miR-21在心房颤动中的作用研究进展

2021-12-03 01:45王咏春刘芳张续腾朱希瑶徐茂青高红梅

医学综述 2021年18期

王咏春，刘芳,张续腾，朱希瑶,徐茂青,高红梅，3

(1.山东中医药大学，济南 250355； 2.山东中医药大学第二附属医院心内科，济南 250001 3.山东中医药大学博士后流动站，济南 250355)

心房颤动(atrial fibrillation，AF)是最常见的心律失常之一，由AF引发的脑卒中、心力衰竭等并发症严重影响患者的生活质量。据统计，在我国35岁以上AF患者超过487万，总患病率约为0.71%，且AF的患病率和发病率均随年龄增大而增加，75岁以上老人患病率接近3%，给社会和家庭造成沉重负担[1]。近年来，随着对AF研究的不断深入，关于AF发生的病理生理机制，学者们已初步达成共识，即心房的结构重构及电重构促进心房内异位电活动及微折返的形成，进而促进AF的发生发展。其中，心房重构早期表现为以电生理及离子通道特征发生变化的电重构，晚期则表现为心房肌和细胞外基质等的纤维化、淀粉样变、细胞凋亡等组织结构改变的结构重构。

研究发现，多种微RNA(microRNA，miRNA)参与了AF发病的结构重构及电重构过程[2-3]。miRNA是由20～24个核苷酸组成的内源性非编码小RNA，具有组织特异性、时序性和保守性，通过与靶信使RNA(messenger RNA，mRNA)的3′非翻译区特异性结合，抑制mRNA翻译和(或)诱导其降解，实现在转录后水平负调控基因的表达，从而在多种疾病的生理和病理过程中发挥调节作用[4]。其中，miR-21在心血管系统内广泛表达，参与多种心血管疾病的调节。现就miR-21在AF中的作用研究进展予以综述，以为临床进一步揭示AF的发病机制，明确干预靶点，探索AF的上游治疗手段提供思路。

1 miR-21概述

miR-21基因位于第17号染色体q23.2区域，分布于跨膜蛋白49基因的第10个内含子区域，与其他miRNA不同，miR-21表达拥有独立的启动子区域[5]。miR-21前体以自身引导区进行独立转录后成为成熟的miR-21。成熟的miR-21参与RNA诱导的沉默复合物的形成，通过与mRNA结合起作用，导致特定的mRNA翻译减少，即靶基因转录和蛋白质翻译的减少，表现为靶基因的表达下调。miR-21几乎分布于所有心血管细胞中，在心肌细胞、心肌成纤维细胞(cardiac fibroblasts，CFs)、内皮细胞等中均有表达，且在CFs中的表达水平明显高于心肌细胞。研究表明，miR-21通过靶向调控多种信号通路，参与心肌纤维化和心房电重构、抑制细胞凋亡等过程，与AF的发生、维持密切相关[6-7]。

2 miR-21通过调节信号通路表达参与AF心房结构重构

心房纤维化是AF心房结构重构的重要特征，在AF维持中起重要作用，其主要表现为心房成纤维细胞增殖及向肌成纤维细胞转化、细胞外基质过度沉积[8-9]。反复发生的AF进一步促进左心房结构重构，心房纤维化进一步加重，从而促进AF的持续发作。研究发现，AF患者的左房心肌中miR-21表达上调，过表达的miR-21通过调控转化生长因子(transforming growth factor，TGF)-β1/Smad、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)/胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)、Janus激酶(Janus kinase，JAK)/信号转导及转录激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)等多条信号通路促进心房纤维化发生，增加了AF的易感性[10]。

