Caspase在視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中表達及中藥調(diào)控研究進展

張啟燕 何鳳娟 張富文 李強

·綜述·

Caspase在視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中表達及中藥調(diào)控研究進展

張啟燕 何鳳娟 張富文 李強

視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷是臨床常見疾病病理改變,其發(fā)病機制還在研究中,但細胞凋亡是視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中神經(jīng)細胞死亡的主要形式,caspase家族是一組含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶,在細胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用。文章就caspase在視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中表達及中藥調(diào)控綜述如下。

視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷; 細胞凋亡; Caspase; 中藥

視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷(retinal ischemia - reperfusion injury,RIRI)是指在缺血的基礎(chǔ)上恢復(fù)血流灌注后,視網(wǎng)膜損傷持續(xù)加重的現(xiàn)象。臨床上很多疾病如糖尿病視網(wǎng)膜病變、視網(wǎng)膜中央/分支動脈阻塞、青光眼高眼壓狀態(tài)等都可引起視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷。

1 視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中細胞凋亡與caspase表達

視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷(retinal ischemia - reperfusion injury,RIRI)是指在缺血的基礎(chǔ)上恢復(fù)血流灌注后,視網(wǎng)膜損傷持續(xù)加重的現(xiàn)象。由于視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷機制較為復(fù)雜,臨床研究發(fā)現(xiàn),視網(wǎng)膜缺血后恢復(fù)血流供應(yīng),部分視網(wǎng)膜細胞的解剖機構(gòu)及生理功能不但無法完全恢復(fù),還有可能加重損傷,引起細胞死亡,造成視力的進一步下降[1]。目前,視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷的發(fā)病機制復(fù)雜,是各種因素反應(yīng)的綜合結(jié)果。這些因素主要有氧自由基生成、鈣離子超載、一氧化氮濃度改變等,且均可以導(dǎo)致神經(jīng)節(jié)細胞凋亡。早期的研究表明在視網(wǎng)膜缺血再灌注模型中,視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞層和內(nèi)核層存在細胞凋亡[2]。近年來的研究進一步說明了細胞凋亡與缺血再灌注損傷關(guān)系密切[3],細胞凋亡是視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中神經(jīng)細胞死亡的主要形式,是視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞變性的最后共同途徑[4]。有實驗發(fā)現(xiàn)[5]正常大鼠視網(wǎng)膜組織各層未見明顯的凋亡細胞,而造模成功后,于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞層、內(nèi)核層、內(nèi)叢狀層可見明顯的凋亡細胞。

1.1 細胞凋亡

細胞凋亡(apotosis)是一定生理或病理刺激的細胞程序性死亡過程[6],形態(tài)特征是細胞體積變小,胞質(zhì)濃縮,核染色質(zhì)固縮于邊緣,DNA降解,最后形成多個凋亡小體而被吞噬[7-8]。細胞凋亡受特異性復(fù)合物調(diào)節(jié),如含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶等,caspase是細胞凋亡過程中最重要的蛋白酶,細胞凋亡的最后實施是通過caspase的激活而實現(xiàn)的[9]。

1.2 caspase家族

caspase于1990年代中期發(fā)現(xiàn),是一組特異性切割天冬氨酸的半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase),在細胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用[10-11]。caspase家族有14個成員,分為兩大類:一類是凋亡啟動因子,如caspase-2、caspase-8、caspase-9、caspase-10,另一類是凋亡執(zhí)行因子,如caspase-3、caspase-6、caspase-7[12],構(gòu)成了級聯(lián)放大效應(yīng)。凋亡啟動因子在級聯(lián)反應(yīng)的上游,能在其它蛋白輔助下發(fā)生自我活化并識別和激活下游的caspase。凋亡執(zhí)行因子在級聯(lián)反應(yīng)的下游,作用于其特異性底物并導(dǎo)致細胞凋亡[13]。正常情況下,caspases以非活性酶原形式存在于細胞質(zhì)中,細胞接受凋亡信號后,凋亡啟動因子聚集成簇而活化,然后切割凋亡執(zhí)行因子,使之成為有催化活性的功能體[10]。

1.3 caspase在RIRI中的表達

RIRI視網(wǎng)膜成分的丟失涉及神經(jīng)節(jié)細胞凋亡,而caspase家族是細胞凋亡的必經(jīng)之路。細胞凋亡表達主要通過有3條通路,線粒體通路、死亡受體通路和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號通路[7],而caspase是多條凋亡通路的匯聚點,通過活化caspase來最終啟動細胞凋亡過程。因此,caspase的活化是細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。3條細胞凋亡信號途徑通過共用分子相互作用,相互聯(lián)系,形成巨大的信息傳遞網(wǎng)。

