自噬在药物性肝损伤中的作用研究进展
2021-05-15尹圆圆刘密凤郭家彬
张 净,刘 俏,尹圆圆,刘密凤,郭家彬
(1.中国人民解放军疾病预防控制中心,北京 100071;2.首都医科大学附属北京中医医院,北京 100010)
由药物及其代谢产物引起的肝损伤,即药物性肝损伤(drug-induced liver injury,DILI),是临床上最为常见的一类药源性病变。DILI常表现为肝细胞炎症、坏死、胆汁淤积和细胞内脂质沉积等,是临床上急性肝衰竭的主要诱因。在中国大陆,DILI的年发病率约为每10万人23.8人,高于西方国家[1]。严重时DILI可造成肝硬化、肝癌甚至死亡。自噬是广泛存在于真核细胞中的一种自我吞噬现象,通过清除错误折叠的蛋白质、受损的细胞器和脂滴,以调控细胞质质量和能量平衡[2]。近年来,越来越多的研究提示,自噬可通过影响肝组织细胞氧化还原稳态、内质网应激、线粒体功能、炎症反应和细胞死亡信号通路调控,而在DILI的发生发展中发挥重要作用。通过应用自噬抑制剂和自噬激动剂对自噬进行干预,可有效调节DILI,从而为DILI的预防和治疗提供了新的思路。
1 自噬与药物性肝损伤的关系
1.1 肝细胞自噬特点及其病理生理学意义
自噬是真核细胞维持稳态、实现更新的一种重要进化机制,对细胞发育、分化、内环境稳定和生存至关重要。自噬选择性地以功能障碍的细胞器、细胞内微生物和致病蛋白等为靶标,这些过程的缺陷可能会引起相关疾病的发生[3]。自噬始于将细胞质隔离成双膜胞质囊泡的自噬体,随后自噬体与溶酶体融合形成自溶体,最后被酸性溶酶体水解酶降解。自噬是一个包括自噬诱导、自噬体形成、自溶体融合和降解的动态调节过程。自噬包括巨自噬、分子伴侣介导的自噬和微自噬3种不同类型。大多数研究集中在巨自噬,即自噬通过双层膜结构包裹细胞内的大分子物质和小细胞器,将其送到溶酶体中进行代谢,维持细胞稳态。自噬同样是调节肝细胞功能、数量和质量以及存活与死亡的重要机制。生理情况下,肝细胞自噬通过不同能量存储的转换,消除功能异常的线粒体来维持肝细胞的能量平衡。自噬也可通过清除对肝细胞产生毒性的异常或受损的肝蛋白和细胞器而控制肝细胞质量,防止进一步的细胞损伤。此外,自噬还可以调节特定细胞器以适应细胞内或细胞外的应激。在这些过程中,肝中共存的不同自噬途径彼此之间处于动态交流中,协调一致地维持体内稳态[4]。自噬失调,包括自噬过度激活或抑制均可能带来肝损伤风险或导致肝疾病。过度激活自噬可导致正常肝细胞死亡,但也有可能导致那些本该代谢死亡的肝细胞存活,最终引起肝病理改变。
1.2 药物对肝细胞自噬的影响
自噬是许多药物发挥药理学或毒理学作用的重要机制。与其他类型的细胞相比,肝细胞的自噬水平更高,对肝细胞功能的影响更大[5]。药物可能通过激活或抑制自噬而介导其肝毒性。DILI可表现为肝细胞氧化应激、内质网应激、线粒体功能紊乱和炎症反应等病理改变,临床病理可见肝细胞死亡和肝衰竭。在药物作用下,肝细胞自噬可被诱导活化或受到抑制,进而影响肝功能。自噬既可以作为细胞存活机制对细胞产生保护作用,也充当破坏性机制导致体内和体外细胞死亡[6]。自噬的这些作用在一些药物诱导的肝损伤中也有存在,通过查询“LiverTox”(http://livertox.nih.gov)和 Pubmed 文献(检索时间2020-10-20),总结列举了可通过影响自噬而诱发肝损伤的一些常见药物(表1)[7-31]。在DILI中,自噬是一把双刃剑,即可以缓解肝损伤,也可加剧肝损伤。如表1所示,对乙酰氨基酚(acetamin⁃ophen,APAP)等药物可激活自噬引起代偿性的肝保护作用,而顺铂等药物通过抑制自噬而加剧肝损伤。
