腦血管內皮細胞自噬的發生機制及其在缺血性腦卒中病理過程中的作用研究進展

戴瑤瑤，舒夢琦，魏汝恒，苗珠月，宋麗娟，2，馬東，黃建軍，馬存根，4

作者單位：1.030619山西省晉中市，山西中醫藥大學神經生物學研究中心 國家中醫藥管理局多發性硬化益氣活血重點研究室 2.030001山西省太原市，山西醫科大學細胞生理學省部共建教育部重點實驗室 3.037003山西省大同市，國藥同煤集團總醫院神經外科 4.037009山西省大同市，山西大同大學腦科學研究所

缺血性腦卒中（cerebral ischemic stroke，CIS）可嚴重危害人類健康，具有極高的致殘率和死亡率，且目前其治療方案仍有限［1］。腦血管內皮細胞是神經血管單元（neurovascular unit，NVU）組成部分，其緊密連接結構是血腦屏障（blood brain barrier，BBB）的主要結構，而BBB完整性是維持中樞神經系統（central nervous system，CNS）穩態的保障［2］。CIS發生后，腦血管內皮細胞自噬被激活，進而影響BBB完整性、細胞凋亡和炎癥反應［3］。研究發現，腦血管內皮細胞自噬的激活或抑制可能與沉默信息調節因子1（silence information regulator 1，SIRT-1）/叉頭蛋白O3a（forkhead box protein O3a，FOXO3a）、磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/雷帕霉素機械靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）等信號通路有關，且調控腦血管內皮細胞自噬可降低細胞凋亡率、減輕炎癥反應和保護BBB的完整性，從而減輕腦缺血缺氧和再灌注損傷［4-6］。因而調控腦血管內皮細胞自噬可能是治療CIS的新方法。本文對CIS病理過程、腦血管內皮細胞自噬及其發生機制、腦血管內皮細胞自噬在CIS病理過程中的作用進行了綜述。

1 CIS病理過程

腦卒中被認為是全球死亡和殘疾的主要原因，根據2019年的流行病學數據，全球有1 220萬例腦卒中患者，其中655萬例患者因腦卒中死亡［7］。腦動脈阻滯、腦血流灌注缺乏和非創傷性顱內出血是導致腦卒中的主要原因，約80%的腦卒中患者為CIS［8］。CIS發生時，大腦特定區域缺血可造成腦組織營養缺失和缺氧，從而導致一系列的病理改變，包括細胞凋亡、炎癥反應和BBB破壞等［9］。細胞凋亡是一種程序性細胞死亡，對發育和組織穩態至關重要，其可通過釋放損傷相關分子來觸發炎癥反應［10］。炎癥是腦血管疾病，尤其是CIS病理生理學的關鍵步驟［11］。細胞凋亡和炎癥反應可損傷腦血管內皮細胞和神經元等［12］。而損傷的腦血管內皮細胞可導致BBB破壞，從而導致大量炎癥因子進入大腦，進而加重炎癥反應［13］。另外，在CIS急性期，炎癥與BBB的分解、神經元損傷有關［14］。這一系列病理過程可相互影響，形成惡性循環，最終可造成腦壞死、腦軟化等不可逆性腦損傷［15］。

2 腦血管內皮細胞自噬及其發生機制

2.1 腦血管內皮細胞自噬

自噬是一種保守的溶酶體降解途徑，生理情況下其能夠降解和回收長壽或錯誤折疊的蛋白質和受損的細胞器，以維持細胞的能量和功能［15］。作為一種細胞降解機制，自噬在細胞的分化、發育和穩態維持中均起到了重要作用。通常自噬可分為巨自噬、微自噬及伴侶介導三個類別，其中巨自噬是最常見、最普遍和最具特征的自噬形式，腦血管內皮細胞自噬即屬于巨自噬［16］。腦血管內皮細胞是BBB的重要組成部分，研究發現，CIS發生后，缺血、缺氧可激活腦血管內皮細胞自噬，進而影響BBB的完整性［17-19］。另一項研究發現，在大腦中動脈栓塞（middle cerebral artery occlusion，MCAO）模型大鼠中，調控腦皮質梗死后丘腦中的腦血管內皮細胞自噬可負向調控血管生成和神經修復能力，還可改善CIS后血管修復能力和大鼠的認知功能［20］。這表明腦血管內皮細胞自噬可能是治療CIS的新靶點。

