自噬在心血管健康和疾病中的研究進展

張書虎 李甜甜

自噬是真核細胞中一種重要的生命現象與分解代謝過程,對包括心臟在內的各種器官的能量應激狀態敏感,主要有3種形式:巨自噬、微自噬和伴侶介導的自噬[1]。自噬的主要作用是將受損的細胞器和過量的生物大分子傳遞到溶酶體進行降解,并利用降解產物提供能量和重建細胞結構,在維持細胞穩態和生命活動方面發揮重要作用[2]。自噬過程分為3個部分:(1)自噬小體的起始和成核;(2)自噬小體形成的擴增和完成;(3)溶酶體的降解[3]。自噬作為一種降解途徑,平衡了大分子的生物合成和分解代謝,以保護機體免受癌癥、衰老、神經退行性變和心臟病等多種病理的影響。自噬不僅維持健康人群的心肌細胞內環境穩定,也參與各種心臟病的發病機制。近年來,大量的研究表明,重復或連續的刺激自噬也可能對特定的心血管疾病有益[4]。為此,本文對自噬在一部分常見和危及生命的心血管疾病方面取得的最新進展進行綜述。

1 糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是一種心肌特異性微血管并發癥,一般不合并冠狀動脈疾病、瓣膜病和高血壓[5]。在過去的幾十年里,隨著社會經濟的發展和生活水平的提高,肥胖和代謝紊亂的病人數量急劇上升,其中許多人會發展為2型糖尿病,而超過1/3的糖尿病病人合并糖尿病心肌病,且其發病率將持續增長[6]。由于高血糖環境中自由基的產生及脂肪酸的過度利用,糖尿病病人的心臟處于超負荷代謝狀態,心肌細胞的氧化應激負擔增加,導致線粒體功能障礙、凋亡和心肌細胞纖維化,阻礙心肌收縮和正常心臟功能,隨后出現心臟功能下降,并最終增加發生心力衰竭的風險[7]。研究發現,在接受冠狀動脈搭橋術的2型糖尿病缺血性心臟病病人的右心耳中,LC3B(一個廣泛使用的自噬標志物)陽性肌細胞、LC3BⅡ蛋白表達和自噬小體數量均顯著增加[8]。此外,糖尿病病人的心肌細胞內可見大量的自噬空泡,這也進一步說明自噬與糖尿病心肌病相關,但目前尚不清楚所觀察到的自噬空泡的增加是由于自噬小體形成的增加還是由于其降解的損傷。

Wang等[9]在1型糖尿病小鼠心臟中發現腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)表達上調,說明自噬在1型糖尿病心臟中被激活,且已被認為與糖尿病心肌病的舒張功能障礙和發病機制有關。1型糖尿病病人的糖脂毒性(如溶酶體相關膜蛋白2a、熱休克同源蛋白70、熱休克蛋白90)可通過降低溶酶體含量來削弱自噬體的清除能力,從而破壞心肌細胞的蛋白質穩態,中斷溶酶體蛋白水解活性以及轉錄因子EB和Tax1結合蛋白1(TAX1BP1)表達的失活/缺失,使心肌細胞發生損傷[10]。2型糖尿病中胰島素信號通路的損害會導致心臟自噬的激活,而肥胖則可以抑制自噬小體的成熟。盡管LC3BⅡ的表達仍然上調,但在晚期2型糖尿病小鼠的心臟中發現了自噬和溶酶體活性的降低。LC3BⅡ在心臟中的累積被認為與最終降解步驟中的自噬損傷有關[11]。SIRT1(一種組蛋白去乙酰化酶,具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性,在細胞生存、衰老、凋亡和代謝等生物學過程中扮演著重要角色)抑制和AMPK的表達被發現參與2型糖尿病病人心臟自噬的損害[12]。有研究表明,胰島素抵抗可導致自噬過度活化,從而影響2型糖尿病病人心肌細胞的存活[13]。

