β腎上腺素受體在心血管系統的
基礎與臨床研究進展
Progress in basic and clinical research of β-adrenergic receptors in cardiovascular system
關開行 王文景 姜允奇 李子健
作者單位：100191 北京大學第三醫院心內科，血管醫學研究所，心血管受體研究北京市重點實驗室，國家衛生健康委心血管分子生物學與調節肽重點實驗室，分子心血管學教育部重點實驗室
通信作者：李子健，電子信箱：[email protected]
β腎上腺素受體(β-adrenergic receptor，β-AR)是G蛋白偶聯受體超家族(G protein-coupled receptors，GPCRs)的典型成員，主要在調節心血管系統活動中發揮作用，是心臟表達最豐富的受體。β-AR信號系統的異常是眾多心血管疾病發生髮展的基礎。因此，在心血管系統中，對β-AR及β受體阻滯劑的研究一直是重中之重，其指導著人們不斷優化心血管疾病的治療效果。
1 β-AR的研究歷史
對β-AR的認識應追溯到受體學說提出之後，於1906年Dale首次引出了腎上腺素受體的概念；1948年Ahlquist基於擬交感藥物在血管的不同反應又提出腎上腺素受體可分為α和β兩種亞型；而後1962年，James[1]研究出了第一個β受體阻滯劑—普萘洛爾，被譽為20世紀藥理學和藥物治療學上里程碑式的重大發現，並於1988年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。1967年Lands等根據受體藥理學特性的不同，又進一步把β-AR分為β1-AR和β2-AR兩種亞型；而基於此更深一層的認識和普萘洛爾發生的不良反應，人們又研發了以美託洛爾為代表的第二代選擇性β1-AR阻滯劑，療效和安全性都有很大提高。此後，隨著GPCR及信號轉導通路的發現，β-AR作為GPCR的模式受體被不斷深入研究，人們發現β-AR不僅偶聯經典的G蛋白傳導信號，還能偶聯β-arrestin傳遞信號[2]。β-arrestin的發現又推動β-AR的研究從針對受體層面進入到了針對β-AR下游信號轉導分子及通路功能的時代，β-AR亞型信號通路、偏向激活、轉位激活等更深層次的生理和病理性機制被不斷髮掘，新一代高效低毒的信號通路選擇性藥物也即將誕生。
2 β-AR的信號轉導通路
在G蛋白依賴性信號通路中，β-AR通過偶聯G蛋白傳遞多種信號。經典的信號通路遵循β-AR-G蛋白-環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)-蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)-效應分子途徑，如β1-AR激活後引起與之偶聯的與Gs蛋白(激動亞型)解離出具有活性的Gα亞基，而後Gα的效應蛋白腺苷酸環化酶(adnylate cyclase, AC)催化三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)生成cAMP。PKA與cAMP結合後被激活，然後可引起酶活性、離子通道活動狀態和轉錄因子的活性發生變化，從而調節細胞生長及代謝、細胞骨架結構和基因表達等。但在心力衰竭等多種病理情況下，β1-AR的持續激活引起細胞內Ca2＋濃度不斷升高，導致信號通路由β1- AR-Gs-AC-cAMP-PKA通路轉換為β1-AR-Gs-細胞內Ca2＋-鈣及鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(calcium/calmodulin-dependent protein kinase, CaMK)Ⅱ(β1-AR -Gs-Ca2＋-CaMKⅡ)通路[3]，從而促進心肌肥大、心肌細胞凋亡等心肌重塑過程，進一步加重心力衰竭。