β肾上腺素受体在心血管系统的
基础与临床研究进展
Progress in basic and clinical research of β-adrenergic receptors in cardiovascular system
关开行 王文景 姜允奇 李子健
作者单位：100191 北京大学第三医院心内科，血管医学研究所，心血管受体研究北京市重点实验室，国家卫生健康委心血管分子生物学与调节肽重点实验室，分子心血管学教育部重点实验室
通信作者：李子健，电子信箱：[email protected]
β肾上腺素受体(β-adrenergic receptor，β-AR)是G蛋白偶联受体超家族(G protein-coupled receptors，GPCRs)的典型成员，主要在调节心血管系统活动中发挥作用，是心脏表达最丰富的受体。β-AR信号系统的异常是众多心血管疾病发生发展的基础。因此，在心血管系统中，对β-AR及β受体阻滞剂的研究一直是重中之重，其指导着人们不断优化心血管疾病的治疗效果。
1 β-AR的研究历史
对β-AR的认识应追溯到受体学说提出之后，于1906年Dale首次引出了肾上腺素受体的概念；1948年Ahlquist基于拟交感药物在血管的不同反应又提出肾上腺素受体可分为α和β两种亚型；而后1962年，James[1]研究出了第一个β受体阻滞剂—普萘洛尔，被誉为20世纪药理学和药物治疗学上里程碑式的重大发现，并于1988年获得诺贝尔生理学或医学奖。1967年Lands等根据受体药理学特性的不同，又进一步把β-AR分为β1-AR和β2-AR两种亚型；而基于此更深一层的认识和普萘洛尔发生的不良反应，人们又研发了以美托洛尔为代表的第二代选择性β1-AR阻滞剂，疗效和安全性都有很大提高。此后，随着GPCR及信号转导通路的发现，β-AR作为GPCR的模式受体被不断深入研究，人们发现β-AR不仅偶联经典的G蛋白传导信号，还能偶联β-arrestin传递信号[2]。β-arrestin的发现又推动β-AR的研究从针对受体层面进入到了针对β-AR下游信号转导分子及通路功能的时代，β-AR亚型信号通路、偏向激活、转位激活等更深层次的生理和病理性机制被不断发掘，新一代高效低毒的信号通路选择性药物也即将诞生。
2 β-AR的信号转导通路
在G蛋白依赖性信号通路中，β-AR通过偶联G蛋白传递多种信号。经典的信号通路遵循β-AR-G蛋白-环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)-蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)-效应分子途径，如β1-AR激活后引起与之偶联的与Gs蛋白(激动亚型)解离出具有活性的Gα亚基，而后Gα的效应蛋白腺苷酸环化酶(adnylate cyclase, AC)催化三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)生成cAMP。PKA与cAMP结合后被激活，然后可引起酶活性、离子通道活动状态和转录因子的活性发生变化，从而调节细胞生长及代谢、细胞骨架结构和基因表达等。但在心力衰竭等多种病理情况下，β1-AR的持续激活引起细胞内Ca2＋浓度不断升高，导致信号通路由β1- AR-Gs-AC-cAMP-PKA通路转换为β1-AR-Gs-细胞内Ca2＋-钙及钙调蛋白依赖性蛋白激酶(calcium/calmodulin-dependent protein kinase, CaMK)Ⅱ(β1-AR -Gs-Ca2＋-CaMKⅡ)通路[3]，从而促进心肌肥大、心肌细胞凋亡等心肌重塑过程，进一步加重心力衰竭。