伊宏芳 冯杰
作者单位 1.山西医科大学(太原 030001);2.山西医科大学第一医院(太原 030001)
通讯作者 冯杰,E-mail:29945188@qq.com
引用信息 伊宏芳,冯杰.SIRT1在蛛网膜下腔出血后脑损伤机制中的作用研究进展[J].中西医结合心脑血管病杂志,2024,22(7):1278-1282.
摘要 蛛网膜下腔出血(SAH)是一种致命的脑血管疾病,死亡率很高。SAH后出现多种病理生理过程,促进脑损伤的发生发展,导致神经功能障碍。SAH预后不良与早期脑损伤和迟发性脑缺血密切相关。目前认为预防早期脑损伤和迟发性脑缺血对改善SAH预后非常重要。近年来,研究发现沉默信息调节因子2相关酶1(SIRT1)在预防实验动物SAH诱导的早期脑损伤和迟发性脑损伤中发挥了重要作用,本研究就其在SAH中发挥的作用进行综述。
关键词 蛛网膜下腔出血;脑损伤;沉默信息调节因子2相关酶1;机制;综述
doi:10.12102/j.issn.1672-1349.2024.07.021
蛛网膜下腔出血(subarachnoid haemorrhage,SAH)是由于颅内血管破裂,血液直接流入蛛网膜下腔的一种出血性脑卒中,主要由颅内动脉瘤破裂引起,死亡率很高。SAH后出现多种病理生理过程,促进脑损伤的发生发展,导致神经功能障碍。SAH预后不良与早期脑损伤(early brain injury,EBI)和迟发性脑缺血(delayed cerebral ischemia,DCI)密切相关。EBI在出血后72 h内发生,是复杂的病理过程,蛛网膜下腔血液外渗导致颅内压突然升高,脑灌注下降,自主调节
功能受损。严重时,脑缺血缺氧后神经细胞死亡和内皮细胞损伤,导致细胞毒性水肿和血脑屏障破坏,进一步加重血管源性水肿的发展。此外微循环衰竭、微血栓形成、离子稳态改变、兴奋毒性、氧化应激、炎症反应也参与了EBI的病理生理过程[1]。DCI是影响SAH预后的常见并发症,临床主要表现为新发局灶性神经功能损害或昏迷,可导致病人病情恶化速度加快、预后不良,其病理机制与脑大动脉血管痉挛和微循环缺陷(包括自身调节功能障碍、微血管血栓形成和炎症)等有关,也与EBI相关[2]。近年来,研究发现上调沉默信息调节因子2相关酶1(SIRT1)可以减轻实验动物SAH后的EBI和DCI,进而改善其预后。现就其相关机制进行阐述,以期为SAH提供新的治疗思路。
1 SIRT1概述
SIRT1是沉默调节因子(SIRTs)中的一员,SIRTs是一类依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)的脱乙酰酶,在哺乳动物中包含7个SIRTs家族成员,从SIRT1到SIRT7。
SIRT1广泛表达于各种组织,如肝脏、肌肉、脂肪、大脑等。在哺乳动物细胞中,SIRT1位于细胞核和细胞质中,细胞核内SIRT1通过促进蛋白脱乙酰化和调节DNA甲基化调节转录过程。细胞质内SIRT1参与调节各种细胞过程,如细胞凋亡、氧化应激、自噬、内质网应激和有丝分裂[3]。研究发现,SIRT1在脑损伤疾病如创伤性颅脑损伤[4]、缺血性脑损伤[5]、SAH中发挥神经保护作用。
2 SIRT1在SAH中的作用及相关机制
在脑组织中,SIRT1主要在神经元和小胶质细胞中表达,SAH发病 24 h后,SIRT1在神经元和小胶质细胞中的表达可增强[6]。在SAH动物模型中,上调SIRT1表达或使用SIRT1激动剂可以减轻实验动物受损脑组织的氧化应激、神经炎症、脑水肿,减轻脑细胞死亡,减轻早期的神经功能损害[ 7],促进SAH动物受损神经功能的长期恢复[8],而给予SIRT1抑制剂则加重了实验动物的血脑屏障的破坏。促进氧化应激、神经炎症、脑水肿、神经功能的恶化[9],SIRT1在SAH后发挥内源性脑保护作用。研究也发现,许多可以改善SAH脑损伤的药物,例如虾青素[10]、白藜芦醇[11]、环黄芪醇[12]等,都可以通过上调SIRT1后激活相关通路来减轻实验动物SAH的脑损伤。
