鸢尾素在心肌缺血再灌注损伤中作用机制的研究进展

朱秋霞，冯高科，易 欣，蒋学俊

冠状动脉硬化性心脏病简称冠心病，是目前世界范围内危害人类健康的第一大杀手。急性心肌梗死发生早期，及时有效恢复心肌血液灌注是目前治疗冠心病及改善预后最为有效的方法。然而，缺血心肌再灌注却能进一步加重心肌损伤，引起心肌细胞死亡，导致梗死面积扩大，造成心功能进一步恶化并影响冠心病病人的预后，这一矛盾现象被称之为心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia/reperfusion injury，MIRI)，其严重制约冠心病病人的治疗效果。因此，为了提高病人生存率并改善其生活质量，迫切需要新的治疗策略。MIRI的防治策略一般包括缺血预处理、缺血后处理和药物处理等，其中药物处理譬如钙拮抗剂、抗氧化剂是目前较好的选择。近年研究发现，一种名为鸢尾素(irisin)的新型肌源性细胞因子对MIRI也有一定的保护作用。因此，本研究将从鸢尾素对MIRI的保护作用机制进行综述。

1 鸢尾素概况

鸢尾素是2012年由Boström等[1]研究发现的一种肌源性细胞因子。骨骼肌细胞在运动调节下，激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coac-tlvator1α，PGC1α)，进而促进纤维连接蛋白Ⅲ型结构域蛋白5(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5，FNDC5)的表达，FNDC5蛋白被加工成112个氨基酸的肽类即为鸢尾素。

目前，研究发现鸢尾素主要由骨骼肌释放，在心肌、肝脏、肺脏、神经元等组织中也有表达。鸢尾素可促进白色脂肪转换为棕色脂肪[2-3]。大量研究表明，鸢尾素有促进糖代谢、脂质代谢和减轻体重的作用[1]，主要与糖尿病[4-5]、代谢综合征[6]、肥胖[7]等代谢性疾病相关，有望成为治疗糖脂代谢紊乱的有效策略。此外，鸢尾素还在心血管疾病、老年阿尔茨海默病、人类肿瘤中发挥重要作用。

2 鸢尾素与缺血再灌注损伤

缺血再灌注损伤主要与细胞内钙超载、氧化应激反应、炎症反应、能量代谢障碍、细胞凋亡等机制相关。Wang等[8]在对小鼠离体心肌缺血再灌注研究中发现，鸢尾素能明显提高心率血压双乘积 (rate-pressure product，RPP)，降低左心室舒张末期压力(left ventricular end diastolic pressure，LVEDP)，改善心室功能，从而对MIRI发挥心肌保护作用。大量研究证实，鸢尾素对肾脏[9-10]、肝脏[11]、肺[12]、大脑[13-16]、肠道[17-18]和皮肤[19]等组织器官缺血再灌注损伤均具有一定的保护作用。鸢尾素改善缺血再灌注损伤的可能机制主要包括：①维持线粒体结构与功能的稳定性[12]；②抑制炎症反应[13，15，17]；③抑制氧化应激反应[10-11，17-18]；④抑制细胞凋亡[9，13，16-18]；⑤减少细胞内钙超载[18]。

3 鸢尾素与MIRI

3.1 维持线粒体结构与功能的稳定 线粒体是存在于大多数真核生物细胞内的一种细胞器，主要包括线粒体外膜、膜间腔、线粒体内膜以及线粒体基质4个部分。其主要功能有合成三磷酸腺苷(ATP)、维持细胞内外Ca2+稳定、产生活性氧、调控细胞死亡以及调节渗透性转换孔(mPTP)等功能。mPTP是一种非特异性跨线粒体内外膜通道，胞内Ca2+浓度升高、氧化应激、pH值升高等可使mPTP开放[20]。大量小分子物质非选择性通过mPTP进入线粒体，致使线粒体肿胀破裂，膜电位消失，细胞色素C及凋亡诱导因子释放可进一步触发体内细胞凋亡机制，从而造成心肌细胞不可逆死亡。由此可见，mPTP的开放是MIRI中的重要病理生理机制，抑制mPTP的开放在一定程度上可减轻MIRI[21-22]。Zhao等[23]在体外H9c2心肌细胞系缺氧复氧模型中发现，过表达组蛋白去乙酰化酶4(histone deacetylase 4，HDAC4)可诱导线粒体功能障碍，促进H9c2心肌细胞凋亡；而给予鸢尾素处理后，可促进组蛋白去乙酰化酶4的降解，抑制心肌细胞凋亡，减少心肌细胞死亡数量。

