和慢性肾脏病(CKD)可直接导致急性或慢性心功能恶化,反之亦然,即“心肾综合征”(CRS)。其中的发病机制较为复杂,与交感神经系统过度兴奋、血流动力学障碍、炎症反应、氧化应激、肾素-血管紧张素系统(RAS)过度激活及其分子信号通路异常等有关。本文试图寻找心、肾损伤的共同分子信号通路,解释心肾损伤的共有机制。
Ang Ⅱ作为RAS的主要效应分子,通过其特异性受体Ang Ⅱ1型受体(AT1R)和2型受体(AT2R)作用于多种不同的二级信号系统,激活转录因子,参与相关病理生理过程。
Ang Ⅱ可直接改变足细胞蛋白的表达和分布来损伤足细胞,或间接通过诱导细胞肥大、活性氧(ROS)和细胞凋亡介导足细胞损伤。最近的研究表明,Ang Ⅱ可激活或触发多种细胞事件,如氧化应激和ROS的过量产生、内质网应激、自噬和线粒体功能障碍,从而导致足细胞骨架重排和细胞凋亡[1]。Ang Ⅱ可激活ADP核糖基化因子6,进而激活细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2-NADPH氧化酶4蛋白(NOX4)信号，促进ROS的产生和足细胞凋亡。AT1R拮抗剂氯沙坦可显著抑制Ang Ⅱ诱导的足细胞凋亡[1]。
Ang Ⅱ也参与了肾脏的纤维化过程。Ang Ⅱ可通过丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/ERK和转化生长因子β(TGF-β)介导激活蛋白1(AP-1)转录复合物的形成,导致1型胶原在主动脉和肾血管组织中表达增加[2]。二甲双胍可抑制单侧输尿管梗阻(UUO)小鼠Ang Ⅱ的上调和ERK通路的激活,显著降低细胞外基质(ECM)蛋白的表达。在肾成纤维细胞中,二甲双胍也可减轻Ang Ⅱ导致的ECM过度产生[3]。
氧化应激与心肌肥厚和心力衰竭密切相关。NOX4是心脏内ROS的主要潜在来源。Ang Ⅱ能够增加NOX4的表达,促进ROS的产生,增强心脏氧化应激损伤,导致间质成纤维细胞分化为肌成纤维细胞,诱导心脏纤维化,这可能与蛋白激酶B(AKT)/mTOR和核因子κB(NF-κB)信号通路的激活有关[4]。二肽基肽酶4(DPP-4)抑制剂,如替格列汀可抑制心肌细胞NOX4-HDAC4轴减轻AngⅡ诱导的心肌肥厚[5]。心脏保护剂原儿茶酸在体外可通过抑制NOX4/ROS/p38 MAPK信号通路抑制Ang Ⅱ诱导的成纤维细胞增殖和迁移,减轻心脏纤维化[6]。
除了经典的循环RAS外,越来越多的证据支持心脏和肾脏中存在局部RAS。这种局部RAS可独立于循环RAS发挥作用,参与疾病的发生发展。心肌梗死后,心脏和肾脏局部RAS激活,Ang Ⅱ水平升高。自发性高血压大鼠和主动脉中RAS所有成分的基因表达均显著增加,表明心肌组织的病理激活RAS促进了心脏肥大和动脉重塑[7]。肾脏中Ang Ⅱ的水平高于循环Ang Ⅱ的水平支持肾脏局部Ang Ⅱ的存在。
Wnt/β-catenin通路是进化保守的细胞信号传导通路,参与多种生物过程。Wnt蛋白通过与细胞表面膜受体卷曲蛋白(Fz)和辅助受体低密度脂蛋白相关蛋白5/6(LRP5/6)相互作用,通过质膜传递信号。当Wnt信号被激活时,Wnt蛋白能与Fz及其他相关受体结合,阻断β-catenin的磷酸化、泛素化,使β-catenin在胞质中稳定并聚集,易位进入细胞核,与T细胞因子(TCF)/淋巴细胞增强因子(LEF)结合,从而激活下游靶基因的转录和表达。
