ADAMTS1通过整合素α8机械感应加剧心肌梗死后瘢痕形成的机制研究

本研究揭示了ADAMTS1（一种去整合素样金属蛋白酶）通过调控细胞外基质（ECM）刚度，激活心脏成纤维细胞中整合素α8（ITGα8）的机械感应通路，从而驱动心肌梗死（MI）后病理性瘢痕形成的新机制。该发现为改善心脏重构提供了潜在治疗靶点。

　　

心肌梗死后瘢痕形成的机械生物学机制

心肌梗死（Myocardial Infarction, MI）是全球范围内致残和致死的主要原因之一，其中心脏重构过程尤其是过度瘢痕形成对患者预后具有决定性影响。尽管既往研究聚焦于细胞间信号传导和旁分泌因子，但细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）机械特性作为信号介导者的作用尚未被充分认识。本研究通过多组学分析、基因编辑小鼠模型和生物力学实验，揭示了ADAMTS1（A Disintegrin and Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs 1）通过机械转导通路调控整合素α8（Integrin α8, ITGα8）激活，从而驱动病理性瘢痕形成的新机制。

瘢痕组织中ECM成分与蛋白聚糖的显著变化

通过对小鼠瘢痕组织及人类缺血性心力衰竭患者心脏组织的转录组比较分析，发现梗死区域（Infarct Area, IA）的ECM结构组织和蛋白聚糖（Proteoglycans, PGs）积累发生显著改变。定量实时PCR（qRT-PCR）证实瘢痕部位存在大量胶原沉积（如col1a1和col3a1），同时PG相关基因（如ACAN和BGN）表达上调。Adamalysins家族（包括ADAMTS1、4和5）作为ECM重塑的关键酶，通过PG裂解发挥作用，其中ADAMTS1在心脏中高度保守且表达显著上调。

ADAMTS1在心肌梗死后的表达特征与细胞来源

时间进程分析显示，ADAMTS1在MI后14天表达达到峰值并持续至28天，且在梗死区域的表达水平显著高于远端区域。蛋白水平验证表明，MI后14天的小鼠及缺血性心力衰竭患者心脏组织中ADAMTS1蛋白表达显著升高。通过单细胞组学数据库和免疫荧光染色，发现ADAMTS1主要在内皮细胞（Endothelial Cells, ECs）中表达，并与内皮标志物CD31高度共定位。缺氧刺激（模拟MI后微环境）可显著上调人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和心脏成纤维细胞（Cardiac Fibroblasts, CFs）中ADAMTS1的转录水平，且ADAMTS1定位于细胞外和膜周区域，与其分泌性金属蛋白酶的功能一致。

内皮细胞特异性ADAMTS1过表达的功能验证

通过构建内皮特异性ADAMTS1过表达小鼠（ADAMTS1^Tie）及对照小鼠（VEC^Tie），证实了ADAMTS1在内皮细胞中的特异性上调。体外功能实验显示，ADAMTS1过表达导致内皮细胞成管能力显著降低（总管长和连接点减少），细胞迁移受损，但细胞活力未受影响。这些结果表明ADAMTS1通过浓度依赖性效应调控血管生成功能，而非直接细胞毒性作用。

ADAMTS1过表达加剧心脏功能障碍与瘢痕结构改变

在健康小鼠中过表达ADAMTS1未引起心脏功能变化，但在MI后2周，ADAMTS1^Tie小鼠表现出显著的心脏功能恶化，包括射血分数（Ejection Fraction, EF）和缩短分数（Fractional Shortening, FS）降低、心室扩张加剧以及心室壁运动减弱。Masson染色显示ADAMTS1^Tie小鼠瘢痕面积显著增大。进一步分析发现，ADAMTS1过表达导致胶原I/III水平升高、PGs（如装饰蛋白和Versican）积累以及心脏成纤维细胞激活标志物（α-SMA）增加。透射电镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）显示瘢痕纤维排列紊乱且直径分布更大，原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）检测发现瘢痕组织弹性模量降低，表明其机械特性发生改变。

