Sigma-1受體對視網膜神經節細胞保護機制的研究進展

楊雪莉，毛俊峰

0 引言

視神經病變是一類以視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell，RGC)及軸突損傷為主要特征的疾病總稱，包括青光眼、缺血性視神經病變、遺傳性視神經病變、糖尿病性視神經病變等，RGC死亡是視功能不可逆喪失的根本原因。RGC的神經保護機制及藥物研發一直是眼科領域的研究重點及難點。Sigma-1受體(Sigma-1 receptor，S1R)是一種新型內質網分子伴侶，主要定位于內質網-線粒體界面或線粒體相關內質網膜，被稱為“多能調節器”[1-2]。其生理功能包括調節線粒體Ca2+穩態、離子通道活性(如K+、Na+、Cl-等)、細胞氧化還原、神經遞質釋放、內質網應激等[3]。近年來，S1R作為神經退行性疾病的治療靶點備受關注。在肌萎縮性側索硬化癥、帕金森病、阿爾茨海默病等神經退行性疾病的研究中發現，激動S1R具有神經保護作用，可延緩運動神經元變性及癥狀進展、提高紋狀體中多巴胺水平、增強大腦海馬體中突觸傳遞及神經發生改善認知功能障礙等[4-6]。視覺系統中也發現靶向S1R可發揮神經保護功能，減輕視網膜應激損傷，在青光眼、糖尿病性視神經病變等視神經疾病治療中具有潛在作用[7]。現就S1R在視網膜中對RGC的保護作用及其機制的研究進展進行綜述，旨在為視神經疾病治療研究提供新思路。

1 Sigma-1受體在眼部的分布

自20世紀90年代起，S1R在視覺系統中的作用開始被深入研究。繼首次在淚腺細胞中檢測到S1R后，角膜、晶狀體、虹膜、睫狀體、視網膜及視神經中也陸續證實存在S1R表達[1]，其中視網膜S1R表達顯著高于其他眼內組織。原位雜交和免疫組化實驗顯示S1R分布在視網膜神經節細胞層、內核層、外核層及視網膜色素上皮層，其中神經節細胞層表達最為豐富[7]。視網膜多種細胞類型中均有S1R表達，相較于光感受器細胞中S1R僅定位于核膜，RGC中S1R還表達于內質網，與多種細胞功能密切相關[8]。

2 Sigma-1受體對RGC的保護作用

諸多研究證實，S1R可抑制RGC凋亡、促進存活，對視網膜結構及功能具有保護作用。早期Smith等將分離純化的RGC暴露于谷氨酸或同型半胱氨酸中模擬興奮性毒性損傷，以高選擇性S1R激動劑(+)-PTZ預處理作為對照，發現S1R激活能減少RGC凋亡，對RGC具有保護作用[9]；Zhao等[10]在興奮性毒性小鼠模型中也發現S1R激活能提高RGC生存率。相反S1R缺陷的視網膜更易受到損傷，RGC對退行性病變的易感性更高。Ha等[11]發現12月齡S1R基因敲除小鼠的ERG b波振幅和負向暗視閾值反應顯著下降，反映其RGC功能減低，伴有RGC凋亡蛋白活化和細胞凋亡。可見，S1R在長期慢性視網膜細胞應激中可能具有關鍵作用。在視神經夾傷研究中，Timur等發現S1R敲除小鼠的RGC丟失較野生型小鼠更為顯著[12]，Li等[13]則通過構建AAV2-S1R重組載體上調S1R敲除小鼠體內S1R表達后發現視網膜RGC計數及活性升高，提示S1R在急性視網膜應激中也具有神經保護作用。在一項糖尿病視網膜視神經病變小鼠研究中，Smith等[14]發現(+)-PTZ處理組小鼠視網膜結構完整性相較于未處理組顯著改善，RGC和內核層內凋亡細胞明顯減少，Müller細胞結構更加完整，表明S1R激活對視網膜內核層細胞及Müller細胞也有保護作用。由此可知，S1R對RGC具有保護作用，提高細胞存活率與結構完整性，并改善應激狀態及功能減低，對RGC變性具有潛在治療作用。