2.2 腦血管內皮細胞自噬的發生機制

研究顯示，腦血管內皮細胞自噬的激活或抑制可能與SIRT-1/FOXO3a、PI3K/Akt/mTOR、NF-κB等信號通路有關［21-23］。

2.2.1 激活SIRT-1/FOXO3a信號通路

SIRT-1/FOXO3a信號通路在自噬誘導中起關鍵作用。SIRT-1是FOXO3a的重要上游調節因子，可增強線粒體功能和誘導自噬［24］。叉頭蛋白O（forkhead box protein O，FOXO）是普遍表達的轉錄因子，有助于維持組織穩態及抵消環境變化產生的不利影響，如氧化應激、代謝應激和生長因子剝奪等，其可參與細胞周期停滯、抗氧化、細胞凋亡、自噬、DNA損傷修復和能量代謝等過程［25-26］。FOXO家族由FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6組成，其中FOXO3也稱為FOXO3a，與許多年齡相關疾病有關，如癌癥、椎間盤變性和神經退行性疾病等［4］。研究發現，激活SIRT-1/FOXO3a信號通路可誘導腦微血管內皮細胞自噬，從而減輕氧糖剝奪/復糖復氧（oxygen-glucose deprivation and reoxygenation，OGD/R）誘導的腦微血管內皮細胞損傷［21］。另一項研究表明，上調FOXO3的環狀RNA能夠激活腦血管內皮細胞自噬，減輕OGD/R后BBB損傷，進而減輕腦缺血再灌注損傷［27］。另外，有研究者在肝缺血再灌注損傷研究中發現，激活SIRT-1/FOXO3a信號通路可激活肝臟自噬，進而減輕肝缺血和再灌注損傷［28］。

2.2.2 抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路

PI3K/Akt/mTOR信號通路是生物體中最重要的信號通路之一［29］。PI3K是脂質激酶家族成員，通常由受體酪氨酸激酶和G蛋白偶聯受體激活［30］。Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，也是PI3K/Akt/mTOR信號通路的關鍵調節因子，活化的Akt可以通過直接和間接途徑激活其底物mTOR，而Akt也可由mTOR反饋激活［31］。酪氨酸激酶受體能夠激活PI3K/Akt/mTOR信號通路，而該通路受磷酸酶和張力素同系物負調控，且其過度激活會抑制自噬，反之則會誘導自噬［5，32］。研究發現，在缺血、缺氧以及營養缺乏等條件刺激下，PI3K/Akt可通過促進小鼠腦微血管內皮細胞中的mTOR表達來負向調控其自噬，而抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路可激活小鼠腦微血管內皮細胞自噬，減輕細胞凋亡和血管損傷［22］。另外，有研究者在受糖氧剝奪（oxygen-glucose deprivation，OGD）刺激后的小鼠小膠質細胞中觀察到了小膠質細胞的過度活化和中度自噬，并且發現PI3K/Akt/mTOR信號通路被抑制，而雷帕霉素可以加重其抑制程度［33］。

2.2.3 激活NF-κB信號通路

NF-κB信號通路是炎癥反應的關鍵調節因子。在CIS中，NF-κB的活化可以促進腦損傷和腦卒中后炎癥反應和細胞凋亡［6，34］。研究發現，敲除NF-κB p50可激活桶狀皮質局灶性缺血小鼠的自噬，并導致腦血管內皮細胞和神經元的自噬性死亡，加重BBB損傷，而抑制自噬可逆轉敲除NF-κB p50帶來的損傷，保護BBB的完整性［23］。

3 腦血管內皮細胞自噬在CIS病理過程中的作用

3.1 腦血管內皮細胞自噬對細胞凋亡的影響

研究表明，自噬是多種內皮細胞發揮功能所必需的過程，可參與內皮細胞的增殖、衰老和凋亡等過程［35］。研究發現，雷帕霉素能夠誘導腦血管內皮細胞自噬的發生，從而降低OGD/R后細胞凋亡率，而三甲基腺嘌呤可抑制腦血管內皮細胞自噬的發生，從而促進細胞凋亡，降低細胞活力［36］。但另一項研究發現，在腦微血管內皮細胞OGD/R模型中，使用三甲基腺嘌呤抑制腦微血管內皮細胞自噬后，細胞凋亡率降低，而使用雷帕霉素誘導腦微血管內皮細胞自噬后，細胞凋亡率增加［37］。此外，在原代腦微血管內皮細胞OGD/R模型中，抑制細胞自噬可抑制OGD/R誘導的細胞凋亡，提高細胞存活率，降低細胞膜通透性［38］。綜上，腦血管內皮細胞自噬對細胞凋亡的影響尚存在爭議，需要進一步研究證實。

3.2 腦血管內皮細胞自噬對炎癥反應的影響

在CIS中，炎癥反應是由大腦血流停滯引發的，且血管內白細胞的激活和腦血管內皮細胞及其他細胞中促炎遞質的釋放可導致炎癥反應持續存在，從而加重腦組織損傷［39］。血管內炎癥是BBB分解和白細胞浸潤的第一步［40］。研究發現，抑制組蛋白去乙酰化酶9（histone deacetylase 9，HDAC9）誘導的自噬可加重原代腦微血管內皮細胞損傷與炎癥反應［41］。另一項研究發現，腦微血管內皮細胞經OGD/R處理后，敲低自噬相關蛋白7（autophagy-related 7，ATG7）可降低促炎細胞因子白介素1β、白介素6、白介素8和腫瘤壞死因子α的表達水平，但ATG7缺乏對促炎細胞因子表達的抑制作用不是通過抑制腦微血管內皮細胞自噬實現的［42］。以上研究結果存在差異可能是實驗設計的復雜性和異質性，如細胞、缺血強度和腦缺血時間的差異導致。綜上，腦血管內皮細胞自噬對炎癥反應的影響尚存在爭議，需要進一步研究證實。

