王鵬博 綜述 王國(guó)干 審校
(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院,國(guó)家心血管病中心,阜外心血管病醫(yī)院,心血管疾病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京
100037)
心力衰竭是各種心臟病發(fā)展的終末期階段。雖然血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、β 受體阻滯劑和醛固酮受體拮抗劑等藥物以及心臟再同步化治療、植入型體內(nèi)自動(dòng)除顫器等器械治療可在一定程度上改善心力衰竭患者的預(yù)后,但其5 年生存率仍只有50% 左右[1-2]。因此新的藥物和治療手段亟待出現(xiàn),而這需要進(jìn)一步闡明心力衰竭的發(fā)病機(jī)制。近年來多項(xiàng)研究表明自噬參與心力衰竭的發(fā)病過程[3-5]。然而自噬在其中的利弊仍存在爭(zhēng)議,甚至相似的研究得出完全相反的結(jié)論[6-11]。產(chǎn)生這種爭(zhēng)議的關(guān)鍵原因之一是自噬水平的評(píng)價(jià)方法不當(dāng)。
自噬(autophagy),顧名思義即“自己吃自己”,是細(xì)胞消化自身細(xì)胞器和內(nèi)容物的一種生命現(xiàn)象。細(xì)胞可通過自噬,對(duì)受損的細(xì)胞器和異常的蛋白質(zhì)等細(xì)胞內(nèi)容物進(jìn)行分解,并循環(huán)利用[12-13]。因此自噬系統(tǒng)相當(dāng)于可將垃圾回收再利用的清潔系統(tǒng)。
自噬流(autophagy flux)即自噬的流程。由于自噬現(xiàn)象中最常見、研究最多的是巨自噬(macroautophagy)。因此目前研究中所提到的自噬流多指巨自噬的流程,即由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)來源的膜包繞待降解物形成具有雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體(autophagosome),繼而與溶酶體融合,形成自噬溶酶體(autolysosome)并降解其內(nèi)容物[14]。其中,自噬體的形成和清除是自噬流的兩個(gè)密不可分的過程。
由于自噬體是較具特征意義的自噬標(biāo)志,因此既往研究多以自噬體有無或者多寡評(píng)價(jià)細(xì)胞自噬水平的高低。自噬體有無或者多寡的情況可以通過電鏡下觀察直接得到,也可以通過western-blot 等方法檢測(cè)自噬體膜上的標(biāo)記物蛋白LC3-Ⅱ或以綠色熒光蛋白標(biāo)記LC3 等方法間接反映[15]。Shimomura 等[6]取27個(gè)擴(kuò)張型心肌病的患者行部分左室切除術(shù)后的心肌,通過電鏡發(fā)現(xiàn)變性的心肌細(xì)胞中存在包含線粒體等細(xì)胞器的自噬體,因此認(rèn)為自噬是心肌細(xì)胞死亡的機(jī)制之一。而Kassiotis 等[7]通過對(duì)比9 個(gè)擴(kuò)張型心肌病患者行左室輔助裝置術(shù)前后心肌細(xì)胞內(nèi)自噬和凋亡指標(biāo)的變化,發(fā)現(xiàn)術(shù)后LC3-Ⅱ等自噬標(biāo)記物明顯下降,而凋亡指標(biāo)變化不大,因而得出結(jié)論,自噬在心力衰竭中是一種適應(yīng)(adaptive)機(jī)制。這兩項(xiàng)研究均采用了人體心臟組織標(biāo)本,只進(jìn)行了觀察,而沒有直接干預(yù)自噬過程。從統(tǒng)計(jì)學(xué)中相關(guān)性和因果關(guān)系的角度來看,Shimomura 等[6]的研究結(jié)論是明顯偏頗的,因?yàn)殪o態(tài)觀察到變性心肌細(xì)胞中包含自噬體,只能說明自噬和心肌細(xì)胞死亡相關(guān),卻不能說明自噬是心肌細(xì)胞死亡的原因。譬如心力衰竭患者血液中腦鈉肽(BNP)升高,只能說明BNP 和心力衰竭相關(guān)[16],如果就此推論BNP 是心力衰竭原因,則在目前看來是顯而易見的錯(cuò)誤,因?yàn)锽NP 具有抗心力衰竭作用[17]。