表1 通过影响自噬而诱发肝损伤的常见药物举例
APAP是临床最为常用的解热镇痛抗炎药,但其过量使用是导致急性肝衰竭的最主要原因。APAP代谢过程中生成的N-乙酰基对苯醌亚胺可与线粒体蛋白结合形成蛋白加合物,引起线粒体氧化应激和功能障碍等肝细胞损伤。APAP可刺激肝细胞激活自噬去除受损的线粒体,从而发挥自我保护作用[7]。Shi等[32]发现,APAP治疗后微管相关蛋白轻链3-Ⅱ(microtubule-associated protein light chain 3-Ⅱ,LC3-Ⅱ)、自噬相关蛋白(beclin1)和腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphateactivated protein kinase,AMPK)水平降低,肝损伤进一步加重,西罗莫司处理后可明显逆转APAP的这些作用。依法韦仑属于非核苷逆转录酶抑制物,可在抗逆转病毒疗法中使用。Apostolova等[27]研究表明,依法韦仑在药效学剂量下可诱导肝细胞自噬,从而促进细胞存活,然而高浓度的依法韦仑会抑制肝细胞自噬,进而引起严重细胞损伤。提示自噬是细胞存活的一种适应机制。
然而,过度激活自噬也可能介导或加剧DILI。Dias da Silva等[22]发现,3-甲基甲卡西酮通过促进自噬加重肝损伤。Liu等[18]发现,芦荟大黄素通过诱导自噬而促进多重耐药蛋白2降解,进而诱导小鼠肝毒性。Lee等[14]发现,麻黄碱通过诱导自噬导致自噬通量失衡,从而导致细胞死亡,造成肝损伤。He等[17]研究表明,地塞米松通过诱导自噬刺激乙型肝炎病毒复制,进一步诱发肝癌。这些研究提示,自噬也是细胞死亡的一种机制。值得注意的是,自噬是否发挥保护或损害作用受多种因素影响,如何识别其是保护作用还是损害作用需要具体分析。一般认为,基础自噬通过降解细胞质内物质,为细胞修复和体内平衡提供能量,是细胞的一种重要保护性机制;然而自噬过度激活则可能导致细胞损伤。药物剂量不是决定自噬作用的唯一因素,药物本身理化特征、代谢、靶器官的代偿反应、细胞防御机制和个体差异等因素都可对自噬及其结局产生重要影响。即便对于同一种药物而言,在不同给药条件下或不同靶器官中,其引起自噬及结局都可能存在较大差异[27]。
2 自噬参与药物性肝损伤的机制
自噬可通过多种机制参与DILI,充分了解自噬参与DILI的机制可更好地认识DILI的发生发展过程,并为寻找预防和治疗DILI提供新的策略。自噬参与DILI的机制涉及氧化应激、内质网应激、线粒体功能障碍、炎症反应和细胞死亡信号通路调节等以及不同机制之间的相互作用。
2.1 氧化应激
氧化应激是由于机体组织或细胞中氧化与抗氧化之间的平衡被打破后引起的一类应激反应。生理水平的活性氧参与细胞信号转导,而高水平的活性氧可能不可逆转地损害细胞功能。如APAP过量使用导致的活性氧积累是肝细胞死亡的主要原因之一。近年来研究发现,自噬与氧化应激存在密切联系并在DILI中发挥重要作用。氧化应激通过激活瞬时受体电位M2(transient receptor potential melastatin 2,TRPM2)诱导的Ca2+内流,从而抑制自噬,加重细胞损伤;在无TRPM2介导的Ca2+流入的情况下,氧化应激则会诱导自噬,使细胞免于死亡[33]。同时,自噬的激活可能会抑制肝细胞氧化应激反应进而减轻肝损伤,但也可能加剧氧化应激水平而进一步加重肝细胞损伤。Shen等[34]发现,APAP可显著增加小鼠肝中P62、磷酸化P62和核NF-E2相关因子2(NF-E2-related factor 2,Nrf2)的水平,其中P62是一种选择性自噬衔接蛋白,可调节Nrf2-抗氧化反应元件抗氧化途径以减轻肝细胞氧化应激。