心脏细胞外基质（ECM）提供结构支持并调节心脏中细胞因子和生长因子的活性。心脏ECM由胶原蛋白、糖蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖组成，在心脏病进展过程中经历了广泛的重塑。硫酸软骨素（CS）是主要的糖胺聚糖之一，由N-乙酰半乳糖胺和葡萄糖醛酸聚合而成。CS 已被证明通过调节免疫系统在神经系统的损伤恢复中发挥重要作用。在心血管系统中，CS 沉积在衰竭的心脏中，且 CS 通过增强心脏炎症在心力衰竭中的有害作用已有报道。此外，一些报告显示 CS 在动脉粥样硬化斑块的形成中可能起作用。
CS-糖胺聚糖（CS-GAGs）链是由多种酶协同合成的。ChGn-2（硫酸软骨素N-乙酰氨半乳糖胺基转移酶2）是一种与软骨素 4-磺基转移酶1 协同延长 CS 链的酶。ChGn-2 在人体的所有组织中普遍表达。先前证明 ChGn-2 的缺失可以减少和缩短小鼠组织中 CS 链的长度。CS-GAGs链的减少通过降低内膜和巨噬细胞表面的氧化LDL积累，在预防动脉粥样硬化方面显示出有益的作用。另一方面，据报道，CS 给药可能通过抑制巨噬细胞的泡沫细胞形成来减轻 ApoE-缺陷小鼠的动脉粥样硬化。
基于此，日本神户大学大学院心血管内科、神户药科大学临床药学实验室及印度尼西亚加查马达大学医学、公共卫生和护理学院内科系的研究团队在一项实验中探索了 CS 在急性压力超负荷引起的心力衰竭中的作用，揭示了 CS 在心力衰竭中的另一个方面。研究发现，ChGn-2 缺失使 CS-GAG 链减少，导致心肌肥厚、早期心室扩张和心肌细胞凋亡增加，从而加重心力衰竭。研究成果发表在 Journal of the American Heart Association 期刊题为“ChGn-2 Plays a Cardioprotective Role in Heart Failure Caused by Acute Pressure Overload”。
首先，野生型（WT）和 ChGn-2‐/‐ 小鼠通过主动脉缩窄术（TAC）诱导急性压力超负荷。2周后，ChGn-2的缺失显著降低了糖胺聚糖的积累。TAC后，具有长CS-GAG链的高分子量核心蛋白聚糖（decorin）在WT小鼠的心脏中增加，而在ChGn-2‐/‐ 小鼠中增加较少。这些数据表明，急性压力超负荷会导致心脏中糖胺聚糖积累增强，而 ChGn-2 的缺失会改善这种情况。
通过连续超声心动图评估心脏功能，发现急性压力超负荷使WT小鼠的左心室收缩功能持续恶化（图1 A-C）。值得注意的是，ChGn-2 的缺失早在 TAC 后 3 天就会引起明显的左心室功能障碍，且恶化持续存在（图1 A-C）。此外，ChGn-2‐/‐ 小鼠中心肌肥厚加重（图1 D、F、G），而WT和ChGn-2‐/‐ 小鼠间心肌纤维化没有差异（图1 E、H、I）。而且TAC处理2周后，ChGn-2‐/‐ 小鼠的存活率低于WT小鼠。同时，在 ChGn-2‐/‐ 小鼠中比WT 小鼠更频繁地检测到凋亡的心肌细胞，表明 ChGn-2 和糖胺聚糖在心力衰竭急性期具有心脏保护作用（图1 J、K）。
图1 ChGn‐2‐/‐ 小鼠在急性压力超负荷后表现出严重的左心室功能障碍。
由于心脏成纤维细胞（CFs）是心脏中 CS-GAGs 的主要来源，接下来就探讨了CF衍生的糖胺聚糖在心肌细胞死亡中的作用。在超负荷的心脏中，CFs受到机械拉伸刺激，因此，将 HCFs 暴露于体外循环机械拉伸（10%，24h）。机械拉伸导致HCFs中ChGn-2表达显著增加（图2 A、B），同时增加了HCFs中糖胺聚糖的产生（图2 C、D）。
