自噬在心血管疾病中的作用研究

来源:用户上传      作者:

　　【摘要】 心血管疾病是一种严重危害人类健康的心脏和血管疾病，它的发病机制复杂，目前对其的研究主要集中在炎症反应、免疫机制、细胞凋亡等方面。自噬是生物进化中被优先保留下来的一种维持细胞稳态的生理机制，是真核细胞中高度保守的代谢过程，它与细胞的生长、发育、衰老、疾病均有重要作用。有研究发现，自噬与心血管疾病的发生发展密切相关，尤其在不同环境下对血管的作用。本文就自噬在心血管疾病中具体作用机制做一综述。
　　 【關键词】 细胞自噬; 心血管疾病; 发生机制
　　 【Abstract】 At present，the research about cardiovascular disease mainly focuses on inflammatory reactions，immune mechanisms，and apptosis.Autophagy is a kind of physiological mechanism to maintain cell homeostasis，which is a highly conservative metabolic process in eukaryotic cells.It plays an important role in cell growth，development，aging and disease.Some studies have found that autophagy is closely related to the occurrence and development of cardiovascular diseases，especially in different environments on the role of blood vessels.In this article，the following review is made on the specific role of autophagy in cardiovascular diseases.
　　 【Key words】 Autophagy; Cardiovascular disease; Mechanism
　　 First-author’s address：Baotou Medical College of Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014040，China
　　 doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2019.03.043
　　 科学家在20世纪50年代发现细胞自噬的作用并命名，自噬（autophagy）是细胞胞浆内大分子物质和细胞器在膜包囊泡中大量降解的生物学过程，实现细胞本身的自我代谢需要以及对功能失调细胞器的更新，在心脏的疾病与预后方面有着末端执行器的作用[1]。它是一种程序化的溶酶体依赖性细胞内降解的过程为真核细胞所特有，一些特殊因素如机体在饥饿状态、受到某些刺激以及某些错误折叠的蛋白均可能触发引起细胞自噬[2]。心血管疾病在当今社会的发病率越来越高，严重威胁人类健康，已有研究者报道自噬在心血管疾病的发病中有重要作用，在多种病理性心脏组织的超微结构中均可以观测到心肌细胞的自噬作用[3]。在心血管疾病中，一些应激状态会使血管壁的自噬活性发生改变，如糖尿病状态下的血管壁细胞的自噬活性在一定范围内可以加快血管内的物质循环速度，起到积极作用，但超过了限度就会引起血管壁细胞的自噬性死亡反而严重损害血管壁[4]。最新的研究显示，一定水平的自噬在维持心肌细胞结构和功能上有积极作用，且在心肌细胞发生缺血缺氧时，自噬的增强有助于对心脏的保护。
　　1 自噬的分类与机制
　　 自噬根据其细胞内容物被转运到溶酶体的方式分为三种[5]：微自噬（microautophagy）、巨自噬（macroautophagy）和分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy），其中微自噬为底物被溶酶体的膜直接包裹并降解;巨自噬是最成熟的一种也是最普遍的一种，过程为底物被非溶酶体来源的双层膜包裹形成自噬泡（自噬体），然后在溶酶体中降解;分子伴侣的自噬是分子伴侣与底物蛋白分子结合，与溶酶体膜受体结合后，在溶酶体内降解，整个过程不需要囊泡的参与。自噬既可以作为一种防御机制抵抗外界环境改变对细胞的损伤，加快细胞内物质的循环进行细胞的重塑保护细胞，同时也是细胞程序性死亡的一种，可诱导细胞主动死亡[6]。有研究显示在心血管系统中，过度的自噬会加重动脉粥样硬化（AS）、高血压（HT）、心力衰竭（HF）等疾病的发展[7-9]。
