沈瑞華 綜述 喬 晞 審校

急性腎損傷(AKI)指各種原因引起的短期內(nèi)腎功能急劇下降的臨床綜合征,全球平均死亡率為23%,在需要腎臟替代治療的AKI患者中高達(dá)49.4%[1]。嚴(yán)重創(chuàng)傷導(dǎo)致低血容量、器官移植手術(shù)、膿毒癥、應(yīng)用腎毒性藥物等事件的發(fā)生越來越頻繁,AKI的發(fā)病率、死亡率逐年增加,由此帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過乳腺癌、心力衰竭、糖尿病等疾病[1]。因此,如何改善AKI患者預(yù)后是重要的全球醫(yī)療衛(wèi)生問題。

線粒體功能異常參與了許多疾病的發(fā)生、進(jìn)展過程。有選擇地清除受損和功能障礙的線粒體,稱為線粒體自噬[2]。線粒體自噬對于維持線粒體的正常功能非常重要。近年來的研究顯示,線粒體自噬異常是導(dǎo)致AKI的重要機(jī)制,靶向干預(yù)線粒體自噬有望改善AKI預(yù)后。本文就線粒體自噬在AKI中的保護(hù)作用及機(jī)制、干預(yù)線粒體自噬在AKI治療中的前景做一綜述。

線粒體自噬在AKI中的作用

自噬是由一組自噬相關(guān)基因介導(dǎo),由溶酶體的水解酶降解細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器、蛋白質(zhì)和其他大分子的一個(gè)進(jìn)化保守的多步驟過程,在AKI中通過清除和回收受損的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì),減輕氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng),促進(jìn)腎小管上皮細(xì)胞增殖和修復(fù)[2-3]。線粒體自噬需要協(xié)調(diào)激活自噬和啟動(dòng)線粒體兩個(gè)過程。研究發(fā)現(xiàn)主要有兩種線粒體啟動(dòng)機(jī)制,第一種途徑由PTEN誘導(dǎo)的假定激酶1(PINK1)/E3泛素連接酶Parkin(PARK2)介導(dǎo)[4-5],第二種途徑由兩種Bcl-2家族蛋白:Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3(BNIP3)和Nip3樣蛋白X介導(dǎo)[6-8]。FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1(Fundc1)是一種新型線粒體自噬受體,通過與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3的直接結(jié)合激活線粒體自噬[9]。

腎小管上皮細(xì)胞富含線粒體,維持線粒體正常功能對腎臟功能至關(guān)重要。AKI時(shí),腎小管上皮細(xì)胞是細(xì)胞損傷和死亡的主要部位,細(xì)胞中線粒體出現(xiàn)碎裂、腫脹、基質(zhì)空泡形成、線粒體嵴消失等受損表現(xiàn)[4-5,10]。當(dāng)線粒體自噬缺陷時(shí),受損的線粒體不僅導(dǎo)致細(xì)胞能量代謝障礙,而且是活性氧(ROS)的主要來源[11]。ROS介導(dǎo)氧化應(yīng)激,破壞線粒體DNA(mtDNA)的穩(wěn)定性[12],并與mtDNA一起作為損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)釋放至細(xì)胞質(zhì)中,激活炎癥反應(yīng)[5,13]。線粒體自噬通過清除受損線粒體,減少線粒體來源的ROS(mtROS)介導(dǎo)的氧化應(yīng)激和抑制后續(xù)細(xì)胞凋亡的激活,減少mtROS、mtDNA介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。與自噬相比,線粒體自噬還清除mtROS來促進(jìn)維持細(xì)胞能量代謝[12],抑制過度激活的線粒體分裂[9],從而調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制。如表1所示,在腎臟缺血再灌注損傷(IRI)、順鉑、對比劑、膿毒癥誘導(dǎo)的AKI中,線粒體自噬的激活機(jī)制略有差異,但都對AKI具有重要的保護(hù)作用。