自噬在糖尿病心肌病中起著雙重作用:一方面可選擇性自噬本身受損的蛋白質聚集物和活性氧(reactive oxygen species,ROS),如心肌細胞受損的線粒體和過氧化物酶體,并恢復正常的心臟功能。此外,它還可以通過核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的激活來提高細胞的抗氧化能力[14]。另一方面,糖尿病心臟的自噬過度活化可導致自我消化并增加ROS的產生。因此,自噬的抑制和過度激活都可對糖尿病心臟產生病理影響。糖尿病心臟的自噬活性取決于多種因素,如血糖狀態、肥胖、胰島素水平、葡萄糖毒性、脂質毒性、氧化應激和炎癥等,這些因素通過一個復雜的生物網絡共同調節糖尿病心臟的自噬。因此,在1型或2型糖尿病心臟中的確切自噬狀態可能無法預測。大量證據表明,適量自噬水平有利于恢復心臟穩態,而自噬損傷和過度活化都可導致糖尿病心臟的結構和功能障礙[15]。探討自噬在糖尿病不同狀態/條件下的確切作用和調控,將有助于未來靶向自噬作為對抗糖尿病心肌病的治療選擇。

2 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥性疾病,其特征是在各種危險因素的影響下,內皮黏附分子在動脈內皮細胞中高表達,促進單核細胞向巨噬細胞分化,隨后轉化為脂質累積的泡沫細胞,形成脂質斑塊。動脈粥樣硬化的發病機制是這些巨噬細胞、脂質、膽固醇的累積,血管平滑肌細胞的遷移和增殖[16]。在動脈粥樣硬化斑塊形成涉及的所有細胞類型中(包括巨噬細胞、血管平滑肌細胞和內皮細胞)均能發現自噬功能失調,自噬和線粒體自噬不足觸發了炎癥小體的激活,最終導致斑塊的累積。盡管所有這些細胞類型的自噬失調都加速了斑塊的進展,但其潛在的機制是不同的。例如,巨噬細胞中的異常自噬是通過增加細胞凋亡和壞死來促進斑塊的不穩定性[17];相反,自噬缺陷的血管平滑肌細胞是通過衰老誘導促進斑塊形成[18];缺乏必要的自噬相關基因的內皮細胞同時表現出凋亡和衰老[19]。這表明自噬在動脈粥樣硬化的發生發展過程中起著細胞類型依賴的機制作用,對于研發合適的自噬依賴的動脈粥樣硬化治療方法具有重要意義。

動脈粥樣硬化中的自噬缺陷不是源于自噬體形成的破壞,而是源于溶酶體介導的降解損傷[20]。Zhang等[21]發現的人和小鼠的動脈粥樣硬化斑塊中巨噬細胞的自噬-溶酶體系統的功能障礙也印證了此說法。此外,晚期動脈粥樣硬化斑塊中嚴重的氧化應激和膽固醇晶體已被證明會破壞溶酶體膜,導致強酸性水解酶的胞質滲漏,從而加重動脈硬化[22]。他克莫司作為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)抑制劑,可增加斑塊中巨噬細胞的含量,導致斑塊的不穩定性。褪黑素可通過激活SIRT3/FOXO3a/Parkin依賴的線粒體自噬途徑減少炎癥,發揮穩定動脈粥樣硬化斑塊的積極作用[23]。通過海藻糖或基因過表達轉錄因子EB來逆轉斑塊巨噬細胞的自噬功能障礙,重新激活的自噬可減弱斑塊巨噬細胞的凋亡和促炎信號,有效緩解動脈粥樣硬化病變[24]。同樣,在體外試驗中,通過PTEN誘導激酶1(PTEN induce putative kinase 1,PINK1)或Parkin基因過表達來激活線粒體自噬可以保護心血管健康和疾病中暴露于致動脈粥樣硬化的血管平滑肌細胞[25]。這些發現共同表明,靶向自噬或線粒體自噬激活可能減少動脈粥樣硬化斑塊負擔,從而對動脈粥樣硬化性心血管疾病提供保護。

