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这篇综述聚焦心脏衰老过程中细胞外基质（ECM）的变化。探讨了 ECM 改变如何影响配体 - 受体相互作用、机械转导等，强调区域和性别差异，为研究心脏衰老机制及寻找治疗靶点提供了全面视角。
引言
随着年龄增长，心脏功能会逐渐衰退，这与心脏衰老密切相关。多组学研究发现，60 岁左右心血管健康相关通路会发生重大变化。在心脏衰老过程中，心脏组织会出现多种变化，如组织硬度逐渐增加、细胞外基质（ECM）不断积累、ECM 结构遭到破坏等。
这些 ECM 的改变会通过多种方式影响心脏细胞的功能。比如，基质的机械信号可通过机械转导传递给细胞；ECM 成分的变化会影响细胞 - 基质的相互作用；ECM 的重组会产生影响细胞排列的地形学信号。这些变化会导致心脏细胞出现功能障碍，如心肌细胞肥大、收缩力下降，成纤维细胞活化等。
尽管目前对心脏衰老过程中的细胞信号级联反应有了一定了解，但细胞 - 基质研究和生物材料设计中常常忽略区域和性别差异这两个重要因素。因此，本文将深入探讨 ECM 改变对心脏衰老过程中关键细胞信号通路的影响，并提出在 ECM 和心脏衰老研究中整合新工具、开发更特异性模型的建议。
不同的细胞外基质信号驱动衰老过程中的细胞信号传导
配体
在衰老过程中，ECM 会过度沉积和重塑，进而引发反应性纤维化，导致心脏功能出现障碍。此时，matrisome 会发生显著改变，像胶原蛋白 I/VI、玻连蛋白、纤连蛋白增多，而纤连蛋白 - 5 减少。
众多体外研究表明，ECM 的组成对心脏细胞功能至关重要。例如，在人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC - CMs）构建的工程心脏组织（EHTs）中，含有较高水平 III 型和 V 型胶原蛋白的基质，相比 I 型胶原蛋白，能通过上调整合素 / FAK/ERK/AKT/JNK/ROCK 等多条通路，提高收缩 - 舒张效率。而且，老年小鼠（18 - 24 个月）的心脏成纤维细胞对 ECM 配体的敏感度高于年轻细胞，这与年龄相关的机械敏感机制表达差异有关。
配体的组织和可用性也会影响心肌细胞与基质的相互作用。不同的 ECM 成分有特定的配体排列方式，其会因可变剪接、原纤维交联、纤维张力状态和翻译后修饰而改变。比如，通过纳米图案化的三角形底物研究发现，心肌细胞稳定黏附的形成取决于全局 RGD（纤连蛋白肽）浓度，而 IKVAV（层粘连蛋白肽）则需要局部和全局的配体密度。
ECM 的翻译后修饰，如晚期糖基化终末产物（AGE）使胶原蛋白纤维甲基乙二醛化、纤连蛋白纤维的位点特异性谷胱甘肽化等，会改变原纤维的性质。这些修饰会增加原纤维的硬度、赖氨酸和精氨酸的糖基化程度，改变胶原蛋白原纤维的表面电荷，进而影响整合素与 ECM 的结合以及机械感受。此外，纤连蛋白的谷胱甘肽化会改变纤维的机械性能，导致活化的成纤维细胞中整合素从 α5β1转换为 αvβ3，激活下游信号，促使肌成纤维细胞活化。同时，年龄相关的组织重塑会产生碎片化的基质分子（matrikines），它们能与 ECM 结合，引发基质修饰细胞（如成纤维细胞和巨噬细胞）的信号传导事件，比如巨噬细胞通过整合素 α5β1感知碎片化的 ECM，激活 FAK/PI3K/AKT 信号通路，促进血管生成，帮助心脏修复。
ECM 硬度