線粒體通路 線粒體在細胞凋亡中具有重要作用,是多種細胞凋亡信號的靶點。細胞凋亡時,位于線粒體膜間隙的細胞色素C(Cytc)等促凋亡活性蛋白釋放至胞漿內(nèi),在ATP/dATP存在的情況下,Cytc與凋亡蛋白酶活化因子-1(Apaf-1)形成多聚復(fù)合體[7]。 此復(fù)合體通過Apaf-1氨基端的caspase募集結(jié)構(gòu)域(CARD)與caspase-9原域的CARD發(fā)生相互作用,募集胞質(zhì)中的caspase-9,caspase-9酶原之間因相互靠近自我剪切而活化。通過CARD 的相互作用,caspase-3和-7也被募集到Apaf-1/caspase-9復(fù)合體中,活化的caspase-9激活caspase-3和caspase-7,從而啟動caspase 級聯(lián)反應(yīng)[14]。

死亡受體通路 該通路由死亡受體(death receptors)、Fas相關(guān)的死亡結(jié)構(gòu)域(Fas associated death domain,FADD)和caspase-8 組成。來自于細胞膜外的死亡受體信號,通過死亡受體轉(zhuǎn)入細胞內(nèi),死亡受體是一類跨膜蛋白,最典型的有Fas和TNFR1,死亡受體進一步活化膜上FADD,結(jié)合并活化caspase-8,活化的caspase-8形成由FasL、Fas、FADD、caspase-8組成的蛋白復(fù)合物,進一步水解procaspase-3,生成caspase-3[15]。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號途徑 近來研究結(jié)果表明,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在控制細胞命運中起重要作用,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是真核細胞中蛋白質(zhì)翻譯合成和細胞內(nèi)鈣離子的儲存場所,對細胞應(yīng)激反應(yīng)起調(diào)節(jié)作用[16]。當(dāng)細胞處于長期持續(xù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)時,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜受體,主要是IRE1α、PERK,產(chǎn)生的信號傳導(dǎo)可通過調(diào)節(jié)Bcl-2家族蛋白、調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子內(nèi)而導(dǎo)致環(huán)境紊亂[17]。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子動態(tài)平衡破壞或過多蛋白積聚于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)時,位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的caspase-12可被直接激活,同時也導(dǎo)致胞質(zhì)中的caspase-7轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面,進一步激活caspase-12,激活的caspase-12可進一步剪切caspase-3,而引發(fā)細胞凋亡[18]。也有研究表明caspase-4參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[19]。

2 抑制caspase表達中藥對RIRI保護的實驗研究

細胞凋亡受到越來越多學(xué)者的關(guān)注,目前的實驗研究表明,通過抑制caspases可以有效地保護視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞凋亡,從而控制疾病的發(fā)展。最近研究較多的通過抑制caspase保護視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的中藥主要有以下幾種。

2.1 丹參

丹參為唇形科鼠尾草植物丹參的干燥根及根莖,在改善腦缺血再灌注損傷、血液流變學(xué)及血小板功能等方面有藥理活性[20]。張鐵華等[21]實驗應(yīng)用球后注射丹參注射液治療兔視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷,觀察其對視網(wǎng)膜節(jié)細胞凋亡、caspase-3蛋白表達的影響,發(fā)現(xiàn)除1小時外,治療組各時間點凋亡細胞數(shù)量、caspase-3蛋白表達均較對照組明顯減少,作者從而得出:丹參注射液可以通過抑制細胞凋亡、抑制caspase-3表達和活化而起到對視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷的保護與治療作用。楊先梅等[22]研究大鼠視網(wǎng)膜缺血再灌注時,和缺血再灌注組比,丹參處理組在不同時間點Bcl-2的表達明顯增強,Caspasse-3蛋白表達明顯減弱,減少神經(jīng)節(jié)細胞凋亡,保護視網(wǎng)膜。

2.2 葛根

葛根為豆科多年生落葉藤本植物葛的干燥根,主要活性成分為葛根素,葛根素具有擴張冠狀血管、減慢心率、降低外周阻力和減少心肌耗氧量、抗氧化等功效[23]。李鳳花等[24]研究發(fā)現(xiàn)葛根素可能通過部分阻斷caspase-3激活的信號通路以及抑制由于白細胞浸潤造成的炎性損傷,發(fā)揮其對視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷的保護作用。

