中医药调控线粒体自噬防治眼科疾病的研究*

晏 鑫,邢 凯,亢泽峰△,孙宏睿

(1.中国中医科学院眼科医院,北京 100040;2.北京市昌平区中医医院,北京 102200)

视觉作为人类感知和认识世界最重要的途径之一,是正常生活、工作的基本条件之一。随着经济发展和生活水平的显著提高,人均寿命不断增长,年龄相关性眼病的患病率逐年升高,严重影响人们的生存质量,在全球范围内都造成了巨大的医疗和经济负担。近年来大量研究发现眼科疾病的发生多与线粒体的状态密切相关。线粒体自噬与一系列生理和病理过程相关,例如细胞分化、细胞凋亡、衰老、退行性疾病等[1]。近年来,大量研究发现线粒体自噬的失调与眼科疾病的进展相关,因此通过调控线粒体自噬防治眼科疾病引起了大量关注。中医药治疗眼科疾病具有独特的优势,开发潜力大。因此本文对线粒体自噬防治眼科疾病进行综述,探讨线粒体自噬在眼科疾病中的作用,并总结分析中医药调控线粒体自噬以防治眼科疾病的研究成果,以期为中医药防控眼科疾病提供一定的理论依据。

1 线粒体自噬的发生机制

线粒体自噬对于生理条件下线粒体更新和维持至关重要,同时它也能在各种病理应激下强烈激发,如线粒体跨膜电位异常、缺氧、氧化应激等[2]。目前已经报道了几种线粒体自噬机制,由不同的刺激因素会诱导不同的机制来激活线粒体自噬。线粒体自噬可分为泛素蛋白连接酶(parkin rbr e3 ubiquitin protein ligase, PRKN)依赖性和PRKN非依赖性途径。

1.1 PRKN依赖性线粒体自噬

PRKN依赖的线粒体自噬是目前的研究热点,主要由蛋白激酶(pten induced putative kinase , PINK)1和PRKN介导[3]。该通路控制泛素依赖的线粒体自噬影响许多线粒体生理、病理过程,包括线粒体生物合成、动力学和自噬机制[4]。在生理情况下,PINK1通过外膜转位酶和线粒体内膜复合物转位酶以膜电位依赖的方式转移到线粒体内膜,随后,PINK1被线粒体驻留的丝氨酸蛋白酶切割,将PINK1维持在较低水平[5]。由于丝氨酸蛋白酶老化,减弱了阻断PINK1对跨膜电位丢失的反应能力,跨膜电位的丢失可能会破坏PINK1向线粒体内膜的易位,导致未清除的PINK1在线粒体外膜上积聚。之后,积累的PINK1通过直接磷酸化PRKN泛素样改变,促进细胞质中PRKN的激活[6]。因此,泛素化和去泛素化控制PRKN依赖的线粒体,两者之间的平衡对线粒体和细胞内稳态至关重要。

1.2 PRKN非依赖性线粒体自噬

PRKN非依赖性线粒体自噬途径主要依赖于受体蛋白,这些受体蛋白通过其轻链蛋白(protein light chain, LC)3相互作用区直接与LC3和γ氨基丁酸A受体(gaba type a receptor-associated protein, GABARAP)基因相互作用,激活线粒体自噬以清除老化的或功能障碍的线粒体[7]。如含有LC3相互作用区的磷酸化促凋亡调节基因(anti-phospho-bnip, BNIP)3能够直接结合LC3-GABARAP启动线粒体自噬,无须经历泛素化过程。BNIP3是缺氧诱导基因,由缺氧诱导因子(hypoxic inducible facter, HIF)-1α转录调控,HIF-1α可以上调BNIP3的表达,从而在缺氧条件下促进线粒体自噬。此外,BNIP3也受核转录因子(nuclear transcription factor, NF)-κB的转录调控,将线粒体自噬与常见的炎症信号通路联系起来[8]。

