cGAS-STING通路与双心疾病的关系及中医药干预研究*

王倩倩,曹珊

河南中医药大学,河南 郑州 450046

双心疾病即心血管疾病与不同程度的精神疾病并存,临床中多为冠心病伴焦虑抑郁者,主要表现为胸闷痛、心慌、忧虑不安、恐惧、睡眠障碍等,呈阵发性加重[1]。该病发病率高,致残率高,疾病负担重,严重危害患者身心健康,整体防治形势紧迫,已引起国内外学者的高度重视。目前,双心疾病的病理生理机制尚未完全阐明,双心疾病之间的联系涉及生物学(自主神经系统功能障碍、炎症、脂质模式异常、氧化应激和血小板反应性增加等)、行为学、心理学和遗传机制(基因位点的潜在多效性效应)等。其中,生物学机制中的炎症反应与其他作用机制之间有着千丝万缕的联系[2]。现有研究发现:(1)白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)以及肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等炎症生物标志物水平的升高可预测心血管疾病事件,且在精神疾病患者中亦存在升高现象[3];(2)非甾体抗炎药(non-steroidal anti-inflammatory drugs,NSAIDs)具有一定的抗心血管不良反应及抗抑郁作用[4-5];(3)冠心病、精神疾病等属慢性低度无菌炎症性疾病[4,6]。由此,表明双心疾病的发生发展过程与炎症具有密切关系。

cGAS-STING是机体重要的宿主先天免疫防御系统相关炎症反应通路,已成为感染、细胞应激和组织损伤环境中炎症的关键介质。研究表明,自体胞质中异常DNA的反应和cGAS-STING通路的异常或过度激活与许多神经退行性及炎症性疾病相关[7]。炎症小体是在先天免疫中发挥核心作用的蛋白质复合物,炎症小体信号可引起半胱天冬酶-1的激活并增加TNF-α和IL-1β的分泌,而TNF-α和IL-1β是小胶质细胞中的炎性细胞因子,与抑郁症状具有一定的联系[8]。同时,心血管疾病、衰老、帕金森综合征等相关性疾病与慢性无菌性炎症因子具有相关性。有学者发现,衰老会导致免疫系统功能衰退,在老年人群中,TNF-α、IL-1和IL-6等炎性细胞因子低水平缓慢增加,老年人这种轻度慢性炎症被称为“炎症”,是老年人的健康指标之一[9]。目前,cGAS-STING通路的传导失调以cGAS-STING(TBK1)-NF-κB通路轴下游所产生的 TNF-α、IL-6、IL-1β等炎症因子及cGAS-STING-TBK1-IRF3通路轴下游所上调的I型干扰素研究颇多,证明其通路传导失调与神经性疾病、心血管系统疾病等具有紧密联系。

1 cGAS-STING信号通路简介

cGAS-STING信号通路是以cGAS对异常细胞质DNA发生反应,直接或间接刺激干扰素基因刺激因子(stimulator of interferon genes,STING)释放I型干扰素(IFN-α和IFN-β)和产生其他促炎细胞因子,使细胞和有机体稳态失衡[10]。STING是一种先天免疫大分子,为内质网(endoplasmic reticulum,ER)的主要受体结构跨膜蛋白质[11]。首先,cGAS识别dsDNA后被激活,以胞浆内ATP和GTP为原料激活次级信使环鸟苷单磷酸-腺苷单磷酸酯(cyclic guanosine adenosine monophosphate,cGAMP)合成而发生活性点构变;其次,cGAMP与STING相互作用,并在ER上激活STING,随后,STING从ER转移到ER-高尔基体中间室(ER-Golgi intermediate compartment,ERGIC),然后转移到高尔基体;再次,STING招募TANK结合激酶1(TANK binding kinase 1,TBK1),促进TBK1在高尔基体中的自磷酸化,启动下游信号级联反应。最后,活化的TBK1与STING的复合物进一步招募IRF3以对其进行磷酸化,促进其二聚化,诱导I型干扰素与NLRP3的表达;另一条常见通路是STING本身促进NF-κB活化,或者STING与TBK1结合后,通过TBK1-IKKα/B激酶触发NF-κB活化而产生TNFα、IL-6、IL-1β等炎症因子[12]。各信号通路之间相互交错,具有一定的关联性。因此,调节机体不同脏器组织中的 cGAS-TING相关通路可一定程度上发挥抗抑郁、抗动脉粥样硬化作用。

