內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在阿霉素心臟毒性中作用的研究進(jìn)展

王鵬 王鑫 張瑤 張經(jīng)澤 賀世豪 李瑾

(1.山西醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院,山西 太原 030000; 2.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院心血管內(nèi)科,山西 太原 030000)

阿霉素(doxorubicin,DOX)作為一種廣譜抗癌藥物,廣泛用于治療乳腺癌、卵巢癌、白血病、淋巴瘤等惡性腫瘤,但其顯著的心臟毒性限制了進(jìn)一步應(yīng)用。DOX的心臟毒性機(jī)制尚未完全闡明,涉及的機(jī)制包括氧化應(yīng)激、線粒體損傷、鐵死亡、炎癥、細(xì)胞凋亡、纖維化以及自噬調(diào)節(jié)失衡等,近年來發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)及其所介導(dǎo)的凋亡在DOX心臟毒性中發(fā)揮了不可忽略的作用,現(xiàn)對(duì)ERS及通過以ERS為靶點(diǎn)的相關(guān)化合物及藥物進(jìn)行綜述。

1 ERS

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum,ER)在蛋白質(zhì)合成、折疊、修飾、運(yùn)輸以及調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鈣水平等方面發(fā)揮重要的作用。當(dāng)細(xì)胞受到各種刺激時(shí),如氧化應(yīng)激、藥物及毒物、缺血缺氧、病原體或病原體相關(guān)成分如內(nèi)毒素,均可引起ER內(nèi)錯(cuò)誤折疊或未折疊蛋白的積累,從而形成ERS,為恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)蛋白穩(wěn)態(tài),細(xì)胞激活未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR)通路,UPR的激活不僅可影響蛋白質(zhì)分泌途徑的每個(gè)環(huán)節(jié),包括合成、易位、折疊、成熟、質(zhì)控和運(yùn)輸,還可影響通過自噬和ER相關(guān)蛋白質(zhì)降解途徑消除錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的速率[1]。

2 UPR

UPR主要由3種跨膜蛋白及其所介導(dǎo)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)完成,這3種跨膜蛋白分別是蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase,PERK)、肌醇依賴性激酶1α(inositol-requiring enzyme 1α,IRE1α)和激活轉(zhuǎn)錄因子(activating transcription factor,ATF)6。正常生理情況下,ER分子伴侶葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein 78,GRP78)(又稱免疫球蛋白重鏈結(jié)合蛋白質(zhì))分別與PERK、IRE1α、ATF6結(jié)合,使其處于失活狀態(tài)[2],而在ERS狀態(tài)下,未折疊蛋白積聚在ER中,GRP78與上述3種跨膜蛋白解離,從而觸發(fā)級(jí)聯(lián)效應(yīng),并增加蛋白質(zhì)折疊活動(dòng)[3]。

PERK激活后可磷酸化真核翻譯起始因子2α(eukaryotic translation-initiation factor 2α,eIF2α),降低ER中蛋白質(zhì)翻譯的總速率,同時(shí)誘導(dǎo)ATF4的翻譯,ATF4作為一種應(yīng)激誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子,參與包括維持氧化還原穩(wěn)態(tài)、氨基酸代謝、蛋白質(zhì)合成、凋亡和自噬等基因的表達(dá)。其中,激活生長(zhǎng)停滯和DNA損傷誘導(dǎo)基因34(growth arrest and DNA damage-inducible gene 34,GADD34),可編碼蛋白磷酸酶1c(protein phosphatase 1c,PP1c)以對(duì)抗eIF2α的磷酸化,形成PERK通路的負(fù)反饋調(diào)節(jié)[4],另一個(gè)重要的靶基因是凋亡蛋白C/EBP同源蛋白基因(CCAAT/enhancer binding protein homologous protein,CHOP),它通過靶向調(diào)控促凋亡蛋白BIM和抗凋亡蛋白Bcl-2[5],介導(dǎo)細(xì)胞凋亡,當(dāng)PERK信號(hào)通路持續(xù)激活,會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