表1 不同因素誘導(dǎo)的AKI中線粒體自噬的激活機(jī)制及其保護(hù)作用

線粒體自噬減輕AKI組織損傷的機(jī)制

減少ROS蓄積線粒體產(chǎn)生ATP的過程依賴于線粒體內(nèi)膜上的一系列電子轉(zhuǎn)移,又稱為線粒體電子傳遞鏈或呼吸鏈,一些高能電子從呼吸鏈中泄漏出來,與氧氣反應(yīng)形成ROS。在損傷應(yīng)激條件下,在功能障礙的線粒體中,由于呼吸鏈的電子傳遞中斷,超氧陰離子自由基等ROS的產(chǎn)生增加[11]。在IRI誘導(dǎo)的AKI模型中,電鏡下可見PINK1或PARK2基因敲除小鼠的腎小管上皮細(xì)胞中線粒體損傷加重,mtROS生成進(jìn)一步增加[4],說明線粒體自噬與ROS的產(chǎn)生相關(guān)。在腎臟IRI后,BNIP3基因敲除小鼠腎組織中的ROS水平顯著高于野生型小鼠[6],且BNIP3過表達(dá)能逆轉(zhuǎn)缺氧誘導(dǎo)因子1α敲除引起的線粒體自噬抑制、ROS生成增加、腎臟損傷加重現(xiàn)象[8]。因此,IRI誘導(dǎo)的AKI可導(dǎo)致線粒體損傷和腎小管上皮細(xì)胞ROS生成增加,并且當(dāng)線粒體自噬受抑制時(shí),組織的氧化損傷加重。在順鉑[15]、對比劑[5]、膿毒癥[10]誘導(dǎo)的AKI中,也觀察到相似的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔活化子1α(PGC-1α)是促進(jìn)線粒體生物合成的關(guān)鍵因子,可以促進(jìn)清除ROS,順鉑抑制其表達(dá),可能也是AKI誘導(dǎo)mtROS增加的原因之一[16]。mtROS還促進(jìn)細(xì)胞凋亡,在腎臟IRI、順鉑、對比劑誘導(dǎo)的AKI中,線粒體自噬基因敲除小鼠腎皮質(zhì)中的促凋亡蛋白,即caspase-3活性片斷和Bax表達(dá)增加,而抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)下降,腎小管上皮細(xì)胞凋亡明顯增加[4-9,15]。在生理?xiàng)l件下,細(xì)胞色素c以游離態(tài)存在于線粒體內(nèi)外膜間隙中,或與心磷脂結(jié)合固定在線粒體內(nèi)膜。mtROS誘導(dǎo)心磷脂過氧化,將細(xì)胞色素c轉(zhuǎn)化為過氧化物酶,從而進(jìn)一步氧化心磷脂,促進(jìn)線粒體外膜通透性增加,并隨后將細(xì)胞色素c釋放至胞漿中,導(dǎo)致caspases激活和細(xì)胞凋亡[17]。細(xì)胞死亡時(shí)釋放mtROS也會(huì)進(jìn)一步增加中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞浸潤,激活炎癥反應(yīng)[4]。

恢復(fù)能量代謝mtDNA編碼了線粒體電子傳遞鏈中的13種蛋白質(zhì),是能量代謝中的重要組成部分[18]。當(dāng)線粒體自噬受抑制時(shí),mtROS易導(dǎo)致mtDNA氧化損傷[5]。線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(Tfam)是調(diào)節(jié)mtDNA拷貝數(shù)和激活mtDNA轉(zhuǎn)錄的重要因子,參與線粒體生物合成, 并通過和mtDNA相互結(jié)合,維持mtDNA的穩(wěn)定性[18]。線粒體自噬缺陷誘導(dǎo)mtROS生成增加,抑制Tfam功能,導(dǎo)致mtDNA拷貝數(shù)下降、能量代謝障礙[12]。此外,缺氧損傷誘導(dǎo)能量代謝轉(zhuǎn)換為糖酵解,通過降低氧化磷酸化和減少mtROS的生成來降低氧耗,并增強(qiáng)細(xì)胞抵御氧化損傷的能力[19]。與此類似,在順鉑誘導(dǎo)的AKI中,線粒體能量代謝的基礎(chǔ)水平、最大水平下降[20],由于ATP生成減少,隨后可能激活A(yù)MP活化的蛋白激酶(AMPK)。AMPK通過激活去乙?；窼irtuin1[21],繼而通過翻譯后修飾激活PGC-1α[22],促進(jìn)線粒體的生物合成,從而增加ATP合成,彌補(bǔ)能量代謝的缺口。因此,線粒體自噬通過減少mtROS生成,維持mtDNA的穩(wěn)定性。同時(shí),損傷使線粒體能量代謝轉(zhuǎn)向生存所需,激活A(yù)MPK重新調(diào)整能量消耗,并最終通過促進(jìn)線粒體生物合成,維持能量代謝平衡。