2.1 SIRT1可以减轻神经炎症
2.1.1 调节小胶质细胞极化
小胶质细胞是SAH后重要的固有免疫细胞,在一定环境的刺激下,小胶质细胞可激活为两种状态,分别为经典激活型(M1表型)和替代激活型(M2表型),分别发挥不同的作用,这一过程称为极化。小胶质细胞的M1表型有利于促进炎性细胞因子释放,从而加剧神经损伤,而M2表型可以产生抗炎因子,抑制炎症,有助于神经修复,二者也可以相互转化。小胶质细胞在SAH后出现从M1表型动态极化为M2表型,M1型小膠质细胞在SAH后1 d急剧增加,促炎因子例如白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)表达显著增加,在SAH晚期5~10 d,则以M2型小胶质细胞抗炎为主,抗炎因子例如白细胞介素-4(IL-4)、转化生长因子-β(TGF-β)显著增加[13]。相关研究表明,抑制小胶质细胞M1表型极化并促进从M1表型向M2表型的转变可显著改善SAH后的神经炎症并改善神经预后[14]。使用SIRT1激动剂SRT1720可以减少大鼠SAH后M1型小胶质细胞的数量,显著增加了M2型小胶质细胞,进而改善由小细胞极化引起的炎症反应,改善神经功能,在SAH前使用SIRT1抑制剂EX527预处理,可抑制SAH后SIRT1表达,并诱导M1型小胶质细胞极化,也逆转了SRT1720对SAH后M1/M2小胶质细胞极化的影响[15]。这说明SIRT1能够调节SAH后小胶质细胞极化,抑制M1型小胶质细胞,增加M2型小胶质细胞,促进M1型向M2型转化,但SIRT1激活调节小胶质细胞极化的具体机制尚不清楚。
2.1.2 抑制NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor pyrin domain-containing protein 3,NLRP3)炎症小体
炎症小体是固有免疫调节元件,可驱动许多疾病状态的无菌炎症特征。在损伤相关分子模式(damage-associated molecular pattern,DAMP)和其他刺激物存在的情况下,炎性小体通过调节促炎细胞因子的翻译后过程,负责免疫反应的增殖。抑制炎症小体可以阻止炎症级联反应早期的信号转导和传播。NLRP3炎症小体是其中的一种,在活化后与衔接蛋白ASC和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶1(Caspase-1)复合,以调节白细胞介素-1β(IL-1β)的表达[16],在生理条件下NLRP3炎症小体的基础水平较低,SAH后,实验动物脑组织的NLRP3显著升高[15],NLRP3炎性体在SAH诱导的神经炎症和小胶质细胞反应性中发挥重要作用,导致SAH后血管功能障碍。抑制NLRP3的激活,减少了IL-1β的表达和SAH后小胶质细胞形态的改变,可以减轻SAH后神经炎症[17]。有研究表明,上调SIRT1可以在大鼠SAH后抑制NLRP3炎症小体激活[15]。薯蓣皂苷可以增加SAH后实验动物脑组织中SIRT1的表达,抑制NLRP3炎症小体信号传导激活,并且减轻了SAH后的神经炎症,而SIRT1抑制剂EX527则消除了薯蓣皂苷诱导的SIRT1上调,并抵消了其对NLRP3炎症小体激活的抑制作用,逆转了薯蓣皂苷对SAH的保护作用[18]。SIRT1可以抑制NLRP3炎症小体,其机制需进一步研究完善。
