Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

MECHANISMS OF CARDIAC FIBROSIS

Kade A.Kh. 1 Polyakov P.P. 1 Muratova A.Y. 2 Bogdanova Y.A. 1 Vcherashnyuk S.P. 1 Turovaya A.Y. 1 Zanina E.S. 1
1 Kuban state medical university
2 Stavropol State Medical University
Myocardial fibrosis is a morphological substrate for most severe heart diseases. Replacement of functional tissue with connective tissue leads to contractile dysfunction, circulatory hypoxia, electrophysiological changes, arrhythmias. At the heart of fibrosis is the transdifferentiation of cells (fibroblasts, epithelial cells, pericytes, leukocytes, bone marrow precursors) into myofibroblasts. These cells combine the properties of fibroblasts (synthesis of collagens I, III, periostin, fibronectin, tenascin-C) and smooth myocytes (smooth muscle α actin, transgelin). Myofibroblasts synthesize components of the extracellular matrix in excess amounts and biologically active substances that enhance this process. The key regulator of transdifferentiation is transforming growth factor-beta (TGF-β). Its hyperfunction is complemented and enhanced by the action of hemodynamic overload, catecholamines, prorenin, angiotensin II, aldosterone, cytokines, endothelin-1, matricellular proteins, matricryptins, EDA-fibronectin, platelet growth factors, and other factors. Counter-regulatory renin-angiotensin-aldosterone system (angiotensin 1-7, angiotensin 1-9, alamandine) and natriuretic peptides have antifibrotic effect. Fibrosis studies will help to understand the pharmacodynamics of available drugs (mineralocorticoid receptor antagonists, etc.) and find new therapeutic (pirfenidone, etc.) and diagnostic approaches (soluble ST2 receptor, galectin-3, etc.).
fibrosis
heart failure
transforming growth factor-beta
aldosterone
counter-regulatory renin–angiotensin system
integrins
natriuretic peptides
st2

Фиброз миокарда является морфологическим субстратом большинства тяжелых болезней сердца [1–5].

Цель исследования. Изучить и обобщить в виде нарративного обзора данные литературы о механизмах миокардиального фиброза.

Материал и методы исследования. Проведен анализ литературных источников в базах данных РИНЦ и PubMed.

Внеклеточный матрикс сердца

Внеклеточный матрикс (ВКМ) сердца состоит (полноценный обзор см. в [1–5]) преимущественно из коллагенов III (эластичного) и I (жесткого), а также IV (базальные мембраны), V VI, фибронектина, ламинина (базальные мембраны), эластина и эластин-ассоциированных белков (фибриллинов, фибулинов, EMILIN-1), мембранных протеогликанов (синдеканов, глипиканов), внеклеточных протеогликанов (аггрекана, перлекана, нидогена и др.), малых богатых лейцином протеогликанов (декорина, бигликана, аспорина, фибромодулина, подокана и пр.), гиалуроната, матрицеллюлярных белков (SPARC (secreted protein acidic and rich in cysteine), CILP1 (cartilage intermediate layer protein 1), COMP (cartilage oligomeric matrix protein), представителей семейства CCN, в том числе CCN2 или CTGF (connective tissue growth factor), R-спондинов, остеопонтина, периостина, тенасцина-C, фибулинов, тромбоспондинов), матрикриптинов (биологически активных фрагментов молекул ВКМ, экспонирующихся путем протеолиза, реже – свободнорадикального окисления, денатурации, мультимеризации, механического воздействия, примеры – аррестен, канстатин, эндостатин, анастеллин, эндорепеллин) и др. [1–4]. ВКМ выполняет много функций, кроме структурной, «накапливает» биологически активные вещества (факторы роста, TGF-β), взаимодействует с «собственными» (интегринами, мембранными протеогликанами, CD44, CD168 (RHAMM), LYVE‐1, DDR, лайилином) и «чужими» рецепторами (факторов роста, цитокинов), посылая сигналы от ВКМ внутрь клетки и получая обратные [6]. В разрушении компонентов ВКМ участвуют секретируемые и мембранные Zn-зависимые ММП (23 вида), представители семейств ADAM (a disintegrin and metalloproteinase, 13 видов) и ADAMTS (a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, 19 видов), сериновые (химаза, триптаза тучных клеток, катепсин G, гранзимы, плазминоген), цистеиновые протеазы (каспаза-1, лизосомальные катепсины), гиалуронидаза, гепараназа и др. Функцию ММП, однако, нельзя назвать однозначно антифибротической, ферменты способствуют миграции, в том числе фибробластов, воспалительной инфильтрации (в свою очередь – источника ММП), синтезу факторов роста и TGF-β из латентных предшественников, осуществляют шеддинг (отщепление внеклеточной части рецептора), например эндоглина, при этом растворимая форма рецептора/корецептора исполняет роль ловушки; взаимодействуют с рецепторами (CD44) и т.д. [1–4]. Также отмечаются многоплановые эффекты TIMP, которые не сводятся к антагонизму с ММП, ADAM и ADAMTS. TIMP взаимодействуют с CD63, VEGFR2, АТ-рецептором 2-го типа, влияют на интегрины, матрицеллюлярные белки и т.д. [1, 7].

