综述

2019年中国心血管领域主要基础研究回顾

王怡玫 张岩

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引用格式： 王怡玫，张岩. 2019 年中国心血管领域主要基础研究回顾 [J/OL]. 中华心血管病杂志(网络版),2020,3:e1000038(2020-05-19). http://www.cvjc.org.cn/index.php/Column/columncon/article_id/204. DOI:10.3760/cma.j.issn.2096-1588.2020.1000038.

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发布日期： 2020/05/19    浏览量： 4736 次

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2019年中国心血管领域主要基础研究回顾
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2019年中国心血管领域主要基础研究回顾
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引言


心血管疾病是一种较为常见且严重威胁着人类健康的疾病，连续多年位居中国居民死亡构成的首位 [1]。认识心血管疾病的本质，建立行之有效的治疗手段是医学工作者的责任与使命。基础研究提供科学猜想和合理论证，临床研究则积累海量病例和实践经验，二者相辅相成，为心血管疾病的预防、诊断和治疗提供创新空间。

本文旨在回顾 2019 年我国大陆地区心血管领域基础研究方面发表的重要成果，以期为今后相关研究提供思路。我们利用 Science Citation Index Expanded (SCI-EXPANDED) 数据库，在标题、摘要和关键词字段检索了包含 heart，cardiac, vascular, cardiovascular 及其类似词语的文章 ( 检索式：heart* or cardiac* or vascular* or cardio*)。筛选其中发表在权威期刊且通信作者来自中国大陆地区的基础研究论文（不包含临床研究、流行病学研究和公共卫生研究）作为分析对象，归纳总结 2019 年取得的进展。本文所指的权威期刊，包含了当前影响因子大于 20 的期刊以及领域内普遍认可的、具有较高影响力的专业 期 刊（ 例 如 Journal of the American College of Cardiology、Nature Cell Biology、Science Translational Medicine、Cell Research 等）。 总计筛选得到权威期刊发表的相关论文共 23 篇（表 1），涉及心脏保护、心肌细胞再生、心脏炎症、血管生物学和高血压，以及新技术和新材料等主题。此外，Circulation Research（13 篇）、Advanced Science（5篇）和 Journal of Pineal Research（4 篇）等具有较高影响力的期刊中同样筛选出29篇相关主题论文供读者参考阅读（表2），由于篇幅限制，在此未做深入讨论。

心脏保护


心肌细胞的损伤与死亡是多种心血管疾病的核心病理生理机制。在心脏病理状态下，包括氧化应激、儿茶酚胺过度刺激、炎症和心脏过度负荷等因素，都会引起心肌细胞的死亡 [2-3]。成年哺乳动物的心肌细胞是终末分化细胞，增殖能力非常有限，因此死亡的心肌细胞很难得到有效补充，造成心脏功能单位的永久性丧失，引起心肌梗死、心力衰竭等一系列心脏疾病。因此如何在损伤发生时保护心肌细胞与减少心肌细胞的死亡是防治心血管疾的重要策略。

心肌缺血是最常见的心脏损伤形式，及时恢复缺血区域血流是治疗心肌缺血的最佳方式，即“缺血”后“再灌注”。但是，血流的恢复会引起内环境变化，导致进一步的心脏损伤，称为缺血再灌注损伤。近年来，随着医疗技术的进步，恢复心脏血流的治疗技术日渐成熟，经皮冠状动脉腔内成形术、冠状动脉搭桥术以及溶栓等手段，能够使大多数患者的心肌缺血得到恢复，随之而来的缺血再灌注损伤也就成为亟待解决的临床问题。因此，研究缺血再灌注损伤的病理生理机制及其临床防治措施，成为目前心血管领域的研究热点之一 [4-6]。


一、线粒体与心脏保护
首都医科大学附属北京安贞医院杜杰教授和美国托马斯杰斐逊大学马新亮教授团队通过分析缺血再灌注小鼠心脏的动态转录组，明确了S100a8/a9 是缺血再灌注损伤的早期介质，敲除S100a8/a9 可显著减少心肌细胞死亡，提高心功能；而过表达 S100a8/a9 则可加剧缺血再灌注损伤 [7]。转录组 / 功能性研究显示，S100a8/a9 能够引起心肌细胞的线粒体呼吸功能障碍。机制上，S100a8/a9 通过 Toll 样受体 4 / Erk 介导的 Pparg共激活因子 1α/ 核呼吸因子 1 信号，下调线粒体复合物Ⅰ亚基泛醌氧化还原酶（ubiquinone oxidoreductase，NDUF）的基因表达，进而抑制线粒体复合物Ⅰ。给予 S100a8/a9 中和抗体可显著降低缺血再灌注损伤的发生率，改善心功能。最后，在急性心肌梗死患者经皮冠状动脉介入治疗后 1 d，血清 S100a8/a9 水平显著升高，其水平与主要心血管不良事件的发生有关。该研究证实了在心脏缺血再灌注损伤早期，S100a8/a9 通过抑制线粒体功能导致心肌细胞死亡和心脏损伤，靶向 S100a8/a9 启动的信号通路或可成为治疗心脏缺血再灌注损伤的新干预手段。

线粒体在细胞死亡中发挥着重要作用，也是重要的干预靶点。线粒体相关的心肌细胞死亡在多种心脏疾病中发挥着重要作用。NDUF 是线粒体复合物Ⅰ的重要组成部分，在电子传递链、氧化磷酸化和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的产生中都具有重要意义 [8]。杜杰教授等对心脏缺血再灌注损伤中线粒体功能异常的发生机制进行了较为深入的研究，S100a8/a9 就是通过下调 NDUF 基因的表达进而抑制线粒体复合物Ⅰ，从而损害心肌细胞。北京大学程和平院士和王显花副研究员也对 NDUF 在心脏缺血再灌注损伤中的作用进行了研究 [9]，发现 NDUF 的 AB1 亚单位心脏特异性敲除小鼠出现心脏生物能量学缺陷和活性氧水平升高，引发进行性扩张型心肌病，最终导致心力衰竭和猝死。而过表达该蛋白则会显著抑制活性氧的生成，增强线粒体生物功能，保护心脏免受缺血再灌注损伤。该研究发现 NDUFAB1 是线粒体能量和活性氧代谢的重要调节因子，通过协调呼吸复合物和超复合物的组装，以减少心脏缺血再灌注损伤和心力衰竭的发生，为其防治提供了新靶点。