2.1.3 SIRT1抑制高迁移率族蛋白B1(HMGB1)/核转录因子κB(NF-κB)信号通路
HMGB1参与SAH的炎症反应,HMGB1的核质易位和胞外分泌增加,可以激活下游的NF-κB,调控NF-κB介导的炎症过程,促进促炎因子的表达[19],抑制HMGB1/NF-κB通路可以改善SAH的神经炎症。研究表明,SIRT1可以通过将HMGB1保持在去乙酰(非活性)状态来抑制HMGB1转录和细胞外分泌,抑制HMGB1/NF-κB通路。齐墩果酸可通过激活SIRT1,减少HMGB1的乙酰化,抑制HMGB1从细胞核向细胞质的转移,并降低血清HMGB1的水平发挥抗炎作用,减轻SAH后的EBI[20]。另外,SIRT1也可以直接调节NF-κB介导炎症过程的通路,SIRT1能够将NF-κB家族中的p65亚基的赖氨酸310脱乙酰化,影响其转录活性并降低其抗凋亡和促炎靶基因的表达[21]。有关研究发现,咯利普兰可以上调SIRT1抑制NF-κB的激活,来减轻SAH大鼠模型的神经炎症[22]。此外,小檗碱可以通过激活SIRT1,抑制大鼠SAH模型的HMGB1/NF-κB通路及其介导的神经炎症反应,来减轻脑损伤
[23]。这些结果表明,SIRT1可通过抑制HMGB1/NF-κB通路及其介导的炎症反应,改善脑损伤。
2.1.4 SIRT1抑制Toll样受体4(Toll like receptor 4,TLR4)信号通路
TLR4是一种重要的先天免疫受体,TLR4介导的信号通路在SAH后炎症反应的发病机制中具有重要作用。大鼠SAH后,小胶质细胞中的TLR4蛋白显著升高,Zhang等[10]研究发现,虾青素可以通过上调 SIRT1抑制SAH后的TLR4信号通路,SIRT1特异性抑制剂 sirtinol逆转虾青素对TLR4激活和随后的神经保护作用的抑制作用。该实验也发现,虾青素激活SIRT1后,降低了SAH大鼠细胞中的HMGB1水平,减少了NF-κB p65核易位[24]。有关研究表明,细胞外HMGB1与跨膜TLR4结合,并通过髓细胞分化初级反应蛋白88(MyD88)依赖性通路激活NF-κB,并诱导一系列促炎因子从而加剧SAH引起的脑损伤[24],但SIRT1抑制TLR4是否通过HMGB1/NF-κB调节尚不清楚,需要进一步的研究。
2.2 SIRT1可以抑制鐵死亡
铁死亡是一种由过量自由基诱导的新的调节性细胞死亡[25] ,其本质是脂质过氧化积累,伴随着铁超载[26]。铁死亡细胞独特的形态学特征是线粒体萎缩,线粒体膜密度增加。相关研究表明,铁死亡参与了SAH的EBI,减少脂质过氧化,抑制铁死亡可以减轻SAH后的脂质过氧化[27],减轻脑损伤。长链脂酰辅酶A合成酶4(acyl-CoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4)是参与铁死亡的一种重要的酶,通过产生氧化磷脂酰乙醇胺触发铁死亡,是细胞启动铁死亡的预测因子。而谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4 ,GPX4)是一种公认的铁死亡门控蛋白,在减少脂质过氧化方面至关重要。铁死亡抑制蛋白(ferroptosis suppressor protein 1,FSP1)是一种参与铁死亡过程的抗氧化调节物,FSP1可以催化NADPH再生辅酶Q10(CoQ10),捕获脂质过氧化物[28]抑制铁死亡。Yuan等[29]研究发现,小鼠SAH后早期脑组织大量脂质化累积,24 h后SAH组较假手术组脑组织中ACSL4的表达显著增加,而GPX4、FSP1、CoQ10水平则明显降低,使用白藜芦醇后,可以上调SIRT1的表达,增加GPX4、FSP1和CoQ10水平,还显著降低了氧合血红蛋白刺激的体外实验中的海马神经元HT-22细胞的脂质过氧化水平,而给予SIRT1特异性抑制剂SEL后,改变则与前者相反。可见SIRT1可能是SAH后抑制铁死亡的一个新的治疗靶点,但具体的调节机制尚需进一步的研究确定。
