中醫藥調控線粒體自噬防治眼科疾病的研究*

晏 鑫,邢 凱,亢澤峰△,孫宏睿

(1.中國中醫科學院眼科醫院,北京 100040;2.北京市昌平區中醫醫院,北京 102200)

視覺作為人類感知和認識世界最重要的途徑之一,是正常生活、工作的基本條件之一。隨著經濟發展和生活水平的顯著提高,人均壽命不斷增長,年齡相關性眼病的患病率逐年升高,嚴重影響人們的生存質量,在全球范圍內都造成了巨大的醫療和經濟負擔。近年來大量研究發現眼科疾病的發生多與線粒體的狀態密切相關。線粒體自噬與一系列生理和病理過程相關,例如細胞分化、細胞凋亡、衰老、退行性疾病等[1]。近年來,大量研究發現線粒體自噬的失調與眼科疾病的進展相關,因此通過調控線粒體自噬防治眼科疾病引起了大量關注。中醫藥治療眼科疾病具有獨特的優勢,開發潛力大。因此本文對線粒體自噬防治眼科疾病進行綜述,探討線粒體自噬在眼科疾病中的作用,并總結分析中醫藥調控線粒體自噬以防治眼科疾病的研究成果,以期為中醫藥防控眼科疾病提供一定的理論依據。

1 線粒體自噬的發生機制

線粒體自噬對于生理條件下線粒體更新和維持至關重要,同時它也能在各種病理應激下強烈激發,如線粒體跨膜電位異常、缺氧、氧化應激等[2]。目前已經報道了幾種線粒體自噬機制,由不同的刺激因素會誘導不同的機制來激活線粒體自噬。線粒體自噬可分為泛素蛋白連接酶(parkin rbr e3 ubiquitin protein ligase, PRKN)依賴性和PRKN非依賴性途徑。

1.1 PRKN依賴性線粒體自噬

PRKN依賴的線粒體自噬是目前的研究熱點,主要由蛋白激酶(pten induced putative kinase , PINK)1和PRKN介導[3]。該通路控制泛素依賴的線粒體自噬影響許多線粒體生理、病理過程,包括線粒體生物合成、動力學和自噬機制[4]。在生理情況下,PINK1通過外膜轉位酶和線粒體內膜復合物轉位酶以膜電位依賴的方式轉移到線粒體內膜,隨后,PINK1被線粒體駐留的絲氨酸蛋白酶切割,將PINK1維持在較低水平[5]。由于絲氨酸蛋白酶老化,減弱了阻斷PINK1對跨膜電位丟失的反應能力,跨膜電位的丟失可能會破壞PINK1向線粒體內膜的易位,導致未清除的PINK1在線粒體外膜上積聚。之后,積累的PINK1通過直接磷酸化PRKN泛素樣改變,促進細胞質中PRKN的激活[6]。因此,泛素化和去泛素化控制PRKN依賴的線粒體,兩者之間的平衡對線粒體和細胞內穩態至關重要。

1.2 PRKN非依賴性線粒體自噬

PRKN非依賴性線粒體自噬途徑主要依賴于受體蛋白,這些受體蛋白通過其輕鏈蛋白(protein light chain, LC)3相互作用區直接與LC3和γ氨基丁酸A受體(gaba type a receptor-associated protein, GABARAP)基因相互作用,激活線粒體自噬以清除老化的或功能障礙的線粒體[7]。如含有LC3相互作用區的磷酸化促凋亡調節基因(anti-phospho-bnip, BNIP)3能夠直接結合LC3-GABARAP啟動線粒體自噬,無須經歷泛素化過程。BNIP3是缺氧誘導基因,由缺氧誘導因子(hypoxic inducible facter, HIF)-1α轉錄調控,HIF-1α可以上調BNIP3的表達,從而在缺氧條件下促進線粒體自噬。此外,BNIP3也受核轉錄因子(nuclear transcription factor, NF)-κB的轉錄調控,將線粒體自噬與常見的炎癥信號通路聯系起來[8]。