3 Sigma-1受體對RGC的保護機制

3.1維持細胞內Ca2+穩態細胞內Ca2+穩態在細胞生長發育凋亡及信號轉導等方面至關重要。研究表明S1R可在質膜水平調節鈣內流和內質網鈣動員，在細胞內鈣超載和鈣耗竭等事件中發揮保護作用。Mueller等[15]在大鼠原代RGC中發現S1R與50% L型電壓門控鈣通道共定位于質膜上且存在相互作用，激動S1R可有效抑制RGC中NMDA受體或電壓門控鈣通道介導的鈣內流，避免鈣超載及其下游凋亡信號傳導，促進細胞存活[10]。S1R與三磷酸肌醇受體(inositol 1,4,5-triphate receptor，IP3R)共定位于線粒體相關內質網膜上且與其功能作用和結構穩定密切相關，IP3R被認為在內質網及線粒體鈣信號調控中具有重要地位。當內質網中鈣耗竭時，S1R與重鏈結合蛋白(heavy-chain binding protein，Bip)形成的Ca2+敏感伴侶發生解離并與IP3R3結合，減弱IP3R3聚集并延長Ca2+信號，促進Ca2+從內質網轉移至線粒體。持續鈣耗竭時，S1R會由內質網相關線粒體界面的高富集狀態重新分配至全內質網膜上減輕細胞損傷[16]。此外，S1R還可調節基質相互作用分子1抑制鈣池操縱性的鈣內流[17]。綜上，S1R可通過多種途徑維持細胞內Ca2+穩態，保護細胞免受鈣超載及鈣耗竭應激損傷。

3.2調節非折疊蛋白反應抑制內質網應激內質網應激即細胞對內質網蛋白錯誤折疊、未折疊蛋白聚集及Ca2+平衡紊亂等做出的反應性應答，其中未折疊蛋白積累觸發的一系列細胞反應如抑制蛋白翻譯和加速降解等被稱為非折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)[18]。研究表明，在內質網應激或配體作用下S1R與Bip解離，內質網應激傳感器PERK、IRE1和ATF6發生磷酸化并激活下游信號，進而調節UPR[16]。在衣霉素誘導內質網應激模型中，S1R缺陷型斑馬魚產生強烈內質網應激反應，初級效應因子IRE1、PERK、ATF6及下游XBP1、ATF4α較正常對照組表達顯著增加，其上游UPR始動因子Bip和HSP90B1水平也明顯增加，同時發現S1R可在翻譯后水平調控Bip表達[19]。另一項黃嘌呤氧化酶誘導氧化應激實驗中，Ha等[20]發現(+)-PTZ處理組較未處理組RGC-5細胞系中PERK、IRE1、ATF4和ATF6等表達顯著下降且與正常對照組相似。在糖尿病視網膜病變小鼠中也觀察到類似現象，(+)-PTZ可逆轉部分視網膜損傷，促進S1R與Bip解離，增強UPR減輕內質網應激[20]。可見S1R在調節內質網應激及UPR中發揮重要作用。

3.3調節線粒體功能抑制氧化應激反應氧化應激是指機體氧化與抗氧化作用失衡引起生物大分子氧化損傷以及細胞凋亡，被認為與多種神經退行性疾病發生有關。哺乳動物中，線粒體含有多個活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生位點，是重要的ROS來源[21]。越來越多研究表明，線粒體功能障礙與視神經病變存在因果關系，線粒體功能障礙導致ATP生成減少及ROS增加，進而誘導RGC凋亡[22]。S1R可調節線粒體ROS的產生及其下游信號傳導，直接參與改善ROS-線粒體功能障礙誘導的病理性細胞氧化損傷[16]。另一方面，S1R通過激活Nrf2/ARE通路調控下游抗氧化基因(Nqo1、Hmox1和GCLc)降低ROS水平[21]。Naia等[21]發現高選擇性高親和力S1R激動劑Pridopidine可顯著增強紋狀體神經元線粒體基礎呼吸和ATP生成，升高膜電位維持線粒體完整性，部分逆轉線粒體功能障礙。糖氧剝奪模型中發現，過表達或激動S1R可恢復RGC線粒體膜電位和細胞色素氧化酶活性，改善線粒體功能[23]。另一項氧化應激相關研究中發現，(+)-PTZ顯著降低原代RGC氧化應激損傷，且該保護作用依賴于S1R，對S1R缺陷型小鼠無作用[24]。此外，激動S1R可抑制多種細胞的ROS產生，如晶狀體上皮細胞、視網膜色素上皮細胞、膠質細胞等，降低視網膜中脂質氧化物、超氧化物水平，減輕反應性膠質細胞增生，發揮抗氧化作用[25]。盡管卟啉、蝦青素等強效生物抗氧化劑也可減輕視網膜氧化損傷，但缺乏對線粒體的特異性[26]，S1R則可靶向線粒體發揮保護作用，其特異性可能提供更大的治療效益。

