石 穎, 於江泉, 張文娟

(江蘇省蘇北人民醫(yī)院 重癥醫(yī)學(xué)科, 江蘇 揚(yáng)州, 225002)

膿毒癥是一種復(fù)雜異質(zhì)性疾病,被定義為宿主對(duì)感染的反應(yīng)失調(diào),引起危及生命的急性器官功能障礙[1]。膿毒癥的發(fā)病率高,全球每年約有5 000萬(wàn)人罹患該病,病死率為5%～40%[2]。膿毒癥治療花費(fèi)高,且目前的治療手段依然有限,世界衛(wèi)生大會(huì)和世界衛(wèi)生組織于2017年將膿毒癥列為全球衛(wèi)生優(yōu)先事項(xiàng)[3]。膿毒癥并發(fā)的多臟器功能障礙(MODS)是造成患者死亡的主要原因,其病理生理過(guò)程是復(fù)雜和多因素的。目前普遍認(rèn)為,促炎和抗炎細(xì)胞因子失衡在MODS中起著重要作用,而失調(diào)的免疫反應(yīng)是MODS病理生理學(xué)的核心。此外,細(xì)胞氧利用率降低或細(xì)胞病變性缺氧、線粒體和內(nèi)皮功能障礙以及腸道功能障礙可能是MODS的機(jī)制[4]。了解膿毒癥發(fā)病機(jī)制所涉及的生物學(xué)過(guò)程是改善結(jié)果和治療患者的重要步驟。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是一種重要的細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器,用于分泌性蛋白和跨膜蛋白的合成和組裝,負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的易位、蛋白質(zhì)折疊和蛋白質(zhì)翻譯后修飾[5]。此外,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)為鈣儲(chǔ)存、脂質(zhì)合成和碳水化合物代謝提供了場(chǎng)所。某些病理?xiàng)l件下,如膿毒癥、創(chuàng)傷等折疊蛋白質(zhì)的需求超過(guò)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的折疊能力,導(dǎo)致未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)積累,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)改變,進(jìn)而引起了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERs)。在ERs的情況下,為了保護(hù)細(xì)胞,重建內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài),細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路未折疊蛋白反應(yīng)(UPR)開(kāi)始活躍。當(dāng)UPR未能擊敗ERs或ERs嚴(yán)重時(shí),細(xì)胞功能會(huì)受損,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[6-7]。ERs與多種疾病(包括自身免疫病、感染、代謝紊亂、神經(jīng)退行性疾病以及多器官功能障礙等)的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。對(duì)ERs的研究將有望揭示包括膿毒癥在內(nèi)的炎癥性疾病的新治療靶點(diǎn)。本文對(duì)ERs在膿毒癥及其并發(fā)的器官功能障礙中的可能意義,以及其作為預(yù)后標(biāo)志物的潛在用途和新的治療靶點(diǎn)等相關(guān)研究進(jìn)行了綜述,以期深入了解ERs與膿毒癥之間的關(guān)系。

1 ERs介導(dǎo)UPR信號(hào)通路的機(jī)制

在哺乳動(dòng)物UPR中起重要作用的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白主要有3種,包括需肌醇酶1(IRE1)、雙鏈RNA 依賴(lài)蛋白激酶樣ER 激酶(PERK)和活化轉(zhuǎn)錄因子6 (ATF6),見(jiàn)圖1。在正常細(xì)胞中,葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(GRP78)/免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白(BiP)與這些內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白結(jié)合,而在ERs過(guò)程中解離,通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)共同參與炎癥、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡。

圖1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號(hào)傳導(dǎo)通路圖

1.1 IRE1-XBP1

IRE1是含有蛋白激酶和細(xì)胞質(zhì)核酸內(nèi)切酶活性結(jié)構(gòu)域的雙功能酶,含有IREl α和IREl β共2種亞型,并因細(xì)胞不同,分布有所差別。在ERs過(guò)程中, BiP與IRE1分離,IRE1磷酸化激活其核糖核酸內(nèi)切酶活性,剪切下游目的基因X盒結(jié)合蛋白(XBP1) mRNA, 進(jìn)一步促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)性降解(ERAD)相關(guān)基因表達(dá)的上調(diào),促進(jìn)細(xì)胞適應(yīng)性生存[8]。而當(dāng)ERs持續(xù)存在, IRE1還通過(guò)與腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子2 (TRAF2)結(jié)合,激活凋亡信號(hào)激酶-1 (ASK1), 導(dǎo)致c-Jun氨基末端激酶(JNK)下游的激活,促進(jìn)細(xì)胞凋亡[9]。