2.3 SIRT1可以减轻氧化应激
氧化应激是体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态,由机体产生活性氧(ROS)过多而不能及时清除所导致,过剩的ROS也会导致线粒体破坏,从而导致更多ROS的产生,形成恶性循环,也会诱导细胞凋亡,研究表明SIRT1具有减轻SAH诱导的氧化应激的能力。
2.3.1 SIRT1激活核因子红细胞生成素2相关因子2(Nrf2)通路
Nrf2是一種保守的碱性亮氨酸拉链转录因子,可诱导各种基因表达以对抗氧化应激或激活抗氧化反应,正常情况下Nrf2主要位于细胞质中,并由Kelch样ECH相关蛋白1(epoxy chloropropane Kelch sample related protein-1,Keapl)锚定。一旦细胞受到氧化应激等刺激,Nrf2就会从Keapl中分离出来,转移到细胞核中,并与抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE)结合,随后诱导抗氧化酶例如血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的表达,以对抗氧化应激或激活抗氧化反应,激活Nrf2可以减轻SAH动物模型的氧化应激[30]。上调SIRT1可以促进SAH后Nrf2的激活,增加Nrf2在细胞核及总表达,增加Nrf2的核/质比率,促进HO-1、SOD的表达[31]。异甘草素可以促进SAH后实验动物脑组织中Nrf2和SIRT1的表达,使用ML385抑制Nrf2信号逆转了异甘草素对SAH的抗氧化和神经保护作用。SIRT1抑制剂EX527也可抑制异甘草素诱导SIRT1上调和Nrf2激活,并减弱异甘草素的抗氧化和脑保护作用[32],可见异甘草素可以上调SIRT1激活Nrf2通路减轻SAH后的氧化应激,发挥神经保护作用。白藜芦醇类似物紫檀芪[7]、丹酚酸B[31] 也可以通过上调SIRT1,激活Nrf2信号通路,促进Nrf2核易位来减轻SAH诱发的氧化损伤。
2.3.2 SIRT1使叉头状转录因子O1(FoxO1)去乙酰化
FoxO1可以诱导多个基因来调节氧化防御,例如SOD和过氧化氢酶(CAT)的表达,从而保持生物氧化还原稳态。FoxO1的转录活性可以通过多种翻译后的乙酰化来调节。作为 FoxO1的上游介质,SIRT1使FoxO1去乙酰化以增加 FoxO1 DNA结合并诱导FoxO1靶基因的表达以改善脑组织的氧化损伤。Zhang等[33]在研究岩藻黄素(Fx)减轻SAH诱导的氧化应激的作用时,发现Fx可以通过上调SIRT1使得FoxO1去乙酰化,抑制SAH后的氧化损伤和脑损伤。而选择性SIRT1抑制剂EX527显著降低了实验动物脑组织中Fx诱导的SIRT1激活,并增加了乙酰化FoxO1(Ac-FoxO1)蛋白质水平,消除了SAH后Fx的抗氧化作用。由此可见,Fx可以通过激活SIRT1减轻SAH的氧化应激。SRT1720可以在体内体外减少Ac-FoxO1[15],SIRT1激活剂3(SIRT1 activator 3,A3)可以减轻SAH大鼠模型Ac-FoxO1,减轻氧化应激[6]。环黄芪醇[12]、丹酚酸B[31]也可以通过上调SIRT1,使FoxO1去乙酰化来减轻实验动物SAH后脑组织的氧化应激。
2.3.3 SIRT1激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活物-1α(PGC-1α)
