內質網應激在甲基苯丙胺使用障礙中的研究進展*

魏 濤,焦東亮

(1.蚌埠醫學院精神衛生學院,安徽蚌埠 233030;2.淮南市第一人民醫院護理部,安徽淮南 232007)

甲基苯丙胺(methamphetamine,METH)俗稱“冰毒”,是全世界最常使用的苯丙胺類興奮劑之一,其不僅能夠激活大腦的獎賞通路,引起強烈的快感,還可導致復雜的生理反應,包括血壓升高、高熱、抽搐等[1-2],而長期使用則會對神經系統產生較為廣泛的影響,包括記憶力減退、執行功能下降、精神錯亂和依賴性等[3-5]。METH導致神經毒性的機制較為復雜,目前多從氧化應激、細胞凋亡、炎癥反應及線粒體應激等方面進行研究,越來越多的證據表明,內質網應激也參與了METH誘導神經毒性作用[6-7]。為了充分了解內質網應激在METH誘導的神經毒性中的機制,本文綜述了內質網應激和氧化應激及炎癥反應在METH誘導的神經毒性中的作用,并討論了可用于減輕內質網應激、緩解METH誘導的神經毒性損害的治療策略,以期為METH使用障礙機制的探索及新的靶點藥物的研發提供新的思路。

1 內質網應激與未折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)

內質網是細胞內蛋白質合成、折疊、修飾及鈣存儲的主要場所,在各種病理生理條件下,如自噬不足、泛素化受損、蛋白酶體降解、氧化應激、炎癥、鈣離子失調等,都會破壞內質網的穩態,導致錯誤折疊蛋白質的積累,進而誘發細胞強烈的內質網應激[8-11]。在這種應激條件下,UPR信號轉導系統被激活,以解決應激并恢復內質網穩態。UPR信號轉導途徑包括由3種內質網定位受體[蛋白激酶R樣內質網激酶(protein kinase R-like ER kinase,PERK)、激活轉錄因子6(activating transcription factor 6,ATF6)和肌醇需求酶1(inositol-requiring enzyme 1,IRE1)]介導的3個信號分支[12-14],旨在通過修改細胞轉錄和翻譯程序來解決內質網的蛋白質折疊缺陷。在正常生理條件下,PERK、ATF6、IRE1與內質網伴侶蛋白[葡萄糖調節蛋白78(glucose-regulated protein 78,GRP78)]緊密結合,并保持在非活性單體狀態,當各種原因導致的未折疊或錯誤折疊蛋白在內質網內積累時,GRP78與PERK、ATF6、IRE1解離并誘導其激活,使其能夠觸發UPR信號傳導來增強內質網的蛋白折疊能力,抑制新生蛋白的合成并促進錯誤折疊蛋白的降解,維持內質網穩態[15-17]。UPR是細胞應對內質網應激的一種自我保護機制,其主要由以下3個下游信號轉導途徑組成。

1.1 PERK信號通路

PERK是真核細胞翻譯起始因子2α(eukaryotic translation initiation factor 2α,eif2α)的激酶,當感受到內質網應激信號后,會特異性地磷酸化其下游的eif2α,抑制蛋白質的翻譯,以降低內質網蛋白質負荷[12,18]。如果持續的內質網應激未能得到解決,PERK則通過促進激活轉錄因子4(activating transcription factor 4,ATF4)介導的C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)的表達而啟動細胞凋亡程序[19-20]。

1.2 IRE1信號通路

IRE1被激活后發生寡聚化和磷酸化,從而發揮其激酶活性,誘導細胞質轉錄因子X-box結合蛋白-1(X-box binding protein 1,XBP1)剪切成剪切體XBP1-s。XBP1-s可以上調內質網中與蛋白易位、折疊和分泌相關的基因,并激活內質網相關蛋白降解(ER-associated degradation,ERAD)基因的表達,清除內質網中未折疊的蛋白質以恢復內質網的穩態。此外,XBP1-s能促進內質網伴侶蛋白GRP78的表達,以緩解應激反應,從而恢復細胞內環境穩態,因此XBP1-s和GRP78表達的增加也常常被看作內質網應激的重要標志[21-22]。

1.3 ATF6信號通路

在內質網應激條件下,ATF6與GRP78分離后被轉移到高爾基復合體上裂解形成活性轉錄因子,活性剪切后的ATF6進入細胞核誘導GRP78和XBP1的轉錄來降低蛋白質的積累[23],同時,ATF6還可參與IRE1α信號通路及激活CHOP等引發細胞凋亡[24]。

