自噬在心血管健康和疾病中的研究进展

张书虎 李甜甜

自噬是真核细胞中一种重要的生命现象与分解代谢过程,对包括心脏在内的各种器官的能量应激状态敏感,主要有3种形式:巨自噬、微自噬和伴侣介导的自噬[1]。自噬的主要作用是将受损的细胞器和过量的生物大分子传递到溶酶体进行降解,并利用降解产物提供能量和重建细胞结构,在维持细胞稳态和生命活动方面发挥重要作用[2]。自噬过程分为3个部分:(1)自噬小体的起始和成核;(2)自噬小体形成的扩增和完成;(3)溶酶体的降解[3]。自噬作为一种降解途径,平衡了大分子的生物合成和分解代谢,以保护机体免受癌症、衰老、神经退行性变和心脏病等多种病理的影响。自噬不仅维持健康人群的心肌细胞内环境稳定,也参与各种心脏病的发病机制。近年来,大量的研究表明,重复或连续的刺激自噬也可能对特定的心血管疾病有益[4]。为此,本文对自噬在一部分常见和危及生命的心血管疾病方面取得的最新进展进行综述。

1 糖尿病心肌病

糖尿病心肌病是一种心肌特异性微血管并发症,一般不合并冠状动脉疾病、瓣膜病和高血压[5]。在过去的几十年里,随着社会经济的发展和生活水平的提高,肥胖和代谢紊乱的病人数量急剧上升,其中许多人会发展为2型糖尿病,而超过1/3的糖尿病病人合并糖尿病心肌病,且其发病率将持续增长[6]。由于高血糖环境中自由基的产生及脂肪酸的过度利用,糖尿病病人的心脏处于超负荷代谢状态,心肌细胞的氧化应激负担增加,导致线粒体功能障碍、凋亡和心肌细胞纤维化,阻碍心肌收缩和正常心脏功能,随后出现心脏功能下降,并最终增加发生心力衰竭的风险[7]。研究发现,在接受冠状动脉搭桥术的2型糖尿病缺血性心脏病病人的右心耳中,LC3B(一个广泛使用的自噬标志物)阳性肌细胞、LC3BⅡ蛋白表达和自噬小体数量均显著增加[8]。此外,糖尿病病人的心肌细胞内可见大量的自噬空泡,这也进一步说明自噬与糖尿病心肌病相关,但目前尚不清楚所观察到的自噬空泡的增加是由于自噬小体形成的增加还是由于其降解的损伤。

Wang等[9]在1型糖尿病小鼠心脏中发现腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)表达上调,说明自噬在1型糖尿病心脏中被激活,且已被认为与糖尿病心肌病的舒张功能障碍和发病机制有关。1型糖尿病病人的糖脂毒性(如溶酶体相关膜蛋白2a、热休克同源蛋白70、热休克蛋白90)可通过降低溶酶体含量来削弱自噬体的清除能力,从而破坏心肌细胞的蛋白质稳态,中断溶酶体蛋白水解活性以及转录因子EB和Tax1结合蛋白1(TAX1BP1)表达的失活/缺失,使心肌细胞发生损伤[10]。2型糖尿病中胰岛素信号通路的损害会导致心脏自噬的激活,而肥胖则可以抑制自噬小体的成熟。尽管LC3BⅡ的表达仍然上调,但在晚期2型糖尿病小鼠的心脏中发现了自噬和溶酶体活性的降低。LC3BⅡ在心脏中的累积被认为与最终降解步骤中的自噬损伤有关[11]。SIRT1(一种组蛋白去乙酰化酶,具有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性,在细胞生存、衰老、凋亡和代谢等生物学过程中扮演着重要角色)抑制和AMPK的表达被发现参与2型糖尿病病人心脏自噬的损害[12]。有研究表明,胰岛素抵抗可导致自噬过度活化,从而影响2型糖尿病病人心肌细胞的存活[13]。

