Sigma-1受體對視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞保護(hù)機(jī)制的研究進(jìn)展

楊雪莉，毛俊峰

0 引言

視神經(jīng)病變是一類以視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell，RGC)及軸突損傷為主要特征的疾病總稱，包括青光眼、缺血性視神經(jīng)病變、遺傳性視神經(jīng)病變、糖尿病性視神經(jīng)病變等，RGC死亡是視功能不可逆喪失的根本原因。RGC的神經(jīng)保護(hù)機(jī)制及藥物研發(fā)一直是眼科領(lǐng)域的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)。Sigma-1受體(Sigma-1 receptor，S1R)是一種新型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶，主要定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體界面或線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，被稱為“多能調(diào)節(jié)器”[1-2]。其生理功能包括調(diào)節(jié)線粒體Ca2+穩(wěn)態(tài)、離子通道活性(如K+、Na+、Cl-等)、細(xì)胞氧化還原、神經(jīng)遞質(zhì)釋放、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等[3]。近年來，S1R作為神經(jīng)退行性疾病的治療靶點(diǎn)備受關(guān)注。在肌萎縮性側(cè)索硬化癥、帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病的研究中發(fā)現(xiàn)，激動S1R具有神經(jīng)保護(hù)作用，可延緩運(yùn)動神經(jīng)元變性及癥狀進(jìn)展、提高紋狀體中多巴胺水平、增強(qiáng)大腦海馬體中突觸傳遞及神經(jīng)發(fā)生改善認(rèn)知功能障礙等[4-6]。視覺系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)靶向S1R可發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)功能，減輕視網(wǎng)膜應(yīng)激損傷，在青光眼、糖尿病性視神經(jīng)病變等視神經(jīng)疾病治療中具有潛在作用[7]?，F(xiàn)就S1R在視網(wǎng)膜中對RGC的保護(hù)作用及其機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為視神經(jīng)疾病治療研究提供新思路。

1 Sigma-1受體在眼部的分布

自20世紀(jì)90年代起，S1R在視覺系統(tǒng)中的作用開始被深入研究。繼首次在淚腺細(xì)胞中檢測到S1R后，角膜、晶狀體、虹膜、睫狀體、視網(wǎng)膜及視神經(jīng)中也陸續(xù)證實(shí)存在S1R表達(dá)[1]，其中視網(wǎng)膜S1R表達(dá)顯著高于其他眼內(nèi)組織。原位雜交和免疫組化實(shí)驗(yàn)顯示S1R分布在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層、內(nèi)核層、外核層及視網(wǎng)膜色素上皮層，其中神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層表達(dá)最為豐富[7]。視網(wǎng)膜多種細(xì)胞類型中均有S1R表達(dá)，相較于光感受器細(xì)胞中S1R僅定位于核膜，RGC中S1R還表達(dá)于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，與多種細(xì)胞功能密切相關(guān)[8]。

2 Sigma-1受體對RGC的保護(hù)作用

諸多研究證實(shí)，S1R可抑制RGC凋亡、促進(jìn)存活，對視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)及功能具有保護(hù)作用。早期Smith等將分離純化的RGC暴露于谷氨酸或同型半胱氨酸中模擬興奮性毒性損傷，以高選擇性S1R激動劑(+)-PTZ預(yù)處理作為對照，發(fā)現(xiàn)S1R激活能減少RGC凋亡，對RGC具有保護(hù)作用[9]；Zhao等[10]在興奮性毒性小鼠模型中也發(fā)現(xiàn)S1R激活能提高RGC生存率。相反S1R缺陷的視網(wǎng)膜更易受到損傷，RGC對退行性病變的易感性更高。Ha等[11]發(fā)現(xiàn)12月齡S1R基因敲除小鼠的ERG b波振幅和負(fù)向暗視閾值反應(yīng)顯著下降，反映其RGC功能減低，伴有RGC凋亡蛋白活化和細(xì)胞凋亡?？梢?，S1R在長期慢性視網(wǎng)膜細(xì)胞應(yīng)激中可能具有關(guān)鍵作用。在視神經(jīng)夾傷研究中，Timur等發(fā)現(xiàn)S1R敲除小鼠的RGC丟失較野生型小鼠更為顯著[12]，Li等[13]則通過構(gòu)建AAV2-S1R重組載體上調(diào)S1R敲除小鼠體內(nèi)S1R表達(dá)后發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜RGC計(jì)數(shù)及活性升高，提示S1R在急性視網(wǎng)膜應(yīng)激中也具有神經(jīng)保護(hù)作用。在一項(xiàng)糖尿病視網(wǎng)膜視神經(jīng)病變小鼠研究中，Smith等[14]發(fā)現(xiàn)(+)-PTZ處理組小鼠視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)完整性相較于未處理組顯著改善，RGC和內(nèi)核層內(nèi)凋亡細(xì)胞明顯減少，Müller細(xì)胞結(jié)構(gòu)更加完整，表明S1R激活對視網(wǎng)膜內(nèi)核層細(xì)胞及Müller細(xì)胞也有保護(hù)作用。由此可知，S1R對RGC具有保護(hù)作用，提高細(xì)胞存活率與結(jié)構(gòu)完整性，并改善應(yīng)激狀態(tài)及功能減低，對RGC變性具有潛在治療作用。

