LVAD治疗中心脏逆向重构的转录特征

左心室辅助装置治疗下心脏逆向重构的转录模式： 一种一致的特征

1. 引言

心力衰竭（HF）通常是许多心血管疾病的共同终末阶段。仅在美国，据估计就有 570万20岁以上的成年人患有心力衰竭，其中约5‐10%为对药物治疗无效的晚期D期疾病患者。(1,2) 在过去二十年中，左心室辅助装置（LVAD）治疗已成为心脏移植的有效替代方案或过渡手段。多项研究反复证实，LVAD治疗可提高D期心力衰竭患者的生存率和运动耐量。(3‐5) 多年来，研究人员观察到LVAD支持可能促进心肌恢复，并最终实现泵移除——这一过程被称为“恢复桥梁”。(6‐9) 心室减负与心腔扩张的逆转、左心室（LV）收缩功能障碍的改善以及心脏结构的正常化相关。(6,10) 在LVAD植入前后获取的心肌组织显示，左心室重塑表型的某些特定组分发生了逆转，包括心肌细胞肥大和纤维化的改善、β‐受体下调、细胞因子激活、异常的Ca2+处理以及未折叠蛋白反应的激活。(10‐15)

尽管在细胞和分子水平上观察到了改善，但在当前的临床时代，导致左心室辅助装置移除的心肌恢复仍很少见，且接受移除手术的患者面临复发性心力衰竭和死亡率增加的风险。(16,17) 另一方面，那些开展前瞻性恢复评估和优化方案的左心室辅助装置项目报告了显著更高的临床心肌恢复率，突显了医疗中心的策略在实现这一结果中的重要性。(18,19) 我们最近对INTERMACS注册系统的分析表明，尽管完全心肌恢复仍是一种罕见现象（随访1年时为1%），但相当一部分患者（9%）表现出部分心肌恢复，定义为在泵支持期间左室射血分数改善超过40%。(17) 此外，完全和部分心肌恢复患者在临床风险特征方面存在显著重叠，提示心肌恢复是一种连续的改善过程，而非二元终点。综上所述，这些观察结果表明，研究部分心肌恢复患者可能有助于揭示恢复机制。

尽管已有大量研究致力于阐明心脏恢复的机制，但迄今为止，尚未成功针对任何特定候选基因或通路进行治疗。与LVAD支持下心肌恢复发病率较低一致的是，LVAD机械减负并不能使心力衰竭转录组恢复正常，因为在心力衰竭中失调的基因仅有5%在LVAD支持后恢复至正常水平。(20,21) 这一观察结果得到了手术和转基因动物模型的支持，在这些模型中心力衰竭表型几乎完全恢复正常，但仅有少数心力衰竭相关基因恢复到正常的表达模式。(22,23) 即使心肌表型已恢复，心力衰竭转录组的持续存在可能具有功能意义，因为与非心力衰竭对照组相比，这些心脏在再次暴露于血流动力学超负荷时更容易发生肥厚性生长并出现死亡率增加。(22) 有趣的是，射血分数恢复的心力衰竭最近被认定为一类独特的心力衰竭患者群体，其生物标志物谱改善，住院频率较低，且与射血分数降低或保留的患者相比死亡率更低，这支持了恢复的心肌在分子和临床层面代表了一种独特表型的假说。(24,25)

为了进一步了解LVAD诱导心肌恢复的转录机制，我们回顾了8项具有LVAD支持前后心肌基因表达数据的人类心力衰竭研究。(20,26‐32) 我们推测，在异质性患者人群中，若这8项研究中均发现受机械减负调控的共同通路，则该通路可作为未来研究的“高产出”候选目标。在至少8项研究中的3项里发现随LVAD支持而上调或下调的49个基因被归入一个“热图”（图1）。针对属于相同通路的部分基因进行了深入讨论，以期建立更为统一的假设，解释衰竭心肌在LVAD植入前后发生的转录变化。

2. 左心室辅助装置植入前后的基因表达特征

人类基因组计划于2003年完成，开启了大规模基因组测序的新时代，为研究心力衰竭等复杂通路提供了理想的工具。从LVAD植入前后的人类心肌中分离出的RNA被逆转录、生物素标记，并与微阵列芯片中的寡核苷酸进行杂交。由于某些转录本丰度较高或较低而产生的荧光强度分别指示了基因表达的增加或减少。通过使用微阵列和RNA测序平台，本综述包含的8项研究共鉴定出2653个因机械减负而上调或下调的基因。其中，有49个基因在至少3项研究中被识别（图1）。利用DAVID生物信息学资源对这49个逆向重构基因进行分析，发现这些基因似乎在肿瘤坏死因子α （TNFα）、PIK3‐Akt和金属硫蛋白介导的通路中发挥关键作用。这些基因来自京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路数据库。我们将这些基因视为讨论的“高产”候选基因，因为先前已证明它们在心力衰竭的发病机制中至关重要（表1）。(33)

