脑血管内皮细胞自噬的发生机制及其在缺血性脑卒中病理过程中的作用研究进展

戴瑶瑶，舒梦琦，魏汝恒，苗珠月，宋丽娟，2，马东，黄建军，马存根，4

作者单位：1.030619山西省晋中市，山西中医药大学神经生物学研究中心 国家中医药管理局多发性硬化益气活血重点研究室 2.030001山西省太原市，山西医科大学细胞生理学省部共建教育部重点实验室 3.037003山西省大同市，国药同煤集团总医院神经外科 4.037009山西省大同市，山西大同大学脑科学研究所

缺血性脑卒中（cerebral ischemic stroke，CIS）可严重危害人类健康，具有极高的致残率和死亡率，且目前其治疗方案仍有限［1］。脑血管内皮细胞是神经血管单元（neurovascular unit，NVU）组成部分，其紧密连接结构是血脑屏障（blood brain barrier，BBB）的主要结构，而BBB完整性是维持中枢神经系统（central nervous system，CNS）稳态的保障［2］。CIS发生后，脑血管内皮细胞自噬被激活，进而影响BBB完整性、细胞凋亡和炎症反应［3］。研究发现，脑血管内皮细胞自噬的激活或抑制可能与沉默信息调节因子1（silence information regulator 1，SIRT-1）/叉头蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FOXO3a）、磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/雷帕霉素机械靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）等信号通路有关，且调控脑血管内皮细胞自噬可降低细胞凋亡率、减轻炎症反应和保护BBB的完整性，从而减轻脑缺血缺氧和再灌注损伤［4-6］。因而调控脑血管内皮细胞自噬可能是治疗CIS的新方法。本文对CIS病理过程、脑血管内皮细胞自噬及其发生机制、脑血管内皮细胞自噬在CIS病理过程中的作用进行了综述。

1 CIS病理过程

脑卒中被认为是全球死亡和残疾的主要原因，根据2019年的流行病学数据，全球有1 220万例脑卒中患者，其中655万例患者因脑卒中死亡［7］。脑动脉阻滞、脑血流灌注缺乏和非创伤性颅内出血是导致脑卒中的主要原因，约80%的脑卒中患者为CIS［8］。CIS发生时，大脑特定区域缺血可造成脑组织营养缺失和缺氧，从而导致一系列的病理改变，包括细胞凋亡、炎症反应和BBB破坏等［9］。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡，对发育和组织稳态至关重要，其可通过释放损伤相关分子来触发炎症反应［10］。炎症是脑血管疾病，尤其是CIS病理生理学的关键步骤［11］。细胞凋亡和炎症反应可损伤脑血管内皮细胞和神经元等［12］。而损伤的脑血管内皮细胞可导致BBB破坏，从而导致大量炎症因子进入大脑，进而加重炎症反应［13］。另外，在CIS急性期，炎症与BBB的分解、神经元损伤有关［14］。这一系列病理过程可相互影响，形成恶性循环，最终可造成脑坏死、脑软化等不可逆性脑损伤［15］。

2 脑血管内皮细胞自噬及其发生机制

2.1 脑血管内皮细胞自噬

自噬是一种保守的溶酶体降解途径，生理情况下其能够降解和回收长寿或错误折叠的蛋白质和受损的细胞器，以维持细胞的能量和功能［15］。作为一种细胞降解机制，自噬在细胞的分化、发育和稳态维持中均起到了重要作用。通常自噬可分为巨自噬、微自噬及伴侣介导三个类别，其中巨自噬是最常见、最普遍和最具特征的自噬形式，脑血管内皮细胞自噬即属于巨自噬［16］。脑血管内皮细胞是BBB的重要组成部分，研究发现，CIS发生后，缺血、缺氧可激活脑血管内皮细胞自噬，进而影响BBB的完整性［17-19］。另一项研究发现，在大脑中动脉栓塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）模型大鼠中，调控脑皮质梗死后丘脑中的脑血管内皮细胞自噬可负向调控血管生成和神经修复能力，还可改善CIS后血管修复能力和大鼠的认知功能［20］。这表明脑血管内皮细胞自噬可能是治疗CIS的新靶点。

