腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的發(fā)生機(jī)制及其在缺血性腦卒中病理過程中的作用研究進(jìn)展

戴瑤瑤，舒夢(mèng)琦，魏汝恒，苗珠月，宋麗娟，2，馬東，黃建軍，馬存根，4

作者單位：1.030619山西省晉中市，山西中醫(yī)藥大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)研究中心 國家中醫(yī)藥管理局多發(fā)性硬化益氣活血重點(diǎn)研究室 2.030001山西省太原市，山西醫(yī)科大學(xué)細(xì)胞生理學(xué)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.037003山西省大同市，國藥同煤集團(tuán)總醫(yī)院神經(jīng)外科 4.037009山西省大同市，山西大同大學(xué)腦科學(xué)研究所

缺血性腦卒中（cerebral ischemic stroke，CIS）可嚴(yán)重危害人類健康，具有極高的致殘率和死亡率，且目前其治療方案仍有限［1］。腦血管內(nèi)皮細(xì)胞是神經(jīng)血管單元（neurovascular unit，NVU）組成部分，其緊密連接結(jié)構(gòu)是血腦屏障（blood brain barrier，BBB）的主要結(jié)構(gòu)，而BBB完整性是維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）穩(wěn)態(tài)的保障［2］。CIS發(fā)生后，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬被激活，進(jìn)而影響B(tài)BB完整性、細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)［3］。研究發(fā)現(xiàn)，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的激活或抑制可能與沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silence information regulator 1，SIRT-1）/叉頭蛋白O3a（forkhead box protein O3a，F(xiàn)OXO3a）、磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/雷帕霉素機(jī)械靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）等信號(hào)通路有關(guān)，且調(diào)控腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可降低細(xì)胞凋亡率、減輕炎癥反應(yīng)和保護(hù)BBB的完整性，從而減輕腦缺血缺氧和再灌注損傷［4-6］。因而調(diào)控腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可能是治療CIS的新方法。本文對(duì)CIS病理過程、腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬及其發(fā)生機(jī)制、腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬在CIS病理過程中的作用進(jìn)行了綜述。

1 CIS病理過程

腦卒中被認(rèn)為是全球死亡和殘疾的主要原因，根據(jù)2019年的流行病學(xué)數(shù)據(jù)，全球有1 220萬例腦卒中患者，其中655萬例患者因腦卒中死亡［7］。腦動(dòng)脈阻滯、腦血流灌注缺乏和非創(chuàng)傷性顱內(nèi)出血是導(dǎo)致腦卒中的主要原因，約80%的腦卒中患者為CIS［8］。CIS發(fā)生時(shí)，大腦特定區(qū)域缺血可造成腦組織營養(yǎng)缺失和缺氧，從而導(dǎo)致一系列的病理改變，包括細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)和BBB破壞等［9］。細(xì)胞凋亡是一種程序性細(xì)胞死亡，對(duì)發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，其可通過釋放損傷相關(guān)分子來觸發(fā)炎癥反應(yīng)［10］。炎癥是腦血管疾病，尤其是CIS病理生理學(xué)的關(guān)鍵步驟［11］。細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)可損傷腦血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元等［12］。而損傷的腦血管內(nèi)皮細(xì)胞可導(dǎo)致BBB破壞，從而導(dǎo)致大量炎癥因子進(jìn)入大腦，進(jìn)而加重炎癥反應(yīng)［13］。另外，在CIS急性期，炎癥與BBB的分解、神經(jīng)元損傷有關(guān)［14］。這一系列病理過程可相互影響，形成惡性循環(huán)，最終可造成腦壞死、腦軟化等不可逆性腦損傷［15］。

