自噬在心力衰竭中的利弊評價——從自噬體到自噬流

王鵬博 綜述 王國干 審校

(中國醫(yī)學科學院，北京協(xié)和醫(yī)學院，國家心血管病中心，阜外心血管病醫(yī)院，心血管疾病國家重點實驗室，北京

100037)

心力衰竭是各種心臟病發(fā)展的終末期階段。雖然血管緊張素轉換酶抑制劑、β 受體阻滯劑和醛固酮受體拮抗劑等藥物以及心臟再同步化治療、植入型體內自動除顫器等器械治療可在一定程度上改善心力衰竭患者的預后，但其5 年生存率仍只有50% 左右［1-2］。因此新的藥物和治療手段亟待出現(xiàn)，而這需要進一步闡明心力衰竭的發(fā)病機制。近年來多項研究表明自噬參與心力衰竭的發(fā)病過程［3-5］。然而自噬在其中的利弊仍存在爭議，甚至相似的研究得出完全相反的結論［6-11］。產生這種爭議的關鍵原因之一是自噬水平的評價方法不當。

1 自噬和自噬流的概念

自噬(autophagy)，顧名思義即“自己吃自己”，是細胞消化自身細胞器和內容物的一種生命現(xiàn)象。細胞可通過自噬，對受損的細胞器和異常的蛋白質等細胞內容物進行分解，并循環(huán)利用［12-13］。因此自噬系統(tǒng)相當于可將垃圾回收再利用的清潔系統(tǒng)。

自噬流(autophagy flux)即自噬的流程。由于自噬現(xiàn)象中最常見、研究最多的是巨自噬(macroautophagy)。因此目前研究中所提到的自噬流多指巨自噬的流程，即由內質網(wǎng)來源的膜包繞待降解物形成具有雙層膜結構的自噬體(autophagosome)，繼而與溶酶體融合，形成自噬溶酶體(autolysosome)并降解其內容物［14］。其中，自噬體的形成和清除是自噬流的兩個密不可分的過程。

2 以自噬體為評價標準

由于自噬體是較具特征意義的自噬標志，因此既往研究多以自噬體有無或者多寡評價細胞自噬水平的高低。自噬體有無或者多寡的情況可以通過電鏡下觀察直接得到，也可以通過western-blot 等方法檢測自噬體膜上的標記物蛋白LC3-Ⅱ或以綠色熒光蛋白標記LC3 等方法間接反映［15］。Shimomura 等［6］取27個擴張型心肌病的患者行部分左室切除術后的心肌，通過電鏡發(fā)現(xiàn)變性的心肌細胞中存在包含線粒體等細胞器的自噬體，因此認為自噬是心肌細胞死亡的機制之一。而Kassiotis 等［7］通過對比9 個擴張型心肌病患者行左室輔助裝置術前后心肌細胞內自噬和凋亡指標的變化，發(fā)現(xiàn)術后LC3-Ⅱ等自噬標記物明顯下降，而凋亡指標變化不大，因而得出結論，自噬在心力衰竭中是一種適應(adaptive)機制。這兩項研究均采用了人體心臟組織標本，只進行了觀察，而沒有直接干預自噬過程。從統(tǒng)計學中相關性和因果關系的角度來看，Shimomura 等［6］的研究結論是明顯偏頗的，因為靜態(tài)觀察到變性心肌細胞中包含自噬體，只能說明自噬和心肌細胞死亡相關，卻不能說明自噬是心肌細胞死亡的原因。譬如心力衰竭患者血液中腦鈉肽(BNP)升高，只能說明BNP 和心力衰竭相關［16］，如果就此推論BNP 是心力衰竭原因，則在目前看來是顯而易見的錯誤，因為BNP 具有抗心力衰竭作用［17］。而Kassiotis 等對心肌中的自噬進行了動態(tài)的觀察，其研究結果具有重要意義，但結論似乎不妥，因為觀察到心臟負荷減小后，心肌自噬標記物的降低，只能說明自噬標記物隨心臟負荷的減小而降低，卻不能說明自噬是心力衰竭的適應機制。這類似于動態(tài)觀察心力衰竭患者血液中血管緊張素，心力衰竭改善后血管緊張素下降，只能說明血管緊張素隨心力衰竭改善而降低，若認為血管緊張素升高是心力衰竭的適應機制，則是眾所周知的謬誤，因為目前公認心力衰竭中血管緊張素升高是機體適應不良(maladaptive)的表現(xiàn)，降低血管緊張素可治療心力衰竭［18］。

由此可見，單純通過直接或者間接觀察心肌細胞中自噬體有無或者多寡來推論自噬和心力衰竭的因果關系，探討自噬在心力衰竭中的利弊，是有失偏頗的。

由于人體試驗的局限性，難以對自噬本身進行干預，因此有基礎研究通過藥物或者基因敲除的方法來調控自噬，以判斷自噬在心力衰竭中的利弊。Atg5 是自噬體形成階段中的重要因子。Nakai 等［8］通過抑制Atg5 調控自噬水平，觀察小鼠心臟結構和功能的變化。當短時間抑制成年小鼠心臟中的Atg5 時，小鼠心肌細胞中代表自噬體數(shù)量的LC3-Ⅱ減少，心臟發(fā)生肥厚、左室擴大、收縮功能減低;而Atg5 基因敲除的小鼠，盡管心臟發(fā)育正常，但增加壓力負荷一周后即出現(xiàn)LC3-Ⅱ減少、左室擴大和心功能不全。因此Nakai等［8］認為，基礎水平的自噬對維護心臟結構和功能意義重大，心力衰竭時上調自噬水平可以保護心臟細胞免受血流動力學變化的損傷。但是當時多數(shù)研究認為自噬在壓力負荷所致的心力衰竭中是適應不良的表現(xiàn)，自噬水平上調會加速病情進展，對機體是不利的［19］。Nakai 等的研究當時被認為是偏頗的。因為抑制Atg5 或者基因敲除Atg5 后，自噬被過度抑制，因此心力衰竭進展快，但這并不能說明上調自噬可以起保護作用;何況在心力衰竭患者中的自噬并沒有受過度抑制［6］。那么，在保證基礎水平自噬的前提下，上調自噬對心力衰竭是利還是弊?