2 cGAS-STING信号通路与双心疾病的相关性

随着研究的深入,越来越多的学者认为炎症可能是精神疾病和冠心病的共同病因[13-14]。疲劳、快感缺乏、厌食、社交互动减少等疾病行为的存在可能是影响情绪和心血管调节的关键因素。疾病行为对免疫系统的激活具有促进作用,促使促炎细胞因子产生[15],而cGAS-STING信号通路在过度应激时所产生的I型干扰素、IL-6及TNF-α等将这些不良行为转化为一系列炎症反应,对双心疾病的发病起着重要作用[16-17]。研究发现,小鼠在急性心肌梗死情况下,缺血心肌细胞邻近的cGAS-STING信号通路被过度激活,刺激 TBK1-IRF3途径产生异常IFN-1,对小鼠心肌梗死后的心脏愈合有害[18];同时,通过cGAS-STING-IKKα/β-NF-κB产生的促炎细胞因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)被释放到体循环中[19],对心脏产生二次伤害,且可能作用于中枢神经系统,诱发抑郁及内分泌和自主神经失调的体征及症状[20]。Smith等[21]最初提出了抑郁症的巨噬细胞理论,认为IL-1、TNF-α和干扰素等的过度分泌有助于抑郁症的发生。有学者发现,以TNF-α和干扰素α、IL-1β等治疗免疫系统疾病可诱导抑郁体征,如疲劳、精神运动迟滞、睡眠障碍、易激惹、食欲减退等疾病行为[17,22]。在冠心病的发生发展过程中,激活cGAS-STING信号通路可产生大量异常的IFN-1、TNF-α、IL-6、IL-1β等炎性因子进入循环系统,作用于神经系统,诱发抑郁前兆。而抑郁患者的疾病行为使体内IFN-1、IL-6、IL-1β和TNF-α等炎性因子的表达不一致,已成为冠心病发病的危险因素。由此可见,cGAS-STING信号通路对双心疾病的调节具有重要作用。

3 cGAS-STING信号通路在双心疾病中的潜在靶点

外源性dsDNA(病毒和细菌)、内在dsDNA(nDNA和mtDNA)和其他病原体识别受体后,可能通过激活cGAS-STING信号通路导致或加重双心疾病的症状。参与冠心病或抑郁症的cGAS-STING通路,如TBK1-IRF3-1型干扰素或NLRP3炎症小体、TBK1(TBK1-IKKα/B)-IRF3-NF-κB的表达可促进炎症细胞因子的产生。此外,研究表明,cGAS-STING的过度激活与细胞自噬、线粒体损伤、内质网应激等细胞稳态过程密切相关[16],这些细胞过程可能参与双心疾病的发生发展。因此,cGAS-STING信号通路与双心疾病联系密切,深入靶向cGAS-STING路径有望为双心疾病的治疗寻求新的切入点、突破口。

3.1 cGAS-STING信号通路和线粒体线粒体是一种动态双膜细胞器,广泛分布于人体中,具有特殊的能量代谢功能,与心血管疾病、情感障碍类疾病相关。研究表明,心脏系统是一种富含线粒体和代谢活性的器官,是体内分子氧的高耗能基地[23]。线粒体为心肌细胞的源动力,若线粒体受损,则 mtDNA 调控水平下降,影响心肌细胞线粒体结构的完整性,使能量代谢紊乱,线粒体应激,cGAS-STING 通路被过度激活,释放大量的I型干扰素和促炎细胞因子。另有研究表明,情感障碍类疾病患者体内的线粒体数目明显缺失,可能与发生氧化应激期间活性氧(reactive oxygen species,ROS)损伤增加以及线粒体功能降低有关[24]。因此,线粒体功能受损会激活cGAS-STING信号通路从而诱导炎症介质,对双心疾病的发生发展发挥着关键作用,因此通过改善线粒体功能使cGAS-STING 信号通路正常传导可作为治疗双心疾病的潜在靶点。

