成纤维细胞特异性TGF-β信号缺失介导心肌梗死后脂样化生：机制与临床意义

本研究发现，成纤维细胞特异性TGF-β（转化生长因子β）信号缺失通过非Smad依赖性途径介导成纤维细胞向脂肪细胞转分化，导致心肌梗死（MI）后瘢痕组织出现显著脂肪浸润（脂样化生）。该研究首次揭示TGF-β信号在维持成纤维细胞身份中的关键作用，为缺血性心肌病患者的脂样化生、心力衰竭和心律失常发生机制提供了新的分子解释。

　　

Abstract

心肌梗死（Myocardial Infarction, MI）后存活患者的心肌瘢痕内脂肪组织浸润是一种常见的病理表现，既往研究提示其可能与心脏功能障碍和心律失常的发生有关。然而，关于梗死后脂样化生（Lipomatous Metaplasia）的细胞机制至今未明。本研究揭示了一种介导成纤维细胞向脂肪细胞转化（Fibroblast-to-Adipocyte Conversion）的新分子机制，为理解梗死心脏中的脂肪浸润提供了新的视角。

BACKGROUND

在成年哺乳动物心肌中，内源性再生能力极为有限。因此，心肌梗死后的心脏修复有赖于及时激活基质分泌性修复性成纤维细胞和肌成纤维细胞，它们沉积胶原基质网络，维持心室的结构完整性，防止心脏破裂或过度扩张。梗死区的成纤维细胞经历动态的表型转变，这一过程对修复反应至关重要。尽管这些表型转变凸显了梗死区成纤维细胞的可塑性，但有效的心脏修复要求在整个修复过程中保持成纤维细胞的身份和细胞特化。心脏成像和尸检活检表明，脂肪组织浸润是缺血性心脏病患者瘢痕形成过程中的常见现象。组织学研究显示，约70%的缺血性心肌病患者存在纤维化病变中的脂样化生。尽管脂肪浸润在梗死后具有较高的发生率及潜在的临床意义，但其在心肌中的形成机制仍不明确。

METHODS

本研究构建了成纤维细胞特异性TGF-β信号或Smad依赖性信号通路缺失的小鼠模型，并设置了相应的对照组。这些动物接受了再灌注和非再灌注心肌梗死手术。通过超声心动图、组织学研究和转录组分析，研究人员评估了这些干预对心脏修复与重塑的影响。谱系追踪实验被用于记录成纤维细胞向脂肪细胞的转化。在体外实验中，研究人员还探讨了遗传干扰或药理学阻断TGF-β信号对小鼠心脏成纤维细胞的影响。此外，通过分析来自心肌梗死患者的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，评估了成纤维细胞向脂肪细胞的转化情况。

RESULTS

成纤维细胞特异性TGF-β信号缺失（通过删除TbR2，即2型TGF-β受体实现）增加了梗死后早期心脏破裂的发生率，并促进了基质降解性成纤维细胞表型。更重要的是，成纤维细胞特异性TbR2缺失导致再灌注和非再灌注梗死模型中30%至40%的成熟瘢痕被脂肪细胞所替代。谱系追踪实验表明，成纤维细胞特异性TbR2缺失通过涉及非Smad信号级联的效应促进了成纤维细胞向脂肪细胞的转化。在体外实验中，TbR2抑制诱导原代心脏成纤维细胞中脂肪生成相关基因的表达。遗传性TbR2缺失可在脂肪生成培养基刺激下促进梗死成纤维细胞向脂肪细胞转化。对人类纤维化梗死心脏中的成纤维细胞亚群进行分析，发现其获得了脂肪细胞基因的表达特征。

CONCLUSIONS

TGF-β信号在心脏损伤后维持成纤维细胞特化中扮演核心角色。由TGF-β信号中断所诱导的成纤维细胞向脂肪细胞转化可能是瘢痕相关脂样化生的基础，并可能在缺血性心肌病患者的心力衰竭和心律失常发病机制中发挥重要作用。

Clinical Perspective

What Is new?

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  在小鼠模型中，成纤维细胞特异性TGF-β信号缺失促进了成熟梗死区内广泛的脂肪组织浸润，促使成纤维细胞转化为脂肪细胞，并诱导原代心脏成纤维细胞中脂肪生成相关基因的表达。

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  对心肌梗死患者的单细胞RNA测序分析显示，纤维化区域中的一部分成纤维细胞表达脂肪细胞相关基因。

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  成纤维细胞特异性TGF-β信号缺失对成纤维细胞-脂肪细胞转分化的影响涉及非Smad通路的破坏。

What Are the Clinical Implications?