2 中医药调控眼科疾病中的线粒体自噬

2.1 年龄相关性黄斑变性

视网膜色素上皮细胞(retinal pigment epithelium, RPE)和感光细胞在维持视觉中起重要作用。而RPE细胞的死亡是年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration, AMD)的一个重要因素。大量研究提出线粒体自噬可能是发生AMD重要的机制之一。生理条件下角蛋白(keratin, KRT)8被发现通过网格蛋白(plectin, PLEC)与线粒体相互作用,促进线粒体自噬,减少受损线粒体的积累,从而减少RPE细胞死亡。然而,氧化应激条件下会抑制PLEC与KRT8之间的联系,从而促进RPE细胞死亡[9]。神经酰胺激酶样(ceramide kinase-like, CERKL)是一种新发现的保护RPE细胞免受氧化应激损伤的基因,它的确切功能尚不完全清楚。有研究显示,CERKL参与自噬、氧化应激和线粒体自噬的调节[10]。CERKL基因缺失增加了RPE细胞线粒体的脆弱性,导致RPE细胞线粒体体积减小和形状的改变,缺乏CERKL的RPE细胞在氧化应激条件下线粒体呼吸功能严重失调[11]。

槲皮素是植物界广泛分布的天然抗氧化剂,在侧柏叶、高良姜、款冬花、桑寄生、三七等中药中具有较高含量,可以通过Nrf-2-PGC-1α-Sirt1信号通路上调超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)的水平以调节线粒体活性氧水平,从而促进线粒体自噬,抑制RPE细胞凋亡[12]。葡萄皮多酚具有丰富的多酚类提取物,是高效的抗氧化剂,其提取物可以降低LC3-Ⅱ在RPE细胞中的表达,从而保护和维持细胞内线粒体自噬,抑制RPE细胞凋亡[13]。莱菔素是中药莱菔子的主要有效成分之一,可以通过维持核因子红系2相关因子(nuclear factor erythroid 2-related factor, Nrf)-2相关的氧化还原状态,上调沉默调节蛋白(recombinant sirtuin, SIRT)1和过氧化物酶体增殖受体γ辅激活因子(peroxisome proliIerators-activated receptor γ coactivator lalpha, PGC)-1α的表达,从而促进线粒体自噬起到对RPE细胞的保护作用[14]。甘草酸苷是一种从甘草中提取的生物活性三萜皂苷,它可以抑制活性氧的产生,并促进蛋白激酶(Aprotein kinase , Akt)磷酸化,上调Nrf-2表达,从而提高线粒体自噬水平,并抑制氧化应激来保护RPE细胞[15]。上述研究显示槲皮素和葡萄皮多酚可以通过抗氧化来提高细胞内线粒体自噬水平,从而抑制RPE细胞凋亡;莱菔素和甘草酸苷可以通过维持Nrf-2相关的氧化还原状态,从而维持线粒体自噬水平来保护RPE细胞,而RPE细胞凋亡是AMD的重要因素,无论是抑制RPE细胞凋亡还是保护RPE细胞都可以针对AMD起到治疗及预防作用。

2.2 糖尿病视网膜病变

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy, DR)是糖尿病最常见的微血管病变之一,会导致内皮细胞、周细胞、神经节细胞等细胞的死亡[16]。胆汁酸膜受体G蛋白偶联受体(type g protein-coupled receptor, TGR) 5激活可以通过抑制PKCδ / Drp1-HK2信号通路降低线粒体损伤并增强视网膜内皮细胞中的线粒体自噬,调节细胞线粒体稳态,从而抑制视网膜内皮细胞凋亡[17]。动力相关蛋白(dynamin related protein, Drp)1基因在DR的内皮细胞内高表达,将其敲除可以抑制视网膜内皮细胞内活性氧水平,并抑制自噬相关蛋白LC3-Ⅱ和自噬效应蛋白Beclin1的表达,从而上调线粒体自噬水平,发挥视网膜内皮细胞的保护作用[18]。腺苷活化蛋白激酶(adenosine-activated protein kinase, AMPK)可以上调凋亡相关蛋白兔抗人单克隆抗体(homo sapiens bcl2 associated x, apoptosis regulator, Bax)的表达,下调Beclin-2和LC3的表达,并且改善线粒体相关基因表达、跨膜电位和线粒体形态,表明AMPK可以通过刺激线粒体自噬抑制视网膜内皮细胞凋亡[19]。