3 Sigma-1受體對RGC的保護(hù)機(jī)制

3.1維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)在細(xì)胞生長發(fā)育凋亡及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面至關(guān)重要。研究表明S1R可在質(zhì)膜水平調(diào)節(jié)鈣內(nèi)流和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣動員，在細(xì)胞內(nèi)鈣超載和鈣耗竭等事件中發(fā)揮保護(hù)作用。Mueller等[15]在大鼠原代RGC中發(fā)現(xiàn)S1R與50% L型電壓門控鈣通道共定位于質(zhì)膜上且存在相互作用，激動S1R可有效抑制RGC中NMDA受體或電壓門控鈣通道介導(dǎo)的鈣內(nèi)流，避免鈣超載及其下游凋亡信號傳導(dǎo)，促進(jìn)細(xì)胞存活[10]。S1R與三磷酸肌醇受體(inositol 1,4,5-triphate receptor，IP3R)共定位于線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上且與其功能作用和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定密切相關(guān)，IP3R被認(rèn)為在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及線粒體鈣信號調(diào)控中具有重要地位。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中鈣耗竭時(shí)，S1R與重鏈結(jié)合蛋白(heavy-chain binding protein，Bip)形成的Ca2+敏感伴侶發(fā)生解離并與IP3R3結(jié)合，減弱IP3R3聚集并延長Ca2+信號，促進(jìn)Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移至線粒體。持續(xù)鈣耗竭時(shí)，S1R會由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)線粒體界面的高富集狀態(tài)重新分配至全內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上減輕細(xì)胞損傷[16]。此外，S1R還可調(diào)節(jié)基質(zhì)相互作用分子1抑制鈣池操縱性的鈣內(nèi)流[17]。綜上，S1R可通過多種途徑維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)，保護(hù)細(xì)胞免受鈣超載及鈣耗竭應(yīng)激損傷。

3.2調(diào)節(jié)非折疊蛋白反應(yīng)抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激即細(xì)胞對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白錯(cuò)誤折疊、未折疊蛋白聚集及Ca2+平衡紊亂等做出的反應(yīng)性應(yīng)答，其中未折疊蛋白積累觸發(fā)的一系列細(xì)胞反應(yīng)如抑制蛋白翻譯和加速降解等被稱為非折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response，UPR)[18]。研究表明，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激或配體作用下S1R與Bip解離，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器PERK、IRE1和ATF6發(fā)生磷酸化并激活下游信號，進(jìn)而調(diào)節(jié)UPR[16]。在衣霉素誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激模型中，S1R缺陷型斑馬魚產(chǎn)生強(qiáng)烈內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，初級效應(yīng)因子IRE1、PERK、ATF6及下游XBP1、ATF4α較正常對照組表達(dá)顯著增加，其上游UPR始動因子Bip和HSP90B1水平也明顯增加，同時(shí)發(fā)現(xiàn)S1R可在翻譯后水平調(diào)控Bip表達(dá)[19]。另一項(xiàng)黃嘌呤氧化酶誘導(dǎo)氧化應(yīng)激實(shí)驗(yàn)中，Ha等[20]發(fā)現(xiàn)(+)-PTZ處理組較未處理組RGC-5細(xì)胞系中PERK、IRE1、ATF4和ATF6等表達(dá)顯著下降且與正常對照組相似。在糖尿病視網(wǎng)膜病變小鼠中也觀察到類似現(xiàn)象，(+)-PTZ可逆轉(zhuǎn)部分視網(wǎng)膜損傷，促進(jìn)S1R與Bip解離，增強(qiáng)UPR減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[20]?？梢奡1R在調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及UPR中發(fā)揮重要作用。