组织力学在调节心脏功能方面起着重要作用，随着年龄增长，心脏组织的被动硬度会增加，这是由于细胞（如肌联蛋白）和 ECM 的改变共同导致的。在老年心脏组织存在的高应变水平下，ECM 主要贡献粘性力。
ECM 硬度的增加会影响机械信号传导，它会增强整合素的聚集和激活、使纽蛋白富集、促进 F - 肌动蛋白重组。在模拟心脏衰老的压力过载模型中，增强的组织硬度能激活小鼠（8 - 13 周）心肌细胞中的机械敏感离子通道 Piezo1，使 Ca2 +内流。Ca2 +浓度的升高会激活 TRPM4 受体，触发 CaMKII - HDAC4 - MEF2 通路，最终导致心肌细胞肥大。机械应力还能激活 EGFR 通路，促使心肌细胞分泌旁分泌信号因子（如细胞因子和细胞外囊泡），进而激活心脏成纤维细胞，使其分泌 ECM。不过，压力过载模型和生物衰老之间存在重要差异，在压力过载模型中，细胞没有时间适应力学的逐渐增加，这可能会影响与机械记忆相关的表观遗传重塑。
心脏成纤维细胞对机械刺激敏感，较高的硬度会促使其向肌成纤维细胞活化。例如，年轻大鼠（3 个月）的原代成纤维细胞在按需硬化的 2D 水凝胶上，随着底物力学性能的逐步增加，会发生肌成纤维细胞活化、细胞衰老，并获得衰老相关分泌表型（SASP）。在刚度可逆的 3D 水凝胶系统中，新生大鼠（≤3 天）的原代心脏成纤维细胞在经历从软到硬再到软的状态变化时，其激活状态是动态的，且与力学性能直接相关，这种动态表型由整合素介导的机械信号传导调节。但需要注意的是，心脏成纤维细胞的反应会因年龄而异，老年细胞的黏附机制和机械敏感性会降低。
ECM 地形
细胞可以通过黏着斑（FA）复合物感知 ECM 的地形学信号，这些信号会调节细胞骨架的排列，决定细胞的排列方向和形状。在心脏中，这一点尤为重要，因为心肌细胞呈平行束状排列，这是心脏高效收缩的必要条件。
利用纳米光刻技术（如在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制作微皱纹和纳米柱）可以模拟多尺度的地形学信号。研究发现，在 H9C2s 和 hiPSC - CMs 细胞中，微皱纹能促进细胞排列，纳米柱可增强 FA 的形成，两者结合能使细胞达到最高程度的成熟，包括增强 FA 形成、提高核纤层蛋白 A/C 和心肌肌钙蛋白 T（cTnT）的表达。此外，使用丝素蛋白等纤维状支架模拟心脏结构时，发现大鼠心肌细胞对纤维应变有特异性反应。在生理高应变条件下，肥厚的心肌细胞中 TGF - β、胶原蛋白 IA、波形蛋白和 α - SMA 的表达会增加；而在病理条件下更高的应变水平下，会导致肌小节、Z 线和细胞间连接被破坏。
地形学的改变还会导致成纤维细胞的细胞核重新定位，进而在没有 TGF - β1 的情况下激活成纤维细胞。研究表明，宽度为 10μm、间距为 10μm 的条纹微图案能为成纤维细胞的激活提供最佳环境，使细胞伸长、FA 形成和细胞骨架排列更好。地形学和 TGF - β1 的组合信号可使成纤维细胞进入更高级的激活状态（即心脏 matrifibrocytes），通过 ECM 重塑来调节成熟瘢痕组织。利用工程化心脏模拟基质（CMM）平台整合地形学、弹性和配体等因素，发现其能对心脏超微结构进行 ECM 属性特异性调节。
ECM 固定化蛋白