IRE1α具有核酸內(nèi)切酶活性,在ERS下,IRE1α可寡聚化并自磷酸化以誘導(dǎo)其核酸內(nèi)切酶活性,可將X盒結(jié)合蛋白1(X-box binding protein 1,XBP-1)mRNA中移除一個(gè)短序列,并生成剪接型X盒結(jié)合蛋白1(X-box binding protein 1 spliced,XBP-1s),XBP-1s可調(diào)節(jié)參與蛋白質(zhì)折疊的ER分子伴侶基因的轉(zhuǎn)錄,提高蛋白質(zhì)折疊效率[6]。IRE1α還與細(xì)胞凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(apoptosis signal regulating kinase-1,ASK1)結(jié)合,導(dǎo)致c-Jun氨基端蛋白激酶(c-Jun N-terminal protein kinase,JNK)激活,繼而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[7]。JNK級(jí)聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的作用是激活凋亡蛋白,如Bax、Bad、BIM以及轉(zhuǎn)錄因子p53,并可抑制抗凋亡基因Bcl-2家族促進(jìn)細(xì)胞凋亡[8]。

ATF6的活性形式是ERS元件的轉(zhuǎn)錄激活劑,它從ER轉(zhuǎn)移到高爾基膜,被1位點(diǎn)蛋白酶和2位點(diǎn)蛋白酶切割,釋放出含有堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子的片段(ATF6p50),該片段遷移到細(xì)胞核以誘導(dǎo)GRP78、CHOP和XBP-1等基因的轉(zhuǎn)錄[9]。

3 ERS在DOX心臟毒性中的作用

經(jīng)DOX處理后,心肌ER顯著擴(kuò)張[10],心肌細(xì)胞ERS蛋白如IRE1α、PERK、ATF6和CHOP及其下游產(chǎn)物水平均有升高[11-12],提示DOX可能導(dǎo)致ERS。當(dāng)ERS無法糾正時(shí),持續(xù)激活的UPR可進(jìn)一步介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

3.1 IRE1α/ASK1通路介導(dǎo)的凋亡

促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)級(jí)聯(lián)包含三個(gè)等級(jí)的蛋白激酶：MAPK、促分裂原活化的蛋白激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase,MAPKK)和促分裂原活化的蛋白激酶激酶激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase,MAPKKK)。MAPKKK磷酸化激活MAPKK,后者激活MAPK,活化的MAPK可磷酸化多種底物及轉(zhuǎn)錄因子,MAPK家族主要包括胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶、JNK和p38MAPK。ASK1是一種MAPKK,可通過MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)激活JNK和p38MAPK[7]。JNK激活后可通過磷酸化抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL以及促進(jìn)促凋亡蛋白Bax和Bad向線粒體膜的易位,同時(shí)還刺激Bax和Bad的表達(dá),以上過程均可導(dǎo)致線粒體通透性增加,將細(xì)胞色素C釋放到細(xì)胞質(zhì)中,進(jìn)一步激活胱天蛋白酶(caspase)通路并開始凋亡過程[13-14],JNK還通過Bcl-2途徑調(diào)節(jié)促凋亡蛋白p53的水平和活性[15]。DOX處理后的H9c2心肌細(xì)胞中,p38MAPK的表達(dá)水平、磷酸化p38MAPK/p38MAPK的比值均有明顯升高,提示p38MAPK可能參與由DOX誘導(dǎo)的H9c2心肌細(xì)胞凋亡過程[16]。但也有研究發(fā)現(xiàn),在氧化應(yīng)激背景下,心肌細(xì)胞中ASK1選擇性激活p38MAPK而非JNK[17],DOX誘導(dǎo)的心臟毒性模型中該結(jié)論是否成立尚待研究。

3.2 CHOP信號(hào)通路介導(dǎo)的凋亡

IRE1α和ATF6可直接激活CHOP,觸發(fā)細(xì)胞凋亡,PERK需經(jīng)過ATF4途徑間接激活CHOP,CHOP可調(diào)節(jié)許多抗凋亡和促凋亡基因的表達(dá),包括編碼Bcl-2家族蛋白、GADD34蛋白的基因,同時(shí)還可通過與死亡受體通路結(jié)合并上調(diào)死亡受體4和死亡受體5的表達(dá)來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]。有研究[18]顯示在用5 μg DOX處理H9c2細(xì)胞0～24 h后,GRP78和CHOP凋亡蛋白的表達(dá)以時(shí)間依賴性方式顯著增加,提示DOX心臟毒性可能與ERS下CHOP介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡有關(guān)。