自噬在糖尿病心肌病中起着双重作用:一方面可选择性自噬本身受损的蛋白质聚集物和活性氧(reactive oxygen species,ROS),如心肌细胞受损的线粒体和过氧化物酶体,并恢复正常的心脏功能。此外,它还可以通过核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的激活来提高细胞的抗氧化能力[14]。另一方面,糖尿病心脏的自噬过度活化可导致自我消化并增加ROS的产生。因此,自噬的抑制和过度激活都可对糖尿病心脏产生病理影响。糖尿病心脏的自噬活性取决于多种因素,如血糖状态、肥胖、胰岛素水平、葡萄糖毒性、脂质毒性、氧化应激和炎症等,这些因素通过一个复杂的生物网络共同调节糖尿病心脏的自噬。因此,在1型或2型糖尿病心脏中的确切自噬状态可能无法预测。大量证据表明,适量自噬水平有利于恢复心脏稳态,而自噬损伤和过度活化都可导致糖尿病心脏的结构和功能障碍[15]。探讨自噬在糖尿病不同状态/条件下的确切作用和调控,将有助于未来靶向自噬作为对抗糖尿病心肌病的治疗选择。

2 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病,其特征是在各种危险因素的影响下,内皮黏附分子在动脉内皮细胞中高表达,促进单核细胞向巨噬细胞分化,随后转化为脂质累积的泡沫细胞,形成脂质斑块。动脉粥样硬化的发病机制是这些巨噬细胞、脂质、胆固醇的累积,血管平滑肌细胞的迁移和增殖[16]。在动脉粥样硬化斑块形成涉及的所有细胞类型中(包括巨噬细胞、血管平滑肌细胞和内皮细胞)均能发现自噬功能失调,自噬和线粒体自噬不足触发了炎症小体的激活,最终导致斑块的累积。尽管所有这些细胞类型的自噬失调都加速了斑块的进展,但其潜在的机制是不同的。例如,巨噬细胞中的异常自噬是通过增加细胞凋亡和坏死来促进斑块的不稳定性[17];相反,自噬缺陷的血管平滑肌细胞是通过衰老诱导促进斑块形成[18];缺乏必要的自噬相关基因的内皮细胞同时表现出凋亡和衰老[19]。这表明自噬在动脉粥样硬化的发生发展过程中起着细胞类型依赖的机制作用,对于研发合适的自噬依赖的动脉粥样硬化治疗方法具有重要意义。

动脉粥样硬化中的自噬缺陷不是源于自噬体形成的破坏,而是源于溶酶体介导的降解损伤[20]。Zhang等[21]发现的人和小鼠的动脉粥样硬化斑块中巨噬细胞的自噬-溶酶体系统的功能障碍也印证了此说法。此外,晚期动脉粥样硬化斑块中严重的氧化应激和胆固醇晶体已被证明会破坏溶酶体膜,导致强酸性水解酶的胞质渗漏,从而加重动脉硬化[22]。他克莫司作为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)抑制剂,可增加斑块中巨噬细胞的含量,导致斑块的不稳定性。褪黑素可通过激活SIRT3/FOXO3a/Parkin依赖的线粒体自噬途径减少炎症,发挥稳定动脉粥样硬化斑块的积极作用[23]。通过海藻糖或基因过表达转录因子EB来逆转斑块巨噬细胞的自噬功能障碍,重新激活的自噬可减弱斑块巨噬细胞的凋亡和促炎信号,有效缓解动脉粥样硬化病变[24]。同样,在体外试验中,通过PTEN诱导激酶1(PTEN induce putative kinase 1,PINK1)或Parkin基因过表达来激活线粒体自噬可以保护心血管健康和疾病中暴露于致动脉粥样硬化的血管平滑肌细胞[25]。这些发现共同表明,靶向自噬或线粒体自噬激活可能减少动脉粥样硬化斑块负担,从而对动脉粥样硬化性心血管疾病提供保护。

