第 22 卷第 3 期 2016 年 6 月 ( 自然科学版 ) JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE) Vol. 22 No. 3 June 2016 DOI: 10.3969/j.issn.1007-2861.2016.04.019 基于循环血微小 RNA 预测心脏再同步化治疗疗效 王菲, Saumya Das ( 哈佛医学院附属麻省总院心脏内科, 波士顿 02215, MA, 美国 ) 摘要 : 心力衰竭是一类严重危害人类健康的重大疾病, 心脏再同步化是一种治疗心室收缩不同步的心力衰竭患者的疗法, 但并不是所有的患者都可以获益. 因此, 发掘可以预测心脏再同步化治疗反应性的生物标记物具有重大意义. 微小 RNA 可以稳定地存在于循环血中, 反映各种疾病状态, 而本研究组的研究发现通过循环血微小 RNA-30d 的高表达可以预测心脏再同步化治疗的反应性, 具有一定的应用前景. 关键词 : 心脏再同步化治疗 ; 微小 RNA; 生物标记物中图分类号 : R 541.6 文献标志码 : A 文章编号 : 1007-2861(2016)03-0265-05 Circulating mirnas predict response to cardiac resynchronization therapy WANG Fei, Saumya Das (Cardiovascular Division, Massachusetts General Hospital of Harvard Medical School, Boston 02215, MA, USA) Abstract: Heart failure (HF) is one of the most common syndrome seriously harmful to human health. Cardiac resynchronization therapy (CRT) is an exciting recent advancement for HF patient by targeting ventricular systolic dyssynchrony, but it has been proved that CRT cannot achieve hemodynamic or clinical benefit for all patients. It is very essential to find out biomarkers for predicting responsive patients. Circulating extracellular micrornas (mirnas) have emerged as novel biomarkers for many diseases. Recent study indicated that a high level of circulating mir-30d could predict response to CRT, which may have bright prospects in future research and application. Key words: cardiac resynchronization therapy; micrornas; biomarker 心力衰竭 ( 以下简称心衰 ) 是多种心血管疾病发展的终末阶段, 伴随着心室收缩及舒张功能 的减退以及心脏纤维化程度的加深, 患者将发生体循环 肺循环的淤血, 进而出现全身多个脏 器的功能衰竭, 最终导致患者的死亡. 据统计, 美国约有 540 万心衰患者, 每年还有将近 91 万 的新增患者. 据预测, 到 2030 年, 美国将至少有 800 万心衰患者. 虽然人类一直以来都在持续 不断地与心衰作斗争, 但是心衰引起的患者死亡率却依然居高不下. 在美国, 每 9 个死亡人口 中就有 1 个的死亡原因与心衰相关 [1-2]. 因此, 心衰的治疗依然是心脏病学领域中与心房颤动 并列的两座未被征服的冰山之一. 收稿日期 : 2016-06-13 基金项目 : National Institutes of Health (NCATS UH3 TR000901) 通信作者 : Saumya Das(1969 ), 男, 教授, 博士, 研究方向为心力衰竭. E-mail: sdas@mgh.harvard.edu
266 ( 自然科学版 ) 第 22 卷 1 心脏再同步化治疗心室收缩的不同步是心衰的主要表现之一, 近年来逐渐受到医生以及科学研究者的关注. 在正常情况下, 心脏的电信号通过希氏束 - 浦肯野纤维传导逐步激活心肌, 最终形成心室同步去极化. 在病变心脏中, 由于电化学分子成分的改变以及心脏传导纤维的损伤, 心脏内部电信号的传导速度受到不同程度的影响, 导致心肌激活时间的延迟差异, 最终发生心室收缩的不同步. 通过 12 导联心电图可以发现, 这类患者的 QRS 波时限明显增宽 [3]. 已有研究也发现, QRS 波时限与左室射血分数有一定的关系 [4]. 据统计, 约有 35% 的心室收缩不同步的心衰患者会出现更多的心衰症状, 如水肿 劳累性呼吸困难等. 这种心脏活动的不同步性也会加速心脏重构的进展, 最终缩短心衰患者的寿命. 基于这种心室收缩的不同步, 早在 20 世纪 80 年代就有研究者提出了心脏再同步化治疗 (cardiac resynchronization therapy, CRT) 的概念. 20 世纪 90 年代, 随着起搏器技术的发展, 研究者们提出了使用多位点起搏来弥补传导延迟, 从而实现 CRT [5-7]. 