与β1 -AR不同的是，β2-AR不仅可以激活Gs/PKA通路，还可以激活Gi蛋白(抑制亚型)，产生的Giα则抑制AC的活性；Gi蛋白可以继续激活磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B, Akt)细胞存活通路产生保护心脏的效果[4]。在心力衰竭早期，β2-AR的持续激活引起PKA介导β2-AR磷酸化，促使β2-AR的蛋白偶联由β2-AR-Gs向β2-AR-Gi转换，且Gi蛋白表达上调[5]，此时β2-AR通过偶联Gi蛋白并激活下游PI3K-Akt信号通路，保护心脏的作用也因此增强。但在另一方面，上调的Gi蛋白及信号会同时削弱β2-AR本身的Gs/PKA通路和β-AR的Gs/PKA通路，最终抑制了收缩反应，在心力衰竭晚期可进一步加重舒缩功能障碍(1 图1)。
β-AR：β肾上腺素受体；MMP：基质金属蛋白酶；HB-EGF：肝素结合表皮生长因子；ERK：细胞外调节蛋白激酶；EGFR：表皮生长因子受体；CaMK：钙调节蛋白依赖性蛋白激酶；CAMP：环磷酸腺苷；PKA：蛋白激酶；PI3K：磷脂酰肌醇3激酶；Akt：蛋白激酶B
图1 β肾上腺素受体的信号转导通路
另外，β-AR还可以经G蛋白非依赖性通路传递信号，β-arrestin则在其中发挥重要作用。β-arrestin作为衔接蛋白，识别并结合磷酸化的β-AR后，可以将c-Src募集到β-AR并将其激活，进而激活c-Jun氨基末端激酶3、细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)、磷酸二酯酶4和甘油二酯激酶等重要下游信号转导分子，传递多种生理及病理信号(图1)。
3 β-AR在心血管系统的临床研究进展
β-AR研究在心血管系统的应用主要是β受体阻滞剂的应用。β受体阻滞剂主要作用机制是通过竞争性抑制β-AR，产生负性变时、变力、变传导效应，减少心肌耗氧量，防止交感神经过度激活对心脏的损害，改善心室和血管的重构及功能。从2007年的《慢性心力衰竭诊断治疗指南》强调β受体阻滞剂的预后益处开始，又经过了大规模临床试验、荟萃分析和广大临床医师的实践证明后，现在β受体阻滞剂已成为治疗心血管疾病的基石药物，被广泛应用于冠心病、高血压、心力衰竭、心律失常、心肌病等心血管疾病的预防和治疗。然而，在临床应用中，β受体阻滞剂仍存在许多问题，包括其异质性和不良反应。
3.1β受体阻滞剂临床应用的异质性
3.1.1不同β受体阻滞剂之间疗效的差异性
从第一代β受体阻滞剂代表药物普萘洛尔问世开始，至今已发展至第三代。虽然它们总体上在心血管治疗中发挥良好的作用，但各自之间的药代动力学、药效学特性以及临床效益各有不同(表1)。例如目前已有多项大型随机对照试证明了美托洛尔、比索洛尔及卡维地洛对高血压、冠心病及心力衰竭患者的预后效益，可有效降低病死率和心血管相关住院率[6,7]；也有越来越多的证据推荐奈必洛尔的使用[8]。但另外的荟萃分析则发现水溶性的阿替洛尔心血管保护作用较差[9]。这种β受体阻滞剂各种药物之间疗效的差异性是由药物本身的药理学特性决定的。
表1 β受体阻滞剂的主要分类及代表药物
3.1.1.1 受体类型选择性 三代β受体阻滞剂的作用靶点各有不同，发挥的作用也各有不同：(1)以普萘洛尔为代表的第一代β受体阻滞剂为非选择性阻滞剂，即对β1-AR和β2-AR都有很高的亲和力，应用时可阻断β2-AR造成后负荷增加和支气管痉挛，故已较少使用；(2)第二代β受体阻滞剂是以美托洛尔为代表的选择性β
