生长分化因子-15（Growth differentiation factor 15, GDF15）是转化生长因子-β（transformation growth factor-β, TGF-β）超家族的成员之一，主要由活化的巨噬细胞产生。GDF15的表达受到多种因素调控，包括应激反应、炎症因子和多种药物的刺激，这表明机体可以通过上调GDF15的表达执行广泛的生物学功能^[1]。GDF15在心血管疾病中的作用是多方面的，其生物学效应可能与机体内环境、细胞类型、疾病发病机制相关。阐明GDF15在心血管疾病进程中的功能和发挥作用的分子机制具有重要的意义，有助于评估其作为诊断和治疗靶点的价值。本文就不同生物背景下GDF15对心血管疾病作用的影响及其相关信号通路进行综述，为后续研究提供思路参考。

1 GDF15概述 1.1 GDF15的结构和分布

人类GDF15是人类染色体19p13.11-13.2上基因的产物。其前体蛋白由308个氨基酸残基组成，经过酶切修饰后的成熟蛋白通过二硫键连接成具有生物活性的同源二聚体，相对分子质量为25 000^[1]。神经胶质细胞源性神经营养因子家族受体α样蛋白（GDNF-family receptor α-like，GFRAL）是目前已知的GDF15的唯一受体，主要分布在成年小鼠、大鼠和人类的脑干后区和孤束核区^[2]。GDF15以自分泌、旁分泌等形式发挥作用，且含量不受其他物质（如血红蛋白）的影响，性质稳定，有利于临床检测^[3]。

人类蛋白质图谱显示，GDF15蛋白在胎盘中的表达量高，而在前列腺和膀胱中表达中等，在胃肠道、胰腺和肾脏中的表达量较低^[4]。与其他细胞因子相比，人体基础GDF15水平约为0.2~1.2 ng/mL^{[1, 5]}。GDF15的形成也依赖于GDF15基因的作用，个体的GDF15基因型决定其分泌GDF15蛋白的水平，因此不同基因型的人群GDF15表达水平不同。基于基因关联分析，确定了与GDF15水平相关的染色体基因，包括PGPEP1、LRRC25、MIR3189和B3GALT6基因^[6]。影响GDF15表达量的生理因素包括年龄、妊娠及运动等^[7]。随着年龄的增长，GDF15水平也随之增加，因此GDF15也被认为是年龄相关的潜在生物标志物^[8-9]。与胎盘高表达GDF15的证据一致，妊娠期间GDF15水平明显上升，在妊娠中期可达到25 ng/mL的水平^[10]。

1.2 GDF15的生物学功能

GDF15是一种具有广泛生物学功能的应激蛋白，参与调控肿瘤发生、炎症反应、氧化应激、组织损伤等多种生物学效应^[11-14]。值得一提的是，GDF15具有多重效应^[15-17]。如在前列腺癌早期阶段，GDF15可抑制肿瘤进展，但在晚期则可能促进肿瘤的增殖^[11]，这可能与肿瘤类型、肿瘤分期及机体微环境有关；此外，GDF15可通过抗炎和抗凋亡等途径发挥心脏保护作用，同时也可促进早期动脉粥样硬化的形成^[18-19]。为了更加准确地了解GDF15的具体作用，应对其机制进行更深入的研究。

2 GDF15在心血管疾病中的作用 2.1 GDF15作为诊断和预后生物标志物

大量实验证实GDF15是诊断和评估心血管疾病预后的新型生物学标志物，与急性冠状动脉综合征（acute coronary syndrome, ACS）、心力衰竭（heart failure, HF）、房颤等心血管疾病的发生、发展密切相关。

