運動調(diào)節(jié)自噬改善心血管疾病預(yù)后的研究進(jìn)展

吳長勇，保蘇麗，徐菲，彭云珠

心血管疾病是全球人類死亡的主要原因之一［1］，位于我國城鄉(xiāng)居民疾病死亡構(gòu)成比首位，其中每5例死亡中就有2例死于心血管疾病［2］，因此需要有效的策略進(jìn)行心血管疾病管理，改善患者預(yù)后。自噬是一種細(xì)胞內(nèi)降解系統(tǒng)，普遍存在于細(xì)胞內(nèi)，發(fā)揮著維持內(nèi)環(huán)境動態(tài)平衡和防御的作用。正常水平的自噬保護(hù)細(xì)胞不受外界環(huán)境刺激，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，而過度的自噬激活會導(dǎo)致另一種重要的細(xì)胞程序性死亡（被稱為Ⅱ型程序性死亡）［3］。近年來研究表明，自噬具有比預(yù)期更多的病理、生理學(xué)功能，如發(fā)育、細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)及細(xì)胞器清除、抗衰老、細(xì)胞凋亡、心臟重構(gòu)、腫瘤抑制和抗原呈遞［4］。自噬是心血管疾病的重要調(diào)節(jié)機制，過度的自噬或自噬不足將導(dǎo)致心血管事件發(fā)生，最終誘導(dǎo)心力衰竭。因此，通過探究自噬的病理、生理功能及其相關(guān)信號通路的分子機制，并發(fā)現(xiàn)新型有效治療靶點，有益于預(yù)防心血管事件，改善心功能，提高患者生活質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外指南均指出心臟康復(fù)是二級預(yù)防的重要指標(biāo)［5-7］，且運動康復(fù)作為中心元素，有益于降低心血管疾病患者再入院率、死亡率及心血管事件發(fā)生率，改善患者心功能，提高心血管事件發(fā)生后的生存率［8-10］。另外，心肌梗死、缺血再灌注損傷、心力衰竭等心血管疾病研究證實，運動能減少心肌梗死面積、活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生及炎性反應(yīng)，增加梗死灶周圍血管生成、減少心肌細(xì)胞凋亡，改善細(xì)胞基質(zhì)合成、減輕心臟纖維化，最終改善心功能［11-12］。且運動可通過調(diào)節(jié)自噬水平維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，發(fā)揮適應(yīng)性保護(hù)心臟作用。但目前運動改善心血管疾病預(yù)后的機制仍未充分闡述清楚。本文將從自噬及其主要信號通路角度總結(jié)運動調(diào)節(jié)自噬改善心血管疾病預(yù)后，現(xiàn)綜述如下。

以“exercise，sport，autophagy，cardiovascular disease，myocardial infarction，ncRNA”為英文關(guān)鍵詞檢索PubMed、Medline、Web of Science；以“運動，自噬，心血管疾病，心肌梗死，非編碼RNA”為中文檢索詞檢索中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺、維普網(wǎng)及中國生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)。檢索時間為建庫至2022-04-07。文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)：涉及心血管疾病的病理機制、自噬及其相關(guān)信號通路、心臟運動康復(fù)的基礎(chǔ)研究及文獻(xiàn)研究。文獻(xiàn)排除標(biāo)準(zhǔn)：重復(fù)發(fā)表、數(shù)據(jù)記錄不詳細(xì)、文獻(xiàn)年代久遠(yuǎn)、文獻(xiàn)質(zhì)量差。

