細(xì)胞自噬與心肌慢性缺氧關(guān)系的研究進(jìn)展*

杜 麗 馬 玲 王 楠

甘肅中醫(yī)藥大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅省蘭州市 730000

心肌細(xì)胞慢性缺氧與多種心血管疾病如紫紺型先心病、肺源性心臟病以及高原性心臟病等存在著密切的聯(lián)系。研究心肌細(xì)胞慢性缺氧適應(yīng)性反應(yīng)機(jī)制對于此類疾病的治療至關(guān)重要。近年來慢性缺氧性心肌中細(xì)胞自噬的發(fā)生引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，現(xiàn)就相關(guān)研究綜述如下。

1 細(xì)胞自噬的概述

1.1 自噬的分類 細(xì)胞自噬作為一種防御機(jī)制，可以降解多余蛋白質(zhì)、長壽蛋白等為細(xì)胞提供小分子底物以及降解受損的細(xì)胞器(如線粒體)，從而避免細(xì)胞損傷及維持體內(nèi)能量平衡。基礎(chǔ)水平的自噬參與許多生理過程。同時(shí)，饑餓、缺氧等應(yīng)激性刺激也可誘發(fā)過度自噬，從而破壞細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器[1]。依據(jù)降解底物運(yùn)輸?shù)饺苊阁w內(nèi)的途徑的不同，可以將自噬分為以下三大類：(1)大自噬：由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)來源的膜包繞待降解物形成自噬體，然后與溶酶體融合并降解其內(nèi)容物；(2)小自噬：溶酶體的膜直接包裹長壽命蛋白等，并在溶酶體內(nèi)降解；(3)分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)：胞質(zhì)內(nèi)蛋白結(jié)合到分子伴侶后被轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體腔中，然后被溶酶體酶消化。CMA 的底物是可溶的蛋白質(zhì)分子，在清除蛋白質(zhì)時(shí)有選擇性，而前兩者無明顯的選擇性[2-3]。

1.2 自噬的過程 細(xì)胞自噬是一個(gè)吞噬自身細(xì)胞質(zhì)蛋白或細(xì)胞器并使其包被進(jìn)入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內(nèi)容物的過程，借此實(shí)現(xiàn)細(xì)胞本身的代謝需要和某些細(xì)胞器的更新。具體過程分為：自噬的誘導(dǎo)(Induction of macroautophagy)、自噬體的形成(Formation of the autophagosome)、自噬體的轉(zhuǎn)運(yùn)(Autophagosome docking and fusion)以及自噬體的降解(Autophagic body breakdown)[4]。

1.3 自噬的調(diào)節(jié) 在自噬的調(diào)控網(wǎng)中，腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是細(xì)胞自噬過程的兩個(gè)重要的調(diào)控節(jié)點(diǎn)。AMPK是細(xì)胞內(nèi)高度保守的絲/蘇氨酸激酶，被認(rèn)為是細(xì)胞內(nèi)能量穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)控分子。既往研究發(fā)現(xiàn)，AMPK是自噬通路的上游分子，當(dāng)各種原因?qū)е掳麅?nèi)ATP含量降低時(shí)，AMPK分子的第172位蘇氨酸發(fā)生磷酸化，AMPK被激活，它一方面可以直接抑制mTOR，另一方面可以通過激活ULK1來間接抑制mTOR,從而激活自噬[5]。

2 心肌慢性缺氧

心肌缺氧(Myocardial anoxia)是指各種原因引起的冠狀動(dòng)脈血流量降低，致使心肌氧供應(yīng)不足和代謝產(chǎn)物清除減少的臨床狀態(tài)。大多數(shù)心臟疾病可引起心肌缺血缺氧，而慢性缺氧也是導(dǎo)致心臟疾病發(fā)生的重要病理生理過程之一。慢性缺氧時(shí)，心肌細(xì)胞發(fā)生損傷，導(dǎo)致心肌細(xì)胞自噬水平代償性增加，而心肌細(xì)胞的自噬對維持心肌功能具有重要的作用[6]。因此，更好地理解細(xì)胞自噬在心肌慢性缺氧中的作用可以為疾病的預(yù)防和控制提供新的途徑。