2 中醫藥調控眼科疾病中的線粒體自噬

2.1 年齡相關性黃斑變性

視網膜色素上皮細胞(retinal pigment epithelium, RPE)和感光細胞在維持視覺中起重要作用。而RPE細胞的死亡是年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration, AMD)的一個重要因素。大量研究提出線粒體自噬可能是發生AMD重要的機制之一。生理條件下角蛋白(keratin, KRT)8被發現通過網格蛋白(plectin, PLEC)與線粒體相互作用,促進線粒體自噬,減少受損線粒體的積累,從而減少RPE細胞死亡。然而,氧化應激條件下會抑制PLEC與KRT8之間的聯系,從而促進RPE細胞死亡[9]。神經酰胺激酶樣(ceramide kinase-like, CERKL)是一種新發現的保護RPE細胞免受氧化應激損傷的基因,它的確切功能尚不完全清楚。有研究顯示,CERKL參與自噬、氧化應激和線粒體自噬的調節[10]。CERKL基因缺失增加了RPE細胞線粒體的脆弱性,導致RPE細胞線粒體體積減小和形狀的改變,缺乏CERKL的RPE細胞在氧化應激條件下線粒體呼吸功能嚴重失調[11]。

槲皮素是植物界廣泛分布的天然抗氧化劑,在側柏葉、高良姜、款冬花、桑寄生、三七等中藥中具有較高含量,可以通過Nrf-2-PGC-1α-Sirt1信號通路上調超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)的水平以調節線粒體活性氧水平,從而促進線粒體自噬,抑制RPE細胞凋亡[12]。葡萄皮多酚具有豐富的多酚類提取物,是高效的抗氧化劑,其提取物可以降低LC3-Ⅱ在RPE細胞中的表達,從而保護和維持細胞內線粒體自噬,抑制RPE細胞凋亡[13]。萊菔素是中藥萊菔子的主要有效成分之一,可以通過維持核因子紅系2相關因子(nuclear factor erythroid 2-related factor, Nrf)-2相關的氧化還原狀態,上調沉默調節蛋白(recombinant sirtuin, SIRT)1和過氧化物酶體增殖受體γ輔激活因子(peroxisome proliIerators-activated receptor γ coactivator lalpha, PGC)-1α的表達,從而促進線粒體自噬起到對RPE細胞的保護作用[14]。甘草酸苷是一種從甘草中提取的生物活性三萜皂苷,它可以抑制活性氧的產生,并促進蛋白激酶(Aprotein kinase , Akt)磷酸化,上調Nrf-2表達,從而提高線粒體自噬水平,并抑制氧化應激來保護RPE細胞[15]。上述研究顯示槲皮素和葡萄皮多酚可以通過抗氧化來提高細胞內線粒體自噬水平,從而抑制RPE細胞凋亡;萊菔素和甘草酸苷可以通過維持Nrf-2相關的氧化還原狀態,從而維持線粒體自噬水平來保護RPE細胞,而RPE細胞凋亡是AMD的重要因素,無論是抑制RPE細胞凋亡還是保護RPE細胞都可以針對AMD起到治療及預防作用。

2.2 糖尿病視網膜病變

糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy, DR)是糖尿病最常見的微血管病變之一,會導致內皮細胞、周細胞、神經節細胞等細胞的死亡[16]。膽汁酸膜受體G蛋白偶聯受體(type g protein-coupled receptor, TGR) 5激活可以通過抑制PKCδ / Drp1-HK2信號通路降低線粒體損傷并增強視網膜內皮細胞中的線粒體自噬,調節細胞線粒體穩態,從而抑制視網膜內皮細胞凋亡[17]。動力相關蛋白(dynamin related protein, Drp)1基因在DR的內皮細胞內高表達,將其敲除可以抑制視網膜內皮細胞內活性氧水平,并抑制自噬相關蛋白LC3-Ⅱ和自噬效應蛋白Beclin1的表達,從而上調線粒體自噬水平,發揮視網膜內皮細胞的保護作用[18]。腺苷活化蛋白激酶(adenosine-activated protein kinase, AMPK)可以上調凋亡相關蛋白兔抗人單克隆抗體(homo sapiens bcl2 associated x, apoptosis regulator, Bax)的表達,下調Beclin-2和LC3的表達,并且改善線粒體相關基因表達、跨膜電位和線粒體形態,表明AMPK可以通過刺激線粒體自噬抑制視網膜內皮細胞凋亡[19]。