1 自噬概述以及其在心血管疾病中的作用

自1957年CLARK和ASHFORD首次發(fā)現(xiàn)自噬形成現(xiàn)象以來［13］，自噬在有機體的演變中發(fā)揮關(guān)鍵作用。自噬包括4個步驟：自噬的誘導(dǎo)、自噬小體的形成、降解和再利用［14］，每一步驟在不同細(xì)胞環(huán)境中發(fā)揮不同功能（圖1）。自噬調(diào)控過程涉及多種信號通路，其中較經(jīng)典的是磷脂酰肌醇3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（PI3K-AKT-MTOR）通路、腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）通路，且AMPK通路對細(xì)胞生長及氧化應(yīng)激損傷起重要作用。心肌缺血缺氧時，增加一磷酸腺苷/三磷酸腺苷（AMP/ATP）比值，激活A(yù)MPK途徑，抑制MTOR復(fù)合物1活性，誘導(dǎo)自噬，促進(jìn)線粒體合成ATP，改善心肌能量代謝［15］。但MTOR通路調(diào)節(jié)自噬是雙向的，早期被抑制促進(jìn)自噬產(chǎn)生，晚期被激活避免過度自噬。自噬小體成熟的一個重要步驟是招募ULK1激酶復(fù)合物和PI3K復(fù)合物穩(wěn)定于自噬體膜上。ULK1復(fù)合物、微管相關(guān)蛋白3（LC3）和自噬相關(guān)基因ATG5-12-16L1在自噬體膜上相互作用促進(jìn)自噬小體的成熟。TIAN等［16］發(fā)現(xiàn)pATG16L1s278與自噬小體形成的生物學(xué)作用及自噬誘導(dǎo)速率密切相關(guān)，且遵循LC3-Ⅱ的速率，這可能為自噬的誘導(dǎo)和調(diào)控開辟新途徑。除此外，ATG7募集LC3-Ⅰ到自噬體膜上，ATG5-12-16L1依賴的磷脂酰乙醇胺（PE）脂化為LC3-Ⅱ，對自噬體的成熟至關(guān)重要。成熟的自噬體與溶酶體融合成自噬溶酶體，在ATG、Lamp1、Lamp2、UVRAG等蛋白質(zhì)協(xié)助一系列水解酶降解內(nèi)容物，并回收用于蛋白質(zhì)合成，維持細(xì)胞的能量代謝和質(zhì)量守恒。

圖1 自噬過程概述及主要的信號通路機制Figure 1 Overview of the autophagic process and main signaling pathway mechanisms

