細胞自噬與心肌慢性缺氧關系的研究進展*

杜 麗 馬 玲 王 楠

甘肅中醫藥大學臨床醫學院，甘肅省蘭州市 730000

心肌細胞慢性缺氧與多種心血管疾病如紫紺型先心病、肺源性心臟病以及高原性心臟病等存在著密切的聯系。研究心肌細胞慢性缺氧適應性反應機制對于此類疾病的治療至關重要。近年來慢性缺氧性心肌中細胞自噬的發生引起了眾多學者的關注，現就相關研究綜述如下。

1 細胞自噬的概述

1.1 自噬的分類 細胞自噬作為一種防御機制，可以降解多余蛋白質、長壽蛋白等為細胞提供小分子底物以及降解受損的細胞器(如線粒體)，從而避免細胞損傷及維持體內能量平衡。基礎水平的自噬參與許多生理過程。同時，饑餓、缺氧等應激性刺激也可誘發過度自噬，從而破壞細胞質和細胞器[1]。依據降解底物運輸到溶酶體內的途徑的不同，可以將自噬分為以下三大類：(1)大自噬：由內質網來源的膜包繞待降解物形成自噬體，然后與溶酶體融合并降解其內容物；(2)小自噬：溶酶體的膜直接包裹長壽命蛋白等，并在溶酶體內降解；(3)分子伴侶介導的自噬(CMA)：胞質內蛋白結合到分子伴侶后被轉運到溶酶體腔中，然后被溶酶體酶消化。CMA 的底物是可溶的蛋白質分子，在清除蛋白質時有選擇性，而前兩者無明顯的選擇性[2-3]。

1.2 自噬的過程 細胞自噬是一個吞噬自身細胞質蛋白或細胞器并使其包被進入囊泡，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物的過程，借此實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新。具體過程分為：自噬的誘導(Induction of macroautophagy)、自噬體的形成(Formation of the autophagosome)、自噬體的轉運(Autophagosome docking and fusion)以及自噬體的降解(Autophagic body breakdown)[4]。

1.3 自噬的調節 在自噬的調控網中，腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是細胞自噬過程的兩個重要的調控節點。AMPK是細胞內高度保守的絲/蘇氨酸激酶，被認為是細胞內能量穩態的關鍵調控分子。既往研究發現，AMPK是自噬通路的上游分子，當各種原因導致胞內ATP含量降低時，AMPK分子的第172位蘇氨酸發生磷酸化，AMPK被激活，它一方面可以直接抑制mTOR，另一方面可以通過激活ULK1來間接抑制mTOR,從而激活自噬[5]。

2 心肌慢性缺氧

心肌缺氧(Myocardial anoxia)是指各種原因引起的冠狀動脈血流量降低，致使心肌氧供應不足和代謝產物清除減少的臨床狀態。大多數心臟疾病可引起心肌缺血缺氧，而慢性缺氧也是導致心臟疾病發生的重要病理生理過程之一。慢性缺氧時，心肌細胞發生損傷，導致心肌細胞自噬水平代償性增加，而心肌細胞的自噬對維持心肌功能具有重要的作用[6]。因此，更好地理解細胞自噬在心肌慢性缺氧中的作用可以為疾病的預防和控制提供新的途徑。

2.1 慢性缺氧對大鼠心臟功能的影響 慢性缺氧時，大鼠心功能如何變化？有實驗研究顯示：將大鼠置于低壓低氧艙內每日8h，2周時開始出現肺動脈壓增高現象，表現為嗜睡、呼吸窘迫、呼吸急促。4周后逐漸惡化，大鼠出現了活動減少、腹水、全身水腫、死亡等，而在6周時呈現出典型右心衰竭表現。隨著缺氧時間的增加，其心功能(包括心房、心室大小，室壁厚度，收縮和舒張功能以及射血分數)逐漸減弱，紅細胞與血紅蛋白計數顯著增加，病理提示心肌細胞橫截面積增加、心肌發生纖維化，透射電鏡下觀察到自噬體數量增加[7]，這與大鼠心力衰竭的表現相一致。同時在野百合堿誘導的肺動脈高壓引起的右心室重構過程中大鼠心功能及各項指標均發生了類似的變化[8]。之后又有學者在給予一定干預措施(通心絡和脂肪因子CTRP9)后均可通過調控AMPK信號通路從而激活自噬減輕缺血、缺氧引起的心肌損傷[9]。因此，可以認為在慢性缺氧導致的心肌損傷過程中自噬代償性的增加對心臟起到了一定的保護作用。

