運動調節自噬改善心血管疾病預后的研究進展

吳長勇，保蘇麗，徐菲，彭云珠

心血管疾病是全球人類死亡的主要原因之一［1］，位于我國城鄉居民疾病死亡構成比首位，其中每5例死亡中就有2例死于心血管疾?。?］，因此需要有效的策略進行心血管疾病管理，改善患者預后。自噬是一種細胞內降解系統，普遍存在于細胞內，發揮著維持內環境動態平衡和防御的作用。正常水平的自噬保護細胞不受外界環境刺激，維持內環境穩態，而過度的自噬激活會導致另一種重要的細胞程序性死亡（被稱為Ⅱ型程序性死亡）［3］。近年來研究表明，自噬具有比預期更多的病理、生理學功能，如發育、細胞內蛋白質及細胞器清除、抗衰老、細胞凋亡、心臟重構、腫瘤抑制和抗原呈遞［4］。自噬是心血管疾病的重要調節機制，過度的自噬或自噬不足將導致心血管事件發生，最終誘導心力衰竭。因此，通過探究自噬的病理、生理功能及其相關信號通路的分子機制，并發現新型有效治療靶點，有益于預防心血管事件，改善心功能，提高患者生活質量。

目前，國內外指南均指出心臟康復是二級預防的重要指標［5-7］，且運動康復作為中心元素，有益于降低心血管疾病患者再入院率、死亡率及心血管事件發生率，改善患者心功能，提高心血管事件發生后的生存率［8-10］。另外，心肌梗死、缺血再灌注損傷、心力衰竭等心血管疾病研究證實，運動能減少心肌梗死面積、活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生及炎性反應，增加梗死灶周圍血管生成、減少心肌細胞凋亡，改善細胞基質合成、減輕心臟纖維化，最終改善心功能［11-12］。且運動可通過調節自噬水平維持內環境穩態，發揮適應性保護心臟作用。但目前運動改善心血管疾病預后的機制仍未充分闡述清楚。本文將從自噬及其主要信號通路角度總結運動調節自噬改善心血管疾病預后，現綜述如下。

以“exercise，sport，autophagy，cardiovascular disease，myocardial infarction，ncRNA”為英文關鍵詞檢索PubMed、Medline、Web of Science；以“運動，自噬，心血管疾病，心肌梗死，非編碼RNA”為中文檢索詞檢索中國知網、萬方數據知識服務平臺、維普網及中國生物醫學文獻服務系統。檢索時間為建庫至2022-04-07。文獻納入標準：涉及心血管疾病的病理機制、自噬及其相關信號通路、心臟運動康復的基礎研究及文獻研究。文獻排除標準：重復發表、數據記錄不詳細、文獻年代久遠、文獻質量差。

1 自噬概述以及其在心血管疾病中的作用

自1957年CLARK和ASHFORD首次發現自噬形成現象以來［13］，自噬在有機體的演變中發揮關鍵作用。自噬包括4個步驟：自噬的誘導、自噬小體的形成、降解和再利用［14］，每一步驟在不同細胞環境中發揮不同功能（圖1）。自噬調控過程涉及多種信號通路，其中較經典的是磷脂酰肌醇3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（PI3K-AKT-MTOR）通路、腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）通路，且AMPK通路對細胞生長及氧化應激損傷起重要作用。心肌缺血缺氧時，增加一磷酸腺苷/三磷酸腺苷（AMP/ATP）比值，激活AMPK途徑，抑制MTOR復合物1活性，誘導自噬，促進線粒體合成ATP，改善心肌能量代謝［15］。但MTOR通路調節自噬是雙向的，早期被抑制促進自噬產生，晚期被激活避免過度自噬。自噬小體成熟的一個重要步驟是招募ULK1激酶復合物和PI3K復合物穩定于自噬體膜上。ULK1復合物、微管相關蛋白3（LC3）和自噬相關基因ATG5-12-16L1在自噬體膜上相互作用促進自噬小體的成熟。TIAN等［16］發現pATG16L1s278與自噬小體形成的生物學作用及自噬誘導速率密切相關，且遵循LC3-Ⅱ的速率，這可能為自噬的誘導和調控開辟新途徑。除此外，ATG7募集LC3-Ⅰ到自噬體膜上，ATG5-12-16L1依賴的磷脂酰乙醇胺（PE）脂化為LC3-Ⅱ，對自噬體的成熟至關重要。成熟的自噬體與溶酶體融合成自噬溶酶體，在ATG、Lamp1、Lamp2、UVRAG等蛋白質協助一系列水解酶降解內容物，并回收用于蛋白質合成，維持細胞的能量代謝和質量守恒。

