細(xì)胞程序性死亡在肺動(dòng)脈高壓中的研究進(jìn)展:自噬、焦亡、鐵死亡

徐燕 楊朝 耑冰

肺動(dòng)脈高壓(Pulmonary hypertension, PH)是由多種病因和發(fā)病機(jī)制引起的肺小血管結(jié)構(gòu)和/或功能改變,從而使肺動(dòng)脈壓力升高和肺血管阻力增加的一組臨床及病理生理綜合征,最終將導(dǎo)致右心衰竭以致死亡。PH發(fā)病機(jī)制復(fù)雜、臨床表現(xiàn)各異、診斷和治療困難。關(guān)于PH流行病學(xué)的相關(guān)報(bào)道在世界范圍內(nèi)都很少,且目前臨床上也沒(méi)有安全高效的治愈PH的方法,雖然已經(jīng)獲批上市的針對(duì)動(dòng)脈性肺動(dòng)脈高壓(Pulmonary arterial hypertension,PAH)的靶向藥物在PAH的治療方面取得了重大的進(jìn)展,但也只是改善患者的預(yù)后,提高患者長(zhǎng)期生存率。值得注意的是,這類(lèi)靶向藥物并非萬(wàn)能,效果也因人而異[1-3]。然而,PAH僅僅是PH中最常見(jiàn)的一類(lèi),還有包括左心疾病所致肺動(dòng)脈高壓、肺部疾病和低氧所致肺動(dòng)脈高壓、慢性血栓栓塞性肺動(dòng)脈高壓以及不明原因肺動(dòng)脈高壓在內(nèi)的幾種PH目前并沒(méi)有特定的靶向藥物。因此,積極探索PH的發(fā)病機(jī)制、尋求新的治療方法已成為目前PH主要的研究點(diǎn)之一。

從PH的病理生理機(jī)制上來(lái)看,它主要是由肺血管結(jié)構(gòu)和功能改變引起,而這個(gè)過(guò)程主要涉及肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞(Pulmonary artery smooth muscle cells, PASMCs)的增殖、死亡以及細(xì)胞外基質(zhì)的作用。細(xì)胞死亡分為程序性死亡和非程序性死亡,由基因所控制的細(xì)胞程序化死亡(細(xì)胞凋亡、自噬、焦亡和鐵死亡等)在細(xì)胞發(fā)育以及整個(gè)生命穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中起著不可或缺的作用[4]。隨著科學(xué)家們對(duì)細(xì)胞死亡在疾病發(fā)展中關(guān)系的研究不斷深入,細(xì)胞自噬、焦亡、鐵死亡在肺動(dòng)脈高壓中的作用逐漸被揭曉,本文就自噬、焦亡、鐵死亡在肺動(dòng)脈高壓中的作用進(jìn)行綜述,為肺動(dòng)脈高壓的靶向治療提供新思路。

一、自噬與肺動(dòng)脈高壓

1 自噬

自噬是細(xì)胞程序性死亡的類(lèi)型之一,通過(guò)胞質(zhì)溶酶體系統(tǒng)將損傷、變性、老化的細(xì)胞和細(xì)胞器,大分子蛋白質(zhì)以及入侵的病原體吞噬、降解,從而達(dá)到“自我消化”、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的目的[5-6]。根據(jù)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)饺苊阁w的模式不同,至少可以將自噬分為三類(lèi),即:伴侶介導(dǎo)的自噬,微自噬和宏觀自噬[7]。由于自噬很難在體外條件觀察到,因此對(duì)于自噬的具體機(jī)制尚在探索階段,有研究表明,ULK復(fù)合體(ULK1/ULK2、ATG13/ATG101和黏著斑家族相互作用蛋白200組成)可參與驅(qū)動(dòng)自噬的發(fā)生[8]。就目前研究而言,可將整個(gè)自噬過(guò)程大致分為以下三步:①細(xì)胞器、大分子蛋白以及入侵的病原體被囊泡包裹形成自體吞噬泡;②自體吞噬泡與溶酶體融合形成降解自體吞噬泡;③溶酶體內(nèi)的酶對(duì)吞噬內(nèi)容物進(jìn)行降解。