Beclin1 是自噬啟動階段的一個關鍵因子。Zhu等［9］制作了beclin 1+/-的小鼠，這種小鼠心臟細胞具有基礎水平的自噬，而不會像Nakai 等的研究中自噬被過度抑制。當壓力負荷增加時，相對于野生型小鼠，beclin 1+/-小鼠心肌中綠色熒光蛋白標記的LC3 減少，左室擴大和收縮功能降低的幅度均減小。而當上調beclin-1 表達時，綠色熒光蛋白標記的LC3 增加，心臟結構和功能病理性惡化的程度加重。因此，作者得出結論，壓力負荷增加會上調自噬，從而造成心力衰竭。

以上結論相反的兩個研究，被一些研究者推論為:自噬是雙刃劍，即基礎水平的自噬對心力衰竭是有利的，但過度自噬則會造成病理性改變，使心力衰竭惡化［20］。然而這種推論是不妥的，因為Zhu 等［9］的研究結論并不十分可靠，其以綠色熒光蛋白標記的LC3 反映自噬體數(shù)量，并以此評價自噬水平是很可能導致謬誤的。原因在于，自噬體數(shù)量的變化并不能反映自噬水平。自噬體數(shù)量增加并不能代表自噬水平上調。

3 以自噬流為評價標準

新近研究多以自噬流評價自噬水平［21-23］。自噬體的形成和清除是自噬流的兩個密不可分的過程。從自噬流的角度來看，自噬體增多的原因既可能是自噬體的形成增加，也可能是其清除受阻。而這兩種情況可代表自噬水平完全相反的狀態(tài):若只是自噬體的形成增加，則代表自噬流上調，自噬水平上調;若只是其清除受阻，則代表自噬流下調，自噬水平下調［24］。因此，不難理解，以自噬體有無或者數(shù)量多寡評價自噬利弊的研究會得出完全相反的結論。而以自噬流評價自噬水平則科學全面。

自噬流概念的引入，使眾多研究從干預自噬體的形成過程轉而關注自噬流的清除階段。與上文Zhu等［9］研究類似的是，Ma 等［25］也觀察到，當beclin-1 上調時，綠色熒光蛋白標記的LC3 增加，自噬體蓄積，心臟損傷加重。但與Zhu 等不同的是，Ma 等除了觀察到自噬流上流的自噬體蓄積，還注意到其下流的自噬溶酶體并沒有增加，因此認為心臟損傷的減輕并非自噬水平上調造成的，相反，是自噬清除功能障礙所致。而部分敲除beclin-1 時，自噬清除功能增強，心臟損傷減輕。另外，作者提出，蓄積的自噬體會增加活性氧，致使線粒體膜通透性增加，從而導致細胞死亡。由此可見，自噬體蓄積是導致病理性改變和細胞死亡的真正原因。之前認為自噬體蓄積是自噬過度表現(xiàn)的觀點是錯的。自噬體蓄積的原因很可能是自噬流在清除階段出現(xiàn)功能障礙，這是自噬不足的一種表現(xiàn)。這一觀點被其他的試驗從另外的角度佐證。DNaseⅡ是溶酶體中的DNA 水解酶，在清除自噬體內的線粒體DNA 中起重要作用。Oka 等［26］發(fā)現(xiàn)DNaseⅡ對應基因敲除后的小鼠在基礎水平并無異常，但當壓力負荷增加時，其自噬體內的線粒體DNA 蓄積，從而引發(fā)心肌炎癥和心力衰竭。新近Dutta 等［13］研究表明，上調自噬可以減少氧化應激反應對心肌細胞的損傷，而氧化應激反應參與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展?？梢娮允稍谛牧λソ叩陌l(fā)生發(fā)展過程中起正面抗衡的作用，但當自噬功能在清除階段受阻時，則蓄積的自噬體會導致病理改變。

如果將自噬系統(tǒng)比作可將垃圾回收再利用的清潔系統(tǒng)，那么線粒體DNA 等受損的細胞內容物好比垃圾，而自噬體是垃圾堆，清除過程相當于焚化。可見最終導致污染和破壞的是垃圾堆中的垃圾，而非清潔系統(tǒng)本身。根據(jù)垃圾堆的數(shù)量判斷清潔系統(tǒng)的效率是不當?shù)?。因為垃圾堆的增多，既可能是清潔系統(tǒng)在前一階段高運轉，掃出了很多垃圾堆，也可能是清潔系統(tǒng)在清除階段效率低下，掃出的垃圾堆焚化不良。因此，在評價自噬在心力衰竭中的利弊時，綜合考慮其形成能力和清除能力是必要的。在盡量減少受損細胞器和異常蛋白的前提下，增強自噬的清除功能應是以后的研究熱點和新藥開發(fā)方向［11，27］。

綜上所述，自噬在功能正常時可正面抗衡心力衰竭的進展，但當自噬清除功能障礙時，則會造成負面影響。如何提高心力衰竭中自噬的清除功能是以后的研究熱點和新藥開發(fā)方向。

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