細胞程序性死亡在肺動脈高壓中的研究進展:自噬、焦亡、鐵死亡

徐燕 楊朝 耑冰

肺動脈高壓(Pulmonary hypertension, PH)是由多種病因和發(fā)病機制引起的肺小血管結構和/或功能改變,從而使肺動脈壓力升高和肺血管阻力增加的一組臨床及病理生理綜合征,最終將導致右心衰竭以致死亡。PH發(fā)病機制復雜、臨床表現(xiàn)各異、診斷和治療困難。關于PH流行病學的相關報道在世界范圍內都很少,且目前臨床上也沒有安全高效的治愈PH的方法,雖然已經(jīng)獲批上市的針對動脈性肺動脈高壓(Pulmonary arterial hypertension,PAH)的靶向藥物在PAH的治療方面取得了重大的進展,但也只是改善患者的預后,提高患者長期生存率。值得注意的是,這類靶向藥物并非萬能,效果也因人而異[1-3]。然而,PAH僅僅是PH中最常見的一類,還有包括左心疾病所致肺動脈高壓、肺部疾病和低氧所致肺動脈高壓、慢性血栓栓塞性肺動脈高壓以及不明原因肺動脈高壓在內的幾種PH目前并沒有特定的靶向藥物。因此,積極探索PH的發(fā)病機制、尋求新的治療方法已成為目前PH主要的研究點之一。

從PH的病理生理機制上來看,它主要是由肺血管結構和功能改變引起,而這個過程主要涉及肺動脈平滑肌細胞(Pulmonary artery smooth muscle cells, PASMCs)的增殖、死亡以及細胞外基質的作用。細胞死亡分為程序性死亡和非程序性死亡,由基因所控制的細胞程序化死亡(細胞凋亡、自噬、焦亡和鐵死亡等)在細胞發(fā)育以及整個生命穩(wěn)態(tài)調節(jié)中起著不可或缺的作用[4]。隨著科學家們對細胞死亡在疾病發(fā)展中關系的研究不斷深入,細胞自噬、焦亡、鐵死亡在肺動脈高壓中的作用逐漸被揭曉,本文就自噬、焦亡、鐵死亡在肺動脈高壓中的作用進行綜述,為肺動脈高壓的靶向治療提供新思路。

一、自噬與肺動脈高壓

1 自噬

自噬是細胞程序性死亡的類型之一,通過胞質溶酶體系統(tǒng)將損傷、變性、老化的細胞和細胞器,大分子蛋白質以及入侵的病原體吞噬、降解,從而達到“自我消化”、維持內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的目的[5-6]。根據(jù)物質運輸?shù)饺苊阁w的模式不同,至少可以將自噬分為三類,即:伴侶介導的自噬,微自噬和宏觀自噬[7]。由于自噬很難在體外條件觀察到,因此對于自噬的具體機制尚在探索階段,有研究表明,ULK復合體(ULK1/ULK2、ATG13/ATG101和黏著斑家族相互作用蛋白200組成)可參與驅動自噬的發(fā)生[8]。就目前研究而言,可將整個自噬過程大致分為以下三步:①細胞器、大分子蛋白以及入侵的病原體被囊泡包裹形成自體吞噬泡;②自體吞噬泡與溶酶體融合形成降解自體吞噬泡;③溶酶體內的酶對吞噬內容物進行降解。

