细胞程序性死亡在肺动脉高压中的研究进展:自噬、焦亡、铁死亡

徐燕 杨朝 耑冰

肺动脉高压(Pulmonary hypertension, PH)是由多种病因和发病机制引起的肺小血管结构和/或功能改变,从而使肺动脉压力升高和肺血管阻力增加的一组临床及病理生理综合征,最终将导致右心衰竭以致死亡。PH发病机制复杂、临床表现各异、诊断和治疗困难。关于PH流行病学的相关报道在世界范围内都很少,且目前临床上也没有安全高效的治愈PH的方法,虽然已经获批上市的针对动脉性肺动脉高压(Pulmonary arterial hypertension,PAH)的靶向药物在PAH的治疗方面取得了重大的进展,但也只是改善患者的预后,提高患者长期生存率。值得注意的是,这类靶向药物并非万能,效果也因人而异[1-3]。然而,PAH仅仅是PH中最常见的一类,还有包括左心疾病所致肺动脉高压、肺部疾病和低氧所致肺动脉高压、慢性血栓栓塞性肺动脉高压以及不明原因肺动脉高压在内的几种PH目前并没有特定的靶向药物。因此,积极探索PH的发病机制、寻求新的治疗方法已成为目前PH主要的研究点之一。

从PH的病理生理机制上来看,它主要是由肺血管结构和功能改变引起,而这个过程主要涉及肺动脉平滑肌细胞(Pulmonary artery smooth muscle cells, PASMCs)的增殖、死亡以及细胞外基质的作用。细胞死亡分为程序性死亡和非程序性死亡,由基因所控制的细胞程序化死亡(细胞凋亡、自噬、焦亡和铁死亡等)在细胞发育以及整个生命稳态调节中起着不可或缺的作用[4]。随着科学家们对细胞死亡在疾病发展中关系的研究不断深入,细胞自噬、焦亡、铁死亡在肺动脉高压中的作用逐渐被揭晓,本文就自噬、焦亡、铁死亡在肺动脉高压中的作用进行综述,为肺动脉高压的靶向治疗提供新思路。

一、自噬与肺动脉高压

1 自噬

自噬是细胞程序性死亡的类型之一,通过胞质溶酶体系统将损伤、变性、老化的细胞和细胞器,大分子蛋白质以及入侵的病原体吞噬、降解,从而达到“自我消化”、维持内环境稳态的目的[5-6]。根据物质运输到溶酶体的模式不同,至少可以将自噬分为三类,即:伴侣介导的自噬,微自噬和宏观自噬[7]。由于自噬很难在体外条件观察到,因此对于自噬的具体机制尚在探索阶段,有研究表明,ULK复合体(ULK1/ULK2、ATG13/ATG101和黏着斑家族相互作用蛋白200组成)可参与驱动自噬的发生[8]。就目前研究而言,可将整个自噬过程大致分为以下三步:①细胞器、大分子蛋白以及入侵的病原体被囊泡包裹形成自体吞噬泡;②自体吞噬泡与溶酶体融合形成降解自体吞噬泡;③溶酶体内的酶对吞噬内容物进行降解。