　　 自噬调节的基本过程即自噬体的形成、自噬体包裹底物并将其转运至溶酶体、底物被溶酶体降解。自噬的诱导主要通过UNC51样激酶1（ULK1）介导，受雷帕霉素靶蛋白（mTOR）和腺苷酸活化蛋白激酶（AMP activated protein kinase，AMPK）的调控，在心脏应激状态下，通过AMPK磷酸化并抑制mTOR来激活自噬，同时mTOR的抑制剂（西罗莫司）具有激活自噬的作用。此外classⅢ PI3K/Vps34-Beclin-1复合物的形成参与细胞自噬泡的形成，Beclin-1是自噬形成的关键因子;自噬启动后下游的自噬相关蛋白（Atg）12-Atg5和微管相关蛋白轻链3-磷脂酰乙醇胺（LC3-PE）两个泛素样蛋白结合同时被激活，参与自噬膜的延伸，同时识别和包裹受损的蛋白和细胞器，最终形成封闭的成熟自噬体（或自噬小泡）[10]。在自噬的过程中受多种蛋白复合物和上游信号分子的调控，除了上述的几种，此外还有三磷酸肌醇、钙信号、生长因子信号等[2]。有学者研究显示微管相关蛋白轻链3（LC3）是评价自噬活性方面的一个重要指标[11]。 　　2 自噬与心肌梗死
　　 冠心病是心血管疾病中死亡率最高的一种疾病，而急性心肌梗死（AMI）是冠状动脉急性闭塞引起的缺血性坏死，是冠心病中最严重的一种[12]，目前临床上对冠心病主要治疗手段为经皮肤的冠脉搭桥术能在很大程度上降低了AMI的发生率[13]。有研究显示自噬在AMI的发病机制中有重要作用，自噬可以通过二甲双弧激活AMPK来抑制mTOR，抑制心肌重塑、改善心肌功能以减轻在AMI中的心肌损害[14]。Aisa等[15]研究者對SD鼠造模成为AMI模型研究自噬在AMI中的作用机制，将大鼠分为三组分别为对照组、AMI组、雷帕霉素治疗组（RAPA），通过观察心肌组织的形态学变化，HE染色后的变化表明自噬的激活可以通过结扎左前降支来保护心肌，自噬相关蛋白LC3-Ⅱ在AMI组中表达明显增加，自噬酶作用底物p62表达也增加，p62是评测细胞自噬被抑制的敏感指标[16]。在RAPA组中，在自噬活化剂或RAPA的作用下，LC33-Ⅱ增加p62降低，在AMI中自噬的抑制被进一步证实。结论为在AMI中心肌细胞的损伤等可以通过激活自噬而得到保护。Xie等[17]用兔建立相关模型后实验证实了在缺血再灌注状态下细胞自噬激活并且增强有助于减少心肌损伤的面积，对保护心肌细胞起到积极作用。
　　3 自噬与心力衰竭
　　 几乎所有的心血管疾病均会导致心力衰竭的发生，心脏前后负荷增加导致血液不能及时有效排出体外，造成心肌肥厚、淤血，心脏逐渐扩大最终发展为心衰。Zhu等[18]建立了心脏的超负荷模型，通过实验得出结论自噬在心肌肥厚和心力衰竭的发生过程中有重要作用呈正相关关系。有研究表明颗粒状的胞质泛素化包涵体在评价自噬水平中具有高敏感性，有研究显示在心力衰竭中会出现大量胞质泛素化包涵体，Somers等[19]学者研究得出自噬活性过高时导致心力衰竭的一个重要原因。目前关于自噬与心力衰竭发生的具体机制，有专家认为细胞的过度自噬进而导致的细胞死亡可能是导致心衰的直接原因。虽然自噬在心肌细胞的能量物质代谢方面有着重要作用，一定水平的自噬能够促进细胞更好的生长，起到积极作用，但一旦超过限度，过强的自噬会损伤细胞，导致细胞丢失、死亡，最终加重心力衰竭的发生[3]。
　　4 自噬与动脉粥样硬化
　　 动脉粥样硬化（AS）的病变基础是脂质代谢障碍，受累的动脉病变是从内膜开始，常累及大中肌性动脉，逐渐加重形成血管壁粥样斑块和典型的泡沫细胞形成。其发病的主要危险因素有高血压、高血脂、大量吸烟等。研究者发现自噬可通过细胞因子、活性脂质、脂多糖、高级糖基化终产物以及microRNAs调节AS中进展期的斑块[20]。在AS的早期，自噬可以减少脂质的积累，抑制泡沫细胞的形成，在AS的进展期，自噬可以清除坏死的细胞并延缓斑块的形成[21]。Mei等[22]研究发现，在动脉粥样硬化的小鼠模型中，促进AS的一些因素会影响血管壁细胞中LC3、Bline-1、p62等蛋白的表达，其中Beclin-1是酵母自噬基因Atg6/Vps30的同系物，它可以与Bcl-2直接相互作用，Bcl-2可以抑制Bline-1依赖的自噬通路，因此Bline-1与Bcl-2又被称为自噬与凋亡之间的平衡因子[2]，同时也充分说明了AS与自噬存在很大关系，而平滑肌细胞作为血管壁的重要细胞在调节细胞的收缩与舒张功能同时分泌一些细胞因子和细胞外基质组成部分，可能参与了细胞自噬的过程。AS发展过程中形成的纤维帽结构中存在有迁移和增殖的平滑肌细胞，它们与凋亡无关但具有典型的自噬特性，表明动脉纤维块内平滑肌细胞发生了过度自噬[23]。血管平滑肌细胞自噬在AS中有重要作用，它可以通过自噬降低平滑肌细胞的增殖，控制AS发展的进程;通过自噬减少细胞数量，使得粥样斑块中的平滑肌细胞保持在适当数量上，并且减少细胞外基质的分泌，使斑块不稳定易于破裂。这些结果可为AS的治疗提供新的靶向，尽管自噬对于AS来时是有益的，但是过度的自噬对机体同样也是一种威胁，它可能导致斑块的破裂，进而导致临床事件的发生，因此如何调节使自噬达到一种稳态平衡是我们应该继续努力的方向。