二、DNA 损伤与心脏保护
除了线粒体通路以外，DNA 损伤及其造成的基因组不稳定也是引起细胞死亡的重要原因。如前文所述，成年哺乳动物的心肌细胞增殖能力非常有限。如果不能有效修复因外界刺激或细胞内代谢产物导致的心肌细胞 DNA 损伤，不断积累的 DNA 损伤可引起基因组稳定性下降，进而造成心肌细胞死亡和多种心血管疾病。然而，目前对心肌细胞 DNA 损伤修复的调节机制还知之甚少。我们研究组利用第三代测序和绝对定量质谱技术，首次发现人类心脏中最主要的钙离子 / 钙调素依赖的蛋白激酶Ⅱ（Ca2+/calmodulin protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ） 的 可 变 剪 切 体 是 CaM- KⅡ-δ9[10]，而不是以前广泛认为的 CaMKⅡ-δ2 和CaMKⅡ-δ3。利用患者心脏样本、人诱导多功能干细胞以及多种大、小鼠心脏损伤模型，我们研究组发现在心脏病理情况下，CaMKⅡ-δ9 表达增加。CaMKⅡ-δ9 直接结合并磷酸化范可尼贫血（Fanconi anemia，FA）通路唯一的泛素耦联酶 E2T（ubiquitin-conjugating enzyme E2T，UBE2T），并造成该蛋白的降解，从而损害 FA通路的 DNA 修复功能，引起心脏 DNA 损伤和心肌细胞的死亡，进而引发心肌病和心力衰竭 [10]。此工作首次揭示了一种全新的 CaMKⅡ-δ9 依赖的心肌细胞 DNA 损伤和修复机制，及其在心肌细胞死亡、心肌病和心力衰竭等重大疾病中的作用。研究提示，通过抑制该调控通路的过度激化，可为包括心脏缺血、恶性重构和心力衰竭等重大心血管疾病的预防和治疗提供新途径。


三、低温与心脏保护
冠状动脉搭桥术是恢复缺血心脏血流的重要治疗措施，而体外循环是包括冠状动脉搭桥术在内的众多心脏手术中经常使用的技术手段。低温是体外循环下心脏直视手术中不可缺少的心肌保护环节，但低温在降低心肌氧耗的同时，不可避免地产生低温刺激，促使心肌细胞表达一系列冷休克蛋白来拮抗低温刺激带来的不良反应。但是慢性缺氧的患者，如发绀型先天性心脏病、慢性阻塞性肺疾病、睡眠呼吸暂停综合征患者以及高海拔地区的人群等，其心脏对抗低温的保护功能会受到严重影响，使此类患者面临较高的心脏外科术后的低心排出量综合征 (low cardiac output syndrome，LCOS) 等相关并发症的风险。但是目前对其机制和保护策略仍不明确。中国医学科学院阜外医院张浩教授团队通过建立模拟临床场景的大鼠体外模型，发现体外循环期间低温可以诱导心脏冷诱导RNA结合蛋白（cold-inducible RNA binding protein，CIRBP）的表达，而抑制该蛋白表达则导致显著的心脏功能受损。长期慢性低氧会诱导心肌细胞发生甲基化的表观遗传学改变，导致 CIRBP 表达下降并且丧失对低温的反应性。低温下的 CIRBP 表达被抑制后将导致体外循环期间心肌组织的泛醌合成障碍与辅酶 Q10 的合成锐减，最终削弱了低温的心肌保护效果。通过在心脏停搏液中补充额外的辅酶 Q10 可弥补冷刺激后 CIRBP 下降带来的负面效应，相关机制也在发绀型先天性心脏病和来自高海拔地区患者的心肌组织样本得到了证实，为临床转化提供了证据 [11]。本研究不仅揭示了 CIRBP 在低温心肌保护中的作用，而且提出针对低氧患者的个体化心肌保护策略，强调了补充辅酶 Q10 的重要意义，具有重大的转化医学价值。


四、心脏中非心肌细胞与心脏保护
心脏中除了心肌细胞以外，还包括成纤维细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、炎症细胞等细胞类型。非心肌细胞功能受损同样与心脏损伤密切相关。同济大学附属东方医院张玉珍教授、刘中民教授和张林研究员联合发现内皮细胞中的叉头框转录因子 P1 (forkhead box transcription factor P1，Foxp1) 在血管紧张素Ⅱ诱导的心室重构过程中明显下调。内皮细胞 Foxp1 缺失可导致严重的心室重构及失代偿性心肌肥厚，并进一步加剧血管紧张素Ⅱ灌注或主动脉缩窄术后的心功能障碍。相反，内皮细胞 Foxp1 功能增强则可预防病理性心室重构、改善心功能障碍。内皮细胞 Foxp1通过上调转化生长因子 β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）信号、增强内皮素-1 表达，进而导致病理性心脏肥大。因此，靶向内皮细胞Foxp1/TGF-β1/内皮素-1 通路或可为心力衰竭的治疗提供一个新的方案 [12]。