2 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬及其發(fā)生機(jī)制

2.1 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬

自噬是一種保守的溶酶體降解途徑，生理情況下其能夠降解和回收長壽或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)和受損的細(xì)胞器，以維持細(xì)胞的能量和功能［15］。作為一種細(xì)胞降解機(jī)制，自噬在細(xì)胞的分化、發(fā)育和穩(wěn)態(tài)維持中均起到了重要作用。通常自噬可分為巨自噬、微自噬及伴侶介導(dǎo)三個(gè)類別，其中巨自噬是最常見、最普遍和最具特征的自噬形式，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬即屬于巨自噬［16］。腦血管內(nèi)皮細(xì)胞是BBB的重要組成部分，研究發(fā)現(xiàn)，CIS發(fā)生后，缺血、缺氧可激活腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，進(jìn)而影響B(tài)BB的完整性［17-19］。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在大腦中動(dòng)脈栓塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）模型大鼠中，調(diào)控腦皮質(zhì)梗死后丘腦中的腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可負(fù)向調(diào)控血管生成和神經(jīng)修復(fù)能力，還可改善CIS后血管修復(fù)能力和大鼠的認(rèn)知功能［20］。這表明腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可能是治療CIS的新靶點(diǎn)。

2.2 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的發(fā)生機(jī)制

研究顯示，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的激活或抑制可能與SIRT-1/FOXO3a、PI3K/Akt/mTOR、NF-κB等信號(hào)通路有關(guān)［21-23］。

2.2.1 激活SIRT-1/FOXO3a信號(hào)通路

SIRT-1/FOXO3a信號(hào)通路在自噬誘導(dǎo)中起關(guān)鍵作用。SIRT-1是FOXO3a的重要上游調(diào)節(jié)因子，可增強(qiáng)線粒體功能和誘導(dǎo)自噬［24］。叉頭蛋白O（forkhead box protein O，F(xiàn)OXO）是普遍表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，有助于維持組織穩(wěn)態(tài)及抵消環(huán)境變化產(chǎn)生的不利影響，如氧化應(yīng)激、代謝應(yīng)激和生長因子剝奪等，其可參與細(xì)胞周期停滯、抗氧化、細(xì)胞凋亡、自噬、DNA損傷修復(fù)和能量代謝等過程［25-26］。FOXO家族由FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6組成，其中FOXO3也稱為FOXO3a，與許多年齡相關(guān)疾病有關(guān)，如癌癥、椎間盤變性和神經(jīng)退行性疾病等［4］。研究發(fā)現(xiàn)，激活SIRT-1/FOXO3a信號(hào)通路可誘導(dǎo)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，從而減輕氧糖剝奪/復(fù)糖復(fù)氧（oxygen-glucose deprivation and reoxygenation，OGD/R）誘導(dǎo)的腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷［21］。另一項(xiàng)研究表明，上調(diào)FOXO3的環(huán)狀RNA能夠激活腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，減輕OGD/R后BBB損傷，進(jìn)而減輕腦缺血再灌注損傷［27］。另外，有研究者在肝缺血再灌注損傷研究中發(fā)現(xiàn)，激活SIRT-1/FOXO3a信號(hào)通路可激活肝臟自噬，進(jìn)而減輕肝缺血和再灌注損傷［28］。

2.2.2 抑制PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路

PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路是生物體中最重要的信號(hào)通路之一［29］。PI3K是脂質(zhì)激酶家族成員，通常由受體酪氨酸激酶和G蛋白偶聯(lián)受體激活［30］。Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，也是PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，活化的Akt可以通過直接和間接途徑激活其底物mTOR，而Akt也可由mTOR反饋激活［31］。酪氨酸激酶受體能夠激活PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路，而該通路受磷酸酶和張力素同系物負(fù)調(diào)控，且其過度激活會(huì)抑制自噬，反之則會(huì)誘導(dǎo)自噬［5，32］。研究發(fā)現(xiàn)，在缺血、缺氧以及營養(yǎng)缺乏等條件刺激下，PI3K/Akt可通過促進(jìn)小鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞中的mTOR表達(dá)來負(fù)向調(diào)控其自噬，而抑制PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路可激活小鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，減輕細(xì)胞凋亡和血管損傷［22］。另外，有研究者在受糖氧剝奪（oxygen-glucose deprivation，OGD）刺激后的小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中觀察到了小膠質(zhì)細(xì)胞的過度活化和中度自噬，并且發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路被抑制，而雷帕霉素可以加重其抑制程度［33］。