　　5 自噬与心律失常
　　 心律失常是心脏活动的起源或传导阻滞导致的心脏的搏动和频率发生节律异常，是心血管疾病的一部分。目前自噬在心率失常的研究中报道还很少见，Garcia等[24]研究者发现术后房颤患者的自噬作用缺失，取房颤患者手术后的右心房组织发现聚集有自噬空泡并且LC3表达也减少，提示房颤的术后心脏可能自噬受到损伤，而老化是发生房颤的一个重要危险因素之一，因此心肌细胞的老化导致心肌细胞的自噬减弱甚至消失进而引发房颤也是一个因素[25]。
　　6 自噬与糖尿病心肌病
　　 糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）作为糖尿病的一个独立并发症日益受到大家的关注，在心血管疾病中它是一种特异性的心肌病，它以心肌结构和功能重塑为主要特征，病理表现为细胞凋亡、收缩机制异常、心脏重塑最终发展为心力衰竭[26]。在心肌的重构中心肌肥厚和心肌纤维化是最常见的结构改变，而在DCM的发病机制中，心肌细胞的肥大、凋亡和坏死，胶原纤维的大量丢失和破坏，心肌细胞外间质的不溶性的胶原蛋白积聚，是导致心脏发生心肌纤维化的主要因素。自噬调节能够对心脏的能量应激做出应答，如心肌细胞的能量代谢、心脏成纤维细胞的胶原生成。Mellor等[27]学者研究发现，在以果糖持续喂养的糖尿病小鼠模型中，自噬能够被心肌细胞产生的过氧化氢所激活，对心脏组织的间质细胞以及间质纤维化浸润扩散有明显抑制作用，表明自噬与心肌纤维化的变化有关，进一步证明自噬在糖尿病性的心肌病纤维化中有着潜在的协同作用。在基础性研究中，Gao等[28]通过动物实验研究同样证实了自噬在糖尿病心肌病中心肌纤维化方面有着重要的协同作用，有趣的是，该研究团队在体外用大鼠H9C2心肌细胞株实验时，发现在高糖状态下自噬是被抑制的，而法舒地尔作为抑制高糖状态下心肌细胞的凋亡作用是通过激活自噬实现的，表明自噬对于糖尿病状态下的心肌细胞是保护作用[29]。基于以上发现，自噬在与糖尿病心肌病确实存在关系，但具体的分子机制仍有待进一步研究，同时也可以推测通过调节自噬可能作为治疗DCM的新靶点。 　　 随着对自噬的研究越来越深入，以及自噬检测技术的迅速发展，自噬在很多疾病中的发生发展过程受到越来越多的关注，其中在心血管疾病中的研究也越来越深入。人们对自噬的认识比起以前也有了质的飞跃。自噬在维持心血管系统的正常生理功能方面有着极其重要的作用，而自噬异常间接诱导心血管病事件的发生。自噬被证实存在于心肌梗死、心力衰竭、动脉粥样硬化和心律失常等疾病中，但自噬的调控机制复杂，在疾病的不同阶段，自噬的作用可能都不尽相同，具体在心血管疾病中扮演何種角色，是保护还是损伤还有待我们去发现。因此在潜在的药物应用于临床前，详细阐明心肌自噬在心血管疾病中分子机制和作用方式，对于治疗和预防心脏病将是一个新的靶向点。
　　参考文献
　　[1] Karabiyik C，Lee M J，Rubinsztein D C.Autophagy impairment in Parkinson's disease[J].Essays Biochem，2017，61（6）：711-720.
　　[2] Papácková Z，Cahová M.Important role of autophagy in regulation of metabolic processes in health，disease and aging[J].Physiol Res，2014，63（4）：409-420.
　　[3]李澜，高慧，邢晓雪，等.心肌自噬及其分子机制研究进展[J].中国临床药理学杂志，2015，31（24）：2479-2482.
　　[4]宋仕聪，阮云军.自噬与心血管疾病[J].医学综述，2017，23（1）：34-37.
　　[5] Jia G，Sowers J R.Autophagy：a housekeeper in cardiorenal metabolic health and disease[J].Biochim Biophys Acta，2015，1852（2）：219-224.
　　[6] Bajaj L，Lotfi P，Pal R，et al.Lysosome biogenesis in health and disease[J].J Neurochem，2018 Aug 9.
