張書虎 李甜甜

自噬是真核細(xì)胞中一種重要的生命現(xiàn)象與分解代謝過程,對包括心臟在內(nèi)的各種器官的能量應(yīng)激狀態(tài)敏感,主要有3種形式:巨自噬、微自噬和伴侶介導(dǎo)的自噬[1]。自噬的主要作用是將受損的細(xì)胞器和過量的生物大分子傳遞到溶酶體進(jìn)行降解,并利用降解產(chǎn)物提供能量和重建細(xì)胞結(jié)構(gòu),在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和生命活動方面發(fā)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(kuò)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(hù)機(jī)體免受癌癥、衰老、神經(jīng)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(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,也參與各種心臟病的發(fā)病機(jī)制。近年來,大量的研究表明,重復(fù)或連續(xù)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(jìn)展進(jìn)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(fā)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高,肥胖和代謝紊亂的病人數(shù)量急劇上升,其中許多人會發(fā)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(fā)病率將持續(xù)增長[6]。由于高血糖環(huán)境中自由基的產(chǎn)生及脂肪酸的過度利用,糖尿病病人的心臟處于超負(fù)荷代謝狀態(tài),心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激負(fù)擔(dān)增加,導(dǎo)致線粒體功能障礙、凋亡和心肌細(xì)胞纖維化,阻礙心肌收縮和正常心臟功能,隨后出現(xiàn)心臟功能下降,并最終增加發(fā)生心力衰竭的風(fēng)險(xiǎn)[7]。研究發(fā)現(xiàn),在接受冠狀動脈搭橋術(shù)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(biāo)志物)陽性肌細(xì)胞、LC3BⅡ蛋白表達(dá)和自噬小體數(shù)量均顯著增加[8]。此外,糖尿病病人的心肌細(xì)胞內(nèi)可見大量的自噬空泡,這也進(jìn)一步說明自噬與糖尿病心肌病相關(guān),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(fā)現(xiàn)腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)表達(dá)上調(diào),說明自噬在1型糖尿病心臟中被激活,且已被認(rèn)為與糖尿病心肌病的舒張功能障礙和發(fā)病機(jī)制有關(guān)。1型糖尿病病人的糖脂毒性(如溶酶體相關(guān)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(xì)胞的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài),中斷溶酶體蛋白水解活性以及轉(zhuǎn)錄因子EB和Tax1結(jié)合蛋白1(TAX1BP1)表達(dá)的失活/缺失,使心肌細(xì)胞發(fā)生損傷[10]。2型糖尿病中胰島素信號通路的損害會導(dǎo)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(dá)仍然上調(diào),但在晚期2型糖尿病小鼠的心臟中發(fā)現(xiàn)了自噬和溶酶體活性的降低。LC3BⅡ在心臟中的累積被認(rèn)為與最終降解步驟中的自噬損傷有關(guān)[11]。SIRT1(一種組蛋白去乙?；?具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性,在細(xì)胞生存、衰老、凋亡和代謝等生物學(xué)過程中扮演著重要角色)抑制和AMPK的表達(dá)被發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致自噬過度活化,從而影響2型糖尿病病人心肌細(xì)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(zhì)聚集物和活性氧(reactive oxygen species,ROS),如心肌細(xì)胞受損的線粒體和過氧化物酶體,并恢復(fù)正常的心臟功能。此外,它還可以通過核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的激活來提高細(xì)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(dǎo)致自我消化并增加ROS的產(chǎn)生。因此,自噬的抑制和過度激活都可對糖尿病心臟產(chǎn)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(tài)、肥胖、胰島素水平、葡萄糖毒性、脂質(zhì)毒性、氧化應(yīng)激和炎癥等,這些因素通過一個復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)共同調(diào)節(jié)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(tài)可能無法預(yù)測。大量證據(jù)表明,適量自噬水平有利于恢復(fù)心臟穩(wěn)態(tài),而自噬損傷和過度活化都可導(dǎo)致糖尿病心臟的結(jié)構(gòu)和功能障礙[15]。探討自噬在糖尿病不同狀態(tài)/條件下的確切作用和調(diào)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(xiǎn)因素的影響下,內(nèi)皮黏附分子在動脈內(nèi)皮細(xì)胞中高表達(dá),促進(jìn)單核細(xì)胞向巨噬細(xì)胞分化,隨后轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)累積的泡沫細(xì)胞,形成脂質(zhì)斑塊。動脈粥樣硬化的發(fā)病機(jī)制是這些巨噬細(xì)胞、脂質(zhì)、膽固醇的累積,血管平滑肌細(xì)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(xì)胞類型中(包括巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞)均能發(fā)現(xiàn)自噬功能失調(diào),自噬和線粒體自噬不足觸發(fā)了炎癥小體的激活,最終導(dǎo)致斑塊的累積。盡管所有這些細(xì)胞類型的自噬失調(diào)都加速了斑塊的進(jìn)展,但其潛在的機(jī)制是不同的。例如,巨噬細(xì)胞中的異常自噬是通過增加細(xì)胞凋亡和壞死來促進(jìn)斑塊的不穩(wěn)定性[17];相反,自噬缺陷的血管平滑肌細(xì)胞是通過衰老誘導(dǎo)促進(jìn)斑塊形成[18];缺乏必要的自噬相關(guān)基因的內(nèi)皮細(xì)胞同時表現(xiàn)出凋亡和衰老[19]。這表明自噬在動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展過程中起著細(xì)胞類型依賴的機(jī)制作用,對于研發(fā)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(dǎo)的降解損傷[20]。Zhang等[21]發(fā)現(xiàn)的人和小鼠的動脈粥樣硬化斑塊中巨噬細(xì)胞的自噬-溶酶體系統(tǒng)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(yán)重的氧化應(yīng)激和膽固醇晶體已被證明會破壞溶酶體膜,導(dǎo)致強(qiáng)酸性水解酶的胞質(zhì)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(xì)胞的含量,導(dǎo)致斑塊的不穩(wěn)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(fā)揮穩(wěn)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(dá)轉(zhuǎn)錄因子EB來逆轉(zhuǎn)斑塊巨噬細(xì)胞的自噬功能障礙,重新激活的自噬可減弱斑塊巨噬細(xì)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(yàn)中,通過PTEN誘導(dǎo)激酶1(PTEN induce putative kinase 1,PINK1)或Parkin基因過表達(dá)來激活線粒體自噬可以保護(hù)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(xì)胞[25]。這些發(fā)現(xiàn)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(fù)擔(dān),從而對動脈粥樣硬化性心血管疾病提供保護(hù)。

