血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞在成熟心臟發(fā)育中的關(guān)系,發(fā)育生物學(xué)論文

血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞在成熟心臟發(fā)育中的關(guān)系,發(fā)育生物學(xué)論文在正常成年哺乳動(dòng)物的心臟中大約有30%的細(xì)胞是心肌細(xì)胞，另外的70%為內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和免疫細(xì)胞〔1〕.各細(xì)胞間的互相詣?wù){(diào)作用對(duì)心臟的發(fā)育至關(guān)重要〔2〕.內(nèi)皮細(xì)胞已經(jīng)成為當(dāng)前心血管系統(tǒng)構(gòu)造其功能的重要因素之一〔3〕,是血管張力和附近細(xì)胞生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器〔4〕.心肌細(xì)胞不僅有賴內(nèi)皮細(xì)胞提供血氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，更需要內(nèi)皮細(xì)胞自分泌和旁分泌信號(hào)，進(jìn)而引導(dǎo)和促進(jìn)心肌細(xì)胞發(fā)育、舒縮功能、缺血損傷后存活乃至有限再生。本文綜述了以往研究中關(guān)于內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞之間互相作用的關(guān)鍵分子機(jī)制，討論血管內(nèi)1面的成效，以利于研究心肌細(xì)胞的再生和心血管疾病的治療。1血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞的解剖位置關(guān)系在成年哺乳動(dòng)物的心臟中，每一個(gè)心肌細(xì)胞旁至少有一根毛細(xì)血管，在重量上心肌細(xì)胞大約是血管內(nèi)皮細(xì)胞的25倍但是在數(shù)量上內(nèi)皮細(xì)胞至少是心肌細(xì)胞的3倍〔5〕.心肌細(xì)胞的大小通常是10~100m,由內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成的微血管之間的距離為15~50m〔6〕,每一個(gè)心肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的距離都小于3m,冠狀動(dòng)脈微血管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)心肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的這種嚴(yán)密解剖構(gòu)造不僅能夠供給使充足的血液，同時(shí)也有利于這些細(xì)胞之間的互相作用〔7〕.2心臟血管內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞收縮血管內(nèi)膜能夠感應(yīng)流過(guò)血液的剪切應(yīng)力和調(diào)節(jié)血管平滑肌的收縮。因而，心臟內(nèi)皮細(xì)胞〔包括心內(nèi)膜內(nèi)皮細(xì)胞和毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞〕能夠調(diào)節(jié)心臟的收縮。由心臟血管內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)自分泌和旁分泌途徑釋放或活化信號(hào)分子，到達(dá)調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞收縮反響的作用。心臟內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)旁分泌作用調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞的收縮功能，其分泌的因子包括一氧化氮、內(nèi)皮素-1、前列環(huán)素、促尿鈉肽和其他細(xì)胞因子〔8〕.2.1一氧化氮三種不同的一氧化氮合酶同工酶將L-精氨酸合成為一氧化氮〔NO〕.