2.2 脑血管内皮细胞自噬的发生机制

研究显示，脑血管内皮细胞自噬的激活或抑制可能与SIRT-1/FOXO3a、PI3K/Akt/mTOR、NF-κB等信号通路有关［21-23］。

2.2.1 激活SIRT-1/FOXO3a信号通路

SIRT-1/FOXO3a信号通路在自噬诱导中起关键作用。SIRT-1是FOXO3a的重要上游调节因子，可增强线粒体功能和诱导自噬［24］。叉头蛋白O（forkhead box protein O，FOXO）是普遍表达的转录因子，有助于维持组织稳态及抵消环境变化产生的不利影响，如氧化应激、代谢应激和生长因子剥夺等，其可参与细胞周期停滞、抗氧化、细胞凋亡、自噬、DNA损伤修复和能量代谢等过程［25-26］。FOXO家族由FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6组成，其中FOXO3也称为FOXO3a，与许多年龄相关疾病有关，如癌症、椎间盘变性和神经退行性疾病等［4］。研究发现，激活SIRT-1/FOXO3a信号通路可诱导脑微血管内皮细胞自噬，从而减轻氧糖剥夺/复糖复氧（oxygen-glucose deprivation and reoxygenation，OGD/R）诱导的脑微血管内皮细胞损伤［21］。另一项研究表明，上调FOXO3的环状RNA能够激活脑血管内皮细胞自噬，减轻OGD/R后BBB损伤，进而减轻脑缺血再灌注损伤［27］。另外，有研究者在肝缺血再灌注损伤研究中发现，激活SIRT-1/FOXO3a信号通路可激活肝脏自噬，进而减轻肝缺血和再灌注损伤［28］。

2.2.2 抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路

PI3K/Akt/mTOR信号通路是生物体中最重要的信号通路之一［29］。PI3K是脂质激酶家族成员，通常由受体酪氨酸激酶和G蛋白偶联受体激活［30］。Akt是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，也是PI3K/Akt/mTOR信号通路的关键调节因子，活化的Akt可以通过直接和间接途径激活其底物mTOR，而Akt也可由mTOR反馈激活［31］。酪氨酸激酶受体能够激活PI3K/Akt/mTOR信号通路，而该通路受磷酸酶和张力素同系物负调控，且其过度激活会抑制自噬，反之则会诱导自噬［5，32］。研究发现，在缺血、缺氧以及营养缺乏等条件刺激下，PI3K/Akt可通过促进小鼠脑微血管内皮细胞中的mTOR表达来负向调控其自噬，而抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路可激活小鼠脑微血管内皮细胞自噬，减轻细胞凋亡和血管损伤［22］。另外，有研究者在受糖氧剥夺（oxygen-glucose deprivation，OGD）刺激后的小鼠小胶质细胞中观察到了小胶质细胞的过度活化和中度自噬，并且发现PI3K/Akt/mTOR信号通路被抑制，而雷帕霉素可以加重其抑制程度［33］。

2.2.3 激活NF-κB信号通路

NF-κB信号通路是炎症反应的关键调节因子。在CIS中，NF-κB的活化可以促进脑损伤和脑卒中后炎症反应和细胞凋亡［6，34］。研究发现，敲除NF-κB p50可激活桶状皮质局灶性缺血小鼠的自噬，并导致脑血管内皮细胞和神经元的自噬性死亡，加重BBB损伤，而抑制自噬可逆转敲除NF-κB p50带来的损伤，保护BBB的完整性［23］。

3 脑血管内皮细胞自噬在CIS病理过程中的作用

3.1 脑血管内皮细胞自噬对细胞凋亡的影响

研究表明，自噬是多种内皮细胞发挥功能所必需的过程，可参与内皮细胞的增殖、衰老和凋亡等过程［35］。研究发现，雷帕霉素能够诱导脑血管内皮细胞自噬的发生，从而降低OGD/R后细胞凋亡率，而三甲基腺嘌呤可抑制脑血管内皮细胞自噬的发生，从而促进细胞凋亡，降低细胞活力［36］。但另一项研究发现，在脑微血管内皮细胞OGD/R模型中，使用三甲基腺嘌呤抑制脑微血管内皮细胞自噬后，细胞凋亡率降低，而使用雷帕霉素诱导脑微血管内皮细胞自噬后，细胞凋亡率增加［37］。此外，在原代脑微血管内皮细胞OGD/R模型中，抑制细胞自噬可抑制OGD/R诱导的细胞凋亡，提高细胞存活率，降低细胞膜通透性［38］。综上，脑血管内皮细胞自噬对细胞凋亡的影响尚存在争议，需要进一步研究证实。

3.2 脑血管内皮细胞自噬对炎症反应的影响

在CIS中，炎症反应是由大脑血流停滞引发的，且血管内白细胞的激活和脑血管内皮细胞及其他细胞中促炎递质的释放可导致炎症反应持续存在，从而加重脑组织损伤［39］。血管内炎症是BBB分解和白细胞浸润的第一步［40］。研究发现，抑制组蛋白去乙酰化酶9（histone deacetylase 9，HDAC9）诱导的自噬可加重原代脑微血管内皮细胞损伤与炎症反应［41］。另一项研究发现，脑微血管内皮细胞经OGD/R处理后，敲低自噬相关蛋白7（autophagy-related 7，ATG7）可降低促炎细胞因子白介素1β、白介素6、白介素8和肿瘤坏死因子α的表达水平，但ATG7缺乏对促炎细胞因子表达的抑制作用不是通过抑制脑微血管内皮细胞自噬实现的［42］。以上研究结果存在差异可能是实验设计的复杂性和异质性，如细胞、缺血强度和脑缺血时间的差异导致。综上，脑血管内皮细胞自噬对炎症反应的影响尚存在争议，需要进一步研究证实。