海藻糖是主要存在于蟲類中藥中的一種自噬誘導劑,可以通過抑制SLC2A8/GLUT8受體,以激活AMPK來增強線粒體自噬,保護視網膜血管內皮細胞[20]。白藜蘆醇是常見的植物多酚化合物,主要存在于虎杖、決明子等中藥,能通過SIRT1激活增加AMPK活性以上調線粒體自噬水平,并抑制NF-κB控制炎癥且減少活性氧生成,從而發揮其對視網膜神經節細胞的保護作用[21-22]。大麻衍生物對視網膜的保護作用開始被發現,它起著重要的神經保護和神經再生作用,通過抑制絲裂原活化蛋白激酶降低糖尿病動物的神經毒性、炎癥和血視網膜屏障被破壞[23-24]。有研究指出大麻二酚可以有效改善DR的血管滲漏,其中的機制可能與抗氧化、抗炎和調節線粒體自噬相關[25]。DR作為糖尿病常見的微血管并發癥之一,常影響到多種細胞的生存,海藻糖可以保護視網膜血管內皮細胞,白藜蘆醇可以保護視網膜神經節細胞,從而延緩DR的進展,且近期研究發現大麻衍生物具有顯著的抗滲漏作用,但其自身具有毒性及成癮性,還需進一步研究明確安全劑量及提升提取工藝,以降低不良反應。

2.3 白內障

白內障是由于晶狀體渾濁,導致視網膜成像模糊,它的形成涉及多種信號通路,如氧化應激、炎癥、自噬等[26]。有研究顯示,衰老的AMPK失活導致線粒體自噬水平下降,進一步造成晶狀體上皮細胞(lens epithelial cells, LECs)衰老從而發生年齡相關性白內障[27]。激活AMPK可以延緩LECs的衰老并強化線粒體自噬水平[28]。年齡相關性白內障患者LECs中SIRT1、LC3-Ⅱ/LC3-I表達增加,導致線粒體自噬被抑制進一步造成LECs細胞凋亡增加。

槲皮素可以通過調節TGFβ2/PI3K/Akt信號通路調控線粒體自噬水平,以抑制晶狀體蛋白變性及LECs凋亡,并且可以抑制白內障中LECs間質轉化,減少LECs損傷[29-30]。房水中各種細胞生長因子通常協調晶狀體的發育和維持晶狀體的動態平衡,其引起的調控系統對LECs的增殖與分化產生影響并導致白內障形成[31],穿心蓮內酯是中藥穿心蓮的有效成分,可以有效通過抑制Akt的磷酸化誘導線粒體自噬水平上調,從而來抑制由于生長因子誘導的LECs增殖和遷移[32]。p38信號通路作為MAPK信號通路里的一個亞型,在調控自噬中發揮重要作用,香豆酸作為白花蛇舌草的提取物之一,能通過降低p38、氨基末端激酶(c-Jun n-terminal kinase, JNK)和細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase, Erk)的磷酸化和激活來調節線粒體自噬水平,同時具有抗氧化損傷的作用來保護LECs[33]。表沒食子兒茶素是綠茶中含量最高的茶多酚,可通過下調 MAPK、Akt和Erk的激活,減輕由于氧化應激誘導過度的線粒體自噬水平導致的LECs凋亡[34]。線粒體自噬需要在體內維持穩態,當其呈現過高水平,會導致LECs細胞損傷,當其水平過低,則會導致功能障礙或衰老的細胞器殘留及過度的細胞增殖,槲皮素、香豆酸和表沒食子兒茶素可以降低線粒體自噬水平保護LECs,而穿心蓮內酯則提升線粒體自噬水平抑制LECs的過度增殖,通過維持線粒體自噬和LECs的穩態來防止白內障的發生。

2.4 青光眼

青光眼是主要由于眼壓升高而導致視網膜神經節細胞(retinal ganglion cells, RGCs)逐漸凋亡而發生的一類視神經疾病。青光眼患者視神經中磷酸化的AMPK水平升高,而AMPK的激活增加導致RGCs的突觸消除和樹突收縮[35]。有研究在哺乳動物青光眼小梁網細胞中觀察到細胞外基質(extracellular matrix, ECM)成分和轉化生長因子(transforing growth factor , TGF)-β2的高沉積[36]。目前研究已知激活AMPK可以通過Ras 同源基因家族成員 A(Recombinant Ras Homolog Gene Family, Member A, RhoA)磷酸化下調小梁網細胞中ECM蛋白,然而當RhoA未磷酸化時,AMPK會通過RhoA/ROCK途徑誘導ECM沉積[37]。并且有研究提出眼壓的升高和玻璃體內PI3K/Akt和JAK/STAT通路的失活均會降低視網膜中RGCs的存活[38]。