海藻糖是主要存在于虫类中药中的一种自噬诱导剂,可以通过抑制SLC2A8/GLUT8受体,以激活AMPK来增强线粒体自噬,保护视网膜血管内皮细胞[20]。白藜芦醇是常见的植物多酚化合物,主要存在于虎杖、决明子等中药,能通过SIRT1激活增加AMPK活性以上调线粒体自噬水平,并抑制NF-κB控制炎症且减少活性氧生成,从而发挥其对视网膜神经节细胞的保护作用[21-22]。大麻衍生物对视网膜的保护作用开始被发现,它起着重要的神经保护和神经再生作用,通过抑制丝裂原活化蛋白激酶降低糖尿病动物的神经毒性、炎症和血视网膜屏障被破坏[23-24]。有研究指出大麻二酚可以有效改善DR的血管渗漏,其中的机制可能与抗氧化、抗炎和调节线粒体自噬相关[25]。DR作为糖尿病常见的微血管并发症之一,常影响到多种细胞的生存,海藻糖可以保护视网膜血管内皮细胞,白藜芦醇可以保护视网膜神经节细胞,从而延缓DR的进展,且近期研究发现大麻衍生物具有显著的抗渗漏作用,但其自身具有毒性及成瘾性,还需进一步研究明确安全剂量及提升提取工艺,以降低不良反应。

2.3 白内障

白内障是由于晶状体浑浊,导致视网膜成像模糊,它的形成涉及多种信号通路,如氧化应激、炎症、自噬等[26]。有研究显示,衰老的AMPK失活导致线粒体自噬水平下降,进一步造成晶状体上皮细胞(lens epithelial cells, LECs)衰老从而发生年龄相关性白内障[27]。激活AMPK可以延缓LECs的衰老并强化线粒体自噬水平[28]。年龄相关性白内障患者LECs中SIRT1、LC3-Ⅱ/LC3-I表达增加,导致线粒体自噬被抑制进一步造成LECs细胞凋亡增加。

槲皮素可以通过调节TGFβ2/PI3K/Akt信号通路调控线粒体自噬水平,以抑制晶状体蛋白变性及LECs凋亡,并且可以抑制白内障中LECs间质转化,减少LECs损伤[29-30]。房水中各种细胞生长因子通常协调晶状体的发育和维持晶状体的动态平衡,其引起的调控系统对LECs的增殖与分化产生影响并导致白内障形成[31],穿心莲内酯是中药穿心莲的有效成分,可以有效通过抑制Akt的磷酸化诱导线粒体自噬水平上调,从而来抑制由于生长因子诱导的LECs增殖和迁移[32]。p38信号通路作为MAPK信号通路里的一个亚型,在调控自噬中发挥重要作用,香豆酸作为白花蛇舌草的提取物之一,能通过降低p38、氨基末端激酶(c-Jun n-terminal kinase, JNK)和细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase, Erk)的磷酸化和激活来调节线粒体自噬水平,同时具有抗氧化损伤的作用来保护LECs[33]。表没食子儿茶素是绿茶中含量最高的茶多酚,可通过下调 MAPK、Akt和Erk的激活,减轻由于氧化应激诱导过度的线粒体自噬水平导致的LECs凋亡[34]。线粒体自噬需要在体内维持稳态,当其呈现过高水平,会导致LECs细胞损伤,当其水平过低,则会导致功能障碍或衰老的细胞器残留及过度的细胞增殖,槲皮素、香豆酸和表没食子儿茶素可以降低线粒体自噬水平保护LECs,而穿心莲内酯则提升线粒体自噬水平抑制LECs的过度增殖,通过维持线粒体自噬和LECs的稳态来防止白内障的发生。

2.4 青光眼

青光眼是主要由于眼压升高而导致视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells, RGCs)逐渐凋亡而发生的一类视神经疾病。青光眼患者视神经中磷酸化的AMPK水平升高,而AMPK的激活增加导致RGCs的突触消除和树突收缩[35]。有研究在哺乳动物青光眼小梁网细胞中观察到细胞外基质(extracellular matrix, ECM)成分和转化生长因子(transforing growth factor , TGF)-β2的高沉积[36]。目前研究已知激活AMPK可以通过Ras 同源基因家族成员 A(Recombinant Ras Homolog Gene Family, Member A, RhoA)磷酸化下调小梁网细胞中ECM蛋白,然而当RhoA未磷酸化时,AMPK会通过RhoA/ROCK途径诱导ECM沉积[37]。并且有研究提出眼压的升高和玻璃体内PI3K/Akt和JAK/STAT通路的失活均会降低视网膜中RGCs的存活[38]。