圖1 自噬過程概述及主要的信號通路機制Figure 1 Overview of the autophagic process and main signaling pathway mechanisms

心肌細胞是終末期分化細胞，再生能力有限。心血管疾病進展到后期將產生共同的病理變化即心肌纖維化，導致心功能障礙，最后發展為心力衰竭。而自噬通過降解折疊錯誤或功能失調的蛋白質及損壞衰老的細胞器可促進ATP產生，為心肌細胞提供能量，改善心肌細胞缺血缺氧，發揮保護性作用。因此，自噬維持對心肌細胞的穩態具有重要作用。自噬可保護機體免受腎上腺素或壓力負荷所致的心肌肥厚［17］。研究表明，全球每年約有65%心肌梗死患者表現為心肌纖維化性心臟重構［18］，缺血缺氧誘導自噬能防止細胞肥大，清除心肌細胞功能障礙的線粒體，增加內質網應激，維持線粒體數量，恢復心肌細胞能量代謝。隨著心血管疾病進展至心力衰竭階段，機體通過MTOR和內質網（ER）應激通路激活自噬，減少細胞凋亡與壞死，抑制心室重塑，改善心功能。但過度的自噬或自噬不足將導致心血管疾病惡化，有關終末期心力衰竭的研究發現，自噬過度增加是心肌細胞進行性損失的主要驅動力，廣泛發生細胞質破壞和核溶解，導致細胞壞死［19］，這可能是疾病惡化的原因之一。

進一步研究發現，非編碼RNAs（noncoding RNAs，ncRNAs）參與心肌細胞自噬的調節，是心血管疾病重要的調控因子之一［20-23］。ncRNAs是一類不編碼蛋白的RNAs，主要包括微小RNAs（microRNAs，miRNAs）、長鏈非編碼 RNAs（long noncoding RNAs，lncRNAs）和環狀RNAs（circular RNAs，circRNAs）等，其中miRNAs是一種長度約22個核苷酸的小分子單鏈RNA，具有高度保守性，主要機制是miRNAs通過堿基互補配對原則與靶mRNA的3'非翻譯區（3'UTR）結合，誘導靶mRNA降解或抑制其翻譯。在糖尿病心肌病中，miR-30c的耗竭與Becn1的誘導增強了糖尿病心肌細胞的自噬通量，且miR-30c直接結合到Becn1的3'UTR而抑制Becn1表達，進而改善心臟結構及功能［24］；通過miR-551b17/PCDH 17途徑促進心肌細胞自噬，減少心肌纖維化形成，改善心功能［25］。然而，在肥厚型心肌病中發現，miR-29族、miR-302-367族通過磷酸酶和張力蛋白同源物（PTEN）/AKT/MTOR信號通路抑制自噬，進而加重心肌肥厚，導致心功能障礙［26-27］。lncRNAs是長度大于200個核苷酸的ncRNAs，且根據其與鄰近編碼區基因組的相對位置關系，可分為6種類型：正義lncRNAs、反義lncRNAs、基因間lncRNAs、內含子lncRNAs、增強子lncRNAs和雙向lncRNAs。lncRNAs主要直接與蛋白質、DNA和miRNAs結合等相互作用而調節心血管疾病，但其生物學功能及分子機制尚未充分闡述清楚。LIANG等［28］報道lncRNA 2810403D2Rik/AK007586/Mirf（心肌梗死調節因子）海綿化miR-26a，靶向USP15激活自噬，減輕心臟損傷。此外，其余的lncRNAs，如lncRNA CAIF、lncRNA Chast和 lncRNA H19，也是調控自噬參與心血管疾病的重要因子［29-30］。然而，circRNA是一種新型的非線性內源性ncRNA，具有保守性好、穩定性高等特征，主要通過PI3K-AKT-AMPK等信號通路參與自噬調節。然而，因技術的局限性，ncRNAs特別是lncRNAs和circRNAs的研究主要通過體內實驗進行證實，仍存在動物與人類基因差異表達及是否對心血管本身存在嚴重不良反應等挑戰。