3.4調節神經營養因子表達及作用腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)屬于神經營養因子家族，與神經元分化成熟、突觸發生和神經保護密切相關[27]；視網膜中BDNF由RGC和膠質細胞內源性產生或RGC軸突從大腦逆行轉運進入，對視網膜結構形成及發育至關重要[28]。研究發現，青光眼患者中視乳頭處軸突向胞體轉運BDNF受阻，BDNF持續減低，RGC凋亡增加[29]；外源性補充或轉基因增加BDNF表達可增加高眼壓模型和視神經夾傷模型中RGC存活率[30-31]，然而由于血腦屏障的存在使其治療作用受限。目前S1R激動劑已被證實可增強視網膜及星形膠質細胞中BDNF表達及下游信號轉導[28]。Fujimoto等[32]也發現過表達S1R可促進前體BDNF成熟及細胞外分泌，表明其參與到BDNF的翻譯后加工階段。因此，通過S1R通路調控BDNF可以為探索增加內源性BDNF提供新思路和靶點。

3.5調節膠質細胞反應視網膜膠質細胞與RGC毗鄰，共同參與視網膜穩態形成，神經系統損傷時膠質細胞反應性增生是神經元凋亡的重要原因。Müller細胞是視網膜中主要的膠質細胞，徑向跨越視網膜，參與神經元多種代謝活動。研究發現來自S1R基因敲除小鼠的Müller細胞炎癥及氧化應激反應相較野生型對照組更為嚴重，炎癥蛋白分泌顯著增加，ROS顯著升高，SOD1、GST等抗氧化蛋白表達下降，Nrf2表達及活性降低；予以(+)-PTZ處理后可明顯降低Müller細胞炎癥相關蛋白水平，且其結合活性與炎癥損傷呈現正相關[24]，表明S1R在抑制視網膜Müller細胞氧化應激和炎癥反應中可能具有重要作用。星形膠質細胞在視乳頭中最為豐富，與神經元軸突密切相關。小膠質細胞參與免疫反應發揮吞噬功能，對各種病理損傷起到保護和損傷雙重作用。研究證實激動S1R可降低氧化應激損傷中星形膠質細胞和小膠質細胞死亡率，抑制ROS生成，減弱ERK1/2磷酸化水平和持續時間。ERK1/2信號通路可調控包括增殖、分化和細胞生存在內的基本細胞過程。膠質細胞中S1R對ERK1/2的抑制作用有別于RGC中的增強作用，這種差異性調節可阻斷氧化應激中神經毒性物質一氧化氮生成，防止神經元變性[8]。糖氧剝奪條件下，S1R參與調節星形膠質細胞反應包括細胞遷移增殖、肌動蛋白重組及信號通路傳導等[33]。此外，激動S1R還可促進星形膠質細胞分泌BDNF作用于RGC發揮保護作用[34]。由此可見，S1R激動劑可通過調節膠質細胞反應間接保護RGC免受損傷[35]，為其發揮神經保護提供新視角。

4 小結和展望

綜上所述，S1R對RGC具有神經保護作用，其保護機制主要有調節細胞鈣穩態、改善內質網應激及氧化應激、激活神經元生存信號通路、增強神經營養因子釋放及功能、調節膠質細胞活性等。目前S1R配體相關藥物已進入神經系統疾病的臨床試驗當中，證實對神經退行性疾病具有延緩疾病進展、促進功能恢復等作用。Urfer等[36]報道使用S1R激動劑SA4503可使腦卒中患者獲得更好的功能表現且安全可耐受。另一項評估S1R激動劑Anavex2-73在阿爾茨海默病患者中作用的Ⅱ期臨床研究已在進行當中[37]。一項亨廷頓舞蹈癥Ⅱ期臨床試驗報道，長程低劑量應用Pridopidine(45mg Bid)可顯著改善患者運動功能[38]。其是否對人類視神經疾病有效仍需進一步研究。盡管目前關于S1R功能研究已取得不錯進展，但其內源性配體研究十分有限，這對理解S1R的生物作用至關重要，值得進一步探索[39]。此外，當前S1R功能機制研究多基于細胞系和過表達系統試驗，尚需要更多的動物模型和青光眼等特定視神經病變模型研究，以全面了解S1R功能及機制。鑒于S1R對于多種信號通路的廣泛影響，進一步了解由S1R調控的級聯信號分子將有助于開發新的治療方法，如基因治療、干細胞治療或與其他藥物聯合治療等。隨著S1R對RGC神經保護研究的繼續深入，S1R相關的視神經疾病臨床治療將成為可能，為廣大視神經疾病患者提供新的治療手段。