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北京市自然科学奖提名书

(2019年度)

一、项目基本情况

项目编号

I10-2019-Z006

项目名称

中文

炎症微环境在心力衰竭发病中的分子机制研究

英文

候选单位

首都医科大学附属北京安贞医院,北京市心肺血管疾病研究所,首都医科大学,大连医科大学附属第一医院

候选人

杜杰,李汇华,李玉琳,张聪聪,吴依娜,夏云龙,李平,王蕾,崔巍,王春筱,阚晓玉,阿希,马友才,王月丽

提名者

首都医科大学

联系人

矫娜

联系电话

********

提名等级

一等奖(含特等奖)

学科分类名称

1

心血管生理学

代码

********

2

病理生理学

代码

********

3

医学细胞生物学

代码

31017

任务来源

具体计划、基金的名称和编号

结题时间

国家杰出青年科学基金

心脏纤维化,编号********

2012年12月31日

国家自然科学基金重点课题

炎症微环境在高血压心脏纤维化发病机制中的研究,编号********

2017年12月31日

科技部“973”计划

环境代谢因素通过炎症免疫通路启动高血压发生的机制,编号2012CB********

2017年12月31日

项目起始时间

2013年1月1日

项目完成时间

2017年5月23日

成果登记号

********J019

是否涉密

 

二、项目简介(可公开宣传)

心血管疾病是引起我国居民死亡首要原因。

心力衰竭(心衰)是各种心脏疾病的终末阶段,5年病死率高达50%以上,治疗费用占高收入国家医疗总支出2-3%,已成为我国重大的公共卫生问题。

虽然近些年对传统的神经内分泌学说和心室重构学说进行了较深入的研究,但是,在临床心衰研究领域仍存在着发生机制不明确、有效干预靶点甚少、缺乏特效疗法等重大科学问题。

因此,该项目从心脏炎症微环境为切入点,深入系统地研究了炎症微环境建立和维持的关键分子通路、免疫细胞与心肌细胞相互作用的分子机制,发现了多个用于干预心衰发生的新靶点,并提出了“炎症微环境是调控心衰发生发展的重要机制”这一新学说。

主要创新性成果如下:

1.发现了炎症微环境建立是启动心衰发生的新机制:

发现在心衰发生早期,CXCR2+免疫细胞可大量释放炎性蛋白S100a8/a9,进而促进趋化因子和炎性因子的产生,促进心脏炎症微环境的建立和心衰发生;趋化因子CXCL1招募CXCR2+白细胞可在血管中聚集引起血压升高,进而导致心脏炎症反应和启动心衰发生发展。

因此,趋化因子-受体信号轴是启动炎症微环境建立和心衰发生的关键信号通路,提示早期干预炎症微环境是预防心衰发生的新策略。

2.揭示了炎症微环境中细胞互作网络是促进心衰发生的新途径:

发现单核/巨噬细胞通过释放关键炎症因子(IL-12、IL-17),刺激心脏成纤维细胞和内皮细胞功能损伤,进而加重炎症反应、促进胶原形成,导致心衰发生。

证实了免疫细胞-心脏细胞交互作用的新通路。

巨噬细胞可通过外泌体途径分泌miR-155调控成纤维细胞的活化及心衰的发生。

这些研究果为深入阐明心衰发病的机制提供了新依据。

3.证明了心脏微环境稳态的转录调控机制及其在心衰保护中作用:

发现成纤维细胞转录因子ATF3过表达可以通过抑制Map2K3活性,进一步阻断p38-TGFβ传导通路来保护心脏。

揭示了内源保护性转录因子ATF3抵抗心力衰竭发生的关键信号通路,为研究转录因子成为心血管疾病的治疗的新靶标提供了理论基础。

这些研究在国际高水平学术期刊包括循环、高血压、分子.治疗、心血管研究等发表SCI收录论文十余篇,其中代表性论文6篇,IF>20的论文2篇,1篇被Circulation杂志选为特色论文,4篇被杂志配发专题评论。

被N.Engl.J.Med.、PhysiolRev.、CirculationResearch等杂志多次引用。

搜狐等国内媒体给与高度评价和报道。

项目培养了国家杰出青年基金获得者1人,长江学者2人、北京市科技新星3人。

 