　　[7] Blagonravov M L，Korshunova A Y，Azova M M，et al.Cardiomyocyte Autophagia and Morphological Alterations in the Left Ventricular Myocardium during Acute Focal Ischemia[J].Bull Exp Biol Med，2016，160（3）：398-400.
　　[8] Grootaert M O J，Moulis M，Roth L，et al.Vascular smooth muscle cell death，autophagy and senescence in atherosclerosis[J].Cardiovasc Res，2018，114（4）：622-634.
　　[9]李程飞，孙喜庆.自噬在心血管疾病中的作用[J].心脏杂志，2016，28（2）：216-220，230.
　　[10] Kim K H，Lee M S.Autophagy--a key player in cellular and body metabolism[J].Nat Rev Endocrinol，2014，10（6）：322-337.
　　[11] Klionsky D J，Abdelmohsen K，Abe A，et al.Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy（3rd edition）[J].Autophagy，2016，12（1）：1-222.
　　[12] Khan J N，McCann G P.Cardiovascular magnetic resonance imaging assessment of outcomes in acute myocardial infarction[J].World J Cardiol，2017，9（2）：109-133.
　　[13] Chapman A R，Adamson P D，Mills N L.Assessment and classification of patients with myocardial injury and infarction in clinical practice[J].Heart，2017，103（1）：10-18.
　　[14] Wu X，He L，Chen F，et al.Impaired autophagy contributes to adverse cardiac remodeling in acute myocardial infarction[J].PLoS One 2014，9（11）：e112891.
　　[15] Aisa Z，Liao G C，Shen X L，et al.Effect of autophagy on myocardial infarction and its mechanism[J].Eur Rev Med Pharmacol Sci，2017，21（16）：3705-3713.
　　[16] Martinet W，Timmermans J P，De Meyer G R.Methods to assess autophagy in situ-transmission electron microscopy versus immunohistochemistry[J].Methods Enzymol，2014，543：89-114. 　　[17] Xie M，Kong Y，Tan W，et al.Histone deacetylase inhibition blunts ischemia/reperfusion injury by inducing cardiomyocyte autophagy[J].Circulation，2014，129（10）：1139-1151.
　　[18] Zhu H，Tannous P，Johnstone J L，et al.Cardiac autophagy is a maladaptive response to hemodynamic stress[J].The Journal of Clinical Investigation，2007，117（7）：1782-1793.
　　[19] Somers P，Knaapen M，Kockx M，et al.Histological evaluation of autophagic cell death in calcified aortic valve stenosis[J].J Heart Valve Dis，2006，15（1）：43-47.
　　[20] Luo Y，Lu S，Zhou P，et al.Autophagy：An Exposing Therapeutic Target in Atherosclerosis[J].J Cardiovasc Pharmacol，2016，67（3）：266-274.
　　[21] Martinet W，De Meyer G R.Autophagy in atherosclerosis：A cell survival and death phenomenon with therapeutic potential[J].Circulation Research，2009，10（4）：304-317.
　　[22] Mei Y，Thompson M D，Cohen R A，et al.Autophagy and oxidative stress in cardiovascular disease[J].Biochim Biophys Acta，2015，1852（2）：243-251.
　　[23]陳富华，张明芳，齐元麟，等.细胞自噬在心血管疾病发病过程中的作用[J].海峡药学，2016，28（10）：80-84.
　　[24] Garcia L，Verdejo H E，Kuzmicic J，et al.Impaired cardiac autophagy in patients developing postoperative atrial fibrillation[J].J Thorac Cardiovasc Surg，2012，143（2）：451-459.
　　[25] Schiattarella G G，Hill J A.Therapeutic targeting of autophagy in cardiovascular disease[J].J Mol Cell Cardiol，2016，95（11）：86-93.
　　[26] MiKi T，Yuda S，Kouzu H，et al.Diabetic cardiomyopathy：pathophysiology and clinical features[J].Heart Failure Rev，2013，18（2）：149-166.
　　[27] Mellor K M，Bell J R，Young M J，et al.Myocardial autophagy activation and suppressed survival signaling is associated with insulin resistance in fructose-fed mice[J].J Mol Cell Cardiol，2011，50（6）：1035-1043.
　　[28] Gao H，Yang Q，Dong R，et al.Sequential changes in autophagy in diabetic cardiac fibrosis[J].Mol Med Rep，2016，13（1）：327-332.
　　[29] Gao H，Hou F，Dong R，et al.Rho-Kinase inhibitor fasudil suppresses high glucose-induced H9c2 cell apoptosis through activation of autophagy[J].Cardiovasc Ther，2016，34（5）：352-359.
　　（收稿日期：2018-10-19） （本文编辑：程旭然）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/6/view-14961120.htm