从脾论治冠心病线粒体自噬调控铁死亡机制研究*

赵英惠 姜钧文

中国2021年的心血管健康与疾病的相关报告显示,心血管疾病患者总数已超过了3.3亿,同时心血管疾病导致的死亡人数居国内城乡人口死亡人数首位[1]。心血管疾病已严重危害患者健康甚至造成患者死亡。冠状动脉粥样硬化性心脏病(Coronary heart disease,CHD)即冠心病,是由冠状动脉出现粥样硬化性病变,引起心脏血管狭窄或阻塞,供血供氧不足,造成心肌缺血、坏死而导致的心血管疾病[2]。CHD属于中医学“胸痹、真心痛”范畴,从脾论治冠心病是近年来中医界比较认可的观点之一。冠状动脉粥样硬化的显著特点在于动脉斑块的生成。这些斑块主要由脂质、炎症细胞和其他物质组成。既往研究已证实,氧化应激炎症反应、异常脂质能量代谢、线粒体损伤及铁(特别是二价铁)超载导致细胞死亡等是斑块形成、管腔狭窄、血栓形成所致心血管疾病的重要因素。本文旨在研究从脾论治冠心病线粒体自噬-铁死亡的机制,现报道如下。

1 铁死亡与动脉粥样硬化的形成

一种新的程序性细胞死亡形式——铁死亡(Regulated cell death,RCD),该死亡最主要的特点是完整的细胞膜脂质过氧化,从而导致致死量的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)沉积。铁死亡在形态学上的特点主要是线粒体缩小、脂质和细胞器肿胀、质膜破裂和双囊的形成。从分子生物学角度来看,铁死亡的具体表征则是在谷胱甘肽过氧化物酶4(Glutathione peroxidase,GPX4)含量明显降低的同时伴随谷氨酸-胱氨酸反向转运系统(XC-)的活性和表达减少[3]。总体来说,铁死亡的机制主要包括氨基酸抗氧化系统的失衡和破坏[4]、铁离子代谢紊乱及正反馈调节参与铁死亡的发生等[5]。

铁蛋白水平的异常升高促进氧化应激,内皮细胞内的铁浓度升高导致还原剂谷胱甘肽消耗以及低密度脂蛋白的形成,进一步促进氧化应激以及细胞内脂质过氧化物(Lipid perxide,LPO)的积累。此外,铁超载还可以通过ROS和环氧合酶通路而导致内皮细胞中线粒体损伤,影响巨噬细胞的炎症表型[6],进而促进早期动脉硬化的形成。研究表明,铁还可以通过影响体外和体内的LPO参与动脉粥样硬化病变的发展[7,8]。过氧化的多不饱和脂肪酸被认为是最主要的LPO来源之一,它可以引起内皮的ROS含量上升及NO水平降低;同时也会触发巨噬细胞的慢性炎症和泡沫细胞形成等病理变化现象的发生从而诱导出冠状动脉粥样硬化的形成[9]。Bai等[10]发现铁死亡抑制剂铁抑素-1可以缓解动脉粥样硬化病变和脂质过氧化。还有研究证实,内皮细胞分泌的细胞外囊泡转移microRNA-199a-3p以抑制特异性蛋白1,从而抑制内皮细胞铁死亡来延缓动脉粥样硬化的形成[11]。综上所述,铁死亡通过诸多环节参与动脉粥样硬化的形成,通过抑制血管内皮细胞的铁死亡,延缓动脉粥样硬化形成,抑制铁死亡可能成为治疗冠心病的新策略。

2 线粒体自噬与动脉粥样硬化的形成

线粒体自噬的现象由Lemasters[12]于2005年首次提出,其概念为细胞利用自噬活动的选择性,将衰老、损伤或功能障碍的线粒体特异性地包裹进自噬体并且与溶酶体融合,完成线粒体的降解,从而控制细胞内线粒体的质量和数量。当线粒体受损时,线粒体内膜去极化,稳定线粒体外膜上的PTEN诱导假定激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)。然后PINK1磷酸化线粒体融合素基因-2(Mitoffusin-2,Mfn-2)和泛素,从而将Parkin招募到线粒体外膜上。Parkin可以泛素化特定的底物,并被泛素结合蛋白视神经蛋白(Optineurin,OPTN)、隔离体蛋白1(p62/Sequestosome-1,p62/SQSTM1)、核点蛋白52(Calcium-binding and coiled-coil domain-containingprotein2,NDO52)和自噬受体NBR1识别,进而将线粒体招募到自噬体中,促进线粒体自噬的发生[13]。此外,一些受体也可介导线粒体自噬。

在血管平滑肌细胞中,PINK/Parkin的表达增加导致介导线粒体自噬的增强,从而减缓动脉粥样硬化的形成,是动脉粥样硬化病变的保护因素[14]。巨噬细胞中功能失调线粒体的积累导致产生的ROS大量积累,从而引发斑块中巨噬细胞的凋亡,导致AS斑块中坏死核心的形成[15]。线粒体外膜蛋白Nix介导的线粒体自噬被高蛋白饮食阻断也会加剧AS斑块中巨噬细胞的凋亡[16]。研究发现,巨噬细胞中的脂质可触发真核细胞起始因子2α(eIF2α)反应,同时也会引发线粒体蛋白酶Lonp1,破坏PINK1并阻止Parkin介导的线粒体自噬,导致线粒体氧化应激、激活炎症并分泌白细胞介素-1β(IL-1β),最终促进动脉粥样硬化进程[17]。一旦出现血小板微血栓或微血管闭塞形成的情况,就会缺氧激活FUNDC1介导的线粒体自噬过程,这样可以有效地消除大量线粒体,减少血小板聚集、扩散、降低黏附分子的激活,因此可以有效减慢动脉粥样硬化的发展趋势[18]。总之,线粒体自噬是影响到动脉粥样硬化发展的重要环节之一——它能起到调控该疾病发展的效果,可能是一个新的潜在目标方向。

