從脾論治冠心病線粒體自噬調控鐵死亡機制研究*

趙英惠 姜鈞文

中國2021年的心血管健康與疾病的相關報告顯示,心血管疾病患者總數已超過了3.3億,同時心血管疾病導致的死亡人數居國內城鄉人口死亡人數首位[1]。心血管疾病已嚴重危害患者健康甚至造成患者死亡。冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(Coronary heart disease,CHD)即冠心病,是由冠狀動脈出現粥樣硬化性病變,引起心臟血管狹窄或阻塞,供血供氧不足,造成心肌缺血、壞死而導致的心血管疾病[2]。CHD屬于中醫學“胸痹、真心痛”范疇,從脾論治冠心病是近年來中醫界比較認可的觀點之一。冠狀動脈粥樣硬化的顯著特點在于動脈斑塊的生成。這些斑塊主要由脂質、炎癥細胞和其他物質組成。既往研究已證實,氧化應激炎癥反應、異常脂質能量代謝、線粒體損傷及鐵(特別是二價鐵)超載導致細胞死亡等是斑塊形成、管腔狹窄、血栓形成所致心血管疾病的重要因素。本文旨在研究從脾論治冠心病線粒體自噬-鐵死亡的機制,現報道如下。

1 鐵死亡與動脈粥樣硬化的形成

一種新的程序性細胞死亡形式——鐵死亡(Regulated cell death,RCD),該死亡最主要的特點是完整的細胞膜脂質過氧化,從而導致致死量的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)沉積。鐵死亡在形態學上的特點主要是線粒體縮小、脂質和細胞器腫脹、質膜破裂和雙囊的形成。從分子生物學角度來看,鐵死亡的具體表征則是在谷胱甘肽過氧化物酶4(Glutathione peroxidase,GPX4)含量明顯降低的同時伴隨谷氨酸-胱氨酸反向轉運系統(XC-)的活性和表達減少[3]。總體來說,鐵死亡的機制主要包括氨基酸抗氧化系統的失衡和破壞[4]、鐵離子代謝紊亂及正反饋調節參與鐵死亡的發生等[5]。

鐵蛋白水平的異常升高促進氧化應激,內皮細胞內的鐵濃度升高導致還原劑谷胱甘肽消耗以及低密度脂蛋白的形成,進一步促進氧化應激以及細胞內脂質過氧化物(Lipid perxide,LPO)的積累。此外,鐵超載還可以通過ROS和環氧合酶通路而導致內皮細胞中線粒體損傷,影響巨噬細胞的炎癥表型[6],進而促進早期動脈硬化的形成。研究表明,鐵還可以通過影響體外和體內的LPO參與動脈粥樣硬化病變的發展[7,8]。過氧化的多不飽和脂肪酸被認為是最主要的LPO來源之一,它可以引起內皮的ROS含量上升及NO水平降低;同時也會觸發巨噬細胞的慢性炎癥和泡沫細胞形成等病理變化現象的發生從而誘導出冠狀動脈粥樣硬化的形成[9]。Bai等[10]發現鐵死亡抑制劑鐵抑素-1可以緩解動脈粥樣硬化病變和脂質過氧化。還有研究證實,內皮細胞分泌的細胞外囊泡轉移microRNA-199a-3p以抑制特異性蛋白1,從而抑制內皮細胞鐵死亡來延緩動脈粥樣硬化的形成[11]。綜上所述,鐵死亡通過諸多環節參與動脈粥樣硬化的形成,通過抑制血管內皮細胞的鐵死亡,延緩動脈粥樣硬化形成,抑制鐵死亡可能成為治療冠心病的新策略。