4 有抑制ERS作用的心臟保護(hù)化合物

近些年,許多新的化合物被證實(shí)存在心臟保護(hù)作用。白藜蘆醇是一種多酚化合物,有研究證實(shí)其有心臟保護(hù)作用,能改善心血管危險(xiǎn)因素(高血壓、糖尿病和血脂水平)和內(nèi)皮功能,從而延緩動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展,改善血管功能[19],具有抗纖維化、改善心室重塑作用[20-21]。DOX誘導(dǎo)的H9c2心肌細(xì)胞模型中,DOX處理前3 h預(yù)防性使用右丙亞胺、卡維地洛和白藜蘆醇,組間細(xì)胞存活率無明顯增加,然而,當(dāng)提前24 h預(yù)防性使用上述3種藥物時(shí),白藜蘆醇組細(xì)胞生存率較其他組明顯升高[22],該研究除了提示白藜蘆醇可能較右丙亞胺及卡維地洛更有效保護(hù)心肌之外,亦提示給藥時(shí)機(jī)可能是心臟保護(hù)藥物的影響因素。另一項(xiàng)研究顯示DOX以時(shí)間依賴性的方式誘導(dǎo)ERS相關(guān)蛋白的過度表達(dá),DOX處理之前,外源性給予白藜蘆醇可降低ERS相關(guān)蛋白的過度表達(dá),使H9c2細(xì)胞免受DOX誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡,提示抑制ERS可能是白藜蘆醇心臟保護(hù)作用機(jī)制之一[18],但該項(xiàng)研究并未對(duì)白藜蘆醇給藥時(shí)機(jī)進(jìn)行研究,不同給藥時(shí)機(jī)是否影響ERS相關(guān)蛋白的表達(dá)尚待進(jìn)一步研究。

消退素是一種內(nèi)源性抗炎和促進(jìn)炎癥消退的脂質(zhì)介質(zhì)。根據(jù)來源可進(jìn)一步分為D類和E類[23]。有研究[12]顯示,消退素D1可改善DOX所致的小鼠心功能不全,消退素D1可降低小鼠心肌中GRP78、CHOP、caspase-12、p-PERK、p-eIF2α和ATF6α的表達(dá)水平,提示抑制ERS可能是消退素D1心臟保護(hù)作用機(jī)制之一。一項(xiàng)研究[24]中顯示,消退素D1可減弱ERS誘導(dǎo)的HepG2細(xì)胞凋亡,但并未降低HepG2細(xì)胞中GRP78的表達(dá),提示消退素D1可能作用于ERS下游發(fā)揮抗凋亡作用。這在DOX所致心臟毒性模型中尚需進(jìn)一步研究。消退素E1與消退素D1同為消退素家族成員,已有相關(guān)研究顯示消退素E1在DOX心臟毒性中亦有保護(hù)作用,消退素E1可改善DOX所致小鼠心功能不全,降低小鼠血清中心肌損傷標(biāo)志物肌鈣蛋白I、肌酸激酶同工酶和腦利尿鈉肽的水平。最近的一項(xiàng)研究[25]顯示,消退素E1通過調(diào)節(jié)Akt/mTOR信號(hào)通路減輕氧化應(yīng)激、自噬和凋亡來減弱DOX誘導(dǎo)的心臟毒性,但ERS是否參與消退素E1 DOX心臟毒性保護(hù)作用尚待進(jìn)一步研究。

白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-10是一種細(xì)胞因子,最近發(fā)現(xiàn)IL-10具有穩(wěn)定斑塊、改善心臟重構(gòu)等心臟保護(hù)作用[26]。最近一項(xiàng)研究[11]顯示IL-10能提高DOX處理后的心肌細(xì)胞存活率,可降低ER分子伴侶GRP78、UPR相關(guān)蛋白的表達(dá)以及XBP-1 mRNA的水平,提示抑制ERS可能是IL-10具有DOX心臟毒性保護(hù)作用的原因之一。另外,一系列的研究發(fā)現(xiàn)卷柏總黃酮[27]、人參皂苷Rg1[28]、咖啡酸苯乙酯[29]等多種化合物均可能通過抑制ERS發(fā)揮DOX心臟毒性保護(hù)作用,其具體機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。

