陳 璐 李 瑞 沈志強

腦卒中是全世界引起殘疾或死亡的主要因素之一。其中,以缺血性腦卒中最為常見,約占全部腦卒中的80%,臨床主要通過天然產(chǎn)物溶栓使缺血性腦組織的血供迅速恢復。但隨著血流的快速恢復,代償會加劇腦組織損傷,即產(chǎn)生腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia reperfusion injury, CIRI)。研究發(fā)現(xiàn),線粒體自噬參與了CIRI的發(fā)展進程,適度的線粒體自噬激活可減輕腦缺血后的線粒體功能障礙,但過度的線粒體自噬會加劇氧化應激損傷腦組織[1]。因此,通過調(diào)控線粒體自噬維持線粒體功能正?？赡苁侵委烠IRI的關(guān)鍵。本文討論了線粒體自噬介導CIRI的主要通路以及作用機制,總結(jié)歸納了靶向線粒體自噬治療CIRI的天然產(chǎn)物的研究進展,以期為CIRI治療提供理論基礎(chǔ)和新的思路。

一、線粒體自噬與腦缺血再灌注損傷

2005年首次提出了線粒體自噬的概念,線粒體自噬作為一種選擇性自噬,目的是去除多余或功能失調(diào)的線粒體,是線粒體穩(wěn)態(tài)不可或缺的過程。在CIRI發(fā)生、發(fā)展過程中,大量產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮和Ca2+富集,會導致細胞毒性水腫,引起線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔異常開放,加速線粒體外膜破裂和內(nèi)膜腫脹,促進細胞色素C等促凋亡因子的釋放和炎性反應,最終破壞DNA和結(jié)構(gòu)蛋白導致細胞死亡。線粒體自噬具有雙刃劍效應,其具體的影響與CIRI的過程密切相關(guān)。

二、參與CIRI的經(jīng)典線粒體自噬信號通路

1.PINK1/Parkin信號通路:線粒體自噬有多種信號通路參與調(diào)控其自噬過程。其中,研究最多、最具特征性的線粒體自噬途徑涉及人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因誘導假定激酶1/E3泛素連接酶(PTEN induced putative kinase 1/Parkin,PINK1/Parkin)通路。在該通路中,線粒體膜去極化后導致PINK1的積累,其將泛素磷酸化后激活Parkin,并磷酸化其他細胞質(zhì)受體蛋白,募集微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein1 light chain3,LC3)并與之結(jié)合,最終被溶酶體識別、吞噬和降解。Wen等[2]研究發(fā)現(xiàn),再灌注逆轉(zhuǎn)了腦缺血引起的線粒體清除障礙,促進了PINK1和Parkin的表達,改善了短暫性腦缺血后海馬神經(jīng)元損傷。之后,有研究發(fā)現(xiàn)在大鼠腦皮質(zhì)缺血半影區(qū)檢測到受損線粒體中PINK1的積累,Parkin和p62向線粒體易位,證實了PINK1/Parkin信號通路參與了CIRI后的病理生理過程。

2.NIX/Bnip3信號通路:凋亡蛋白Bcl-2腺病毒E1B 19kDa蛋白相互作用蛋白3類似物(Nip3-like protein X,NIX)/Bcl-2腺病毒E1B 19kDa蛋白相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B-19kD-interacting protein,Bnip3)信號通路也參與了CIRI的發(fā)生和發(fā)展。NIX 和Bnip3定位于線粒體外膜,可通過LC3直接與自噬小體結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn),Bnip3或NIX能與Bcl-2(或相關(guān)蛋白)結(jié)合,并從Bcl-2復合物中釋放Beclin1,激活自噬發(fā)生。另外,NIX/Bnip3和缺氧誘導因子-1α的相互影響可介導線粒體自噬,阻止ROS 水平的增加[3]。還在Bnip3-KO小鼠中發(fā)現(xiàn)減少Bnip3與LC3的相互作用可以抑制線粒體自噬,腦梗死體積減少,提示Bnip3基因沉默有利于腦卒中后的神經(jīng)保護。