2.2.3 激活NF-κB信號(hào)通路

NF-κB信號(hào)通路是炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。在CIS中，NF-κB的活化可以促進(jìn)腦損傷和腦卒中后炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡［6，34］。研究發(fā)現(xiàn)，敲除NF-κB p50可激活桶狀皮質(zhì)局灶性缺血小鼠的自噬，并導(dǎo)致腦血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)元的自噬性死亡，加重BBB損傷，而抑制自噬可逆轉(zhuǎn)敲除NF-κB p50帶來的損傷，保護(hù)BBB的完整性［23］。

3 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬在CIS病理過程中的作用

3.1 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬對(duì)細(xì)胞凋亡的影響

研究表明，自噬是多種內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)揮功能所必需的過程，可參與內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、衰老和凋亡等過程［35］。研究發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素能夠誘導(dǎo)腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的發(fā)生，從而降低OGD/R后細(xì)胞凋亡率，而三甲基腺嘌呤可抑制腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬的發(fā)生，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡，降低細(xì)胞活力［36］。但另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞OGD/R模型中，使用三甲基腺嘌呤抑制腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬后，細(xì)胞凋亡率降低，而使用雷帕霉素誘導(dǎo)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬后，細(xì)胞凋亡率增加［37］。此外，在原代腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞OGD/R模型中，抑制細(xì)胞自噬可抑制OGD/R誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，提高細(xì)胞存活率，降低細(xì)胞膜通透性［38］。綜上，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬對(duì)細(xì)胞凋亡的影響尚存在爭議，需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

3.2 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬對(duì)炎癥反應(yīng)的影響

在CIS中，炎癥反應(yīng)是由大腦血流停滯引發(fā)的，且血管內(nèi)白細(xì)胞的激活和腦血管內(nèi)皮細(xì)胞及其他細(xì)胞中促炎遞質(zhì)的釋放可導(dǎo)致炎癥反應(yīng)持續(xù)存在，從而加重腦組織損傷［39］。血管內(nèi)炎癥是BBB分解和白細(xì)胞浸潤的第一步［40］。研究發(fā)現(xiàn)，抑制組蛋白去乙?；?（histone deacetylase 9，HDAC9）誘導(dǎo)的自噬可加重原代腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷與炎癥反應(yīng)［41］。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞經(jīng)OGD/R處理后，敲低自噬相關(guān)蛋白7（autophagy-related 7，ATG7）可降低促炎細(xì)胞因子白介素1β、白介素6、白介素8和腫瘤壞死因子α的表達(dá)水平，但ATG7缺乏對(duì)促炎細(xì)胞因子表達(dá)的抑制作用不是通過抑制腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬實(shí)現(xiàn)的［42］。以上研究結(jié)果存在差異可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和異質(zhì)性，如細(xì)胞、缺血強(qiáng)度和腦缺血時(shí)間的差異導(dǎo)致。綜上，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬對(duì)炎癥反應(yīng)的影響尚存在爭議，需要進(jìn)一步研究證實(shí)。

3.3 腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬對(duì)BBB完整性的影響

BBB是一種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)界面，介于血液和腦組織之間，負(fù)責(zé)外周循環(huán)和腦室之間的血液、氧氣、離子和其他分子的交換，在大腦內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)中起重要作用［43］。CIS后，BBB破壞主要是由緊密連接蛋白結(jié)構(gòu)完整性的喪失和基底板降解導(dǎo)致的［44］。BBB緊密連接蛋白結(jié)構(gòu)完整性的喪失可導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加，從而加重CIS后腦損傷，增加患者死亡率［45］。腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬在CIS中發(fā)揮著“雙刃劍”的作用，其既可破壞BBB的完整性，又有助于維持BBB的完整性。