而Kassiotis 等對(duì)心肌中的自噬進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的觀察,其研究結(jié)果具有重要意義,但結(jié)論似乎不妥,因?yàn)橛^察到心臟負(fù)荷減小后,心肌自噬標(biāo)記物的降低,只能說明自噬標(biāo)記物隨心臟負(fù)荷的減小而降低,卻不能說明自噬是心力衰竭的適應(yīng)機(jī)制。這類似于動(dòng)態(tài)觀察心力衰竭患者血液中血管緊張素,心力衰竭改善后血管緊張素下降,只能說明血管緊張素隨心力衰竭改善而降低,若認(rèn)為血管緊張素升高是心力衰竭的適應(yīng)機(jī)制,則是眾所周知的謬誤,因?yàn)槟壳肮J(rèn)心力衰竭中血管緊張素升高是機(jī)體適應(yīng)不良(maladaptive)的表現(xiàn),降低血管緊張素可治療心力衰竭[18]。
由此可見,單純通過直接或者間接觀察心肌細(xì)胞中自噬體有無或者多寡來推論自噬和心力衰竭的因果關(guān)系,探討自噬在心力衰竭中的利弊,是有失偏頗的。
由于人體試驗(yàn)的局限性,難以對(duì)自噬本身進(jìn)行干預(yù),因此有基礎(chǔ)研究通過藥物或者基因敲除的方法來調(diào)控自噬,以判斷自噬在心力衰竭中的利弊。Atg5 是自噬體形成階段中的重要因子。Nakai 等[8]通過抑制Atg5 調(diào)控自噬水平,觀察小鼠心臟結(jié)構(gòu)和功能的變化。當(dāng)短時(shí)間抑制成年小鼠心臟中的Atg5 時(shí),小鼠心肌細(xì)胞中代表自噬體數(shù)量的LC3-Ⅱ減少,心臟發(fā)生肥厚、左室擴(kuò)大、收縮功能減低;而Atg5 基因敲除的小鼠,盡管心臟發(fā)育正常,但增加壓力負(fù)荷一周后即出現(xiàn)LC3-Ⅱ減少、左室擴(kuò)大和心功能不全。因此Nakai等[8]認(rèn)為,基礎(chǔ)水平的自噬對(duì)維護(hù)心臟結(jié)構(gòu)和功能意義重大,心力衰竭時(shí)上調(diào)自噬水平可以保護(hù)心臟細(xì)胞免受血流動(dòng)力學(xué)變化的損傷。但是當(dāng)時(shí)多數(shù)研究認(rèn)為自噬在壓力負(fù)荷所致的心力衰竭中是適應(yīng)不良的表現(xiàn),自噬水平上調(diào)會(huì)加速病情進(jìn)展,對(duì)機(jī)體是不利的[19]。Nakai 等的研究當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是偏頗的。因?yàn)橐种艫tg5 或者基因敲除Atg5 后,自噬被過度抑制,因此心力衰竭進(jìn)展快,但這并不能說明上調(diào)自噬可以起保護(hù)作用;何況在心力衰竭患者中的自噬并沒有受過度抑制[6]。那么,在保證基礎(chǔ)水平自噬的前提下,上調(diào)自噬對(duì)心力衰竭是利還是弊?
Beclin1 是自噬啟動(dòng)階段的一個(gè)關(guān)鍵因子。Zhu等[9]制作了beclin 1+/-的小鼠,這種小鼠心臟細(xì)胞具有基礎(chǔ)水平的自噬,而不會(huì)像Nakai 等的研究中自噬被過度抑制。當(dāng)壓力負(fù)荷增加時(shí),相對(duì)于野生型小鼠,beclin 1+/-小鼠心肌中綠色熒光蛋白標(biāo)記的LC3 減少,左室擴(kuò)大和收縮功能降低的幅度均減小。而當(dāng)上調(diào)beclin-1 表達(dá)時(shí),綠色熒光蛋白標(biāo)記的LC3 增加,心臟結(jié)構(gòu)和功能病理性惡化的程度加重。因此,作者得出結(jié)論,壓力負(fù)荷增加會(huì)上調(diào)自噬,從而造成心力衰竭。
以上結(jié)論相反的兩個(gè)研究,被一些研究者推論為:自噬是雙刃劍,即基礎(chǔ)水平的自噬對(duì)心力衰竭是有利的,但過度自噬則會(huì)造成病理性改變,使心力衰竭惡化[20]。然而這種推論是不妥的,因?yàn)閆hu 等[9]的研究結(jié)論并不十分可靠,其以綠色熒光蛋白標(biāo)記的LC3 反映自噬體數(shù)量,并以此評(píng)價(jià)自噬水平是很可能導(dǎo)致謬誤的。原因在于,自噬體數(shù)量的變化并不能反映自噬水平。自噬體數(shù)量增加并不能代表自噬水平上調(diào)。
