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研究背景:转化生长因子11(Gowthdifferentiationfator 11,GDF11)属于分泌型转化生子因子β(TransforminggrowthfactorB,TGF-β)超家族信号分子,广泛表达于动物多个组织器官中,参与器官组织发育和生理病理过程。既往研究认为GDF11具有抗衰老,逆转心肌肥厚和改善内皮功能的作用。但近年来随着研究的深入和研究方法的更新,许多学者对于之前GDF11的研究结果提出质疑。目前关于GDF11在心脏中的生理和病理作用及功能尚不清楚,GDF11是否参与心肌肥厚过程以及发挥心肌保护作用的具体机制仍需进一步研究明确。研究目的:本研究旨在阐明GDF11在病理性心肌肥厚中的作用,并初步探讨其发挥作用的分子机制。研究方法:本研究通过主动脉缩窄术(Transverse aortic constriction,TAC)构建病理性心肌肥厚和心衰小鼠模型,初步明确GDF11在心肌肥厚向心力衰竭进展中的表达变化。此外收集人扩张型心肌病心肌标本以及正常捐赠者心肌,探明在心衰中的表达情况。通过体外分离乳鼠心肌细胞由苯肾上腺素(phenylephrine,PE)诱导心肌肥大,明确GDF11在肥大的心肌细胞中的表达情况。因GDF11全身敲除小鼠的胚胎致死性,体内实验我们基于Cre-loxp系统,构建了心肌细胞特异性敲除GDF11小鼠,用以明确GDF11在成年小鼠生理状况下对心脏的作用,以及在TAC诱导压力超负荷病理性心肌肥厚中的作用。通过TUNEL染色,CD31和αSMA染色心肌组织,探索GDF11敲除导致心功能恶化的原因。体外通过心肌细胞过表达GDF11慢病毒和转染siRNA,收集浓缩其分泌的条件上清处理人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells,HUVECs),观察后者管腔形成能力,用于阐明GDF11对心肌细胞以及内皮细胞的作用机制。通过Western blot和RT-PCR检测探索GDF11在心肌细胞过表达或敲低后对VEGF-A和AKT磷酸化的作用。结果:第一部分:GDF11在病理性心肌肥厚过程中及心肌细胞肥大中的表达变化1.小鼠生理性衰老所致心肌肥厚心脏组织中GDF11表达无明显差异,但病理性心肌肥厚(TAC模型)中伴随GDF11表达水平的升高,而到TAC 56d心衰阶段GDF11的表达下降,呈现动态变化过程。2.扩张型心肌病患者与正常人相比,心肌组织中GDF11表达量升高,伴有明显纤维化和血管数量的减少。3.GDF11主要在心肌细胞中表达而在非心肌细胞中表达较少,且PE诱导原代乳鼠心肌细胞肥大后GDF11表达增加。第二部分:小鼠心肌细胞特异性敲除GDF11对TAC诱导心肌肥厚的影响1.GDF11心肌细胞特异性敲除小鼠的构建和敲除效率验证2.在基线水平心肌细胞特异敲除小鼠,心脏功能和形态与对照组相比无明显差异。3.敲除GDF11后加重TAC诱导的小鼠心功能减退,导致小鼠较早进入心功能失代偿期,心脏纤维化明显,肌节结构紊乱。4.TAC诱导心肌肥厚向心力衰竭进展过程中,敲除小鼠与对照组相比不影响细胞凋亡,但组织中微小血管数量明显减少。第三部分:GDF11对心肌细胞作用机制的初步研究1.原代乳鼠心肌细胞过表达GDF11后VEGF-A的表达增加,其分泌条件上清中VEGF-A水平增加,可促进HUVECs管腔形成的能力,而敲低GDF11的作用与此相反。重组rGDFlI(50nM)直接处理HUVECs后并没有提高细胞增值率和管腔形成的能力。2.心肌细胞过表达(或敲低)GDF11后明显增强(或抑制)AKT的磷酸化。3.心肌细胞中存在GDF11和GDF8的负性调节环路结论:GDF11参与病理性心肌肥厚向心力衰竭的进展,通过p-AKT-VEGF-A信号通路促进代偿性血管生成作用,维持正常的心脏功能。