细胞自噬与心肌慢性缺氧关系的研究进展*

2019-02-25杜丽马玲王楠

医学理论与实践 2019年24期

杜丽马玲王楠

甘肃中医药大学临床医学院，甘肃省兰州市 730000

心肌细胞慢性缺氧与多种心血管疾病如紫绀型先心病、肺源性心脏病以及高原性心脏病等存在着密切的联系。研究心肌细胞慢性缺氧适应性反应机制对于此类疾病的治疗至关重要。近年来慢性缺氧性心肌中细胞自噬的发生引起了众多学者的关注，现就相关研究综述如下。

1 细胞自噬的概述

1.1 自噬的分类细胞自噬作为一种防御机制，可以降解多余蛋白质、长寿蛋白等为细胞提供小分子底物以及降解受损的细胞器(如线粒体)，从而避免细胞损伤及维持体内能量平衡。基础水平的自噬参与许多生理过程。同时，饥饿、缺氧等应激性刺激也可诱发过度自噬，从而破坏细胞质和细胞器[1]。依据降解底物运输到溶酶体内的途径的不同，可以将自噬分为以下三大类：(1)大自噬：由内质网来源的膜包绕待降解物形成自噬体，然后与溶酶体融合并降解其内容物；(2)小自噬：溶酶体的膜直接包裹长寿命蛋白等，并在溶酶体内降解；(3)分子伴侣介导的自噬(CMA)：胞质内蛋白结合到分子伴侣后被转运到溶酶体腔中，然后被溶酶体酶消化。CMA 的底物是可溶的蛋白质分子，在清除蛋白质时有选择性，而前两者无明显的选择性[2-3]。

1.2 自噬的过程细胞自噬是一个吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并使其包被进入囊泡，并与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物的过程，借此实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。具体过程分为：自噬的诱导(Induction of macroautophagy)、自噬体的形成(Formation of the autophagosome)、自噬体的转运(Autophagosome docking and fusion)以及自噬体的降解(Autophagic body breakdown)[4]。

1.3 自噬的调节在自噬的调控网中，腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是细胞自噬过程的两个重要的调控节点。AMPK是细胞内高度保守的丝/苏氨酸激酶，被认为是细胞内能量稳态的关键调控分子。既往研究发现，AMPK是自噬通路的上游分子，当各种原因导致胞内ATP含量降低时，AMPK分子的第172位苏氨酸发生磷酸化，AMPK被激活，它一方面可以直接抑制mTOR，另一方面可以通过激活ULK1来间接抑制mTOR,从而激活自噬[5]。

2 心肌慢性缺氧

心肌缺氧(Myocardial anoxia)是指各种原因引起的冠状动脉血流量降低，致使心肌氧供应不足和代谢产物清除减少的临床状态。大多数心脏疾病可引起心肌缺血缺氧，而慢性缺氧也是导致心脏疾病发生的重要病理生理过程之一。慢性缺氧时，心肌细胞发生损伤，导致心肌细胞自噬水平代偿性增加，而心肌细胞的自噬对维持心肌功能具有重要的作用[6]。因此，更好地理解细胞自噬在心肌慢性缺氧中的作用可以为疾病的预防和控制提供新的途径。

2.1 慢性缺氧对大鼠心脏功能的影响慢性缺氧时，大鼠心功能如何变化？有实验研究显示：将大鼠置于低压低氧舱内每日8h，2周时开始出现肺动脉压增高现象，表现为嗜睡、呼吸窘迫、呼吸急促。4周后逐渐恶化，大鼠出现了活动减少、腹水、全身水肿、死亡等，而在6周时呈现出典型右心衰竭表现。随着缺氧时间的增加，其心功能(包括心房、心室大小，室壁厚度，收缩和舒张功能以及射血分数)逐渐减弱，红细胞与血红蛋白计数显著增加，病理提示心肌细胞横截面积增加、心肌发生纤维化，透射电镜下观察到自噬体数量增加[7]，这与大鼠心力衰竭的表现相一致。同时在野百合碱诱导的肺动脉高压引起的右心室重构过程中大鼠心功能及各项指标均发生了类似的变化[8]。之后又有学者在给予一定干预措施(通心络和脂肪因子CTRP9)后均可通过调控AMPK信号通路从而激活自噬减轻缺血、缺氧引起的心肌损伤[9]。因此，可以认为在慢性缺氧导致的心肌损伤过程中自噬代偿性的增加对心脏起到了一定的保护作用。