2.1. 左心室辅助装置支持的心肌中的炎症调节

2.1.a. 肿瘤坏死因子α及其下游靶点

众所周知，免疫系统在慢性心力衰竭进展中起着重要作用。早期发现终末期心力衰竭中的恶病质与TNFα水平升高相关。(34) 与正常心肌相比，衰竭心肌表现出大量TNFα及其受体的表达。(35) 心脏特异性过表达TNFα的转基因小鼠重现了人类心力衰竭的心腔扩张和左心室收缩功能减退表型。这些小鼠还表现出类似的分子改变，包括胎儿基因的再表达以及下游细胞因子和趋化因子（如白细胞介素1和单核细胞趋化蛋白（MCP））的激活。(36) 然而，使用依那西普和英夫利昔单抗等抗TNFα疗法治疗慢性心力衰竭的临床试验并未显示出显著益处。更糟糕的是，这些药物在少数患者中引发了心力衰竭失代偿甚至死亡。(37,38) 因此，或许并不意外的是，在左心室辅助装置支持的心肌中发现了可促进TNFα基因表达的CCAAT增强子结合蛋白C/EBPβ的上调，这证明了TNFα在慢性心力衰竭中的多效性和复杂作用（表1）。在这种情况下，尽管有LVAD支持，TNFα信号通路可能仍发挥类似于其在心肌缺血中的抗凋亡机制。(39) 或者，持续的TNFα激活可能是部分心脏在植入LVAD后仅实现部分而非完全恢复的原因之一。

TNFα信号通路中的一个主要下游转录因子是NF‐κB。在基础状态下，该蛋白在细胞质中与其抑制剂IκBα结合。当受到TNFα刺激时，IκBα被磷酸化并降解，而游离的NF‐κB则转位至细胞核以进行基因转录。NF‐κB的激活还会增强IκBα的基因表达，从而形成一个自调节循环。(40) NF‐κB已被认为参与了心力衰竭中对有害刺激的多种适应性和非适应性反应。据推测，在急性损伤（如心肌梗死）后，NF‐κB的作用是抑制Bcl‐2介导的凋亡通路，以保护心肌。然而，慢性NF‐κB激活可能导致炎症性细胞因子（如TNFα、IL‐1β和IL‐6）增加。(41) 在表1中观察到的IκBα上调与先前一项研究结果一致，该研究表明在左心室辅助装置支持的心肌中NF‐κB活性降低。(42) TNFα是否通过IκBα在左心室辅助装置引起的心室减负情况下调节NF‐κB活性，仍有待阐明。

TNFα的另一个主要下游靶点是CXCL12，该基因编码基质细胞衍生因子‐1（SDF‐1），这是一种趋化因子，可在缺血性损伤后募集干细胞并促进组织修复。(43) SDF‐1在因左心室辅助装置取出而完全恢复的心肌中高度表达。(44) 在此处引用的研究中，SDF‐1转录本呈下调状态（表1），可能是因为所有8项研究均未区分已恢复与未恢复的心肌。需要开展新的研究来确定SDF‐1作为左心室辅助装置植入后心肌“可恢复性”标志物的潜在作用。

2.1.b. 单核细胞募集

作为先天免疫系统的一部分，单核细胞在动脉粥样硬化形成和斑块破裂中起关键作用。某些CD14+单核细胞亚群已被证实与心肌梗死后心室功能恢复不良及更差的预后相关。(45) 心肌单核细胞浸润通过单核细胞趋化蛋白‐1（MCP‐1，即CCL2）与其受体CCR2的相互作用介导。MCP‐1可由多种细胞类型分泌，包括心肌细胞、血管内皮和单核细胞，在缺氧等刺激下均可分泌。TNFα，(46) MCP‐1对心肌具有有害作用。心脏中过表达MCP‐1的小鼠通过激活内质网应激反应和细胞凋亡，在6个月内死于心室衰竭，而阻断MCP‐1/CCR2轴可减轻心肌梗死后不良心室重构。(47,48) 在本综述的8项研究中，有3项发现CD14和MCP‐1转录本下调（表1），这可能是由于左心室辅助装置植入后促炎性单核细胞的募集减少所致。然而，包括TNFα和MCP‐1在内的多种炎症标志物的蛋白水平在左心室辅助装置植入后数月仍保持升高，这提示翻译后修饰而非基因转录可能是揭示左心室辅助装置植入后逆向重构之谜的关键。(49)

2.2. PI3K-Akt信号通路

磷脂酰肌醇‐3,4,5‐三磷酸（PIP3）是一种质膜结合磷脂，介导多种信号转导通路，从细胞存活到心肌收缩力均有涉及。PIP3由前体通过I类磷脂酰肌醇‐3‐激酶（PIK3）合成，PIK3由催化亚基p110和由PIK3R基因编码的调节亚基p85α组成。(50) 在LVAD支持的心肌中发现PIK3R转录本表达上调（表1），提示PIK3介导的通路可能在逆向重构中起核心作用。已知PIK3通过Akt对心肌细胞产生抗凋亡作用，Akt是一种丝氨酸‐苏氨酸激酶，激活后可转位至细胞核，促进促生存基因的表达。