2 內質網應激與METH

2.1 METH誘導的內質網應激與氧化應激相互作用

METH可以誘導細胞內活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產生[25],而過量產生的ROS不僅會消耗細胞內的谷胱甘肽,破壞內質網腔中的氧化還原狀態,還會破壞內質網的功能,導致內質網腔中未折疊或錯誤折疊蛋白的積累,誘發內質網應激[26]。在內質網應激期間未折疊或錯誤折疊蛋白質的積累也會導致產生過量的ROS,當ROS的產生超過細胞的抗氧化防御能力時會誘發氧化應激,并對蛋白質的合成和內質網穩態產生負面影響,進而加重內質網應激[27]。此外,METH可通過下調核因子相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor2,Nrf2)的表達來抑制Nrf2介導的抗氧化應激[28],進而可能導致了內質網應激和細胞凋亡[29]。因此,內質網應激與氧化應激之間的相互作用在METH引發的神經毒性中起著重要作用。內質網應激能夠誘導產生ROS,致使氧化應激加劇,而氧化應激又能夠進一步導致內質網應激的增強。這種相互作用會引發一系列的細胞內環境紊亂,如線粒體功能障礙、DNA損傷、炎癥反應等,最終導致神經元的損傷和凋亡。因此,在METH使用障礙的防治中,內質網應激和氧化應激之間的相互作用需要得到重視,目標是通過干預這兩種機制的調節,維持細胞內環境的穩定,從而保護神經元免受損傷。

2.2 METH誘導的內質網應激與炎癥反應相互作用

內質網應激與炎癥反應之間存在相互作用,且這種相互作用在METH誘導的神經毒性中發揮了重要作用。具體來說,METH的濫用導致細胞內METH及其代謝產物的大量積累,這些物質干擾了內質網功能,使內質網無法正常折疊和修復蛋白質。在這種情況下,內質網應激發生,并激活轉錄因子核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路。NF-κB進一步促進炎癥因子的產生和釋放,如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素(interleukin,IL)-1β及促炎細胞因子IL-6等,引發炎癥反應[30],并增加神經元受損的程度。此外,當細胞受到內質網應激時,部分內質網結構斷裂、散布在細胞質中,并與泛素連接酶系統進行結合,觸發細胞自噬機制[31]。細胞自噬是一種細胞自我保護的機制,可以通過降解異常蛋白和損傷的細胞器來清除細胞中的有害物質。然而,當內質網應激過度或持續存在,超過細胞的清除能力時,將導致無法及時清除積累的異常蛋白和有害物質,加重細胞損傷和炎癥反應,誘導細胞凋亡的發生。相反,炎癥也可以誘發內質網應激反應。研究發現,在炎癥反應過程中,促炎細胞因子如IL-1β、IL-6和TNF-α可以通過與細胞表面受體結合,激活一系列的信號轉導通路,觸發內質網應激反應[32]。總之,內質網應激與炎癥反應之間存在復雜的相互作用機制。一方面,內質網應激可以激活NF-κB信號通路,促進炎癥因子的產生和釋放。另一方面,內質網應激還可以通過觸發細胞自噬機制,引發炎癥反應。但這些相互作用關系的異常調節可能導致炎癥反應過度,從而對機體健康產生不良影響。因此,了解內質網應激與炎癥反應之間的相互作用對理解METH引起的神經毒性具有重要意義。這一研究成果有望為尋找新的治療策略和干預手段提供理論基礎,從而減輕METH對神經系統的損害。

2.3 METH誘導的內質網應激與細胞凋亡相互作用

內質網應激與細胞凋亡是兩個關鍵的細胞過程,它們可能在METH誘導的神經損傷中發揮著重要作用。METH進入細胞后能夠干擾內質網的正常功能,導致內質網應激發生。為了應對這種應激,細胞通過調節一系列相關的信號通路和分子,如非編碼RNA、翻譯后修飾、磷酸化等,來激活細胞凋亡信號通路。具體來說,內質網應激會導致內質網蛋白合成和折疊異常,從而觸發UPR,進而激活一系列內質網相關蛋白的降解和轉錄因子的活化[33-34]。這些轉錄因子進一步調節下游基因的表達,包括細胞凋亡途徑的調節因子,如含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase)家族蛋白等凋亡相關蛋白的上調,最終導致細胞凋亡的發生[35]。相關研究還表示,高劑量METH干預后,在小鼠前額葉皮層、海馬、伏隔核、腹側被蓋區等多個腦區檢測到內質網應激標志物的表達增加,并發現細胞凋亡調控相關的CHOP表達增加[6,36-37]。此外,一些激酶如PERK和IRE1α,也參與了內質網應激誘導的細胞凋亡過程中的信號傳導[38-39]。