2 運動調節自噬改善心血管疾病

運動調節自噬是雙向的［31-32］（圖2）。自噬損傷和自噬水平的改變與多種疾病的發病機制相關。研究顯示在自噬缺陷的大鼠或患者中，自噬小體形成受損會使受損的線粒體、蛋白質清除不足，導致多器官功能障礙和其他嚴重的不良結局［33-35］。自噬性空泡肌病主要包括Pompe病、Danon病和X連鎖肌病伴過度 自 噬（X-linked myopathy with excessive autophagy，XMEA），其中XMEA是由VMA21基因中的一個插入缺失引起，其特征是緩慢進行性肌無力和肌肉活檢中過度自噬空泡的病理學表現，在XMEA患者肌肉檢測到溶酶體pH值增加和LC3陽性空泡，這與基因突變的預測功能缺陷相符［36-37］。而對于自噬不足引起的心血管疾病，運動能上調自噬水平。而對于自噬過度所致的心血管疾病，運動則抑制自噬，使其恢復正常的自噬水平及功能，延緩心血管疾病的進展。此外，運動還可減少心肌梗死面積、梗死區域血管生成、增加梗死邊緣區心臟特絡細胞和抑制炎性反應，改善心室病理性重構［38］。有氧運動通過上調AMPK活動來抑制MTOR的磷酸化，改善心肌細胞自噬水平，防止心肌細胞凋亡和心臟功能障礙，且單項運動也可通過激活叉頭轉錄因子（FOXO）3和缺氧誘導因子1激活心臟自噬，間接上調Beclin1表達［31］。除此外，有氧運動介導自噬通過熱休克蛋白70相互作用蛋白的羧基端發揮心臟保護性作用［39］。

圖2 運動誘導自噬的分子遞質有益于心血管疾病Figure 2 Molecular mediators used in the inducing of autophagy by exercise are beneficial to cardiovascular disease improvement

有研究顯示，運動可調節自噬水平或自噬通量，改善心功能，對心血管疾病有一定治療、指導作用［40］。在過度自噬的病理情況下，運動訓練降低自噬活性，阻礙心血管疾病的惡化［41］。心肌梗死后心肌細胞間質及細胞外基質增加導致心肌纖維化形成，而ROS的過度產生是主要病理機制之一。研究表明，氧化應激誘導Smyd1上調激活自噬，抑制心肌細胞間質增生和纖維化浸潤，發揮保護心臟作用［42］。而運動調節自噬清除心肌梗死后受損及衰老的線粒體，調整心肌能量代謝，改善心室重構，降低心血管事件的發生率［43-45］。不同的運動模式及強度對不同心血管疾病的保護機制仍未充分闡述清楚。通過建立心肌梗死小鼠模型進行跑臺、抗阻等不同運動訓練的研究表明，運動通過激活FNDC5/Irisin-PINK1/Parkin-LC3Ⅱ/L-P62信號通路上調線粒體自噬，增強抗氧化能力，抑制氧化應激，改善心功能［11］。關于心力衰竭動物及患者的研究表明，運動能改善心肌和線粒體自噬，提高射血分數及縮短分數，減輕心臟纖維化，改善心功能［46-48］。除此外，研究發現運動干預可刺激骨骼肌等遠端器官的FSTL1的表達，通過DIP2A-Samd2/3信號通路，抑制心肌梗死大鼠心肌纖維化形成，改善心功能，為心臟康復提供新的思路［49］。