心肌細(xì)胞是終末期分化細(xì)胞，再生能力有限。心血管疾病進(jìn)展到后期將產(chǎn)生共同的病理變化即心肌纖維化，導(dǎo)致心功能障礙，最后發(fā)展為心力衰竭。而自噬通過降解折疊錯誤或功能失調(diào)的蛋白質(zhì)及損壞衰老的細(xì)胞器可促進(jìn)ATP產(chǎn)生，為心肌細(xì)胞提供能量，改善心肌細(xì)胞缺血缺氧，發(fā)揮保護(hù)性作用。因此，自噬維持對心肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)具有重要作用。自噬可保護(hù)機體免受腎上腺素或壓力負(fù)荷所致的心肌肥厚［17］。研究表明，全球每年約有65%心肌梗死患者表現(xiàn)為心肌纖維化性心臟重構(gòu)［18］，缺血缺氧誘導(dǎo)自噬能防止細(xì)胞肥大，清除心肌細(xì)胞功能障礙的線粒體，增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，維持線粒體數(shù)量，恢復(fù)心肌細(xì)胞能量代謝。隨著心血管疾病進(jìn)展至心力衰竭階段，機體通過MTOR和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）應(yīng)激通路激活自噬，減少細(xì)胞凋亡與壞死，抑制心室重塑，改善心功能。但過度的自噬或自噬不足將導(dǎo)致心血管疾病惡化，有關(guān)終末期心力衰竭的研究發(fā)現(xiàn)，自噬過度增加是心肌細(xì)胞進(jìn)行性損失的主要驅(qū)動力，廣泛發(fā)生細(xì)胞質(zhì)破壞和核溶解，導(dǎo)致細(xì)胞壞死［19］，這可能是疾病惡化的原因之一。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，非編碼RNAs（noncoding RNAs，ncRNAs）參與心肌細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)，是心血管疾病重要的調(diào)控因子之一［20-23］。ncRNAs是一類不編碼蛋白的RNAs，主要包括微小RNAs（microRNAs，miRNAs）、長鏈非編碼 RNAs（long noncoding RNAs，lncRNAs）和環(huán)狀RNAs（circular RNAs，circRNAs）等，其中miRNAs是一種長度約22個核苷酸的小分子單鏈RNA，具有高度保守性，主要機制是miRNAs通過堿基互補配對原則與靶mRNA的3'非翻譯區(qū)（3'UTR）結(jié)合，誘導(dǎo)靶mRNA降解或抑制其翻譯。在糖尿病心肌病中，miR-30c的耗竭與Becn1的誘導(dǎo)增強了糖尿病心肌細(xì)胞的自噬通量，且miR-30c直接結(jié)合到Becn1的3'UTR而抑制Becn1表達(dá)，進(jìn)而改善心臟結(jié)構(gòu)及功能［24］；通過miR-551b17/PCDH 17途徑促進(jìn)心肌細(xì)胞自噬，減少心肌纖維化形成，改善心功能［25］。然而，在肥厚型心肌病中發(fā)現(xiàn)，miR-29族、miR-302-367族通過磷酸酶和張力蛋白同源物（PTEN）/AKT/MTOR信號通路抑制自噬，進(jìn)而加重心肌肥厚，導(dǎo)致心功能障礙［26-27］。lncRNAs是長度大于200個核苷酸的ncRNAs，且根據(jù)其與鄰近編碼區(qū)基因組的相對位置關(guān)系，可分為6種類型：正義lncRNAs、反義lncRNAs、基因間lncRNAs、內(nèi)含子lncRNAs、增強子lncRNAs和雙向lncRNAs。lncRNAs主要直接與蛋白質(zhì)、DNA和miRNAs結(jié)合等相互作用而調(diào)節(jié)心血管疾病，但其生物學(xué)功能及分子機制尚未充分闡述清楚。LIANG等［28］報道lncRNA 2810403D2Rik/AK007586/Mirf（心肌梗死調(diào)節(jié)因子）海綿化miR-26a，靶向USP15激活自噬，減輕心臟損傷。此外，其余的lncRNAs，如lncRNA CAIF、lncRNA Chast和 lncRNA H19，也是調(diào)控自噬參與心血管疾病的重要因子［29-30］。然而，circRNA是一種新型的非線性內(nèi)源性ncRNA，具有保守性好、穩(wěn)定性高等特征，主要通過PI3K-AKT-AMPK等信號通路參與自噬調(diào)節(jié)。然而，因技術(shù)的局限性，ncRNAs特別是lncRNAs和circRNAs的研究主要通過體內(nèi)實驗進(jìn)行證實，仍存在動物與人類基因差異表達(dá)及是否對心血管本身存在嚴(yán)重不良反應(yīng)等挑戰(zhàn)。

