李文静 李树仁 苑智慧 白玉豪

050051 石家庄，河北医科大学附属河北省人民医院(李文静、苑智慧)；050051 石家庄，河北省人民医院心内一科(李树仁)；063210 唐山，华北理工大学研究生学院(白玉豪)

心力衰竭(heart failure，HF)是多种心血管疾病进展的最终阶段，以心室收缩和(或)舒张功能障碍为特征，可表现为运动耐力不足、水钠潴留和呼吸困难[1]。心脏正常功能的维持依赖心肌兴奋收缩耦联，HF时心肌兴奋收缩耦联被破坏[2]。HF的诊断较复杂，需结合病史、体格检查、实验室检查、影像学检查和功能检查。尽管对HF的生物标记物研究取得了进展，但其临床应用仍然有限。目前，只有利钠肽家族，尤其是B型利钠肽(B-type natriuretic peptide，BNP)和N末端B型利钠肽原(N-terminal pro-B-type natriuretic peptide，NT-proBNP)被广泛用于HF的诊断[3-4]。然而，BNP和NT-proBNP的浓度波动较大，易受年龄、体质指数、肾功能和容量负荷等的影响，反映的是容量状态，而不是心肌内在健康状况[5]。因此，有必要寻找其他更稳定的直接反映心肌健康状况的新型生物标记物。桥接整合因子1(bridging integrator 1，BIN1)是存在于T管的膜支架蛋白，在调节心脏收缩中起重要作用。近几年，BIN1作为一种新兴的HF生物标记物展现出日益突出的优势。

1 概况

1.1 结构

BIN1是含有BAR结构域(BIN/amphiphysin/Rvs，BAR)的蛋白质超家族的成员。编码BIN1的基因具有20个外显子，可剪接为10余种BIN1亚型，在各种组织中广泛表达，以脑、骨骼肌、心肌居多。心脏BIN1是一种膜支架蛋白，有几个独特的蛋白质结构域。由外显子1～10(不含外显子7)编码的N端BAR结构域广泛表达，其以“香蕉”状的二聚体构象与脂质膜结合，并在产生和感知膜曲率方面发挥重要作用[6-9]。N端两亲螺旋插入膜并促进曲率，而BAR域的带正电荷表面与带负电荷的膜相互作用，感知并维持曲率[10-11]。包含BAR结构域家族的大多数异构体可参与肌动蛋白细胞骨架的动态重构，如肌细胞内吞作用、细胞器运输、细胞运动和T管生物发生[12]。C端的真核生物蛋白同源结构域3(C-terminal Src-homology-3，SH-3)由外显子19和20编码，影响着 L型钙通道在膜结构上的定位。磷酸肌醇肽(phosphoinositide，PI)结合基序可能潜在地将BIN1靶向运至膜间室，如T管、肌肉特异性质膜内陷[13]。

通过BIN1外显子基因的选择性剪接，可以获得不同的BIN1亚型。BIN1-10是第一个被发现的亚型，主要表达于骨骼肌，该亚型与骨骼肌横管的形成及小鼠成肌细胞分化有关。BIN1-10可作为转录抑制因子，通过c-MYC途径抑制癌基因转化细胞和肿瘤细胞系的生长[14]。BIN1-10-13与肌动蛋白的细胞骨架有关。上述两种亚型均在组织中广泛表达。BIN1-10+12主要在脑中表达，可能参与阿尔茨海默病的致病过程。在BIN1的众多亚型结构中，BIN1-13+17具有心脏特异性[15]。BIN1+13在心脏中含量最丰富，似乎与细胞增殖有关。Hong等[16]克隆出的BIN1-13+17，即心脏桥接整合因子1(cardiac-BIN1，cBIN1)，是定位于心脏横管的异构体，促进N-WASP依赖性肌动蛋白聚合并诱导肌动蛋白依赖的致密小管膜微折叠，在心肌细胞钙瞬变的调节和心肌兴奋收缩耦联中发挥重要作用。