4.其他信號通路:除此之外,磷脂酰肌醇激酶/磷酸化蛋白激酶B(phosphatidylinositol-3-kinase/ protein kinase B,PI3K/Akt)信號通路和AMP依賴的蛋白激酶/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白[adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase/ mammalian rapamycin target protein,AMPK/mTOR]通路等也參與調(diào)控線粒體自噬,并且與先前提到的經(jīng)典通路可能存在著些許聯(lián)系,協(xié)同影響著CIRI的過程,但他們之間的具體影響機制尚需深入研究(圖1)。

圖1 CIRI的分子級聯(lián)反應和相關(guān)線粒體自噬通路圖

三、以線粒體自噬為關(guān)鍵干預環(huán)節(jié)治療CIRI的天然產(chǎn)物

越來越多的證據(jù)表明,天然產(chǎn)物可以通過調(diào)控線粒體自噬,發(fā)揮清除受損線粒體作用的同時不易因過度線粒體自噬而產(chǎn)生腦組織持續(xù)性損傷。以下歸納了部分靶向線粒體自噬治療CIRI的天然產(chǎn)物,以期為治療CIRI提供實驗基礎(chǔ)和理論數(shù)據(jù)。

1.苷類

(1)人參皂苷:人參皂苷(ginsenoside)是一種皂苷類化合物,是傳統(tǒng)中藥人參的主要活性成分之一。研究發(fā)現(xiàn),人參皂苷通過抑制mTOR表達,減少中動脈栓塞/再灌注(middle cerebral artery occlusion/ Reperfusion,MCAO/R)大鼠的線粒體DNA損傷和凋亡因子胱天蛋白酶的裂解,還可以增加線粒體呼吸鏈復合體的活性,促進ATP產(chǎn)生[5]。另外,人參皂苷還可以激活AMPK信號通路啟動線粒體自噬,保護神經(jīng)元細胞免受損傷。線粒體自噬的保護作用可能與CIRI的不同時期以及腦缺血程度有關(guān)[6]。

(2)松果菊苷:松果菊苷(echinacoside,ECH)是肉蓯蓉總苷中濃度最高的苯乙醇苷。報道發(fā)現(xiàn),ECH通過抑制線粒體自噬保護神經(jīng)元免受損傷,從而在預防和治療CIRI過程中發(fā)揮重要作用[7]。另外,ECH能夠增強線粒體融合蛋白2的表達,有效改善了線粒體形態(tài)和功能,減少了腦損傷,這些研究均表明與抑制過度線粒體自噬有關(guān)[8]。

(3)地黃苦苷:熟地黃是一種藥用植物,作為中風方劑的重要組成部分,在傳統(tǒng)中醫(yī)中已使用了數(shù)百年。地黃苦苷(rehmapicroside)是熟地黃的主要活性成分,其能通過Drp1/PINK1/Parkin信號通路,升高線粒體膜電位,抑制線粒體自噬激活,減少氧化應激,減輕腦梗塞面積并改善神經(jīng)功能,提示地黃苦苷可能是一種潛在的抗CIRI的候選單體天然產(chǎn)物[9]。

2.黃酮類

在俠世界·中州之上，有這樣一群豪杰，他們不從屬于任何一方勢力，他們行走江湖，只為以武會友、快意恩仇，時人慕其風采，稱其為“游俠”。

(1)木犀草素:木犀草素(luteolin)是一種天然四羥基黃酮化合物,具有多種藥理活性,廣泛存在于不同植物物種中。在MCAO/R小鼠和氧糖剝奪/再灌注(oxygen and glucose deprivation/reperfusion,OGD/R)誘導的人神經(jīng)母細胞瘤細胞模型分別發(fā)現(xiàn)了木犀草素的保護效果,它可以改善自噬流過程,促進線粒體自噬小體的降解,加速ROS的清除效率,還可以通過抑制Drp1活性保護線粒體形態(tài),恢復線粒體活力和功能[10,11]。

(2)葛根素:葛根素(puerarin)是從中藥葛根中分離得到的具有擴血管作用的異黃酮衍生物。研究表明,葛根素可以減少自噬小體的形成,減少Beclin1的表達,以及降低LC3-Ⅱ的表達,抑制線粒體自噬介導的線粒體質(zhì)量下降,保護了大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元免受神經(jīng)毒性。而這些作用大多依賴于AMPK/mTOR/ULK1通路,推測該通路抑制過度線粒體自噬是葛根素減輕CIRI的主要機制[12]。雖然線粒體自噬在CIRI中所起的作用一直存在爭議,但能夠確定,受損線粒體的過度清除和清除不足均將導致細胞死亡。