1.2 PERK

PERK是具備胞質(zhì)蛋白絲氨酸/色氨酸激酶結(jié)構(gòu)域的Ⅰ型跨膜蛋白。與IRE1一樣,在ERs的情況下, BiP從PERK中釋放,并與未折疊蛋白結(jié)合,然后通過(guò)磷酸化激活PERK。被激活的PERK直接磷酸化下游的真核細(xì)胞啟動(dòng)因子2的α亞基(eIF2α), 抑制蛋白的翻譯和轉(zhuǎn)錄過(guò)程,從而緩解ERs, 促進(jìn)細(xì)胞適應(yīng)性生存[10]。當(dāng)ERs持續(xù)存在, eIF2α的磷酸化誘導(dǎo)了活化轉(zhuǎn)錄因子4(ATF4)的表達(dá)上調(diào),促進(jìn)C/EBP同源蛋白(CHOP)和DNA損傷誘導(dǎo)蛋白34 (GADD34)的活化,從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[11]。

1.3 ATF6

ATF6是一種Ⅱ型跨膜蛋白,在ERs過(guò)程中, BiP與ATF6分離, ATF6通過(guò)囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到高爾基體。在高爾基體中, ATF6進(jìn)一步水解活化,產(chǎn)生活性轉(zhuǎn)錄因子ATF6f(ATF6的一個(gè)片段)。然后ATF6f遷移到細(xì)胞核,與ERs反應(yīng)元件結(jié)合,并活化GRP78/94及鈣離子-三磷酸腺苷酶等ERs蛋白,有助于ERs的恢復(fù),促進(jìn)細(xì)胞適應(yīng)性生存[5, 12]。當(dāng)導(dǎo)致ERs的不良刺激持續(xù)存在, ATF6f還能激活核內(nèi)編碼CHOP的靶基因,進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[13]。

2 ERs與細(xì)胞凋亡、炎癥、氧化應(yīng)激

如果各種UPR誘導(dǎo)機(jī)制不能緩解ERs, UPR可通過(guò)不同的信號(hào)通路機(jī)制誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,包括: ① CHOP信號(hào)通路。 IRE1、PERK和ATF6對(duì)CHOP的轉(zhuǎn)錄激活,在ERs誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中起重要作用[14]。在正常情況下, CHOP低表達(dá),而在ERs條件下, CHOP的表達(dá)均可由UPR的3條信號(hào)通路誘導(dǎo),但PERK及ATF6是主要通路。 ② IRE1介導(dǎo)JNK通路的激活, IRE1依賴(lài)的JNK激活是激活轉(zhuǎn)錄因子CHOP和核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)的重要信號(hào)機(jī)制,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)。③ 含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)-12信號(hào)通路可作為ERs誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑的標(biāo)志。NAKAGAWA T等[15]研究表明, Caspase-12缺失的小鼠和細(xì)胞對(duì)ERs誘導(dǎo)的凋亡有部分抗性,但對(duì)其他凋亡刺激沒(méi)有抗性。此外, Ca2+信號(hào)也能調(diào)控ERs介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)Ca2+的主要存儲(chǔ)場(chǎng)所,細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)機(jī)制是連接凋亡與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體相互作用的關(guān)鍵信號(hào)通路。大量樹(shù)突細(xì)胞、淋巴細(xì)胞凋亡被認(rèn)為與膿毒癥患者高病死率密切相關(guān)。過(guò)度ERs引起的細(xì)胞凋亡,在膿毒癥發(fā)生發(fā)展以及炎癥反應(yīng)惡化過(guò)程中起重要作用[5]。

