河北医科大学王川团队：敲除FGF13通过减弱微管稳定性缓解心脏纤维化

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心脏纤维化是多种心血管疾病晚期的共同病理性改变，进行性的心脏纤维化又是促进多种心脏疾病如心律失常和心力衰竭进展的病理性基础。成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor, FGF）是具有多种功能的分泌蛋白，在发育、代谢和心脏重塑中发挥重要作用。FGF13作为一种特殊类型的成纤维细胞生长因子对心脏纤维化的影响仍未被探索。最近，河北医科大学王川团队通过主动脉缩窄手术及体外心脏成纤维细胞培养造成心脏纤维化体内外模型，发现FGF13可通过调节微管蛋白稳定性来调节心脏成纤维细胞增殖、迁移及活化，进而保护压力过载引起的心脏纤维化。这一研究为心脏纤维化治疗提供了新的靶点。2024年5月31日，该团队在Acta Biochimica et Biophysica Sinica期刊在线发表题为“Inducible FGF13 ablation alleviates cardiac fibrosis via regulation of microtubule stability”的研究论文。

研究人员首先通过腹腔注射他莫昔芬诱导产生心脏条件性FGF13敲除小鼠，并通过western blot检测FGF13敲除效率。然后对各组小鼠进行主动脉弓缩窄(TAC)手术，形成心脏纤维化在体模型，通过心脏超声技术检测小鼠心功能改变。结果显示：在基础状态下，敲除FGF13组小鼠心脏射血分数、短轴缩短率、收缩末期和舒张末期直径与对照组小鼠无明显差异；但TAC手术后，敲除FGF13小鼠与WT小鼠相比表现出了明显的心脏保护作用，主要表现在射血分数和轴缩短率升高，心脏收缩和舒张末期的直径发生扩张减少（图1）。

图1. 心脏特异性敲除FGF13可改善压力过载引起的心功能紊乱

为了进一步揭示心脏特异性敲除FGF13对心脏纤维化的影响。研究者检测了心脏质量、胶原蛋白和成纤维细胞活化相关蛋白α-SMA的变化。结果发现：在基础状态下，心脏特异性敲除FGF13的小鼠生存率、心脏重量与胫骨长度之比、心脏重量与体重之比、心脏重量与肺重之比、马松染色胶原蛋白面积和α-SMA蛋白含量无明显变化；而在TAC手术后，敲除FGF13的小鼠与野生小鼠相比心体比、心肺比、心脏胫骨、胶原蛋白面积和α-SMA蛋白含量增加减少，生存率增加（图2）。

图2. 心脏特异性敲除FGF13可改善压力过载引起的心脏纤维化

为了确定FGF13是否通过调节心脏成纤维细胞来保护心脏纤维化，研究人员分离并纯化了新生大鼠心脏成纤维细胞，并利用TGFβ1孵育细胞造成体外心脏纤维化模型，同时利用FGF13敲低病毒检测FGF13对心脏成纤维细胞功能影响。通过western blot、CCK8、transwell、免疫荧光等技术发现：TGFβ1可使心脏成纤维细胞胶原蛋白和α-SMA产生增加，并刺激细胞增殖和迁移；但在给与FGF13敲低病毒后，胶原蛋白和α-SMA蛋白减少，增殖和迁移减弱。综上所述，FGF13敲低可减轻TGFβ1诱导的新生大鼠心脏成纤维细胞的活化和功能（图3）。

图3. FGF13敲低可减轻TGFβ1诱导的新生大鼠心脏成纤维细胞的活化和功能

有研究表明在神经细胞中FGF13是微管稳定蛋白，但在心脏成纤维细胞中FGF13与微管的关系未见报道。因此研究人员接下来利用免疫共沉淀技术对两种蛋白的相互作用进行检测，发现两种蛋白可以相互结合。随后为了检测FGF13与微管稳定性的关系，研究人员检测了心脏组织和心脏成纤维细胞中乙酰化和去酪氨酸化微管蛋白的含量，发现在TAC手术后的心脏组织和TGFβ1处理的心脏成纤维细胞中二者的含量的表达升高，但在同时给予FGF13特异性敲除的心脏和给予FGF13敲低病毒的心脏成纤维细胞中，两种蛋白的表达量分别较各模型组减低。这些结果表明FGF13促进了心脏纤维化过程中微管的稳定（图4）。

图4. FGF13可增加微管稳定性

为了探索微管与心脏纤维化之间的关系，研究人员利用微管解聚剂秋水仙碱与心脏成纤维细胞孵育，结果发现：在TGFβ1刺激后，秋水仙碱抑制了心脏成纤维细胞的增殖和迁移，不仅如此，α-SMA蛋白表达显著降低，I型和III型胶原蛋白产生减少。综上所述，在体外纤维化模型下，微管解聚削弱了心脏成纤维细胞的活化和功能（图5）。