Wang等[8]通过体内外实验再次证实了鸢尾素具有改善MIRI的作用，其机制可能与鸢尾素上调超氧化物歧化酶-1(superoxide dismutase 1，SOD-1)的表达、促进p38的磷酸化，从而抑制mPTP开放，最终改善线粒体功能障碍有关。Lu等[24]发现鸢尾素能通过上调线粒体泛素连接酶(mitochondrial ubiquitin ligase，MITOL)的表达，维持线粒体稳定，减少乳酸脱氢酶的释放，缩小小鼠心肌梗死面积，从而对MIRI小鼠发挥心肌保护作用。此外，研究表明，在高糖诱导环境下的H9c2心肌细胞系缺氧复氧模型中，给予鸢尾素处理后心肌细胞活力增加，凋亡指数降低，细胞存活率明显增加，这可能与鸢尾素激活腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)途径从而维持线粒体功能稳定相关[25]。在此基础上，Xin等[26]在糖尿病MIRI小鼠模型中观察到，鸢尾素可以通过AMPK途径改善糖尿病小鼠心肌线粒体功能，从而减轻MIRI。总之，线粒体的结构与功能稳定在MIRI中有着重要作用，而鸢尾素可能通过维持线粒体结构与功能的稳定性对MIRI发挥心肌保护作用，这为鸢尾素未来临床防治MIRI提供了有力的理论依据。

3.2 减轻内质网应激 近年来，内质网在MIRI中的作用已经越来越被关注[27-28]。当心肌缺血再灌注时，内质网稳态遭到破坏，细胞内产生大量的未折叠和错误折叠蛋白，这种状态称为内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)。早期，内质网应激会产生代偿性未折叠的蛋白反应(unfolded protein response，UPR)，过度的内质网应激会使细胞进一步凋亡。Lu等[24]研究表明，MIRI可促进内质网应激标志物如免疫球蛋白结合蛋白(Bip)、磷酸化肌醇需求酶1α(p-IRE1α)、X盒结合蛋白1(XBP1)、C/EBP环磷酸腺苷反应元件结合转录因子同源蛋白(CHOP)的表达升高，体外干扰线粒体泛素连接酶(MITOL)的表达，也可明显促进内质网应激；但给予鸢尾素处理后，MITOL的表达趋于正常，内质网应激标志物Bip、p-IRE1α、XBP1、CHOP的表达减少，进一步减轻内质网应激。 由此可见，鸢尾素有可能通过抑制MIRI过程中的内质网应激，从而发挥心肌保护作用。

3.3 抑制氧化应激反应 大量研究已经证实，氧化应激反应在MIRI中的作用，抑制氧化应激反应可减轻MIRI[29-31]。心肌缺血时，体内ATP合成与分解失衡，导致黄嘌呤和次黄嘌呤分解释放自由基增多。心肌细胞缺血缺氧损伤，机体释放大量的炎症介质和趋化因子，促使中性粒细胞向损伤区浸润；再灌注时，白细胞获得充足的氧，线粒体氧化磷酸化功能下降，线粒体肿胀破裂，进而释放大量的氧自由基。大量的氧自由基促进细胞膜脂质过氧化，导致蛋白质功能抑制以及DNA损伤。Wang等[32]研究表明，鸢尾素能与超氧化物歧化酶-2(superoxide dismutase 2，SOD-2)相互作用，增加SOD-2的活性，并能恢复SOD-2在线粒体中的定位，从而抑制氧化应激反应，最终减轻MIRI。

3.4 减少细胞凋亡 细胞凋亡是MIRI的重要机制之一[25，33-34]。细胞凋亡主要分为死亡受体介导的外部途径和线粒体介导的内部途径，其中线粒体介导的细胞凋亡在MIRI起主要作用[35]。近年来，研究发现内质网应激介导的细胞凋亡途径也是内部途径的一种新形式。线粒体功能障碍、内质网应激以及氧化应激均都能触发心肌细胞凋亡，加重MIRI。Wang等[32]发现鸢尾素能抑制氧化应激；此外，鸢尾素处理后可明显降低H9c2心肌细胞系中半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)的活性，明显抑制mPTP的开放，减轻MIRI中心肌细胞凋亡。最新研究表明，鸢尾素预处理后，心肌缺血再灌注小鼠中丙二醛(malondialdehyde，MDA)水平下降，而超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)及谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-PX)活性增加，提示鸢尾素可能通过降低氧化应激反应减少心肌细胞凋亡[24]。此外，在体外H9c2心肌细胞缺氧复氧模型中，鸢尾素处理后内质网应激标志物包括葡萄糖调节蛋白78(GRP78)、p-IRE1α、肌醇需求酶1α(IRE1α)、XBP1和CHOP水平均上升，H9c2心肌细胞凋亡减少，且MITOL表达上调。由此可见，鸢尾素可能通过抑制心肌细胞凋亡，减少心肌细胞凋亡，在MIRI过程中发挥保护作用。

4 小结与展望

作为一种肌源性细胞因子和脂肪因子，鸢尾素除了通过调节糖脂代谢在糖尿病、肥胖、高血压、动脉粥样硬化、冠心病等疾病中发挥重要作用之外，在机体组织器官缺血再灌注损伤尤其是MIRI中也有一定的心肌保护作用，这可能与其通过维持线粒体功能与结构稳定、抑制氧化应激反应和内质网应激以及抑制心肌细胞凋亡等途径有关，其有望成为未来防治MIRI的重要靶点之一。然而，鸢尾素在MIRI中的作用及机制研究目前仍处于体外细胞或小动物实验阶段，其作用机制也尚未完全明确。因此，未来需要进一步在大动物模型和临床研究中深入探讨鸢尾素调控MIRI的机制，从而为鸢尾素应用于临床提供理论基础和实验依据。