白藜蘆醇是虎杖中一種重要的多酚類有效成分,可以通過抑制p38/p53通路的同時激活PI3K/Akt通路來下調線粒體自噬水平,從而減輕由于缺血損傷引起的RGCs凋亡和視網膜功能損害[39]。枸杞為眼科最常使用的中藥之一,有研究指出枸杞可以通過激活JNK/c-jun通路上調線粒體自噬水平,延遲了繼發性RGCs變性并改善了視網膜功能[40]。Hatziagapiou等[41]在研究缺血/再灌注損傷大鼠模型中,發現腹腔注射藏紅花提取物可以激活PI3K/Akt信號通路,調節細胞中線粒體自噬水平,清除由于缺血損傷的細胞器,以從而保護RGCs。有研究指出,青光眼濾過術后5年失敗率高達30%[42]。青蒿琥酯是青蒿素的衍生物,可以上調LC3-Ⅱ和Beclinl的表達,增強Tenon囊成纖維細胞的線粒體自噬水平,通過抑制細胞增殖來抑制青光眼濾過術后通道瘢痕形成[43]。上述研究表明白藜蘆醇可以下調線粒體自噬水平,減輕RGCs的凋亡,而藏紅花提取物可以增強線粒體自噬,清除受損細胞器來保護RGCs,兩者都可以延緩青光眼所導致的RGCs凋亡,控制青光眼的進程,而青蒿琥酯則可以通過增強線粒體自噬來抑制青光眼濾過術后瘢痕形成,降低青光眼術后的復發率。

2.5 其他眼科疾病與線粒體自噬

有證據表明,干眼與氧化應激具有顯著的相關性,但角膜上皮細胞可以通過誘導線粒體自噬來減少氧化損傷[44]。顆粒性角膜營養不良[45]由TGF-β1基因上R124H位點突變引起,正常情況下TGFβ1通過角膜成纖維細胞中的線粒體自噬被降解,但顆粒性角膜營養不良出現突變的R124H大量積累。有研究發現透射電鏡下顯示在Fuchs內皮性角膜營養不良中,線粒體脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid, DNA)損傷誘導了線粒體自噬,線粒體自噬的上調激活了線粒體融合蛋白的降解,從而導致更多的線粒體受損[46]。視網膜動脈阻塞的發生與動脈粥樣硬化相關,而它們的發病與脂質和脂蛋白的堆積顯著相關,線粒體自噬在一定程度上可以清除這些脂質和脂蛋白,但線粒體自噬水平上升可能也會促進動脈粥樣硬化斑塊的脫落,增加了視網膜動脈阻塞的風險[47]。上述研究顯示線粒體自噬與眼科疾病廣泛相關,可以將其作為進一步研究治療策略的抓手,目前尚無中醫藥通過調控線粒體自噬治療或防控的相關研究,還需今后進一步研究。

3 結語

本文較為全面地總結了線粒體自噬在眼科疾病的機制以及中醫藥調控線粒體自噬防治眼科疾病的研究,證實線粒體自噬確實參與眾多眼科疾病的發生發展,且中醫藥能夠調控相應的靶點,從而防止疾病的發生發展。但目前大多研究尚處于初步發展階段,仍有較多不足。其一,目前大多數研究為動物研究,從動物研究成果轉化到臨床使用階段還有較大距離;其二,目前研究多集中于中藥單體及有效成分的研究,未能研究到方劑中藥物間配伍關系,不能發揮中醫藥特有的優勢,對于中藥中的有效成分研究也不完整,覆蓋不全面;其三,目前的研究大多對經典的信號通路進行研究,未能發掘新的靶點和治療機制,不能體現中醫藥多靶點作用的優勢。整體觀念和辨證論治是中醫藥最大的優勢和特點,中藥復方的配伍更靈活,且取得的效果更佳,因此今后還需加強中醫思想、中醫理念,對中藥復方進行研究。線粒體自噬是一把雙刃劍,如何利用線粒體自噬機制發揮中醫藥優勢,還需今后進一步研究,以為臨床中醫藥調控線粒體自噬防治眼科疾病提供更多、更高質量的參考依據。