Классификация и механизмы фиброза. Роль TGF-β, PDGF, FGF

В зависимости от этиопатогенеза и локализации можно классифицировать фиброз на:

1) реактивный – формирование соединительной ткани между рабочими клетками, объем которых не уменьшается на начальных этапах, развивается в ответ на гемодинамическую нагрузку, некритическую для кардиомиоцитов ишемию, гипергликемию, при гипертрофической кардиомиопатии, саркоидозе, ХБП или как часть дегенеративных изменений при старении;

2) заместительный – развивается после гибели кардиомиоцитов (при инфаркте миокарда, саркоидозе, миокардите, токсическом/лекарственном поражении, ХБП);

3) инфильтративный – развивается при амилоидозе, болезни Фабри и прочих инфильтративных заболеваниях [8, 9].

Основными продуцентами избыточной соединительной ткани в сердце (как и в других органах – в печени при циррозе, в почках при ХБП и т.д.) являются миофибробласты. Эти клетки сочетают свойства фибробластов (например, экспрессия и секреция коллагенов I, III, периостина, фибронектина, тенасцина-C) и низкодифференцированных гладких миоцитов (гладкомышечного α актина (ген acta2 или sma), трансгелина (tagln или sm22)). Они имеют повышенную чувствительность к профиброгенным и провоспалительным медиаторам. Кроме того, миофибробласты синтезируют данные медиаторы (ИЛ-1β, -6, -10, ФНОα и др.) и механически воздействуют на межклеточное вещество, например посредством фибронексусов, соединяющих цитоскелет с фибронектином, и развитых фокальных контактов (винкулина, паксиллина, интергинов αvβ3 и иных, см. ниже) [7, 10]. Фибробласты и, возможно, другие клетки (эпителиоциты (в рамках эпителиально-мезенхимального перехода), перициты и клетки Ито печени, представители фагоцитирующих мононуклеаров, костномозговые прогениторные клетки и фиброциты) «превращаются» в миофибробласты, проходя через стадию промиофибробласта, при повреждении органа [1–4].