與β1 -AR不同的是，β2-AR不僅可以激活Gs/PKA通路，還可以激活Gi蛋白(抑制亞型)，產生的Giα則抑制AC的活性；Gi蛋白可以繼續激活磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)細胞存活通路產生保護心臟的效果[4]。在心力衰竭早期，β2-AR的持續激活引起PKA介導β2-AR磷酸化，促使β2-AR的蛋白偶聯由β2-AR-Gs向β2-AR-Gi轉換，且Gi蛋白表達上調[5]，此時β2-AR通過偶聯Gi蛋白並激活下游PI3K-Akt信號通路，保護心臟的作用也因此增強。但在另一方面，上調的Gi蛋白及信號會同時削弱β2-AR本身的Gs/PKA通路和β-AR的Gs/PKA通路，最終抑制了收縮反應，在心力衰竭晚期可進一步加重舒縮功能障礙(1 圖1)。
β-AR：β腎上腺素受體；MMP：基質金屬蛋白酶；HB-EGF：肝素結合表皮生長因子；ERK：細胞外調節蛋白激酶；EGFR：表皮生長因子受體；CaMK：鈣調節蛋白依賴性蛋白激酶；CAMP：環磷酸腺苷；PKA：蛋白激酶；PI3K：磷脂酰肌醇3激酶；Akt：蛋白激酶B
圖1 β腎上腺素受體的信號轉導通路
另外，β-AR還可以經G蛋白非依賴性通路傳遞信號，β-arrestin則在其中發揮重要作用。β-arrestin作為銜接蛋白，識別並結合磷酸化的β-AR後，可以將c-Src募集到β-AR並將其激活，進而激活c-Jun氨基末端激酶3、細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)、磷酸二酯酶4和甘油二酯激酶等重要下游信號轉導分子，傳遞多種生理及病理信號(圖1)。
3 β-AR在心血管系統的臨床研究進展
β-AR研究在心血管系統的應用主要是β受體阻滯劑的應用。β受體阻滯劑主要作用機制是通過競爭性抑制β-AR，產生負性變時、變力、變傳導效應，減少心肌耗氧量，防止交感神經過度激活對心臟的損害，改善心室和血管的重構及功能。從2007年的《慢性心力衰竭診斷治療指南》強調β受體阻滯劑的預後益處開始，又經過了大規模臨床試驗、薈萃分析和廣大臨床醫師的實踐證明後，現在β受體阻滯劑已成為治療心血管疾病的基石藥物，被廣泛應用於冠心病、高血壓、心力衰竭、心律失常、心肌病等心血管疾病的預防和治療。然而，在臨床應用中，β受體阻滯劑仍存在許多問題，包括其異質性和不良反應。
3.1β受體阻滯劑臨床應用的異質性
3.1.1不同β受體阻滯劑之間療效的差異性
從第一代β受體阻滯劑代表藥物普萘洛爾問世開始，至今已發展至第三代。雖然它們總體上在心血管治療中發揮良好的作用，但各自之間的藥代動力學、藥效學特性以及臨床效益各有不同(表1)。例如目前已有多項大型隨機對照試證明了美託洛爾、比索洛爾及卡維地洛對高血壓、冠心病及心力衰竭患者的預後效益，可有效降低病死率和心血管相關住院率[6,7]；也有越來越多的證據推薦奈必洛爾的使用[8]。但另外的薈萃分析則發現水溶性的阿替洛爾心血管保護作用較差[9]。這種β受體阻滯劑各種藥物之間療效的差異性是由藥物本身的藥理學特性決定的。
表1 β受體阻滯劑的主要分類及代表藥物
3.1.1.1 受體類型選擇性 三代β受體阻滯劑的作用靶點各有不同，發揮的作用也各有不同：(1)以普萘洛爾為代表的第一代β受體阻滯劑為非選擇性阻滯劑，即對β1-AR和β2-AR都有很高的親和力，應用時可阻斷β2-AR造成後負荷增加和支氣管痙攣，故已較少使用；(2)第二代β受體阻滯劑是以美託洛爾為代表的選擇性β
1-AR阻滯劑，作用靶點精準性提高，故可避免對外周血管和支氣管的副作用。在第二代β受體阻滯劑中，比索洛爾對β1-AR的選擇性最高，美託洛爾、比索洛爾對β1-AR的選擇性分別是β2-AR的80倍和120倍，但大劑量使用時仍會失去對β-AR的選擇性；(3)第三代β受體阻滯劑以卡維地洛為代表，卡維地洛對β-AR也無選擇性，但增加了對α1-AR的親和性，故卡維地洛是α1、β1、β2三種腎上腺素受體的阻滯劑。第三代藥物阻斷α1-AR可產生擴血管效應，所以更加適用於高血壓和充血性心力衰竭。3.1.1.2 溶解性 β受體阻滯劑的溶解性可分為脂溶性、水溶性和水脂雙溶性。(1)脂溶性：大多數β受體阻滯劑都為脂溶性，如美託洛爾、卡維地洛等，這些脂溶性藥物易通過血腦屏障，抑制交感神經衝動傳出，可大大減少心力衰竭患者的猝死率