值得注意的是，PIK3‐Akt通路还依赖于特定的PIK3同工型介导病理性心脏肥厚。(50) 研究PIK3R的上调是否与PI3K‐Akt通路上调相关将非常有趣，或该通路是否因p85α下调而通过增强PTEN蛋白（PI3‐磷酸酶）活性以使PIP3失活。(51)

2.3. 金属硫蛋白介导的抗氧化作用对心肌恢复的影响

金属硫蛋白是一类富含半胱氨酸的小分子蛋白质，能够清除自由基，并已被证明可防止血管紧张素II引起的氧化损伤、细胞凋亡和心肌病。(52) 在蒽环类药物介导的心脏毒性中，金属硫蛋白通过抑制p38‐MAP激酶和线粒体细胞色素c释放介导的细胞凋亡信号通路发挥其保护作用。(53) 在左心室辅助装置支持的心肌中，金属硫蛋白转录本MT1F和MT1X表达上调并不令人意外（表1）。该发现与我们近期的INTERMACS分析结果一致，后者显示由蒽环类药物引起的心力衰竭患者最有可能实现完全或部分心肌恢复。(17) 未来仍需进一步研究以明确旨在增强金属硫蛋白基因表达的疗法是否可促进完全心肌恢复。

3. 专家评论

免疫系统在逆向重构中无疑发挥着核心作用，然而诸如TNFα和金属硫蛋白等每个免疫调节因子如何影响心肌细胞仍 largely 未知。更重要的是，除了心肌细胞外，心肌还包含成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞等支持性细胞群体。专注于整体心肌基因表达模式变化的研究存在一个主要局限性：当混合多种细胞群体进行分析时，特定细胞的信号可能会被稀释。因此，未来的研究应探讨机械减负对心肌中特定细胞类型的影响。此外，迄今为止针对衰竭的人类心肌开展的分子研究主要集中于左心室辅助装置植入前后的比较分析，尽可能从同一受试者获取组织样本。然而，如INTERMACS注册系统所示，接受左心室辅助装置支持的大多数患者并未表现出显著的功能改善。因此，如果不结合功能信息（如左心室射血分数或应变），对配对的LVAD样本进行比较不太可能揭示心肌恢复的相关机制。另一个研究方向是探讨其他RNA种类，如微小RNA（miRNA）、小核仁RNA（snoRNA）和/或长链非编码RNA（lncRNAs），是否在心肌恢复过程中发挥作用。Matkovich等人已证实，使用左心室辅助装置进行机械减负可能导致miRNA表达谱的正常化，但Yang等人最近发表的研究表明，lncRNA可能比miRNA对机械减负更为敏感。(30,32) 这些不同RNA种类如何用于预测接受LVAD支持患者的 心肌恢复，仍有待进一步研究。

4. 五年展望

未来五年内基因组技术的进步可能会显著降低转录谱分析的成本，并使得在大型心力衰竭人群中进行DNA和RNA谱分析成为可能。鉴于任何植入中心的恢复患者数量有限，将多中心心脏组织库与详细表型信息相结合，可能有助于在可预见的未来识别出在接受LVAD支持的患者中导致心肌恢复的遗传信号。该领域的持续进展将需要临床科学家与基础科学家之间的合作，以完成必要的候选基因鉴定、在基于细胞或动物模型中的靶点验证，以及细致的临床表型分析。

5. 关键问题

• 免疫调节在LVAD植入后的逆向重构中起着重要作用，特别是涉及TNFα及其下游靶点、单核细胞募集、PI3K‐Akt信号通路以及金属硫蛋白介导的抗氧化效应的通路。
逆向重构很可能是介于部分和完全心肌恢复之间的一个连续过程。免疫系统如何介导这一连续过程目前尚不清楚。
关于其他种类的RNA分子在调控逆向重构中的作用，仍有许多未知之处。
不同机构之间需要开展合作，以进行大规模、高通量的筛选，寻找一种共同的分子特征，该特征是揭示左心室辅助装置支持的心肌逆向重构之谜的关键。

表1. KEGG通路分析中富集的逆向重构基因

通路	基因名称	Up/Down	描述	功能
TNFα	C/EBPβ	Up	CCAAT增强子结合蛋白	增强TNFα基因表达
	NFKBIA (IκBα)	Up	NF‐κB抑制剂α	抑制NF‐κB活性
	CXCL12 (SDF‐1)	Down	C‐X‐C基序趋化因子配体 (基质细胞衍生因子‐1)	趋化因子，增强组织修复
单核细胞	CCL2 (MCP‐1)	Down	C‐C基序趋化因子配列2 (单核细胞趋化蛋白‐1)	单核细胞趋化因子
	CD14	Down	表面抗原	细菌共受体脂多糖
PIK3‐Akt	PIK3R1	Up	磷酸肌醇‐3‐激酶调节亚基1	调控PIK3和PTEN活性
金属硫蛋白‐硫堇	MT1F	Up	金属硫蛋白1F	自由基清除剂
	MT1X	Up	金属硫蛋白1X	自由基清除剂