ADAMTS1缺失改善心脏功能与瘢痕形成

通过构建内皮特异性ADAMTS1条件性敲除小鼠（ADAMTS1^CKO），发现MI后2周ADAMTS1缺失小鼠心脏功能显著改善（EF和FS提高、心室扩张减轻），瘢痕纤维更细且弹性模量更高。纤维化面积定量分析显示，ADAMTS1缺失显著降低了严重纤维化比例和总体瘢痕大小。长期存活率监测表明，ADAMTS1缺失未增加心脏破裂风险，说明其保护作用不损害心脏结构完整性。

ADAMTS1通过ITGα8机械感应调控瘢痕形成

多组学整合分析（转录组与蛋白质组）发现，ECM组织、ECM-PGs、整合素细胞表面相互作用等通路在ADAMTS1过表达与敲除模型中呈现相反变化趋势。ITGα8作为整合素家族成员，在MI后表达动态与ADAMTS1高度一致（峰值位于14天）。蛋白水平验证显示ITGα8表达与ADAMTS1水平正相关，且ADAMTS1缺失选择性降低ITGα8表达，而不影响其他整合素亚型（如ITGα2、ITGα4、ITGα11）或TGF-β家族。

ADAMTS1与ITGα8的相互作用机制

尽管分子对接模拟提示ADAMTS1与ITGα8可能存在极性结合，但实验验证排除了直接蛋白相互作用：重组ADAMTS1处理未能激活CFs中的ITGα8或增加α-SMA⁺细胞比例；免疫共沉淀（Co-Immunoprecipitation, Co-IP）未检测到直接结合。进一步研究排除了Versican-透明质酸（HA）网络或CD44受体信号的间接激活途径。相反，通过构建刚度可调的藻酸钠（Sodium Alginate, SA）水凝胶系统，发现较软基质（1% SA，模拟ADAMTS1过表达瘢痕力学环境）显著促进肌成纤维细胞分化和ITGα8激活，而较硬基质（3% SA，模拟ADAMTS1缺失环境）抑制该过程。这表明ADAMTS1通过改变ECM刚度而非直接分子相互作用激活ITGα8机械感应。

ITGα8缺失抑制心脏成纤维细胞活化与收缩力

通过构建成纤维细胞特异性ITGα8敲除小鼠（ITGα8^CKO），发现MI后ITGα8缺失显著减少增殖（BrdU⁺）和活化（α-SMA⁺）的CFs数量。硅纳米柱阵列技术定量测量细胞牵引力显示，ITGα8缺失CFs的收缩力显著降低，扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）显示其形态学改变和纳米柱偏转减少。

ITGα8缺失挽救ADAMTS1过表达所致心脏 dysfunction

在ADAMTS1过表达背景下敲除ITGα8，可显著改善心脏功能（EF、FS提高，心室直径和容积减小），降低梗死面积（TTC染色验证），并几乎完全避免心脏破裂。这些结果证实ITGα8是ADAMTS1介导心脏功能障碍和不良重构的关键下游介质。

讨论与临床意义

本研究揭示了ADAMTS1-ITGα8机械转导通路在MI后心脏重构中的核心作用：内皮源性ADAMTS1通过裂解PGs改变ECM机械特性，激活CFs中ITGα8的机械感应，从而驱动病理性瘢痕形成。该通路的底物依赖性（仅在病理环境中激活）和机制特异性（机械感应而非直接结合）为其作为治疗靶点提供了优势。临床数据显示ADAMTS1在人类心力衰竭组织中上调，且与Versican裂解和纤维化扩展相关，提示该通路在人类疾病中可能具有类似作用。靶向ADAMTS1-ITGα8轴可能为优化心肌梗死后心脏重构提供新策略。