3.2 cGAS-STING信号通路和ERER是细胞功能和代谢功能的关键细胞器,包括蛋白质合成、折叠与分泌。当ER稳态被破坏时,一种被称为未折叠蛋白反应(unfolded protein response,UPR)的适应性信号通路即被激活,在主动脉束带诱导的心肌细胞中,内质网应激不断被刺激持续表达而做出未折叠蛋白适应性反应,激活STING-TBK1-NF-κB炎症通路,促进心脏炎症,而予以ER应激抑制剂可明显减少心脏炎症的产生[25]。在动脉粥样硬化小鼠模型中,给予硝酸酯类药物可抑制ER应激,同时抑制NF-κB信号通路的激活,抑制下游信号级联反应,从而减轻动脉粥样硬化[26]。抑郁症患者体内炎症状态与内质网变化密切相关,且已证实ER应激反应途径在抑郁症患者中持续激活[27]。由此表明ER应激与抑郁症及心血管疾病具有重要联系,故ER应激抑制剂可以成为抑制STING表达以减少下游信号级联反应从而改善双心疾病症状的分子制剂。

3.3 CGAS-STING信号通路和自噬cGAS-STING信号通路在自噬反应中发挥重要作用,cGAS-STING介导的自噬对心血管疾病及抑郁症具有双向作用,这种自噬能够扩散至整个细胞,以去除胞质异常DNA和炎症信号因子,从而限制自身炎症反应,消除细胞内各种微生物;若自噬级联反应过度传导则可导致细胞不可逆的死亡,引起破坏性炎症性疾病[16,28]。此外,在脂多糖诱导的心肌细胞中,激活的STING-IRF3信号通路可通过增加 NLRP3 炎性小体的表达以加重心肌细胞炎症直至焦亡,但敲低小鼠STING基因不仅能够抑制心肌和血清炎性细胞因子、心肌细胞焦亡,还可显著提高小鼠的存活率和心脏功能[29]。研究表明,慢性约束应激(chronic restraint stress,CRS)小鼠表现出抑郁样行为,且大脑中TNF-α、IL-6、IL-1β等促炎细胞因子含量增加,若使用STING激动剂2′3-cGAMP激活STING从而激活STING-TBK1-IRF3信号通路,则可增强RST小鼠大脑中小胶质细胞的吞噬作用,抑制大脑中TNF-α、IL-6和IL-1β等促炎细胞因子的释放,从而发挥抗抑郁作用,改善慢性应激期间的抑郁样行为[30]。因而,靶向STING治疗以调节自噬对于改善双心疾病具有重要作用。

3.4 CGAS-STING信号通路与代谢cGAS-STING-TBK1-mTOR信号传导通过代谢组织与双心疾病密切相关。雷帕霉素(mTOR)哺乳动物靶标由mTOR复合物1和mTOR复合物2两个复合物组成,他们对宿主的代谢至关重要。mTOR复合物1是一种营养传感器,其信号传导可促进细胞合成代谢以调节生长和存活,抑制脂肪分解和自噬。慢性STING信号传导可激活TBK1,下调mTOR复合物1,导致细胞代谢表型失调[31]。研究证实,脂蛋白的沉积是动脉粥样硬化和心血管疾病风险发生的决定性因素[32]。亦有研究指出,mTOR信号通路及其传导过程与精神疾病有关[33]。同样,AKT-AMPK信号传导不足从而慢性激活STING信号亦与双心疾病相关[34-35]。

4 中医药通过调控cGAS-STING信号通路减缓双心疾病症状

cGAS-TING信号通路与冠心病及抑郁症的发生发展具有重要联系,各通路之间相互交错、相互影响。据文献报道,中医药可多成分、多靶点、多系统调节机体不同脏器或组织中的cGAS-TING信号通路,一定程度上发挥着抗抑郁、抗动脉粥样硬化作用,为临床防治双心疾病提供了新的切入点。