我们在《2018 年中国心血管领域主要基础研究回顾》一文中已经论述 [13]，心脏炎症在多种心脏疾病中都发挥着重要作用 [14-16]，是心脏保护的重要靶点。在心脏损伤因素的作用下，心肌细胞发生炎症反应和细胞死亡，进而引起炎症因子和致炎物质的释放，招募炎症细胞浸润。炎症细胞一方面会清除损伤细胞和组织，参与组织修复；另一方面也会引起进一步的组织损伤和炎症反应，形成恶性正反馈，加重疾病。因此，心脏炎症由心肌细胞本身的炎症反应与心脏中的炎症细胞引发的炎症反应共同组成。2019 年我国学者的两项工作，对两者的产生机制分别进行了研究。

中国医学科学院阜外医院的宋江平教授和美国得克萨斯农工大学的 Jiang Chang 教授合作，对心肌细胞中的一种小 G 蛋白——RhoE 在炎症调节中的作用进行了研究 [17]。研究发现，在 RhoE 敲除小鼠的心脏中，炎症因子的表达明显上升，而心肌细胞特异性 RhoE 的下降导致小鼠心肌梗死面积增大、炎症增强、心脏收缩力下降和个体死亡率增加。机制研究发现，RhoE 直接作用于经典炎症通路的 NF-κB 的 p65 和 p50 亚单位，防止其向细胞核转位，抑制 NF-κB 激活。因此，抑制心肌梗死后的过度炎症反应可改善预后。更为重要的是，在临床心肌梗死患者的心脏中，RhoE 蛋白含量的下降与患者的不良预后直接相关，因此心脏 RhoE 的水平能够预测心肌梗死的预后，为临床中判断患者能否进行外科干预提供了依据。另一项工作中，上海交通大学医学院附属瑞金医院张瑞岩教授和闫小响研究团队对心脏缺血再灌注损伤中巨噬细胞和中性粒细胞等炎症细胞的作用进行了深入研究 [18]。通过表达谱芯片分析，研究者发现缺血再灌注损伤动物模型中，活化巨噬细胞上表达的模式识别受体 Dectin-1 显著升高，而利用 Dectin-1 基因敲除小鼠、中和抗体和激动剂，以及骨髓移植等方法，Dectin-1 能通过介导巨噬细胞向促炎性的 M1 巨噬细胞极化、促进 Ly6C+单核细胞及中性粒细胞的浸润，参与心肌细胞凋亡、加重心肌缺血再灌注损伤，使心功能恶化。进一步研究发现，Dectin-1 主要通过调节趋化因子 CXCL1 及 G-CSF 的表达来促进中性粒细胞集聚，并通过调控白细胞介素-23（interleukin-23，IL-23）/IL-1β 来影响 γδT 细胞分泌 IL-17A，从而影响炎症细胞浸润及心肌损伤过程。该结果同样也在临床患者中得到了证实，与造影表现正常患者相比，行支架治疗的急性心肌梗死患者外周血中 Dectin-1+ 单核细胞数量显著增加，与临床急性心肌梗死及心肌梗死后心功能不全密切相关。该研究证实，Dectin-1 是影响心肌缺血再灌注损伤的重要免疫调节模式识别受体，是缺血性心脏损伤新的潜在干预靶点。

心肌细胞再生


减少心脏损伤进而改善其预后，除了减少心肌细胞死亡，还可以通过促进心肌细胞增殖，替换死亡的心肌细胞来实现。心脏干细胞一度是心脏再生领域最受关注的热点，但是前段时间一系列高水平研究证明，哺乳动物心脏中的内源性 c-Kit 阳性和 Sca-1 阳性的细胞都不是再生心肌细胞的来源，《2018 年中国心血管领域主要基础研究回顾》一文对此已进行了较为详细的论述 [13]。前期研究采用的 Kit-Cre 模型存在两大缺陷，包括：（1）构建时同源重组酶 Cre 取代了内源 Kit 基因的表达，从而引发单倍体不足，即单个 Kit 等位基因不足以维持其正常功能；（2）无法标记 Kit 表达量低的细胞。限于之前的小鼠模型无法有效追踪心脏干细胞的命运，Kit+ 心脏干细胞是否具有肌源潜能一直存在争议 [19-21]。2019 年，中国科学院生物化学与细胞生物学研究所周斌研究组与中国医学科学院阜外医院心血管疾病国家重点实验室聂宇课题组合作，构建了 2 个全新的 Kit-Cre 工具鼠品系。为了避免对 c-Kit 基因产生影响，研究人员选择将 Cre 插入到 Kit 的最后一个外显子，并通过2A 或者 IRES 元件分隔，从而实现与内源 Kit 共同表达的目的。利用双同源重组系统 (Cre-loxP 和Dre-rox) 构建了两个可以有效标记 Kit+ 细胞且不影响内源 Kit 基因表达的小鼠模型，并利用这些模型对 Kit+ 的心脏干细胞是否参与成体心肌细胞的生成进行了探讨 [22]。研究结果显示，无论心脏处于稳态或损伤状态下，Kit+ 心脏干细胞都不会参与新生的心肌细胞的生成。本研究将两个新的Kit-Cre 模型与双同源重组酶介导的谱系追踪策略结合，追踪 Kit 在成体心脏中的命运，回避了 Kit-Cre 谱系追踪问题；不同于以前的 Kit-Cre 模型，新的 Kit-Cre 模型不存在 Kit 单倍体不足的问题，同时标记了所有 Kit+ 细胞及其后代。本研究解决了已有 Kit-Cre 模型的两大缺陷，间接证明了内源性 Kit+ 心脏干细胞不是成体心脏的心肌更新和修复所必需的。

由于目前心脏干细胞领域的研究遇到了很多困难，因此如何增强已有的心肌细胞的再生与自我更新能力，成为目前心脏修复领域的研究特点。2019 年，我国的科学家从长链非编码 RNA（long non-coding RNA，LncRNA）、环装 RNA（circular RNA，circRNA）和分泌蛋白等多个方向，对如何增强心肌细胞的增殖能力进行了探索。