如今, CRT 已成为治疗心力衰竭最重要的手段之一, 也是唯一的一种可以同时在急慢性期改善患者心脏功能并显著提高患者长期生存率的临床治疗手段. 在一项纳入了 5 个大型流行病学研究的荟萃分析中显示, CRT 可以显著降低心衰患者的死亡率以及因心衰而再入院的频率, 极大地改善了患者的心衰症状以及纽约心脏协会 (New York Heart Association, NYHA) 心功能分级 [8]. 然而, 遗憾的是, 并非所有的心衰患者都可以从 CRT 中获益. 据统计, 大约有 30% 的心衰患者在进行了 CRT 后症状没有明显的改善 [9], 导致这种现象的原因至今缺乏共识. 这种现象可能与多个原因相关, 如心室中肌电偶联的程度不均一造成区域内的心肌激活延迟 某些室壁运动即使在正常的接受电信号激动时仍然不同步等 [10]. 作为一种价格相对昂贵的有创性治疗方法, 如何提前筛选出对 CRT 具有反应性的患者是目前临床上面临的一项重大挑战. 如果能提前预判患者对于 CRT 的反应性, 再结合这种有效的治疗手段, 便可以对目前基数庞大的心衰患者人群进行精准的救治, 极大地降低心衰所带来的健康危害, 并减少不必要的费用投入. 以往研究者试图通过心电图 超声心动图 心脏核素扫描等对心衰患者提前进行 CRT 反应性的评估, 但结果均不甚理想 [11-12]. 在一项纳入了 15 项大型队列研究的荟萃分析中, QRS 波时限可以预测 2/3 的反应者, 然而在其他一些研究中显示 QRS 波时限并不能提前预测心衰患者 CRT 治疗后的心脏功能或重构症状的改善 [8] ; 在 PROSPECT 研究中, 对纳入的 53 个中心总计 498 名心衰患者的分析结果显示, 以心脏超声检测心室活动不同步为 CRT 反应性的指标表现出了较高的预测 CRT 疗效的灵敏性和特异性 [13]. 然而, 该研究也指出, 仅仅以心脏超声测得的心室活动不同步不足以作为 CRT 反应性的绝对指标. 在一些情况下, 如静脉解剖结构的变化所导致的肌电偶联程度不均一, 就无法通过心脏超声检测出变化. 因此, 发掘新的可以预测 CRT 治疗效果的生物标记物具有重大意义. 2 微小 RNA 与再同步化治疗微小 RNA(mircoRNAs, mirnas) 是近年来倍受关注的一种非编码 RNA, 主要通过转录后调控和影响 RNA 沉默, 参与一系列的病理生理过程. 已有研究报道了一系列 mirnas, 可以通过 cgmp/pkg 通路 RISK/Akt/ERK1/2 通路 SAFE/JAK/STAT 通路等参与心肌梗死 心肌肥厚 心力衰竭和心律失常等多种心脏疾病的发生发展 [14-17]. 重要的是, mirnas 可以稳定地存在于循环血中, 且其含量的变化可以特征性地反映疾病状态, 并与多种疾病的预后密切相关. 但是, 对于预测治疗反应性的相关报道较少. [18] Marfella 等率先针对循环血中的 mirnas 对 CRT 患者的同步化反应性预测进行了前
第 3 期王菲, 等 : 基于循环血微小 RNA 预测心脏再同步化治疗疗效 267 瞻性研究, 该研究共入组 81 名 CRT 患者, 在基线水平对 3 组患者 ( 包括健康对照组 15 人 心衰患者组 81 人 并发症心衰组 60 人 ) 的 84 个与心衰时心脏结构变化相关的循环血 mirnas 含量进行了检测, 发现相对于健康对照组, 心衰患者组共有 49 个 mirnas 表达水平出现了显著降低, 在随访 12 个月后心衰患者有 55 人对 CRT 反应良好, 有 26 人无反应. 再次检测循环 mirnas 表达水平时发现, CRT 反应良好患者组共有 19 个基线检测时相对于健康患者组下调的 mirnas 有了明显的升高, 并有 15 个 mirnas 表达水平升高超过了 5 倍, 其中 7 个 mirnas 已被报道参与调控心肌肥大 心肌细胞凋亡 心肌纤维化的过程, 有 8 个 mirnas 尚未有相关报道. 在无反应患者组, 则只有 6 个 mirnas 表达水平有所变化. 该研究还发现, 两组患者在基线水平的循环 mirnas 表达水平并不存在明显差异, 这提示 mirnas 在 CRT 中产生的变化可能是造成心衰患者心功能改善 心脏再同步化 心衰症状减轻的原因. 而对 CRT 无反应患者组来说, 这些 mirnas 表达水平则变化不大. 当然, 该项研究最终也未对 CRT 后 mirnas 表达水平与心脏功能恢复的关系进行解释, 也未能筛选出能够预测 CRT 反应性的 mirnas. 3 微小 RNA-30d 预测心脏再同步化治疗的反应性本研究组与上海大学研究团队合作, 在基于循环血 mirnas 预测 CRT 反应性的研究中取得了一定进展. 对入组的总计 69 名患者 ( 包括 40 名接受 CRT 的心衰患者以及 29 名健康志愿者 ) 进行循环血 mirnas 检测, 通过多元回归模型 多元线性模型分析之后, 最终将视野锁定在 mir-30d 上, 这一 mirna 与左室射血分数改善有显著关联性. 对 CRT 反应良好的患者中, mir-30d 的基线水平显著高于无反应者. 进一步研究发现, mir-30d 在冠状窦血流中的含量要远高于外周血, 且在心肌细胞中的含量远高于心脏成纤维细胞, 说明 mir-30d 来自于心脏的心肌细胞. 为了进一步阐述 mir-30d 高表达与 CRT 反应性良好的分子机制, 本研究组利用动物模型和细胞模型展开了更深入的研究. 心脏收缩不同步的狗对于 CRT 的反应良好, 以此为基础建立了 CRT 的狗模型, 发现 mir-30d 在心脏后壁表达量最高, 而心脏后壁正是室壁压力最大的位置. 