減輕炎癥反應(yīng)NOD樣受體家族pyrin結(jié)構(gòu)域-3(NLRP3)炎癥小體主要由受體蛋白NLRP3、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白和下游的caspase-1組成。NLRP3可觸發(fā)caspase-1的自我裂解和成熟,促進(jìn)包括白細(xì)胞介素(IL)-1β和IL-18在內(nèi)的各種炎性細(xì)胞因子的合成和分泌,促進(jìn)炎癥形式的程序性細(xì)胞溶解死亡,即細(xì)胞焦亡[13]。PINK1或PARK2基因敲除增加對比劑激活的NLRP3炎癥小體的表達(dá),加重腎損傷,而應(yīng)用自噬激活劑3-甲基腺嘌呤后則與此相反[5],說明線粒體自噬通過減少NLRP3炎癥小體的激活和下游細(xì)胞因子的產(chǎn)生和成熟來抑制炎癥反應(yīng),從而在AKI中發(fā)揮腎臟保護(hù)作用。此外,NLRP3或caspase-1基因敲除小鼠體內(nèi)線粒體自噬小體增多,減輕線粒體結(jié)構(gòu)、功能障礙[7],表明NLRP3炎癥小體受抑制時(shí)能促進(jìn)線粒體自噬。與此同時(shí),在應(yīng)激條件下抑制線粒體自噬會(huì)導(dǎo)致受損線粒體釋放的mtROS增加,進(jìn)而激活NLRP3炎癥小體,增加炎性細(xì)胞因子的釋放[5,13]。

維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)在生理?xiàng)l件下,線粒體通過線粒體外膜上的融合促進(jìn)蛋白1(Mfn1)和Mfn2融合在一起,該過程還需激活線粒體內(nèi)膜上視神經(jīng)萎縮1(OPA1)蛋白,從而促進(jìn)線粒體之間的代謝物和底物的交換,對受損的線粒體成分進(jìn)行補(bǔ)充,維持線粒體網(wǎng)絡(luò)的最佳功能;同時(shí)通過激活線粒體外膜上的動(dòng)力相關(guān)蛋白1(Drp1)促進(jìn)線粒體分裂,分離出受損或功能障礙的線粒體部分,隨后該部分被線粒體自噬降解[23]。在腎臟IRI誘導(dǎo)的AKI中,線粒體中Drp1和Drp1受體表達(dá)增加,Mfn1和OPA1表達(dá)減少[24]。順鉑也導(dǎo)致相似的線粒體動(dòng)力學(xué)失衡,通過誘導(dǎo)Drp1的637位[25]、656位[26]絲氨酸的磷酸化,促進(jìn)Drp1向線粒體募集,導(dǎo)致線粒體過度分裂,使mtROS、mtDNA釋放增加,腎小管損傷、腎功能下降更顯著。當(dāng)線粒體自噬受抑制時(shí),線粒體分裂被過度激活,通過敲除Drp1基因或應(yīng)用線粒體分裂抑制因子1則可以逆轉(zhuǎn)該現(xiàn)象[9, 14],說明線粒體自噬通過抑制過度激活的線粒體分裂,維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)。

此外,Drp1通過調(diào)節(jié)線粒體能量代謝相關(guān)分子進(jìn)一步促進(jìn)線粒體功能失調(diào)。近端腎小管特異性缺失Drp1使細(xì)胞基礎(chǔ)耗氧率、ATP產(chǎn)生和儲(chǔ)備能力增加[27],說明維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)促進(jìn)能量代謝的恢復(fù)。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是線粒體能量代謝的核心成分之一,PGC-1α介導(dǎo)NAD的從頭合成,同時(shí)煙酰胺可以通過煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(Nampt)補(bǔ)救途徑合成NAD[28]。腎臟IRI抑制Nampt、PGC-1α表達(dá)[16],近端腎小管特異性敲除Drp1增加了腎組織中Nampt的轉(zhuǎn)錄水平,血漿肌酐水平、急性腎小管壞死和腎損傷標(biāo)志物的表達(dá)下降[27],表明Drp1通過抑制Nampt途徑,導(dǎo)致線粒體能量代謝受損?？傊?AKI誘導(dǎo)Drp1表達(dá)增加,不僅促進(jìn)線粒體分裂,而且破壞線粒體能量代謝。線粒體自噬通過維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài),可以改善細(xì)胞能量代謝。

針對線粒體自噬治療AKI的潛在靶點(diǎn)

減輕氧化應(yīng)激研究發(fā)現(xiàn)[29],在體外心肌細(xì)胞IRI模型中,右旋普拉克索可通過上調(diào)PINK1和PARK2的表達(dá),減少ROS產(chǎn)生和細(xì)胞凋亡。缺血誘導(dǎo)OPA1表達(dá)下降,當(dāng)OPA1過表達(dá)時(shí),缺血心肌細(xì)胞中線粒體自噬水平上調(diào),抗氧化防御系統(tǒng)成分的表達(dá)增加。研究發(fā)現(xiàn)鳶尾素通過增加OPA1表達(dá),激活線粒體自噬,從而減輕氧化應(yīng)激[30]。IRI是引起AKI最常見的原因,基于上述藥物激活線粒體自噬從而發(fā)揮器官保護(hù)作用的機(jī)制,有望通過激活I(lǐng)RI誘導(dǎo)的AKI中的線粒體自噬,減輕氧化應(yīng)激,作為治療AKI的靶點(diǎn)。