1.2 功能

1.2.1 对心脏功能的调节 正常的心脏收缩取决于心肌电活动的适当扩散，在细胞水平表现为动作电位。动作电位是由一系列需要离子通道和膜蛋白之间有效通信的离子电流启动的。通过钠离子通道快速进入心肌细胞去极化。然后，去极化触发L型钙通道(L-type Ca2+channel，LTCC)打开，细胞外钙进入细胞内，增加细胞内钙离子的数量。细胞内Ca2+的增加激活ryanodine受体(RyRs)，引起细胞内肌浆网存储的Ca2+大量释放，称为钙诱导钙释放(calcium-induced-calcium-release，CICR)。心肌收缩需要正常的横管结构和细胞膜表面离子通道的积聚。L型钙离子通道聚集在T管膜上，与肌浆网膜上的兰尼碱受体(ryanodine receptor，RyR)紧密相邻，形成促进钙触发的钙释放CICR的LTCC-RyR二联体。

cBIN1在是心脏收缩功能的调节剂，可从四个不同方面调节LTCC-RyR二联体的功能[17]。(1)BIN1促进LTCC定位于T管膜[18]。 LTCC向前运输至T管的过程遵循“靶向递送”的通道递送模型， 在“靶向递送”中，将通道递送至特定的膜结构区域需要与特定膜锚定蛋白的协调，BIN1作为LTCC的膜锚蛋白，可将LTCC运输到T管[19]；(2)BIN1还促进了已经在T管膜上的钙通道的聚集；(3)cBIN1在将RyRs募集到jSR膜上也起着关键作用，从而促进LTCC-RyR二联体的形成，后者对于正常的EC耦联至关重要；(4)形成像细胞外离子扩散屏障一样的“模糊空间”，有效地限制细胞外钙离子的快速消耗，从而防止跨膜离子通量的损失，这对维持心肌细胞电稳定性至关重要[20]。人类胚胎干细胞衍生的心肌细胞(human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes，hESC-CMs)可表达收缩蛋白并形成肌节，但无法形成成人样Ca2+释放单位的T管。De La Mata等[21]研究发现BIN1可以诱导hESC-CMs中的T管发育，同时使细胞向心室样表型分化，增加CaV 1.2通道在T管膜的聚集，促进LTCC-RyR二联体的形成，从而促进兴奋收缩耦联的建立。总之，BIN1作为心脏功能的多功能调节剂，可控制健康心肌细胞中的生理钙信号传导，并维持心肌细胞电稳定性。

1.2.2 病理生理机制 HF病理生理学的典型机制是T管重构和钙瞬变受损[20，22-23]。研究发现，在心肌细胞衰竭时，BIN1表达显著减少，导致T管重构和LTCC-RyR解耦[2，24]。 HF期间心脏收缩力降低与从RyRs释放的Ca2+受损有关[25]。Caldwell等[26]发现小干扰RNA诱导的BIN1蛋白敲除降低了T管密度、钙瞬态振幅和收缩期钙瞬态的同步。在右室快速起搏诱导的绵羊HF模型及升主动脉缩窄诱导的白鼬HF模型中，BIN1蛋白水平和T管密度均降低，这与HF的病理生理学相似[27]。T管的减少和重构导致孤立的RyRs的形成，延迟Ca2+的释放并减弱心脏收缩力[12，28]。鉴于BIN1作为微管的膜锚蛋白，BIN1的缺失导致表面LTCCs的错位，损害钙的瞬态性，导致E-C解耦[19]。Hong等[16]发现BIN1基因敲除的斑马鱼会出现明显的心脏收缩功能障碍和心肌病。Laury-Kleintop等[29]也发现BIN1基因敲除小鼠在8～10月龄或压力超负荷时会发生扩张型心肌病。总之，HF时BIN1表达降低会引起T管上LTCC减少，从而影响LTCC-RyR二联体的形成，最终损害钙触发的钙释放，从而导致心脏收缩力降低。

