STING信號通路在缺血-再灌注損傷中的作用研究進展

胡浩然 徐健 周浩明

缺血-再灌注損傷（ischemia-reperfusion injury，IRI）是指組織器官在缺血恢復血流后，損傷進一步加重，導致器官功能障礙和結構損傷的現(xiàn)象。IRI廣泛存在于各類器官移植、外科手術、休克復蘇等過程中，嚴重影響患者臨床預后。IRI機制復雜，主要包括缺血導致的細胞直接損傷和死亡，以及再灌注階段巨噬細胞、中性粒細胞等多種免疫細胞介導的更為嚴重的炎癥損傷。實質細胞損傷釋放多種損傷相關分子模式（damage-associated molecular pattern，DAMP），進一步通過模式識別受體（pattern recognition receptor，PRR）激活先天免疫細胞，釋放多種炎癥因子及趨化因子，最終導致組織器官內的炎癥因子風暴。常見的PRR包括Toll樣受體（Toll-like receptor，TLR）、NOD樣受體（NOD-like receptor，NLR）、維甲酸誘導基因Ⅰ樣受體（retinoic acid-inducible geneⅠ-like receptor，RLR）、C型凝集素受體（C-type lectin receptor，CLR）等。最近研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)磷酸鳥苷-腺苷酸合成酶（cyclic guanosine monophosphateadenosine monophosphate synthase，cGAS）可感知識別細胞質中的DNA，并通過激活干擾素基因刺激因子（stimulator of interferon genes，STING）信號通路，在抗病原體先天免疫應答中發(fā)揮關鍵作用。隨后發(fā)現(xiàn)，cGAS-STING信號通路在多種自身免疫性疾病、炎癥性疾病及腫瘤免疫中發(fā)揮了重要作用[1-2]。靶向干預STING信號通路可有效調控組織器官炎性損傷。目前，STING信號通路在器官IRI中的作用研究越來越多，但結果不一，機制更未明確。本文針對STING信號通路在不同器官IRI中的作用和機制展開綜述，以深化對器官IRI機制的認識，為臨床轉化治療提供新的思路。

1 缺血-再灌注損傷

IRI是臨床上常見的病理生理過程，直接影響組織器官功能。在器官移植過程中，IRI難以避免，對移植物功能與存活、免疫排斥反應與免疫耐受、腫瘤復發(fā)等均具有重要影響。IRI發(fā)病機制復雜，對其調控機制的研究是臨床干預治療的重要前提和基礎。

IRI發(fā)病機制包括能量代謝異常、氧化應激、炎癥反應等，主要包括缺血和再灌注兩個階段。缺血期主要表現(xiàn)為缺血引起的氧氣和營養(yǎng)物質缺乏、能量代謝異常，造成乳酸、活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）等有毒物質堆積。此外，細胞內離子的積聚會導致細胞水腫和細胞膜破壞[3]，誘發(fā)多種形式的細胞死亡，包括凋亡、壞死、自噬相關死亡、鐵死亡等[4-7]。

再灌注過程一方面恢復組織供氧，促進能量代謝恢復，但也導致以氧化應激和炎癥活化為特征的組織損傷[8]。供氧恢復后，受損的線粒體反而加劇ROS的產生[9]，同時高遷移率族蛋白B1（high mobility group protein 1，HMGB1）、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）等DAMP釋放至胞外，被巨噬細胞等先天免疫細胞捕獲識別[10-11]，通過PRR激活下游核因子（nuclear factor，NF）-κB、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、Ⅰ型干擾素等通路，釋放促炎因子及趨化因子[12-13]，招募并進一步激活CD4+T細胞等適應性免疫細胞，誘發(fā)炎癥損傷。其中，中性粒細胞向組織浸潤的積累加劇了微循環(huán)障礙，并形成中性粒細胞胞外陷阱（neutrophil extracellular trap，NET），破壞血管并進一步誘導細胞死亡[14]，最終形成正反饋回路，加重炎癥損傷。

2 cGAS-STING信號通路

2008年，Barber教授團隊首次報道了STING，其不依賴TLR產生Ⅰ型干擾素，在抗病毒先天免疫中發(fā)揮關鍵作用[15]。STING在人類多種器官或組織中廣泛表達，尤其在各種免疫細胞中的表達決定了其在先天免疫中的地位。

