cGAS-STING通路與雙心疾病的關系及中醫藥干預研究*

王倩倩,曹珊

河南中醫藥大學,河南 鄭州 450046

雙心疾病即心血管疾病與不同程度的精神疾病并存,臨床中多為冠心病伴焦慮抑郁者,主要表現為胸悶痛、心慌、憂慮不安、恐懼、睡眠障礙等,呈陣發性加重[1]。該病發病率高,致殘率高,疾病負擔重,嚴重危害患者身心健康,整體防治形勢緊迫,已引起國內外學者的高度重視。目前,雙心疾病的病理生理機制尚未完全闡明,雙心疾病之間的聯系涉及生物學(自主神經系統功能障礙、炎癥、脂質模式異常、氧化應激和血小板反應性增加等)、行為學、心理學和遺傳機制(基因位點的潛在多效性效應)等。其中,生物學機制中的炎癥反應與其他作用機制之間有著千絲萬縷的聯系[2]。現有研究發現:(1)白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)以及腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等炎癥生物標志物水平的升高可預測心血管疾病事件,且在精神疾病患者中亦存在升高現象[3];(2)非甾體抗炎藥(non-steroidal anti-inflammatory drugs,NSAIDs)具有一定的抗心血管不良反應及抗抑郁作用[4-5];(3)冠心病、精神疾病等屬慢性低度無菌炎癥性疾病[4,6]。由此,表明雙心疾病的發生發展過程與炎癥具有密切關系。

cGAS-STING是機體重要的宿主先天免疫防御系統相關炎癥反應通路,已成為感染、細胞應激和組織損傷環境中炎癥的關鍵介質。研究表明,自體胞質中異常DNA的反應和cGAS-STING通路的異常或過度激活與許多神經退行性及炎癥性疾病相關[7]。炎癥小體是在先天免疫中發揮核心作用的蛋白質復合物,炎癥小體信號可引起半胱天冬酶-1的激活并增加TNF-α和IL-1β的分泌,而TNF-α和IL-1β是小膠質細胞中的炎性細胞因子,與抑郁癥狀具有一定的聯系[8]。同時,心血管疾病、衰老、帕金森綜合征等相關性疾病與慢性無菌性炎癥因子具有相關性。有學者發現,衰老會導致免疫系統功能衰退,在老年人群中,TNF-α、IL-1和IL-6等炎性細胞因子低水平緩慢增加,老年人這種輕度慢性炎癥被稱為“炎癥”,是老年人的健康指標之一[9]。目前,cGAS-STING通路的傳導失調以cGAS-STING(TBK1)-NF-κB通路軸下游所產生的 TNF-α、IL-6、IL-1β等炎癥因子及cGAS-STING-TBK1-IRF3通路軸下游所上調的I型干擾素研究頗多,證明其通路傳導失調與神經性疾病、心血管系統疾病等具有緊密聯系。

1 cGAS-STING信號通路簡介

cGAS-STING信號通路是以cGAS對異常細胞質DNA發生反應,直接或間接刺激干擾素基因刺激因子(stimulator of interferon genes,STING)釋放I型干擾素(IFN-α和IFN-β)和產生其他促炎細胞因子,使細胞和有機體穩態失衡[10]。STING是一種先天免疫大分子,為內質網(endoplasmic reticulum,ER)的主要受體結構跨膜蛋白質[11]。首先,cGAS識別dsDNA后被激活,以胞漿內ATP和GTP為原料激活次級信使環鳥苷單磷酸-腺苷單磷酸酯(cyclic guanosine adenosine monophosphate,cGAMP)合成而發生活性點構變;其次,cGAMP與STING相互作用,并在ER上激活STING,隨后,STING從ER轉移到ER-高爾基體中間室(ER-Golgi intermediate compartment,ERGIC),然后轉移到高爾基體;再次,STING招募TANK結合激酶1(TANK binding kinase 1,TBK1),促進TBK1在高爾基體中的自磷酸化,啟動下游信號級聯反應。最后,活化的TBK1與STING的復合物進一步招募IRF3以對其進行磷酸化,促進其二聚化,誘導I型干擾素與NLRP3的表達;另一條常見通路是STING本身促進NF-κB活化,或者STING與TBK1結合后,通過TBK1-IKKα/B激酶觸發NF-κB活化而產生TNFα、IL-6、IL-1β等炎癥因子[12]。各信號通路之間相互交錯,具有一定的關聯性。因此,調節機體不同臟器組織中的 cGAS-TING相關通路可一定程度上發揮抗抑郁、抗動脈粥樣硬化作用。