1.2.3 对HF中恶性心律失常的病理生理机制 HF患者的心原性猝死通常是由恶性心律失常引起的。心肌细胞横管系统上富集了多种离子通道及包含BIN1在内的多种结构蛋白，在维持心肌细胞电稳定性方面发挥重要作用。HF时BIN1表达降低会引起心肌细胞外离子扩散屏障一样的“模糊空间”被破坏，而“模糊空间”可以限制细胞外钙通量以及其余离子的快速扩散。Laury-Kleintop等[29]也发现BIN1基因敲除小鼠在2～4月龄已经增加了发生室性心律失常的风险。Hong等[30]研究发现在ARVC患者中，低血浆BIN1水平可以预测未来发生室性心律失常事件的风险。上述研究表明，在BIN1表达减少的HF患者或动物模型中，BIN1微域的破坏不仅损害了LTCC-RyR二联体，而且也消除了膜微折叠产生的保护性慢扩散区，从而增加室性心律失常的风险。

2 BIN1与HF

2.1 HF时BIN1水平降低

HF的病理生理是T管重构、钙瞬变受损，从而影响心肌兴奋收缩耦联[22， 27]。许多膜支架蛋白包括BIN1在调节心脏收缩中起重要作用，在HF患者和动物HF模型中均有BIN1下调的报道。Muller等[31]发现BIN1基因敲除小鼠死于围产期致死性心肌病，这是人们首次发现BIN1与HF进展有关。此后，Hong等[30]对24例致心律失常性右心室心肌病(arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)的患者进行回顾分析，发现ARVC伴HF患者的血浆BIN1浓度低于不伴HF患者。在右室快速起搏诱导的绵羊HF模型及升主动脉缩窄诱导的白鼬HF模型中，BIN1蛋白水平和T管密度均降低[26]。Hong等[32]利用终末期非缺血性扩张型心肌病的移植受者和未用于心脏移植的器官供者身上获得新鲜心脏来研究人类衰竭心脏中BIN1的表达情况，研究发现在衰竭的心肌细胞中，BIN1的表达在mRNA(下降30%)和蛋白(下降36%)水平上均显著下降。目前，HF时BIN1含量减少的具体机制尚不清楚，Hong等[30]认为可能与心脏的心肌细胞含量有关。总之，在HF患者和实验动物模型中，均发现HF时BIN1降低，正如前文所言，这会导致LTCC-RyR以及CICR受损，最终降低心肌收缩力，但其下调的具体机制尚未明确，仍需进一步研究。

2.2 BIN1可以从心肌细胞释放入外周血

Xu等[33]利用免疫金标记的电子显微镜，在小鼠血浆中发现BIN1存在于约200 nm大小的囊泡中，与微粒(microparticles，MPs)大小一致。此外，在分离的成年小鼠心肌细胞培养液中可检测出心脏特异性BIN1-MPs，这些均证实了BIN1可源于心肌细胞。然而，BIN1从心肌细胞被释放入血的具体机制尚不明确，Xu等[33]推测可能与内吞体分选复合物-Ⅲ(endosomal sorting complexes required for transport，ESCRT)通路有关，转运必需ESCRT亚单位多体带电蛋白质4B(CHMP4B)与BIN1相互作用，CHMP4B表达减少时BIN1-MPs亦随之减少[23]。总之，BIN1可以从心肌细胞释放入血，但其具体机制尚需进一步研究证实。