神經(jīng)元型和內(nèi)皮型一氧化氮合酶〔nNOS和eNOS〕在正常生理狀態(tài)下表示出，而誘導(dǎo)型一氧化氮合酶〔iNOS〕在應(yīng)激或細(xì)胞因子誘導(dǎo)下表示出。NO作用于血管能夠使血管平滑肌松弛，作用于心臟則影響心室的舒張。固然NO主要由血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌起旁分泌效應(yīng)，但是心肌細(xì)胞也同樣表示出nNOS和eNOS.內(nèi)皮細(xì)胞表示出的eNOS與心肌細(xì)胞表示出的eNOS的比值大于4∶1〔9〕.心肌細(xì)胞表示出的eNOS信號(hào)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)-腎上腺素和膽堿來(lái)控制心臟的收縮狀態(tài)〔10〕.Barouch等〔11〕證明了心肌細(xì)胞表示出的eNOS和nNOS可能對(duì)心臟的構(gòu)造和功能起相反作用，他們利用eNOS或nNOS基因敲除小鼠，發(fā)現(xiàn)eNOS和nNOS不但在心肌細(xì)胞中有不同的定位，而且在心肌收縮功能上起相反的作用。eNOS定位在細(xì)胞質(zhì)膜微囊，抑制L-型Ca2+通道，誘導(dǎo)負(fù)性肌力作用，而nNOS的靶器官是肌漿網(wǎng)，促進(jìn)Ca2+釋放，起正性肌力作用。這些結(jié)果表示清楚不同的一氧化氮合酶亞型對(duì)維持心臟的構(gòu)造和外型是獨(dú)立起作用的。2.2內(nèi)皮素-1〔ET-1〕ET-1是由21個(gè)氨基酸組成的多肽，主要由血管內(nèi)皮細(xì)胞經(jīng)過(guò)直接的收縮作用產(chǎn)生和釋放，具有收縮血管的作用〔12〕.在心臟中，ET-1有自分泌和旁分泌兩種途徑，其受體包括內(nèi)皮素A〔ETA〕受體和內(nèi)皮素B〔ETB〕受體。ETA受體在心肌細(xì)胞上表示出。當(dāng)ET-1與ETB受體結(jié)合，可導(dǎo)致其他信號(hào)分子〔如：NO和前列環(huán)素I2〕的釋放而不是血管收縮，而當(dāng)ET-1與ETA受體結(jié)合時(shí)，ET-1能夠引起心肌細(xì)胞的收縮〔13〕.以上結(jié)果表示清楚，在心臟內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞之間可能有一個(gè)反應(yīng)機(jī)制并通過(guò)ET-1系統(tǒng)控制心肌的收縮功能。2.3神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白-1/ErbBs神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白〔NRG〕是表皮生長(zhǎng)因子家族的成員，這些成員的受體為ErbB家族受體絡(luò)氨酸激酶。NRG可分為四種亞型：NRG-1、NRG-2、NRG-3和NRG-4.在心臟構(gòu)成早期，心內(nèi)膜內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NRG-1,心肌細(xì)胞則表示出ErbB2和ErbB4兩種受體。ErbB2/4系統(tǒng)通過(guò)旁分泌信號(hào)通路從心內(nèi)膜到心肌，對(duì)心肌小梁和心臟墊的構(gòu)成起到至關(guān)重要的作用〔14〕.有研究表示清楚，NRG或兩種其同源受體〔ErbB2和ErbB4〕的突變，可致心肌小梁中止生長(zhǎng)，使胚胎中期死亡〔15〕.在成年心臟中NRG-1特異性的在心肌內(nèi)皮細(xì)胞中表示出，而且NRG-1表示出似乎嚴(yán)格限制在靠近心肌細(xì)胞的心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞中，在大的冠脈靜脈和主動(dòng)脈中均無(wú)表示出，但ErbB2和ErbB4在心肌細(xì)胞中卻有表示出。因而，考慮可能是靠近心肌細(xì)胞的內(nèi)皮細(xì)胞合成并釋放NRG-1作用于心肌細(xì)胞中的受體，進(jìn)而發(fā)揮旁分泌效應(yīng)〔16〕.在成年小鼠中，心肌細(xì)胞特異性敲除ErbB2后可導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌病〔17〕.來(lái)自內(nèi)皮細(xì)胞的神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白在兔離體乳頭肌中能夠誘導(dǎo)負(fù)性肌力作用〔18〕.