2.1.1 ACS

ACS包括ST段抬高型心肌梗死（ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI）、非ST段抬高型心肌梗死和不稳定性心绞痛。整体而言，目前ACS的病死率呈上升趋势。研究表明，与单独检测传统的诊断标志物相比，联合检测GDF15与心肌肌钙蛋白T或脑钠肽对ACS具有更高的诊断价值^[20-21]。GDF15的性质相对稳定，一项研究评估了GDF15在发生STEMI事件的前24 h内的动态变化，结果显示GDF15在STEMI发病12 h内达到峰值，并维持升高至24 h^[22]。与此同时，GDF15质量浓度可以反映ACS患者病情的严重程度^[20]。随着GDF15水平的增加，30 d病死率也随之升高^[22]，心室重塑和扩张的风险也越大^[23-24]。研究表明，在调整临床危险因素后，GDF15对预测ACS病死率亦具有重要意义^[25-26]。与前面结果类似，另外一项前瞻性研究分析了847种生物标志物，调整临床因素后显示GDF15是仅有的两个能够预测病死率的标志物之一^[27]。一项研究探讨了GDF15基因多态性与急性心肌梗死（acute myocardial infarction, AMI）严重程度和预后的关系，发现GDF15基因-3148C/G位点中CC、GC、GG三种基因型及rs4808793基因型与AMI的发病风险存在明确相关性，提示GDF15的这些基因型可能成为一个预测AMI预后的新型生物标志物^[28]。因此，监测GDF15水平有利于对ACS患者进行快速风险分层，降低不良心血管事件的发生率及复发风险。

2.1.2 HF

GDF15在HF领域是一个较新的生化标志物，能够有效评估HF的预后^[29]。一项以慢性HF患者作为研究对象的临床研究验证了GDF15对慢性HF病死率的独立预测作用^[30]。同时，血清GDF15水平与左室重构密切相关^[29]，其在左室重构方面的诊断价值与N末端B型利钠肽原相当。不仅如此，GDF15水平会随着HF分期及心功能分级的升高而升高，这对心功能分级提供了一定的参考价值，有助于辅助诊断及判定病情的严重程度，为HF患者的早期诊断提供方向。

2.1.3 心房颤动

2016年欧洲心脏病学会心房颤动指南提出，GDF15是评估抗凝治疗出血风险分层的重要标志物^[31]。高水平GDF15是卒中和血栓栓塞的危险因素，对房颤患者卒中和栓塞事件的发生具有预测价值，将GDF15纳入房颤患者血栓和卒中风险评估系统可提高预测的准确性^[32-34]。Sharma等^[35]也发现了类似的结果，发现GDF15与心力衰竭后死亡密切相关。

2.1.4 其他心血管疾病

GDF15对其他心血管疾病的诊断、风险分层及预后也具有重要意义。其水平升高与心肌肥大、动脉粥样硬化、内皮功能障碍等密切相关，在心源性休克、稳定性心绞痛等风险分层中也具有指导作用^[36-39]。

由此可见，作为新型的心血管标志物，GDF15在心血管疾病的辅助诊断、风险评估和预后评估方面具有很好的潜力和应用价值。

2.2 GDF15在心血管进程中的多向性作用

目前，GDF15被认为发挥心脏保护作用主要表现在抗炎、抗凋亡及抗心脏重塑等方面。在生理情况下，心脏几乎不表达GDF15。然而，在心肌梗死或心脏缺血再灌注损伤后，GDF15的表达上调。研究表明，在心肌梗死后，GDF15水平的上升可以通过减少多形核细胞的募集从而减轻心肌细胞的损伤程度^[18]。多形核细胞的过度募集通常导致心梗后严重并发症，如心脏破裂^[40]。另一项关于心梗小鼠的研究显示，心肌细胞通过上调GDF15水平来启动抗炎反应以适应氧化应激^[18]。此外，GDF15对心肌肥大发挥着重要的保护作用。体内和体外实验验证表明，去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）能够诱导心肌肥大并刺激GDF15的合成。升高的GDF15抑制NE诱导的表皮生长因子受体和下游激酶（AKT和ERK1/2）的磷酸化，从而实现负反馈调节^[41]。此外，GDF15可能在心脏移植领域具有治疗潜力。一项由Zhang等^[42]的研究表明，GDF15是预防心脏移植中缺血再灌注损伤的重要靶点，其保护作用是由Forkhead box O3和核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号通路介导的。