2.1TGF-β1/Smad信号通路 TGF-β/Smad信号通路在组织的发育、体内稳态平衡和组织修复中起重要作用，其中TGF-β1/Smad信号通路是调节组织纤维化形成最经典的信号通路之一，该信号通路活化可促进CFs转化，抑制细胞外基质降解，增加细胞外基质的生成，在心肌纤维化的发生中发挥重要作用。而TGF-βⅢ型受体可负性调控TGF-β1/Smad信号通路，具有抗纤维化作用。研究发现，miR-21在心肌纤维的发生过程中可靶向减少TGF-βⅢ型受体的表达，激活TGF-β1信号通路，促进心肌纤维化的发生[11-12]。同时，miR-21还可通过下调TGF-β1信号转导通路的负调节因子——含有WW结构域的E3泛素蛋白连接酶1表达，激活TGF-β1/Smad2信号通路，促进CFs的增殖[6]。此外，miR-21亦可直接下调Smad7表达，促进Smad2和Smad3的磷酸化,即miR-21促进TGF-β1/Smad信号通路表达，从而促进CFs活化及Ⅰ/Ⅲ型胶原蛋白生成，进而促进AF心房纤维化进展[13-14]。

Notch1信号通路参与心脏纤维化和再生修复过程，该信号通路可通过抑制TGF-β1/Smad3途径改善心肌梗死后的CFs-肌成纤维细胞转化(cardiac fibroblasts-myofibroblast transformation，CMT)，减轻心肌纤维化。进一步研究证实，miR-21是连接Notch1和TGF-β1信号通路并调节CMT的关键因子，心肌梗死后TGF-β1诱导miR-21表达，miR-21通过下调Notch1信号通道配体JAG1(Jagged1)的表达抑制Notch1信号通路，从而激活TGF-β1/Smad3信号通路，促进CMT，导致心肌纤维化发生[15-16]。

因此，miR-21通过直接或间接调节TGF-β1/Smad信号通路或其中细胞因子的表达，参与心房纤维化的病理过程即心房结构重构过程，促进AF的发生。

2.2PI3K/Akt信号通路 PI3K/Akt信号通路具有心血管保护作用，其被激活后可发挥调节细胞迁移、生长、增殖及凋亡等作用。人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten，PTEN)通过水解磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸第3位磷酸基团，可负性调节PI3K/Akt信号通路，减少CMT，减少细胞外基质生成，从而减轻左心房纤维化，降低AF的易感性。研究发现，miR-21作为PTEN重要的上游调节因子，通过靶向调控PTEN/Akt信号通路，在心房纤维化形成的病理过程中起重要作用[17]。在CFs中，miR-21通过下调PTEN，激活PI3K/Akt通路并上调基质金属蛋白酶2的表达，促使细胞外基质的胶原降解并被纤维成分取代，导致心房结构重构[18]。此外，血管紧张素Ⅱ激活miR-21上游转录因子激活蛋白-1，使miR-21高表达，上调的miR-21通过靶向PTEN/Smad7激活PI3K/Akt信号通路，作用于叉头框蛋白O3a，造成叉头框蛋白O3a发生核排斥并滞留在细胞质内，表现为叉头框蛋白O3a活性下降，从而促进CFs增殖，促使心肌纤维化发生[19]。除血管紧张素Ⅱ外，TGF-β也可上调miR-21表达并激活PTEN/Akt信号通路，从而促进CMT[20-21]。因此，miR-21通过靶向作用于PTEN，进而调控下游PI3K/Akt信号通路，参与心房纤维化的发生，进而参与调控AF微折返基质的形成。

2.3MAPK/ERK信号通路 MAPK是一组能被神经递质、细胞因子、激素等细胞外刺激激活的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，MAPK信号通路是生物体内的重要信号转导通路，目前已发现的MAPK信号通路主要有4条：ERK信号通路、C-Jun氨基端激酶信号通路、ERK5/大丝裂原活化蛋白激酶信号通路和p38 MAPK信号通路。其中，MAPK/ERK信号通路主要功能包括调节细胞生长、增殖、分化和凋亡等过程，是TGF-β1下游重要的细胞内信号转导通路，参与调控胶原基因表达，因此在多脏器纤维化中起重要作用。Sprouty蛋白是RAS/MAPK/ERK信号通路的特异性抑制蛋白，在SPRY家族中Sprouty-1是MAPK/ERK信号通路的负调控因子，同时Sprouty-1是miR-21的直接靶标[22]，CFs中过表达的miR-21通过抑制Sprouty-1表达，促使MAPK/ERK信号通路激活，进而促进CFs增殖和分泌结缔组织生长因子，最终导致心肌纤维化的发生，促使AF等多种心脏疾病的发生[23-25]。