1-AR阻滞剂，作用靶点精准性提高，故可避免对外周血管和支气管的副作用。在第二代β受体阻滞剂中，比索洛尔对β1-AR的选择性最高，美托洛尔、比索洛尔对β1-AR的选择性分别是β2-AR的80倍和120倍，但大剂量使用时仍会失去对β-AR的选择性；(3)第三代β受体阻滞剂以卡维地洛为代表，卡维地洛对β-AR也无选择性，但增加了对α1-AR的亲和性，故卡维地洛是α1、β1、β2三种肾上腺素受体的阻滞剂。第三代药物阻断α1-AR可产生扩血管效应，所以更加适用于高血压和充血性心力衰竭。3.1.1.2 溶解性 β受体阻滞剂的溶解性可分为脂溶性、水溶性和水脂双溶性。(1)脂溶性：大多数β受体阻滞剂都为脂溶性，如美托洛尔、卡维地洛等，这些脂溶性药物易通过血脑屏障，抑制交感神经冲动传出，可大大减少心力衰竭患者的猝死率
[9]；(2)水溶性：小部分β受体阻滞剂如阿替洛尔为水溶性，不易进入血脑屏障。上述阿替洛尔心血管保护作用较差，可能与其不易进入血脑屏障，不能有效抑制交感活性、降低中心动脉压有关；(3)水脂双溶性：水脂双溶性的β受体阻滞剂如比索洛尔，兼具了脂溶性和水溶性的优点，血药浓度稳定，既可以保持中枢神经系统的药理作用，也可以减少中枢神经系统的不良反应。3.1.2同一β受体阻滞剂对不同患者疗效的差异性
同一β受体阻滞剂在不同患者身上也有不同的表现。而β受体阻滞剂的这种异质性是由个体基因多态性引起的，因为基因多样性表达影响了药物受体靶点、药物代谢酶活性和药物转运系统。以代表性的选择性β1受体阻滞剂美托洛尔为例，相关研究表明，单用美托洛尔进行降压治疗，仅51%左右的患者血压有显著下降[10]。进一步的药物基因组学和临床药理学研究证明，ADRB1(编码β1-AR)和细胞色素2D6(CYP2D6)的基因多态性是导致美托洛尔疗效个体差异最主要的两个因素。
3.1.2.1 ADRB1 Arg389Gly基因多态性 目前研究表明ADRB1 Arg389Gly基因是原发性高血压的遗传易感基因，其表达于β1-AR细胞内胞浆尾端近第七跨膜区，此区域是G蛋白与受体偶联的重要区域，且该基因分布存在种族及个体差异，分型为：Arg389Arg、Gly389Arg、Gly389Gly。在ADRB1 Arg389Gly多态性研究中发现，具有Gly389Gly基因型的患者对美托洛尔的反应显著优于具有杂合ADRB1突变(Arg389Gly)的患者，差异有显著性[11]。
3.1.2.2 CYP2D6基因多态性 另一个影响美托洛尔异质性的因素则为CYP2D6的基因多态性。CYP2D6是属于肝脏细胞色素P450(CYP450)家族的药物代谢酶，CYP2D6基因突变后会导致产物酶折叠能力受损和功能酶表达减少，引起药物代谢减慢，血药浓度升高。Batty等[12]的研究发现CYP2D6*4基因型含量对美托洛尔的血浆浓度和降压效应影响显著，并呈基因剂量－反应关系，即CYP2D6*4基因型含量高时，可引起美托洛尔代谢减慢，血药浓度升高，从而失去或减弱了对心脏β1-AR的选择性，降压效果降低。
3.2 β受体阻滞剂临床应用的不良反应
β受体阻滞剂可在不同机制上引起相关的不良反应：(1)过量β受体阻滞剂的剂量过多时，负性肌力、负性频率和负性传导作用也相应增强，可引起心动过缓、房室传导阻滞，严重者可引起心输出量进一步下降造成低血压和心力衰竭加重；(2)受体亚型选择性不足：非选择性β受体阻滞剂或大剂量使用选择性β1-AR阻滞剂皆可引起与β2-AR阻断相关的不良反应，如支气管痉挛、外周血管痉挛和糖脂代谢异常等；(3)受体下游信号通路选择性差：传统的β受体阻滞剂在阻断有害的G蛋白信号通路的同时也阻断了保护性的β-arrestin信号通路，可导致心肌细胞持续性凋亡，而目前有文献认为卡维地洛可以选择性保留β-arrestin信号通路，发挥更好的疗效[13]。
4 β-AR的基础研究进展
4.1β-AR研究的新理论
4.1.1偏向激活