3.3調(diào)節(jié)線粒體功能抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)氧化應(yīng)激是指機(jī)體氧化與抗氧化作用失衡引起生物大分子氧化損傷以及細(xì)胞凋亡，被認(rèn)為與多種神經(jīng)退行性疾病發(fā)生有關(guān)。哺乳動物中，線粒體含有多個(gè)活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生位點(diǎn)，是重要的ROS來源[21]。越來越多研究表明，線粒體功能障礙與視神經(jīng)病變存在因果關(guān)系，線粒體功能障礙導(dǎo)致ATP生成減少及ROS增加，進(jìn)而誘導(dǎo)RGC凋亡[22]。S1R可調(diào)節(jié)線粒體ROS的產(chǎn)生及其下游信號傳導(dǎo)，直接參與改善ROS-線粒體功能障礙誘導(dǎo)的病理性細(xì)胞氧化損傷[16]。另一方面，S1R通過激活Nrf2/ARE通路調(diào)控下游抗氧化基因(Nqo1、Hmox1和GCLc)降低ROS水平[21]。Naia等[21]發(fā)現(xiàn)高選擇性高親和力S1R激動劑Pridopidine可顯著增強(qiáng)紋狀體神經(jīng)元線粒體基礎(chǔ)呼吸和ATP生成，升高膜電位維持線粒體完整性，部分逆轉(zhuǎn)線粒體功能障礙。糖氧剝奪模型中發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)或激動S1R可恢復(fù)RGC線粒體膜電位和細(xì)胞色素氧化酶活性，改善線粒體功能[23]。另一項(xiàng)氧化應(yīng)激相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，(+)-PTZ顯著降低原代RGC氧化應(yīng)激損傷，且該保護(hù)作用依賴于S1R，對S1R缺陷型小鼠無作用[24]。此外，激動S1R可抑制多種細(xì)胞的ROS產(chǎn)生，如晶狀體上皮細(xì)胞、視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞等，降低視網(wǎng)膜中脂質(zhì)氧化物、超氧化物水平，減輕反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞增生，發(fā)揮抗氧化作用[25]。盡管卟啉、蝦青素等強(qiáng)效生物抗氧化劑也可減輕視網(wǎng)膜氧化損傷，但缺乏對線粒體的特異性[26]，S1R則可靶向線粒體發(fā)揮保護(hù)作用，其特異性可能提供更大的治療效益。

3.4調(diào)節(jié)神經(jīng)營養(yǎng)因子表達(dá)及作用腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)屬于神經(jīng)營養(yǎng)因子家族，與神經(jīng)元分化成熟、突觸發(fā)生和神經(jīng)保護(hù)密切相關(guān)[27]；視網(wǎng)膜中BDNF由RGC和膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)源性產(chǎn)生或RGC軸突從大腦逆行轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入，對視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)形成及發(fā)育至關(guān)重要[28]。研究發(fā)現(xiàn)，青光眼患者中視乳頭處軸突向胞體轉(zhuǎn)運(yùn)BDNF受阻，BDNF持續(xù)減低，RGC凋亡增加[29]；外源性補(bǔ)充或轉(zhuǎn)基因增加BDNF表達(dá)可增加高眼壓模型和視神經(jīng)夾傷模型中RGC存活率[30-31]，然而由于血腦屏障的存在使其治療作用受限。目前S1R激動劑已被證實(shí)可增強(qiáng)視網(wǎng)膜及星形膠質(zhì)細(xì)胞中BDNF表達(dá)及下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[28]。Fujimoto等[32]也發(fā)現(xiàn)過表達(dá)S1R可促進(jìn)前體BDNF成熟及細(xì)胞外分泌，表明其參與到BDNF的翻譯后加工階段。因此，通過S1R通路調(diào)控BDNF可以為探索增加內(nèi)源性BDNF提供新思路和靶點(diǎn)。