基质固定化因子能调节肌成纤维细胞的表型，以及细胞在心肌梗死后向纤维化组织的浸润。TGF - β1 是最有效的基质结合蛋白，它通过经典的 Smad2/3 信号通路驱动肌成纤维细胞分化。为了防止因肌成纤维细胞活化导致的 ECM 过度沉积，成纤维细胞会采用多种调节机制。例如，Smad7 能抑制 Smad2/3 通路，限制胶原蛋白的沉积，抑制 MMP2 的活性，从而防止 ECM 降解；ECM 蛋白 ADAMTSL3 可通过与原纤维蛋白 - 1 和潜伏 TGF - β1 结合蛋白 - 1（LTBP1）相互作用，降低 TGF - β1 的生物利用度，有效抑制其促纤维化作用。然而，在衰老过程中，纤维化问题更加复杂，因为此时 ECM 硬度增加、成分改变、基质重塑能力下降、细胞信号传导受损，这种功能失调的基质环境会形成一个自我延续的纤维化循环。
TGF - β2 与扩张型心肌病有关，它通过与 BAG3 相互作用影响心脏成纤维细胞的蛋白稳态，防止过度的纤维化反应。在 BAG3 缺陷的成纤维细胞中，经典的 SMAD2 通路会上调，而 SMAD3 和 p38/MAPK 通路会受到抑制。有趣的是，这些成纤维细胞虽然缺乏典型的肌成纤维细胞活化标志物 α - SMA 的表达，但仍能够产生 ECM，这表明存在一部分特殊的活化心脏成纤维细胞，它们可以在不依赖 α - SMA 表达的情况下参与 ECM 的产生。
糖蛋白非转移性黑色素瘤蛋白 B（GPNMB）存在于纤维化的 ECM 中，由巨噬细胞分泌。固定化的 GPNMB 与游离的 GPNMB 采用不同的调节机制，它能限制成纤维细胞中 ECM 特异性基因的表达，维持心肌细胞中与收缩性相关的基因表达，通过 AKT 和 ERK 信号通路防止心肌细胞肥大。
更具特异性：调节 ECM 信号的性别和区域差异
性别差异
越来越多的证据表明，心脏 ECM 存在性别差异，而且这种差异会影响细胞与 ECM 的相互作用，进而导致健康和疾病状态下心脏功能的性别差异。心脏的性别差异具有情境特异性，取决于个体的激素状态、性染色体组成和年龄。在心脏发育的早期阶段，ECM 的性别差异就已显现，并会持续到老年。
男性的左心室质量更大，细胞外体积更高，这使他们更容易出现纤维化和胶原蛋白含量增加的情况。在绝经前女性的心脏中，雌激素信号的增加会抑制胶原蛋白和炎症因子的基因表达。然而，绝经后，女性会失去雌激素对心脏过度基质重塑的抑制作用，导致受伤后胶原蛋白积累增加。除了性激素，性染色体连锁基因也是 ECM 结构性别差异的重要因素。在缺血 / 再灌注损伤小鼠模型中，即使进行了性腺切除术，XX 小鼠相较于 XY 小鼠，对缺血 / 再灌注损伤的易感性更高，梗死面积更大，这表明心脏瘢痕形成是一个与性染色体相关的过程。因此，性激素和性染色体在健康和疾病状态下，对心脏组织结构有着独立和协同的影响。
在细胞层面，瓣膜间质细胞（VICs）是类似成纤维细胞的细胞，它们通过主动脉瓣 ECM 的纤维化和钙化来调节主动脉瓣狭窄（AVS）的进展。男性和女性的 VICs 在肌成纤维细胞标志物（ACTA2、TGFβ1）、ECM 成分（COL1A1、FN1、HAS3、CHSY - 1）、基质金属蛋白酶（MMPs）和 MMP 组织抑制剂的基因和蛋白表达上存在性别差异。当 VICs 在模拟主动脉瓣基质的水凝胶生物材料上培养时，X 和 Y 染色体编码的基因会调节女性特异性的肌成纤维细胞活化和男性特异性的成骨细胞样分化。例如，逃避 X 染色体失活的BMX和STS基因会增加 Rho/ROCK 信号活性，促进 α - SMA 的表达；而 Y 染色体连锁的UTY基因会增加与钙化相关的基因，如去甲基化酶DEF6和LLRN3，以及与基质重塑和纤维钙化相关的基因CCBE1、DGKH、MBNL3和ROBO1。VICs 对炎症因子的反应也存在性别差异，女性 VICs 的 MAPK 信号活性更高，会驱动女性特异性的肌成纤维细胞活化。此外，在模拟主动脉瓣基质的水凝胶生物材料上培养的男性和女性 VICs，对旨在抑制肌成纤维细胞表型的低剂量药物组合的反应也存在性别差异。
