Endothelial oestrogen-myocardial cyclic guanosine monophosphate axis critically determines angiogenesis and cardiac performance during pressure overload

Keywords: Angiogenesis; Cyclic GMP; Heart failure; Mice; Non-nuclear signalling; Oestrogen; Transgenic.

心力衰竭是一种严重的疾病，发病率和死亡率很高。老年人群心力衰竭的患病率增加，尤其是绝经后女性发生射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）的患病率明显更高，提示绝经后雌激素缺乏可能参与其发病机制。另一方面，心力衰竭治疗效果的性别差异已被强调，其中可能涉及多种因素。基于性别的亚组分析测试了血管紧张素受体-脑啡肽酶抑制剂（ARNi，心衰治疗药物）对 HFpEF 患者的疗效，发现女性的治疗效果优于男性。考虑到 ARNi 作为环磷酸鸟苷（cGMP）蛋白激酶G（PKG）激活的作用机制，cGMP-PKG 通路可能特别参与绝经后女性心力衰竭的病理生理学。

雌激素在维持女性心血管稳态中起关键作用，其中多种作用由雌激素受体介导，包括雌激素受体（ER）α、ERβ、G 蛋白偶联ER（GPR30）和其他雌激素亚型。据报道，这三种受体均介导雌激素对心血管的有益作用，其中 ERα 被特别清楚地描述为通过其非核作用与内皮一氧化氮合酶（eNOS）偶联，从而与 cGMP 信号通路结合，在血管保护中起着重要作用，而其核途径可防止骨质流失、2 型糖尿病代谢紊乱和动脉粥样硬化。

基于此，日本东京大学医学研究生院心血管医学系的一项研究利用组织特异性 ERα 非核失活模型确定了内皮 ERα 非核信号在女性心力衰竭中的作用。研究发现内皮 ERα 非核信号决定压力超负荷期间的血管生成反应和心脏功能，并且内皮雌激素-心肌 cGMP 轴参与了这种调控。研究成果发表于 Cardiovascular Research 期刊题为“Endothelial oestrogen-myocardial cyclic guanosine monophosphate axis critically determines angiogenesis and cardiac performance during pressure overload”。

首先，通过比较雌激素在心肌细胞 ERα 缺失小鼠（ERαf/f/αMHCCre+）和内皮细胞 ERα 缺失小鼠（ERαf/f/Tie2Cre+）中的心脏益处来确定 ERα 的组织特异性作用，发现雌二醇（E2）在 ERαf/f/Tie2Cre+ 中并不明显，但显著改善了 ERαf/f/αMHCCre+ 的心脏功能。这表明，内皮细胞 ERα，而不是心肌细胞 ERα，是雌激素对心脏功能有益影响的关键。

然后，利用一种新型小鼠模型，在ECs 中选择性失活 ERα 非核信号（ERαKI/KI/Tie2Cre+）来确定内皮 ERα 介导的心脏保护作用。与补充 E2 的野生小鼠相比，突变小鼠（ERαKI/KI/Tie2Cre+）在横向主动脉收缩（TAC）后表现出明显更差的心脏功能（图1 A、B），且雌激素对突变动物心脏功能的有益影响减弱。相反，补充 E2 的野生型和突变动物的心脏肥大同样减弱（图1 C）。

使用 PV 环分析进行的详细心脏功能评估显示，突变型 TAC 心脏的 dP/dt max/IP、收缩末期压力-容量关系 [ESPVR（mmHg/μL）、前负荷降低期间的左上限关系] 和 EF 值均显著低于野生型 TAC 心脏（图1 D、E）。突变型 TAC 心脏的舒张末期压力-容量关系 [EDPVR （mmHg/μL），前负荷降低期间的右下限关系] 高于野生型 TAC 心脏。这表明，在没有内皮 ERα 非核信号的情况下，TAC 后收缩和舒张功能严重受损。此外，实验确定了 ERβ 信号对 E2 抗肥大作用的贡献。用 PHTPP 抑制 ERβ 信号显著减弱了 E2 介导的 ERαKI/KI/Tie2Cre+ TAC 心脏的抗肥大反应，对心脏功能的影响最小，表明 ERβ 在抗肥大机制中的作用。

这些结果表明，内皮 ERα 非核信号有助于 E2 对心脏功能的有益影响。

图1 内皮特异性消融ERα非核信号（OVX + E2）的动物心脏表型暴露于左室压力超负荷3周。

在补充 E2 的条件下，ERαKI/KI/Tie2 Cre+ TAC 心脏中 Nppb、Tgfb、Il1b 和 Il6 的 mRNA 表达水平均显著高于野生型 TAC 心脏，而ERαKI/KI/Tie2Cre + TAC 心脏中 Atp2a2a2 和 Ppargc1a 的 mRNA 表达水平显著降低于野生型 TAC 心脏，表明在没有内皮 ERα 非核信号的情况下，ERαKI/KI/Tie2 Cre+ TAC 心脏中发生了严重的病理重构，导致压力超负荷。此外，与野生型 TAC 心脏相比，突变型 TAC 心脏的心肌 PKG 活性显著降低，表明内皮 ERα 非核信号在压力超负荷后女性心脏 PKG 激活中的关键作用。