2 cGAS-STING信號通路與雙心疾病的相關性

隨著研究的深入,越來越多的學者認為炎癥可能是精神疾病和冠心病的共同病因[13-14]。疲勞、快感缺乏、厭食、社交互動減少等疾病行為的存在可能是影響情緒和心血管調節的關鍵因素。疾病行為對免疫系統的激活具有促進作用,促使促炎細胞因子產生[15],而cGAS-STING信號通路在過度應激時所產生的I型干擾素、IL-6及TNF-α等將這些不良行為轉化為一系列炎癥反應,對雙心疾病的發病起著重要作用[16-17]。研究發現,小鼠在急性心肌梗死情況下,缺血心肌細胞鄰近的cGAS-STING信號通路被過度激活,刺激 TBK1-IRF3途徑產生異常IFN-1,對小鼠心肌梗死后的心臟愈合有害[18];同時,通過cGAS-STING-IKKα/β-NF-κB產生的促炎細胞因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)被釋放到體循環中[19],對心臟產生二次傷害,且可能作用于中樞神經系統,誘發抑郁及內分泌和自主神經失調的體征及癥狀[20]。Smith等[21]最初提出了抑郁癥的巨噬細胞理論,認為IL-1、TNF-α和干擾素等的過度分泌有助于抑郁癥的發生。有學者發現,以TNF-α和干擾素α、IL-1β等治療免疫系統疾病可誘導抑郁體征,如疲勞、精神運動遲滯、睡眠障礙、易激惹、食欲減退等疾病行為[17,22]。在冠心病的發生發展過程中,激活cGAS-STING信號通路可產生大量異常的IFN-1、TNF-α、IL-6、IL-1β等炎性因子進入循環系統,作用于神經系統,誘發抑郁前兆。而抑郁患者的疾病行為使體內IFN-1、IL-6、IL-1β和TNF-α等炎性因子的表達不一致,已成為冠心病發病的危險因素。由此可見,cGAS-STING信號通路對雙心疾病的調節具有重要作用。

3 cGAS-STING信號通路在雙心疾病中的潛在靶點

外源性dsDNA(病毒和細菌)、內在dsDNA(nDNA和mtDNA)和其他病原體識別受體后,可能通過激活cGAS-STING信號通路導致或加重雙心疾病的癥狀。參與冠心病或抑郁癥的cGAS-STING通路,如TBK1-IRF3-1型干擾素或NLRP3炎癥小體、TBK1(TBK1-IKKα/B)-IRF3-NF-κB的表達可促進炎癥細胞因子的產生。此外,研究表明,cGAS-STING的過度激活與細胞自噬、線粒體損傷、內質網應激等細胞穩態過程密切相關[16],這些細胞過程可能參與雙心疾病的發生發展。因此,cGAS-STING信號通路與雙心疾病聯系密切,深入靶向cGAS-STING路徑有望為雙心疾病的治療尋求新的切入點、突破口。

3.1 cGAS-STING信號通路和線粒體線粒體是一種動態雙膜細胞器,廣泛分布于人體中,具有特殊的能量代謝功能,與心血管疾病、情感障礙類疾病相關。研究表明,心臟系統是一種富含線粒體和代謝活性的器官,是體內分子氧的高耗能基地[23]。線粒體為心肌細胞的源動力,若線粒體受損,則 mtDNA 調控水平下降,影響心肌細胞線粒體結構的完整性,使能量代謝紊亂,線粒體應激,cGAS-STING 通路被過度激活,釋放大量的I型干擾素和促炎細胞因子。另有研究表明,情感障礙類疾病患者體內的線粒體數目明顯缺失,可能與發生氧化應激期間活性氧(reactive oxygen species,ROS)損傷增加以及線粒體功能降低有關[24]。因此,線粒體功能受損會激活cGAS-STING信號通路從而誘導炎癥介質,對雙心疾病的發生發展發揮著關鍵作用,因此通過改善線粒體功能使cGAS-STING 信號通路正常傳導可作為治療雙心疾病的潛在靶點。