正如上文所述，10多年前，人们发现β-arrestin可以单独介导独立于G蛋白的β-AR信号通路。这一发现，打破了以往对β-AR单一依赖G蛋白的传统认识，即β-AR结合不同配体后，既可以通过G蛋白依赖的通路转导信号，也可以通过G蛋白非依赖的通路转导信号，从而引出了"偏向激活"的概念[14]，即配体激活受体后能够选择性激活相应的信号通路。与受体结合后能引起偏向激活的配体称为偏向配体。
4.1.2转位激活
转位激活是指β-AR不仅可以激活自身经典的下游信号分子，还可以通过激活其他受体进行信号转导。如β1-AR可通过转位激活表皮生长因子受体(epithelial growth factor receptor, EGFR)进而激活ERK信号通路[15]。β1-AR激活后可募集β-arrestin，后者进而募集Src以激活基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)，MMP则促发肝素结合表皮生长因子(heparin-binding epidermal growth factors，HB-EGF)从细胞膜脱落进入细胞外基质。游离的HB-EGF可以结合EGFR进而激活下游ERK信号通路。在心脏中，依赖β-arrestin的EGFR转位激活可以抑制β-AR持续激动引起的心肌细胞凋亡和病理性心脏重塑，因而对心脏有保护作用
[15]。4.2β-AR药物设计的新理念
了解上述β-AR新理论，不仅将为β-AR功能的研究提供新的视角，还为β-AR药物的靶点研究提供了新的思路，即由仅针对受体本身转变为针对受体下游信号通路。基于这一新理念，科学家们提出了如下三个概念：(1)偏向配体，即特异性地激动肾上腺素受体下游G蛋白通路或β-arrestin通路的配体；(2)别构配体，即通过特异性干预受体的某一别构位点达到特异性干预某一效应的药物；(3)功能选择性药物，即高度选择性地激动某一或某些信号通路及其下游效应的药物。这些新药物的研发对心血管病治疗具有重大意义，因为其可以在选择性阻滞病理性信号通路和功能的同时，保留受体介导的正常生理性信号通路和功能，从而发挥更好的疗效，减轻毒副作用。
4.3β-AR研究和药物研发的新方法
随着相关技术的发展，β-AR的研究及新药研发也将迎来新的突破。(1)分子影像学技术：结合活细胞单分子技术和全内反射荧光显微镜、光激活定位显微术、随机光学重建显微术、受激辐射耗尽显微术等超分辨成像方法，目前已经能够在活细胞单分子水平观察受体及其下游分子的动力学参数，为实时动态表征肾上腺素受体的信号转导过程提供技术保障。另外，冷冻电镜、核磁共振等技术已经可以解析出肾上腺素受体与配体结合后，甚至肾上腺素受体与下游效应分子结合后的活性构象，这就揭示了肾上腺素受体导致不同信号转导的结构基础；(2)药物筛选技术：大规模的药物筛选库，如Aptamer筛选库、化合物筛选库以及高通量功能筛选系统可快速发现更高选择性药物。依托于这些技术和平台，必将加深人们对于肾上腺素受体信号转导的进一步认识，推动肾上腺素受体更深层次的信号转导机制的揭示，也为高效低毒的肾上腺素受体靶向药物的设计筛选提供更强有力保障。
5 小结和展望
近50年来，人们对β-AR的认识得到了飞跃的发展，同时也指导着β受体阻滞剂治疗心血管疾病的方案不断优化。而随着近期对β-AR信号通路的突破性进展，产生了一系列新的治疗方向，如受体基因导向治疗、受体亚型特异性治疗、功能选择性治疗等，相关技术和平台的发展也为此提供了强有力的支持，相信能对心血管病的治疗带来重大突破。但由于影响药物作用靶点、药物代谢、药物转运系统的基因数量十分庞大，在信号转导网络中也会涉及数十或数百个蛋白质分子。因此，以基因为导向进行治疗、以受体及信号分子为靶点研发药物尽管前途光明，但仍有一条漫长的路要走。
参考文献
[1]周白瑜. β受体阻滞剂发明者：James Whyte Black[J]. 中国心血管杂志，2010, 15(1): 64.