为探究CFs在心肌细胞凋亡中的作用，将大鼠心肌细胞H9C2和新生大鼠乳鼠心肌细胞NRCs 在HCF-CM中孵育，并通过阿霉素诱导细胞凋亡。当在拉伸后的HCFs的CM中孵育时，H9C2细胞和NRCs细胞的凋亡显著减少（图2 E、F），表明拉伸刺激增强了 HCFs 中心脏保护因子的产生/分泌。值得注意的是，使用软骨素酶ABC 降解糖胺聚糖消除了拉伸后HCFs-CM的心脏保护作用（图2 G、H）。此外，即使在没有拉伸刺激的情况下，HCFs 中 ChGn-2 的过表达也增强了其 CM 的心脏保护作用（图2 I、J）。这些结果强烈表明，当暴露于拉伸刺激时，CFs产生更多的糖胺聚糖，与增强的ChGn-2表达有关，并且这些糖胺聚糖具有心脏保护作用。
然后，从 WT 和 ChGn‐2‐/‐ 小鼠中分离出原代 MCFs，发现机械拉伸增强了ChGn-2的表达，并增加了WT MCFs和HCFs中的糖胺聚糖的产生，而 ChGn-2‐/‐ MCFs中未能产生更多的糖胺聚糖。这些数据表明，在机械拉伸刺激的 CFs 中，ChGn-2 在增加糖胺聚糖的生成中起着关键作用。
与HCFs的结果一致，拉伸的WT小鼠心脏成纤维细胞（MCFs）的CM对H9C2和NRCs的细胞凋亡具有显著的保护作用。软骨素酶ABC 降解糖胺聚糖消除了拉伸的MCFs-CM的心脏保护作用，表明糖胺聚糖在拉伸介导的CFs心脏保护作用中起关键作用。值得注意的是，在ChGn-2‐/‐ MCFs 中拉伸的 MCF-CM 的心脏保护作用消失。此外，即使在没有机械拉伸刺激的情况下，ChGn-2 过表达增强了 MCF-CM 在 WT 和ChGn-2‐/‐ MCFs 中的心脏保护作用。这些数据共同表明，机械拉伸增强了 CFs 中 ChGn-2 的表达，从而促进了糖胺聚糖的延伸，且增加的糖胺聚糖可保护心肌细胞免于死亡。
图2 机械拉伸增加了糖胺聚糖的产生，增强了人心脏成纤维细胞的心脏保护作用。
为了进一步分析CS-GAG的心脏保护作用，检测了纯化的硫酸软骨素A（CS-A）的作用。CS-A处理减弱了H9C2细胞的凋亡，同时保留阿霉素给药后的Akt活性（图3 A-C），CS-A还抑制了NRCs的心肌细胞死亡（图3 D），这表明，CS-A对心肌细胞死亡有直接抑制作用。由于 CS-A 抑制细胞死亡与Akt 活性相关，因此研究了 PI3K/Akt 通路是否与 CS-A 介导的心脏保护有关，发现抑制PI3K/Akt通路消除了用CS-A处理的H9C2细胞中降低的细胞凋亡，表明PI3K/Akt通路在CS-A介导的心脏保护中至关重要（图3 E-G）。
据报道，细胞表面糖蛋白 CD44 是CS-GAGs 的受体，且能激活淋巴细胞和许多类型癌细胞中的 PI3K/Akt 通路，促进这些细胞的存活和增殖。因此，研究人员探讨了CD44是否参与CS-GAG介导的心脏保护，发现阻断CD44可降低CS-A对H9C2细胞凋亡的抑制作用，同时消除阿霉素处理后的Akt活性（图3 H-J），也消除了CS-A在NRCs中的心脏保护作用（图3 K）。这些数据共同表明，CS-GAGs直接通过CD44-PI3K/AKT轴保护心肌细胞免于死亡。
图3 纯化硫酸软骨素A （CS‐A）显示心脏保护作用。