新近研究多以自噬流評(píng)價(jià)自噬水平[21-23]。自噬體的形成和清除是自噬流的兩個(gè)密不可分的過程。從自噬流的角度來看,自噬體增多的原因既可能是自噬體的形成增加,也可能是其清除受阻。而這兩種情況可代表自噬水平完全相反的狀態(tài):若只是自噬體的形成增加,則代表自噬流上調(diào),自噬水平上調(diào);若只是其清除受阻,則代表自噬流下調(diào),自噬水平下調(diào)[24]。因此,不難理解,以自噬體有無或者數(shù)量多寡評(píng)價(jià)自噬利弊的研究會(huì)得出完全相反的結(jié)論。而以自噬流評(píng)價(jià)自噬水平則科學(xué)全面。
自噬流概念的引入,使眾多研究從干預(yù)自噬體的形成過程轉(zhuǎn)而關(guān)注自噬流的清除階段。與上文Zhu等[9]研究類似的是,Ma 等[25]也觀察到,當(dāng)beclin-1 上調(diào)時(shí),綠色熒光蛋白標(biāo)記的LC3 增加,自噬體蓄積,心臟損傷加重。但與Zhu 等不同的是,Ma 等除了觀察到自噬流上流的自噬體蓄積,還注意到其下流的自噬溶酶體并沒有增加,因此認(rèn)為心臟損傷的減輕并非自噬水平上調(diào)造成的,相反,是自噬清除功能障礙所致。而部分敲除beclin-1 時(shí),自噬清除功能增強(qiáng),心臟損傷減輕。另外,作者提出,蓄積的自噬體會(huì)增加活性氧,致使線粒體膜通透性增加,從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。由此可見,自噬體蓄積是導(dǎo)致病理性改變和細(xì)胞死亡的真正原因。之前認(rèn)為自噬體蓄積是自噬過度表現(xiàn)的觀點(diǎn)是錯(cuò)的。自噬體蓄積的原因很可能是自噬流在清除階段出現(xiàn)功能障礙,這是自噬不足的一種表現(xiàn)。這一觀點(diǎn)被其他的試驗(yàn)從另外的角度佐證。DNaseⅡ是溶酶體中的DNA 水解酶,在清除自噬體內(nèi)的線粒體DNA 中起重要作用。Oka 等[26]發(fā)現(xiàn)DNaseⅡ?qū)?yīng)基因敲除后的小鼠在基礎(chǔ)水平并無異常,但當(dāng)壓力負(fù)荷增加時(shí),其自噬體內(nèi)的線粒體DNA 蓄積,從而引發(fā)心肌炎癥和心力衰竭。新近Dutta 等[13]研究表明,上調(diào)自噬可以減少氧化應(yīng)激反應(yīng)對(duì)心肌細(xì)胞的損傷,而氧化應(yīng)激反應(yīng)參與心力衰竭的發(fā)生發(fā)展??梢娮允稍谛牧λソ叩陌l(fā)生發(fā)展過程中起正面抗衡的作用,但當(dāng)自噬功能在清除階段受阻時(shí),則蓄積的自噬體會(huì)導(dǎo)致病理改變。
如果將自噬系統(tǒng)比作可將垃圾回收再利用的清潔系統(tǒng),那么線粒體DNA 等受損的細(xì)胞內(nèi)容物好比垃圾,而自噬體是垃圾堆,清除過程相當(dāng)于焚化??梢娮罱K導(dǎo)致污染和破壞的是垃圾堆中的垃圾,而非清潔系統(tǒng)本身。根據(jù)垃圾堆的數(shù)量判斷清潔系統(tǒng)的效率是不當(dāng)?shù)?。因?yàn)槔训脑龆?,既可能是清潔系統(tǒng)在前一階段高運(yùn)轉(zhuǎn),掃出了很多垃圾堆,也可能是清潔系統(tǒng)在清除階段效率低下,掃出的垃圾堆焚化不良。因此,在評(píng)價(jià)自噬在心力衰竭中的利弊時(shí),綜合考慮其形成能力和清除能力是必要的。在盡量減少受損細(xì)胞器和異常蛋白的前提下,增強(qiáng)自噬的清除功能應(yīng)是以后的研究熱點(diǎn)和新藥開發(fā)方向[11,27]。
綜上所述,自噬在功能正常時(shí)可正面抗衡心力衰竭的進(jìn)展,但當(dāng)自噬清除功能障礙時(shí),則會(huì)造成負(fù)面影響。如何提高心力衰竭中自噬的清除功能是以后的研究熱點(diǎn)和新藥開發(fā)方向。
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