2 運動調(diào)節(jié)自噬改善心血管疾病

運動調(diào)節(jié)自噬是雙向的［31-32］（圖2）。自噬損傷和自噬水平的改變與多種疾病的發(fā)病機制相關(guān)。研究顯示在自噬缺陷的大鼠或患者中，自噬小體形成受損會使受損的線粒體、蛋白質(zhì)清除不足，導(dǎo)致多器官功能障礙和其他嚴(yán)重的不良結(jié)局［33-35］。自噬性空泡肌病主要包括Pompe病、Danon病和X連鎖肌病伴過度 自 噬（X-linked myopathy with excessive autophagy，XMEA），其中XMEA是由VMA21基因中的一個插入缺失引起，其特征是緩慢進(jìn)行性肌無力和肌肉活檢中過度自噬空泡的病理學(xué)表現(xiàn)，在XMEA患者肌肉檢測到溶酶體pH值增加和LC3陽性空泡，這與基因突變的預(yù)測功能缺陷相符［36-37］。而對于自噬不足引起的心血管疾病，運動能上調(diào)自噬水平。而對于自噬過度所致的心血管疾病，運動則抑制自噬，使其恢復(fù)正常的自噬水平及功能，延緩心血管疾病的進(jìn)展。此外，運動還可減少心肌梗死面積、梗死區(qū)域血管生成、增加梗死邊緣區(qū)心臟特絡(luò)細(xì)胞和抑制炎性反應(yīng)，改善心室病理性重構(gòu)［38］。有氧運動通過上調(diào)AMPK活動來抑制MTOR的磷酸化，改善心肌細(xì)胞自噬水平，防止心肌細(xì)胞凋亡和心臟功能障礙，且單項運動也可通過激活叉頭轉(zhuǎn)錄因子（FOXO）3和缺氧誘導(dǎo)因子1激活心臟自噬，間接上調(diào)Beclin1表達(dá)［31］。除此外，有氧運動介導(dǎo)自噬通過熱休克蛋白70相互作用蛋白的羧基端發(fā)揮心臟保護(hù)性作用［39］。

圖2 運動誘導(dǎo)自噬的分子遞質(zhì)有益于心血管疾病Figure 2 Molecular mediators used in the inducing of autophagy by exercise are beneficial to cardiovascular disease improvement

有研究顯示，運動可調(diào)節(jié)自噬水平或自噬通量，改善心功能，對心血管疾病有一定治療、指導(dǎo)作用［40］。在過度自噬的病理情況下，運動訓(xùn)練降低自噬活性，阻礙心血管疾病的惡化［41］。心肌梗死后心肌細(xì)胞間質(zhì)及細(xì)胞外基質(zhì)增加導(dǎo)致心肌纖維化形成，而ROS的過度產(chǎn)生是主要病理機制之一。研究表明，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)Smyd1上調(diào)激活自噬，抑制心肌細(xì)胞間質(zhì)增生和纖維化浸潤，發(fā)揮保護(hù)心臟作用［42］。而運動調(diào)節(jié)自噬清除心肌梗死后受損及衰老的線粒體，調(diào)整心肌能量代謝，改善心室重構(gòu)，降低心血管事件的發(fā)生率［43-45］。不同的運動模式及強度對不同心血管疾病的保護(hù)機制仍未充分闡述清楚。通過建立心肌梗死小鼠模型進(jìn)行跑臺、抗阻等不同運動訓(xùn)練的研究表明，運動通過激活FNDC5/Irisin-PINK1/Parkin-LC3Ⅱ/L-P62信號通路上調(diào)線粒體自噬，增強抗氧化能力，抑制氧化應(yīng)激，改善心功能［11］。關(guān)于心力衰竭動物及患者的研究表明，運動能改善心肌和線粒體自噬，提高射血分?jǐn)?shù)及縮短分?jǐn)?shù)，減輕心臟纖維化，改善心功能［46-48］。除此外，研究發(fā)現(xiàn)運動干預(yù)可刺激骨骼肌等遠(yuǎn)端器官的FSTL1的表達(dá)，通過DIP2A-Samd2/3信號通路，抑制心肌梗死大鼠心肌纖維化形成，改善心功能，為心臟康復(fù)提供新的思路［49］。