2 自噬在肺动脉高压发展中的作用

自噬是把“双刃剑”,细胞自噬能力的减弱或增强均可引起人类疾病,研究发现肿瘤、糖尿病、肝脏疾病、痛风、慢性阻塞性肺疾病[9-13]等疾病的发生发展过程中均存在细胞的异常自噬反应。而目前已有研究显示,自噬功能障碍与肺动脉高压密切相关。例如,抑制野百合碱(monocrotaline, MCT)诱导的动脉性肺动脉高压的肺细胞自噬激活,可以阻断2型骨形成蛋白受体溶酶体降解和DNA结合抑制因子1(Inhibitor of DNA binding 1,Id1)下调,进而阻止PAH的发展。相反,促进MCT诱导的PAH肺细胞自噬激活,则增强PASMC增殖/迁移和肺动脉重塑,进而促进PAH的发展[14]。且MCT诱导的PAH大鼠中自噬标志物蛋白水平呈现出升高状态,并且伴有肺动脉重塑增加[15]。这说明肺动脉高压的发生可能与肺部细胞自噬增强密切相关。而细胞自噬的触发也是一个复杂且多样的过程,包括药物、香烟烟雾提取物、线粒体功能障碍[15-17]在内的多种因素均可引发细胞自噬。磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是一种参与细胞能量稳态的能量传感器,它的激活在包括PH在内的多种疾病的治疗中都具有潜在价值。Cui[15]等人发现细胞核因子κB诱导的自噬激活有助于MCT诱导的大鼠PAH的发展,而AMPK的激活可以通过靶向细胞核因子κB来抑制自噬和血管重塑,从而发挥阻止PAH发展的作用,并降低右心室收缩压和右室肥厚指数。因而,对于肺动脉高压患者,理论上可以采取阻断自噬激活来达到治疗疾病的目的,但这一观点还需进一步的研究来证实。除此之外,Jing[18]等人发现PH大鼠中circSIRT1和蛋白激酶B3(Protein kinase-B3,Akt3)升高,而miR-145-5p下降,circSIRT1竞争性地与miR-145-5p 结合,并介导 Akt3发挥自噬作用,circSIRT1基因敲除可以抑制缺氧环境下PASMC的自噬进程,并改善大鼠的PH值。由此我们推测,敲除circSIRT1基因可能逆转低氧诱导的PH大鼠的PASMCs的自噬,改善肺动脉高压,但这还需进一步的实验来验证。此外,下调miR-204通过靶向自噬相关蛋白7(Autophagy-related protein 7,ATG7)增强自噬可以减弱缺氧诱导的内皮-间质转化(已被证实在肺动脉重构中发挥关键作用),而缺氧诱导的PH中,内皮细胞miR-204的下调对内皮-间质转化产生保护作用,进而有利于抑制肺动脉重构并阻止PH发展[19]。同样地,进一步降低miR-204也有希望逆转低氧诱导的PH。当然这还有待研究者进行后续探索。目前,自噬在肺动脉高压中的作用的研究尚处于初级阶段,但科研工作者对疾病治疗方法的探索已经从宏观逐渐深入到微观层面,迄今为止,科学家们已在生物分子层面上找到多种疾病的治疗方法,上述实验结果也为我们进行肺动脉高压靶向治疗方法的探索提供新的切入点。

二、焦亡与肺动脉高压

1 焦亡

焦亡是一种炎性程序性细胞死亡方式,表现为细胞不断胀大直至破裂,进而释放细胞内容物引起炎症反应,可被感染等多种病理性因素触发。过去几十年里,我们在各种类型细菌感染的巨噬细胞中观察到焦亡,由于其依赖于半胱天冬酶-1(caspase-1),而caspase-1最初被确定为处理炎症细胞因子白介素-1b的蛋白水解酶,因而焦亡最初又称为“炎症性死亡”[20-21]。直到2001年Cookson和Brennan在细菌感染的巨噬细胞中发现这种特殊的死亡方式,才首次将其命名为“pyroptosis”[22]。与补体激活途径类似,焦亡主要分为两条途径,即:依赖caspase-1的经典途径和依赖caspase-4/5/11(caspase-4和caspase-5是小鼠caspase-11的人类同系物)的非经典途径。两种方式的具体途径为:免疫激活→caspase-1或caspase-4/5/11激活→切割Gasdermin D蛋白(GSDMD)→细胞焦亡发生。二者不同之处在于经典途径的免疫激活是由炎性小体诱发,而非经典途径的免疫激活则依赖于脂多糖。此外,经典途径中的caspase-1可以帮助前体白介素-1β、白介素-18剪切为成熟体[8],并进一步招募炎性因子,激发强烈的促炎反应,因此caspase-1也是一种关键的先天免疫防御。而现有的研究表明,除外感染因素,肿瘤、免疫、心血管疾病和呼吸系统疾病[23-26]等非感染性因素也与焦亡紧密相关。