3.2 cGAS-STING信號通路和ERER是細胞功能和代謝功能的關鍵細胞器,包括蛋白質合成、折疊與分泌。當ER穩態被破壞時,一種被稱為未折疊蛋白反應(unfolded protein response,UPR)的適應性信號通路即被激活,在主動脈束帶誘導的心肌細胞中,內質網應激不斷被刺激持續表達而做出未折疊蛋白適應性反應,激活STING-TBK1-NF-κB炎癥通路,促進心臟炎癥,而予以ER應激抑制劑可明顯減少心臟炎癥的產生[25]。在動脈粥樣硬化小鼠模型中,給予硝酸酯類藥物可抑制ER應激,同時抑制NF-κB信號通路的激活,抑制下游信號級聯反應,從而減輕動脈粥樣硬化[26]。抑郁癥患者體內炎癥狀態與內質網變化密切相關,且已證實ER應激反應途徑在抑郁癥患者中持續激活[27]。由此表明ER應激與抑郁癥及心血管疾病具有重要聯系,故ER應激抑制劑可以成為抑制STING表達以減少下游信號級聯反應從而改善雙心疾病癥狀的分子制劑。

3.3 CGAS-STING信號通路和自噬cGAS-STING信號通路在自噬反應中發揮重要作用,cGAS-STING介導的自噬對心血管疾病及抑郁癥具有雙向作用,這種自噬能夠擴散至整個細胞,以去除胞質異常DNA和炎癥信號因子,從而限制自身炎癥反應,消除細胞內各種微生物;若自噬級聯反應過度傳導則可導致細胞不可逆的死亡,引起破壞性炎癥性疾病[16,28]。此外,在脂多糖誘導的心肌細胞中,激活的STING-IRF3信號通路可通過增加 NLRP3 炎性小體的表達以加重心肌細胞炎癥直至焦亡,但敲低小鼠STING基因不僅能夠抑制心肌和血清炎性細胞因子、心肌細胞焦亡,還可顯著提高小鼠的存活率和心臟功能[29]。研究表明,慢性約束應激(chronic restraint stress,CRS)小鼠表現出抑郁樣行為,且大腦中TNF-α、IL-6、IL-1β等促炎細胞因子含量增加,若使用STING激動劑2′3-cGAMP激活STING從而激活STING-TBK1-IRF3信號通路,則可增強RST小鼠大腦中小膠質細胞的吞噬作用,抑制大腦中TNF-α、IL-6和IL-1β等促炎細胞因子的釋放,從而發揮抗抑郁作用,改善慢性應激期間的抑郁樣行為[30]。因而,靶向STING治療以調節自噬對于改善雙心疾病具有重要作用。

3.4 CGAS-STING信號通路與代謝cGAS-STING-TBK1-mTOR信號傳導通過代謝組織與雙心疾病密切相關。雷帕霉素(mTOR)哺乳動物靶標由mTOR復合物1和mTOR復合物2兩個復合物組成,他們對宿主的代謝至關重要。mTOR復合物1是一種營養傳感器,其信號傳導可促進細胞合成代謝以調節生長和存活,抑制脂肪分解和自噬。慢性STING信號傳導可激活TBK1,下調mTOR復合物1,導致細胞代謝表型失調[31]。研究證實,脂蛋白的沉積是動脈粥樣硬化和心血管疾病風險發生的決定性因素[32]。亦有研究指出,mTOR信號通路及其傳導過程與精神疾病有關[33]。同樣,AKT-AMPK信號傳導不足從而慢性激活STING信號亦與雙心疾病相關[34-35]。

4 中醫藥通過調控cGAS-STING信號通路減緩雙心疾病癥狀

cGAS-TING信號通路與冠心病及抑郁癥的發生發展具有重要聯系,各通路之間相互交錯、相互影響。據文獻報道,中醫藥可多成分、多靶點、多系統調節機體不同臟器或組織中的cGAS-TING信號通路,一定程度上發揮著抗抑郁、抗動脈粥樣硬化作用,為臨床防治雙心疾病提供了新的切入點。