4.1 中药复方补中益气汤[36]、暖心康[37]、四君子汤[38]、肾气丸[39]、补阳还五汤[40]等可通过增加ATP含量、为细胞储备能量以改善线粒体功能,维护细胞内环境稳态,从而使cGAS-TING信号通路正常传导,减少双心疾病的发生。稳心颗粒可能通过减少ER应激条件下UPR的活化发挥保护作用,减轻心肌缺血引起的病理损伤,抑制ERS介导的UPR过度激活,减少心肌细胞凋亡,以改善心脏功能,缓解抑郁情绪和调节心律失常[41-42]。越鞠丸可通过降低海马区域mTOR水平缓解小鼠抑郁样行为,改善抑郁症状[43],亦可降低血液中IL-6等炎症性标志物水平,减轻动脉粥样硬化程度及抑郁程度[44]。黄连解毒汤可以通过抑制小胶质细胞过度激活、减少炎症细胞因子、促进抗炎因子分泌,从而改善慢性不可预期应激抑郁大鼠的行为变化[45],亦可通过抑制mTOR相关信号通路改善主动脉损伤[46]。柴胡疏肝散及其主要提取物meranzin hydrate可通过降低TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎细胞因子预防动脉粥样硬化及抑郁症并发症[47]。柴胡龙骨牡蛎汤可通过下调核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB),减少下游信号炎症级联反应,从而改善心脏功能,发挥抗焦虑抑郁作用[48]。

4.2 中药单体三七及其有效活性成分人参炔醇和人参环氧炔醇可抑制cGAS-STING信号通路,抑制STING激动剂诱发的干扰素的产生,特异性地抑制小鼠细胞中由自身DNA引起的干扰素表达,发挥抗炎、抗抑郁、保护神经元等作用,可作为治疗心血管疾病及情感类疾病潜在的小分子药物[49]。黄芩苷可通过下调cGAMP从而一定程度上抑制由STING通路活化引起的TNF-α、IL-6等免疫效应分子的泌出[50],亦可通过抑制NF-κB/NLRP3信号通路的激活减少炎症的产生,从而发挥神经保护作用,减少抑郁样行为[51]。柴胡-白芍药对可通过抑制NLRP3炎症小体的表达及减少IL-1β、IL-6、TNF-α的分泌发挥抗抑郁作用[52]。基于网络药理学方法分析,柴胡-芍药药对可通过37条生物学通路对冠心病合并抑郁患者发挥治疗效果[53]。天麻素[54]、冬凌草[55-56]、丹参酸B[57-58]、红景天[59-60]等均可通过激活自噬抑制NLRP3炎症小体的活化及ROS积累从而改善抑郁症行为,减轻心肌细胞损伤。广藿香发挥抗抑郁样作用与其激活mTOR信号通路从而抑制自噬密切相关[61],亦可通过抑制巨噬细胞及炎症反应抗动脉粥样硬化[62]。当归可显著上调AMPK表达,减弱促炎细胞因子水平,从而保护心脏缺血性损伤[63-64],亦可改善能量代谢,发挥解郁作用[65]。

5 总结与展望

炎症是机体对于刺激的一种免疫防御程序反应,而cGAS-STING信号通路与细胞应激及组织损伤引起的炎症具有重要联系。cGAS-STING途径的广泛参与依赖于其感知和调节细胞对异常DNA的反应能力,一些异常DNA是无处不在的危险相关分子,以cGAS对胞质异常DNA作出反应,刺激干扰素基因STING或直接刺激STING释放I型干扰素(IFN-α和IFN-β),产生其他促炎细胞因子,使机体稳态失衡,对双心疾病的发生发展具有促进作用。cGAS-STING信号途径可通过调控细胞稳态过程如细胞自噬、线粒体损伤、ER应激等干预双心疾病。

中医药基于整体观念和辨证论治可有效改善双心疾病患者临床症状,提高患者生活质量,具有疗效佳、稳定性强、不良反应少、患者依从性好等独特优势。随着研究的逐渐深入,今后中医药可以选择性靶向cGAS或STING首个小分子药物,为首批临床候选药物的研发开辟新的路径,以改善线粒体功能,下调I型干扰素(IFN-α和IFN-β)和炎性物质(TNF-α、IL-1β等)的产生,发挥抗炎、抗抑郁、抗动脉粥样硬化作用,为双心疾病的防治提供新的理论基础。

基于cGAS-STING通路与双心疾病的关系,今后可进行更为深入系统的研究:结合分子生物学、代谢组学,探究cGAS-STING通路及其相关通路与双心疾病的科学联系、上下游通路与蛋白的联系、细胞之间的联系等,归纳、分析其对双心疾病的作用机制,寻找关键靶标;开展中医药治疗双心疾病等无菌性炎症性疾病多中心、大样本、前瞻性的临床研究,以期探索中医药防治双心疾病的有效方案。