[9]；(2)水溶性：小部分β受體阻滯劑如阿替洛爾為水溶性，不易進入血腦屏障。上述阿替洛爾心血管保護作用較差，可能與其不易進入血腦屏障，不能有效抑制交感活性、降低中心動脈壓有關；(3)水脂雙溶性：水脂雙溶性的β受體阻滯劑如比索洛爾，兼具了脂溶性和水溶性的優點，血藥濃度穩定，既可以保持中樞神經系統的藥理作用，也可以減少中樞神經系統的不良反應。3.1.2同一β受體阻滯劑對不同患者療效的差異性
同一β受體阻滯劑在不同患者身上也有不同的表現。而β受體阻滯劑的這種異質性是由個體基因多態性引起的，因為基因多樣性表達影響了藥物受體靶點、藥物代謝酶活性和藥物轉運系統。以代表性的選擇性β1受體阻滯劑美託洛爾為例，相關研究表明，單用美託洛爾進行降壓治療，僅51%左右的患者血壓有顯著下降[10]。進一步的藥物基因組學和臨床藥理學研究證明，ADRB1(編碼β1-AR)和細胞色素2D6(CYP2D6)的基因多態性是導致美託洛爾療效個體差異最主要的兩個因素。
3.1.2.1 ADRB1 Arg389Gly基因多態性 目前研究表明ADRB1 Arg389Gly基因是原發性高血壓的遺傳易感基因，其表達於β1-AR細胞內胞漿尾端近第七跨膜區，此區域是G蛋白與受體偶聯的重要區域，且該基因分佈存在種族及個體差異，分型為：Arg389Arg、Gly389Arg、Gly389Gly。在ADRB1 Arg389Gly多態性研究中發現，具有Gly389Gly基因型的患者對美託洛爾的反應顯著優於具有雜合ADRB1突變(Arg389Gly)的患者，差異有顯著性[11]。
3.1.2.2 CYP2D6基因多態性 另一個影響美託洛爾異質性的因素則為CYP2D6的基因多態性。CYP2D6是屬於肝臟細胞色素P450(CYP450)家族的藥物代謝酶，CYP2D6基因突變後會導致產物酶摺疊能力受損和功能酶表達減少，引起藥物代謝減慢，血藥濃度升高。Batty等[12]的研究發現CYP2D6*4基因型含量對美託洛爾的血漿濃度和降壓效應影響顯著，並呈基因劑量－反應關係，即CYP2D6*4基因型含量高時，可引起美託洛爾代謝減慢，血藥濃度升高，從而失去或減弱了對心臟β1-AR的選擇性，降壓效果降低。
3.2 β受體阻滯劑臨床應用的不良反應
β受體阻滯劑可在不同機制上引起相關的不良反應：(1)過量β受體阻滯劑的劑量過多時，負性肌力、負性頻率和負性傳導作用也相應增強，可引起心動過緩、房室傳導阻滯，嚴重者可引起心輸出量進一步下降造成低血壓和心力衰竭加重；(2)受體亞型選擇性不足：非選擇性β受體阻滯劑或大劑量使用選擇性β1-AR阻滯劑皆可引起與β2-AR阻斷相關的不良反應，如支氣管痙攣、外周血管痙攣和糖脂代謝異常等；(3)受體下游信號通路選擇性差：傳統的β受體阻滯劑在阻斷有害的G蛋白信號通路的同時也阻斷了保護性的β-arrestin信號通路，可導致心肌細胞持續性凋亡，而目前有文獻認為卡維地洛可以選擇性保留β-arrestin信號通路，發揮更好的療效[13]。
4 β-AR的基礎研究進展
4.1β-AR研究的新理論
4.1.1偏向激活
正如上文所述，10多年前，人們發現β-arrestin可以單獨介導獨立於G蛋白的β-AR信號通路。這一發現，打破了以往對β-AR單一依賴G蛋白的傳統認識，即β-AR結合不同配體後，既可以通過G蛋白依賴的通路轉導信號，也可以通過G蛋白非依賴的通路轉導信號，從而引出了"偏向激活"的概念[14]，即配體激活受體後能夠選擇性激活相應的信號通路。與受體結合後能引起偏向激活的配體稱為偏向配體。