3.5調(diào)節(jié)膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞與RGC毗鄰，共同參與視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài)形成，神經(jīng)系統(tǒng)損傷時(shí)膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)性增生是神經(jīng)元凋亡的重要原因。Müller細(xì)胞是視網(wǎng)膜中主要的膠質(zhì)細(xì)胞，徑向跨越視網(wǎng)膜，參與神經(jīng)元多種代謝活動。研究發(fā)現(xiàn)來自S1R基因敲除小鼠的Müller細(xì)胞炎癥及氧化應(yīng)激反應(yīng)相較野生型對照組更為嚴(yán)重，炎癥蛋白分泌顯著增加，ROS顯著升高，SOD1、GST等抗氧化蛋白表達(dá)下降，Nrf2表達(dá)及活性降低；予以(+)-PTZ處理后可明顯降低Müller細(xì)胞炎癥相關(guān)蛋白水平，且其結(jié)合活性與炎癥損傷呈現(xiàn)正相關(guān)[24]，表明S1R在抑制視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)中可能具有重要作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞在視乳頭中最為豐富，與神經(jīng)元軸突密切相關(guān)。小膠質(zhì)細(xì)胞參與免疫反應(yīng)發(fā)揮吞噬功能，對各種病理損傷起到保護(hù)和損傷雙重作用。研究證實(shí)激動S1R可降低氧化應(yīng)激損傷中星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞死亡率，抑制ROS生成，減弱ERK1/2磷酸化水平和持續(xù)時(shí)間。ERK1/2信號通路可調(diào)控包括增殖、分化和細(xì)胞生存在內(nèi)的基本細(xì)胞過程。膠質(zhì)細(xì)胞中S1R對ERK1/2的抑制作用有別于RGC中的增強(qiáng)作用，這種差異性調(diào)節(jié)可阻斷氧化應(yīng)激中神經(jīng)毒性物質(zhì)一氧化氮生成，防止神經(jīng)元變性[8]。糖氧剝奪條件下，S1R參與調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)包括細(xì)胞遷移增殖、肌動蛋白重組及信號通路傳導(dǎo)等[33]。此外，激動S1R還可促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌BDNF作用于RGC發(fā)揮保護(hù)作用[34]。由此可見，S1R激動劑可通過調(diào)節(jié)膠質(zhì)細(xì)胞反應(yīng)間接保護(hù)RGC免受損傷[35]，為其發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)提供新視角。

4 小結(jié)和展望

綜上所述，S1R對RGC具有神經(jīng)保護(hù)作用，其保護(hù)機(jī)制主要有調(diào)節(jié)細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)、改善內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激及氧化應(yīng)激、激活神經(jīng)元生存信號通路、增強(qiáng)神經(jīng)營養(yǎng)因子釋放及功能、調(diào)節(jié)膠質(zhì)細(xì)胞活性等。目前S1R配體相關(guān)藥物已進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)疾病的臨床試驗(yàn)當(dāng)中，證實(shí)對神經(jīng)退行性疾病具有延緩疾病進(jìn)展、促進(jìn)功能恢復(fù)等作用。Urfer等[36]報(bào)道使用S1R激動劑SA4503可使腦卒中患者獲得更好的功能表現(xiàn)且安全可耐受。另一項(xiàng)評估S1R激動劑Anavex2-73在阿爾茨海默病患者中作用的Ⅱ期臨床研究已在進(jìn)行當(dāng)中[37]。一項(xiàng)亨廷頓舞蹈癥Ⅱ期臨床試驗(yàn)報(bào)道，長程低劑量應(yīng)用Pridopidine(45mg Bid)可顯著改善患者運(yùn)動功能[38]。其是否對人類視神經(jīng)疾病有效仍需進(jìn)一步研究。盡管目前關(guān)于S1R功能研究已取得不錯(cuò)進(jìn)展，但其內(nèi)源性配體研究十分有限，這對理解S1R的生物作用至關(guān)重要，值得進(jìn)一步探索[39]。此外，當(dāng)前S1R功能機(jī)制研究多基于細(xì)胞系和過表達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)，尚需要更多的動物模型和青光眼等特定視神經(jīng)病變模型研究，以全面了解S1R功能及機(jī)制。鑒于S1R對于多種信號通路的廣泛影響，進(jìn)一步了解由S1R調(diào)控的級聯(lián)信號分子將有助于開發(fā)新的治療方法，如基因治療、干細(xì)胞治療或與其他藥物聯(lián)合治療等。隨著S1R對RGC神經(jīng)保護(hù)研究的繼續(xù)深入，S1R相關(guān)的視神經(jīng)疾病臨床治療將成為可能，為廣大視神經(jīng)疾病患者提供新的治療手段。