2.1 慢性缺氧對大鼠心臟功能的影響 慢性缺氧時(shí)，大鼠心功能如何變化？有實(shí)驗(yàn)研究顯示：將大鼠置于低壓低氧艙內(nèi)每日8h，2周時(shí)開始出現(xiàn)肺動(dòng)脈壓增高現(xiàn)象，表現(xiàn)為嗜睡、呼吸窘迫、呼吸急促。4周后逐漸惡化，大鼠出現(xiàn)了活動(dòng)減少、腹水、全身水腫、死亡等，而在6周時(shí)呈現(xiàn)出典型右心衰竭表現(xiàn)。隨著缺氧時(shí)間的增加，其心功能(包括心房、心室大小，室壁厚度，收縮和舒張功能以及射血分?jǐn)?shù))逐漸減弱，紅細(xì)胞與血紅蛋白計(jì)數(shù)顯著增加，病理提示心肌細(xì)胞橫截面積增加、心肌發(fā)生纖維化，透射電鏡下觀察到自噬體數(shù)量增加[7]，這與大鼠心力衰竭的表現(xiàn)相一致。同時(shí)在野百合堿誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓引起的右心室重構(gòu)過程中大鼠心功能及各項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生了類似的變化[8]。之后又有學(xué)者在給予一定干預(yù)措施(通心絡(luò)和脂肪因子CTRP9)后均可通過調(diào)控AMPK信號通路從而激活自噬減輕缺血、缺氧引起的心肌損傷[9]。因此，可以認(rèn)為在慢性缺氧導(dǎo)致的心肌損傷過程中自噬代償性的增加對心臟起到了一定的保護(hù)作用。

2.2 慢性缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬的機(jī)制 越來越多的證據(jù)表明，在缺氧的早期階段，適應(yīng)性的自噬已經(jīng)被證明在體內(nèi)和體外對心臟保護(hù)均起著至關(guān)重要的作用。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中：研究發(fā)現(xiàn)缺氧可以誘導(dǎo)心肌細(xì)胞發(fā)生自噬[10-11]；在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中：采用低氧環(huán)境建立小鼠慢性缺氧模型，然后通過 Westernblot 檢測小鼠心肌組織LC3-Ⅱ與LC3-Ⅰ比值，發(fā)現(xiàn)慢性缺氧使LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值明顯升高而p62表達(dá)降低，反映慢性缺氧條件下小鼠心肌自噬增強(qiáng)。免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)慢性缺氧使小鼠心肌組織冰凍切片中陽性自噬泡增多，也證實(shí)了Western blot的結(jié)果，提示慢性缺氧條件下的小鼠心肌自噬增強(qiáng)[12]。但其誘導(dǎo)自噬增強(qiáng)的因素及機(jī)制仍不清楚。目前可能的說法有兩種：

2.2.1 與AMPK的活化有關(guān)：慢性缺氧時(shí)，心肌細(xì)胞內(nèi)ATP含量降低，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活性增加，進(jìn)而對mTORC1產(chǎn)生抑制作用，有助于Atg13的去磷酸化和Atg1的活化，從而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬[13]。

2.2.2 與HIF-1的表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)：缺氧通過HIF-1(缺氧誘導(dǎo)因子-1)依賴性機(jī)制誘導(dǎo)心肌細(xì)胞發(fā)生自噬。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明：缺氧可誘導(dǎo)H9c2細(xì)胞發(fā)生自噬，而低氧誘導(dǎo)的自噬可被HIF-1α過表達(dá)增強(qiáng)，并被HIF-1α敲低抑制。此外，HIF-1介導(dǎo)的自噬改善了缺氧誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞活力的降低。這些發(fā)現(xiàn)為心肌細(xì)胞的缺氧缺血性損傷提供了新的見解，并為心肌缺血、缺氧中HIF-1介導(dǎo)的自噬的發(fā)生提供了證據(jù)[14]。但自噬具有“雙刃劍”的作用，一定程度的自噬有利于細(xì)胞對刺激的適應(yīng)與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的維持，過度的自噬會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡。