Wnt/β-catenin信号的异常调控在肾脏的纤维化中发挥作用[8]。在UUO和阿霉素诱导的肾间质纤维化模型中发现Wnt蛋白表达上调,导致β-catenin的积累,使得Twist、c-Myc和纤维连接蛋白等靶基因表达增加。Dickkopf相关蛋白1(DKK1)是一种分泌性Wnt拮抗剂,可特异性阻断Wnt与LRP5/6结合,显著抑制α平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的表达,抑制Ⅰ型胶原和纤维连接蛋白的表达,减轻肾脏纤维化[9]。
Wnt/β-catenin通路还介导了氧化应激诱导的足细胞功能障碍。氧化应激的标志和触发因子晚期氧化蛋白产物(AOPPS)可以通过足细胞中的晚期糖基化终产物受体(RAGE)诱导NADPH氧化酶的激活,促进ROS的产生和NF-κB转录因子的激活,从而导致Wnt/β-catenin信号的激活,进而抑制足细胞上皮标志物的表达,并伴下游纤连蛋白、基质金属蛋白酶9(MMP-9)和Snail1的表达。Klotho是一种内源性Wnt拮抗剂,通过补充Klotho阻断Wnt信号可以抑制β-catenin的激活以及AOPPS诱导的足细胞功能障碍和蛋白尿[10]。
Wnt/β-catenin在心脏损伤时被重新激活,并在心肌肥大和心肌纤维化中发挥重要作用。组织特异性Wnt/β-catenin的相互作用因子Pygo1在心脏组织中富集,在病理性心肌肥厚刺激下Pygo1在心肌细胞中表达上调,Pygo1可增强β-catenin的转录活性,导致Wnt/β-catenin通路的靶基因Axin2、c-Myc和心肌肥大相关基因ANF表达上调,介导心肌肥大[11]。
分泌型卷曲相关蛋白2(SFRP2)可直接与Wnt细胞外段相互作用,阻止其与Fz相互作用,进而抑制Wnt/β-catenin的激活。过表达SFRP2通过抑制Wnt/β-catenin通路显著减轻压力超负荷所致的心肌细胞肥大和间质纤维化[12]。HECT型泛素E3连接酶ITCH可作用于心肌细胞泛素-蛋白酶体降解Dvl蛋白,抑制Wnt/β-catenin信号通路,从而抑制心肌肥大,可能成为预防或治疗心肌肥厚的潜在靶点[13]。
Wnt/β-catenin通路可同时介导心脏和肾脏的损伤。主动脉缩窄(TAC)小鼠模型可以触发心肌细胞和心脏成纤维细胞中 Wnt/β-catenin通路的激活,导致心脏RAS的激活,并释放促炎细胞因子进入循环,如肿瘤坏死因子α(TNF-α) 可触发肾脏小管上皮细胞β-catenin的激活,并且抑制小管细胞中Klotho表达,介导肾脏的损伤。同时循环中Klotho缺乏可进一步增强Wnt/β-catenin通路,加重心脏损伤,形成心脏和肾脏相互作用的恶性循环[14]。
肿瘤坏死因子样凋亡微弱诱导因子(TWEAK)是TNF超家族的新成员之一。成纤维细胞生长因子(FGF)诱导蛋白14(Fn14)是TWEAK的特异受体,可通过磷酸化诱导肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAF)结合,触发和激活各种细胞内信号传导,从而调节细胞活性、增殖、迁移、凋亡、血管生成和炎症。
虽然TWEAK在肾脏中普遍表达,但是Fn14只在应激、组织损伤、修复和重塑过程中迅速上调。TWEAK/Fn14激活参与了AKI过程中的细胞死亡,包括细胞凋亡和坏死性凋亡两种途径。在 AKI模型中,当TNF-α和IFN-γ同时存在时,肾小管细胞Fn14表达增加,TWEAK/Fn14的激活可促进细胞凋亡,这可能与半胱氨酸蛋白酶8(caspase-8)的活化及线粒体凋亡途径有关[15]。caspase抑制剂可抑制细胞凋亡,但会促进氧化应激和细胞坏死,转变为坏死性凋亡,从而加重肾损伤。这需TWEAK/Fn14轴和受体相互作用蛋白激酶1(RIPK-1)的激活[16]。尼罗替尼是一种选择性的络氨酸激酶抑制剂,通过调节TWEAK途径减轻叶酸诱导的AKI[17]。