Ключевым молекулярным регулятором «программы фиброза», которая включает пролиферацию фибробластов, трансдифференцировку в миофибробласты, гиперпродукцию компонентов межклеточного матрикса, нарушение его деградации, изменение функции лейкоцитов, эпителиоцитов, перицитов, кардиомиоцитов и других клеток, является TGF-β. Его выделяют фибробласты, макрофаги, тромбоциты, кардиомиоциты, сосудистые клетки. Не менее важна стимулируемая ММП2, ММП9, плазмином, активными формами кислорода, матрицеллюлярными белками активация латентной формы, связанной с ВКМ [1–4]. Под контролем TGF-β, воздействующего через канонический Smad2/3-опосредованный сигнальный путь, находится синтез многих компонентов ВКМ (коллагена, фибронектина, периостина), гладкомышечного α-актина, трансгелина, интегринов. Данный сигнальный путь, однако, тормозит пролиферацию фибробластов, а отсутствие Smad3 ведет к дисфункциональной дилатации камеры после моделирования инфаркта. Неканонические пути представлены, среди прочего, каскадами митоген-активируемых киназ: Smad–TAK1 (TGFβ-activated kinase 1, другое название MAP3K7), ERK, JNK, p38MAPK и др. Информация данными путями передается регуляторам транскрипции – SRF (serum response factor), MRTF (myocardin-related transcription factors), кальцинейрину и др. [4]. Активно обсуждается роль интерлейкина-11 как одного из посредников TGF-β. Гиперфункция цитокина приводит к фиброзу; напротив, отсутствие α-субъединицы соответствующего рецептор замедляет фиброз при перегрузке давлением [5]. Системы передачи сигнала от TGF-β взаимодействуют на разных уровнях с другими, например с каноническими и неканоническими Wnt-, Hedgehog-, Hippo-каскадами трансдукции [11, 12]. TGF-β усиливает продукцию белков Wnt, вместе с ними стабилизирует β-катенин (подавляя киназу гликогенсинтазы-3β, GSK-3β (glycogen synthase kinase-3β)). Пути трансдукции MAPK и Rho-ROCK являются общими для TGF-β и Wnt [12]. Белки Wnt обладают профиброгенным и провоспалительным действием, стимулируют выработку цитокинов, трансдифференцировку фибробластов, в поврежденном сердце растет концентрация Wnt-1/Wnt-5a. Возможно, эти эффекты связаны с усилением функции TGF-β, например стабилизацией молекулы Smad3, деградация которой также стимулируется GSK-3β [12, 13].

Однако гиперфункция TGF-β, по-видимому, не всегда является достаточным условием фиброза. Так, у мышей со сниженным количеством латентного, следовательно, увеличенной активацией TGF-β, без воздействия каких-либо иных повреждающих факторов развивается фиброз предсердий (приводящий к электрическому ремоделированию и фибрилляции), но не желудочков [14]. Поэтому исключительно важны другие факторы, модулирующие работу TGF-β: 1) механическая (гемодинамическая) нагрузка, которая распознается клеткой при помощи ряда механосенситивных молекул (например, интегринов); 2) влияния со стороны ВКМ, например протеогликанов, матрицеллюлярных белков, матрикриптинов, ферментов (тесно связано с предыдущим пунктом, поскольку ВКМ выступает в роли «передаточного механизма» гемодинамической нагрузки); 3) эффекты нейрогуморальных систем, катехоламинов, ангиотензина II, альдостерона, эндотелина-1, адипокинов, медиаторов воспаления, натрийуретических пептидов (НУП); 4) другие лиганды, рецепторы, корецепторы, имеющие отношение к семейству TGF; 5) факторы роста, особенно PDGF [4].

Представитель семейства TGF-β – костный морфогенетический белок 7 (BMP-7) – противодействует эффектам TGF-β. BMP2 и активин A, вероятно, обладают профиброгенным и провоспалительным свойствами. При повреждении сердца в плазме растет концентрация BMP-4, -6, -10, фактора роста и дифференцировки-15 [4, 15]. Растворимая форма эндоглина (TGF-корецептора), отсоединившегося от мембраны в ходе шеддинга, подавляет работу TGF-β1 и развитие перегрузочных сократительной дисфункции и фиброза [16].