2 自噬在肺動(dòng)脈高壓發(fā)展中的作用

自噬是把“雙刃劍”,細(xì)胞自噬能力的減弱或增強(qiáng)均可引起人類(lèi)疾病,研究發(fā)現(xiàn)腫瘤、糖尿病、肝臟疾病、痛風(fēng)、慢性阻塞性肺疾病[9-13]等疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中均存在細(xì)胞的異常自噬反應(yīng)。而目前已有研究顯示,自噬功能障礙與肺動(dòng)脈高壓密切相關(guān)。例如,抑制野百合堿(monocrotaline, MCT)誘導(dǎo)的動(dòng)脈性肺動(dòng)脈高壓的肺細(xì)胞自噬激活,可以阻斷2型骨形成蛋白受體溶酶體降解和DNA結(jié)合抑制因子1(Inhibitor of DNA binding 1,Id1)下調(diào),進(jìn)而阻止PAH的發(fā)展。相反,促進(jìn)MCT誘導(dǎo)的PAH肺細(xì)胞自噬激活,則增強(qiáng)PASMC增殖/遷移和肺動(dòng)脈重塑,進(jìn)而促進(jìn)PAH的發(fā)展[14]。且MCT誘導(dǎo)的PAH大鼠中自噬標(biāo)志物蛋白水平呈現(xiàn)出升高狀態(tài),并且伴有肺動(dòng)脈重塑增加[15]。這說(shuō)明肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生可能與肺部細(xì)胞自噬增強(qiáng)密切相關(guān)。而細(xì)胞自噬的觸發(fā)也是一個(gè)復(fù)雜且多樣的過(guò)程,包括藥物、香煙煙霧提取物、線粒體功能障礙[15-17]在內(nèi)的多種因素均可引發(fā)細(xì)胞自噬。磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是一種參與細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)的能量傳感器,它的激活在包括PH在內(nèi)的多種疾病的治療中都具有潛在價(jià)值。Cui[15]等人發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核因子κB誘導(dǎo)的自噬激活有助于MCT誘導(dǎo)的大鼠PAH的發(fā)展,而AMPK的激活可以通過(guò)靶向細(xì)胞核因子κB來(lái)抑制自噬和血管重塑,從而發(fā)揮阻止PAH發(fā)展的作用,并降低右心室收縮壓和右室肥厚指數(shù)。因而,對(duì)于肺動(dòng)脈高壓患者,理論上可以采取阻斷自噬激活來(lái)達(dá)到治療疾病的目的,但這一觀點(diǎn)還需進(jìn)一步的研究來(lái)證實(shí)。除此之外,Jing[18]等人發(fā)現(xiàn)PH大鼠中circSIRT1和蛋白激酶B3(Protein kinase-B3,Akt3)升高,而miR-145-5p下降,circSIRT1競(jìng)爭(zhēng)性地與miR-145-5p 結(jié)合,并介導(dǎo) Akt3發(fā)揮自噬作用,circSIRT1基因敲除可以抑制缺氧環(huán)境下PASMC的自噬進(jìn)程,并改善大鼠的PH值。由此我們推測(cè),敲除circSIRT1基因可能逆轉(zhuǎn)低氧誘導(dǎo)的PH大鼠的PASMCs的自噬,改善肺動(dòng)脈高壓,但這還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。此外,下調(diào)miR-204通過(guò)靶向自噬相關(guān)蛋白7(Autophagy-related protein 7,ATG7)增強(qiáng)自噬可以減弱缺氧誘導(dǎo)的內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(已被證實(shí)在肺動(dòng)脈重構(gòu)中發(fā)揮關(guān)鍵作用),而缺氧誘導(dǎo)的PH中,內(nèi)皮細(xì)胞miR-204的下調(diào)對(duì)內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生保護(hù)作用,進(jìn)而有利于抑制肺動(dòng)脈重構(gòu)并阻止PH發(fā)展[19]。同樣地,進(jìn)一步降低miR-204也有希望逆轉(zhuǎn)低氧誘導(dǎo)的PH。當(dāng)然這還有待研究者進(jìn)行后續(xù)探索。目前,自噬在肺動(dòng)脈高壓中的作用的研究尚處于初級(jí)階段,但科研工作者對(duì)疾病治療方法的探索已經(jīng)從宏觀逐漸深入到微觀層面,迄今為止,科學(xué)家們已在生物分子層面上找到多種疾病的治療方法,上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也為我們進(jìn)行肺動(dòng)脈高壓靶向治療方法的探索提供新的切入點(diǎn)。