綜上所述,內質網應激在METH誘導的神經損傷中通過調節一系列相關的信號通路和分子,參與了細胞凋亡的發生,見圖1。

圖1 METH誘導內質網應激和細胞凋亡的分子通路

3 減輕METH誘導的內質網應激的治療策略

3.1 提高細胞糾正未折疊蛋白質的能力

誘導內質網應激發生的初始因素是錯誤折疊或未折疊蛋白質的增加,因此提高細胞折疊蛋白質和糾正錯誤折疊蛋白質的能力可能有助于減輕METH誘導的神經毒性作用。目前,已經發現許多小分子物質如偶氮酰胺、 GRP78誘導劑等,可以提高內質網的蛋白折疊能力,激活內質網伴侶,保護細胞免受內質網應激[40],但此類小分子物質能否用于緩解METH所致的神經毒性仍有待進一步的研究。

3.2 通過調控氧化應激和炎癥反應減輕內質網應激

3.2.1叔丁基對苯二酚(tert-butylhydroquinone,TBHQ)

TBHQ是一種酚類抗氧化劑,它不僅能夠清除自由基,而且還可以激活Nrf2信號通路,并在多種細胞和組織中發揮明顯的抗氧化活性。研究發現,TBHQ還可以通過PERK/Nrf2通路抑制氧化應激,進一步減輕METH誘發的內質網應激[41]。可見,TBHQ在調節氧化應激和內質網應激相互作用機制中具有重要意義。

3.2.2褪黑素

褪黑素是由松果體合成和分泌的一種神經激素,它不僅能夠調節機體的睡眠和晝夜節律外還具有抗氧化能力。研究表明,METH可通過激活內質網應激相關蛋白的表達,進一步激活下游的caspase-12和caspase-3,最終引起細胞發生不可逆的凋亡,而褪黑素可以逆轉這一變化[42]。WONGPRAYOON等[43]在SH-SY5Y細胞中也同樣證明,褪黑素(1 μmol/L,2 h)預處理可減弱METH(1.5 mmol/L,24 h)誘導的內質網應激相關基因的過表達及caspase-12和caspase-3的活化,還可以阻止METH介導的神經元凋亡。這些結果表明褪黑素可通過抑制內質網應激減輕METH引起的神經損傷。

3.2.3硫氧還原蛋白1(thioredoxin-1,Trx-1)

Trx-1是一種氧化還原調節蛋白,它通過內質網和線粒體介導途徑在抑制細胞凋亡方面發揮著重要作用。YANG等[37]發現,在METH(2.5 mg/kg)誘導的條件位置偏愛模型中,Trx-1可以抑制C57BL/6小鼠腹側被蓋和伏隔核中GRP78、CHOP、Bax表達水平的增加,同時提高了Procaspase-3、Procaspase-12和Bcl-2的表達。此外,Trx-1還可通過調節內質網應激和氧化應激及炎癥途徑來抑制METH介導的脊髓脫髓鞘[44]。這證明了Trx-1對METH所致的內質網應激和神經毒性具有保護作用。

4 小結與展望

METH使用障礙已經成為一項嚴重的公共衛生負擔,對臨床醫生來說是一個挑戰,對研究人員而言也是一個亟待解決的難題。因此,針對METH使用障礙機制的探索及靶點藥物的研發刻不容緩。研究發現,METH誘導的內質網應激與氧化應激、炎癥反應和細胞凋亡相互作用,并廣泛參與了METH誘導的神經毒性過程。因此,通過提高蛋白質的折疊能力及調控氧化應激和炎癥反應來緩解METH誘導的內質網應激或可為減輕METH神經毒性作用,降低METH使用障礙的重要舉措。UPR信號通路在緩解內質網應激方面起著非常重要的作用,內質網穩態可以通過UPR降解錯誤折疊的蛋白質,抑制翻譯及增加內質網伴侶蛋白的表達來恢復,從而增強內質網蛋白質折疊能力。然而,激活UPR信號通路緩解內質網應激以改善METH使用障礙的確切作用機制仍不清楚,且目前還沒有發現可直接用于METH神經毒性的治療藥物。因此,在疾病發展過程中明確激活和延長UPR信號的機制將有助于發現METH使用障礙的新的治療靶點。

目前尚有以下幾個問題需要進一步展開研究:(1)雖然許多研究表明內質網應激參與了METH誘導的神經毒性作用,但迄今為止,還沒有關于通過直接糾正未折疊蛋白來治療METH使用障礙的報道;(2)目前尚不清楚哪些蛋白質會因METH毒性作用發生錯誤折疊,以及這些未折疊或錯誤折疊的蛋白質的降解會產生何種生理效應;(3)在大多數早期的研究工作中,UPR活性和內質網分子伴侶水平常被用作內質網應激發生的間接標記物,然而,這些參數可能會被其他應激因素改變,且UPR信號通路可以獨立于內質網應激而被激活。因此,需要開發新的、有效的內質網應激檢測技術來應對這些挑戰。