2.3 协助HF的诊断

新型生物标记物的应用需要满足一些条件，例如易于检测。BIN1可释放入外周血，在血浆中利用酶联免疫吸附法即可定量检测。其二，BIN1与BNP、NT-proBNP不同，它不受年龄、肾功能、容量负荷的影响，可直接反映心脏健康和功能储备。Nikolova等[34]纳入52例确诊为射血分数保留的HF(heart failure with preserved ejection fraction ，HFpEF)患者，将其与年龄、性别匹配且无心血管疾病的52名健康志愿者以及具有HF危险因素但无HF诊断的52名对照者进行比较，分别测定3组队列的NT-proBNP、BIN1浓度，发现HFpEF组的BIN1浓度明显低于另外两个对照组(P<0.05)。为了评估BIN1和NT-proBNP诊断HF患者的能力，Nikolova 等绘制了受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线，以健康志愿者为对照时，BIN1诊断HFpEF的曲线下面积(area under the curve，AUC)为0.98 (95%CI： 0.96～1.00)，优于NT-proBNP(AUC=0.93，95%CI：0.88～0.99，P<0.05)。以存在HF危险因素但无HF诊断的患者为对照时，BIN1(AUC=0.98，95%CI：0.97～1.00)对HFpEF患者的诊断能力仍优于NT-proBNP(AUC=0.93，95%CI：0.88～0.99)(P<0.05)。近来，Hitzeman等[35]纳入158例射血分数降低HF患者(heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF)与115名年龄、性别相匹配且无HF病史的对照者，发现HFrEF患者BIN1浓度明显低于对照组(P<0.05)。因此，BIN1有潜力成为优于利钠肽家族的诊断HF的新型生物标记物，虽然上述研究中样本量均较小，但意义重大，为未来寻找能直接反映心肌健康状况的生物标记物提供了潜在方向。

2.4 预测HF的预后

Nikolova等[34]研究发现，心脏BIN1评分(cardiac BIN1 score，CS)≥1.8[CS=ln(10/BIN1)]的HFpEF患者的1年内心血管再入院的风险高于CS<1.8的患者(HR=3.8，95%CI：1.3～11.2，P=0.02)。新近的一项研究表明，BIN1与心功能分级呈负相关(P=0.007)，血浆BIN1浓度越低，NYHA心功能分级越差[35]。并且高CS组(CS≥1.9)较低CS组(CS<1.9)的1年内心血管事件风险增加(43%比26%，P=0.01)。上述研究均表明，血浆BIN1水平可预测HF患者的不良预后，但由于目前相关研究较少，且样本量较小，其研究结果的一致性与普及性仍需进一步验证。

2.5 指导HF的治疗

BIN1在维持心肌兴奋收缩耦联及电稳定性方面发挥重要作用[36]，HF患者中BIN1表达下调这一特点可能有助于确定HF治疗的潜在新靶点。目前BIN1对HF的治疗方面尚无相关的临床研究及资料，尚停留在基础实验阶段。Li等[37]探讨cBIN1替代治疗是否可以改善已有HF的应激心脏的心肌功能，研究中成年雄性小鼠于8～10周龄时行主动脉横缩术，术后5周眶内注射转染cBIN1-V5或绿色荧光蛋白-V5(green fluorescent protein-V5，GFP-V5)的腺相关病毒9 (adeno-associated virus 9，AAV9)，发现AAV9-cBIN1小鼠Kaplan-Meir总生存率高于AAV9-GFP治疗的小鼠(77.8%比58.8%)，且左室射血分数、心脏的收缩及舒张功能较GFP-V5组有所改善。鉴于BIN1在组织T管膜折叠和LTCC-RyR中的作用，它可能是未来治疗的潜在目标。虽然现有数据表明，HF中BIN1水平的升高可能会同时增加收缩力，并减少心律失常的发生，但尚无研究者开展相关临床研究以证实此假设。由于目前对BIN1的认知仍有很多局限性，其在指导HF治疗方面的研究可能并非一帆风顺。

3 小结

作为心脏LTCC-RyR二联体的多功能调节器，BIN1调控着健康心肌的钙信号，而BIN1的减少会加速HF的恶化。因此，了解BIN1在正常和HF中的生物学意义，将对疾病管理和指导治疗产生重大影响。一方面，血浆BIN1携带着心肌健康状况的信息，可作为心脏健康和恢复潜力的潜在生物标记物。另一方面，心脏BIN1微结构域可以作为HF治疗的新靶点，了解HF中BIN1降低的机制也可能有助于识别新的HF治疗途径。目前HF关于BIN1的研究尚处于起步阶段，因此，BIN1能否成为如BNP、NT-proBNP一样常规检测HF的生物标记物[38]，仍需进行长期大规模的研究。

利益冲突：无