二、焦亡與肺動(dòng)脈高壓

1 焦亡

焦亡是一種炎性程序性細(xì)胞死亡方式,表現(xiàn)為細(xì)胞不斷脹大直至破裂,進(jìn)而釋放細(xì)胞內(nèi)容物引起炎癥反應(yīng),可被感染等多種病理性因素觸發(fā)。過(guò)去幾十年里,我們?cè)诟鞣N類(lèi)型細(xì)菌感染的巨噬細(xì)胞中觀察到焦亡,由于其依賴(lài)于半胱天冬酶-1(caspase-1),而caspase-1最初被確定為處理炎癥細(xì)胞因子白介素-1b的蛋白水解酶,因而焦亡最初又稱(chēng)為“炎癥性死亡”[20-21]。直到2001年Cookson和Brennan在細(xì)菌感染的巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)這種特殊的死亡方式,才首次將其命名為“pyroptosis”[22]。與補(bǔ)體激活途徑類(lèi)似,焦亡主要分為兩條途徑,即:依賴(lài)caspase-1的經(jīng)典途徑和依賴(lài)caspase-4/5/11(caspase-4和caspase-5是小鼠caspase-11的人類(lèi)同系物)的非經(jīng)典途徑。兩種方式的具體途徑為:免疫激活→caspase-1或caspase-4/5/11激活→切割Gasdermin D蛋白(GSDMD)→細(xì)胞焦亡發(fā)生。二者不同之處在于經(jīng)典途徑的免疫激活是由炎性小體誘發(fā),而非經(jīng)典途徑的免疫激活則依賴(lài)于脂多糖。此外,經(jīng)典途徑中的caspase-1可以幫助前體白介素-1β、白介素-18剪切為成熟體[8],并進(jìn)一步招募炎性因子,激發(fā)強(qiáng)烈的促炎反應(yīng),因此caspase-1也是一種關(guān)鍵的先天免疫防御。而現(xiàn)有的研究表明,除外感染因素,腫瘤、免疫、心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病[23-26]等非感染性因素也與焦亡緊密相關(guān)。

2 焦亡在肺動(dòng)脈高壓中的作用

作為一種新型的細(xì)胞死亡方式,焦亡在疾病發(fā)展中的作用引起了科學(xué)家們的高度重視,焦亡與肺動(dòng)脈高壓之間的關(guān)系也隨著研究的深入逐漸揭曉。鋅指蛋白1(Glioma-associated oncogene family zinc finger 1,GLI1)是一種廣泛分布的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì),最初在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中發(fā)現(xiàn),作為一種轉(zhuǎn)錄因子,GLI1參與了多種癌癥的進(jìn)展。不僅如此,He[27]等人還發(fā)現(xiàn)GLI1是PH進(jìn)程中一個(gè)重要的驅(qū)動(dòng)因素,低氧小鼠模型肺動(dòng)脈及體外缺氧培養(yǎng)PASMCs中GLI1蛋白升高,且GLI1的上調(diào)主要局限在PASMCs,抑制GLI1蛋白可減弱缺氧誘導(dǎo)的PH值。他們?cè)诤罄m(xù)的研究中還發(fā)現(xiàn),抑制GLI1或敲除GLI1基因后,焦亡相關(guān)蛋白——前體半胱天冬酶-1(pro-caspase-1)、caspase-1、IL-18、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(Nucleotide blinding oligomerization domain-like receptor protein 3, NLRP3)、含有CARD的細(xì)胞凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(Apoptosis associated speck- like protein containing CARD, ASC)的表達(dá)顯著降低。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示,GLI1可能通過(guò)焦亡相關(guān)蛋白促進(jìn)PASMCs焦亡,從而影響PH的進(jìn)展。在低氧誘導(dǎo)的PH模型中,活化的Caspase-1和IL-18產(chǎn)物的水平增加,同樣表明PH中可能發(fā)生焦亡[28]。此外,Jiang[29]等人在研究Circ-Calm4/miR-124-3p/Pdcd6軸信號(hào)通路時(shí)發(fā)現(xiàn),Circ-Calm4在缺氧肺高壓小鼠體內(nèi)模型和體外培養(yǎng)的平滑肌細(xì)胞中均表達(dá)上調(diào),敲除Circ-Calm4的缺氧暴露小鼠肺組織焦亡相關(guān)蛋白表達(dá)水平明顯降低。因此,肺動(dòng)脈高壓肺部的焦亡相關(guān)蛋白呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài),可以推測(cè)在肺動(dòng)脈高壓中細(xì)胞焦亡被激活,這一過(guò)程主要涉及經(jīng)典的焦亡途徑。而參與非經(jīng)典途徑的Caspase-4/11也同樣被證實(shí)在PAH中激活,caspase-4的表達(dá)下調(diào)可抑制人肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞焦亡的發(fā)生,敲除caspase-11或抑制caspase-11能夠緩解PAH的發(fā)展和改善血管重構(gòu)[30]。綜上所述,肺動(dòng)脈高壓中細(xì)胞焦亡被顯著激活,抑制焦亡能夠阻止PH的進(jìn)展,即通過(guò)靶向焦亡上游靶點(diǎn)或機(jī)制能夠有效抑制PH發(fā)展甚至達(dá)到逆轉(zhuǎn)PH的目的。而具體的作用靶點(diǎn)以及相關(guān)通路還有待進(jìn)一步探索,對(duì)于焦亡本身的機(jī)制也需要更加深入的探索,將來(lái)我們或能夠在焦亡身上找到肺動(dòng)脈高壓治愈的方法。