APAP诱导的肝损伤早期可激活P62-Kelch样ECH相关蛋白1(Kelch-like ECH associated protein 1,Keap1)-Nrf2抗氧化途径并激活自噬,这可能在APAP致急性肝损伤早期肝细胞通过激活自噬而发挥自我保护作用的重要机制。Chen等[11]研究表明,松萝酸导致细胞周期失调、DNA损伤和氧化应激,诱导自噬;当自噬受到抑制时,细胞凋亡增强,提示氧化应激诱导的自噬是抗松萝酸诱导的细胞毒性的防御机制。然而,Roque等[19]表明,苯并呋喃通过激活自噬加剧氧化应激反应进而加重肝毒性。因此,自噬与氧化应激之间的关系需要进一步研究。
2.2 内质网应激
内质网应激也是肝细胞较为常见的一类应激反应。细胞对内质网应激的反应能力对于细胞存活至关重要,但是内质网应激长期持续进行则会导致细胞凋亡[35]。自噬与内质网应激可相互作用,相互影响。胺碘酮是一种用于预防和治疗心房和室性心律失常的常用药物,但可诱发肝脂肪变性、脂肪性肝炎和纤维化等肝损伤。Wandrer等[8]发现,胺碘酮治疗后内质网应激水平增加,自噬水平增加;在自噬相关基因5或自噬相关基因7缺乏的肝细胞中,胺碘酮介导的细胞死亡显著增加,提示自噬可能通过抑制内质网应激,进而减少肝损伤。异烟肼是一线抗结核药物,但其肝损伤影响了临床应用。Zhang等[15]发现,异烟肼增加了内质网应激、自噬相关因子和凋亡相关因子的表达水平;使用内质网应激抑制剂4-苯基丁酸后降低了自噬及凋亡相关基因表达水平,减轻肝萎缩,抑制谷草转氨酶和谷丙转氨酶升高,提示内质网应激通过激活自噬而介导了异烟肼引起的肝损伤。此外,内质网应激期间活性氧产生增加,自噬通量受到抑制,进而加重内质网应激,最终导致细胞死亡[36]。因此,在研究自噬与内质网应激及其在DILI中的作用时,需要详细了解自噬与内质网应激的相互作用,并分析这些作用与肝损伤结局之间的因果联系。
2.3 线粒体功能障碍
线粒体是细胞能量代谢的主要细胞器,在许多药物引起的肝损伤中起重要作用。老化和有缺陷的线粒体产生的活性氧是Nod样受体蛋白3的主要激活剂,活性氧和NLRP3的积累进一步诱导肝损伤[37]。损伤的线粒体可以被自噬选择性地清除,这一过程为线粒体自噬。线粒体自噬是维持线粒体稳态、调控线粒体质量的重要机制。肝细胞自噬与线粒体功能紊乱存在密切相互作用,进而在调节APAP等药物诱导的肝毒性中起关键作用。Ni等[38]研究结果表明,在APAP诱导的肝毒性中,自噬被激活,通过去除受损的线粒体和有害的APAP蛋白加合物来减轻肝损伤,对肝起到保护作用。Apostolova等[27]发现,依法韦伦在药效学剂量下会诱导肝细胞进行线粒体吞噬以促进细胞存活,对肝起到保护作用。PTEN诱导激酶1(PTEN-induced kinas 1,PINK1)/Parkin介导的线粒体自噬是目前研究最为广泛的线粒体自噬机制。PINK1和Parkin双敲除小鼠给予APAP治疗,出现谷胱甘肽恢复延迟,线粒体自噬显著减少,线粒体功能障碍增加,最终导致肝损伤加重[39]。因此提示,调节PINK1/Parkin通路可有效保护药物引起的肝细胞线粒体质量控制失调和功能障碍。
2.4 炎症反应