3.3 腦血管內皮細胞自噬對BBB完整性的影響

BBB是一種動態結構界面，介于血液和腦組織之間，負責外周循環和腦室之間的血液、氧氣、離子和其他分子的交換，在大腦內環境的穩態中起重要作用［43］。CIS后，BBB破壞主要是由緊密連接蛋白結構完整性的喪失和基底板降解導致的［44］。BBB緊密連接蛋白結構完整性的喪失可導致細胞膜通透性增加，從而加重CIS后腦損傷，增加患者死亡率［45］。腦血管內皮細胞自噬在CIS中發揮著“雙刃劍”的作用，其既可破壞BBB的完整性，又有助于維持BBB的完整性。

研究表明，腦血管內皮細胞自噬能夠誘導緊密連接蛋白降解，造成BBB破壞［41］。研究發現，在小鼠腦微血管內皮細胞OGD模型中，自噬能夠促進緊密連接蛋白5的降解，破壞BBB的結構，而抑制自噬或阻斷自噬小體與溶酶體融合可抑制緊密連接蛋白5降解，減輕BBB損傷［46］。另外，OGD和高葡萄糖可誘導腦微血管內皮細胞自噬，從而降低緊密連接蛋白表達水平，造成BBB破壞［47］。上述證據表明，腦血管內皮細胞自噬可破壞BBB完整性，加重CIS后的腦損傷。

研究顯示，缺血再灌注損傷前，雷帕霉素誘導的腦血管內皮細胞自噬可抑制細胞凋亡，保護細胞免受活性氧導致的損傷，升高ZO-1（一種緊密連接相關的支架蛋白）表達水平，從而保護BBB的完整性［36］。還有研究顯示，在體外OGD模型中，沉默HDAC9可激活原代腦微血管內皮細胞自噬，從而維護BBB的完整性［41］。甲基乙二醛能夠激活腦微血管內皮細胞自噬，進而保護腦微血管內皮細胞免受缺血誘導的損傷，維護BBB的完整性［48］。通過調節miRNA來促進自噬，可以保護腦微血管內皮細胞免受OGD/R損傷，保護BBB的完整性［49］。此外，抑制糖尿病小鼠腦血管內皮細胞自噬，可增加緊密連接蛋白表達水平，保護腦缺血期間BBB的完整性［50］。上述研究結果說明，腦血管內皮細胞自噬有助于維持BBB的完整性。

4 小結及展望

CIS發生時，腦部供血中斷可導致腦組織缺血缺氧，引起細胞凋亡、炎癥反應和BBB破壞等一系列病理改變，若不加以治療就會導致腦組織壞死、腦軟化等。腦血管內皮細胞是BBB以及血管不可或缺的一部分，大腦缺血、缺氧可導致腦血管內皮細胞損傷、結構破壞甚至死亡。而腦血管內皮細胞損傷和結構破壞可導致其緊密連接結構被破壞，進而造成BBB破壞和血管受損，導致白細胞浸潤和炎癥反應，并且損傷的腦血管內皮細胞會釋放促炎因子，導致腦組織損傷加重。迄今為止，尋找治療CIS的更有效且安全性高的藥物仍然是研究者努力的方向。

自噬代表了一種適應性機制，而調控腦血管內皮細胞自噬可降低細胞凋亡率，提高細胞活力，保護腦血管內皮細胞免受缺血、缺氧等損傷，維持BBB的完整性，因此深入研究腦血管內皮細胞自噬及其對細胞凋亡、炎癥反應和BBB完整性的影響是非常重要的。研究腦血管內皮細胞自噬在CIS病理過程中作用的主要切入點是腦血管內皮細胞自噬本身，關于腦血管內皮細胞自噬及其對細胞凋亡、炎癥反應和BBB完整性影響的相關機制研究有限。因此，更全面地了解CIS中腦血管內皮細胞的自噬程度、靶標負荷、作用和相關機制是至關重要的。就目前而言，調控腦血管內皮細胞自噬可能是治療CIS的一種有效方法，是在腦缺血時保護大腦的一種可行的治療策略。

作者貢獻：戴瑤瑤、舒夢琦進行文章的構思與設計；舒夢琦、魏汝恒進行文獻/資料收集；戴瑤瑤、苗珠月進行文獻/資料整理；戴瑤瑤撰寫論文；戴瑤瑤、宋麗娟、馬存根進行論文的修訂；馬東、黃建軍、馬存根負責文章的質量控制及審校；馬存根對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。