一、非编码 RNA 与心肌细胞增殖
LncRNA 是一类不编码蛋白的、长度超过 200个核苷酸的转录本。最初认为 LncRNA 是转录过程中的“垃圾”，不具有功能。但是越来越多的研究证明，LncRNA 在多种生理和病理过程中发挥着重要作用，是哺乳动物基因转录的重要调控机制 [23]。LncRNA 在心脏中也发挥着重要作用，不仅直接参与心脏的发育和心脏疾病的发生 [24-25]，而且可以作为心肌重构和心力衰竭的生物标志物 [26]。青岛大学王昆教授团队筛选并鉴定了一个在新生鼠及成年鼠心脏中特异性高表达的 LncRNA，命名为心肌细胞增殖调节因子（cardiomyocyte proliferation regulator，CPR）。体外研究 CPR 对心肌细胞增殖的调节作用的结果显示，敲减内源性的 CPR 能够促进心肌细胞的增殖，暗示 CPR 在细胞水平上参与了心肌增殖的调节。为了在体内研究 CPR 的功能，研究者构建了 CPR 敲除小鼠，检测 CPR 敲除对心肌增殖的影响。研究者发现 CPR 敲除增加了新生鼠及成年鼠的心肌细胞增殖。通过心脏特异性 CPR转基因鼠证实了 CPR 的过表达抑制了乳鼠心肌细胞的增殖，同时降低了成年鼠的心肌细胞数。此外，通过 CPR 转基因鼠进一步证实了 CPR 的过表达损伤了乳鼠在心肌梗死后的再生能力。研究进一步表明 CPR 参与了成鼠心肌梗死后的心肌细胞增殖与心脏修复的调节。以上的体内外实验证实了 CPR 对心肌细胞增殖的调节。机制上，通过测序筛选了 CPR 的下游靶点，发现 CPR 能够抑制 MCM3 的表达，而 CPR 对 MCM3 表达的抑制是通过调节其启动子区的甲基化状态实现的。研究进一步证实 CPR 能够与 DNMT3A 相互作用，募集 DNMT3A 至 MCM3 启动子区促进其 CpG 岛的甲基化，进而导致对 MCM3 表达的抑制来调节心肌细胞增殖 [27]。此研究为促进损伤后的心脏修复及心肌细胞再生提供了一个基于 LncRNA 基础的新的治疗策略。

circRNA 是一类新的非编码 RNA，通过将RNA 的 3′末端连接到 5′末端而环化。circRNA环状结构有助于保持稳定性并增强其与 miRNA或者蛋白的结合能力。有报道显示 circRNA 可控制细胞增殖、分化、发育甚至组织再生 [28-30]。circRNA 还在多种心血管系统的生理和病理过程中发挥重要的调节作用。另外新生儿和成人心脏之间 circRNAs 的表达具有差异，提示circRNA 可能参与心脏发育和再生过程 [31]。超级增强子（super-enhancers，SEs）是哺乳动物基因组的区域，包含多个增强子，由一系列转录因子蛋白共同结合，以驱动参与细胞身份相关基因的转录。由于 SEs 常被识别位于控制和定义细胞身份相关基因的附近，因此它们可用于快速鉴定调节细胞身份的关键基因。南方医科大学南方医院心血管内科的宾建平教授研究团队通过整合 RNA 测序数据和 SEs 目录，鉴定了与调节心脏再生有关的 circRNA——circNfix[32]。转录因子Meis1 结合 circNifx 基因座的 SE，增强 circNifx的表达；circNifx 表达下调可以促进心肌细胞的增殖和血管生成，而抑制心肌梗死后心肌细胞的凋亡，从而改善心肌功能和预后。机制上，circNfix增强 Ybx1 与 Nedd41 的结合，诱导 Ybx1 的泛素化降解，抑制 cyclin A2 和 cyclin B1 表达；另一方面 circNfix 通过结合并抑制 miR-214，促进其靶基因 Gsk3β 的表达，进而抑制 β-catenin 的活性。该研究为改善心肌梗死后心肌细胞的再生和心脏的修复提供了新的靶点和治疗策略。


二、分泌蛋白与心肌细胞增殖
细胞衰老在多种生理和病理过程中都发挥重要作用 [33]。衰老相关的分泌表型（senescenceassociated secretory phenotype，SASP）是指由细胞衰老过程中分泌多种细胞因子所构成的一种生物学现象，包括 IL、趋化因子、生长因子和基质蛋白酶等 [34-35]。上海科技大学助理教授张辉和中国科学院上海生化细胞所周斌研究员课题组合作，发现细胞衰老有效促进了新生小鼠的心脏再生[36]。通过对损伤后不同时间点的新生心脏进行分析，发现损伤区域在受损后第2天开始出现衰老细胞，衰老细胞数目在受损后第 6 天左右达到最多，此后逐渐减少，心脏完全修复时则基本检测不到衰老细胞。利用药物 ABT263 清除衰老细胞或者利用 Trp53 基因敲除小鼠减少衰老细胞形成后，新生心脏受损后不能再生，损伤部位仍保留纤维化瘢痕并且心肌细胞增殖比例降低，从而证明衰老过程对于新生心脏再生是必需的。进一步，研究人员鉴定出成纤维细胞是主要的衰老细胞类型。在损伤后的成纤维细胞中特异性敲除Trp53基因，衰老细胞数目降低，纤维化加剧，心脏不能完全再生。进一步的研究证实，在新生心脏损伤区的心肌细胞中，分泌型蛋白 CCN1 的表达量显著增加。相对的，在心肌细胞中减少 CCN1 表达量则会导致衰老细胞数量减少，心脏再生能力受到抑制。在体外培养细胞中，CCN1 诱导的衰老成纤维细胞会分泌多种 SASP 细胞因子，如 IL-6 和 IL-1α等，能够促进心肌细胞增殖，从而证实新生心脏损伤后，心肌细胞分泌的 CCN1 作用于成纤维细胞诱导细胞衰老，衰老的成纤维细胞一方面会降低心脏纤维化，另一方面会分泌 SASP 因子促进心肌细胞增殖，两方面共同作用促进受损心脏再生。进一步，成年小鼠在心肌梗死之后，静脉注射 CCN1 同样会促进细胞衰老，降低心脏纤维化并改善心脏功能。因此，细胞衰老不仅对于新生心脏再生是必需的，对成体心肌梗死的治疗同样也具有重要意义。