这提示, mir-30d 是由收缩活动不同步而改变的室壁压力所调节. 在心室收缩不同步时, mir-30d 随着室壁压力的增大而表达上调 ; 经再同步化治疗改善收缩功能后, mir-30d 随着室壁压力的减小而表达下调. 接着在细胞模型中诱导机械应力发现, 在长期机械应力作用下 mir-30d 的表达水平升高, 验证了先前的猜想. 在随后的研究中, 对 mir-30d 具体的调控机制进行了发掘, 使用免疫印迹法发现, mir-30d 通过 AKT 通路参与了心脏肥大的过程 ; 通过生物信息学软件进一步筛查 mir-30d 的其他下游分子时, 发现了一种近期被报道参与 mir-30d 调节胰腺组织炎症反应的分子, 即丝裂原激活蛋白激酶 4(mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase 4, MAP4K4). MAP4K4 分子同时也是 TNF-α 的上游, 而 TNF-α 不仅已被证实在心室重构中扮演着重要角色, 在所建立的动物模型心脏前后壁中的表达也有显著不同, 提示 MAP4K4 可能作为 mir-30d 的靶基因在再同步化治疗心衰患者中起着重要的作用, 而这种关系也在随后细胞水平的功能学实验中被验证. 其后的研究还发现 mir-30d 可以通过下调 MAP4K4, 抑制 TNF-α 所诱导的心肌细胞凋亡, 起到保护心脏的作用. 在上述研究中, 本研究组从队列研究寻找再同步化治疗反应性的标记物入手, 逐步对 CRT 的机制进行深入探索, 最终发现了 mir-30d 这一灵敏性和特异性都极佳的 CRT 反应性标记物, 并对其可以预测 CRT 反应性的分子机制进行了具体的阐述, 得出以下假设 : 在心衰患者中存在两套分子调控机制, 其一是 TNF-α 在增大的室壁压力影响下激活, 通过 MAP4K4
268 ( 自然科学版 ) 第 22 卷 通路介导心肌细胞的凋亡 心脏的纤维化和病理性肥大 ; 其二是 mir-30d 在增大的室壁压力影响下表达升高, 进而激活 AKT 通路, 抵抗心肌纤维化, 抑制 TNF-α 激活所致的心肌细胞凋亡. 这两套调控机制间的平衡最终所表现出来的便是 CRT 反应性, 由此便可解释 mir-30d 水平较高的患者对 CRT 表现出良好的反应性, 而 mir-30d 水平较低的患者则对 CRT 无明显反应 [19]. 当然, 这项研究目前是单中心的研究结果, 有待多中心的临床研究加以证实. 4 结束语虽然本研究组初步发现循环血 mir-30d 可以作为预测 CRT 反应性的生物标记物, 也对于其具体的机制作了初步的解释. 但是, 所得到研究成果从基础应用到临床还要经过很长的过程, 需要大规模多中心临床试验的证实. 此外, 如何在临床快速且便捷地检测患者循环血 mirnas 如何标准化检测结果 是否还可以结合其他 mirnas 进行更精准的判断等, 有待未来进一步去探索. 参考文献 : [1] Writing G M, Mozaffarian D, Benjamin E J, et al. Heart disease and stroke statistics 2016 update: a report from the American Heart Association [J]. Circulation, 2016, 133(4): e38-e60. [2] DeVore A D, Hammill B G, Sharma P P, et al. In-hospital worsening heart failure and associations with mortality, readmission, and healthcare utilization [J]. Journal of the American Heart Association, 2014, DOI: 10.1161/JAHA.114.001088. [3] Jaffe M L, Morin D P. Cardiac resynchronization therapy: history, present, status, and future directions [J]. The Ochsner Journal, 2014, 14: 596-607. [4] Shenkman H J, Pampati V, Khandelwal A K, et al. Congestive heart failure and QRS duration: establishing prognosis study [J]. Chest, 2002, 122(2): 528-534. [5] Cazeau S, Ritter P, Bakdach S, et al. Four chamber pacing in dilated cardiomyopathy [J]. Pacing and Clinical Electrophysiology: PACE, 1994, 17(11Pt2): 1974-1979. [6] Kass D A, Chen C H, Curry C, et al. Improved left ventricular mechanics from acute VDD pacing in patients with dilated cardiomyopathy and ventricular conduction delay [J]. Circulation, 1999, 99(12): 1567-1573. [7] Auricchio