三、主要科学发现

3.1研究背景和总体思路

(1)研究目的和意义

目前世界范围内高血压、冠心病心肌梗死等心血管疾病发病率处于持续上升阶段。

心血管病的死亡率高居首位,高于肿瘤及其他疾病。

心血管疾病的共同特点是导致心脏损伤和修复,长期修复不良引起心力衰竭。

心力衰竭5年病死率高达50%以上,治疗费用占国家医疗总支出2-3%,已然成为我国重大的公共卫生问题。

但是目前临床上心力衰竭的治疗仅停留在对症治疗(增加心肌收缩力,减轻心脏负荷)阶段,而且存在反复发作和逐渐恶化的问题,缺乏有效的治疗心力衰竭的药物。

其主要的原因是由于这些心血管疾病导致心脏损伤,最终引起心力衰竭的分子机制尚不完全清楚。

因此,明确参与心血管疾病损伤心脏致心力衰竭的分子机制,寻找有效心肌损伤保护措施,可为心血管疾病及其并发症的临床防治提供潜在靶点,对提高具有重要的科学意义及临床价值。

(2)国内外相关科学技术现状

最早关于心血管疾病导致心力衰竭的研究支持一种“神经激素学说”的理论。

该学说认为导致心脏损伤的血流动力学的改变与神经内分泌系统持续激活共同作用导致了心力衰竭。

损伤早期,损伤的心肌激活交感神经可得到血流动力学的代偿,增强心肌收缩力,心率增快。

但过度激活交感神经可进一步激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统,其最主要的活性产物血管紧张素II可促进心肌细胞凋亡和肥大,最终导致心功能恶化。

20世界90年代中后期,有研究者指出心室重塑是心力衰竭发生发展的最根本机制,即“心室重构学说”。

宏观上表现为心肌重量、结构、功能和表型的变化、微观上的变化包括心肌细胞凋亡、肥大、收缩力降低,细胞外间质结构改变及相关蛋白的过度表达等、神经激素系统的激活能够加速促进心室重塑的发生,而心肌损伤和心功能的下降又加剧神经激素因子的分泌,最终加速心衰的发展。

然而近年来的研究发现,导致心室重构之一的心脏成纤维细胞不仅具有分泌细胞外基质(CollagenI,CollagenIII等)修复损伤的区域的能力,而且可以分泌大量的炎症因子,如IL-6,IL-1,TGF-1等。

而且损伤的心脏组织中有大量炎症细胞(巨噬细胞,中性粒细胞,T淋巴细胞和B淋巴细胞等)的浸润。

心力衰竭患者的血清中许多炎症因子如CRP、TNF-、IL-1、IL-6、MCP-1等显著增加。

因此有学者就这些发现提出了心脏损伤和心力衰竭是一种无菌性“炎症反应学说”。

深入的研究发现,构成心脏微环境的各种细胞及其分泌的细胞因子之间相互作用参与心脏重构和心力衰竭的发生。

成纤维细胞分泌的IL-1,IL-6可以促进单核巨噬细胞进一步分泌细胞因子。

单核/巨噬细胞和中性粒细胞可以通过吞噬作用清除损伤的心肌细胞、内皮细胞等,也可通过产生活性氧自由基或TNF-促进其他细胞的凋亡,通过分泌基质金属蛋白酶降解细胞外基质和促进其自身的迁移。

T淋巴细胞可继发性地调控血管收缩功能,促进高血压靶器官损伤,并促进水钠潴留加剧高血压,其中CD8+T细胞通过分泌IFN-,MCP-1等炎症因子加剧心脏炎症反应,进一步促进心脏损伤。

在前期研究的基础上,本研究团队创新性的提出“炎症微环境调控心衰发生”的新学说。

但是损伤心脏的病理信号如何被感应并建立心脏免疫微环境,心脏微环境中的炎症细胞如何与心脏实质细胞相互作用介导级联反应,最终影响心力衰竭的发生发展这些科学问题目前尚不完全清楚。