2 線粒體自噬與動脈粥樣硬化的形成

線粒體自噬的現象由Lemasters[12]于2005年首次提出,其概念為細胞利用自噬活動的選擇性,將衰老、損傷或功能障礙的線粒體特異性地包裹進自噬體并且與溶酶體融合,完成線粒體的降解,從而控制細胞內線粒體的質量和數量。當線粒體受損時,線粒體內膜去極化,穩定線粒體外膜上的PTEN誘導假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)。然后PINK1磷酸化線粒體融合素基因-2(Mitoffusin-2,Mfn-2)和泛素,從而將Parkin招募到線粒體外膜上。Parkin可以泛素化特定的底物,并被泛素結合蛋白視神經蛋白(Optineurin,OPTN)、隔離體蛋白1(p62/Sequestosome-1,p62/SQSTM1)、核點蛋白52(Calcium-binding and coiled-coil domain-containingprotein2,NDO52)和自噬受體NBR1識別,進而將線粒體招募到自噬體中,促進線粒體自噬的發生[13]。此外,一些受體也可介導線粒體自噬。

在血管平滑肌細胞中,PINK/Parkin的表達增加導致介導線粒體自噬的增強,從而減緩動脈粥樣硬化的形成,是動脈粥樣硬化病變的保護因素[14]。巨噬細胞中功能失調線粒體的積累導致產生的ROS大量積累,從而引發斑塊中巨噬細胞的凋亡,導致AS斑塊中壞死核心的形成[15]。線粒體外膜蛋白Nix介導的線粒體自噬被高蛋白飲食阻斷也會加劇AS斑塊中巨噬細胞的凋亡[16]。研究發現,巨噬細胞中的脂質可觸發真核細胞起始因子2α(eIF2α)反應,同時也會引發線粒體蛋白酶Lonp1,破壞PINK1并阻止Parkin介導的線粒體自噬,導致線粒體氧化應激、激活炎癥并分泌白細胞介素-1β(IL-1β),最終促進動脈粥樣硬化進程[17]。一旦出現血小板微血栓或微血管閉塞形成的情況,就會缺氧激活FUNDC1介導的線粒體自噬過程,這樣可以有效地消除大量線粒體,減少血小板聚集、擴散、降低黏附分子的激活,因此可以有效減慢動脈粥樣硬化的發展趨勢[18]。總之,線粒體自噬是影響到動脈粥樣硬化發展的重要環節之一——它能起到調控該疾病發展的效果,可能是一個新的潛在目標方向。

3 從脾論治冠心病與線粒體自噬調控鐵死亡機制

3.1 從脾論治冠心病的研究早期的醫學典籍,如《黃帝內經》已經闡述過“寒厥入胃,則內生心痛”。而在《金匱要略·胸痹心痛短氣病脈證并治》里詳細描述:“胸痹,心中痞,留氣結在胸,胸滿,脅下逆搶心,枳實薤白桂枝湯主之,人參湯亦主之”,這標志著從脾胃論治心胸疾病開始成為一種新趨勢。此外孫思邈的《備急千金要方》強調說“心勞病者,補脾氣以益之,脾旺則感于心矣”,明確指出從脾論治心病。李果烈認為胸痹的病機與心瘀脾痰密切相關,主張調脾以護心[19]。張會永等[20]提出胸痹的發病機制心脈痹阻是由于“脾病脈道不利”所致,因而胸痹與脾關系密切。孫蘭軍教授認為心脈功能受脾胃影響,從脾胃方面調治冠心病,療效確切[21]。黃麗娟教授認為心血管的致病因素是脾胃失和與氣血陰陽的失調,并提出治療冠心病之理脾六法[22]。動脈粥樣硬化的形成,多由脾虛導致水谷精微運化無力而聚生痰濁,痰瘀互結伏于血脈,最終形成脈道不利。因此,動脈粥樣硬化以脾虛為本,痰瘀互結為標。由此可見,脾的運化失職是引起動脈粥樣硬化形成的重要因素,“從脾論治”治療冠心病具有堅實的中醫理論基礎,故通過探討冠狀動脈粥樣硬化形成與發展的影響因素對于從脾論治冠心病而言具有重要意義。