2.2 慢性缺氧誘導心肌細胞自噬的機制 越來越多的證據表明，在缺氧的早期階段，適應性的自噬已經被證明在體內和體外對心臟保護均起著至關重要的作用。在細胞實驗中：研究發現缺氧可以誘導心肌細胞發生自噬[10-11]；在動物實驗中：采用低氧環境建立小鼠慢性缺氧模型，然后通過 Westernblot 檢測小鼠心肌組織LC3-Ⅱ與LC3-Ⅰ比值，發現慢性缺氧使LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值明顯升高而p62表達降低，反映慢性缺氧條件下小鼠心肌自噬增強。免疫熒光染色發現慢性缺氧使小鼠心肌組織冰凍切片中陽性自噬泡增多，也證實了Western blot的結果，提示慢性缺氧條件下的小鼠心肌自噬增強[12]。但其誘導自噬增強的因素及機制仍不清楚。目前可能的說法有兩種：

2.2.1 與AMPK的活化有關：慢性缺氧時，心肌細胞內ATP含量降低，腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)活性增加，進而對mTORC1產生抑制作用，有助于Atg13的去磷酸化和Atg1的活化，從而誘導心肌細胞自噬[13]。

2.2.2 與HIF-1的表達增強有關：缺氧通過HIF-1(缺氧誘導因子-1)依賴性機制誘導心肌細胞發生自噬。細胞實驗證明：缺氧可誘導H9c2細胞發生自噬，而低氧誘導的自噬可被HIF-1α過表達增強，并被HIF-1α敲低抑制。此外，HIF-1介導的自噬改善了缺氧誘導的H9c2細胞活力的降低。這些發現為心肌細胞的缺氧缺血性損傷提供了新的見解，并為心肌缺血、缺氧中HIF-1介導的自噬的發生提供了證據[14]。但自噬具有“雙刃劍”的作用，一定程度的自噬有利于細胞對刺激的適應與細胞穩態的維持，過度的自噬會導致細胞發生自噬性死亡。

3 細胞自噬對缺氧條件下心肌細胞的保護作用

對于心肌細胞缺氧適應，已有相關研究分別從缺氧心肌細胞中線粒體合成改變[15]、缺氧自噬體形成[16]、促紅細胞生成素(EPO)表達改變[17]以及腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)[13]、PI3K /GSK3信號通路[18]等諸多方面進行闡述。目前對缺氧心肌細胞適應性反應機制研究較多的有以下兩方面：

3.1 線粒體合成改變 李畑波[19]學位論文中研究結果示：慢性缺氧心肌細胞中，線粒體生物合成增強，線粒體數目增多這是慢性缺氧適應的一個重要機制，但同時也導致各種形態不規則線粒體出現和大量功能受損的線粒體在心肌細胞中堆積。通過細胞自噬來清除細胞內功能不全的線粒體，以保證高效能線粒體的功能，并嚴格控制心肌細胞線粒體的數量對于促進心肌細胞存活、心肌細胞功能和收縮力相協調尤為重要。

3.2 AMPK激活對心肌細胞線粒體自噬的影響 張華剛[20]證明了AMPK可能是上游感受能量和下游激活自噬的重要節點，是細胞代謝的主要感受器，維持著細胞能量代謝平衡和內環境穩定，調控線粒體功能與ROS氧化還原平衡。之后進行了相關研究，研究證實運動、缺血、缺氧、葡萄糖缺乏等都能使其迅速激活。進一步研究發現促進AMPK活化能夠增加慢性缺氧H9c2心肌細胞的線粒體自噬，改善線粒體的功能，更好控制線粒體的質量，提高心肌細胞在慢性缺氧環境下的存活率。這些結果表明AMPK激活能通過刺激選擇性的線粒體自噬促進心肌細胞在慢性缺氧條件下的存活。因此，慢性缺氧會損傷心肌進而發展成為心力衰竭，而AMPK磷酸化水平的增加及自噬體的增加均對心肌組織具有保護作用。

4 問題

有關細胞自噬的分類、過程、調節機制及自噬與相關疾病關系的研究國內外學者已進行了多次研究，各種機制及研究方法已相當成熟。但是藥物及其調節機制的研究，目前正處于初步研究階段。最近多項研究顯示中國傳統中藥紅景天苷可以調節AMPK信號通路上調自噬從而抑制肺動脈平滑肌細胞的增殖及增加細胞凋亡[7]。紅景天苷在臨床上主要應用于抗高原反應、肺動脈高壓的治療，并且有學者已多次研究。因此，紅景天苷是否對自噬相關通路及自噬的表達具有調節作用有待于進一步研究。曾有研究證實紅景天苷具有抗心肌缺氧的作用[21]，這一作用是否與其對自噬相關信號通路的調節作用有關，需要我們進一步證實。如果上述問題得以闡明，可能為慢性缺氧性心臟疾病的發生發展機制的研究提供新的思路。

5 展望

對于紅景天苷調控自噬通路的研究，如果我們的基礎實驗可以達到預期結果，我們計劃進一步將紅景天苷應用于臨床實驗。進一步為治療或預防紫紺型先心病、肺源性心臟病以及高原性心臟病等全身系統性缺氧疾病等心臟疾病提供有效的靶點及理論依據。