2020ESC指南共識|心肌細胞老化與心臟保護

老齡化是冠狀動脈症候群發病的主要易感因素，同時也是影響機體對心肌保護性幹預的重要因素。老齡化顯著增加基於缺血/再灌注 (ischemia/reperfusion, IR) 損傷發生的缺血後心肌不良重塑和心力衰竭風險。相關信號通路在心肌老化過程中會出現信號分子的缺陷或信號傳遞減弱;而另一方面，一些已經被熟悉的容易導致心肌惡化的信號通路，如糖化及促炎通路則會在老齡化過程中進一步增加表達。心肌老化過程的信號通路發生變化的原因及機制目前尚待闡明，同時這也是心肌衰老研究的熱點問題。

2020年5月8日，歐洲心臟病學會（ESC）發布了一項心肌細胞老化與心臟保護有關的病理生理學共識，深入探討了目前已知的衰老影響IR損失後的相關病理生理學機制，並討論了相關的心臟保護策略[1]。

圖1: doi：10.1093/cvr/cvaa132

老年心臟表型:介於健康和疾病之間

老齡化誘導心房、心室、瓣膜、心肌、心包、心臟傳導系統和脈管系統的結構和功能發生改變。隨著某些重要的涉及細胞生長以及信號轉導的通路發生改變，這種改變將為加速或減少心臟年齡依賴性變化。血管老化是由內皮細胞功能障礙、血管重塑、斑塊形成組成的。隨著年齡的增長，細胞氧化應激增加、端粒縮短以及出現線粒體功能障礙，這些都是心臟老化的所出現的病理生理過程。這裡要強調的是，氧化應激增加是血管年齡依賴性變化的關鍵因素。活性氧（ROS）介導的血管老化是中小血管層面的內皮功能障礙和主動脈僵硬(大動脈水平)。

同時，老齡化導致的機體鈣離子泵功能受損，從而導致氧化應激增加，心肌細胞死亡和纖維化增加，左心室壁增厚。老齡化還將使副交感神經調節和腎上腺素能受體反應性下降，心率下降從而導致心肌進一步老化，腎上腺素能受體反應性也隨之下降。這種變時性和變力性反應的損害與心臟運動反應有關。

心肌細胞老化的生理學變化

在衰老過程中，心肌細胞在不同水平(細胞器、大分子、離子穩態)均出現大面積的改變，直接損害其功能和結構的完整性。這些變化導致細胞IR損傷易感性增加，然而其中的機制還尚未明了，它也可能僅僅是慢性退化過程伴隨而來的結果。衰老的心肌細胞有一些共同的表型特徵，如代謝需求增加時，產生能量失配和氧化損傷。迄今為止，得到廣泛認同的理論是「線粒體是衰老過程的中樞調控因子」。已有研究證實，衰老心肌的線粒體功能在不同程度上受到損害，包括線粒體的含量和形態、電子傳遞鏈複合體的表達和活性、通透性轉換孔(PTP)的開放、ROS的形成、相關動力學和代謝的改變。

圖2：相關代謝改變

1、代謝重塑

心臟新陳代謝的變化，是導致心肌老化和缺血性心臟病心臟功能受損的主要原因。同時，一些代謝性疾病如肥胖、糖尿病、血脂異常和胰島素抵抗也會導致心臟早衰。心肌細胞能量底物獲取是機體產生大量ATP的關鍵，然而在不同的代謝環境中，心肌細胞能量底物是不同的。在年輕健康的心臟中，線粒體脂肪酸氧化、葡萄糖氧化是能量產生的主要來源；而在缺血性心臟中，無氧糖酵解是能量生成的主要來源，乳酸過多產生將會降低細胞內pH值。許多治療策略基於調節代謝途徑（如抑制丙二醯CoA脫羧酶功能，增加心臟中丙二醯CoA的水平），從而調節心臟中脂肪酸氧化速率，也可通過降低糖酵解和葡萄糖氧化耦合，減少質子的產生，從而來提高心臟效率。

2、蛋白質穩態的丟失

蛋白質穩態是指一系列分子過程，涉及蛋白質的合成、摺疊、構象維持、運輸、組裝和轉運的控制，這些過程將決定其在機體中發揮作用的程度。衰老的細胞由於長期暴露於應激源下，同時有較高的基因突變負荷，導致蛋白質穩態系統的某些組成部分無法正常發揮作用。蛋白質穩態的丟失被認為是心肌老化的主要標誌，有絲分裂後的心肌細胞中表現尤為明顯，其中受損的蛋白質不再能均等分離到子代細胞中。