2.3 姜黃

姜黃為姜科植物姜黃的干燥根莖,主要活性成分為姜黃素,研究表明姜黃素具有抗炎、抗氧化應(yīng)激、抗腫瘤、抗纖維化等藥理作用[25]。王賽斌等[26]研究發(fā)現(xiàn)姜黃素能明顯減少缺血再灌注后的視網(wǎng)膜和視網(wǎng)膜毛細血管細胞凋亡,下調(diào)p53的表達,降低凋亡執(zhí)行因子caspase-3酶的活性,以起到保護視網(wǎng)膜作用。

2.4 β-七葉皂苷鈉

β-七葉皂苷鈉是從婆羅子的干燥果實中提取到的一種含酯鍵的三萜皂苷的鈉鹽,具有抗炎、抗水腫、抗?jié)B出、抗氧自由基和改善血循環(huán)等方面的作用[27]。董仲富等[28]在研究β-七葉皂苷鈉對大鼠缺血再灌注損傷視網(wǎng)膜iNOS及caspase-2表達的影響實驗中,用免疫組織化學(xué)技術(shù)檢測caspase-2的表達情況,結(jié)果顯示caspase-2在正常對照組大鼠視網(wǎng)膜中未見表達,在缺血再灌注損傷后12、24小時視網(wǎng)膜中表達明顯增強,而β-七葉皂苷鈉能下調(diào)其表達,得出β-七葉皂苷鈉可能通過抑制iNOS及caspase-2的表達,從而減少視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的凋亡,對視網(wǎng)膜起到保護作用。

2.5 厚樸酚

厚樸酚是常用傳統(tǒng)中藥厚樸的主要活性成分之一,研究證實其具有抗氧化、抗微生物、抗腫瘤等多種藥理作用[29]。雷曉溪等[30]實驗證實厚樸酚能抑制視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷引起的神經(jīng)元凋亡,其機制可能是抑制凋亡執(zhí)行因子caspase-3激活,從而保護視網(wǎng)膜。

2.6 丹皮酚

丹皮酚是從蘿摩科植物徐長卿干燥根或全草和毛茛科芍藥屬植物牡丹、芍藥根皮中提取分離出來的活性成分,丹皮酚具有鎮(zhèn)靜、催眠、抗菌、抗炎、抗氧化、降血壓等作用[31]。李潔等[32]實驗表明在RIRI中存在caspase-3的參與,作者通過在實驗中發(fā)現(xiàn)丹皮酚治療組視網(wǎng)膜中的Bcl-2表達明顯增強,caspase-3表達明顯減弱,判斷丹皮酚對于視網(wǎng)膜的損傷能夠起到保護作用。

3 展望

caspase作為細胞凋亡過程中的關(guān)鍵蛋白酶,研究RIRI中神經(jīng)細胞凋亡通路中的調(diào)控機制及確切作用,將為RIRI疾病的發(fā)病機制提供有力依據(jù),為治療提供有效的途徑。我們可以抑制caspase進而抑制細胞凋亡來拯救視網(wǎng)膜瀕死的細胞,從而改善RIRI疾病狀態(tài)。雖然中藥通過抑制caspase治療RIRI有一定的療效,目前的研究在針對RIRI疾病治療上大多仍處于動物實驗階段,臨床研究較少,缺乏必要的臨床應(yīng)用資料。隨著科學(xué)的發(fā)展及臨床研究的深入,視網(wǎng)膜細胞損傷及保護機制將更加明晰,RIRI機制及治療等研究將取得更多矚目的成果。

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The expression of Caspase in retinal ischemia -reperfusion injury and the research progress of traditional Chinese medicine

ZHANGQi-yan,HEFeng-juan,ZHANGFu-wen,LIQiang

(ChengduUniversityofTCM,Chengdu,Sichuan,610075)

Retinal ischemia-reperfusion injury is a pathological changes of common clinical disease,and the producing mechanism is still in research,but apoptosis is the main form of neuronal death in retinal ischemia-reperfusion injury.Caspase family is a group of cysteine aspartic acid protease and plays an important role in the process of apoptosis.In this article,the expression of caspase and the regulation of traditional Chinese medicine are reviewed.

Retinal ischemia-reperfusion injury; Apotosis; Caspase; Traditional Chinese medicine

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助課題(編號：20135132120003);四川省科技廳科技創(chuàng)新苗子工程(編號：2016068);成都市科學(xué)技術(shù)局(編號：2014-HM01-00375-SF)

610075,四川成都,成都中醫(yī)藥大學(xué)

張富文,E-mail:330920118@qq.com

10.3969/j.issn.1674-9006.2017.02.017

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