這表示清楚神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白信號(hào)通路和NO在心臟肌力調(diào)節(jié)中充當(dāng)了內(nèi)皮源性調(diào)節(jié)器的作用。3心肌細(xì)胞的再生自然界中，脊椎動(dòng)物的器官再生現(xiàn)象相對(duì)較少，而斑馬魚能夠在心臟部分切除后實(shí)現(xiàn)心肌再生〔19〕.Porrello等〔20〕近期的研究也發(fā)現(xiàn)小鼠出生后早期具有心肌再生的能力，在出生7d后則基本喪失了這種能力。他們的研究還發(fā)現(xiàn)，心肌梗死術(shù)后的新生小鼠心肌能夠依靠預(yù)先存在的心肌細(xì)胞的增殖而實(shí)現(xiàn)再生〔21〕.但人類心臟缺血后死亡的心肌細(xì)胞由于不能被充分置換，進(jìn)而導(dǎo)致心室功能障礙〔22〕.有證據(jù)表示清楚，心肌細(xì)胞在特定情況下能夠持續(xù)再生，其再生能力隨著年齡的增長(zhǎng)逐步下降〔23〕.關(guān)于成人再生的心肌細(xì)胞來(lái)源，Quaini等〔24〕研究了8名接受了女性供體心臟的男性患者，在這些男性患者逝世后，發(fā)現(xiàn)其移植的心臟內(nèi)有含Y染色體的干細(xì)胞。顯然這些干細(xì)胞要么來(lái)自受體的骨髓，要么來(lái)自受體殘留的部分心血管組織。另有研究表示清楚，現(xiàn)有的心臟干細(xì)胞是心肌再生的來(lái)源〔25〕.由于缺乏對(duì)心肌細(xì)胞新生機(jī)制的了解，所以研究人員將不同類型的細(xì)胞或者將損傷的心肌細(xì)胞注入心臟，試圖刺激心肌細(xì)胞的新生。這些細(xì)胞都表現(xiàn)出向受益之處發(fā)展的潛力，包括骨骼肌細(xì)胞、成人和新生兒的心肌細(xì)胞、骨髓干細(xì)胞和新生兒干細(xì)胞〔26〕.在某些情況下，注入的細(xì)胞或者植入未完全分化的細(xì)胞存活較差，其他情況是宿主心肌細(xì)胞與植入細(xì)胞整合不佳〔27〕.注入骨髓來(lái)源的內(nèi)皮祖細(xì)胞已經(jīng)成為心梗后促進(jìn)心肌血管生成和提高心肌存活率的輔助療法〔28〕,固然它們轉(zhuǎn)化為心肌細(xì)胞的能力很有限。實(shí)驗(yàn)性的細(xì)胞療法似乎有利于受損心臟的功能，即便大多數(shù)細(xì)胞并沒(méi)有存活甚至更少的細(xì)胞在功能上融入心肌細(xì)胞。由于注射的細(xì)胞刺激了血管的生成，無(wú)論這些注射的細(xì)胞是存活還是死亡其都含有豐富的血管生成因子。4內(nèi)皮細(xì)胞促進(jìn)心肌細(xì)胞存活4.1eNOS-NO途徑Leucker等〔29〕將血管內(nèi)皮細(xì)胞與心肌細(xì)胞按1∶12的比例混合培養(yǎng)，在缺氧/復(fù)氧的體外模型中，異氟烷可通過(guò)激活內(nèi)皮細(xì)胞的缺氧誘導(dǎo)因子〔HIF1〕-eNOS途徑加強(qiáng)其對(duì)心肌細(xì)胞的保衛(wèi)作用，其機(jī)制與內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生的NO,抑制心肌細(xì)胞線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔〔mPTP〕開(kāi)放有關(guān)。該研究團(tuán)隊(duì)的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是將血管內(nèi)皮細(xì)胞與心肌細(xì)胞按1:3的比例混合培養(yǎng)，缺氧/復(fù)氧處理后NO的產(chǎn)生量明顯高于單獨(dú)培養(yǎng)心肌細(xì)胞，而混合培養(yǎng)的細(xì)胞中乳酸脫氫酶〔LDH〕的產(chǎn)量明顯降低。