4.1 中藥復方補中益氣湯[36]、暖心康[37]、四君子湯[38]、腎氣丸[39]、補陽還五湯[40]等可通過增加ATP含量、為細胞儲備能量以改善線粒體功能,維護細胞內環境穩態,從而使cGAS-TING信號通路正常傳導,減少雙心疾病的發生。穩心顆粒可能通過減少ER應激條件下UPR的活化發揮保護作用,減輕心肌缺血引起的病理損傷,抑制ERS介導的UPR過度激活,減少心肌細胞凋亡,以改善心臟功能,緩解抑郁情緒和調節心律失常[41-42]。越鞠丸可通過降低海馬區域mTOR水平緩解小鼠抑郁樣行為,改善抑郁癥狀[43],亦可降低血液中IL-6等炎癥性標志物水平,減輕動脈粥樣硬化程度及抑郁程度[44]。黃連解毒湯可以通過抑制小膠質細胞過度激活、減少炎癥細胞因子、促進抗炎因子分泌,從而改善慢性不可預期應激抑郁大鼠的行為變化[45],亦可通過抑制mTOR相關信號通路改善主動脈損傷[46]。柴胡疏肝散及其主要提取物meranzin hydrate可通過降低TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎細胞因子預防動脈粥樣硬化及抑郁癥并發癥[47]。柴胡龍骨牡蠣湯可通過下調核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB),減少下游信號炎癥級聯反應,從而改善心臟功能,發揮抗焦慮抑郁作用[48]。

4.2 中藥單體三七及其有效活性成分人參炔醇和人參環氧炔醇可抑制cGAS-STING信號通路,抑制STING激動劑誘發的干擾素的產生,特異性地抑制小鼠細胞中由自身DNA引起的干擾素表達,發揮抗炎、抗抑郁、保護神經元等作用,可作為治療心血管疾病及情感類疾病潛在的小分子藥物[49]。黃芩苷可通過下調cGAMP從而一定程度上抑制由STING通路活化引起的TNF-α、IL-6等免疫效應分子的泌出[50],亦可通過抑制NF-κB/NLRP3信號通路的激活減少炎癥的產生,從而發揮神經保護作用,減少抑郁樣行為[51]。柴胡-白芍藥對可通過抑制NLRP3炎癥小體的表達及減少IL-1β、IL-6、TNF-α的分泌發揮抗抑郁作用[52]。基于網絡藥理學方法分析,柴胡-芍藥藥對可通過37條生物學通路對冠心病合并抑郁患者發揮治療效果[53]。天麻素[54]、冬凌草[55-56]、丹參酸B[57-58]、紅景天[59-60]等均可通過激活自噬抑制NLRP3炎癥小體的活化及ROS積累從而改善抑郁癥行為,減輕心肌細胞損傷。廣藿香發揮抗抑郁樣作用與其激活mTOR信號通路從而抑制自噬密切相關[61],亦可通過抑制巨噬細胞及炎癥反應抗動脈粥樣硬化[62]。當歸可顯著上調AMPK表達,減弱促炎細胞因子水平,從而保護心臟缺血性損傷[63-64],亦可改善能量代謝,發揮解郁作用[65]。

5 總結與展望

炎癥是機體對于刺激的一種免疫防御程序反應,而cGAS-STING信號通路與細胞應激及組織損傷引起的炎癥具有重要聯系。cGAS-STING途徑的廣泛參與依賴于其感知和調節細胞對異常DNA的反應能力,一些異常DNA是無處不在的危險相關分子,以cGAS對胞質異常DNA作出反應,刺激干擾素基因STING或直接刺激STING釋放I型干擾素(IFN-α和IFN-β),產生其他促炎細胞因子,使機體穩態失衡,對雙心疾病的發生發展具有促進作用。cGAS-STING信號途徑可通過調控細胞穩態過程如細胞自噬、線粒體損傷、ER應激等干預雙心疾病。

中醫藥基于整體觀念和辨證論治可有效改善雙心疾病患者臨床癥狀,提高患者生活質量,具有療效佳、穩定性強、不良反應少、患者依從性好等獨特優勢。隨著研究的逐漸深入,今后中醫藥可以選擇性靶向cGAS或STING首個小分子藥物,為首批臨床候選藥物的研發開辟新的路徑,以改善線粒體功能,下調I型干擾素(IFN-α和IFN-β)和炎性物質(TNF-α、IL-1β等)的產生,發揮抗炎、抗抑郁、抗動脈粥樣硬化作用,為雙心疾病的防治提供新的理論基礎。

基于cGAS-STING通路與雙心疾病的關系,今后可進行更為深入系統的研究:結合分子生物學、代謝組學,探究cGAS-STING通路及其相關通路與雙心疾病的科學聯系、上下游通路與蛋白的聯系、細胞之間的聯系等,歸納、分析其對雙心疾病的作用機制,尋找關鍵靶標;開展中醫藥治療雙心疾病等無菌性炎癥性疾病多中心、大樣本、前瞻性的臨床研究,以期探索中醫藥防治雙心疾病的有效方案。