3 从脾论治冠心病与线粒体自噬调控铁死亡机制

3.1 从脾论治冠心病的研究早期的医学典籍,如《黄帝内经》已经阐述过“寒厥入胃,则内生心痛”。而在《金匮要略·胸痹心痛短气病脉证并治》里详细描述:“胸痹,心中痞,留气结在胸,胸满,胁下逆抢心,枳实薤白桂枝汤主之,人参汤亦主之”,这标志着从脾胃论治心胸疾病开始成为一种新趋势。此外孙思邈的《备急千金要方》强调说“心劳病者,补脾气以益之,脾旺则感于心矣”,明确指出从脾论治心病。李果烈认为胸痹的病机与心瘀脾痰密切相关,主张调脾以护心[19]。张会永等[20]提出胸痹的发病机制心脉痹阻是由于“脾病脉道不利”所致,因而胸痹与脾关系密切。孙兰军教授认为心脉功能受脾胃影响,从脾胃方面调治冠心病,疗效确切[21]。黄丽娟教授认为心血管的致病因素是脾胃失和与气血阴阳的失调,并提出治疗冠心病之理脾六法[22]。动脉粥样硬化的形成,多由脾虚导致水谷精微运化无力而聚生痰浊,痰瘀互结伏于血脉,最终形成脉道不利。因此,动脉粥样硬化以脾虚为本,痰瘀互结为标。由此可见,脾的运化失职是引起动脉粥样硬化形成的重要因素,“从脾论治”治疗冠心病具有坚实的中医理论基础,故通过探讨冠状动脉粥样硬化形成与发展的影响因素对于从脾论治冠心病而言具有重要意义。

3.2 线粒体自噬调控铁死亡机制研究近况铁死亡涉及氧化应激,它以生成ROS和脂质过氧化特征而著名。从线粒体的角度来看,它能调节铁、氧化应激、脂质和能量代谢等方面,从而对铁死亡的过程起到调控作用[23]。许多研究都揭示了线粒体功能在铁死亡中的重要地位[24]。

3.2.1 线粒体对铁死亡的促进作用①电压依赖性阴离子通道(Voltage-depengent anion channel,VDAC):VDAC 是位于线粒体和细胞质之间的通道,可在RAS-RAF-MEK通路的作用下上调,导致线粒体功能障碍和ROS积累[25]。药物可用于改变VDAC的通透性,从而导致线粒体代谢紊乱,大量物质进入线粒体而产生过多的ROS,促进铁死亡的发生。②心磷脂(Cardiolipin,CL):CL是线粒体内膜的重要磷脂成分,与细胞色素c(Cytochrome c,Cytc)紧密结合形成复合物。有研究表明,CL的酰基链一旦被过氧化,其疏水性就会减弱,并发生构象变化,CL的过氧化反应可能会破坏细胞色素C和内膜的结构,从而导致细胞色素C释放出来参与线粒体中的呼吸链,从而产生大量的ROS[26,27],促进细胞铁死亡的发生。⑤酰基辅酶A合成酶长链家族4(AcylcoA synthetase long-chain family member 4,ACSL4):ACSL4是一种位于线粒体外膜的长链家族蛋白。有研究证明,ACSL4主要选择不饱和脂肪酸催化脂肪酸酰辅酶A的形成,从而激活相应的脂肪酸用于脂肪酸氧化或脂质生物合成[28],诱导铁死亡发生。

3.2.2 线粒体对铁死亡的抑制作用①CDGSH铁硫结构域1(CDGSH iron sulfur domain 1,CISD1):CISD1是锚定在线粒体外膜上的一种蛋白质,具有调节线粒体呼吸和铁吸收的功能。研究发现,用RNAi转染细胞后,线粒体CISD1受到抑制,细胞对铁死亡诱导剂Erastin的敏感性增加。研究人员使用了多种铁死亡抑制剂来抑制因CISD1缺乏而导致的铁死亡,证明了CISD1对Erastin诱导的铁死亡有抑制作用[29]。②XJB-5-131:XJB-5-131 作为线粒体中心磷脂氧化的抑制剂,能够通过抑制心磷脂介导的脂质过氧化来抑制细胞内铁的死亡。③线粒体铁蛋白(Mitochondrialferritin,FtMt):FtMt是一种位于线粒体中的铁储存蛋白,它能够调控线粒体中的铁代谢过程。研究结果表明,相较于对照组,用Erastin处理的细胞内游离铁含量显著提升,然而,在加入FtMt蛋白后,细胞内的游离铁含量却有所下降,这说明FtMt可以通过调控铁代谢来影响细胞中的铁死亡。

4 结语

笔者已经在前面提到多个线粒体中参与调控铁死亡的蛋白,这表明线粒体在铁死亡过程中起着重要角色。从线粒体出发,当线粒体进行选择性自噬后,会对铁死亡产生相应效果,并最终影响动脉粥样硬化的发展。综上所述,在动脉粥样硬化发病过程中,线粒体通过正负调控铁死亡的发生,从而影响线粒体自噬调控铁死亡之间的关系。近年来,线粒体自噬、铁死亡对冠心病的影响引起了研究人员的广泛关注,大量研究报告表明,这2种机制参与了大量的代谢途径和信号通路,但这2种机制之间的相互协调方式仍难以厘清。通过从脾论治冠心病出发,与线粒体自噬调控铁死亡机制联系,有望为临床治疗冠心病的预防、诊断与治疗提供更多可能性。