高糖環(huán)境則損傷了上述內(nèi)皮細(xì)胞的保衛(wèi)作用，補(bǔ)充四氫葉酸〔BH4〕或上調(diào)三磷酸鳥(niǎo)苷環(huán)化水解酶〔GTPCH-1〕活性則能夠恢復(fù)上述內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)心肌細(xì)胞的保衛(wèi)作用，其機(jī)制與促進(jìn)eNOS耦聯(lián)以及磷酸化有關(guān)〔30〕.Liu等〔31〕研究發(fā)如今心肌細(xì)胞-血管內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)缺氧/復(fù)氧模型中，血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷可加劇心肌細(xì)胞損傷，而vasostatin-1基因轉(zhuǎn)染可通過(guò)血管內(nèi)皮保衛(wèi)機(jī)制，對(duì)共培養(yǎng)中的心肌細(xì)胞產(chǎn)生更為顯著的抗心肌缺血再灌注損傷保衛(wèi)，該作用與內(nèi)皮來(lái)源的NO信號(hào)通路密切相關(guān)。4.2NRG/ErbB途徑NRG-1在心臟微血管內(nèi)皮中表達(dá)，而ErbB2和ErbB4在心肌細(xì)胞中表示出，這就為內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)NRG-1/ErbB2/4旁分泌作用于心肌細(xì)胞提供了可能。Kuramochi等〔7〕的研究證明了活性氧能夠調(diào)節(jié)NRG/ErbB信號(hào)通路。他們發(fā)現(xiàn)NRG通過(guò)PI-3K/Akt信號(hào)通路促進(jìn)心肌細(xì)胞存活。心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞表示出NRG和NRG-1可保衛(wèi)心肌細(xì)胞抵抗蒽環(huán)類藥物、-腎上腺素能受體和過(guò)氧化氫〔H2O2〕誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞死亡〔7〕.H2O2以濃度依靠的方式和旁分泌的機(jī)制激活心肌細(xì)胞的ErbB4信號(hào)，進(jìn)而誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞NRG-1的釋放〔7〕.共培養(yǎng)心肌內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)NRG/ErbB4信號(hào)通絡(luò)保衛(wèi)H2O2誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡。缺氧/復(fù)氧環(huán)境亦可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞釋放NRG-1,起到保衛(wèi)心肌細(xì)胞的作用。Hedhli等〔32〕發(fā)現(xiàn)，在缺氧再灌注后，內(nèi)皮細(xì)胞釋放NRG-1水平明顯高于單獨(dú)缺氧；在內(nèi)皮與心肌細(xì)胞隔離共培養(yǎng)后進(jìn)行缺氧/復(fù)氧處理，心肌細(xì)胞凋亡明顯被抑制，存活數(shù)量增加；小鼠體內(nèi)內(nèi)皮特異性敲除NRG-1基因后，心肌缺血后梗死面積明顯增加。Ebner等〔33〕的研究證實(shí)，即便給予NRG-1,在eNOS功能受損〔解耦連〕的小鼠體內(nèi)，其心肌保衛(wèi)作用也被大大削弱；在eNOS基因敲除的小鼠中，NRG-1可通過(guò)失活GSK-3而到達(dá)明顯的心肌保衛(wèi)作用。該研究提示NRG-1可能也是部分通過(guò)eNOS未發(fā)揮作用的。4.3其他保衛(wèi)機(jī)制在心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞三維立體培養(yǎng)中，內(nèi)皮細(xì)胞可保衛(wèi)心肌細(xì)胞，減少凋亡〔34〕.初步研究數(shù)據(jù)表示清楚：內(nèi)皮細(xì)胞在與心肌細(xì)胞接觸培養(yǎng)中，內(nèi)皮細(xì)胞〔PDGF-B〕分泌血小板衍生生長(zhǎng)因子-B,它能夠通過(guò)PI-3k/Akt信號(hào)通路保衛(wèi)心肌細(xì)胞提高心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞的止血和血管生成活性〔35〕.除了eNOS、NRG和PDGF-B,另外一個(gè)血管內(nèi)皮細(xì)胞介導(dǎo)心肌細(xì)胞存活的因子是血管生成素-1.Ang-1基因缺陷的小鼠在發(fā)育中死亡主要是由于心臟功能缺陷。這些缺陷通常是由于內(nèi)皮細(xì)胞功能受損引起的。Ang-1不僅提高了內(nèi)皮細(xì)胞的存活率而且能夠提高骨骼肌細(xì)胞和心肌細(xì)胞的存活質(zhì)量，Ang-