PGC-1α是线粒体生物发生、代谢和抗氧化防御的主要调节器,可以通过诱导内源性抗氧化酶清除自由基过度生成[34],减少神经元凋亡,提高神经元存活率。SIRT1可以使PGC-1α去乙酰化并促进PGC-1α的转录活性[35]。研究发现,乔松素可以增强大鼠SAH后脑组织中SIRT1、PGC-1α的表达,减轻脑组织的脂质过氧化,升高内源性抗氧化酶活性,进而改善神经细胞凋亡和功能障碍,改善实验大鼠神经行为功能,而SIRT1抑制剂EX-527可以逆转这些改变[36]。因此,SIRT1可以激活PGC-1α,减轻SAH后的氧化应激。
2.3.4 SIRT1抑制p66Shc
p66shc是ShcA基因表达的衔接蛋白中的一种亚型,是一种氧化还原酶,可以刺激ROS的生成并诱导线粒体凋亡途径,促进p66Shc过表达可增强氧化应激对细胞的损伤。SIRT1使结合P66Shc启动子区的组蛋白H3′完全去乙酰化,从而抑制p66Shc的转录和表达[37]。有研究发现,鼠尾草酸可以通过上调SIRT1抑制p66Shc减轻SAH诱导的氧化应激和细胞凋亡,大鼠SAH后1~3 h,脑组织中p66Shc表达降低,6 h后逐渐升高,24 h达到高峰,24 h后脑组织中,ROS明显升高,抗凋亡相关蛋白降低,凋亡相关蛋白显著升高,给予鼠尾草酸可以上调SAH大鼠脑组织中的SIRT1及下调p66Shc的表达,降低ROS,抑制神经元凋亡,而予以SIRT1抑制剂sirtinol则可以消除鼠尾草酸对SAH后SIRT1的上调及p66sc的下调,抑制抗凋亡作用。可见SIRT1可以下调p66Shc,减轻SAH诱导的氧化应激,减轻神经元凋亡[38]。
2.4 SIRT1可以减轻DCI
DCI是SAH后预后不良的主要原因,DCI是由大动脉血管痉挛和微循环障碍共同引起的多因素过程[39]。研究发现,早期的缺氧预处理可以阻止实验性SAH后的血管痉挛并显著改善了神经预后。Vellimana等[11]研究发现,缺氧预处理后小鼠脑组织中SIRT1 mRNA和蛋白表达早期上调,给予SIRT1抑制剂EX-527阻断了缺氧预处理对神经血管的保护作用,SIRT1可能是作为缺氧预处理诱导的神经血管保护的启动子;该项实验也发现,白藜芦醇可以通过上调SIRT1减轻SAH诱导的血管痉挛;后续的研究中发现缺氧预处理不仅可以防止SAH诱导的脑血管痉挛,还可以通过减少血栓形成在微循环水平上提供保护作用,缺氧预处理对SAH的保护依赖于SIRT1,在SIRT1阴性和EX527处理的SAH小鼠模型中上述保护作用消失。SIRT1的过表达模拟了缺氧预处理提供的DCI保护,该项实验也发现,白藜芦醇可以通过上调SIRT1减轻SAH诱导的微血管血栓形成[40]。另外,实验性的SAH会导致功能性连接的显著缺陷,研究表明缺氧预处理和白藜芦醇对SAH后的功能链接缺陷的保护作用也依赖于SIRT1[41]。可见上调SIRT1可能也是预防或治疗DCI的靶点。
3 小 结
SIRT1在SAH后发挥着神经保护作用,并且受到越來越多的关注。目前已发现SIRT1可以通过减轻神经炎症、减轻氧化应激、抑制铁死亡、减少微血栓形成等改善实验动物SAH后的脑损伤,许多药物也可以通过上调SIRT1在SAH实验动物中发挥保护作用,改善EBI和DCI。SIRT1可能成为SAH的一个治疗靶点,但具体的调控通路尚不明确,需要进一步的研究。目前针对SIRT1在SAH中的研究仍处于实验阶段,还需不断对SIRT1在SAH的作用及其确切作用机制进行深入研究,为防治SAH后的脑损伤提供新的途径。
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(收稿日期:2023-02-27)
(本文編辑 王丽)