图5. 微管对心脏成纤维细胞活化及功能的影响

为了验证FGF13通过微管调节心脏成纤维细胞的活化和功能这一假设，研究人员进行了挽救实验。首先，研究人员用flag标记的野生型FGF13和突变型FGF13（突变了FGF13与微管结合的结构域）腺病毒感染心脏成纤维细胞。CCK8和transwell实验显示，与TGFβ1组相比，FGF13敲低对成纤维细胞增殖和迁移具有减弱作用，野生型FGF13过表达挽救了FGF13敲低对成纤维细胞增殖和迁移的抑制作用，而使用FGF13突变体感染FGF13敲低的心脏成纤维细胞时，没有差异变化。不仅如此，免疫荧光和western blot结果显示在TGFβ1的刺激下，FGF13敲低可减少胶原蛋白和α-SMA的产生，而野生型FGF13过表达使两种蛋白量升高，但突变了微管结合位点的FGF13过表达后却未见明显变化。这些数据表明FGF13可以通过调节微管影响的心脏成纤维细胞的活化和增殖迁移的功能（图6）。

图6. FGF13通过微管调节心脏成纤维细胞的活化和功能

RhoA/ROCK通路是心肌纤维化的机械敏感信号通路，受微管调控。因此，接下来的研究集中在ROCK通路是否参与FGF13在心脏纤维化中的调节。Western blot分析显示，TGFβ1刺激使心脏成纤维细胞ROCK1蛋白上调，而微管解聚后ROCK1表达量减少，提示微管稳定状态可能决定了ROCK1的产生。为了探索ROCK1、FGF13和微管之间的关系，研究人员再次进行了挽救实验，结果显示，野生型FGF13过表达挽救了ROCK1表达的减少，而感染了突变体FGF13腺病毒时，心脏成纤维细胞中ROCK1未见差异性变化。综上所述，在心脏纤维化过程中，FGF13敲低可通过解聚微管抑制ROCK1蛋白表达上调（图7）。

图7. ROCK通路可能参与了FGF13对心脏纤维化的调节过程

这项研究表明，FGF13可通过调节微管稳定性来调节心脏成纤维细胞的活化和功能和ROCK1蛋白产生，进而调节心脏纤维化。这为心脏纤维化产生机制提供了新的见解，也为临床治疗心脏纤维化提供了潜在的治疗策略。

Inducible Fgf13 ablation alleviates cardiac fibrosis via regulation of microtubule stability

Cong Wang^1,†, Xiangchong Wang^2,†, Yiyi Zhang¹, Yuan Mi³, Yanxue Han¹, Yaxin Zhi⁴, Ran Zhao¹, Nanqi Cui⁵, Qianli Ma⁶, Huaxing Zhang⁷, Dazhong Xue¹, Ruoyang Qiao⁸, Jiabing Han¹, Yulou Yu¹, Jiaxuan Li⁹, Mohammed Shaiea¹, Demin Liu⁴, Guoqiang Gu⁴, Chuan Wang^1,*

¹Department of Pharmacology, the Key Laboratory of Neural and Vascular Biology, Ministry of Education, the Key Laboratory of New Drug Pharmacology and Toxicology, the Hebei Collaboration Innovation Center for Mechanism, Diagnosis and Treatment of Neurological and Psychiatric Disease, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China, ²Department of Pharmacology, Hebei International Cooperation Center for Ion Channel Function and Innovative Traditional Chinese Medicine, Hebei Higher Education Institute Applied Technology Research Center on TCM Formula Preparation, Hebei University of Chinese Medicine, Shijiazhuang 050091, China, ³Department of Emergency, the Fourth Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050011, China, ⁴Department of Cardiology, the Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, China, ⁵Department of Vascular Surgery, the Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, China, ⁶Department of Cardiac Surgery, the Second Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050000, China, ⁷Core Facilities and Centers, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China, ⁸College of Basic Medicine, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China, and ⁹School, Hebei Medical University, Shijiazhuang 050017, China

^†These authors contributed equally to this work.

通讯作者

王川，河北医科大学药理教研室教授，博士生导师，河北医科大学医学与健康研究院、神经与血管生物学教育部重点实验室PI，现任河北医科大学临床学院院长。河北省“三三三人才工程”第一层次人选，国务院特殊津贴专家，河北省政府特殊津贴专家。担任中国药理学会理事，河北省药理学会副理事长，河北省神经科学学会常务理事，河北省数理医学学会常务理事。2005年于河北医科大学获得药理学博士学位，曾赴美国杜克大学做博士后研究工作。主要从事心律失常、心衰等心脏疾病和DRG神经元参与外周神经痛的发病机制、临床转化及其药物治疗的相关研究。作为负责人主持国家自然科学基金、国家教育部留学回国人员科研启动基金、河北省自然科学基金、河北省自然科学基金“精准医学”联合基金重点项目、河北省高等学校科学技术研究项目以及河北省高层次人才资助项目等多项国家级及省级课题。Circulation Research、Nature Communications、Journal of Advanced Research、PNAS等国际专业期刊发表研究论文多篇。获得省部级科技奖励3项。