ERs/UPR與炎癥相關(guān)機(jī)制密切相關(guān)。一方面, IRE1可被toll樣受體(TLRs)信號(hào)磷酸化,誘導(dǎo)XBP1mRNA剪接,刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生促炎癥細(xì)胞因子[16]; 另一方面, TLR信號(hào)也能抑制巨噬細(xì)胞中的ATF6和CHOP[17]。研究[18-20]表明, ERs通過(guò)激活XBP1、ATF6和cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白H (CREBH)等UPR因子誘導(dǎo)炎癥反應(yīng),而這些UPR因子上調(diào)了白細(xì)胞介素(IL)-1β、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和γ干擾素(IFN-γ)等促炎癥因子。據(jù)報(bào)道[20], CREBH的氨基末端片段上調(diào)血清淀粉樣蛋白p組分(SAP)和C反應(yīng)蛋白(CRP)等急性期蛋白,參與炎癥反應(yīng)的急性期。在膿毒癥病理過(guò)程中,不受控制的炎癥和先天免疫系統(tǒng)的激活可能導(dǎo)致組織損傷并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

氧化應(yīng)激是指活性氧(ROS)的產(chǎn)生與機(jī)體修復(fù)損傷能力之間的不平衡。膿毒癥使氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡,趨向于促氧化狀態(tài),其特征是產(chǎn)生過(guò)多的活性氧和活性氮,線粒體功能障礙,以及抗氧化系統(tǒng)的破壞[21]。氧化應(yīng)激改變了內(nèi)皮細(xì)胞的多種功能,還誘導(dǎo)糖萼退化、細(xì)胞死亡、通透性增加等。氧化應(yīng)激與ERs相互關(guān)聯(lián)。未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)可誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生。同樣,氧化應(yīng)激會(huì)擾亂內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的氧化還原狀態(tài),進(jìn)而破壞正常的二硫鍵形成和適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)折疊[22-23]。

3 ERs與膿毒癥

膿毒癥和膿毒性休克發(fā)病率、致死率高,可導(dǎo)致組織灌注不足和多器官功能衰竭。在不同的膿毒癥模型中,ERs參與了膿毒癥的進(jìn)展。脂多糖(LPS)是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁內(nèi)毒素的主要成分,參與多種炎癥性疾病。HIRAMATSU N等[24]發(fā)現(xiàn),腹腔注射LPS可引起小鼠脾、肺、肝、心等器官GRP78表達(dá)上調(diào),提示內(nèi)毒素血癥可誘發(fā)全身性ERs。SCHILDBERG F A等[25]報(bào)道, LPS刺激人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞凋亡, PERK作為ERs的敏感標(biāo)記物,在LPS的加入后發(fā)生了顯著激活,并隨著Caspase-12、Caspase-9的裂解,最終通過(guò)激活Caspase-3導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,提示ERs相關(guān)凋亡信號(hào)的激活是觸發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵事件。

KOZLOV A V等[26]發(fā)現(xiàn), LPS可通過(guò)線粒體依賴(lài)途徑導(dǎo)致大鼠肝臟的功能性ER衰竭,而組織學(xué)檢查未發(fā)現(xiàn)以壞死形式對(duì)肝臟造成顯著損害。XBP1剪接的mRNA變體和GRP78 mRNA表達(dá)上調(diào),但不伴隨凋亡誘導(dǎo)因子(AIF)向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)位,提示細(xì)胞進(jìn)入凋亡前狀態(tài),但未發(fā)生凋亡。這說(shuō)明ERs反應(yīng)后,細(xì)胞可能存活,但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能可能失效。細(xì)胞凋亡和基本細(xì)胞功能障礙是膿毒癥引起多器官功能衰竭的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。因此, ERs反應(yīng)可能是膿毒癥治療的重要靶點(diǎn)。