(3)项目研究的总体思路和方案

为了验证“炎症微环境调控心衰发生”这一假说,本项目通过建立高血压或心肌梗死这两种最常见的心血管疾病致心力衰竭动物模型,收取心脏组织进行转录组测序分析以选取关键因子(细胞因子,miRNA,转录因子等);通过流式分选或免疫荧光共定位的方法明确这些关键因子的细胞定位,通过使用全身或细胞特异性基因敲除小鼠和体内外细胞共培养试验检测对心脏损伤和心力衰竭的影响明确心脏微环境关键因子介导细胞之间相互作用调控心力衰竭发生的分子机制;通过腺病毒过表达、中和抗体,受体拮抗剂等手段阐明维持炎症微环境稳态对心力衰竭的保护性作用,从而为心血管疾病的防治提供新思路和新靶点。

3.2主要科学发现及其科学价值

(1)发现趋化因子CXCL1-CXCR2信号轴动员骨髓来源白细胞导致主动脉炎症微环境环境紊乱是高血压心力衰竭的起始机制,为高血压治疗提供新思路。

既往研究显示多种白细胞(如单核/巨噬细胞,T淋巴细胞和B淋巴细胞等)参与高血压的发病。

这些白细胞通常是受趋化因子及其相应受体介导从骨髓被动员入血,并随循环到达损伤部位。

但是动员白细胞至损伤部位的关键趋化因子是什么尚不清楚。

为了寻找关键趋化因子,我们对AngII灌注导致高血压小鼠主动脉组织进行转录组测序分析发现AngII显著上调趋化因子CXCL1及其受体CXCR2的表达。

为了明确CXCL1-CXCR2系统在高血压及心脏损伤中的作用,我们将CXCL1的特异性受体CXCR2敲除小鼠和对照小鼠制备高血压模型,发现CXCR2基因敲除小鼠几乎不发生高血压。

使用CXCR2拮抗剂预处理小鼠,也能阻断血管紧张素或醋酸脱氧皮质酮钠盐的升血压作用,证实CXCR2介导了高血压的发生。

流式细胞分析检测证实AngII灌注的小鼠主动脉组织中CD45+CXCR2+炎症细胞(主要是中性粒细胞和单核巨噬细胞)的浸润增加;使用DHE检测NADPH活性发现高血压小鼠的主动脉组织氧化应激反应增加;免疫组化染色和血管环牵拉功能实验证实小鼠主动脉结构被改变、舒张功能受损。

而CXCR2敲除小鼠主动脉组织中的炎症反应减轻,氧化应激水平降低,舒张功能较好,可能与不发生高血压相关。

进一步的骨髓移植实验证实,是CXCL1通过骨髓来源的白细胞表达的CXCR2介导了高血压诱因下骨髓白细胞的动员和向主动脉组织的浸润。

这些被动员到血管的白细胞通过加强炎症反应、促进氧化损伤,导致血管舒张功能受损,从而引起血压升高。

另外,研究还发现高血压患者的外周血中CXCR2+白细胞数目增加,并与血压呈正相关。

本研究的主要贡献:

1.首次证实了CXCR2+骨髓来源白细胞参与高血压的形成;2.明确了炎症微环境紊乱是心血管疾病最终导致心力衰竭的起始因素。

3.证明使用CXCR2拮抗剂抑制白细胞的招募可以阻止小鼠高血压的发生,为高血压性心力衰竭的免疫治疗增加了新思路。

本研究于2016年11月1日在医学顶级期刊《Circulation》(IF:

23.054)上发表论文,题目为“GeneticandPharmacologicInhibitionoftheChemokineReceptorCXCR2PreventsExperimentalHypertensionandVascularDysfunction”。

该论文获得Circulation杂志编辑的当期推荐,DavidHarrison教授对我们的工作进行了专题点评,认为我们的发现“为高血压是可能一个免疫性疾病的理论提供了支持,为高血压的治疗提供了新靶点”。

该发现点所属学科:

心血管生理学

(2)明确了中性粒细胞产生的S100a8/a9复合物是导致高血压时心脏炎症微环境稳态失衡的关键因素,证明中性粒细胞可作为高血压心脏保护的新靶点。

上一发现点的结果显示在CXCR2+的白细胞中,中性粒细胞占了较大比例。

传统观点认为在感染性疾病中中性粒细胞具有吞噬感染源以及损伤坏死的细胞的作用,但是在高血压心脏损伤这种无菌性炎症微环境中中性粒细胞扮演的角色是什么尚不清楚。

我们对不同时间点使用AngII灌注导致高血压的小鼠心脏组织进行转录组测序分析,发现AngII可促进中性粒细胞分泌S100a8/S100a9增加。

那么S100a8/a9在高血压心脏组织中发挥何种作用?