2.4JAK/STAT信号通路酪氨酸激酶相关受体、酪氨酸激酶JAK和转录因子STAT组成JAK/STAT信号通路，参与调节组织发育、细胞分化和内环境稳态[26]。研究发现，STAT3是CFs中miR-21的上游调节因子，可上调miR-21的表达，而miR-21的过度表达进一步促进STAT3磷酸化、纤维化相关基因的表达上调和CFs的增殖，即STAT3的异常激活与miR-21的表达增加呈正反馈调节，通过促进心房纤维化，进而引起AF的发生[27]。细胞黏附分子1属于免疫球蛋白超家族，可抑制STAT3活性并调控CFs增殖[28]。miR-21可下调细胞黏附分子1的表达，从而增加STAT3的磷酸化，磷酸化的STAT3又可以正向调控miR-21，进而促进TGF-β1诱导的CFs活化、增殖和心肌纤维化[7]。

3 miR-21参与AF心房电重构过程

心房电重构是AF的电生理基础，电重构是指在病理或应激等情况下离子通道、离子泵、缝隙连接蛋白等发生的改变，主要表现为：①L型钙通道离子流密度减小,失活后恢复减慢；②瞬时外向钾通道离子流密度减小，激活和失活均减慢，且失活后的恢复也减慢；③快钠通道离子流密度无显著变化，但失活减慢；④延迟整流性钾通道离子流密度减小，内向整流性钾通道离子流密度增大；⑤ATP敏感性钾通道离子流密度增大。电重构不仅可引起心房局部传导速度减慢、PR间期延长(房室间传导减慢)、心房有效不应期缩短、心房有效不应期离散度增加即AF易感性增加，也有利于AF的发生和持续。因电重构发生在AF的早期阶段，故在此阶段针对AF发生机制的上游治疗越来越受到重视。

研究发现，miR-21参与AF心房电重构过程，在慢性AF患者心肌细胞中miR-21的表达增加，过表达的miR-21可以下调L型电压依赖钙离子通道α1C亚基(calcium channel，voltage-dependent，L type，alpha 1C subunit，CACNA1C)和L型电压依赖钙离子通道β2亚基(calcium channel，voltage-dependent，L type，beta 2 subunit，CACNB2)基因表达，降低心房肌L型钙离子电流密度，引起心房动作电位时程缩短，从而增加AF的易感性[29]。与上述研究结论一致，有学者在研究快速电刺激乳鼠心房肌细胞模拟AF模型时发现，心肌细胞经过白藜三醇预处理后，miR-21的表达下调，同时CACNA1C和CACNB2的表达增加，这些结果表明CACNA1C和CACNB2可能是miR-21的靶基因，白藜三醇可能通过下调miR-21表达而调控其下游靶基因CACNA1C、CACNB2及其编码的Cav1.2、Cavβ2蛋白水平，从而减轻快速电刺激导致的心房电重构[30-31]。

4 miR-21在AF临床诊疗中的应用

研究证实，miRNA广泛存在于人体心脏组织及体液中，且在不同病理状态下miRNA的表达谱亦不同[32]。临床工作中，由于心脏组织获取困难，体液中的miRNA检测为疾病的诊断和预后判断提供了新思路。迄今，多项研究评估了miR-21在AF中的诊断及治疗价值，miR-21有望作成为AF诊断和预后判断的生物学标志物[33]。

