心臟細胞外基質（ECM）提供結構支持并調節心臟中細胞因子和生長因子的活性。心臟ECM由膠原蛋白、糖蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖組成，在心臟病進展過程中經歷了廣泛的重塑。硫酸軟骨素（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 已被證明通過調節免疫系統在神經系統的損傷恢復中發揮重要作用。在心血管系統中，CS 沉積在衰竭的心臟中，且 CS 通過增強心臟炎癥在心力衰竭中的有害作用已有報道。此外，一些報告顯示 CS 在動脈粥樣硬化斑塊的形成中可能起作用。

CS-糖胺聚糖（CS-GAGs）鏈是由多種酶協同合成的。ChGn-2（硫酸軟骨素N-乙酰氨半乳糖胺基轉移酶2）是一種與軟骨素 4-磺基轉移酶1 協同延長 CS 鏈的酶。ChGn-2 在人體的所有組織中普遍表達。先前證明 ChGn-2 的缺失可以減少和縮短小鼠組織中 CS 鏈的長度。CS-GAGs鏈的減少通過降低內膜和巨噬細胞表面的氧化LDL積累，在預防動脈粥樣硬化方面顯示出有益的作用。另一方面，據報道，CS 給藥可能通過抑制巨噬細胞的泡沫細胞形成來減輕 ApoE-缺陷小鼠的動脈粥樣硬化。

基于此，日本神戶大學大學院心血管內科、神戶藥科大學臨床藥學實驗室及印度尼西亞加查馬達大學醫學、公共衛生和護理學院內科系的研究團隊在一項實驗中探索了 CS 在急性壓力超負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個方面。研究發現，ChGn-2 缺失使 CS-GAG 鏈減少，導致心肌肥厚、早期心室擴張和心肌細胞凋亡增加，從而加重心力衰竭。研究成果發表在 Journal of the American Heart Association 期刊題為“ChGn-2 Plays a Cardioprotective Role in Heart Failure Caused by Acute Pressure Overload”。

首先，野生型（WT）和 ChGn-2‐/‐ 小鼠通過主動脈縮窄術（TAC）誘導急性壓力超負荷。2周后，ChGn-2的缺失顯著降低了糖胺聚糖的積累。TAC后，具有長CS-GAG鏈的高分子量核心蛋白聚糖（decorin）在WT小鼠的心臟中增加，而在ChGn-2‐/‐ 小鼠中增加較少。這些數據表明，急性壓力超負荷會導致心臟中糖胺聚糖積累增強，而 ChGn-2 的缺失會改善這種情況。

通過連續超聲心動圖評估心臟功能，發現急性壓力超負荷使WT小鼠的左心室收縮功能持續惡化（圖1 A-C）。值得注意的是，ChGn-2 的缺失早在 TAC 后 3 天就會引起明顯的左心室功能障礙，且惡化持續存在（圖1 A-C）。此外，ChGn-2‐/‐ 小鼠中心肌肥厚加重（圖1 D、F、G），而WT和ChGn-2‐/‐ 小鼠間心肌纖維化沒有差異（圖1 E、H、I）。而且TAC處理2周后，ChGn-2‐/‐ 小鼠的存活率低于WT小鼠。同時，在 ChGn-2‐/‐ 小鼠中比WT 小鼠更頻繁地檢測到凋亡的心肌細胞，表明 ChGn-2 和糖胺聚糖在心力衰竭急性期具有心臟保護作用（圖1 J、K）。

圖1    ChGn‐2‐/‐ 小鼠在急性壓力超負荷后表現出嚴重的左心室功能障礙。

由于心臟成纖維細胞（CFs）是心臟中 CS-GAGs 的主要來源，接下來就探討了CF衍生的糖胺聚糖在心肌細胞死亡中的作用。在超負荷的心臟中，CFs受到機械拉伸刺激，因此，將 HCFs 暴露于體外循環機械拉伸（10%，24h）。機械拉伸導致HCFs中ChGn-2表達顯著增加（圖2 A、B），同時增加了HCFs中糖胺聚糖的產生（圖2 C、D）。

為探究CFs在心肌細胞凋亡中的作用，將大鼠心肌細胞H9C2和新生大鼠乳鼠心肌細胞NRCs 在HCF-CM中孵育，并通過阿霉素誘導細胞凋亡。當在拉伸后的HCFs的CM中孵育時，H9C2細胞和NRCs細胞的凋亡顯著減少（圖2 E、F），表明拉伸刺激增強了 HCFs 中心臟保護因子的產生/分泌。值得注意的是，使用軟骨素酶ABC 降解糖胺聚糖消除了拉伸后HCFs-CM的心臟保護作用（圖2 G、H）。此外，即使在沒有拉伸刺激的情況下，HCFs 中 ChGn-2 的過表達也增強了其 CM 的心臟保護作用（圖2 I、J）。這些結果強烈表明，當暴露于拉伸刺激時，CFs產生更多的糖胺聚糖，與增強的ChGn-2表達有關，并且這些糖胺聚糖具有心臟保護作用。

然后，從 WT 和 ChGn‐2‐/‐ 小鼠中分離出原代 MCFs，發現機械拉伸增強了ChGn-2的表達，并增加了WT MCFs和HCFs中的糖胺聚糖的產生，而 ChGn-2‐/‐ MCFs中未能產生更多的糖胺聚糖。這些數據表明，在機械拉伸刺激的 CFs 中，ChGn-2 在增加糖胺聚糖的生成中起著關鍵作用。