4.1.2轉位激活
轉位激活是指β-AR不僅可以激活自身經典的下游信號分子，還可以通過激活其他受體進行信號轉導。如β1-AR可通過轉位激活表皮生長因子受體(epithelial growth factor receptor, EGFR)進而激活ERK信號通路[15]。β1-AR激活後可募集β-arrestin，後者進而募集Src以激活基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)，MMP則促發肝素結合表皮生長因子(heparin-binding epidermal growth factors，HB-EGF)從細胞膜脫落進入細胞外基質。遊離的HB-EGF可以結合EGFR進而激活下游ERK信號通路。在心臟中，依賴β-arrestin的EGFR轉位激活可以抑制β-AR持續激動引起的心肌細胞凋亡和病理性心臟重塑，因而對心臟有保護作用
[15]。4.2β-AR藥物設計的新理念
瞭解上述β-AR新理論，不僅將為β-AR功能的研究提供新的視角，還為β-AR藥物的靶點研究提供了新的思路，即由僅針對受體本身轉變為針對受體下游信號通路。基於這一新理念，科學家們提出瞭如下三個概念：(1)偏向配體，即特異性地激動腎上腺素受體下游G蛋白通路或β-arrestin通路的配體；(2)別構配體，即通過特異性干預受體的某一別構位點達到特異性干預某一效應的藥物；(3)功能選擇性藥物，即高度選擇性地激動某一或某些信號通路及其下游效應的藥物。這些新藥物的研發對心血管病治療具有重大意義，因為其可以在選擇性阻滯病理性信號通路和功能的同時，保留受體介導的正常生理性信號通路和功能，從而發揮更好的療效，減輕毒副作用。
4.3β-AR研究和藥物研發的新方法
隨著相關技術的發展，β-AR的研究及新藥研發也將迎來新的突破。(1)分子影像學技術：結合活細胞單分子技術和全內反射熒光顯微鏡、光激活定位顯微術、隨機光學重建顯微術、受激輻射耗盡顯微術等超分辨成像方法，目前已經能夠在活細胞單分子水平觀察受體及其下游分子的動力學參數，為實時動態表徵腎上腺素受體的信號轉導過程提供技術保障。另外，冷凍電鏡、核磁共振等技術已經可以解析出腎上腺素受體與配體結合後，甚至腎上腺素受體與下游效應分子結合後的活性構象，這就揭示了腎上腺素受體導致不同信號轉導的結構基礎；(2)藥物篩選技術：大規模的藥物篩選庫，如Aptamer篩選庫、化合物篩選庫以及高通量功能篩選系統可快速發現更高選擇性藥物。依託於這些技術和平臺，必將加深人們對於腎上腺素受體信號轉導的進一步認識，推動腎上腺素受體更深層次的信號轉導機制的揭示，也為高效低毒的腎上腺素受體靶向藥物的設計篩選提供更強有力保障。
5 小結和展望
近50年來，人們對β-AR的認識得到了飛躍的發展，同時也指導著β受體阻滯劑治療心血管疾病的方案不斷優化。而隨著近期對β-AR信號通路的突破性進展，產生了一系列新的治療方向，如受體基因導向治療、受體亞型特異性治療、功能選擇性治療等，相關技術和平臺的發展也為此提供了強有力的支持，相信能對心血管病的治療帶來重大突破。但由於影響藥物作用靶點、藥物代謝、藥物轉運系統的基因數量十分龐大，在信號轉導網絡中也會涉及數十或數百個蛋白質分子。因此，以基因為導向進行治療、以受體及信號分子為靶點研發藥物儘管前途光明，但仍有一條漫長的路要走。
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本文來源
關開行, 王文景, 姜允奇, 等. β腎上腺素受體在心血管系統的基礎與臨床研究進展 [J] . 中國心血管雜誌,2019,24( 5 ): 399-403. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2019.05.002.
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