白藜芦醇是虎杖中一种重要的多酚类有效成分,可以通过抑制p38/p53通路的同时激活PI3K/Akt通路来下调线粒体自噬水平,从而减轻由于缺血损伤引起的RGCs凋亡和视网膜功能损害[39]。枸杞为眼科最常使用的中药之一,有研究指出枸杞可以通过激活JNK/c-jun通路上调线粒体自噬水平,延迟了继发性RGCs变性并改善了视网膜功能[40]。Hatziagapiou等[41]在研究缺血/再灌注损伤大鼠模型中,发现腹腔注射藏红花提取物可以激活PI3K/Akt信号通路,调节细胞中线粒体自噬水平,清除由于缺血损伤的细胞器,以从而保护RGCs。有研究指出,青光眼滤过术后5年失败率高达30%[42]。青蒿琥酯是青蒿素的衍生物,可以上调LC3-Ⅱ和Beclinl的表达,增强Tenon囊成纤维细胞的线粒体自噬水平,通过抑制细胞增殖来抑制青光眼滤过术后通道瘢痕形成[43]。上述研究表明白藜芦醇可以下调线粒体自噬水平,减轻RGCs的凋亡,而藏红花提取物可以增强线粒体自噬,清除受损细胞器来保护RGCs,两者都可以延缓青光眼所导致的RGCs凋亡,控制青光眼的进程,而青蒿琥酯则可以通过增强线粒体自噬来抑制青光眼滤过术后瘢痕形成,降低青光眼术后的复发率。

2.5 其他眼科疾病与线粒体自噬

有证据表明,干眼与氧化应激具有显著的相关性,但角膜上皮细胞可以通过诱导线粒体自噬来减少氧化损伤[44]。颗粒性角膜营养不良[45]由TGF-β1基因上R124H位点突变引起,正常情况下TGFβ1通过角膜成纤维细胞中的线粒体自噬被降解,但颗粒性角膜营养不良出现突变的R124H大量积累。有研究发现透射电镜下显示在Fuchs内皮性角膜营养不良中,线粒体脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid, DNA)损伤诱导了线粒体自噬,线粒体自噬的上调激活了线粒体融合蛋白的降解,从而导致更多的线粒体受损[46]。视网膜动脉阻塞的发生与动脉粥样硬化相关,而它们的发病与脂质和脂蛋白的堆积显著相关,线粒体自噬在一定程度上可以清除这些脂质和脂蛋白,但线粒体自噬水平上升可能也会促进动脉粥样硬化斑块的脱落,增加了视网膜动脉阻塞的风险[47]。上述研究显示线粒体自噬与眼科疾病广泛相关,可以将其作为进一步研究治疗策略的抓手,目前尚无中医药通过调控线粒体自噬治疗或防控的相关研究,还需今后进一步研究。

3 结语

本文较为全面地总结了线粒体自噬在眼科疾病的机制以及中医药调控线粒体自噬防治眼科疾病的研究,证实线粒体自噬确实参与众多眼科疾病的发生发展,且中医药能够调控相应的靶点,从而防止疾病的发生发展。但目前大多研究尚处于初步发展阶段,仍有较多不足。其一,目前大多数研究为动物研究,从动物研究成果转化到临床使用阶段还有较大距离;其二,目前研究多集中于中药单体及有效成分的研究,未能研究到方剂中药物间配伍关系,不能发挥中医药特有的优势,对于中药中的有效成分研究也不完整,覆盖不全面;其三,目前的研究大多对经典的信号通路进行研究,未能发掘新的靶点和治疗机制,不能体现中医药多靶点作用的优势。整体观念和辨证论治是中医药最大的优势和特点,中药复方的配伍更灵活,且取得的效果更佳,因此今后还需加强中医思想、中医理念,对中药复方进行研究。线粒体自噬是一把双刃剑,如何利用线粒体自噬机制发挥中医药优势,还需今后进一步研究,以为临床中医药调控线粒体自噬防治眼科疾病提供更多、更高质量的参考依据。