三、心脏发育与心肌细胞增殖
研究心脏的发育和分化过程，对比胚胎期与成年心肌细胞增殖能力不同的机制，设法促进成年心脏的心肌细胞再生也是修复心脏的一个重要策略。干细胞/祖细胞分化为不同的谱系涉及一系列大规模的转录变化和染色质重组。组织特异性转录因子与表观遗传修饰因子协同作用对表观基因组进行编程，建立细胞同一性，这是由表观遗传调控机制维持的。为了启动细胞程序设计，一种特殊类型的转录因子，即先锋转录因子，将发育沉默的基因嵌入细胞核覆盖的“封闭”染色质中。先锋因子本身不足以激活基因，但它赋予染色质开放转录的能力，有助于随后招募额外的转录因子和其他调节蛋白，多个转录因子相互配合，并整合于调控网络中，严格控制以确保心脏正常发育的转录程序。同济大学附属东方医院孙云甫教授和梁兴群教授团队揭示了 Isl1/Brg1-Baf60c 复合物在协调心脏发生和建立心肌细胞命运的表观遗传记忆中的重要作用 [37]。同源框基因 Isl1 是一种 LIM- 同源结构域转录因子，在分化和整合到心脏管之前的第二心区祖细胞中瞬时表达。这些细胞被添加到心脏 Brg 管的动脉和静脉极，使其持续生长，并形成第二心区心脏祖细胞的部署和分化，这是造成人类先天性心脏畸形的重要原因。该团队的研究显示，Isl1 通过塑造心脏祖细胞的染色质景观，成为驱动心肌细胞谱系的先驱因素。利用先天性心脏缺陷的 Isl1 亚型小鼠，通过基因组范围分析、心脏祖细胞及其衍生物的 RNA- 和ATAC- 测序，发现 Isl1 与压缩的染色质结合，并通过与特定复合物的协同，促进染色质景观中的心脏谱系特异性改变。Isl1 / Brg1-Baf60c 复合物在协调心脏发生和建立心肌细胞命运的表观遗传记忆中起着至关重要的作用。

血管生物学与高血压


血管负责向全身各个器官输送氧气和营养物质，并且带走二氧化碳和代谢废物。血管结构包括最里层的内皮细胞、中层的平滑肌和外膜的成纤维细胞以及细胞外基质。研究血管的生理和病理变化，是心血管疾病防治的重要方向。


一、动脉粥样硬化的机制研究
动脉粥样硬化是引发冠心病、脑梗死以及外周血管病的最重要的原因之一。它以脂质代谢障碍为病变基础，其特点是受累动脉病变从内膜开始，一般先有脂质和复合糖类积聚、出血及血栓形成，进而纤维组织增生及钙质沉着，并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化，导致动脉壁增厚变硬、血管管腔狭窄等。血浆同型半胱氨酸水平的升高是动脉粥样硬化和心血管疾病的独立危险因素。同型半胱氨酸的代谢前体 S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine，SAH) 水平升高也是增加动脉粥样硬化和心血管疾病风险的危险因素，但是 SAH 对动脉粥样硬化早期启动事件，特别是内皮功能损伤的影响及机制并不清楚。深圳市疾病预防控制中心柯跃斌教授和中山大学凌文华教授合作，通过人群和一系列的动物细胞实验初步阐明了 SAH 与心血管疾病之间的关系以及 SAH对动脉粥样硬化形成的影响和机制 [38]。他们采用药物抑制剂和分子遗传手段下调 SAH 水解酶(S-adenosylhomocysteine hydrolase，SAHH)的表达，升高血浆 SAH 水平，发现此过程能够调控氧化应激的关键蛋白 p66shc 表达，进而诱导氧化应激与损伤内皮功能。SAHH 通过降低 DNA 甲基转移酶 1 表达及活性降低 p66shc 启动子甲基化从而激活 p66shc 的表达，进而引起氧化应激和内皮细胞损伤。因此，SAH 可能是心血管疾病一个新的危险因素及动脉粥样硬化形成的真正病因。针对高SAH 水平寻找有效的干预措施以降低 SAH 水平，或针对 SAH 代谢关键酶以 SAH 在动脉粥样硬化形成中的作用靶点，将能够减轻动脉粥样硬化，成为心血管疾病防治的新靶点。

高胆固醇血症同样是动脉粥样硬化发生、发展的重要驱动因素，并促进了动脉粥样硬化过程中造血干 / 祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cell，HSPC）扩增。中南大学湘雅医院柏勇平教授与美国得克萨斯州医学中心 Longhou Fang 教授合作，发现了高胆固醇血症与机体造血功能之间的联系因素及其机制 [39]。该研究发现血浆胆固醇水平增高能激活内皮细胞 SREBP2，并与Notch1 信号通路共同作用激活生血内皮，从而促进 HSPC 的增殖和动员及炎症因子的释放，推动了动脉粥样硬化的发生进程，揭示了载脂蛋白 A1结合蛋白（apoA-Ⅰ binding protein，AIBP）通过上述两个通路对于生血内皮造血过程的调控作用及在动脉粥样硬化疾病中的具体影响，为临床动脉粥样硬化疾病的防治提供了新的切入点。