(3)柚皮苷:柚皮苷(naringin)是一種天然存在于葡萄柚和其他柑橘類水果中的類黃酮,Feng等[13]研究發(fā)現(xiàn),柚皮苷可以抑制過氧亞硝基陰離子和一氧化氮的產(chǎn)生,降低了線粒體LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比例,并抑制了PINK1的聚集和Parkin向線粒體的易位。另外,柚皮苷可以激活線粒體大電導鈣調(diào)節(jié)鉀通道,減少細胞線粒體損傷和凋亡[14]。但其具體機制還有待于深入研究。

(4)黃芩苷:黃芩苷(baicalin)是從黃芩中提取的具有神經(jīng)保護活性的天然生物活性類黃酮。主要以依賴于AMPK的方式調(diào)節(jié)線粒體自噬功能來減輕CIRI。研究發(fā)現(xiàn),黃芩苷能夠激活AMPK通路,增加Drp1 Ser637磷酸化,從而減少線粒體分裂,并抑制ROS 的富集。不僅如此,林筱潔等[15]研究還發(fā)現(xiàn),黃芩苷處理后能有效調(diào)控線粒體自噬小體,并發(fā)現(xiàn)線粒體自噬相關(guān)Bnip3、Parkin、FUNDC1蛋白均可能參與了CIRI的發(fā)生與發(fā)展。提示,黃芩苷治療CIRI的相關(guān)機制與線粒體自噬有重要聯(lián)系,同時也發(fā)現(xiàn)黃芩苷抑制線粒體自噬的作用可能是多條信號通路交聯(lián)的結(jié)果。

(5)葒草苷:葒草苷(orientin)是中藥金蓮花中的主要生物活性類黃酮化合物。據(jù)報道,葒草苷可以激活PI3K/Akt信號通路,減少LC3和Bnip3蛋白表達,并且能夠呈劑量依賴性逆轉(zhuǎn)細胞凋亡,提示抑制大鼠腦組織線粒體自噬過度激活可能是葒草苷發(fā)揮腦保護作用的重要機制[16]。

表1 靶向線粒體自噬治療CIRI的天然活性成分

3.酚類

(1)白藜蘆醇:白藜蘆醇(resveratrol,RSV)是一種天然的多酚化合物,存在于葡萄、藍莓和紅酒等食物中。研究發(fā)現(xiàn),RSV上調(diào)PINK1,招募Parkin蛋白,促進了LC3和線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶的共定位,減輕了OGD/R誘導的氧化應激[17]。另外,Kang等[18]研究發(fā)現(xiàn),RSV促進了AMPK磷酸化對腦缺血谷氨酸興奮性毒性的消除作用。不止如此,RSV還可以通過SIRT-1、AMPK/PGC-1α、AMPK/ULK1和AMPK/ERK等途徑上調(diào)線粒體自噬,表明RSV在CIRI治療中有豐富的機制研究,由此也可以發(fā)現(xiàn)線粒體自噬是RSV防治CIRI的關(guān)鍵靶點,為RSV在未來抗CIRI天然產(chǎn)物開發(fā)中的潛在應用提供了有價值的信息[19,20]。

(2)姜黃素:姜黃素(curcumin)是從姜黃的根莖中提取的亮黃色多酚活性復合物,在許多研究中都發(fā)現(xiàn)其能夠誘導線粒體自噬,主要通過調(diào)控Akt/mTOR通路,增強LC3和線粒體標記線粒體外膜蛋白孔蛋白1的共定位,減輕CIRI[21]。同時,姜黃素還促進LC3與NIX的相互作用,改善了小鼠腦內(nèi)皮細胞的線粒體重塑,可以開發(fā)作為提示姜黃素可能成為一種線粒體功能障礙的潛在治療劑[22]。