除調(diào)節(jié)病理條件下的異常自噬外，有氧運動可以在不上調(diào)自噬通量的情況下維持心肌細(xì)胞自噬的穩(wěn)態(tài)，發(fā)揮生理條件下的心臟保護(hù)作用，改善心功能。有研究表明，2月齡大鼠進(jìn)行習(xí)慣性運動5個月后，與對照組相比，運動組的自噬通量未改變但LC3-Ⅱ蛋白增加，有助于提高細(xì)胞自噬能力和心肌細(xì)胞做功的效率［50］。健康老年人有氧運動8周后（運動組），其外周血單個核細(xì)胞檢測提示LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值、ATG12、ATG16和Beclin1蛋白表達(dá)水平顯著高于對照組，而P62、ULK-1蛋白表達(dá)水平下降，且運動組峰值攝氧量也增加［51］。老年人進(jìn)行10周的運動干預(yù)訓(xùn)練發(fā)現(xiàn)，沒有改變自噬相關(guān)基因表達(dá)及蛋白標(biāo)志物水平，但在訓(xùn)練2.5 h后發(fā)現(xiàn)LC3-Ⅰ增加，這可能與MTORC1活性增強抑制LC3-Ⅰ到LC3-Ⅱ脂化，從而抑制自噬有關(guān)［52］。此外，在一項進(jìn)行了21周的抗阻運動訓(xùn)練研究中發(fā)現(xiàn)，年輕男性的LC3-Ⅱ蛋白水平增加，而不是中老年男性［53］?？傮w來說，運動訓(xùn)練可能是減緩衰老引起的細(xì)胞自噬下降的一個因素。

3 總結(jié)與展望

科學(xué)而有規(guī)律的有氧運動能提高機體的新陳代謝。近年來，運動對心血管疾病的保護(hù)作用越來越受到關(guān)注［54-55］。運動能提高心肌自噬水平，抑制心室重構(gòu)，改善心臟功能。運動調(diào)節(jié)心肌自噬是雙向的、動態(tài)的，一方面運動可上調(diào)自噬水平和增強細(xì)胞能力，延緩細(xì)胞衰老和預(yù)防心血管疾??；另一方面，運動可抑制自噬，減少細(xì)胞凋亡和壞死，改善心室重塑，從而改善心血管疾病的預(yù)后。但研究也發(fā)現(xiàn)過度的自噬能損傷心肌細(xì)胞，甚至導(dǎo)致壞死程度增加［19］。

運動調(diào)節(jié)自噬在心血管疾病中發(fā)揮保護(hù)性作用，在進(jìn)行心臟運動康復(fù)訓(xùn)練中，考慮到個體差異，也存在相應(yīng)問題：（1）目前在基礎(chǔ)與臨床研究中可采用呼吸代謝系統(tǒng)或心肺運動試驗檢測氧消耗（VO2）和二氧化碳產(chǎn)生（VCO2）來定量運動處方，但不同的運動強度對不同年齡組確保運動誘導(dǎo)自噬對心血管疾病是否有益？（2）給出運動處方時，應(yīng)考慮急性期與慢性期，以及短期與長期運動訓(xùn)練之間的區(qū)別，并且結(jié)合心臟康復(fù)模式，如居家心臟康復(fù)、社區(qū)心臟康復(fù)模式、醫(yī)院主導(dǎo)的心臟康復(fù)及混合型心臟康復(fù)模式，對這些問題的研究與探討，有助于更好地證實運動調(diào)控自噬在心血管疾病的獲益，并為創(chuàng)新型的臨床心臟運動康復(fù)提供更好的指導(dǎo)。然而，運動改善心血管疾病預(yù)后的機制仍未充分闡述清楚。目前研究表明，運動除介導(dǎo)自噬調(diào)控其相關(guān)信號分子外，ncRNAs特別是lncRNAs和circRNAs已成為心血管疾病中運動的重要調(diào)控因子，并有望成為生物標(biāo)志物和新型靶向治療策略，但其生物學(xué)功能及分子仍在探索中。因此，發(fā)現(xiàn)新的有效治療靶點來預(yù)防心血管事件，改善患者的心功能及提高生活質(zhì)量，為心血管疾病的生物學(xué)研究及臨床心臟運動康復(fù)提供循證醫(yī)學(xué)證據(jù)是至關(guān)重要的。

作者貢獻(xiàn)：吳長勇負(fù)責(zé)論文的構(gòu)思和設(shè)計、文獻(xiàn)整理和撰寫論文、圖片制作；保蘇麗、徐菲負(fù)責(zé)文獻(xiàn)收集與整理；彭云珠負(fù)責(zé)文章的質(zhì)控及審校，對文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。