3 冠心病

冠狀動脈疾病(coronary artery disease,CAD)通常與動脈粥樣硬化相關,并可能導致心肌梗死,是世界范圍內發病率和死亡率高的主要病因。與CAD相關的心肌損傷分為缺血期和再灌注期,其均可觸發應激,激活心肌細胞自噬。在缺血期,氧氣和營養供應的下降減少了細胞內ATP的產生,導致AMPK激活和mTOR抑制,兩者都刺激自噬以維持細胞能量水平和保持心肌細胞的活力。包括海藻糖和亞精胺在內的多種可激活自噬的誘導劑已被證明可以限制心肌損傷和改善缺血損傷的心臟預后[26]。相反,通過藥物(如3-甲基腺嘌呤或巴佛洛霉素A1)或遺傳手段(如mTOR激活或AMPK抑制)抑制自噬會加重心肌梗死小鼠的心肌損傷,促進不良缺血性心臟重構。此外,在小鼠動物模型中,通過Parkin基因敲除減少線粒體自噬的實驗組比對照組對缺血性心臟損傷更敏感,且梗死面積越大,存活率越低。在再灌注過程中,盡管向缺血心肌補充了氧氣和營養物質,但仍有大量ROS聚積,這種過度的氧化應激導致再灌注過程中自噬的過度激活,從而通過引發心肌細胞死亡,并加劇再灌注損傷[27]。因此,自噬在缺血時促進細胞存活中起著二分式的作用。線粒體通透性的增加會促進自噬/線粒體自噬,導致線粒體過度螯合,但由于溶酶體相關膜蛋白2(一種高度糖基化的溶酶體膜內蛋白,參與維持溶酶體膜的完整性以及作為轉運受體協助蛋白進入溶酶體)水平降低,沒有足夠的溶酶體清除自噬小體。在體外試驗中,通過藥物抑制線粒體膜通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)可減少心肌的再灌注損傷[28]。

4 心肌肥厚和心力衰竭(heart failure,HF)

心肌肥厚是心臟對壓力和機械應力增加的典型早期適應反應,其直接原因是心肌細胞體積的增大。長期的慢性壓力會導致心肌細胞死亡和心臟不可逆損傷,最終發展為HF。HF的發病率與年齡相關,在70～80歲的人群中高達20%～30%。心臟自噬是一種適應性反應,可調節心肌細胞穩態,從而保護心臟免受血流動力學應激損傷。隨著年齡的增長,心臟的自噬和線粒體自噬減少,受損的線粒體不能被及時清除,導致各種線粒體蛋白的ROS過度產生和氧化損傷。自噬和線粒體自噬的增加被認為是心肌細胞的一種保護性反應。在體外HF小鼠模型中,通過TAT-Beclin 1肽重新激活自噬可以減輕小鼠的HF癥狀和改善線粒體功能障礙[29]。自噬的激活不僅通過線粒體來源的ROS激活AMPK,cAMP/PKA和MAPK/ERK1/2信號通路也可以激活自噬,由自噬增強引起的蛋白質穩態增加可以減輕心肌肥厚,延緩HF的進展[30]。綜上,自噬有望成為HF治療的新焦點。

5 總結與展望

任何干擾自噬體形成或溶酶體降解的因素都會導致心肌細胞和心血管系統中其他細胞的功能和穩態受損。自噬的細胞保護功能對于維持心血管健康和預防疾病至關重要。心血管疾病的高發人群為老年人,往往合并多種不同疾病,自噬激活在不同的病理中可能有不同的作用。未來的研究將需要確定自噬激活劑的長期影響,包括益處和潛在的不良反應,評估自噬的有益作用如何在人群中可重復地和大規模地實施,以便確定最適合未來臨床試驗的藥物。盡管本文綜述了自噬在心血管系統中的保護作用,但它實際上具有雙面性,即具有保護和致病的雙重作用,基礎自噬的過度激活也是有害的,這可能導致必要的細胞成分的降解,從而導致細胞死亡。綜上,自噬在心血管方面有廣闊的應用前景及價值,但仍面臨諸多挑戰,需要進一步研究以闡明其機制。