研究表明，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬能夠誘導(dǎo)緊密連接蛋白降解，造成BBB破壞［41］。研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞OGD模型中，自噬能夠促進(jìn)緊密連接蛋白5的降解，破壞BBB的結(jié)構(gòu)，而抑制自噬或阻斷自噬小體與溶酶體融合可抑制緊密連接蛋白5降解，減輕BBB損傷［46］。另外，OGD和高葡萄糖可誘導(dǎo)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，從而降低緊密連接蛋白表達(dá)水平，造成BBB破壞［47］。上述證據(jù)表明，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可破壞BBB完整性，加重CIS后的腦損傷。

研究顯示，缺血再灌注損傷前，雷帕霉素誘導(dǎo)的腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可抑制細(xì)胞凋亡，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧導(dǎo)致的損傷，升高ZO-1（一種緊密連接相關(guān)的支架蛋白）表達(dá)水平，從而保護(hù)BBB的完整性［36］。還有研究顯示，在體外OGD模型中，沉默HDAC9可激活原代腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，從而維護(hù)BBB的完整性［41］。甲基乙二醛能夠激活腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，進(jìn)而保護(hù)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞免受缺血誘導(dǎo)的損傷，維護(hù)BBB的完整性［48］。通過調(diào)節(jié)miRNA來促進(jìn)自噬，可以保護(hù)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞免受OGD/R損傷，保護(hù)BBB的完整性［49］。此外，抑制糖尿病小鼠腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，可增加緊密連接蛋白表達(dá)水平，保護(hù)腦缺血期間BBB的完整性［50］。上述研究結(jié)果說明，腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬有助于維持BBB的完整性。

4 小結(jié)及展望

CIS發(fā)生時(shí)，腦部供血中斷可導(dǎo)致腦組織缺血缺氧，引起細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)和BBB破壞等一系列病理改變，若不加以治療就會(huì)導(dǎo)致腦組織壞死、腦軟化等。腦血管內(nèi)皮細(xì)胞是BBB以及血管不可或缺的一部分，大腦缺血、缺氧可導(dǎo)致腦血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷、結(jié)構(gòu)破壞甚至死亡。而腦血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷和結(jié)構(gòu)破壞可導(dǎo)致其緊密連接結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而造成BBB破壞和血管受損，導(dǎo)致白細(xì)胞浸潤和炎癥反應(yīng)，并且損傷的腦血管內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)釋放促炎因子，導(dǎo)致腦組織損傷加重。迄今為止，尋找治療CIS的更有效且安全性高的藥物仍然是研究者努力的方向。

自噬代表了一種適應(yīng)性機(jī)制，而調(diào)控腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可降低細(xì)胞凋亡率，提高細(xì)胞活力，保護(hù)腦血管內(nèi)皮細(xì)胞免受缺血、缺氧等損傷，維持BBB的完整性，因此深入研究腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬及其對(duì)細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)和BBB完整性的影響是非常重要的。研究腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬在CIS病理過程中作用的主要切入點(diǎn)是腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬本身，關(guān)于腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬及其對(duì)細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)和BBB完整性影響的相關(guān)機(jī)制研究有限。因此，更全面地了解CIS中腦血管內(nèi)皮細(xì)胞的自噬程度、靶標(biāo)負(fù)荷、作用和相關(guān)機(jī)制是至關(guān)重要的。就目前而言，調(diào)控腦血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬可能是治療CIS的一種有效方法，是在腦缺血時(shí)保護(hù)大腦的一種可行的治療策略。

作者貢獻(xiàn)：戴瑤瑤、舒夢(mèng)琦進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計(jì)；舒夢(mèng)琦、魏汝恒進(jìn)行文獻(xiàn)/資料收集；戴瑤瑤、苗珠月進(jìn)行文獻(xiàn)/資料整理；戴瑤瑤撰寫論文；戴瑤瑤、宋麗娟、馬存根進(jìn)行論文的修訂；馬東、黃建軍、馬存根負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校；馬存根對(duì)文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。