3 冠心病

冠状动脉疾病(coronary artery disease,CAD)通常与动脉粥样硬化相关,并可能导致心肌梗死,是世界范围内发病率和死亡率高的主要病因。与CAD相关的心肌损伤分为缺血期和再灌注期,其均可触发应激,激活心肌细胞自噬。在缺血期,氧气和营养供应的下降减少了细胞内ATP的产生,导致AMPK激活和mTOR抑制,两者都刺激自噬以维持细胞能量水平和保持心肌细胞的活力。包括海藻糖和亚精胺在内的多种可激活自噬的诱导剂已被证明可以限制心肌损伤和改善缺血损伤的心脏预后[26]。相反,通过药物(如3-甲基腺嘌呤或巴佛洛霉素A1)或遗传手段(如mTOR激活或AMPK抑制)抑制自噬会加重心肌梗死小鼠的心肌损伤,促进不良缺血性心脏重构。此外,在小鼠动物模型中,通过Parkin基因敲除减少线粒体自噬的实验组比对照组对缺血性心脏损伤更敏感,且梗死面积越大,存活率越低。在再灌注过程中,尽管向缺血心肌补充了氧气和营养物质,但仍有大量ROS聚积,这种过度的氧化应激导致再灌注过程中自噬的过度激活,从而通过引发心肌细胞死亡,并加剧再灌注损伤[27]。因此,自噬在缺血时促进细胞存活中起着二分式的作用。线粒体通透性的增加会促进自噬/线粒体自噬,导致线粒体过度螯合,但由于溶酶体相关膜蛋白2(一种高度糖基化的溶酶体膜内蛋白,参与维持溶酶体膜的完整性以及作为转运受体协助蛋白进入溶酶体)水平降低,没有足够的溶酶体清除自噬小体。在体外试验中,通过药物抑制线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)可减少心肌的再灌注损伤[28]。

4 心肌肥厚和心力衰竭(heart failure,HF)

心肌肥厚是心脏对压力和机械应力增加的典型早期适应反应,其直接原因是心肌细胞体积的增大。长期的慢性压力会导致心肌细胞死亡和心脏不可逆损伤,最终发展为HF。HF的发病率与年龄相关,在70～80岁的人群中高达20%～30%。心脏自噬是一种适应性反应,可调节心肌细胞稳态,从而保护心脏免受血流动力学应激损伤。随着年龄的增长,心脏的自噬和线粒体自噬减少,受损的线粒体不能被及时清除,导致各种线粒体蛋白的ROS过度产生和氧化损伤。自噬和线粒体自噬的增加被认为是心肌细胞的一种保护性反应。在体外HF小鼠模型中,通过TAT-Beclin 1肽重新激活自噬可以减轻小鼠的HF症状和改善线粒体功能障碍[29]。自噬的激活不仅通过线粒体来源的ROS激活AMPK,cAMP/PKA和MAPK/ERK1/2信号通路也可以激活自噬,由自噬增强引起的蛋白质稳态增加可以减轻心肌肥厚,延缓HF的进展[30]。综上,自噬有望成为HF治疗的新焦点。

5 总结与展望

任何干扰自噬体形成或溶酶体降解的因素都会导致心肌细胞和心血管系统中其他细胞的功能和稳态受损。自噬的细胞保护功能对于维持心血管健康和预防疾病至关重要。心血管疾病的高发人群为老年人,往往合并多种不同疾病,自噬激活在不同的病理中可能有不同的作用。未来的研究将需要确定自噬激活剂的长期影响,包括益处和潜在的不良反应,评估自噬的有益作用如何在人群中可重复地和大规模地实施,以便确定最适合未来临床试验的药物。尽管本文综述了自噬在心血管系统中的保护作用,但它实际上具有双面性,即具有保护和致病的双重作用,基础自噬的过度激活也是有害的,这可能导致必要的细胞成分的降解,从而导致细胞死亡。综上,自噬在心血管方面有广阔的应用前景及价值,但仍面临诸多挑战,需要进一步研究以阐明其机制。