通过对S100a8/S100a9的受体RAGE进行细胞定位发现其受体表达于心脏成纤维细胞表面。

体外培养体系中,重组的S100a8/S100a9可通过RAGE受体激活成纤维细胞内的NF-B信号通路从而促进多种趋化因子(Cxcl1,Cxcl5,Ccl7,Cxcl10,Ccl2等)的表达,进一步促进各类炎症细胞向损伤心肌部位的招募,放大心脏炎症反应。

那么S100a9是否可以作为高血压导致心脏损伤的治疗靶点呢?

我们使用S100a9中和抗体在AngII灌注导致高血压的小鼠体内进行注射以阻断上调的S100a9的作用,发现S100a9中和抗体可以减少高血压小鼠心脏组织中NF-B信号通路的活化水平,减少中性粒细胞和巨噬细胞的心脏浸润,并抑制高血压导致的心脏损伤的程度。

本研究的主要贡献:

1.该发现点首次证明了中性粒细胞产生的S100a8/a9复合物是导致高血压心脏损伤时炎症稳态失衡的关键因素2.发现S100a9中和抗体的使用可以抑制高血压心脏损伤后炎症反应和心脏损伤,为未来抗心衰治疗提供新策略--早期干预炎症微环境。

本研究于2014年6月在循环系统的主流杂志《Hypertension》(IF:

7.017)上发表论文,题目为“S100a8/a9releasedbyCD11b+Gr1+neutrophilsactivatescardiacfibroblaststoinitiateangiotensinII-Inducedcardiacinflammationandinjury”。

同时该项研究得到《Hypertension》杂志配发的同期述评,认为我们的研究“首次证明中性粒细胞可作为高血压心脏保护的新靶点”。

该发现点所属学科:

心血管生理学,细胞免疫学

 

(3)阐明了巨噬细胞和γδT细胞相互作用促进成纤维细胞分泌炎症因子放大炎症反应

除中性粒细胞以外,高血压损伤的心脏组织中还有单核巨噬细胞和多种T淋巴细胞的浸润,包括CD4+T细胞,CD8+T细胞,调节性T细胞等。

炎症细胞浸润及其分泌的炎症因子构成炎症微环境,是高血压导致心力衰竭的关键病理事件。

细胞之间可通过旁分泌细胞因子的方式构成相互作用网络。

那么心力衰竭发生过程中构成心脏微环境的炎症细胞和心脏实质细胞之间的相互作用网络尚不完全清晰。

我们通过对AngII灌注不同时间点的心脏组织进行分析发现心脏白细胞介素17A(IL-17A)的表达和IL-17A+CD3+细胞浸润逐渐增加。

通过流式细胞内染色分析发现高血压心脏中的IL-17A主要来源于浸润的γδT细胞,而不是CD4+T细胞。

γδT细胞敲除或γδT细胞特异性中和抗体处理的心脏组织在AngII灌注下不产生IL-17A。

为了明确IL-17A上调的分子机制及其下游的作用机制,我们采用多种细胞交叉共培养的方法发现从γδT细胞产生IL-17A需要单核细胞分泌的IL-1β,而不是心脏成纤维细胞分泌的IL-6或TFG-β,另外γδT细胞产生的IL-17A可通过促进心脏成纤维细胞产生IL-6加速肌成纤维细胞的分化。

最后体内对IL-17A基因敲除小鼠的检测发现,IL-17A缺失小鼠的心脏组织中炎症细胞浸润、促炎症或促纤维化细胞因子表达显著减少,减缓了高血压性心力衰竭的发生。

本研究的主要贡献:

1.首次证明了T细胞参与高血压性心脏损伤和心力衰竭过程;2.明确了单核细胞分泌的IL-1β、γδT细胞产生的IL-17A、心脏成纤维细胞产生的IL-6三者之间形成正反馈回路,从而放大了心脏损伤时炎症微环境失衡;3.证明了γδT细胞祛除可以减缓小鼠高血压性心力衰竭的发生,为心力衰竭的预防和治疗提供了新思路。

本研究于2014年8月在循环系统的主流杂志《Hypertension》(IF:

7.014)上发表论文,题目为“TCell-DerivedInterleukin-17AviaanInterleukin-1β-DependentMechanismMediatesCardiacInjuryandFibrosisinHypertension”。

该研究并得到《Hypertension》杂志配发的同期述评,认为我们的研究证明了“γδT细胞分泌的IL-17A不仅促进高血压的发生而且调节高血压心脏重构过程”。

该发现点所属学科:

心血管生理学,细胞免疫学

(4)明确了巨噬细胞通过分泌细胞因子IL-12p35调控内皮细胞的血管新生

巨噬细胞可通过旁分泌细胞因子的方式,调控其他细胞的功能。

白细胞介素-12(IL-12)作为一种主要由巨噬细胞分泌的炎症因子,参与多种炎症性心血管疾病的发生发展。

在心肌梗死患者的血清中IL-12的水平显著升高,并与心力衰竭的发生呈正相关。

但是,IL-12在缺血性心力衰竭发挥的具体作用和分子机制并不清楚。

本研究通过发现在急性心肌梗死的模型中IL-12p35表达上调,并且IL-12p35是浸润到心脏组织中的单核细胞所分泌的;为了明确IL-12p35对心肌梗死后心脏损伤和心力衰竭的影响,我们使用IL-12p35基因敲除小鼠和对照小鼠建立急性心肌梗死模型,通过观察心功能和心脏修复的指标发现IL-12p35缺失可改善心肌梗死后的心脏功能和减少心脏纤维化。

为了明确IL-12p35的作用机制,我们分选出野生型小鼠和IL-12p35敲除小鼠的巨噬细胞,并进行转录组分析发现IL-12p35缺失引起巨噬细胞促进单核细胞促血管新生和抗炎的特性的改变。

IL-12p35敲除巨噬细胞分泌促内皮细胞形成新生血管的细胞因子的能力增强,并在小鼠下肢缺血模型中,促进缺血下肢的血管新生。

进一步我们使用IL-12p35的中和抗体观察对缺血性心力衰竭的治疗作用,发现IL-12p35中和抗体可以促进血管新生,改善梗死后的心功能。

本研究的主要贡献:

1.揭示心脏损伤和修复的病理过程中巨噬细胞旁分泌IL-12p35调控内皮细胞血管新生的作用机制。

2.发现IL-12p35中和抗体具有抑制小鼠心肌梗死后心脏重塑和心力衰竭的作用,为缺血性心力衰竭的治疗提供新靶点。

本研究于2016年2月在循环系统的主流杂志《CardiovascularResearch》(IF:

7.014)上发表论文,题目为“DeficiencyofIL-12p35ImprovesCardiacRepairafterMyocardialInfarctionbyPromotingAngiogenesis.”。

该发现点所属学科:

心血管生理学,细胞免疫学

(5)发现心脏微环境细胞之间相互作用的新途径-巨噬细胞分泌含miRNA的外泌体转移至成纤维细胞内,调控成纤维细胞的增殖和活化。

微小RNA(miRNA)是一类新的大约20-22个碱基的非编码RNA,与多种心血管疾病的病理过程相关,被认为是心血管疾病治疗和干预的新方向。

细胞内的miRNA不仅可通过下调靶标基因的mRNA或蛋白水平来发挥负向调控作用,也可被包裹在外泌体中实现细胞之间的传递,并介导细胞之间的相互作用。

那么包裹miRNA的外泌体是否可以作为心脏微环境中细胞之间相互作用的新途径呢?

我们的研究发现急性心肌梗死的小鼠心脏组织中miR-155表达显著增加。

使用流式细胞分选的方法将心肌梗死后心脏组织中的巨噬细胞、内皮细胞和成纤维细胞分选出来后检测miR-155及其前体在各类细胞中的表达以明确上调的miR-155的主要细胞来源,发现上调的miR-155主要存在于受损心脏的巨噬细胞和心脏成纤维细胞中,但其前体pri-miR-155仅在巨噬细胞中表达,提示miR-155的主要细胞来源是巨噬细胞。

进一步体外共培养实验发现miR-155可通过巨噬细胞来源的外泌体转移到心脏成纤维细胞中。

为了明确miR-155的作用靶点,我们通过targetscan软件预测和荧光素报告酶实验证实miR-155的靶基因是SOS1和SOCS1。

含有miR-155的外泌体或miR-155模拟物可通过下调SOS1的表达来抑制心脏成纤维细胞增殖,并通过降低SOCS1的表达抑制成纤维细胞中促炎性细胞因子的表达,而miR-155抑制剂可逆转这些效果。