(3)芹菜甲素:芹菜甲素,又稱丁苯酞(n-butylphthalide,NBP)是一種缺血性腦卒中的治療天然產(chǎn)物,可通過抑制線粒體自噬起到神經(jīng)保護作用。研究發(fā)現(xiàn),NBP可減少缺血側(cè)海馬CA1區(qū)Bnip3表達,抑制Bcl-2家族相關(guān)凋亡因子表達[23]。另外研究發(fā)現(xiàn)NBP還可通過PINK1/Parkin通路,上調(diào)p62和線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶的表達,抑制了再灌注后線粒體自噬水平的升高,保護腦組織免受損傷,以上研究表明,NBP均以抑制過度線粒體自噬發(fā)揮作用[24]。

4.其他

(1)大黃酚:大黃酚(chrysophanol)是從植物大黃中提取的蒽醌類天然化學物質(zhì)。Cui等[25]研究發(fā)現(xiàn),大黃酚給藥后減少了氧化應激發(fā)生,NIX和LC3蛋白表達降低,提示大黃酚可能通過下調(diào)NIX蛋白調(diào)節(jié)線粒體自噬,減輕小鼠海馬體的損傷。然而NIX作為一種線粒體自噬相關(guān)蛋白的貢獻似乎在CIRI等病理過程中被忽視了。因此,進一步鑒定NIX引起線粒體自噬的分子機制有望為挖掘腦缺血療法以調(diào)控線粒體自噬過程建立生物學基礎(chǔ)。

(2)蝦青素:蝦青素(astaxanthin)是一種存在于許多海洋微藻、真菌、魚蝦等微生物中的天然類胡蘿卜素,被認為是自然界中最有效的抗氧化劑之一。研究發(fā)現(xiàn),蝦青素調(diào)控PI3K/Akt通路,升高膜電位,通過調(diào)節(jié)Bcl-2家族和線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放,有效阻斷了線粒體功能障礙,抑制OGD/R誘導的神經(jīng)元凋亡[26]。因此,蝦青素表現(xiàn)出的強抗氧化生物活性,為其開發(fā)成為防治CIRI引起的神經(jīng)元損傷的新藥提供理論依據(jù)。

(3)銀杏內(nèi)酯K:銀杏內(nèi)酯K(ginkgolide K)是一種萜類化合物,作為天然血小板活化因子受體拮抗劑,在腦缺血再灌注損傷中發(fā)揮著重要作用。研究表明,銀杏內(nèi)酯K可以上調(diào)AMPK/mTOR/ULK1信號通路促進線粒體自噬,減少Drp1轉(zhuǎn)位到線粒體和阻止線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔開放,并激活JAK2/STAT3通路促進神經(jīng)再生,從而減輕CIRI[27,28]。

四、展 望

諸如苷類、黃酮類、酚類和內(nèi)酯類等代表性天然產(chǎn)物,多數(shù)呈中性或酸性,其含有的多個不飽和共價鍵和酚羥基使其發(fā)揮極強的抗氧化作用,大基團的空間位阻有利于過氧自由基特異性結(jié)合,終止自由基鏈式反應,最終抑制DNA的氧化,保護細胞的生長。

通過PINK1/Parkin、NIX/Bnip3、FUNDC1、PI3K/Akt和AMPK等多種途徑介導的線粒體自噬去除受損或功能失調(diào)的線粒體已被證明是一種重要的線粒體質(zhì)量控制機制。雖然線粒體自噬在腦缺血中作用的尚無統(tǒng)一,但關(guān)于線粒體自噬在腦缺血中的作用研究已經(jīng)取得了很大進展。本文總結(jié)了從體內(nèi)、體外、多角度、多途徑深入探究天然產(chǎn)物可以通過調(diào)控線粒體自噬相關(guān)機制對CIRI的神經(jīng)保護作用,這些發(fā)現(xiàn)將進一步促進臨床中CIRI候選天然產(chǎn)物的開發(fā)和應用。然而,現(xiàn)在仍然有大多數(shù)天然產(chǎn)物與CIRI相關(guān)的研究停留在細胞和器官組織水平,很少有深度研究線粒體等細胞器。未來憑借線粒體在CIRI中的重要地位,調(diào)控線粒體自噬的天然產(chǎn)物可能為臨床應用提供新的思路和方向。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。