2 自噬在肺動脈高壓發(fā)展中的作用

自噬是把“雙刃劍”,細胞自噬能力的減弱或增強均可引起人類疾病,研究發(fā)現(xiàn)腫瘤、糖尿病、肝臟疾病、痛風、慢性阻塞性肺疾病[9-13]等疾病的發(fā)生發(fā)展過程中均存在細胞的異常自噬反應。而目前已有研究顯示,自噬功能障礙與肺動脈高壓密切相關。例如,抑制野百合堿(monocrotaline, MCT)誘導的動脈性肺動脈高壓的肺細胞自噬激活,可以阻斷2型骨形成蛋白受體溶酶體降解和DNA結合抑制因子1(Inhibitor of DNA binding 1,Id1)下調,進而阻止PAH的發(fā)展。相反,促進MCT誘導的PAH肺細胞自噬激活,則增強PASMC增殖/遷移和肺動脈重塑,進而促進PAH的發(fā)展[14]。且MCT誘導的PAH大鼠中自噬標志物蛋白水平呈現(xiàn)出升高狀態(tài),并且伴有肺動脈重塑增加[15]。這說明肺動脈高壓的發(fā)生可能與肺部細胞自噬增強密切相關。而細胞自噬的觸發(fā)也是一個復雜且多樣的過程,包括藥物、香煙煙霧提取物、線粒體功能障礙[15-17]在內的多種因素均可引發(fā)細胞自噬。磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是一種參與細胞能量穩(wěn)態(tài)的能量傳感器,它的激活在包括PH在內的多種疾病的治療中都具有潛在價值。Cui[15]等人發(fā)現(xiàn)細胞核因子κB誘導的自噬激活有助于MCT誘導的大鼠PAH的發(fā)展,而AMPK的激活可以通過靶向細胞核因子κB來抑制自噬和血管重塑,從而發(fā)揮阻止PAH發(fā)展的作用,并降低右心室收縮壓和右室肥厚指數(shù)。因而,對于肺動脈高壓患者,理論上可以采取阻斷自噬激活來達到治療疾病的目的,但這一觀點還需進一步的研究來證實。除此之外,Jing[18]等人發(fā)現(xiàn)PH大鼠中circSIRT1和蛋白激酶B3(Protein kinase-B3,Akt3)升高,而miR-145-5p下降,circSIRT1競爭性地與miR-145-5p 結合,并介導 Akt3發(fā)揮自噬作用,circSIRT1基因敲除可以抑制缺氧環(huán)境下PASMC的自噬進程,并改善大鼠的PH值。由此我們推測,敲除circSIRT1基因可能逆轉低氧誘導的PH大鼠的PASMCs的自噬,改善肺動脈高壓,但這還需進一步的實驗來驗證。此外,下調miR-204通過靶向自噬相關蛋白7(Autophagy-related protein 7,ATG7)增強自噬可以減弱缺氧誘導的內皮-間質轉化(已被證實在肺動脈重構中發(fā)揮關鍵作用),而缺氧誘導的PH中,內皮細胞miR-204的下調對內皮-間質轉化產生保護作用,進而有利于抑制肺動脈重構并阻止PH發(fā)展[19]。同樣地,進一步降低miR-204也有希望逆轉低氧誘導的PH。當然這還有待研究者進行后續(xù)探索。目前,自噬在肺動脈高壓中的作用的研究尚處于初級階段,但科研工作者對疾病治療方法的探索已經(jīng)從宏觀逐漸深入到微觀層面,迄今為止,科學家們已在生物分子層面上找到多種疾病的治療方法,上述實驗結果也為我們進行肺動脈高壓靶向治療方法的探索提供新的切入點。