然而，也有学者对于GDF15在心肌保护方面的作用持怀疑态度，认为其可能会促进心脏疾病的进展。研究表明GDF15浓度的增加与促内皮功能障碍、促纤维化和促炎症反应相关。如GDF15可通过活性氧途径、自噬途径、炎症反应等促进动脉粥样硬化的发生^{[19, 43-44]}。Bonaterra等^[19]研究发现，与正常表达载脂蛋白E（apolipoprotein E, ApoE）的对照组相比，敲除ApoE和GDF15的小鼠主动脉管腔狭窄程度减轻，炎症减弱。同时，低密度脂蛋白受体（low density lipoprotein receptor, LDLR）敲除的小鼠GDF15表达下调，在动脉粥样硬化早期即可抑制病变，这表明GDF15促进早期动脉粥样硬化形成。类似地，缺乏LDLR的小鼠GDF15表达下调，斑块核心坏死区域面积和巨噬细胞浸润减少，这可能是由于C-C趋化因子受体2型表达减少所致^[44]。这些数据表明，在ApoE和LDLR小鼠模型中，GDF15可能促进动脉粥样硬化发生的发展。

Mazagova等^[45]研究发现，GDF15通过影响培养的人脐静脉内皮细胞中的内皮型一氧化氮合酶-小窝蛋白-1（eNOS-CAV-1）相互作用，损害了主动脉的收缩和松弛功能，诱发微血管疾病，从而导致心脏功能恶化。Ozcan等^[46]纳入化疗患者并开展研究，结果显示给予重组GDF15蛋白会加剧阿霉素的心脏毒性。

上述研究结果提示GDF15在心血管疾病中的作用是多方面的、存在争议的，其生物学效应可能与机体内环境、细胞类型、疾病阶段有关。目前除了适应性保护应答外，GDF15是否存在其他被掩盖的潜在致病机制尚不明确，这就需要对涉及的确切病理生理机制和具体信号传导路径进行更深入的探究。

3 GDF15参与的信号通路及其作用机制 3.1 GDF15表达的调节

整合应激反应（integrated stress response, ISR）是指在内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERS）、线粒体功能障碍等情况下，通过调控阻遏蛋白激酶2、蛋白激酶R、蛋白激酶R样内质网激酶和血红素调节抑制剂等4个关键激酶，诱导真核细胞起始因子2（phosphorylation of eukaryotic initiation factor-2α, eIF2α）磷酸化以及转录因子4（activating transcription factor 4, ATF4）活化介导的细胞适应性反应^[47-49]。ATF4与CAAT区/增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer-binding proteins，C/EBP）同源蛋白（C/EBP-homologous protein，CHOP）形成异二聚体，与DNA靶标结合以控制GDF15转录。

3.1.1 内质网应激诱导GDF15表达

ERS是一种保护性反应，它通过激活未折叠的蛋白质反应（unfolded protein response，UPR）来恢复蛋白质稳态。Zheng等^[50]证明了GDF15在介导缺氧引发的上皮-间叶细胞转化和结直肠癌细胞转移中扮演至关重要的角色。缺氧会导致ERS的激活并进而启动UPR途径，从而促使结直肠癌细胞中的GDF15表达。与前面的结果类似，Li等^[51]通过诱导小鼠肝细胞ERS激活UPR途径发现，血清和肝脏GDF15水平均显著升高。Xu等^[52]也得出了类似的结果，他们发现ERS诱导人胰岛β细胞中GDF15表达，以上研究结果揭示了一种新的C/EBPβ-GDF15-CHOP信号级联反应。