TWEAK/Fn14参与激活肾小管细胞的经典NF-κB通路和非经典NF-κB通路,在AKI中发挥作用。TWEAK/Fn14可诱导NF-κB的抑制蛋白(IκB)蛋白磷酸化和RelA/p50核易位,通过经典NF-κB的激活和组蛋白乙酰化下调肾小管细胞中抗衰老基因Klotho的表达及过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(PGC-1α)和靶基因的表达,导致线粒体功能受损[18],也可导致MCP-1、IL-6和趋化因子CXCL16基因表达和分泌增加,促进炎症级联反应放大。TWEAK/Fn14也可以诱导RelB/p52核易位,通过非经典NF-κB途径,诱导趋化因子CCL21和CCL19的延迟表达,促进AKI期间淋巴细胞的募集[19]。小白菊内酯(PTL)可有效减少Tweak诱导的足细胞凋亡和炎症[20]。
TWEAK/Fn14的激活与心脏重构、功能障碍和纤维化等密切相关。TWEAK/Fn14可通过NF-κB途径增加MMP-9的生成,也可通过p38 MAPK通路促进心脏成纤维细胞I型胶原合成和MMP-1的表达,在心肌纤维化的发生和发展中发挥重要作用[21]。在体内实验心肌梗死后重构心肌中,Fn14可以通过RhoA/ROCK通路在心肌细胞中表达,并通过TWEAK介导NF-κB的激活,在心肌重构中发挥作用[22]。
Ca2+-CaN-NFAT信号通路是由Ca2+从细胞外进入细胞而启动的。如图1所示,当游离Ca2+水平升高时,磷酸化的NFAT结合钙调素(CaM)和CaN,使NFAT家族成员脱磷酸化激活,导致其转位到细胞核,促进靶基因转录。
研究证实,Ca2+-CaN信号在足细胞损伤中发挥作用,包括足细胞凋亡和细胞骨架损伤。有研究表明,在糖尿病肾病(DN)模型中,足细胞表达大量G蛋白耦联受体(GPCR),激活磷脂酶C(PLC)并通过G蛋白家族Gq亚基产生三磷酸肌醇(IP3),进而激活Ca2+-CaN-NFAT信号通路,诱导COX2等基因的转录,以及其他可能参与凋亡反应的NFAT应答基因。COX2促进前列腺素E2(PGE2)和ROS的产生。PGE2进一步激活CaN。而ROS也是足细胞凋亡的重要介质,可提高细胞内Ca2+水平,促进CaN激活,最终导致足细胞的凋亡[23]。游离Ca2+也可通过调节Rho鸟苷三磷酸酶(GTPase)信号调节细胞运动,介导足细胞肌动蛋白骨架的重构[24]。
图1 心肾损伤共同的信号通路TGF-β:转化生长因子β；
TβR：TGF-β受体；
ROS：活性氧；
NF-κβ：核因子κβ；
TNF-α：肿瘤坏死因子α；
PTL:小白菊内酯;A:Ca2+-CaN-NFAT信号通路；
Ca2+水平升高时,磷酸化的NFAT结合CaM和CaN,脱磷酸化转位到细胞核,促进靶基因转录,引起细胞肥大和凋亡；
B:TGF-β/Smad通路；
TGF-β可磷酸化特定的TGF-β受体,后者使Smad蛋白磷酸化激活,进入细胞核,调控靶基因的转录；
引起细胞衰老和纤维化；
C:Wnt/β-catenin通路；
Wnt蛋白通过Fz和LRP5/6及其他相关受体结合,阻断β-catenin的磷酸化,使其易位进入细胞核,促进靶基因转录,主要引起纤维化和细胞肥大；
D:TWEAK/Fn14通路；
Fn14可结合TWEAK与TRAF,触发和激活各种细胞内信号传导,引起炎症反应；
E:Ang Ⅱ；
Ang Ⅱ结合AT1R作用于多种不同的二级信号系统,激活转录因子,引起纤维化和细胞凋亡