二、焦亡與肺動脈高壓

1 焦亡

焦亡是一種炎性程序性細胞死亡方式,表現(xiàn)為細胞不斷脹大直至破裂,進而釋放細胞內容物引起炎癥反應,可被感染等多種病理性因素觸發(fā)。過去幾十年里,我們在各種類型細菌感染的巨噬細胞中觀察到焦亡,由于其依賴于半胱天冬酶-1(caspase-1),而caspase-1最初被確定為處理炎癥細胞因子白介素-1b的蛋白水解酶,因而焦亡最初又稱為“炎癥性死亡”[20-21]。直到2001年Cookson和Brennan在細菌感染的巨噬細胞中發(fā)現(xiàn)這種特殊的死亡方式,才首次將其命名為“pyroptosis”[22]。與補體激活途徑類似,焦亡主要分為兩條途徑,即:依賴caspase-1的經(jīng)典途徑和依賴caspase-4/5/11(caspase-4和caspase-5是小鼠caspase-11的人類同系物)的非經(jīng)典途徑。兩種方式的具體途徑為:免疫激活→caspase-1或caspase-4/5/11激活→切割Gasdermin D蛋白(GSDMD)→細胞焦亡發(fā)生。二者不同之處在于經(jīng)典途徑的免疫激活是由炎性小體誘發(fā),而非經(jīng)典途徑的免疫激活則依賴于脂多糖。此外,經(jīng)典途徑中的caspase-1可以幫助前體白介素-1β、白介素-18剪切為成熟體[8],并進一步招募炎性因子,激發(fā)強烈的促炎反應,因此caspase-1也是一種關鍵的先天免疫防御。而現(xiàn)有的研究表明,除外感染因素,腫瘤、免疫、心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病[23-26]等非感染性因素也與焦亡緊密相關。

2 焦亡在肺動脈高壓中的作用

作為一種新型的細胞死亡方式,焦亡在疾病發(fā)展中的作用引起了科學家們的高度重視,焦亡與肺動脈高壓之間的關系也隨著研究的深入逐漸揭曉。鋅指蛋白1(Glioma-associated oncogene family zinc finger 1,GLI1)是一種廣泛分布的細胞內蛋白質,最初在膠質母細胞瘤中發(fā)現(xiàn),作為一種轉錄因子,GLI1參與了多種癌癥的進展。不僅如此,He[27]等人還發(fā)現(xiàn)GLI1是PH進程中一個重要的驅動因素,低氧小鼠模型肺動脈及體外缺氧培養(yǎng)PASMCs中GLI1蛋白升高,且GLI1的上調主要局限在PASMCs,抑制GLI1蛋白可減弱缺氧誘導的PH值。他們在后續(xù)的研究中還發(fā)現(xiàn),抑制GLI1或敲除GLI1基因后,焦亡相關蛋白——前體半胱天冬酶-1(pro-caspase-1)、caspase-1、IL-18、核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(Nucleotide blinding oligomerization domain-like receptor protein 3, NLRP3)、含有CARD的細胞凋亡相關斑點樣蛋白(Apoptosis associated speck- like protein containing CARD, ASC)的表達顯著降低。該實驗結果提示,GLI1可能通過焦亡相關蛋白促進PASMCs焦亡,從而影響PH的進展。在低氧誘導的PH模型中,活化的Caspase-1和IL-18產物的水平增加,同樣表明PH中可能發(fā)生焦亡[28]。此外,Jiang[29]等人在研究Circ-Calm4/miR-124-3p/Pdcd6軸信號通路時發(fā)現(xiàn),Circ-Calm4在缺氧肺高壓小鼠體內模型和體外培養(yǎng)的平滑肌細胞中均表達上調,敲除Circ-Calm4的缺氧暴露小鼠肺組織焦亡相關蛋白表達水平明顯降低。因此,肺動脈高壓肺部的焦亡相關蛋白呈現(xiàn)高表達狀態(tài),可以推測在肺動脈高壓中細胞焦亡被激活,這一過程主要涉及經(jīng)典的焦亡途徑。而參與非經(jīng)典途徑的Caspase-4/11也同樣被證實在PAH中激活,caspase-4的表達下調可抑制人肺動脈內皮細胞焦亡的發(fā)生,敲除caspase-11或抑制caspase-11能夠緩解PAH的發(fā)展和改善血管重構[30]。綜上所述,肺動脈高壓中細胞焦亡被顯著激活,抑制焦亡能夠阻止PH的進展,即通過靶向焦亡上游靶點或機制能夠有效抑制PH發(fā)展甚至達到逆轉PH的目的。而具體的作用靶點以及相關通路還有待進一步探索,對于焦亡本身的機制也需要更加深入的探索,將來我們或能夠在焦亡身上找到肺動脈高壓治愈的方法。