CD31 染色评估显示，在没有雌激素的情况下，TAC显著降低了野生型小鼠的毛细血管密度，但在有雌激素的情况下，毛细血管密度保持不变。相比之下，在突变型心脏中未观察到TAC后雌激素的血管生成反应。在雌激素存在的情况下，Vegfa（一种主要由 CM 分泌的有效血管生成因子）的 mRNA 上调在野生型心脏中被 TAC 显著增加，但在突变型心脏中几乎丢失。这表明，内皮 ERα 非核信号与女性心脏压力超负荷期间的血管生成反应密切相关，有助于维持微循环。

接下来，实验测试了内皮 ERα 非核信号下游的 cGMP-PKG 通路是否直接调节用 sGC-cGMP 刺激后雌激素缺失的 TAC 心脏的血管生成。sGC 刺激激活了心肌 cGMP-PKG 并改善了心脏功能（图2 A-D、F），即使在 ErαKI/KI/Tie2Cre- 和 ERαKI/KI/Tie2Cre+ 小鼠中都没有雌激素的情况下，同时Nppb 基因表达减弱（图2 E、G）。重要的是，无论内皮 ERαKI/KI 基因突变如何，用 sGC 刺激治疗的心脏都显示毛细血管密度增加，与 Vegfa 的 mRNA 上调有关，表明通过直接激活心肌 cGMP-PKG 进行血管生成控制。考虑到这些细胞是VEGF分泌的重要来源，随后测试了CMs是否参与了这种调节。在从 ERαKI/KI/Tie2Cre- 小鼠心脏分离的培养基 CMs 中，sGC 刺激上调了 Vegfa 表达，也增加了培养基 VEGFa 浓度，表明 CMs 参与了通过 sGC-cGMP 信号诱导的 Vegfa 表达（图3 A、B）。

图2 sGC刺激对压力过载的ERαKI/KI/Tie2Cre- 和ERαKI/KI/Tie2Cre+ OVX心脏的影响。

最后，为了进一步阐明 ECs 和 CMs 之间的交互机制，将从 ERαKI/KI/Tie2 Cre+ 小鼠或野生型小鼠中分离的 ECs 与来自雌性野生型小鼠的成年 CMs 共培养，并检测 E2 的影响。当 CMs 和野生型 ECs 共培养时，E2 显著增加了 CMs 中的 Vegfa 表达以及培养基中的 VEGFa 量，而当 CMs 单独培养时，雌激素对 CMs 中的 Vegfa 表达或培养基中的 VEGFa 量没有显著影响（图3 C、D）。重要的是，这种 VEGF 的产生被 NOS 抑制消除（图3 C、D），并且当 CMs 与 ERαKI/KI/Tie2Cre+ 小鼠的 ECs 共培养时显著减少（图3 E、F）。进一步利用 HUVECs 对 ECs 进行了迁移测定，以确定 CM 释放的 VEGF 对该共培养系统中 ECs 的功能影响（图3 G、H）。当 ECs 与 CMs 共培养时，E2 诱导的 EC 迁移增强，表明通过与 CMs 的相互作用激活了内皮 VEGF 信号传导。这些结果支持了 ECs 和 CMs 之间通过 ERα 非核信号传导的机制联系。

图3 雌激素-cGMP 信号通路在 ECs 和 CMs 之间相互作用。

图4 内皮雌激素-心肌cGMP轴刺激血管生成反应并改善压力超负荷时的心脏功能。

总之，该研究表明，内皮 ERα 非核信号在通过 ERα 非核信号 cGMP-PKG 轴介导的雌激素心脏功能益处中起关键作用，其中反应性血管生成是通过内皮 ERα 非核信号和心肌细胞 cGMP 信号之间的双向相互作用诱导的。这项研究还阐明了 sGC 刺激的心脏保护机制之一：sGC 刺激激活的心肌细胞 cGMP 可以补偿该轴，以及其他 cGMP-PKG 衍生的心脏益处，无论雌激素状态或 EC 状态如何。因此，这些发现构成了使用 sGC 刺激器治疗心力衰竭的另一个机制基础。从雌激素的角度来看，靶向内皮 ERα 非核信号可能是一种很有前途的心力衰竭治疗方法，而不会因核信号而引起雌激素的不良副作用。研究结果还为我们理解 cGMP 相关心力衰竭治疗中的性别差异提供了机制见解。

参考文献：Fukuma N, Tokiwa H, Numata G, Ueda K, Liu PY, Tajima M, Otsu Y, Kariya T, Hiroi Y, Liao JK, Komuro I, Takimoto E. Endothelial oestrogen-myocardial cyclic guanosine monophosphate axis critically determines angiogenesis and cardiac performance during pressure overload. Cardiovasc Res. 2024 Dec 4;120(15):1884-1897. doi: 10.1093/cvr/cvae202. PMID: 39259833; PMCID: PMC11630045.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39259833/

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Print ISSN 0008-6363

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