3、DNA不穩定性和端粒

心臟衰老和細胞衰老與端粒縮短和端粒酶活性降低有關，但其分子機制和信號通路尚不清楚。端粒反轉錄酶(TERT)是一種核糖核蛋白酶複合物，其功能類似於逆轉錄酶。它通過在染色體端粒末端添加六聚體(TTAGGG)重複序列來穩定端粒長度，從而補償在衰老和細胞增殖過程中出現的端粒侵蝕。在細胞增殖過程中，細胞分裂使得端粒進行性縮短，在一定次數的細胞分裂後，將出現增殖停滯和細胞衰老。在非增殖性細胞（如心肌細胞）中，端粒酶的表達在出生後即被沉默，導致端粒的顯著減少和DNA損傷增加，從而導致細胞衰老加速。因此，端粒的大小可能是心臟缺血性疾病有重要意義的生物標誌物，以旨在重新激活內源性端粒酶和修復端粒的治療性幹預措施的主要目標。

4、轉錄組改變

在心臟衰老和缺血性心臟病的臨床前模型中，轉錄網絡的變化已經被整證實。從接受胰島素抵抗治療或經歷過IR損傷的老年小鼠心臟中分離的心肌細胞，在涉及線粒體功能和自噬、代謝酶、蛋白質合成、膠原沉積和細胞死亡或生長的若干基因的轉錄水平上，都表現出相當大的差異。這些差異可能與年齡相關的心臟耐受性下降有關。

除了蛋白質編碼RNA、信使RNA(mRNA)外，非編碼RNAs(NCRNA)包括小分子(miRNAs、PIRNAs、TrNAs和小核仁RNA)、長線性NcRNAs(LNCRNAs)和環狀RNA(CyrRNA)，也已成為心臟老化和心肌IR損傷的病理生理學中的重要參與者。

5、表觀遺傳學改變

在衰老過程中，一些表觀遺傳學組分也將出現變異，包括組蛋白的普遍丟失、整體或特定位點的染色質重塑、DNA甲基化或組蛋白修飾的變化，以及相關核重組。這些表觀遺傳學組分的改變與許多年齡相關的疾病（包括缺血性心臟病等）有關，也可能是心肌老化的機制之一。Hutchinson-Gilford 早衰綜合症是一種罕見的由LMNA基因突變導致的遺傳性早衰疾病，其特徵是過早出現動脈粥樣硬化而導致死亡，這一疾病的表觀遺傳學變異類似於「生理」衰老，可以很好的詮釋「表觀遺傳學組分的改變是心肌老化的機制之一」這一假設。

心肌細胞與細胞外基質

1、心臟老化過程中細胞外基質出現硬化

在哺乳動物的發育過程中，心臟是第一個形成並開始發揮功能的器官。與其他機械特性保持不變的器官(如大腦)相反，心臟的細胞外基質不會出現組成變化，然而卻會發生機械變化。心臟細胞外基質硬化是一個必要的生理過程，是為了響應出生後心臟機械負荷的急劇增加，實現發育中的心臟的收縮功能適當成熟。收縮性能的提高要求心肌細胞表型發生巨大變化，收縮裝置最終成熟，其細胞結構和形狀將會出現改變（從多邊形到棒狀），並優先成束排列（因此將其稱為「小梁」）

在成人健康的心肌中，細胞外基質更新受心臟成纖維細胞控制。在導致心室機械負荷過重的情況（例如高血壓）、代謝改變（例如高血糖）或急性損傷（例如缺血）後，心臟成纖維細胞增生並發展為促纖維化細胞（所謂的成肌纖維細胞），將導致細胞外基質沉積並促進心肌硬化。其他細胞外基質修飾也可以改變心臟細胞外基質的硬度，例如膠原蛋白交聯的不平衡，膠原蛋白類型的比率，AGE的積累和異常的MMP / TIMPs比率。老化對心臟基質的合成和翻譯後修飾有很強的影響，例如由固有細胞(例如肌成纖維細胞和心肌細胞)或炎性細胞(例如巨噬細胞)在老化過程中釋放的炎症介質。無論是否由引起細胞應激或衰老的條件引起受損/改變，基質變化都會導致心肌的彈性模量從10-20 kPa（定義正常組織）增加至50-200 kPa（典型的病理組織）。