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(guān),并可能導(dǎo)致心肌梗死,是世界范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率高的主要病因。與CAD相關(guān)的心肌損傷分為缺血期和再灌注期,其均可觸發(fā)應(yīng)激,激活心肌細(xì)胞自噬。在缺血期,氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)的下降減少了細(xì)胞內(nèi)ATP的產(chǎn)生,導(dǎo)致AMPK激活和mTOR抑制,兩者都刺激自噬以維持細(xì)胞能量水平和保持心肌細(xì)胞的活力。包括海藻糖和亞精胺在內(nèi)的多種可激活自噬的誘導(dǎo)劑已被證明可以限制心肌損傷和改善缺血損傷的心臟預(yù)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(jìn)不良缺血性心臟重構(gòu)。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(shí)驗(yàn)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(bǔ)充了氧氣和營養(yǎng)物質(zhì),但仍有大量ROS聚積,這種過度的氧化應(yīng)激導(dǎo)致再灌注過程中自噬的過度激活,從而通過引發(fā)心肌細(xì)胞死亡,并加劇再灌注損傷[27]。因此,自噬在缺血時促進(jìn)細(xì)胞存活中起著二分式的作用。線粒體通透性的增加會促進(jìn)自噬/線粒體自噬,導(dǎo)致線粒體過度螯合,但由于溶酶體相關(guān)膜蛋白2(一種高度糖基化的溶酶體膜內(nèi)蛋白,參與維持溶酶體膜的完整性以及作為轉(zhuǎn)運(yùn)受體協(xié)助蛋白進(jìn)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(yàn)中,通過藥物抑制線粒體膜通透性轉(zhuǎn)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(jī)械應(yīng)力增加的典型早期適應(yīng)反應(yīng),其直接原因是心肌細(xì)胞體積的增大。長期的慢性壓力會導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡和心臟不可逆損傷,最終發(fā)展為HF。HF的發(fā)病率與年齡相關(guān),在70～80歲的人群中高達(dá)20%～30%。心臟自噬是一種適應(yīng)性反應(yīng),可調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài),從而保護(hù)心臟免受血流動力學(xué)應(yīng)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(dǎo)致各種線粒體蛋白的ROS過度產(chǎn)生和氧化損傷。自噬和線粒體自噬的增加被認(rèn)為是心肌細(xì)胞的一種保護(hù)性反應(yīng)。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A(yù)MPK,cAMP/PKA和MAPK/ERK1/2信號通路也可以激活自噬,由自噬增強(qiáng)引起的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)增加可以減輕心肌肥厚,延緩HF的進(jìn)展[30]。綜上,自噬有望成為HF治療的新焦點(diǎn)。

5 總結(jié)與展望

任何干擾自噬體形成或溶酶體降解的因素都會導(dǎo)致心肌細(xì)胞和心血管系統(tǒng)中其他細(xì)胞的功能和穩(wěn)態(tài)受損。自噬的細(xì)胞保護(hù)功能對于維持心血管健康和預(yù)防疾病至關(guān)重要。心血管疾病的高發(fā)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(yīng),評估自噬的有益作用如何在人群中可重復(fù)地和大規(guī)模地實(shí)施,以便確定最適合未來臨床試驗(yàn)的藥物。盡管本文綜述了自噬在心血管系統(tǒng)中的保護(hù)作用,但它實(shí)際上具有雙面性,即具有保護(hù)和致病的雙重作用,基礎(chǔ)自噬的過度激活也是有害的,這可能導(dǎo)致必要的細(xì)胞成分的降解,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。綜上,自噬在心血管方面有廣闊的應(yīng)用前景及價值,但仍面臨諸多挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步研究以闡明其機(jī)制。