二、干细胞与血管再生
除了动脉粥样硬化以外，血管再生也对包括心脏在内的组织器官的损伤修复具有重要意义。体外培养的细胞系统，为进行深入的功能和机制研究提供有力的工具。常规体外分化、培养的血管细胞因其血管再生及修复作用有限，无法有效恢复缺血区域组织器官供血，一直是再生医学领域研究的重点及难点。中国科学院生物物理研究所刘光慧研究员研究组、北京大学汤富酬教授研究组和中国科学院动物研究所曲静研究员研究组通过技术手段，提高了体外培养的血管细胞存活能力及促进血管再生能力，可有效改善缺血后组织修复 [40]。他们使用第三代腺病毒载体 HDAdV介导基因编辑技术置换了人类胚胎干细胞中FOXO3 基因的第 3 号外显子中的两个单核苷酸，从而实现了抑制细胞中 FOXO3 蛋白的磷酸化和降解，促进 FOXO3 在细胞核内的聚集进而激活下游靶基因的表达。作为众所周知的长寿基因，FOXO3 的稳定持续表达能够延缓细胞衰老、抵御外界应激和增强心血管稳态。机制方面，内源激活的 FOXO3 通过拮抗 CSRP1 基因表达，从而抵抗血管细胞的衰老。将遗传增强的人类血管细胞靶向移植到动物模型的缺血部位，可高效促进受损血管的再生，迅速恢复缺血部位的血流，其效果明显优于野生型细胞的血管修复能力。更加重要的是，该研究还将多种致癌基因导入野生型和遗传增强的干细胞中，发现遗传增强干细胞还可以有效地抵抗癌基因诱导的细胞恶性转化，证明了此细胞应用的安全性。该研究使规模化和标准化制备优质安全的人类细胞治疗材料成为可能，为未来的再生医学提供了一个极具潜力的选项，对发展更加安全有效的临床细胞治疗策略具有深远意义。


三、高血压的防治研究
高血压同样是心血管疾病的重要危险因素之一，基于肾脏交感神经在高血压发生与发展中的重要作用，去肾交感神经术（renal denervation，RDN）成为治疗高血压重要的非药物方法之一 [41]。上海交通大学医学院附属新华医院李毅刚教授、蒋马伟教授和汪登斌教授团队利用小型猪模型，将立体定向放射治疗技术（stereotactic body radiotherapy，SBRT）创新性地应用于 RDN，不同于目前主流的经导管介入 RDN 的方法，该技术完全无创，并初步显示出去肾交感神经的有效性和短期良好的安全性 [42]。该研究结果显示，非侵入性的无创立体定向放射治疗是一种可行且有效的去肾交感神经术，能够为不能耐受或不愿接受导管消融治疗的顽固性高血压患者带来福音。

除了体循环动脉高压以外，肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）也是严重危害人类健康的世界性问题。PAH 是一种致死性的慢性疾病，尽管其药物治疗取得了巨大进步，一定程度上延缓了 PAH 的发展，但患者长期预后仍不理想。由于靶向药物价格昂贵，患者较难坚持长期治疗而获益，甚至成为家庭和社会沉重的负担。因此，积极寻找并探索治疗 PAH 的新型药物及策略具有重大社会及经济意义。华中科技大学同济医学院附属协和医院廖玉华教授团队的周子华教授及邱志华教授合作，研发出了国际上首个针对内皮素受体 A 型（endothelin-1 receptor type A，ETAR）疫苗（ETRQβ-002 疫苗）[43]。该团队证实该疫苗可显著降低大鼠和小鼠 PAH 的肺动脉压力，并且显著抑制肺小动脉重构和右心室肥厚，该疫苗未引起肝肾功能损害，对血压正常的动物及 PAH 模式动物循环血压无影响。除疫苗之外，该团队还研发出了针对 ETAR 的单克隆抗体，该抗体应用于 PAH 模型动物，也具有明显的降低 PAH 及抑制肺动脉重构的作用。文章发表的同期还配发了述评，认为本研究是在 PAH 治疗领域令人兴奋的发现和进展，是针对 PAH 的一种新颖的且有希望的治疗方式 [44]。

新技术和新材料


新技术和新材料能够有力地推动科学发展。了解新技术和新材料，促进其与医学研究的整合，将其应用于心血管疾病的基础研究、临床诊断和疾病防治成为重要的发展趋势。


一、新技术与心血管疾病
多细胞生物体由具有相同基因组的不同细胞类型组成，在器官组织发育过程中，细胞状态和细胞命运决定的机制一直是领域内普遍关心的问题。无论在发育过程中还是疾病状态下，不改变DNA 序列的表观遗传因素在细胞命运决定中起着指导性作用。目前研究多集中在单细胞转录组水平，单细胞水平解析表观调控机制的报道却非常少。北京大学何爱彬研究员研究团队利用 Tn5 转座酶切割 DNA，切割完的 DNA 直接带上可供聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）扩增的 DNA 序列，进而利用甲醛交联样品，然后在高温下用十二烷基苯磺酸钠（sodium dodecylbenzene sulfonate，SDS）处理细胞，这样能使全基因组染色体变得松散，同时不会影响蛋白质与 DNA的结合。在这种处理下，Tn5 能均匀地切割染色体并提高抗体结合效率，而且不会产生对开放区域的偏好性，研究者将这一方法命名为 itChIP（simultaneous indexing and tagmentation-based ChIP-seq）[45]。采用单细胞 itChIP-seq 技术，研究人员成功捕获了 100、500 以及 10 000 个细胞多种组蛋白修饰以及 DNA-结合蛋白在基因组的结合图谱。进一步，该团队还利用这种全新的普适性、易操作的单细胞 ChIP-seq 技术解析早期胚层和器官发育中细胞命运的选择决定机制。单细胞itChIP 不仅适用于上千个单细胞的捕获，同时也可用于捕获起始量只有几十个单细胞的样品，这为研究稀少细胞样品（例如植入前胚胎等）的表观调控异质性提供了新的技术手段。