4.1miR-21在AF诊断中的应用目前，AF的临床诊断以心电图为基本手段，而对于AF高危人群缺乏基本的筛查手段，对于AF导管消融术后复发率预测尚未有相应的检测办法，诸多学者以miR-21为切入点，尝试寻找AF高危人群的血清标志物。研究显示，miR-21水平与心肌纤维化程度呈正相关，心肌细胞释放的miR-21可稳定存在于循环系统，且可敏感地反映组织纤维化程度[34]；此外，miR-21易检测，因此miR-21有望成为临床评估心肌纤维化程度，判断AF导管消融术预后的新型生物学标志物。血液中的miR-21水平不仅可以反映心房纤维化程度，且与左心房低电压区域显著相关，在预测持续性AF患者的消融效果方面有一定参考价值。据统计，循环miR-21水平低(<2 AU)的患者在消融术后AF复发率低(<6%)，而miR-21水平高(>5 AU)的患者术后AF的复发率为87.5%[34-36]。miR-21表达或与AF的类型亦相关，研究发现随着AF病程的变化，心脏组织和外周血中miR-21的表达水平也在改变，与窦性心律人群和AF心室率控制良好的患者相比，新发AF和阵发性AF患者外周血的miR-21表达增加[37]。但McManus等[38]研究发现，AF患者心房和血浆的miR-21水平低于健康对照者，其中持续性AF患者的miR-21水平低于阵发性AF患者；且AF患者在射频消融后血miR-21水平反而升高[39-40]，这或许与术后虽然AF患者的血流动力学恢复正常，左心房扩张被逆转，但仍会伴随持续的心房纤维化[32，41]相关。因此，miR-21在AF的发病风险及导管消融术后复发率评估中的价值需进一步研究。

4.2miR-21在AF治疗中的应用 AntagomiRs是miRNA的合成类似物，可作为miRNA的沉默剂。研究表明，AntagomiR-21可以下调心脏细胞的miR-21表达，减轻心肌梗死大鼠模型的心房纤维化和电活动的不均一传导，从而改善心脏功能、降低AF发生率[42]。然而，有学者发现抑制miR-21表达并不能改善应激性心脏重构反应，也不能预防心脏功能障碍的发生[43]。且即便靶向miR-21治疗AF可能有效[4，39]，但递送技术等问题仍制约着miR-21在AF治疗中的应用：①miR-21可参与众多基因表达的调控，对miR-21进行干预可能产生不可预见的副作用[44-45]。现有的miRNA屏障技术，即采用miRNA反义核苷酸与目标mRNA靶点结合，发挥“靶点保护”的作用，在对特定miRNA通路产生抑制作用的同时，而不会影响其他靶点功能，这一技术或许可解决上述问题。②多种miRNAs参与同一信号通路相同或不同位点的调控，故单纯针对miR-21的单一药物可能存在效能不足的问题。

可见，虽然miR-21在AF临床诊疗中的应用具有较好的研究前景，但受上述多种因素的制约，miR-21参与AF的临床诊疗应用仍需深入探索。

5 小结

miR-21在AF的发生发展过程中扮演重要角色。一方面，miR-21可通过直接或间接调控TGF-β1/Smad、PI3K/Akt、MAPK/ERK、JAK/STAT等多条信号通路参与调控心房纤维化发生；另一方面，miR-21可调节L型钙离子通道蛋白表达，降低心房肌L型钙离子电流密度，引起心房动作电位时程缩短，增加AF的易感性，即miR-21参与心房结构重构与电重构的调控，进而参与AF发病的病理生理基础。在临床应用方面，从AF患者的不同发病阶段到导管消融术后预后的判断，外周血miR-21的检测均提供了一定的临床价值。且干预miR-21表达也显示出改善心房基质、降低AF易感性的效果。

目前，关于miR-21调控AF心房重构(结构重构、电重构)机制研究取得了一定进展，但对miR-21在AF发病过程中调控作用的认识仍存在不足：①miR-21的调控系统应是一个精密的网络结构，而目前的研究缺乏对该方面的全面认识，有待进一步建立和完善系统性的miR-21调节通路研究。②miR-21在AF中的作用对象或许并不单一，不同的疾病模型中，miR-21作用靶点分布在不同的细胞内并发挥不同的作用。因此，精确定位miR-21的作用靶点对于明确其在不同疾病发生发展中所扮演的角色具有积极意义。③不同疾病研究中所涉及的miR-21表达变化不尽相同，甚至得出相反的结论，如miR-21在AF的发生中起到促纤维化作用，而在其他疾病模型发病急性期则发挥抗凋亡及减轻心肌纤维化等作用，这可能与研究规模较小、缺乏统一的标准方法以及研究对象、AF类型不同等有关，未来期待更大规模、标准化的临床或动物实验的开展。