肝作为机体“排毒”的主要器官,经常会受到各种外界刺激或压力的影响,进而打破炎症细胞因子之间的平衡。DILI的进展通常涉及“损伤相关分子模 式 ”(damage-associated molecular pattern,DAMP),DAMP从受伤或坏死的细胞中释放出来,并与Toll样受体结合调节炎症反应。自噬是炎症细胞因子的重要影响因素,自噬可以通过抑制炎症因子白细胞介素1β的生成来限制急性中毒性肝损伤[40]。Qu 等[23]发现,顺铂通过抑制自噬并激活NLRP3炎症小体,进而引起急性肝损伤,表明自噬和NLRP3激活可能在顺铂诱导的毒性机制中起关键作用。炎症发生的同时也可以激活自噬。在异烟肼引起的肝细胞炎症模型中发现,异烟肼也可显著增加自噬相关因子水平,导致肝细胞损伤进一步加剧[15]。因此,炎症与自噬的相互作用也值得DILI相关研究的重点关注。
2.5 凋亡
凋亡和自噬是程序性细胞死亡的2种形式,自噬与凋亡之间存在着复杂的交互关系,这种复杂的交互关系决定了肝细胞凋亡的程度。通常情况下,自噬抑制肝细胞凋亡。Ni等[41]研究表明,肝细胞特异性缺失自噬相关基因5引起细胞凋亡增加。Wandrer等[8]发现,胺碘酮可以升高血清中胱天蛋白酶裂解的角蛋白18水平,而且抑制自噬后肝毒性增加。因此,抑制自噬及诱导凋亡可能是胺碘酮介导肝细胞损伤的机制。在有些情况下,自噬或自噬相关蛋白可能有助于诱导肝细胞凋亡,导致“自噬性细胞死亡”。五味子乙素对细胞周期阻滞、细胞凋亡和自噬的诱导作用可能促进其肝毒性作用[42]。此外,胱天蛋白酶的激活可以通过Beclin 1的切割抑制自噬,说明细胞凋亡也可以影响自噬过程[43]。这些研究表明,自噬和细胞凋亡是紧密相连的,研究自噬与凋亡的关系能更好的理解DILI的发病机制。
3 自噬调节与药物性肝损伤的防治
近年来,越来越多的研究表明,一些药物可以通过激活或抑制自噬来调节肝组织或细胞氧化应激、内质网应激和炎症反应等反应,进而有效预防或减轻DILI。在APAP诱导的肝损伤研究中发现,氯喹预处理增强NLRP3炎症小体信号通路,进而加重了肝损伤,西罗莫司预处理则抑制NLRP3炎症小体信号转导,从而减轻肝损伤[44]。甘油香豆素通过激活自噬和c-Jun氨基端激酶信号通路来缓解APAP诱导的氧化应激和肝损伤[45]。由于线粒体在调节细胞凋亡中至关重要,因此通过自噬消除有缺陷的线粒体也是自噬提供保护作用的机制之一。脂联素通过促进自噬以预防APAP引起的线粒体功能障碍,进而减轻APAP诱导的肝损伤[46]。针对过度自噬诱发的肝细胞损伤甚至死亡,则可通过抑制自噬而减轻DILI。柚皮苷可以通过抑制自噬而调节环磷酰胺引起的炎症反应和氧化应激变化,从而对环磷酰胺诱发的急性肝损伤起到保护作用[21]。BGP-15是一种氢氧酸衍生物,BGP-15给药可使APAP诱导的自噬标志物显著减少,线粒体损伤减轻,并使受损线粒体数量明显减少,进而起到保肝作用[47]。对于右旋糖酐铁诱发的LO2细胞活力下降及凋亡率增加,黄芪甲苷Ⅳ可通过降低自噬体的产生及LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ水平进行缓解[20]。这些研究提示,自噬干预已成为预防治疗DILI的重要策略。基于自噬在DILI中的重要作用,部分自噬干预剂已经应用于DILI防治的相关临床试验。
4 结语
自噬在维持肝细胞内稳态和消除有害的细胞内物质中起着至关重要的作用,与DILI和多种肝疾病的发生发展存在密切关系。自噬的主要作用是促细胞存活,但在某些情况下,也是导致细胞死亡的重要原因。尽管自噬在DILI中的作用及相关机制研究已有较多报道,但其具体影响机制还不完全清楚,特别是自噬与其他因素相互作用及其在DILI中的作用还有待更多深入探讨。这些研究不仅为了解DILI的机制提供新的证据,也可为寻找和发现有效调节自噬并干预DILI的药物以及相关肝疾病治疗提供新的思路。