3.2 線粒體自噬調控鐵死亡機制研究近況鐵死亡涉及氧化應激,它以生成ROS和脂質過氧化特征而著名。從線粒體的角度來看,它能調節鐵、氧化應激、脂質和能量代謝等方面,從而對鐵死亡的過程起到調控作用[23]。許多研究都揭示了線粒體功能在鐵死亡中的重要地位[24]。

3.2.1 線粒體對鐵死亡的促進作用①電壓依賴性陰離子通道(Voltage-depengent anion channel,VDAC):VDAC 是位于線粒體和細胞質之間的通道,可在RAS-RAF-MEK通路的作用下上調,導致線粒體功能障礙和ROS積累[25]。藥物可用于改變VDAC的通透性,從而導致線粒體代謝紊亂,大量物質進入線粒體而產生過多的ROS,促進鐵死亡的發生。②心磷脂(Cardiolipin,CL):CL是線粒體內膜的重要磷脂成分,與細胞色素c(Cytochrome c,Cytc)緊密結合形成復合物。有研究表明,CL的酰基鏈一旦被過氧化,其疏水性就會減弱,并發生構象變化,CL的過氧化反應可能會破壞細胞色素C和內膜的結構,從而導致細胞色素C釋放出來參與線粒體中的呼吸鏈,從而產生大量的ROS[26,27],促進細胞鐵死亡的發生。⑤酰基輔酶A合成酶長鏈家族4(AcylcoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4):ACSL4是一種位于線粒體外膜的長鏈家族蛋白。有研究證明,ACSL4主要選擇不飽和脂肪酸催化脂肪酸酰輔酶A的形成,從而激活相應的脂肪酸用于脂肪酸氧化或脂質生物合成[28],誘導鐵死亡發生。

3.2.2 線粒體對鐵死亡的抑制作用①CDGSH鐵硫結構域1(CDGSH iron sulfur domain 1,CISD1):CISD1是錨定在線粒體外膜上的一種蛋白質,具有調節線粒體呼吸和鐵吸收的功能。研究發現,用RNAi轉染細胞后,線粒體CISD1受到抑制,細胞對鐵死亡誘導劑Erastin的敏感性增加。研究人員使用了多種鐵死亡抑制劑來抑制因CISD1缺乏而導致的鐵死亡,證明了CISD1對Erastin誘導的鐵死亡有抑制作用[29]。②XJB-5-131:XJB-5-131 作為線粒體中心磷脂氧化的抑制劑,能夠通過抑制心磷脂介導的脂質過氧化來抑制細胞內鐵的死亡。③線粒體鐵蛋白(Mitochondrialferritin,FtMt):FtMt是一種位于線粒體中的鐵儲存蛋白,它能夠調控線粒體中的鐵代謝過程。研究結果表明,相較于對照組,用Erastin處理的細胞內游離鐵含量顯著提升,然而,在加入FtMt蛋白后,細胞內的游離鐵含量卻有所下降,這說明FtMt可以通過調控鐵代謝來影響細胞中的鐵死亡。

4 結語

筆者已經在前面提到多個線粒體中參與調控鐵死亡的蛋白,這表明線粒體在鐵死亡過程中起著重要角色。從線粒體出發,當線粒體進行選擇性自噬后,會對鐵死亡產生相應效果,并最終影響動脈粥樣硬化的發展。綜上所述,在動脈粥樣硬化發病過程中,線粒體通過正負調控鐵死亡的發生,從而影響線粒體自噬調控鐵死亡之間的關系。近年來,線粒體自噬、鐵死亡對冠心病的影響引起了研究人員的廣泛關注,大量研究報告表明,這2種機制參與了大量的代謝途徑和信號通路,但這2種機制之間的相互協調方式仍難以厘清。通過從脾論治冠心病出發,與線粒體自噬調控鐵死亡機制聯系,有望為臨床治療冠心病的預防、診斷與治療提供更多可能性。