2 焦亡在肺动脉高压中的作用

作为一种新型的细胞死亡方式,焦亡在疾病发展中的作用引起了科学家们的高度重视,焦亡与肺动脉高压之间的关系也随着研究的深入逐渐揭晓。锌指蛋白1(Glioma-associated oncogene family zinc finger 1,GLI1)是一种广泛分布的细胞内蛋白质,最初在胶质母细胞瘤中发现,作为一种转录因子,GLI1参与了多种癌症的进展。不仅如此,He[27]等人还发现GLI1是PH进程中一个重要的驱动因素,低氧小鼠模型肺动脉及体外缺氧培养PASMCs中GLI1蛋白升高,且GLI1的上调主要局限在PASMCs,抑制GLI1蛋白可减弱缺氧诱导的PH值。他们在后续的研究中还发现,抑制GLI1或敲除GLI1基因后,焦亡相关蛋白——前体半胱天冬酶-1(pro-caspase-1)、caspase-1、IL-18、核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(Nucleotide blinding oligomerization domain-like receptor protein 3, NLRP3)、含有CARD的细胞凋亡相关斑点样蛋白(Apoptosis associated speck- like protein containing CARD, ASC)的表达显著降低。该实验结果提示,GLI1可能通过焦亡相关蛋白促进PASMCs焦亡,从而影响PH的进展。在低氧诱导的PH模型中,活化的Caspase-1和IL-18产物的水平增加,同样表明PH中可能发生焦亡[28]。此外,Jiang[29]等人在研究Circ-Calm4/miR-124-3p/Pdcd6轴信号通路时发现,Circ-Calm4在缺氧肺高压小鼠体内模型和体外培养的平滑肌细胞中均表达上调,敲除Circ-Calm4的缺氧暴露小鼠肺组织焦亡相关蛋白表达水平明显降低。因此,肺动脉高压肺部的焦亡相关蛋白呈现高表达状态,可以推测在肺动脉高压中细胞焦亡被激活,这一过程主要涉及经典的焦亡途径。而参与非经典途径的Caspase-4/11也同样被证实在PAH中激活,caspase-4的表达下调可抑制人肺动脉内皮细胞焦亡的发生,敲除caspase-11或抑制caspase-11能够缓解PAH的发展和改善血管重构[30]。综上所述,肺动脉高压中细胞焦亡被显著激活,抑制焦亡能够阻止PH的进展,即通过靶向焦亡上游靶点或机制能够有效抑制PH发展甚至达到逆转PH的目的。而具体的作用靶点以及相关通路还有待进一步探索,对于焦亡本身的机制也需要更加深入的探索,将来我们或能够在焦亡身上找到肺动脉高压治愈的方法。

三、铁死亡与肺动脉高压

1 铁死亡

铁死亡作为一种新发现的细胞程序性死亡,区别于细胞凋亡和细胞坏死,由脂质过氧化诱导,依赖于铁离子,在细胞核完整的情况下使得线粒体膜破裂,内质网、高尔基体及溶酶体等被过氧化。目前有关铁死亡的具体机制还不甚明了,可能和包括氨基酸和铁代谢、铁蛋白吞噬、细胞粘附以及p53和Keap1/Nrf2信号通路在内的几种信号通路相关[31]。“ferroptosis”一词最初是由Scott等人在2012年提出来的,直到2018年才被正式纳入成为调节性细胞死亡中的一员[32-33]。由于包括生物的生长发育、疾病发展、衰老在内的整个生命进程都涉及到死亡,因此细胞死亡一直以来都是生命科学的研究重点,随着研究的深入,新兴的死亡方式譬如‘铁死亡’正逐渐成为研究热点之一。由于科学家们对于“永生细胞”——肿瘤细胞死亡机制的探索从未停止,铁死亡一词从出现就备受追捧,研究者在不断的探索、反复的实验研究中发现,铁死亡与呼吸系统疾病亦息息相关。

2 铁死亡在肺动脉高压中的作用

PH发生的主要原因是肺动脉血管重构(Pulmonary vascular remodelling, PVR),而PVR是PASMCs的凋亡抑制和过度增殖的结果,同时也受到氧化应激的影响[34]。Zhang等[35]在对铁死亡相关基因的表达和鉴定分析时发现,PAH中铁死亡相关基因表达上调,且PAH中肺组织的铁死亡与氧化应激相关。另一项研究表明,溶质载体家族7成员11(Solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)在PAH中表达显著上调,SLC7A11通过抑制PASMCs铁死亡,使其活性增加,进而促进PAH中细胞增殖,导致血管重构[34]。而铁抑制素(Ferrostatin-1, Fer-1)可以通过调节铁死亡进而缓解脂多糖诱导的急性肺损伤和体内炎症反应,抑制铁死亡可减轻脂多糖诱导的急性肺损伤[36]。同样地,Xie等人[37]证实了Fer-1通过抑制铁死亡减弱MCT诱导的肺血管重构并保护右心功能。基于这些发现,我们不难看出,铁死亡在诱导、促进肺动脉高压的发病过程中有着潜在的作用,用铁死亡抑制剂或靶向药来治疗肺动脉高压在未来是非常有前景的,但最终能否实际应用以使患者获益还需要深层次的探索。

四、总结与展望

肺动脉高压早期诊断困难、治疗难度大、致死率高,严重危害人类的生命健康,且目前没有针对性的预防方法,也没有特效的治疗药物,有关肺动脉高压的发病机制也未能明确。随着研究的深入,科学家们发现,自噬、焦亡和铁死亡作为新型的细胞死亡方式在肺动脉高压发展过程中发挥重要作用,通过调控细胞自噬、焦亡和铁死亡能够阻止肺动脉高压的进展甚至逆转肺动脉血管重构。因此,揭示新型细胞死亡方式在肺动脉高压中的作用机制,探索肺动脉高压的治疗靶点,研究肺动脉高压的特效治疗药显得尤为重要,同时对于攻克肺动脉高压这个所谓的“伪癌症”也具有重大意义。