三、鐵死亡與肺動(dòng)脈高壓

1 鐵死亡

鐵死亡作為一種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞程序性死亡,區(qū)別于細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死,由脂質(zhì)過(guò)氧化誘導(dǎo),依賴(lài)于鐵離子,在細(xì)胞核完整的情況下使得線粒體膜破裂,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體及溶酶體等被過(guò)氧化。目前有關(guān)鐵死亡的具體機(jī)制還不甚明了,可能和包括氨基酸和鐵代謝、鐵蛋白吞噬、細(xì)胞粘附以及p53和Keap1/Nrf2信號(hào)通路在內(nèi)的幾種信號(hào)通路相關(guān)[31]。“ferroptosis”一詞最初是由Scott等人在2012年提出來(lái)的,直到2018年才被正式納入成為調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡中的一員[32-33]。由于包括生物的生長(zhǎng)發(fā)育、疾病發(fā)展、衰老在內(nèi)的整個(gè)生命進(jìn)程都涉及到死亡,因此細(xì)胞死亡一直以來(lái)都是生命科學(xué)的研究重點(diǎn),隨著研究的深入,新興的死亡方式譬如‘鐵死亡’正逐漸成為研究熱點(diǎn)之一。由于科學(xué)家們對(duì)于“永生細(xì)胞”——腫瘤細(xì)胞死亡機(jī)制的探索從未停止,鐵死亡一詞從出現(xiàn)就備受追捧,研究者在不斷的探索、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),鐵死亡與呼吸系統(tǒng)疾病亦息息相關(guān)。

2 鐵死亡在肺動(dòng)脈高壓中的作用

PH發(fā)生的主要原因是肺動(dòng)脈血管重構(gòu)(Pulmonary vascular remodelling, PVR),而PVR是PASMCs的凋亡抑制和過(guò)度增殖的結(jié)果,同時(shí)也受到氧化應(yīng)激的影響[34]。Zhang等[35]在對(duì)鐵死亡相關(guān)基因的表達(dá)和鑒定分析時(shí)發(fā)現(xiàn),PAH中鐵死亡相關(guān)基因表達(dá)上調(diào),且PAH中肺組織的鐵死亡與氧化應(yīng)激相關(guān)。另一項(xiàng)研究表明,溶質(zhì)載體家族7成員11(Solute carrier family 7 member 11, SLC7A11)在PAH中表達(dá)顯著上調(diào),SLC7A11通過(guò)抑制PASMCs鐵死亡,使其活性增加,進(jìn)而促進(jìn)PAH中細(xì)胞增殖,導(dǎo)致血管重構(gòu)[34]。而鐵抑制素(Ferrostatin-1, Fer-1)可以通過(guò)調(diào)節(jié)鐵死亡進(jìn)而緩解脂多糖誘導(dǎo)的急性肺損傷和體內(nèi)炎癥反應(yīng),抑制鐵死亡可減輕脂多糖誘導(dǎo)的急性肺損傷[36]。同樣地,Xie等人[37]證實(shí)了Fer-1通過(guò)抑制鐵死亡減弱MCT誘導(dǎo)的肺血管重構(gòu)并保護(hù)右心功能。基于這些發(fā)現(xiàn),我們不難看出,鐵死亡在誘導(dǎo)、促進(jìn)肺動(dòng)脈高壓的發(fā)病過(guò)程中有著潛在的作用,用鐵死亡抑制劑或靶向藥來(lái)治療肺動(dòng)脈高壓在未來(lái)是非常有前景的,但最終能否實(shí)際應(yīng)用以使患者獲益還需要深層次的探索。

四、總結(jié)與展望

肺動(dòng)脈高壓早期診斷困難、治療難度大、致死率高,嚴(yán)重危害人類(lèi)的生命健康,且目前沒(méi)有針對(duì)性的預(yù)防方法,也沒(méi)有特效的治療藥物,有關(guān)肺動(dòng)脈高壓的發(fā)病機(jī)制也未能明確。隨著研究的深入,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),自噬、焦亡和鐵死亡作為新型的細(xì)胞死亡方式在肺動(dòng)脈高壓發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用,通過(guò)調(diào)控細(xì)胞自噬、焦亡和鐵死亡能夠阻止肺動(dòng)脈高壓的進(jìn)展甚至逆轉(zhuǎn)肺動(dòng)脈血管重構(gòu)。因此,揭示新型細(xì)胞死亡方式在肺動(dòng)脈高壓中的作用機(jī)制,探索肺動(dòng)脈高壓的治療靶點(diǎn),研究肺動(dòng)脈高壓的特效治療藥顯得尤為重要,同時(shí)對(duì)于攻克肺動(dòng)脈高壓這個(gè)所謂的“偽癌癥”也具有重大意義。