三、鐵死亡與肺動脈高壓

1 鐵死亡

鐵死亡作為一種新發(fā)現(xiàn)的細胞程序性死亡,區(qū)別于細胞凋亡和細胞壞死,由脂質過氧化誘導,依賴于鐵離子,在細胞核完整的情況下使得線粒體膜破裂,內質網(wǎng)、高爾基體及溶酶體等被過氧化。目前有關鐵死亡的具體機制還不甚明了,可能和包括氨基酸和鐵代謝、鐵蛋白吞噬、細胞粘附以及p53和Keap1/Nrf2信號通路在內的幾種信號通路相關[31]。“ferroptosis”一詞最初是由Scott等人在2012年提出來的,直到2018年才被正式納入成為調節(jié)性細胞死亡中的一員[32-33]。由于包括生物的生長發(fā)育、疾病發(fā)展、衰老在內的整個生命進程都涉及到死亡,因此細胞死亡一直以來都是生命科學的研究重點,隨著研究的深入,新興的死亡方式譬如‘鐵死亡’正逐漸成為研究熱點之一。由于科學家們對于“永生細胞”——腫瘤細胞死亡機制的探索從未停止,鐵死亡一詞從出現(xiàn)就備受追捧,研究者在不斷的探索、反復的實驗研究中發(fā)現(xiàn),鐵死亡與呼吸系統(tǒng)疾病亦息息相關。

2 鐵死亡在肺動脈高壓中的作用

PH發(fā)生的主要原因是肺動脈血管重構(Pulmonary vascular remodelling, PVR),而PVR是PASMCs的凋亡抑制和過度增殖的結果,同時也受到氧化應激的影響[34]。Zhang等[35]在對鐵死亡相關基因的表達和鑒定分析時發(fā)現(xiàn),PAH中鐵死亡相關基因表達上調,且PAH中肺組織的鐵死亡與氧化應激相關。另一項研究表明,溶質載體家族7成員11(Solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)在PAH中表達顯著上調,SLC7A11通過抑制PASMCs鐵死亡,使其活性增加,進而促進PAH中細胞增殖,導致血管重構[34]。而鐵抑制素(Ferrostatin-1, Fer-1)可以通過調節(jié)鐵死亡進而緩解脂多糖誘導的急性肺損傷和體內炎癥反應,抑制鐵死亡可減輕脂多糖誘導的急性肺損傷[36]。同樣地,Xie等人[37]證實了Fer-1通過抑制鐵死亡減弱MCT誘導的肺血管重構并保護右心功能。基于這些發(fā)現(xiàn),我們不難看出,鐵死亡在誘導、促進肺動脈高壓的發(fā)病過程中有著潛在的作用,用鐵死亡抑制劑或靶向藥來治療肺動脈高壓在未來是非常有前景的,但最終能否實際應用以使患者獲益還需要深層次的探索。

四、總結與展望

肺動脈高壓早期診斷困難、治療難度大、致死率高,嚴重危害人類的生命健康,且目前沒有針對性的預防方法,也沒有特效的治療藥物,有關肺動脈高壓的發(fā)病機制也未能明確。隨著研究的深入,科學家們發(fā)現(xiàn),自噬、焦亡和鐵死亡作為新型的細胞死亡方式在肺動脈高壓發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用,通過調控細胞自噬、焦亡和鐵死亡能夠阻止肺動脈高壓的進展甚至逆轉肺動脈血管重構。因此,揭示新型細胞死亡方式在肺動脈高壓中的作用機制,探索肺動脈高壓的治療靶點,研究肺動脈高壓的特效治療藥顯得尤為重要,同時對于攻克肺動脈高壓這個所謂的“偽癌癥”也具有重大意義。