二、新材料与心血管疾病
心肌损伤随着时间的推移表现出可变的疾病活动，伴有病情加重或缓解。现有的心肌内药物递送系统提供持续的药物释放，给药量无法与疾病活动动态匹配，这可能导致疾病高活动期局部药物不足，而在缓解期药物水平过量。中国科学院遗传与发育生物学研究所戴建武研究员团队设计了一种微环境控释型功能化胶原水凝胶，它包含一种全新的生物大分子（GST￾TIMP-bFGF），不仅可以抑制基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）活性减轻心肌胞外基质（extracellular matrix，ECM）降解，而且可以响应心肌梗死微环境释放碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）促进血管新生 [46]。该种水凝胶通过抑制 MMP 活性及生长因子按需释放，可以增加损伤组织血管化，减轻心脏重构，明显改善心功能。这种材料有望成为治疗缺血性心脏病的新手段。

器官芯片的主要目标是在芯片上模拟生物体的环境，培养细胞、组织、器官，再现培养对象的部分关键功能，进而开展药物评价和生物学研究等。大蓝闪蝶是一种大型热带蝶类，因其具有闪亮的结构色而受到广泛关注。这种绚丽的蓝色来源于闪蝶鳞翅平行排列的纳米脊状分级结构，该结构能够在其光子带隙中操纵光子的传播。受此启发，科学家们研制了一系列可用于光子器件、分子传感、自清洁表面等的鳞翅仿生元件。基于处理后的大蓝闪蝶鳞翅基底具有较好的柔性，心肌细胞在自主收缩时带动鳞翅基底产生周期性弯曲的特点，东南大学赵远锦教授利用鳞翅结构色的角度依赖性，在固定观察位置记录不同弯曲角度下鳞翅的结构色光谱位置，可以直观地反映心肌细胞的跳动频率和产生收缩力的大小 [47]。基于这种直观的颜色或光谱变化，大蓝闪蝶鳞翅基底可以用于制作心脏芯片，评估心肌细胞状态，进行药物评估和筛选，在生物学研究和药物开发方面具有巨大的潜力。

其他


一、MG53 与心血管疾病
MG53（又称为 TRIM72），是一种于 2009年首次报道的主要分布于心肌和骨骼肌的 TRIM家族蛋白，在多种疾病的发生发展中发挥着不同的作用 [48-49]。早期的研究发现，MG53 通过促进细胞膜修复，从而保护包括骨骼肌、心肌、肺脏、肾脏、皮肤、角膜和脑等多种器官的损伤 [50-56]。进一步的研究还发现，MG53 还能够通过作为“脚手架”蛋白，介导细胞内生存信号通路的激活来实现 [50,57] 保护心肌组织的功能。但是另一方面，MG53 作为 E3 泛素连接酶降解胰岛素受体（insulin receptor，IR）和胰岛素受体底物 1（insulinreceptor substrate 1，IRS1），引起骨骼肌和心肌的胰岛素抵抗，造成局部组织和全身的代谢异常 [58-60]。因此，MG53 在多种病理条件下，通过不同的机制，对机体既有保护作用，又有损害作用。为将 MG53 应用于临床疾病的防治，就要在不同的病理情况下对其作用和机制进行细致的研究。2019年发表的2篇报道，对MG53功能的“双面性”及其作用原理进行了进一步的阐释。

代谢综合征是一组代谢紊乱症候群，包括胰岛素抵抗、中心性肥胖、糖和脂代谢紊乱以及高血压等。代谢综合征严重威胁着人类的健康，使心血管疾病发生率增加 2 倍，2 型糖尿病发生率增加 5 倍 [61]。而胰岛素抵抗是代谢综合征、肥胖和 2 型糖尿病等代谢紊乱主要的致病因素之一。骨骼肌负责机体 70% 以上的胰岛素引起的糖吸收，因此肌肉的胰岛素抵抗在代谢综合征和 2 型糖尿病的发生发展中有着重要的作用。北京大学肖瑞平教授团队证明了 MG53 是一个新的、受代谢调节的肌细胞因子，能够控制体内多器官的胰岛素敏感性。该团队的前期工作发现，MG53 不仅作为骨骼肌特异的 E3 泛素化连接酶，泛素化降解 IR 和 IRS1 导致肌肉的胰岛素抵抗 [56]，还可以通过转录激活过氧化物酶体增殖剂激活受体 α （peroxisome proliferator-activated receptor α，PPAR-α）引起心肌脂代谢紊乱，进而导致糖尿病心肌病 [60]。然而主要分布于横纹肌的 MG53 如何调节全身的胰岛素反应性和代谢的稳态仍然是未知的。肖瑞平课题组的最新研究结果显示，高糖和高胰岛素能够引起 MG53 分泌，在糖尿病患者和糖尿病啮齿类动物模型中，血糖与血液中 MG53 含量呈正相关。人为升高小鼠血液中 MG53 的含量会引起全身的胰岛素抵抗和代谢综合征；与之相反，用单克隆抗体和血液中的MG53 对 db/db 2 型糖尿病小鼠具有治疗作用。机制上，MG53 会结合到胰岛素受体的胞外段并阻断胰岛素信号。因此，MG53 是一种新的内源性胰岛素受体抑制剂，是胰岛素抵抗的免疫治疗的新靶点 [62]。综上，MG53 既可以在细胞外作为肌细胞因子，又可以在细胞内作为E3泛素化连接酶，协同抑制胰岛素信号通路。围绕 MG53 开展相关的研究工作，将为代谢综合征和 2 型糖尿病等代谢性疾病及其并发症的防治与诊断提供新思路。