CHOP是ERs介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的重要因子,有證據(jù)表明, CHOP在膿毒癥中作為炎癥反應(yīng)的中介物。FERLITO M等[27]發(fā)現(xiàn),膿毒癥小鼠表現(xiàn)出CHOP表達(dá)增加, H2S治療通過(guò)抑制CHOP表達(dá)提高膿毒癥實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型的存活率; CHOP可能在膿毒癥的發(fā)病機(jī)制中起到炎癥反應(yīng)的放大作用, H2S至少部分通過(guò)涉及Nrf2激活的機(jī)制抑制CHOP的表達(dá)。此外,包括CHOP在內(nèi)的ERs通路在LPS誘導(dǎo)的小鼠肺損傷中被激活,并且在CHOP基因敲除的小鼠中,經(jīng)LPS處理后的肺損傷被削弱[28]。這些結(jié)果進(jìn)一步證明, CHOP介導(dǎo)的ERs在小鼠感染性損傷的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用。KIM H J等[29]發(fā)現(xiàn),使用特定的ERs抑制劑四苯基丁酸(4-PBA)減少了LPS誘導(dǎo)的各種ERs標(biāo)志物的增加,并減輕了小鼠的肺損傷。上述結(jié)果加深了人們對(duì)膿毒癥發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí),針對(duì)ERs的治療方案可能改善膿毒癥患者的預(yù)后。

4 ERs參與膿毒癥引起的多器官損傷過(guò)程

膿毒癥是急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)常見(jiàn)的病因之一。在病理?xiàng)l件下, ERs誘導(dǎo)炎癥反應(yīng),炎癥反應(yīng)進(jìn)一步激活ERs。這種正反饋?zhàn)罱K破壞肺組織中的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài),加劇肺組織中的炎癥應(yīng)激,導(dǎo)致肺組織中各種免疫細(xì)胞的代謝惡化[20, 30]。KIM H J等[29]采用氣管灌注LPS建立小鼠急性肺損傷模型,經(jīng)LPS處理的小鼠GRP78、CHOP等應(yīng)激相關(guān)標(biāo)志物表達(dá)顯著升高,表明ERs是ARDS誘導(dǎo)和維持炎癥性肺損傷的重要因素。研究[31]表明, PERK信號(hào)通路可誘導(dǎo)肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,導(dǎo)致肺組織結(jié)構(gòu)損傷和功能退化。此外,在盲腸結(jié)扎穿刺(CLP)誘導(dǎo)的ARDS大鼠肺組織中檢測(cè)到IRE1信號(hào)通路蛋白和凋亡標(biāo)志物的表達(dá)增加,同時(shí)肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡率增加[32]。

缺血、再灌注(I/R)損傷是創(chuàng)傷、休克等危重疾病中常見(jiàn)的病理生理變化,可導(dǎo)致缺氧、酸中毒、自由基積累和細(xì)胞能量消耗,從而引起ERs, 影響多種蛋白質(zhì)的合成和折疊。MIYAZAKI Y等[33]報(bào)道, ERs誘導(dǎo)的CHOP介導(dǎo)通路參與心肌I/R損傷過(guò)程, CHOP缺失可減弱小鼠心肌I/R損傷中的心肌凋亡。GROOTJANS J等[34]發(fā)現(xiàn),在人類(lèi)和大鼠的空腸樣本中, I/R激活了UPR并導(dǎo)致潘氏細(xì)胞凋亡。缺血空腸再灌注時(shí),潘氏細(xì)胞特異性BiP染色增加。上述結(jié)果表明, ERs參與了I/R損傷相關(guān)細(xì)胞凋亡。因此,對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)的細(xì)胞凋亡途徑的干預(yù)可能幫助減少I(mǎi)/R損傷。

膿毒癥常可引起心肌受損導(dǎo)致心力衰竭,膿毒癥性心肌病常常給治療帶來(lái)巨大困難。相關(guān)研究[35-37]表明,ERs通過(guò)PERK/CHOP、IRE1/ASK和caspase-12等信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞凋亡。活化的腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、交感腎上腺素系統(tǒng)和循環(huán)中B型腦鈉肽濃度可影響這些通路,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡甚至心力衰竭。同時(shí),由于CHOP途徑釋放成纖維因子,誘導(dǎo)炎癥反應(yīng),心肌也可發(fā)生重塑纖維化。因此,抑制上述蛋白的表達(dá)可以通過(guò)減少細(xì)胞凋亡來(lái)治療心力衰竭。

膿毒癥引起的急性腎損傷,作為危重患者的常見(jiàn)病,經(jīng)常受到ICU醫(yī)生的關(guān)注。一項(xiàng)回顧性研究[38]在AKI患者的腎活檢中發(fā)現(xiàn)了多種ERs標(biāo)記物的表達(dá)增加。RTN1A是ERs和AKI的關(guān)鍵介質(zhì),與腎損傷的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。此外, ERS還與肝衰竭、急性胰腺炎等多種疾病相關(guān),廣泛參與膿毒癥引起多臟器損傷的病理過(guò)程。對(duì)ERs與人類(lèi)疾病,特別是危重疾病關(guān)系的研究,不僅完善了對(duì)疾病發(fā)病機(jī)制的研究,也為靶向治療提供了新的思路和方法。