除調節病理條件下的異常自噬外，有氧運動可以在不上調自噬通量的情況下維持心肌細胞自噬的穩態，發揮生理條件下的心臟保護作用，改善心功能。有研究表明，2月齡大鼠進行習慣性運動5個月后，與對照組相比，運動組的自噬通量未改變但LC3-Ⅱ蛋白增加，有助于提高細胞自噬能力和心肌細胞做功的效率［50］。健康老年人有氧運動8周后（運動組），其外周血單個核細胞檢測提示LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值、ATG12、ATG16和Beclin1蛋白表達水平顯著高于對照組，而P62、ULK-1蛋白表達水平下降，且運動組峰值攝氧量也增加［51］。老年人進行10周的運動干預訓練發現，沒有改變自噬相關基因表達及蛋白標志物水平，但在訓練2.5 h后發現LC3-Ⅰ增加，這可能與MTORC1活性增強抑制LC3-Ⅰ到LC3-Ⅱ脂化，從而抑制自噬有關［52］。此外，在一項進行了21周的抗阻運動訓練研究中發現，年輕男性的LC3-Ⅱ蛋白水平增加，而不是中老年男性［53］。總體來說，運動訓練可能是減緩衰老引起的細胞自噬下降的一個因素。

3 總結與展望

科學而有規律的有氧運動能提高機體的新陳代謝。近年來，運動對心血管疾病的保護作用越來越受到關注［54-55］。運動能提高心肌自噬水平，抑制心室重構，改善心臟功能。運動調節心肌自噬是雙向的、動態的，一方面運動可上調自噬水平和增強細胞能力，延緩細胞衰老和預防心血管疾??；另一方面，運動可抑制自噬，減少細胞凋亡和壞死，改善心室重塑，從而改善心血管疾病的預后。但研究也發現過度的自噬能損傷心肌細胞，甚至導致壞死程度增加［19］。

運動調節自噬在心血管疾病中發揮保護性作用，在進行心臟運動康復訓練中，考慮到個體差異，也存在相應問題：（1）目前在基礎與臨床研究中可采用呼吸代謝系統或心肺運動試驗檢測氧消耗（VO2）和二氧化碳產生（VCO2）來定量運動處方，但不同的運動強度對不同年齡組確保運動誘導自噬對心血管疾病是否有益？（2）給出運動處方時，應考慮急性期與慢性期，以及短期與長期運動訓練之間的區別，并且結合心臟康復模式，如居家心臟康復、社區心臟康復模式、醫院主導的心臟康復及混合型心臟康復模式，對這些問題的研究與探討，有助于更好地證實運動調控自噬在心血管疾病的獲益，并為創新型的臨床心臟運動康復提供更好的指導。然而，運動改善心血管疾病預后的機制仍未充分闡述清楚。目前研究表明，運動除介導自噬調控其相關信號分子外，ncRNAs特別是lncRNAs和circRNAs已成為心血管疾病中運動的重要調控因子，并有望成為生物標志物和新型靶向治療策略，但其生物學功能及分子仍在探索中。因此，發現新的有效治療靶點來預防心血管事件，改善患者的心功能及提高生活質量，為心血管疾病的生物學研究及臨床心臟運動康復提供循證醫學證據是至關重要的。

作者貢獻：吳長勇負責論文的構思和設計、文獻整理和撰寫論文、圖片制作；保蘇麗、徐菲負責文獻收集與整理；彭云珠負責文章的質控及審校，對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。