2、心臟成纖維細胞機械傳感：心臟硬化的中繼系統

心臟成纖維細胞一直被認為是心臟細胞基質的非活性載體，僅對持續更新是必需的。越來越多人開始關注心臟成纖維細胞生物學，因為這些細胞可反應心肌損傷(缺血、壓力超負荷)。肌成纖維細胞是急性損傷(如梗死)或慢性機械損傷(如壓力超負荷)導致的心肌細胞死亡後，心臟癒合過程中必不可少的成纖維細胞。這一功能為心肌細胞耗盡的區域提供機械強度，從而避免心室破裂。另一方面，由於心肌細胞缺乏再生潛能，這些細胞也將產生永久性的瘢痕，可能會加劇心室向病理水平的重構，顯著降低心室的泵血效率或引起心肌基本電導率的紊亂。雖然許多研究已經評估了，心臟成纖維細胞從非活動的「靜止」類型的細胞，到主動增殖的基質重塑細胞過程中的生物學變化，然而目前就「心臟成纖維細胞轉化成肌成纖維細胞」這一個過程中的機制，尚未得到一個完整的答案。更重要的是，目前尚不清楚這些細胞用於傷口癒合所需的活化後，成肌纖維細胞會轉化為長期疤痕形成細胞的原因，從而逐漸惡化了心肌力學。

如何保護老化的心臟

缺血性心臟病的發病率隨著年齡的增長而增加，75歲以上的患者在急性冠脈症候群的隨機臨床試驗中表現不佳。然而，應用於老年心肌梗死患者的治療的療效和毒性均不基於在該年齡段中獲得的具體證據，且治療面臨的挑戰是更大的。

衰老過程中心肌保護的喪失歸因於多種機制，包括信號轉導級聯中涉及的關鍵蛋白的表達、翻譯後修飾和亞細胞定位，如促存活蛋白(Akt和ERK1/2)、蛋白激酶C(PKC)，信號轉導子和轉錄激活子3(STAT3)和線粒體連接蛋白43。然而，在衰老中存在的其他因素，如線粒體功能障礙、細胞內糖損傷、過度ROS生成或胞漿內鈣穩態改變，可增加觸發心臟保護所需的閾值。有必要通過加強調節算法(即在預處理和後處理中的更多的缺血循環)，或通過增加心臟保護藥物的數量(聯合治療)來確定是否可以改善某些心臟保護策略的有效性。

1、靶向性機械傳感是否可以作為一種新的心臟抗衰老策略?

通過從心肌損傷的心肌細胞中數據中得知，說明心肌成纖維細胞向MYO-FB的轉變是心肌細胞大量丟失後增加心肌機械阻力所必需的。另一方面，心肌中膠原產生細胞的特異性靶向，壓力超負荷的小鼠心肌肥大生長的減少，因此膠原合成的減少可能保護心肌細胞延緩向心肌肥大的進展。雖然近期相關調查表明，部分細胞可逆轉到一個不成熟細胞表型，然而目前仍然不確定如何使得心肌細胞有絲分裂再激活。未來的研究可能會在體內或使用具有定義的機械特性的生物工程構建體，將有助於評估這種有趣的可能性。

未來發展方向

心臟老化與冠狀動脈症候群的發病率密切相關，心肌缺血後心肌細胞死亡加重，心臟保護幹預的效率降低。老年心臟的典型特徵是心肌肥厚、纖維化、炎症和持續性僵硬。機制上，心臟老化和心臟保護惡化的原因包括基因組不穩定性、端粒消耗、轉錄和表觀遺傳改變、蛋白質失活、線粒體功能障礙、細胞衰老、心臟自噬、代謝重塑、細胞間通訊改變和線粒體氧化能力下降。上述機制只是初步了解心臟衰老表型變化的作用機制，目前還不清楚老年患者在治療後仍不可避免出現有不良結局的原因。大多數由信號轉導通路介導的缺血調節幹預保護機制也受性別、年齡既往冠狀動脈疾病、和聯合用藥等因素的影響。其中的機制並不明朗，顯然，目前仍有很多工作尚待完成.

參考文獻：

1、Ruiz-Meana, M.; Bou-Teen, D.; Ferdinandy, P.; Gyongyosi, M.; Pesce, M.; Perrino, C.; Schulz, R.; Sluijter, J.; Tocchetti, C.G.; Thum, T., et al. Cardiomyocyte ageing and cardioprotection: Consensus Document from the ESC Working Groups Cell Biology of the Heart and Myocardial Function. Cardiovasc Res 2020, doi:10.1093/cvr/cvaa132.