为了明确miR-155对心肌梗死后心力衰竭的影响,我们使用miR-155基因敲除小鼠和对照野生型小鼠制备小鼠心肌梗死模型,发现与野生型小鼠相比,敲除小鼠表现出心脏破裂的发生率显著降低和心脏功能改善的表型,但是给予miR-155敲除小鼠输注野生型巨噬细胞的外泌体则加重了心力衰竭程度和增加死亡率。

本研究的主要贡献:

1.证明了巨噬细胞可通过外泌体这一新的旁分泌途径调控心脏成纤维细胞的活化过程;2.首次报道将敲除miRNA-155的外泌体转移至小鼠体内可以减少急性心肌梗死后的不良事件(心力衰竭,心脏破裂,死亡等),提示未来miR-155抑制剂(即miR-155antagomir)有可能成为预防心力衰竭等相关不良事件的新型治疗剂。

本研究于2016年11月1日在《MolecularTherapy》(IF:

8.402)杂志上发表论文,题目为“Macrophage-Derivedmir-155-ContainingExosomesSuppressFibroblastProliferationandPromoteFibroblastInflammationduringCardiacInjury”。

该发现点所属学科:

心血管生理学,细胞免疫学

(6)发现成纤维细胞中的ATF3是维持心脏微环境稳态关键转录因子。

基因表达调控维持机体生理稳态,转录因子是调节基因表达的枢纽。

作为心脏的重要的细胞成分,损伤激活的成纤维细胞可转分化为肌成纤维细胞,具有分泌细胞外基质(CollagenI,CollagenIII等)的能力,修复损伤的区域。

同时在心脏损伤后修复期,心脏成纤维细胞的过度激活产生的过多的促炎因子和细胞外基质会增加心室壁僵硬度,不利于心功能的维持,进一步加速心力衰竭的发生。

那么维持心脏微环境稳态的转录调控机制是什么呢?

本研究通过无偏差的分析两种高血压性心衰动物模型的心脏转录组数据,并结合肥厚性心肌病患者心脏组织的免疫荧光染色证实AngII可上调成纤维细胞中的转录因子ATF3。

为了明确成纤维细胞中ATF3对心力衰竭的影响,我们构建了全身或成纤维细胞特异性敲除ATF3的小鼠,并检测了其心功能和心室重构的变化,发现心脏中成纤维细胞特异来源的转录因子ATF3具有抑制心肌肥厚和心力衰竭的作用。

为了明确ATF3的作用分子网络,我们通过染色质免疫共共沉淀后测序发现,转录因子ATF3与组蛋白HDAC4共同作用靶向调控MAP2K3-p38信号通路,从而抑制成纤维细胞促炎性因子和和促纤维化因子的表达。

为了探索转录因子ATF3是否可作为高血压心力衰竭的干预靶点,我们通过建立miRNA辅助/慢病毒递送系统,实现了在心脏成纤维细胞特异性递送ATF3,并且发现该系统过表达ATF3后可有效阻止高血压性心肌肥厚和心力衰竭的发生。

本研究的主要贡献:

1.发现ATF3是维持心脏微环境稳态的核心转录因子,并完善了成纤维细胞激活促进心力衰竭的致病机制;2.在国际上首先确定了ATF3负向调控MAPK信号通路从而抑制成纤维细胞的激活,从分子水平揭示了心脏成纤维细胞活化的精细调控;3.研制了细胞靶向性基因导入技术,论证了体内心脏成纤维细胞特异性导入ATF3抑制心力衰竭的可行性,为抗心衰药的研发提供了新靶点和新手段。

本研究于2017年3月1日在医学顶级期刊《Circulation》(IF:

23.054)上发表论文,题目为“CardiacFibroblast-SpecificActivatingTranscriptionFactor3ProtectsAgainstHeartFailurebySuppressingMAP2K3-p38Signaling”。

并且JenniferDavis教授的对我们的工作进行了专题点评,本论文被Circulation杂志选为特色论文,并且本文作者受到该杂志编辑的文稿采访,作为研究新亮点上传在Circulation网站。

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