3 細(xì)胞自噬對缺氧條件下心肌細(xì)胞的保護(hù)作用

對于心肌細(xì)胞缺氧適應(yīng)，已有相關(guān)研究分別從缺氧心肌細(xì)胞中線粒體合成改變[15]、缺氧自噬體形成[16]、促紅細(xì)胞生成素(EPO)表達(dá)改變[17]以及腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)[13]、PI3K /GSK3信號通路[18]等諸多方面進(jìn)行闡述。目前對缺氧心肌細(xì)胞適應(yīng)性反應(yīng)機(jī)制研究較多的有以下兩方面：

3.1 線粒體合成改變 李畑波[19]學(xué)位論文中研究結(jié)果示：慢性缺氧心肌細(xì)胞中，線粒體生物合成增強(qiáng)，線粒體數(shù)目增多這是慢性缺氧適應(yīng)的一個(gè)重要機(jī)制，但同時(shí)也導(dǎo)致各種形態(tài)不規(guī)則線粒體出現(xiàn)和大量功能受損的線粒體在心肌細(xì)胞中堆積。通過細(xì)胞自噬來清除細(xì)胞內(nèi)功能不全的線粒體，以保證高效能線粒體的功能，并嚴(yán)格控制心肌細(xì)胞線粒體的數(shù)量對于促進(jìn)心肌細(xì)胞存活、心肌細(xì)胞功能和收縮力相協(xié)調(diào)尤為重要。

3.2 AMPK激活對心肌細(xì)胞線粒體自噬的影響 張華剛[20]證明了AMPK可能是上游感受能量和下游激活自噬的重要節(jié)點(diǎn)，是細(xì)胞代謝的主要感受器，維持著細(xì)胞能量代謝平衡和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，調(diào)控線粒體功能與ROS氧化還原平衡。之后進(jìn)行了相關(guān)研究，研究證實(shí)運(yùn)動(dòng)、缺血、缺氧、葡萄糖缺乏等都能使其迅速激活。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)促進(jìn)AMPK活化能夠增加慢性缺氧H9c2心肌細(xì)胞的線粒體自噬，改善線粒體的功能，更好控制線粒體的質(zhì)量，提高心肌細(xì)胞在慢性缺氧環(huán)境下的存活率。這些結(jié)果表明AMPK激活能通過刺激選擇性的線粒體自噬促進(jìn)心肌細(xì)胞在慢性缺氧條件下的存活。因此，慢性缺氧會(huì)損傷心肌進(jìn)而發(fā)展成為心力衰竭，而AMPK磷酸化水平的增加及自噬體的增加均對心肌組織具有保護(hù)作用。

4 問題

有關(guān)細(xì)胞自噬的分類、過程、調(diào)節(jié)機(jī)制及自噬與相關(guān)疾病關(guān)系的研究國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了多次研究，各種機(jī)制及研究方法已相當(dāng)成熟。但是藥物及其調(diào)節(jié)機(jī)制的研究，目前正處于初步研究階段。最近多項(xiàng)研究顯示中國傳統(tǒng)中藥紅景天苷可以調(diào)節(jié)AMPK信號通路上調(diào)自噬從而抑制肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的增殖及增加細(xì)胞凋亡[7]。紅景天苷在臨床上主要應(yīng)用于抗高原反應(yīng)、肺動(dòng)脈高壓的治療，并且有學(xué)者已多次研究。因此，紅景天苷是否對自噬相關(guān)通路及自噬的表達(dá)具有調(diào)節(jié)作用有待于進(jìn)一步研究。曾有研究證實(shí)紅景天苷具有抗心肌缺氧的作用[21]，這一作用是否與其對自噬相關(guān)信號通路的調(diào)節(jié)作用有關(guān)，需要我們進(jìn)一步證實(shí)。如果上述問題得以闡明，可能為慢性缺氧性心臟疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究提供新的思路。

5 展望

對于紅景天苷調(diào)控自噬通路的研究，如果我們的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到預(yù)期結(jié)果，我們計(jì)劃進(jìn)一步將紅景天苷應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步為治療或預(yù)防紫紺型先心病、肺源性心臟病以及高原性心臟病等全身系統(tǒng)性缺氧疾病等心臟疾病提供有效的靶點(diǎn)及理論依據(jù)。