與HCFs的結果一致，拉伸的WT小鼠心臟成纖維細胞（MCFs）的CM對H9C2和NRCs的細胞凋亡具有顯著的保護作用。軟骨素酶ABC 降解糖胺聚糖消除了拉伸的MCFs-CM的心臟保護作用，表明糖胺聚糖在拉伸介導的CFs心臟保護作用中起關鍵作用。值得注意的是，在ChGn-2‐/‐ MCFs 中拉伸的 MCF-CM 的心臟保護作用消失。此外，即使在沒有機械拉伸刺激的情況下，ChGn-2 過表達增強了 MCF-CM 在 WT 和ChGn-2‐/‐ MCFs 中的心臟保護作用。這些數據共同表明，機械拉伸增強了 CFs 中 ChGn-2 的表達，從而促進了糖胺聚糖的延伸，且增加的糖胺聚糖可保護心肌細胞免于死亡。

圖2   機械拉伸增加了糖胺聚糖的產生，增強了人心臟成纖維細胞的心臟保護作用。

為了進一步分析CS-GAG的心臟保護作用，檢測了純化的硫酸軟骨素A（CS-A）的作用。CS-A處理減弱了H9C2細胞的凋亡，同時保留阿霉素給藥后的Akt活性（圖3 A-C），CS-A還抑制了NRCs的心肌細胞死亡（圖3 D），這表明，CS-A對心肌細胞死亡有直接抑制作用。由于 CS-A 抑制細胞死亡與Akt 活性相關，因此研究了 PI3K/Akt 通路是否與 CS-A 介導的心臟保護有關，發現抑制PI3K/Akt通路消除了用CS-A處理的H9C2細胞中降低的細胞凋亡，表明PI3K/Akt通路在CS-A介導的心臟保護中至關重要（圖3 E-G）。

據報道，細胞表面糖蛋白 CD44 是CS-GAGs 的受體，且能激活淋巴細胞和許多類型癌細胞中的 PI3K/Akt 通路，促進這些細胞的存活和增殖。因此，研究人員探討了CD44是否參與CS-GAG介導的心臟保護，發現阻斷CD44可降低CS-A對H9C2細胞凋亡的抑制作用，同時消除阿霉素處理后的Akt活性（圖3 H-J），也消除了CS-A在NRCs中的心臟保護作用（圖3 K）。這些數據共同表明，CS-GAGs直接通過CD44-PI3K/AKT軸保護心肌細胞免于死亡。

圖3    純化硫酸軟骨素A （CS‐A）顯示心臟保護作用。

CS-GAGs可與各種可溶性因子結合，包括蛋白酶、細胞因子和生長因子，以調節其生物學功能。CFs可產生各種心臟保護生長因子。實驗中發現拉伸刺激顯著增加了 HCFs 中胰島素樣生長因子1（IGF-1）的表達（圖4 A），并且拉伸的 HCF-CM 顯示出比對照 HCF-CM 更高的 IGF-1 濃度。因此，研究人員探索了 CS-GAGs 和 IGF-1 之間可能的相互作用。

首先分析CS-A是否與IGF-1結合，發現CS-A 涂層可顯著保留 IGF-1 ，從而誘導培養的 H9C2 細胞中心房利鈉肽和腦利鈉肽的表達（圖4 B）。值得注意的是，使用軟骨素酶 ABC 分解 CS-GAG 消除了 IGF-1（圖4 B）。IGF-1 與 CS-A 包被培養皿結合充分激活 Akt 并抑制H9C2 細胞在含阿霉素的無血清培養皿中以及對照組的凋亡（圖4 C）。

然后評估與CS-A的結合是否會影響IGF-1的生物學功能。在培養基中添加IGF-1可強烈激活Akt，并抑制阿霉素誘導的H9C2細胞凋亡，值得注意的是，在 CS-A 存在的情況下用 IGF-1 處理顯示出協同作用，而不是疊加的心臟保護作用，這表明與 CS-A 的相互作用可能會增強 IGF-1 的心臟保護功能（圖4 D）。這些數據表明，CS-GAGs通過雙途徑保護心肌細胞免于死亡，即通過CD44的直接通路和通過結合和激活IGF-1的間接通路。

最后，為了研究哪種途徑對CS-GAG保護心肌細胞更重要，使用 CD44 抗體阻斷了通過 CD44 的直接通路，并研究了剩余間接通路在 CS-GAGs 介導的心臟保護作用中的影響。阻斷 CD44 對 H9C2 細胞中拉伸的 MCFs CM 的心臟保護作用沒有顯著影響（圖4 E），表明直接通路在 CS-GAGs 介導的心臟保護中的作用最小。相比之下，在NRCs中，CD44阻斷顯著減弱了拉伸的MCFs CM的心臟保護作用，表明CS-GAGs的直接通路在保護心肌細胞方面起著關鍵作用（圖4 F）。這些數據表明，直接和間接通路在CS-GAGs介導的心臟保護中都很重要，盡管間接通路似乎起著重要作用。

圖4    硫酸軟骨素A (CS‐A)結合胰島素樣生長因子1 (IGF‐1)并增強其心臟保護作用。

總之，該研究表明CS-GAGs 可保護心肌細胞免受急性損傷應激；機械拉伸增強了 ChGn-2的表達并促進心臟成纖維細胞中 CS-GAGs 的產生。研究成果揭示了CS-GAGs的心臟保護作用，因此，CS-GAGs可能在心力衰竭的發展中發揮雙相作用，即在急性期起心臟保護作用，但在晚期可能起不利作用。

參考文獻：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

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注！關注“Naturethink”公眾號，了解更多相關內容。