改善能量代謝研究發(fā)現(xiàn)[31],恩格列凈促進(jìn)心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞中線粒體自噬。內(nèi)皮細(xì)胞特異性AMPK敲除或Fundc1敲除小鼠更易受到IRI損傷。當(dāng)敲減心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞AMPK的表達(dá)后,Fundc1的表達(dá)隨之下降,說明恩格列凈通過誘導(dǎo)AMPK的表達(dá),激活Fundc1介導(dǎo)的線粒體自噬。如前所述,AMPK與線粒體生物合成、改善能量代謝密切相關(guān),因此恩格列凈可能通過激活線粒體自噬、改善線粒體能量代謝,成為AKI潛在的治療靶點(diǎn)。

減輕炎癥反應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)[32],右美托咪定通過上調(diào)PINK、PARK2的轉(zhuǎn)錄水平,抑制膿毒癥誘導(dǎo)的炎性細(xì)胞因子的表達(dá),從而改善AKI大鼠腎臟結(jié)構(gòu)和功能。在盲腸結(jié)扎穿孔誘導(dǎo)的大鼠膿毒癥模型中,尾靜脈注射骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)能有效抑制膿毒癥對NLRP3炎癥小體的激活作用,且敲除PARK2基因后,逆轉(zhuǎn)了BMSC對細(xì)胞焦亡的抑制作用[33]。如前所述,PINK/PARK2途徑介導(dǎo)的線粒體自噬負(fù)向調(diào)節(jié)NLRP3炎癥小體的表達(dá),從而抑制細(xì)胞焦亡、炎癥反應(yīng)。所以,右美托咪定、BMSC有望通過激活線粒體自噬、抑制炎癥反應(yīng),成為治療膿毒癥AKI和改善預(yù)后的靶點(diǎn)。

調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)解偶聯(lián)蛋白2(UCP2)是一種線粒體內(nèi)膜蛋白,研究發(fā)現(xiàn)UCP2缺失加劇了缺氧誘導(dǎo)的腎小管上皮細(xì)胞中線粒體分裂[24],用共軛亞油酸喂養(yǎng)IRI小鼠能上調(diào)UCP2的表達(dá),抑制線粒體分裂、減輕腎小管上皮細(xì)胞損傷。在急性缺血心肌細(xì)胞中,UCP2過表達(dá)顯著增強(qiáng)了IRI誘導(dǎo)的線粒體自噬[34]。所以,UCP2可能通過激活線粒體自噬、調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài),有望治療腎臟IRI誘導(dǎo)的AKI。

小結(jié):隨著缺血、膿毒癥和腎毒性藥物等誘發(fā)AKI的因素越來越普遍，AKI的發(fā)病率、死亡率也隨之增加。線粒體是細(xì)胞能量代謝中心，線粒體功能障礙介導(dǎo)AKI中的氧化應(yīng)激、腎小管上皮細(xì)胞能量代謝受損、炎癥反應(yīng)等發(fā)病機(jī)制。如圖1所示，線粒體自噬通過減少mtROS、改善能量代謝、減輕炎癥反應(yīng)、維持線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)，從而減少AKI中腎小管上皮細(xì)胞死亡，改善器官功能，促進(jìn)損傷修復(fù)，調(diào)控線粒體自噬的上下游機(jī)制和相關(guān)途徑有望得到進(jìn)一步研究，從而可將靶向線粒體自噬的相關(guān)藥物向延緩AKI進(jìn)展、改善AKI患者預(yù)后的臨床應(yīng)用進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

圖1 線粒體自噬在AKI中的保護(hù)作用AKI:急性腎損傷;BNIP3:Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3;caspase:含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶;Drp1:動(dòng)力相關(guān)蛋白1;Fundc1:FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1;mtDNA:線粒體DNA;mtROS:線粒體活性氧;Nampt:煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶;NLRP3:NOD樣受體家族pyrin結(jié)構(gòu)域-3; PARK2:E3泛素連接酶Parkin;PINK:PTEN誘導(dǎo)的假定激酶1;PGC-1α:轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔活化子-1α;Tfam:線粒體轉(zhuǎn)錄因子A