但另一方面，深圳大学医学部刘杰教授团队发现 MG53 是钾通道相互作用蛋白（K+ channel interacting protein，KChIP2）和瞬间外向钾电流（transient outward K current，Ito,f）的内在调节分子，在心电稳定性维持中起重要作用 [63]。单个心肌细胞产生的动作电位是心脏电活动的基本单位，动作电位延长是心力衰竭心脏的标志性改变。心肌细胞间动作电位差异性延长引起动作电位离散度增加，加重心力衰竭心脏不同步性电活动，促进室性心律失常的发生。造成动作电位延长的一个重要原因是心肌细胞离子通道结构功能重构。在心肌细胞离子通道重构的机制中，Ito,f 对于维持心脏电稳态有重要作用 [64-65]，多种病理刺激（如心肌肥大、心力衰竭等）均会引起 Ito,f 电流幅度降低。KChIP2 是心脏 Ito,f 的必需 β亚基，对维持心脏电稳态至关重要。敲除 KChIP2 可以引起心脏 Ito,f 电流明显降低，易诱发室性心律失常 [66]。在疾病心脏如心肌肥大和心力衰竭中发现，KChIP2 表达下调导致 Ito,f 电流减小，引起室性心律失常的发生。刘杰教授发现 MG53 调节 KChIP2 mRNA 水平和蛋白表达，并一致性地调节 Ito,f 电流幅度。MG53与TAK1和IkBa相互作用，负向调节NF-κB活性，并通过调节 NF-κB 在 KChIP2 启动子区的募集而调节 KChIP2 转录水平。在心肌肥大和梗死性心肌病时，敲除 MG53 降低心肌细胞 KChIP2 表达和 Ito,f 电流，延长动作电位，增加心脏发生室性心律失常的敏感性。因此，在室性心律失常发生发展中 MG53 能够发挥保护作用，为临床心律失常治疗提供了新思路和新靶点。


二、心血管相关结构生物学研究
结构生物学是指利用物理学方法，配合生物化学和分子生物学方法研究生物大分子结构与功能的新学科，它已成为分子生物学中最精确和最有成效的一个分支，对于疾病机制和药物筛选等相关研究具有重要意义。泵功能是心脏最重要的作用，最初，心肌收缩是由 L 型钙通道介导的细胞外环境中的钙离子流入触发的，随后由兰尼碱受体 2（ryanodine receptor 2, RyR2）介导肌浆网钙库中的钙离子流入从而引起收缩。兰尼碱受体是已知最大的离子通道，由相对分子质量大于2 000 000 的同源四聚体组成。80％以上的兰尼碱受体折叠成一种多结构域的细胞质组装体，可感知与各种调节物（从离子到蛋白）之间的相互作用。对 RyR2 活性的精确调控对于每次心跳都是至关重要的。异常的 RyR2 活性与心力衰竭、心律失常等多种心脏疾病密切相关。相对分子质量为 17 000的钙调蛋白（Ca2+/calmodulin，CaM）是一种重要的钙传感器，在大多数钙信号转导事件中起着重要作用。在钙离子结合后，两个末端叶中的几个疏水性氨基酸残基的暴露促进了 CaM 与靶序列的结合。CaM 与兰尼碱受体直接相互作用，CaM-RyR 原聚体的化学计量比为 1∶1，结合亲和力在纳摩尔范围内，Ca2+-CaM 能够抑制 RyR2 的功能，另外 CaM 还经证实有助于终止钙库过载诱导的钙离子释放，对受损的 CaM-RyR2 相互作用进行校正可能作为一种治疗致死性心律失常的方法。清华大学的颜宁教授和加拿大卡尔加里大学的 S. r. Wayne Chen 教授合作报道了 RyR2 的低温电镜（cryo-EM）结构，共同揭示了不同形式的CaM 对分子识别的特征，并针对 CaM 对 RyR2 通道门控的调节提供了新的见解，阐明了 CaM 对RyR2 的调节机制 [67]。

小结


对于高水平研究论文的一般规律，我们在《2018 年中国心血管领域主要基础研究回顾》一文中已经进行了初步的论述，2019 年心血管领域高水平的基础研究论文依然具备前述规律，包括重视转化价值、采用新技术和新材料以及注重学科的交叉。

此外，2019 年心血管领域基础研究反映出对“组学”的迫切需求和合理应用。随着测序技术和单细胞组学技术的快速发展，基因组学和转录组学的通量迅速增加，成本大大降低。此外，近年来蛋白质组学和代谢组学等技术也得到了快速发展。把这些组学技术应用于科学问题的发现、功能指标的评价以及作用机制的探索，将成为科学研究的主流和必不可少的工具。本文提到的多项研究，都非常合理地应用这些“组学”技术，大大地提升了研究的水平和深度。无论是基础科研工作者还是临床研究者，都应积极和深入地了解这些“组学”技术，进而将其应用于自己的研究中，为临床疾病的发病机制研究与诊断防治探索开拓新的方向。

  • 作者： 王怡玫 1    张岩 2   

  • 作者单位： 北京大学图书馆 1    北京大学分子医学研究所 2   

  • 通信作者： 张岩，Email:zhangyan9876@pku. edu.cn

  • 关键词： 心血管疾病；高水平论文；心脏保护；心肌细胞再生；血管生物学；高血压；材料学；基础研究

  • DOI： 10.3760/cma.j.issn.2096-1588.2020.1000038

  • 基金项目： 国家自然科学基金（31671177）； 北京市自然科学基金（5182010）；科技部 国家重点研发计划（2018YFA0800500）

  • 利益冲突： 无

  • 收稿日期： 2020-03-25

  • 录用日期： 2020-04-21

  • 本文编辑： 史红

    • 摘要中文

    无

    摘要英文

    无



    本研究主要材料与器材

    无

    参考文献

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    • 点评 1
      作者从心脏保护，心肌细胞再生，血管生物学等几个方面回顾了2019年心血管领域重要的基础研究。涉及的研究论文比较广，条理清楚。
      复旦大学附属中山医院 邹云增
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