Тромбоцитарные факторы роста обладают профиброгенным (сильным у PDGF-A, слабым, наблюдающимся не на всех моделях, PDGF-B), но при этом проангиогенным эффектом (позитивным в контексте ремоделирования) [4]. Фактор роста фибробластов 23 (FGF23) и FGF2 способствуют ремоделированию, вероятно, усиливая кальцинейриновый и MAPK пути передачи сигнала соответственно. Напротив, FGF16, конкурируя с FGF2 за рецептор FGFR1c, защищает сердце от дезадаптивной гипертрофии [17].

Роль гемодинамической нагрузки и нарушенной механотрансдукции в патогенезе фиброза

Важная механосенситивная структура клеток сердца – фокальный контакт – содержит мембранные интегрины (составлены из 2 субъединиц – α (18 разновидностей у млекопитающих) и β (8 видов, всего 24 комбинации), кардиомиоциты содержат преимущественно α1β1, α5β1, α7β1, фибробласты – α1β1, α2β1, α3β1, α4β1, α5β1, α6β1, αvβ1, αvβ3, αvβ5, эндотелиоциты – α1β1, α2β1, α5β1, αvβ3), с которыми снаружи клетки соединены молекулы ВКМ. Внутриклеточная часть β-интегрина связана посредством адаптерных белков (талина, винкулина, паксиллина, ILK) с цитоскелетом, сократительными и сигнальными протеинами (в первую очередь, с фокальной адгезионной киназой (FAK), а также с PYK2, Src, ROCK, ERK). Один из доменов FAK взаимодействует с рецепторами эфринов, EGF, PDGF. Активацию интегрин-FAK/PYK2 передачи сигнала вызывают ангиотензин II, эндотелин-1, агонисты адренорецепторов [18, 19]. В ответ на механическую нагрузку интегрины способны активировать латентный TGF-β протеаза-независимым и протеаза-зависимым (например, «предоставляя» его ММП14) способами. Данный механизм работает в поврежденном, но не здоровом сердце [1, 18]. Нокаут гена интегрина-β3 тормозит развитие вызванного перегрузкой фиброза, в частности нарушает передачу сигнала от рецепторов PDGF и Pyk2 [20]. Гиперфункция фибробластного интегрина-β при его взаимодействии с CD63 (рецептором TIMP1) способствует транслокации Smad2/3 и β-катенина в ядро и запуску «программы фиброза» [21]. Гиперэкспрессия интегрин-ассоциированного белка мелузина препятствует переходу адаптивной гипертрофии к дисфункциональному ремоделированию при длительной гемодинамической нагрузке [5]. Ингибирование FAK (фармакологически или путем генного нокдауна) тормозит постинфарктный и перегрузочный фиброз [22]. Интегрины, расположенные на макрофагах (αvβ3), взаимодействуют с тенасцином-C, что посредством FAK, Src и NK-κB стимулирует синтез ИЛ-6 (следовательно, воспаление и фиброз) [23]. Блокирование интегрина-αv на периваскулярных клетках препятствует активации латентного TGF-β и ангиотензин-индуцированному фиброзу у мышей [24]. Подавление экспрессии гена CD44 тормозит активацию фибробластов [24]. Экспрессия мембранных протеогликанов, например синдеканов, возрастает под действием ангиотензина II, медиаторов воспаления, патоген-ассоциированных молекулярных паттернов, что способствует активации кальцинейрин-NFAT сигнального пути и прочим профиброгенным изменениям [25]. «Выключение» бигликана тормозит вызванные длительной перегрузкой гипертрофию и фиброз [26]. Декорин, напротив, тормозит развитие фиброза [27]. Подобные эффекты малых богатых лейцином протеогликанов можно предположительно объяснить их влиянием на кальцинейриновый путь трансдукции (у бигликана посредством Abra, Rcan1), ангиогенез (VEGF), фибробласты (Tnfrsf12a), аутофагию, митофагию, воспаление. Молекулы ВКМ и их фрагменты (протеогликаны, матрицеллюлярные белки, гиалуронат), в частности, могут выступать в роли DAMP (danger‐/damage-associated molecular patterns), взаимодействовать с TLR (Toll-like receptors), стимулируя NF‐κB-зависимый синтез цитокинов и прооксидантных ферментов, и с пуринергическими рецепторами (P2X7), запуская сборку инфламмасомы [27]. Экспрессия бикликана усиливается ангиотензином II [26]. Белок CILP1 (cartilage intermediate layer protein 1) тормозит Smad-зависимую передачу сигнала и переход к миофибробластному фенотипу [28, 29]. Нокаут гена ADAM23 в сердце мышей ухудшает развитие гипертрофии и фиброза вследствие перегрузки давлением или воздействия ангиотензина II, гиперэкспрессия обладает противоположным эффектом, что, вероятно, связано с ингибированием данных ферментов пути трансдукции интегрин-αvβ3-FAK-протеинкиназа B [30]. «Выключение» ADAM12 усиливает индуцируемые перегрузкой гиперфункцию интергрина β1, рецепторов TGF-β, ПкB-mTOR, Erk и Smad2/3 [31]. На механическую нагрузку реагируют кальциевые каналы L-типа, TRPC (напротив, подавляемые НУП), система STIM1-SOCE (участвующие в депо-управляемом входе кальция), ангиотензиновый рецептор 1-го типа [5].