STING主要定位于細胞的內質網(wǎng)上，來源于病原體、腫瘤細胞以及自身細胞的雙鏈DNA進入胞質中可以激活cGAS，催化三磷酸鳥苷（guanosine triphosphate，GTP）和ATP合成環(huán)磷酸鳥苷-腺苷 酸（cyclic guanosine monophosphate-adenosine monophosphate，cGAMP），cGAMP作為第二信使結合并活化STING，促進STING自內質網(wǎng)轉位至高爾基體[16]。此外，來源于胞外的cGAMP或環(huán)二核苷酸（cyclic dinucleotide，CDN）以及內質網(wǎng)應激同樣可以直接激活STING并促進其向高爾基體轉位[17]。當轉位完成后，高爾基體內的硫酸糖胺聚糖與STING結合，促進STING的多聚化，導致下游TANK結合激酶1（TANK binding kinase 1，TBK1）及 IκB激酶（IκB kinase，IKK）的招募和活化[18]。STING下游信號通路主要包括STING-TBK1-干擾素調節(jié)因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）通路及STINGIKK-NF-κB通路，前者轉位至核內激活Ⅰ型干擾素的合成[19]，后者激活促炎細胞因子白細胞介素（interleukin，IL）-2、IL-6、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α等的合成及釋放[20]。此外cGAS-STING信號通路還介導細胞自噬、凋亡、壞死等過程。

STING信號通路同樣有自限性的降解過程。STING活化轉位到高爾基體后，高爾基體可以提供自噬小體的膜來源，cGAMP促進微管相關蛋白1輕鏈 3（microtubule- associated protein1 light chain 3，LC3）脂化，介導STING自噬降解。另外，STING還可直接通過溶酶體降解，不過在某些特定細胞，STING在溶酶體的聚集可能導致溶酶體膜通透性增加和裂解，從而引發(fā)細胞死亡和炎癥反應[17]。

3 STING與肝臟缺血-再灌注損傷

肝臟IRI主要發(fā)生在肝移植和肝臟手術過程中，先天免疫應答在其中發(fā)揮了重要的調控作用[12]。STING信號通路在肝臟IRI中的作用和機制研究較少，且部分結果不一致。STING信號通路的激活可以提高胞內鈣離子濃度，促進巨噬細胞中半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，Caspase）-1依賴的Gasdermin D（GSDMD）激活而加重炎癥[21]。微小核糖核酸（microRNA, miRNA，miR）-24-3p抑制STING信號通路和磷酸化IRF3的表達，并減少小鼠肝臟IRI模型中炎癥因子的釋放，從而減輕小鼠肝臟損傷[22]。另一項研究發(fā)現(xiàn)，cGAS基因敲除抑制了缺氧誘導的肝細胞自噬，通過STING非依賴途徑加重了肝細胞死亡[23]。

肝臟IRI在一些邊緣供肝如高齡供肝、肝脂肪變性供肝中程度更為嚴重，影響移植物遠期存活。在肝脂肪變性小鼠模型中，敲除STING基因后，mtDNA激活Kupffer細胞，STING-NF-κB信號通路被阻斷，促炎因子的表達降低，有效減輕了肝脂肪變性、纖維化水平[24]。通過對臨床患者肝臟標本的分析，結果顯示非酒精性脂肪性肝病患者肝組織內STING表達增加，且促進巨噬細胞介導的肝臟炎癥和纖維化[25]。筆者團隊在既往研究中觀察到，老齡小鼠肝臟缺血-再灌注后，肝內巨噬細胞的STING及TBK1激活，增加促炎因子表達，激活炎癥小體NOD樣受體蛋白3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3），加重肝臟損傷[26]；進一步深入研究發(fā)現(xiàn)，老齡小鼠的線粒體泛素化和溶酶體功能受抑制，導致巨噬細胞線粒體自噬減少，線粒體損傷和胞質內mtDNA水平增加，這是導致老齡小鼠肝臟巨噬細胞cGAS-STING信號通路活化增強的重要原因。因此，靶向抑制STING信號通路或許是減輕肝臟IRI、拓展邊緣供肝的新選擇。

4 STING與心臟缺血-再灌注損傷

IRI存在于心臟移植、心肌梗死等疾病過程中，對心肌損傷、功能與結構修復等具有重要作用。免疫炎癥是介導心臟IRI的關鍵因素[27]，越來越多研究揭示了STING信號通路在心臟IRI中的作用。

周期性抑制cGAS功能可以消除部分炎癥信號的誘導，并促進巨噬細胞轉化為修復表型，提高心肌梗死小鼠的早期存活率，減少病理性重塑[28]。cGASSTING信號通路激活產生的Ⅰ型干擾素，促進了心臟IRI后的心肌細胞損傷和凋亡，阻斷IRF3信號可降低心臟促炎因子的表達[29]。在大鼠心肌梗死模型中，體內干擾素預處理加重了心室擴張和梗死面積，抑制愈合[30]，而應用STING抑制劑和干擾素受體中和抗體均可改善心室功能障礙[29,31]。因此，靶向抑制STING信號通路能夠減輕心臟IRI并減少遠期心力衰竭等并發(fā)癥。