[2]PhilipJL, XuX, HanM, et al. Regulation of cardiac fibroblast-mediated maladaptive ventricular remodeling by beta-arrestins[J]. PLoS One, 2019, 14(7): e219011.
[3]WooAY, XiaoRP. beta-Adrenergic receptor subtype signaling in heart: from bench to bedside[J]. Acta Pharmacol Sin, 2012, 33(3): 335-341.
[4]SpadariRC, CavadasC, de CarvalhoA, et al. Role of Beta-adrenergic Receptors and Sirtuin Signaling in the Heart During Aging, Heart Failure, and Adaptation to Stress[J]. Cell Mol Neurobiol, 2018, 38(1): 109-120.
[5]KhalilimeybodiA, DaneshmehrA, Sharif-KashaniB. Investigating beta-adrenergic-induced cardiac hypertrophy through computational approach: classical and non-classical pathways[J]. J Physiol Sci, 2018, 68(4): 503-520.
[6]VinereanuD, SpinarJ, PathakA, et al. Role of Metoprolol Succinate in the Treatment of Heart Failure and Atrial Fibrillation: A Systematic Review[J]. Am J Ther, 2019.
[7]NguyenT, ShaheedA, VenigallaS, et al. Using beta-blockers to treat heart failure[J]. JAAPA, 2014, 27(12): 50-55.
[8]FongemieJ, Felix-GetzikE. A Review of Nebivolol Pharmacology and Clinical Evidence[J]. Drugs, 2015, 75(12): 1349-1371.
[9]ZhangY, SunN, JiangX, et al. Comparative efficacy of beta-blockers on mortality and cardiovascular outcomes in patients with hypertension: a systematic review and network meta-analysis[J]. J Am Soc Hypertens, 2017, 11(7): 394-401.
[10]MatersonBJ, RedaDJ, CushmanWC, et al. Single-drug therapy for hypertension in men. A comparison of six antihypertensive agents with placebo. The Department of Veterans Affairs Cooperative Study Group>N Engl J Med, 1993, 328(13): 914-921.
[11]ChenL, XiaoT, ChenL, et al. The Association of ADRB1 and CYP2D6 Polymorphisms With Antihypertensive Effects and Analysis of Their Contribution to Hypertension Risk[J]. Am J Med Sci, 2018, 355(3): 235-239.
[12]BattyJA, HallAS, WhiteHL, et al. An investigation of CYP2D6 genotype and response to metoprolol CR/XL during dose titration in patients with heart failure: a MERIT-HF substudy[J]. Clin Pharmacol Ther, 2014, 95(3): 321-330.
[13]Jean-CharlesPY, KaurS, ShenoySK. G Protein-Coupled Receptor Signaling Through beta-Arrestin-Dependent Mechanisms[J]. J Cardiovasc Pharmacol, 2017, 70(3): 142-158.
[14]LefkowitzRJ. A brief history of G-protein coupled receptors (Nobel Lecture)[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2013, 52(25): 6366-6378.
[15]ForresterSJ, KawaiT, O'BrienS, et al. Epidermal Growth Factor Receptor Transactivation: Mechanisms, Pathophysiology, and Potential Therapies in the Cardiovascular System[J]. Annu Rev Pharmacol Toxicol, 2016, 56: 627-653.
本文来源
关开行, 王文景, 姜允奇, 等. β肾上腺素受体在心血管系统的基础与临床研究进展 [J] . 中国心血管杂志,2019,24( 5 ): 399-403. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2019.05.002.
閱讀更多 中國心血管雜誌 的文章