3.1.2 线粒体功能障碍诱导GDF15表达

线粒体作为人体最主要的供能细胞器，在许多生物过程中发挥关键作用。已有证据表明衰老可以改变线粒体功能^[53]。Conte等^[53]发现线粒体应激可以诱导有丝分裂因子GDF15的表达，并证明了GDF15的低血浆水平与健康老龄化有关。随着年龄的增长，线粒体功能逐渐受损，可能会导致GDF15水平的进一步升高。GDF15水平与病死率呈正相关，提示GDF15可能是预测生物年龄的标志物^[53-54]。这一假设得到了对唐氏综合征患者进行的有丝裂因子分析研究的有力支持（唐氏综合征的特征之一是早衰^[55]）。研究发现唐氏患者相对其健康亲人表现出更高水平的GDF15^[53]。此外，GDF15的产生也与低NAD/NADH比率有关，这也提示线粒体功能障碍对GDF15产生了影响^[56-57]。

AMP活化蛋白激酶（Adenosine 5‘-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）是调节线粒体功能的关键蛋白。Rena等^[58]使用三种不同的AMPK激活剂处理野生型、AMPK β1缺陷型和CHOP缺陷型小鼠，结果发现野生型和CHOP缺陷型小鼠肝脏和血清GDF15水平升高，而在AMPK β1缺陷小鼠中GDF15升高不明显，这提示AMPK的激活可增加GDF15表达。二甲双胍是一种常见的降糖药物，它不仅可以降低食欲，还对衰老和许多不同的疾病（认知障碍、癌症、心血管疾病）产生有益影响^[59-60]。研究表明，二甲双胍通过激活PERK-ATF4-CHOP通路和AMPK通路来促进GDF15的表达^[61]。此外，AMPK和GDF15之间存在正反馈回路，可加强二甲双胍的抗糖尿病作用^[62]。因此，GDF15的诱导作用是机体对线粒体激活的应激反应信号通路的一部分。

3.2 GDF15参与的信号转导

尽管学界普遍认为GDF15水平与心血管疾病发生和进展密切相关，但是对于GDF15在心血管系统中作用机制的认识仍处于起步阶段。GDF15作为一种外分泌蛋白，可与受体结合并激活下游信号通路。作为TGF-β超家族的成员之一，GDF15在受体、信号分子及受体后效应方面与TGF-β有相似之处，可以通过依赖或者非依赖SMAD的方式对下游信号分子产生影响^[63]。

3.2.1 SMAD依赖途径

SMADs家族蛋白在TGF-β入核的过程中起着关键作用。不同的SMAD介导不同的TGF-β家族成员的信号转导，发挥不同的作用。TGF-β配体与其受体复合物结合后，激活SMADs进入核内，共同激活或抑制它们调节的靶基因的转录。Heger等^[37]发现GDF15可通过介导SMAD1蛋白保护心肌细胞，使其免受不同的凋亡刺激，并发挥促心肌肥大作用。相反地，GDF15也可通过诱导SMAD2/3磷酸化抑制心肌肥大^[64]。Wehman等^[65]研究了利用间充质干细胞（MSCs）处理的右心室压力超负荷模型，以验证其对保留右心室功能并减弱心室重塑的影响。结果显示，在MSCs处理后的大鼠心肌细胞和猪右心室心肌中，GDF15及其下游效应物SMAD 2/3的表达增加。从机制上看，移植的MSCs可能刺激GDF15及其下游SMAD蛋白来拮抗压力过载引起的心肌肥大反应，进一步提示了GDF15可通过SMAD途径发挥作用。

3.2.2 非SMAD依赖途径

除了经典的SMAD依赖性通路以外，GDF15还可以通过非SMAD信号途径发挥作用，如MAPKs、TAK-1、NF-κB/JNK/caspase-3、PI3K/AKT等^[66-71]。研究表明，GDF15能通过非SMAD途径抑制NE诱导的表皮生长因子受体和下游激酶（AKT和ERK1/2）的磷酸化，从而影响心肌肥大程度^[41]。

综上所述，GDF15在生理及病理过程中起重要作用。在生理病理的各个阶段，GDF15表达变化会通过多条信号通路导致细胞展现不同的生物行为，这些效应与细胞类型相关并呈现多向性。GDF15确切的生理病理功能目前并不明确，它在不同细胞中的多向性作用尚未完全阐明，需要进行更多的研究来深入探讨GDF15在心血管疾病发生、发展和防治中的作用和意义。

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