5 有抑制ERS作用的心臟保護(hù)藥物

臨床藥物中,他汀類藥物、血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑、β受體阻滯劑、磷酸二酯酶-5抑制劑等藥物均可能通過不同機(jī)制發(fā)揮DOX心臟毒性保護(hù)作用[30]。沙庫巴曲纈沙坦是目前治療射血分?jǐn)?shù)降低性心力衰竭的新型藥物。一項(xiàng)臨床回顧性研究[31]中發(fā)現(xiàn),沙庫巴曲纈沙坦可改善癌癥治療相關(guān)心功能不全患者的超聲心動(dòng)圖參數(shù)及臨床癥狀。最近發(fā)現(xiàn)沙庫巴曲纈沙坦可改善DOX處理小鼠心臟收縮功能及心肌細(xì)胞凋亡,下調(diào)凋亡相關(guān)蛋白Bax和caspase-3,以及ERS相關(guān)的蛋白GRP78、PERK、IRE1α、ATF6、eIF2α、ATF4和CHOP的表達(dá)水平[32],提示沙庫巴曲纈沙坦的抗凋亡作用及心臟保護(hù)作用可能與調(diào)節(jié)ERS有關(guān)。此前有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),利尿鈉肽可通過抑制ERS來保護(hù)正常組織細(xì)胞,沙庫巴曲可抑制利尿鈉肽降解,從而提高利尿鈉肽水平。替米沙坦可抑制ERS,纈沙坦作為同類藥物,有無抑制ERS作用有待研究。此外,該項(xiàng)研究中沙庫巴曲纈沙坦未證實(shí)其抗凋亡作用與抑制ERS之間的因果關(guān)系,該藥心臟保護(hù)作用確切,同時(shí)心功能不全是DOX心臟毒性的主要臨床表現(xiàn)之一,其DOX心臟毒性保護(hù)作用機(jī)制亟需進(jìn)一步闡明。達(dá)格列凈為鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2抑制劑,可減少主要不良心血管事件(包括心力衰竭住院)和降低心血管死亡率,體外試驗(yàn)可降低GRP78、PERK、eIF2α、ATF4和CHOP水平以及改善DOX所致心肌凋亡,提示心臟保護(hù)作用可能與抑制ERS有關(guān)[33]。比索洛爾和培哚普利是心血管內(nèi)科常用抗心力衰竭藥物,具有一定心臟保護(hù)作用,大鼠DOX心臟毒性模型中,兩種藥均可降低GRP78、CHOP、JNK和caspase-12等ERS相關(guān)蛋白水平,提示比索洛爾和培哚普利可抑制ERS,且兩種藥物聯(lián)合效果更強(qiáng)[34]。

研究表明,一些中藥及其制劑對(duì)DOX所致心臟毒性有一定保護(hù)作用,最近發(fā)現(xiàn),黃芪注射液可抑制DOX損傷所誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞ERS,該作用可能是抑制CHOP凋亡途徑以及通過網(wǎng)腔鈣結(jié)合蛋白介導(dǎo)的[35-36]。富參顆粒可抑制DOX誘導(dǎo)的心力衰竭心肌細(xì)胞凋亡,CHOP和GRP78蛋白表達(dá)水平明顯降低,表明富參顆?？赡芡ㄟ^抑制ERS,從而減少了心肌細(xì)胞凋亡,最終達(dá)到治療心力衰竭的目的[37]。

6 小結(jié)

本文闡釋了DOX心臟毒性中ERS相關(guān)機(jī)制,ERS作為細(xì)胞內(nèi)錯(cuò)誤折疊蛋白及未折疊蛋白所觸發(fā)的一種應(yīng)激反應(yīng)方式,會(huì)觸發(fā)UPR以糾正細(xì)胞內(nèi)蛋白穩(wěn)態(tài)失衡,如未糾正則UPR會(huì)長(zhǎng)期激活,通過IRE1α/ASK1、CHOP等信號(hào)通路介導(dǎo)凋亡,從而損傷正常細(xì)胞及組織器官。

同時(shí)本文對(duì)具有心臟保護(hù)作用的化合物及臨床藥物中存在抑制ERS的藥物進(jìn)行綜述?；衔锵嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)多提示可抑制ERS,同時(shí)具有保護(hù)心臟作用,需進(jìn)一步明確二者因果關(guān)系。有些化合物在DOX心臟毒性及ERS中研究較少,臨床藥物相關(guān)試驗(yàn)缺乏大規(guī)模臨床試驗(yàn),但這仍為研究者提供了新的科研思路及診療方法。需進(jìn)一步闡明ERS在DOX以及蒽環(huán)類藥物心臟毒性中的作用,探索可能以該機(jī)制為靶點(diǎn)的化合物及藥物的保護(hù)機(jī)制及作用,尤其探索相關(guān)保護(hù)藥物及化合物在不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、預(yù)處理時(shí)間及給藥劑量、不同DOX及蒽環(huán)類藥物間其心臟保護(hù)作用的區(qū)別。