2.2 慢性缺氧诱导心肌细胞自噬的机制越来越多的证据表明，在缺氧的早期阶段，适应性的自噬已经被证明在体内和体外对心脏保护均起着至关重要的作用。在细胞实验中：研究发现缺氧可以诱导心肌细胞发生自噬[10-11]；在动物实验中：采用低氧环境建立小鼠慢性缺氧模型，然后通过 Westernblot 检测小鼠心肌组织LC3-Ⅱ与LC3-Ⅰ比值，发现慢性缺氧使LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值明显升高而p62表达降低，反映慢性缺氧条件下小鼠心肌自噬增强。免疫荧光染色发现慢性缺氧使小鼠心肌组织冰冻切片中阳性自噬泡增多，也证实了Western blot的结果，提示慢性缺氧条件下的小鼠心肌自噬增强[12]。但其诱导自噬增强的因素及机制仍不清楚。目前可能的说法有两种：

2.2.1 与AMPK的活化有关：慢性缺氧时，心肌细胞内ATP含量降低，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活性增加，进而对mTORC1产生抑制作用，有助于Atg13的去磷酸化和Atg1的活化，从而诱导心肌细胞自噬[13]。

2.2.2 与HIF-1的表达增强有关：缺氧通过HIF-1(缺氧诱导因子-1)依赖性机制诱导心肌细胞发生自噬。细胞实验证明：缺氧可诱导H9c2细胞发生自噬，而低氧诱导的自噬可被HIF-1α过表达增强，并被HIF-1α敲低抑制。此外，HIF-1介导的自噬改善了缺氧诱导的H9c2细胞活力的降低。这些发现为心肌细胞的缺氧缺血性损伤提供了新的见解，并为心肌缺血、缺氧中HIF-1介导的自噬的发生提供了证据[14]。但自噬具有“双刃剑”的作用，一定程度的自噬有利于细胞对刺激的适应与细胞稳态的维持，过度的自噬会导致细胞发生自噬性死亡。

3 细胞自噬对缺氧条件下心肌细胞的保护作用

对于心肌细胞缺氧适应，已有相关研究分别从缺氧心肌细胞中线粒体合成改变[15]、缺氧自噬体形成[16]、促红细胞生成素(EPO)表达改变[17]以及腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)[13]、PI3K /GSK3信号通路[18]等诸多方面进行阐述。目前对缺氧心肌细胞适应性反应机制研究较多的有以下两方面：

3.1 线粒体合成改变李畑波[19]学位论文中研究结果示：慢性缺氧心肌细胞中，线粒体生物合成增强，线粒体数目增多这是慢性缺氧适应的一个重要机制，但同时也导致各种形态不规则线粒体出现和大量功能受损的线粒体在心肌细胞中堆积。通过细胞自噬来清除细胞内功能不全的线粒体，以保证高效能线粒体的功能，并严格控制心肌细胞线粒体的数量对于促进心肌细胞存活、心肌细胞功能和收缩力相协调尤为重要。

3.2 AMPK激活对心肌细胞线粒体自噬的影响张华刚[20]证明了AMPK可能是上游感受能量和下游激活自噬的重要节点，是细胞代谢的主要感受器，维持着细胞能量代谢平衡和内环境稳定，调控线粒体功能与ROS氧化还原平衡。之后进行了相关研究，研究证实运动、缺血、缺氧、葡萄糖缺乏等都能使其迅速激活。进一步研究发现促进AMPK活化能够增加慢性缺氧H9c2心肌细胞的线粒体自噬，改善线粒体的功能，更好控制线粒体的质量，提高心肌细胞在慢性缺氧环境下的存活率。这些结果表明AMPK激活能通过刺激选择性的线粒体自噬促进心肌细胞在慢性缺氧条件下的存活。因此，慢性缺氧会损伤心肌进而发展成为心力衰竭，而AMPK磷酸化水平的增加及自噬体的增加均对心肌组织具有保护作用。

4 问题

有关细胞自噬的分类、过程、调节机制及自噬与相关疾病关系的研究国内外学者已进行了多次研究，各种机制及研究方法已相当成熟。但是药物及其调节机制的研究，目前正处于初步研究阶段。最近多项研究显示中国传统中药红景天苷可以调节AMPK信号通路上调自噬从而抑制肺动脉平滑肌细胞的增殖及增加细胞凋亡[7]。红景天苷在临床上主要应用于抗高原反应、肺动脉高压的治疗，并且有学者已多次研究。因此，红景天苷是否对自噬相关通路及自噬的表达具有调节作用有待于进一步研究。曾有研究证实红景天苷具有抗心肌缺氧的作用[21]，这一作用是否与其对自噬相关信号通路的调节作用有关，需要我们进一步证实。如果上述问题得以阐明，可能为慢性缺氧性心脏疾病的发生发展机制的研究提供新的思路。