胶原蛋白XV在心肌梗死后保护心脏功能并防止病理性重构

本研究揭示了胶原蛋白XV（ColXV）在心肌梗死（AMI）后心脏保护中的关键作用。通过人类样本和小鼠模型（Col15a1-/-），发现ColXV缺失会导致组织僵硬、纤维化基因上调、瘢痕超微结构异常，并显著降低射血分数（EF）和缩短分数（FS），表明ColXV通过维持心脏结构和功能完整性来改善AMI预后。

　　

胶原蛋白XV在心脏稳态中的关键作用

Abstract

研究团队首次系统阐明了XV型胶原（ColXV）在心肌梗死（AMI）后的保护机制。通过对人类梗死瘢痕样本的分析和小鼠左前降支（LAD）结扎模型的建立，发现ColXV表达在人类梗死瘢痕中显著上调。Col15a1^-/-小鼠表现出明显的组织僵硬、纤维化相关基因上调，以及瘢痕区胶原纤维成熟度降低等特征。

Introduction

完整有序的细胞外基质（ECM）对心脏稳态至关重要。心肌梗死后左心室（LV）会发生包括几何形态、生物力学和生化改变在内的重构过程。ColXV作为进化保守的非纤维胶原，在多种纤维化疾病中表达异常。先前研究发现Col15a1^-/-小鼠会出现骨骼肌病和类似人类扩张型心肌病（DCM）的心脏表型。

Results

ColXV在人类梗死心肌中的表达

人类尸检样本免疫组化显示，ColXV在正常心肌中主要分布于毛细血管、脂肪细胞和心肌细胞的基底膜区（低表达）。而在梗死样本中，ColXV在非梗死心肌区表达中等（30-60%），在瘢痕区表达显著（>60%），尤其在纤维化和成纤维细胞富集区域。

心脏细胞的ColXV表达谱

通过qPCR分析发现，Col15a1 mRNA主要在心脏内皮细胞和成纤维细胞中表达，心肌细胞中表达较低。Col15a1^-/-小鼠的各细胞组分均不表达Col15a1，且细胞分选纯度良好。

小鼠梗死模型的ColXV表达特征

LAD结扎建立的AMI模型显示，WT小鼠梗死区ColXV免疫荧光信号显著增强，主要定位于毛细血管基底膜区、心肌细胞和间质基质。qPCR证实AMI后WT小鼠Col15a1表达量较假手术组增加近2倍。

ColXV缺失对心肌细胞特性的影响

原代心肌细胞分析显示，Col15a1^-/-心肌细胞更细长（长宽比显著增加），且培养体系中贴壁细胞数量更多。添加重组ColXV可显著减少敲除细胞的贴壁数量。组织学分析发现Col15a1^-/-心肌细胞直径略小，异常波形肌纤维比例更高。

心脏弹性改变

微探针检测显示，假手术组Col15a1^-/-心脏弹性模量显著高于WT（27.0 vs 20.1 kPa）。AMI后，敲除组心脏僵硬程度增加更显著（35.1 kPa），而WT组仅适度增加（23.2 kPa）。

纤维化和增殖细胞的变化

Masson染色显示Col15a1^-/-小鼠梗死周边区纤维化程度显著增加（4.1% vs WT 2.9%）。免疫荧光证实ColXV与α-SMA阳性肌成纤维细胞共定位。Col15a1^-/-瘢痕区增殖性肌成纤维细胞数量显著增加（27.3% vs WT 17.6%），原代成纤维细胞培养也显示更强的增殖能力。

瘢痕区超微结构异常

偏振光显微镜显示Col15a1^-/-小鼠梗死边缘区成熟（红）与未成熟（绿）胶原纤维比值显著降低（1.13 vs WT 1.41）。透射电镜观察到敲除组瘢痕区胶原纤维直径更小（35.0 vs 45.5 nm），排列紊乱，纤维间距更窄（66.8 vs 83.9 nm）。

细胞骨架蛋白表达改变

免疫荧光显示Col15a1^-/-瘢痕区原纤维蛋白-1信号显著降低，结蛋白信号轻度增加。α-辅肌动蛋白在敲除组分布不均，肌节Z线间距显著增加（958 vs 886 nm），提示肌节结构不稳定。

心脏功能恶化

超声心动图显示，虽然术前两组心功能无差异，但AMI后1周和5周时，Col15a1^-/-小鼠射血分数（EF）和缩短分数（FS）均显著低于WT。敲除组左室舒张末期内径（LVID;d）和容积增加更显著，等容舒张时间（IVRT）延长，表明舒张功能受损。

基因表达谱变化

qPCR分析显示Col15a1^-/-远程心肌中Col1a1、Col3a1和Loxl3表达显著上调（2.9-3.8倍）。应激标志物心房钠尿肽（Nppa）表达增加5.5倍，肌球蛋白重链7（Myh7）和肌联蛋白（Ttn）也显著上调。

Discussion

本研究首次证实ColXV在AMI后心脏保护中的多效性作用。ColXV缺失导致ECM重构异常，表现为瘢痕结构脆弱、边缘区胶原成熟障碍、组织僵硬和纤维化增加。这些改变与心肌细胞形态异常、肌节结构紊乱和收缩功能下降共同导致心脏表型恶化。人类梗死瘢痕中ColXV的上调可能反映其心脏保护作用，提示ColXV是改善AMI预后的潜在靶点。

Materials and methods

研究使用芬兰FinGesture研究中50例人类AMI样本和10例对照。动物实验采用18-24月龄雄性Col15a1^-/-小鼠和WT对照，建立LAD永久结扎模型。通过超声心动图、组织学、电镜和分子生物学等方法系统分析心脏表型。