A, Stellbrink C, Block M, et al. Effect of pacing chamber and atrioventricular delay on acute systolic function of paced patients with congestive heart failure [J]. Circulation, 1999, 99(23): 2993-3001. [8] Bax J J, Gorcsan J. Echocardiography and noninvasive imaging in cardiac resynchronization therapy: results of the PROSPECT (Predictors of Response to Cardiac Resynchronization Therapy) study in perspective [J]. Journal of the American College of Cardiology, 2009, 53(21): 1933-1943. [9] Birnie D H, Tang A S. The problem of non-response to cardiac resynchronization therapy [J]. Current Opinion in Cardiology, 2006, 21(1): 20-26. [10] Kirk J A, Kass D A. Electromechanical dyssynchrony and resynchronization of the failing heart [J]. Circulation Research, 2013, 113(6): 765-776. [11] Yu C M, Sanderson J E, Gorcsan J. Echocardiography, dyssynchrony, and the response to cardiac resynchronization therapy [J]. European Heart Journal, 2010, 31(19): 2326-2337.
第 3 期王菲, 等 : 基于循环血微小 RNA 预测心脏再同步化治疗疗效 269 [12] Tanaka H, Nesser H J, Buck T, et al. Dyssynchrony by speckle-tracking echocardiography and response to cardiac resynchronization therapy: results of the Speckle Tracking and Resynchronization (STAR) study [J]. European Heart Journal, 2010, 31(14): 1690-1700. [13] Chung E S, Leon A R, Tavazzi L, et al. Results of the predictors of response to CRT (PROSPECT) trial [J]. Circulation, 2008, 117(20): 2608-2616. [14] Ono K, Kuwabara Y, Han J. MicroRNAs and cardiovascular diseases [J]. The FEBS Journal, 2011, 278(10): 1619-1633. [15] Xiao J. MicroRNA therapeutics [J]. Mini Reviews in Medicinal Chemistry, 2015, 15(6): 440. [16] Zhou L, Zang G, Zhang G, et al. MicroRNA and mrna signatures in ischemia reperfusion injury in heart transplantation [J]. PLoS One, 2013, 8(11): e79805. [17] Mendell J T, Olson E N. MicroRNAs in stress signaling and human disease [J]. Cell, 2012, 148(6): 1172-1187. [18] Marfella R, Di Filippo C, Potenza N, et al. Circulating microrna changes in heart failure patients treated with cardiac resynchronization therapy: responders vs. non-responders [J]. European Journal of Heart Failure, 2013, 15(11): 1277-1288. [19] Melman Y F, Shah R, Danielson K, et al. Circulating microrna-30d is associated with response to cardiac resynchronization therapy in heart failure and regulates cardiomyocyte apoptosis: a translational pilot study [J]. Circulation, 2015, 131(25): 2202-2216.