3.3 脑血管内皮细胞自噬对BBB完整性的影响

BBB是一种动态结构界面，介于血液和脑组织之间，负责外周循环和脑室之间的血液、氧气、离子和其他分子的交换，在大脑内环境的稳态中起重要作用［43］。CIS后，BBB破坏主要是由紧密连接蛋白结构完整性的丧失和基底板降解导致的［44］。BBB紧密连接蛋白结构完整性的丧失可导致细胞膜通透性增加，从而加重CIS后脑损伤，增加患者死亡率［45］。脑血管内皮细胞自噬在CIS中发挥着“双刃剑”的作用，其既可破坏BBB的完整性，又有助于维持BBB的完整性。

研究表明，脑血管内皮细胞自噬能够诱导紧密连接蛋白降解，造成BBB破坏［41］。研究发现，在小鼠脑微血管内皮细胞OGD模型中，自噬能够促进紧密连接蛋白5的降解，破坏BBB的结构，而抑制自噬或阻断自噬小体与溶酶体融合可抑制紧密连接蛋白5降解，减轻BBB损伤［46］。另外，OGD和高葡萄糖可诱导脑微血管内皮细胞自噬，从而降低紧密连接蛋白表达水平，造成BBB破坏［47］。上述证据表明，脑血管内皮细胞自噬可破坏BBB完整性，加重CIS后的脑损伤。

研究显示，缺血再灌注损伤前，雷帕霉素诱导的脑血管内皮细胞自噬可抑制细胞凋亡，保护细胞免受活性氧导致的损伤，升高ZO-1（一种紧密连接相关的支架蛋白）表达水平，从而保护BBB的完整性［36］。还有研究显示，在体外OGD模型中，沉默HDAC9可激活原代脑微血管内皮细胞自噬，从而维护BBB的完整性［41］。甲基乙二醛能够激活脑微血管内皮细胞自噬，进而保护脑微血管内皮细胞免受缺血诱导的损伤，维护BBB的完整性［48］。通过调节miRNA来促进自噬，可以保护脑微血管内皮细胞免受OGD/R损伤，保护BBB的完整性［49］。此外，抑制糖尿病小鼠脑血管内皮细胞自噬，可增加紧密连接蛋白表达水平，保护脑缺血期间BBB的完整性［50］。上述研究结果说明，脑血管内皮细胞自噬有助于维持BBB的完整性。

4 小结及展望

CIS发生时，脑部供血中断可导致脑组织缺血缺氧，引起细胞凋亡、炎症反应和BBB破坏等一系列病理改变，若不加以治疗就会导致脑组织坏死、脑软化等。脑血管内皮细胞是BBB以及血管不可或缺的一部分，大脑缺血、缺氧可导致脑血管内皮细胞损伤、结构破坏甚至死亡。而脑血管内皮细胞损伤和结构破坏可导致其紧密连接结构被破坏，进而造成BBB破坏和血管受损，导致白细胞浸润和炎症反应，并且损伤的脑血管内皮细胞会释放促炎因子，导致脑组织损伤加重。迄今为止，寻找治疗CIS的更有效且安全性高的药物仍然是研究者努力的方向。

自噬代表了一种适应性机制，而调控脑血管内皮细胞自噬可降低细胞凋亡率，提高细胞活力，保护脑血管内皮细胞免受缺血、缺氧等损伤，维持BBB的完整性，因此深入研究脑血管内皮细胞自噬及其对细胞凋亡、炎症反应和BBB完整性的影响是非常重要的。研究脑血管内皮细胞自噬在CIS病理过程中作用的主要切入点是脑血管内皮细胞自噬本身，关于脑血管内皮细胞自噬及其对细胞凋亡、炎症反应和BBB完整性影响的相关机制研究有限。因此，更全面地了解CIS中脑血管内皮细胞的自噬程度、靶标负荷、作用和相关机制是至关重要的。就目前而言，调控脑血管内皮细胞自噬可能是治疗CIS的一种有效方法，是在脑缺血时保护大脑的一种可行的治疗策略。

作者贡献：戴瑶瑶、舒梦琦进行文章的构思与设计；舒梦琦、魏汝恒进行文献/资料收集；戴瑶瑶、苗珠月进行文献/资料整理；戴瑶瑶撰写论文；戴瑶瑶、宋丽娟、马存根进行论文的修订；马东、黄建军、马存根负责文章的质量控制及审校；马存根对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。