心肌梗死时，由于冠状动脉狭窄闭塞，导致心肌细胞缺血缺氧，进而引起心肌细胞损伤和坏死。

作者：李睿捷/比利

来源：双鸭山科研小黑屋

细胞适应低氧环境主要依赖HIF通路，在低氧环境下，Hif-1a进入细胞核发挥转录因子的功能，调控相关的代谢通路，减少细胞耗氧量和ROS的产生。

HIF1通路对于心血管系统十分重要，然而大部分HIF-1通路的研究聚焦在心肌细胞，对于心脏成纤维细胞的研究较少。

澳大利亚的Richard P. Harvey课题组发表的Hif-1a suppresses ROS-induced proliferation of cardiac fibroblasts following myocardial infarction (Cell Stem Cell. 2022 Feb)文中，发现HIF-1α通过抑制ROS的产生减少心脏成纤维细胞的过度增殖，改善了心肌梗死后的心脏纤维化现象。

研究结果

  • 成年心脏S+P+成纤维细胞的代谢模式

作者通过SCA1和PDGFRα标记了心脏的成纤维细胞(CFs)，缺氧指示剂Pim提示这群细胞相较整体心脏间质细胞(TIP)，处于缺氧的状态（Fig 1A）。

并且S+P+成纤维细胞的有氧呼吸速率和ATP 含量较低(Fig 1B-C)，糖酵解较活跃(Fig 1D-E)，Hif-1a表达量更高(Fig 1H)，提示这群细胞更偏好缺氧的代谢模式。

随后作者检测了细胞的线粒体质量,发现S+P+成纤维细胞可依据线粒体质量分为低水平、中等水平与高水平(Fig 1J)。其中低水平的Mitolow细胞的长期增殖能力等类似于S+P+成纤维细胞(Fig 1K-M)。

(Figure 1. Metabolic profile of adult cardiac S+P+ cells)

  • Hif-1a敲除的成纤维细胞在心肌梗死模型中增殖能力增强

为了进一步探究HIF-1α在CFs中的生理功能。作者构建了CFs特异性的Hif-1a条件性敲除鼠，同时在Rosa26基因位点插入Cre依赖的tdTomato报告基因，以进行细胞示踪（Fig 2A-C）。

Hif-1a敲除后的CFs的长期增殖能力和对照无明显差异（2D-E），但是在心肌梗死模型中，Hif-1a敲除导致了CFs的增殖能力增强(Fig 2H-L)。进一步的，作者运用单细胞测序技术发现Hif-1a条件性敲除组心肌梗死后处于细胞周期中的成纤维细胞数量显著增加(Fig 3A-C)。

另外，通过qRT-PCR对心脏组织的分析，作者们发现间质细胞激活的marker在Hif-1a条件性敲除的心脏中出现了显著上升(Fig 3D)。

(Figure 2. Proliferation defects in Hif-1a-deficient CFs after MI)

(Figure 3. Hif-1a null CFs are primed for cell cycle entry after MI)

  • Hif-1a敲除加重心肌梗死后心脏纤维化

心肌梗死后第14天与心脏纤维化相关的基因在Hif-1a条件性敲除组心脏中显著上调，表明纤维化反应增强（Fig 4A）。细胞示踪结果提示心肌梗死后第28天后大部分tdTomato+ CFs都分化为肌成纤维细胞（Fig 4B）。

体外培养的3D工程化心脏微组织也证明，Hif-1a敲除导致纤维化加重，并损害了心肌束的电传导和机械活动(Fig 5)。

(Figure 4. Hif-1a deficiency aggravates post-MI fibrosis)

(Figure 5. Hif-1a null CFs significantly deteriorate electrical and mechanical functions of engineered cardiac bundles in vitro)

  • 靶向ROS治疗缓解了Hif-1a敲除小鼠的心脏纤维化表型

以往的研究表明，Hif-1a可以抑制线粒体ROS的生成，帮助细胞适应缺氧的环境(Fig6A)。相应的，在心肌梗死模型中，Hif-1a敲除CFs的HIF通路靶基因表达量下调，伴随着细胞ROS的上升，提示CFs的增殖可能与ROS上升相关(Fig6B-C)。

给小鼠注射线粒体氧化剂MitoPQ后，小鼠出现了和Hif-1a敲除小鼠类似的心脏成纤维细胞增殖的表型(Fig6D-G)，与之相对应的是线粒体抗氧化剂MitoTEMPO治疗抑制了心脏成纤维细胞的增殖(Fig6H-K)。

CT和心脏超声的结果也佐证了MitoTEMPO对心脏纤维化的治疗效果。MitoTEMPO减少了心肌瘢痕的面积(Fig7D-E)，改善了左心室射血分数等重要的心功能参数(Fig7F)。

(Figure 6. HIF-1a-mediated redox regulation controls proliferation of CFs after MI)

(Figure 7. MitoT treatment rescues cardiac anatomical and functional defects in cKO post-MI)

总 结

该研究发现心脏成纤维细胞中的Hif-1a会通过调节线粒体ROS影响AKT/MAPK信号通路的表达，抑制成纤维细胞的过度增殖，减轻心脏纤维化的程度。为心脏纤维化提供了可能的治疗靶点和转化思路。

组长 点 评

黄日华/ 黄日华

医学博士，毕业于中山大学附属第一医院心血管内科，入选中山一院“柯麟新苗”人才计划，近年来围绕代谢性心血管病的防治开展了系列研究，在EClinicalMedicine, Cardiovascular Diabetology, European Journal of Preventive Cardiology, JAHA等高水平学术期刊发表10余篇SCI文章。

2019年的诺贝尔生理学和医学奖颁给了Kaelin Jr、Ratcliffe和Semenza等三位教授，以表彰他们发现了细胞如何感知和适应氧的变化。而背后，主要就是缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor, HIF）的发现及基于其通路的医学研究。HIF是心血管系统应对缺氧应激时的主要调控因子，而心脏成纤维细胞在心梗后的心脏纤维化发挥着重要作用，但HIF通路在心脏成纤维细胞增殖和心脏纤维化的作用尚不明确。本研究中，来自澳大利亚悉尼Victor Chang心脏研究所的团队发现，心脏成纤维细胞中的HIF-1α通过调节线粒体ROS来对抗缺血后过度的成纤维细胞激活和增殖，从而减轻成纤维细胞的扩张性心脏恢复的限制，为了解氧化还原在心血管疾病治疗中的作用提供了新视角。

参考文献：Hif-1a suppresses ROS-induced proliferation of cardiac fibroblasts following myocardial infarction. Janbandhu et al., 2022, Cell Stem Cell 29, 281–297.

小黑屋作者简介

李睿捷/比利

中山大学临床医学八年制在读，主要围绕代谢性心血管疾病相关方面展开研究。

图片：网络（侵删）

编辑：小黑屋编委会

初审：黄日华/黄日华

审核：Dr.庄

审定：廖医生

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