CS-GAGs可与各种可溶性因子结合，包括蛋白酶、细胞因子和生长因子，以调节其生物学功能。CFs可产生各种心脏保护生长因子。实验中发现拉伸刺激显著增加了 HCFs 中胰岛素样生长因子1（IGF-1）的表达（图4 A），并且拉伸的 HCF-CM 显示出比对照 HCF-CM 更高的 IGF-1 浓度。因此，研究人员探索了 CS-GAGs 和 IGF-1 之间可能的相互作用。
首先分析CS-A是否与IGF-1结合，发现CS-A 涂层可显著保留 IGF-1 ，从而诱导培养的 H9C2 细胞中心房利钠肽和脑利钠肽的表达（图4 B）。值得注意的是，使用软骨素酶 ABC 分解 CS-GAG 消除了 IGF-1（图4 B）。IGF-1 与 CS-A 包被培养皿结合充分激活 Akt 并抑制H9C2 细胞在含阿霉素的无血清培养皿中以及对照组的凋亡（图4 C）。
然后评估与CS-A的结合是否会影响IGF-1的生物学功能。在培养基中添加IGF-1可强烈激活Akt，并抑制阿霉素诱导的H9C2细胞凋亡，值得注意的是，在 CS-A 存在的情况下用 IGF-1 处理显示出协同作用，而不是叠加的心脏保护作用，这表明与 CS-A 的相互作用可能会增强 IGF-1 的心脏保护功能（图4 D）。这些数据表明，CS-GAGs通过双途径保护心肌细胞免于死亡，即通过CD44的直接通路和通过结合和激活IGF-1的间接通路。
最后，为了研究哪种途径对CS-GAG保护心肌细胞更重要，使用 CD44 抗体阻断了通过 CD44 的直接通路，并研究了剩余间接通路在 CS-GAGs 介导的心脏保护作用中的影响。阻断 CD44 对 H9C2 细胞中拉伸的 MCFs CM 的心脏保护作用没有显著影响（图4 E），表明直接通路在 CS-GAGs 介导的心脏保护中的作用最小。相比之下，在NRCs中，CD44阻断显著减弱了拉伸的MCFs CM的心脏保护作用，表明CS-GAGs的直接通路在保护心肌细胞方面起着关键作用（图4 F）。这些数据表明，直接和间接通路在CS-GAGs介导的心脏保护中都很重要，尽管间接通路似乎起着重要作用。
图4 硫酸软骨素A (CS‐A)结合胰岛素样生长因子1 (IGF‐1)并增强其心脏保护作用。
总之，该研究表明CS-GAGs 可保护心肌细胞免受急性损伤应激；机械拉伸增强了 ChGn-2的表达并促进心脏成纤维细胞中 CS-GAGs 的产生。研究成果揭示了CS-GAGs的心脏保护作用，因此，CS-GAGs可能在心力衰竭的发展中发挥双相作用，即在急性期起心脏保护作用，但在晚期可能起不利作用。
参考文献：Haryono A, Ikeda K, Nugroho DB, Ogata T, Tsuji Y, Matoba S, Moriwaki K, Kitagawa H, Igarashi M, Hirata KI, Emoto N. ChGn-2 Plays a Cardioprotective Role in Heart Failure Caused by Acute Pressure Overload. J Am Heart Assoc. 2022 Apr 5;11(7):e023401. doi: 10.1161/JAHA.121.023401. Epub 2022 Mar 24. PMID: 35322673; PMCID: PMC9075488.
Impact Factor: 6.106
ISSN：2047-9980
E-ISSN：2047-9980
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