5 STING與腦缺血-再灌注損傷

STING在腦IRI中的研究主要集中于小膠質細胞，即腦內巨噬細胞。小膠質細胞cGAS-STING信號通路激活后，促進巨噬細胞M1極化形成促炎微環(huán)境，加重腦組織炎癥和IRI[32]。小膠質細胞組蛋白去乙酰化酶3（histone deacetylase 3，HDAC3）通過調節(jié)p65的乙酰化和核定位促進cGAS表達，激活cGAS-STING通路；HDAC3基因敲除減輕了IRI后的神經炎癥和腦損傷[33]。cGAS基因敲除小鼠小膠質細胞 M2極化增強，從而減輕神經炎癥[34]；應用cGAS抑制劑也可減輕IRI后的遲發(fā)性神經死亡[35]。STING下游IRF3信號的敲除對大鼠短暫大腦中動脈IRI也有保護作用[36]。此外，25-羥基膽固醇則可以減少STING信號通路激活和調節(jié)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白，以抑制自噬并誘導腦缺血耐受，從而減輕炎癥[37]。因此，干預cGAS-STING信號通路的各個靶點有望成為減輕臨床腦IRI的重要策略。

6 STING與腸道缺血-再灌注損傷

腸道IRI發(fā)生在腸移植、休克、敗血癥及部分腸道手術中[38]，需要特別指出的是，由于腸道微生物的存在，腸道IRI可能導致腸道黏膜屏障完整性的破壞而使得菌群移位，活菌和內毒素入血，進一步造成遠處器官損傷[39]。

研究表明，腸道IRI導致腸上皮細胞線粒體DNA釋放，激活STING信號通路促進腸壞死性凋亡，而STING敲除可以減輕腸道IRI和壞死性凋亡[40]。在盲腸結扎穿孔誘導感染性休克模型中，腸道STING信號通路顯著激活；STING基因敲除后炎癥反應減輕，細菌移位減少[41]。此外，STING介導的干擾素應答和NF-κB的激活促進了脂質過氧化，加重腸道IRI[42]。另外，STING信號對于維持腸道內環(huán)境穩(wěn)態(tài)也是必不可少的，腸道菌群衍生的DNA和CDN局部激活STING可以保護小鼠免受不同腸道炎癥的損害[43]。

7 STING與腎臟缺血-再灌注損傷

IRI是腎移植術后急性腎衰竭的重要原因，缺血引起腎臟廣泛的細胞死亡也是導致急性腎損傷（acute kidney injury，AKI）的關鍵因素[44]，未經治療的AKI可能發(fā)展為腎纖維化，進而導致腎衰竭。在順鉑誘導的小鼠AKI模型中，mtDNA激活cGAS-STING信號通路，加重了腎臟炎癥的進展，STING敲除小鼠腎損傷得到改善[45]。mtDNA的異常可激活STING信號通路，導致細胞死亡和腎衰竭，缺失或抑制STING信號通路可以改善腎臟炎癥和纖維化[46]。目前STING調控腎臟IRI的研究較少。在小鼠腎臟IRI模型中，STING信號通路下游的干擾素受體缺失可減少腎臟細胞凋亡，減輕腎臟炎癥[47]，提示 STING信號通路在減輕腎臟IRI及后續(xù)疾病發(fā)展中具有重要作用。

8 小 結

cGAS-STING信號通路在包括肝臟、腎臟、心臟、腦、腸道等全身多個器官IRI中均具有重要調控作用。IRI誘導了器官實質細胞的損傷，釋放細胞內容物形成促炎微環(huán)境，并引發(fā)STING過度活化和炎癥反應，進而影響移植手術后的器官功能及遠期存活，靶向干預STING信號可減輕IRI。同時，STING在維持器官穩(wěn)態(tài)中同樣發(fā)揮了重要作用。目前，STING的激動劑和抑制劑等藥物已在研發(fā)當中，在部分腫瘤及自身免疫性疾病中取得較好結果，但仍有待進一步大樣本的臨床研究驗證。針對STING的靶點干預在器官移植相關IRI中的轉化應用尚未見報道，深入相關分子機制研究，選擇器官、組織、細胞特異的治療靶點和藥物，以增強干預治療特異性、減少不良反應是今后轉化研究的重要方向。