针对心脏成纤维细胞活化的性别特异性研究发现，老年雄性（24 - 30 个月）小鼠的 ECM 会促进一种类似损伤的基质重塑表型，这是由于其富含 IV、VI 和 XII 型胶原蛋白，这种 ECM 组成的差异会损害心脏成纤维细胞下游的 kindlin/ERK/ 肌动蛋白 /α - SMA 机械传感轴，削弱肌成纤维细胞成熟所需的机械感受。
区域差异
心脏组织由不同的区域组成，如心室壁、心房壁和隔膜，每个区域都有独特的功能、组织结构和 ECM 组成。近期研究发现，在压力过载和衰老条件下，右心室（RV）和左心室（LV）的 ECM 存在差异。在压力过载时，RV 中包括核心蛋白聚糖、基质重塑酶 TIMP1 以及 I、III 和 XIV 型胶原蛋白等糖蛋白会显著上调，而 LV 的变化相对较少。此外，RV 中与 ECM 相关的基因表达更加多样化，这可能反映了其对机械应力的局部适应性。
在衰老过程中，RV 和 LV 会表现出不同的肥厚形态，且与不同的细胞通路有关。RV 的转录组显示，代谢和 ECM 相关通路显著上调。值得注意的是，在女性 RV 的衰老过程中，ECM 驱动的信号传导比男性更广泛，这进一步凸显了心脏衰老中性别相关差异的复杂性。另外，研究发现左心室小细胞外囊泡（LVVs）对纤维化有年龄、性别和物种特异性的影响。来自女性和年轻男性（人类 <40 岁；对应小鼠年龄为 16 周）的 LVVs 具有抗纤维化作用，而老年男性（人类> 50 岁；对应小鼠年龄为 72 周）的 LVVs 会促进肌成纤维细胞活化，引发心脏纤维化。这些研究结果表明，在衰老和压力条件下，心脏组织 ECM 存在区域和性别特异性的适应性变化。
结论和未来展望
尽管目前在该领域已经取得了不少进展，但现有的体外模型仍无法完全模拟衰老过程中 ECM 的动态和多方面特性。本文总结了当前对心脏 ECM 与年龄相关变化的认识，强调了区域和性别差异及其对信号传导的影响，这些发现为寻找恢复 ECM 稳态、改善老年人心脏功能的治疗靶点提供了方向。
关于衰老相关的心脏功能障碍如何通过天然组织中 ECM 的改变进行特异性调节，仍有许多未知之处。这需要应用新的策略和开发新兴技术来深入研究。多参数空间组学等相关技术正被用于更深入地了解组织微环境和信号调节，其高时空分辨率有助于揭示组织中的相关机制。进一步发展相关组织图谱技术，将能够直接关联天然环境中的力学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学。
此外，生物工程组织和器官在研究心脏关键信号事件方面变得越来越重要。过去几十年，在体外使用工程生物材料培养心脏细胞的方法，在实验设计中往往没有考虑性别或组织区域等特定因素。未来，将心脏细胞按区域和性别分开研究，使用更准确模拟衰老心脏基质时空特征的生物材料，有助于揭示这些独特的生物学变量对心脏反应的影响。本文强调，需要跨学科的方法，整合生物材料、机械生物学和生物工程等多学科知识，来解决衰老心脏中 ECM 驱动的信号传导的复杂问题。