Роль нейрогуморальных систем, цитокинов, натрийуретических пептидов

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система (РААС), катехоламины, цитокины, эндотелин-1 стимулируют фиброз разнообразными способами, как связанными с TGF-β, так и независимыми от него [4]. Проренин, взаимодействуя со своим рецептором, приобретает каталитическую активность, посредством ERK1/2 стимулирует продукцию TGF-β [32]. Ангиотензин II через рецептор 1-го типа усиливает воспаление, свободнорадикальное окисление, продукцию TGF-β (например, посредством KLF5), PDGF, ламинина, фибронектина, коллагенов, тенасцина-С, остеопонтина, бигликана, CCN2 [4, 5]. Альдостерон увеличивает синтез провоспалительных, прооксидантных молекул, TGF-β, CCN2, эндотелина-1, плацентарного фактора роста, галектина-3, остеопонтина, ИАП-1, а также реализует ряд негеномных МР-рецептор-независимых эффектов при помощи G-рецептора 30 и ERK1/2, PI3K, ПкС, JNK путей трансдукции [4]. «Контррегуляторная» ренин-ангиотензиновая система – ангиотензин 1-7, аламандин, рецептор ангиотензина II второго типа, рецептор MasR – обладает антифибротическим эффектом. Возможно, важнейшими плейотропными эффектами пирфенидона являются ингибирование АТ-рецептора 1-го типа и воздействие на MasR [33, 34]. Стимуляция β2-адренорецепторов, во многом посредством p38MAPK, усиливает функцию фибробластов, макрофагов, продукцию факторов роста кардиомиоцитами. Возможно, значимую роль в фиброгенезе играет сигнал, передаваемый от GRK2 [4]. Адренергическая стимуляция при помощи Hippo-сигнального пути повышает экспрессию галектина-3 [35]. Напротив, воздействие на β3-адренорецептор подавляет синтез CCN2 [4]. Интерлейкин 33 подавляет фиброз, воздействуя на ST2 рецептор, растворимая форма которого индуцирует противоположные негативные эффекты [5]. Антифибротическим, противовоспалительным, антигипертрофическим действием обладают НУП, которые, например, подавляют работу MAP-киназ (ERK, p38MAPK, JNK), усиливают активность их антагонистов-фосфатаз (MKP-1 (mitogen-activated protein kinase phosphatase-1)), тормозят перегрузку кальцием и свободнорадикальное окисление [36].

Заключение

Повреждение миокарда, воздействие нейрогуморальных и иммунных систем активируют систему TGF-β и ряд смежных механизмов. Это приводит к трансдифференцировке клеток в миофибробласты, которые продуцируют компоненты внеклеточного матрикса.