心肌肥大是心力衰竭的早期标志,研究发现,Ca2+-CaN-NFAT信号通路在心肌肥大中发挥重要作用。内皮素1(ET-1)通过诱导IP3的激活来增加整体Ca2+浓度,并介导Ca2+-CaN-NFAT通路激活,上调I型钙通道α1C的表达,进而诱导心肌肥大[25]。
慢性肾功能不全可通过CaN-NFAT途径导致心肌肥厚。CKD相关的有害因子,如FGF-23、Ang Ⅱ、TGF-β、尿毒症毒素等可抑制心肌细胞miR-30表达,而miR-30缺失可以直接上调心肌细胞CaN-NFAT信号通路,导致心肌肥厚[26]。
Ca2+-CaN-NFAT信号通路的过度激活既是心脏和肾脏损伤的共同信号通路,也是CKD导致心脏损伤的重要途径。靶向该信号通路的抑制剂,如环孢素A、他克莫司等在慢性肾小球疾病中已广泛应用并取得显著效果。也有研究表明,他克莫司可抑制慢性肾功能不全心肌肥大[26],环孢素A可以逆转心肌肥大和病理性扩张[27]。
TGF-β是一种多功能细胞因子,可调节细胞的增殖和分化,刺激多种细胞因子、炎症介质等活性物质的合成与分泌及细胞外基质的产生。Smad蛋白是TGF-β超家族的下游信号转导蛋白,介导TGF-β的胞内信号转导。
TGF-β通过增加细胞外基质基因表达和抑制分解细胞外基质蛋白的产生,促进细胞外基质的积累。TGF-β1通过Smad3依赖机制诱导Erbb4-IR,一种新型长链非编码RNA在小鼠纤维化肾脏中高表达。机制研究表明,Erbb4-IR靶向Smad7,即TGF-β/Smad信号通路的下游负调控因子,从而诱导TGF-β/Smad3介导的肾脏纤维化[28]。
TGF-β受体(TβR)Ⅲ可拮抗纤维化过程。心肌损伤后,miR-21表达上调,通过抑制TβR-Ⅲ激活TGF-β/Smad信号通路,TGF-β1可通过转录后步骤促进成熟miR-21的快速增加,最终促进心脏成纤维细胞向病理性肌成纤维细胞分化,导致心脏纤维化[29]。
TGF-β可参与CKD的早期病理性心肌肥大和纤维化过程。UUO诱导小鼠轻中度肾功能不全时,可发生心肌肥厚和纤维化,与TGF-β/Smad信号通路的上调有关。在此模型发现病理性心肌肥厚相关基因的表达增加,包括心房利钠肽(ANP)、脑利钠肽(BNP)和β肌球蛋白重链(β-MHC)/α-MHC等。依那普利可以阻断TGF-β信号通路的激活,降低心肌肥厚和纤维化[30]。
去乙酰化酶1(SIRT1)激活可以抑制Smad2/3的核易位,从而抑制TGF-β/Smad通路及其引起心肌纤维化。在5/6肾切除模型中,白藜芦醇可增强SIRT1和Smad3的结合,减轻肾脏纤维化[31]。钠-葡萄糖共转运蛋白2(SGLT2)抑制剂,如恩格列净,可以通过抑制TGF-β/Smad信号通路,降低糖尿病心肌组织的氧化应激,防止心肌纤维化和心脏重塑[32],而在高糖诱导的肾小管上皮损伤模型中,达格列净也能通过抑制TGF-β/Smad信号保护肾脏[33]。
小结:CRS涉及心脏、肾脏两个重要器官,寻找有效的药物对临床治疗极为重要。沙库巴曲缬沙坦,一种血管紧张素受体脑啡肽酶抑制剂,已在临床上发现可显著改善心肾综合征患者的心功能指标[34]。SGLT2抑制剂也被发现可以降低心力衰竭的糖尿病患者的心肾结局风险[35]。但是目前对心脏和肾脏之间的相互作用的具体机制仍然知之甚少,需要更多的研究来解释这些机制,本文主要汇总了心肾损伤共同的分子信号通路,解释了心肾之间的相互联系和调控关系,为开发新的心肾共同保护药物靶点提供了研究思路,有助于临床疾病的治疗及改善患者的预后。
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