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  本研究首次揭示了心肌梗死中瘢痕相关脂样化生的分子机制。

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  梗死区成纤维细胞中TGF-β信号中断可能通过诱导成纤维细胞向脂肪细胞转化参与梗死后脂样化生的发病机制。

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  心肌瘢痕被脂肪组织替代可能促进缺血性心肌病患者心力衰竭和心律失常的发病机制。

DISCUSSION

脂肪组织浸润常见于缺血性和非缺血性心肌病患者的纤维化重塑过程中。尽管其具有潜在的功能和电生理影响，脂样化生的驱动机制仍属未知。本研究首次提供了介导小鼠梗死心脏中脂肪浸润的细胞与分子机制的可靠证据。通过细胞特异性功能缺失模型和谱系追踪，研究表明成纤维细胞特异性TGF-β信号缺失可诱导修复中的梗死区成纤维细胞向脂肪细胞转化，导致约30%至40%的瘢痕被脂肪组织替代。在分离的心脏成纤维细胞中，TGF-β信号抑制刺激了脂肪生成相关基因的表达。因此，维持梗死心肌中成纤维细胞身份需要TGF-β信号的激活。

TGF-β超家族成员通过结合TbR1/TbR2受体复合物传递信号，进而激活下游的Smad依赖性或非Smad依赖性级联反应。在修复中的梗死区，TGF-β信号发挥细胞特异性的保护性和适应性作用。TGF-β通过Smad介导和非Smad途径对成纤维细胞表型和功能产生深刻的激活效应。本研究结果表明，TGF-β信号可稳定保留瘢痕的梗死区成纤维细胞，防止其转化为脂肪细胞。成纤维细胞特异性Smad信号缺失并不能重现完全TGF-β信号中断的效应，提示梗死修复中的成纤维细胞向脂肪细胞转化可能需要减弱TGF-β驱动的非Smad信号通路。

成纤维细胞表现出显著的异质性。小鼠心脏中已鉴定出两个通过Ly6a/Sca-1（干细胞抗原1）表达区分的亚群。 Sca-1⁺成纤维细胞显示出高可塑性，能够根据微环境信号采取炎症、免疫调节、血管生成或纤维生成表型。它们可能还具有成脂潜力，并被认为是致心律失常性右心室心肌病中纤维脂肪浸润的候选效应细胞。此外，在遗传性致心律失常性右心室心肌病模型中，一群PDGFRα⁺/DDR2^? 成纤维样细胞表达脂肪生成转录因子C/EBP，可能与纤维脂肪浸润有关。TbR2缺失所致成纤维细胞向脂肪细胞转化是否反映了这些亚群的转分化，目前尚不明确。

尽管脂样化生见于陈旧性心肌瘢痕患者，但浸润脂肪细胞的来源仍不明确。对已发表单细胞RNA测序数据的分析表明，纤维化梗死区域的成纤维细胞亚群表达脂肪细胞基因。一种可能性是，部分患者的脂样化生可能反映了由于TGF-β/TbR系统功能丧失突变而导致的TGF-β信号受损。TGFB1、TGFBR1和TGFBR2突变在主动脉疾病（如Loeys-Dietz综合征和马凡相关疾病）中的作用已得到充分证实。尽管TGFB1多态性已被认为与心肌梗死风险相关，但其在梗死后重塑、纤维化和脂样化生中的作用仍有待探索。

尽管在梗死FTbR2缺失小鼠中，脂样化生与功能恶化无关，但这并不能排除后期的不良影响。该研究的随访时间限于心肌梗死后28天，且FTbR2缺失小鼠较高的破裂相关死亡率可能引入偏差，选择性剔除了最脆弱的动物。大量证据表明，梗死区的脂肪细胞浸润可能具有临床意义。在绵羊心肌梗死模型中，心肌内脂肪含量改变了与心律失常相关的电生理特性。心脏磁共振成像所定义的减速区传导通道常与脂肪组织沉积重叠，提示脂样化生参与梗死后心律失常的发生。在心肌梗死患者中，脂样化生可预测不良结局。一项临床与计算结合的研究提出，脂肪浸润可能通过促进折返参与梗死后心律失常的发生机制。

目前尚不清楚缺血性心肌病患者的脂样化生是否可逆。由于成熟脂肪细胞的可塑性有限，逆转脂样化生可能具有挑战性。然而，在因TGF-β级联活性低下而导致修复缺陷的易感患者中，早期靶向成纤维细胞向脂肪细胞转化可能通过防止脂肪浸润同时保持瘢痕结构而发挥保护作用。识别这类患者可能需要结合临床标准、影像学和生物标志物。

Conclusions

我们识别出驱动心肌梗死中脂肪浸润的一种新机制。在这个动态环境中，成纤维细胞依赖持续的TGF-β刺激以维持其身份。该级联的中断促进成纤维细胞向脂肪细胞转化，导致脂样化生。瘢痕中广泛的脂肪沉积可能促进心肌梗死后的功能障碍和心律失常发生。