5 干預(yù)ERs在膿毒癥治療中的潛在價(jià)值

ERs與許多疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān),因此, UPR通路可能是調(diào)節(jié)ERs及其相關(guān)疾病的重要治療靶點(diǎn)。一項(xiàng)研究[39]表明, Mdivi-1(一種喹唑啉酮衍生物)通過(guò)重建線粒體融合-裂變平衡,防止膿毒癥中的ERs的誘導(dǎo),改善CD4+T細(xì)胞的凋亡。ROSEN D A等[40]發(fā)現(xiàn)Sigma-1受體(S1R)限制ERs跨膜蛋白IRE1內(nèi)切酶活性和細(xì)胞因子表達(dá),其進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氟伏沙明(一種對(duì)S1R具有高親和力的抗抑郁藥物)可保護(hù)小鼠免受致命膿毒性休克的影響,并抑制人血白細(xì)胞的炎癥反應(yīng),使S1R成為治療膿毒癥的可能治療靶點(diǎn)。CHEN X Z等[41]指出,血紅素氧合酶(HO)-1通過(guò)抑制ERS中的PERK/eIF2α/ATF4/CHOP促凋亡通路,保護(hù)膿毒癥誘導(dǎo)的急性肺損傷,減輕肺內(nèi)細(xì)胞凋亡。HOU Y等[42]研究表明,外源性脂聯(lián)素在120 mg/kg劑量下可減弱膿毒癥大鼠內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,證實(shí)脂聯(lián)素可通過(guò)抑制ERs IRE1α通路來(lái)緩解內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。HONG Y P等[43]研究表明, 4-苯基丁酸(4-PBA)可降低急性胰腺炎(AP)大鼠重要器官中ERs標(biāo)志物(BiP、CHOP、PREK、ATF6、IRE1)的表達(dá),并通過(guò)調(diào)節(jié)ERs和減輕炎癥反應(yīng)抑制細(xì)胞死亡,保護(hù)AP大鼠胰腺、肺、肝、腎免受損傷。因此,了解UPR各組成部分之間的相互作用,以及這些信號(hào)通路如何與炎癥和細(xì)胞凋亡相互交織,將為包括膿毒癥在內(nèi)的多種疾病提供新的治療選擇[44]。

6 小結(jié)與展望

各種原因引起未折疊蛋白堆積或Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡,可導(dǎo)致ERs的發(fā)生,激活保護(hù)信號(hào)通路,促進(jìn)細(xì)胞功能恢復(fù)。然而,不良刺激持續(xù)存在會(huì)誘導(dǎo)凋亡啟動(dòng)子的表達(dá),導(dǎo)致凋亡的發(fā)生。因此,何時(shí)進(jìn)行ERs干預(yù)和調(diào)控便成了研究的重要方面。有研究[45]發(fā)現(xiàn),經(jīng)LPS刺激的巨噬細(xì)胞,早期(5 h)可產(chǎn)生明顯的ERs, 且由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能的保護(hù)機(jī)制, ERs誘導(dǎo)劑引起的細(xì)胞凋亡被阻止。這也正提示了適度的ERs可減輕細(xì)胞損傷,促進(jìn)細(xì)胞功能恢復(fù)。因此,在膿毒癥早期,適當(dāng)調(diào)控ERs, 而在后期對(duì)其引起的細(xì)胞凋亡進(jìn)行適當(dāng)干預(yù),可能是將來(lái)膿毒癥治療的新方向。ERs的雙向作用及其協(xié)同炎癥反應(yīng)在膿毒癥及其他相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展中起著復(fù)雜而關(guān)鍵的作用。對(duì)ERs的發(fā)生機(jī)制和自我調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行深入研究,從精準(zhǔn)醫(yī)療的角度出發(fā),可探索疾病治療的新靶點(diǎn),并采取一些有效的防治措施。