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全身麻醉药物对心肌细胞自噬作用的影响

全身麻醉药物对心肌细胞自噬作用的影响

 

围术期如何防治心肌缺血一再灌注(ischemia-reperfusionIR)损伤是基础也是临床工作者关注的重点。细胞自噬(autophagy)是将细胞内受损、变性或衰老的蛋白质以及细胞器运输到溶酶体内进行消化降解的过程。细胞自噬是一把“双刃剑”,适度的自噬保护细胞免受环境刺激的影响,而自噬过度和自噬不足可能导致疾病及损伤的发生。近年来有研究显示,一些全身麻醉药物心肌保护的作用机制可能与调节自噬水平,减少自噬性心肌细胞死亡有关,这可能为心肌保护的深入研究与临床应用提供新的思路。

 

1.细胞自噬与心肌IR损伤

 

发生心肌IR损伤时,细胞发生明显病理生理改变,包括细胞能量代谢障碍、钙超载、活性氧的大量生成、线粒体损伤、异常蛋白聚集和内质网应激等,这些改变可严重影响心肌细胞功能。近年的研究显示,细胞自噬在心肌IR损伤过程中可能扮演重要角色。自噬的调节机制十分复杂,磷脂酰肌醇一3一羟激酶(P13K)、雷帕霉素靶蛋白(roTOR)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)等都参与了自噬的调节;其诱导因素包括营养素、生长激素的缺乏、IR损伤、氧应激和内质网应激等。生理状态下的自噬对维持心肌细胞的稳态起到重要作用,而在病理状态下,自噬作用变得十分复杂。在缺血期,心肌缺血缺氧,细胞发生能量代谢障碍,细胞内AMP/ATP比值的升高激活AMPK,阻滞mTOR,使自噬增强。

 

缺氧及能源物质的缺乏等因素也可直接抑制mTOR,使自噬增强。研究发现,AMPK不仅可以通过抑制mTOR增强自噬作用,还可直接使ULKl磷酸化,诱导自噬的发生。在再灌注期,呼吸爆发,产生大量的自由基、活性氧,线粒体通透性增加,心肌细胞主要通过上调Beclinl表达,提高心肌的自噬水平,其中抗凋亡蛋白Bcl-2Beclinl的相互作用对自噬水平起到重要的调节作用。在这两条主要的信号通路之外,还有一些信号通路参与到自噬的调节。

 

心肌细胞发生钙超载时,胞内Ca2+可以激活钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaMKKB),再通过激活AMPK信号通路增强自噬。在缺血期低氧的刺激下,可产生缺氧诱导因子1α(HIF-1α),参与自噬的调节,但具体信号通路尚不清楚,且目前认为HIF-la主要参与线粒体自噬(自噬的一种亚型)的调节。

 

在心肌珉损伤过程中,自噬水平的改变如何影响心肌仍然存在争议,比较一致的观点是:缺血期自噬水平的上调有利于细胞的存活,再灌注期自噬性细胞死亡的增加不利于细胞的存活。如前文所述,虽然两个阶段的自噬信号调节通路存在一定差异,但又难以将两者完全区别。Matsui等研究认为,缺血期低氧、能量代谢障碍、ATP生成减少,可能通过AMPK-mTOR途径的激活增强自噬,促进细胞内物质的循环利用及能量的产生,清除受损以及错误折叠的蛋白质、受损的线粒体,以维持细胞稳态,从而保护心肌细胞。再灌注期中性粒细胞产生呼吸爆发,线粒体产生大量的活性氧,通过增加Beclinl的表达促进白噬,清除大量的细胞器及胞内蛋白,导致细胞严重受损和自噬性细胞死亡增加。

 

再灌注期自噬导致细胞损伤的另一种解释是,BeclinlBcl-2相互作用,两者的紧密结合抑制了自噬水平,而Beclinl的上调将导致Bcl-2的作用相对减弱,细胞凋亡增多导致心肌细胞受损。在没有严格区分缺血期与再灌注期的情况下,自噬对心肌的影响是不明确的。Loos等研究认为,自噬对心肌或者心肌细胞的影响很大程度上与缺血的持续时间及缺血缺氧的严重程度相关。对自噬及自噬流的认识,加深对自噬是一种动态变化过程的理解,有助于解释大量研究结果不一致的问题。自噬小体的增加可以是自噬水平的上调,也可能是自噬小体清除障碍,自噬小体堆积所致。Ma等和Jang等的研究同样证实,自噬流的损害明显增加自噬性死亡并导致心肌细胞损伤,提示心肌细胞对自噬小体的清除能力影响心肌细胞的存活。因此,如果能够实现对自噬流的检测,将可能有助于对自噬水平作出更准确的判断。

 

2.吸入全身麻醉药物与心肌细胞自噬

 

心肌细胞自噬广泛参与到各种心脏疾病的发生发展,包括心肌IR损伤、肥厚性心肌病、心力衰竭、高血压性心脏病等等。研究证实,在心肌发生IR损伤时,吸入全身麻醉药物预处理或者后处理对心肌有一定的保护作用,而这种保护作用与吸入全身麻醉药物调节心肌细胞自噬有关。研究表明,七氟醚预处理可减轻心肌IR损伤,对心肌具有较好的保护作用,但机制尚不完全明了,吸入麻醉药物影响心肌细胞自噬水平可能是机制之一。

 

七氟醚预处理的心肌保护作用可分为两相,即急性相和延迟相。急性相指预处理后即刻至预处理后2 h内产生的保护作用,而延迟性的保护作用出现在处理后1224 h,并可持续至处理后72 h,又称为第二保护窗(SWOP)。对于七氟醚的急性心肌保护作用,Shiomi等在离体心脏模型中,于缺血前10 min予以七氟醚预处理,发现七氟醚可通过活性氧(ROS)激活AMPK,提高自噬水平,减少心肌细胞梗死面积;而在应用ROS清除剂后,此保护作用消失。但在食源性肥胖的心肌IR模型中,七氟醚预处理的心肌保护作用减弱,这与肥胖抑制七氟醚预处理激活ROS介导的AMPK信号途径有关。

 

有趣的是,当把缺血时间由30 min延长到45 min时,七氟醚预处理的保护作用消失,但在缺血前应用自噬增强剂氯霉素后,七氟醚的心肌保护作用又重新显现出来,其潜在的机制可能是氯霉素增强P13K/Akt的磷酸化,进而促进Gsk3p磷酸化,抑制了Ca2+介导的线粒体通透性转换孔(mPTP)开放,使线粒体通透性的阈值增加,同时增加自噬相关蛋白12At912)的转录,上调自噬,起到心肌保护作用。而对于七氟醚预处理的延迟性心肌保护作用,Qiao等研究认为,这种保护作用是由于七氟醚通过NONOS激活NF-KB的表达,上调自噬水平,减少炎症因子TNFIL-1β以及凋亡蛋白的表达,上调Bcl-2,从而减少细胞凋亡。NF-κB的特异性阻断剂PTN可使这种保护作用消失。但是,Xie等通过心肌细胞培养,研究七氟醚的延迟性保护作用,其结果表明七氟醚预处理可以上调Bcl-2,减少Beclin-1表达介导的自噬性死亡,且在七氟醚预处理前加用白噬抑制剂3一甲基腺苷(3-MA)后这种保护作用得到放大。

 

同样是在心肌细胞缺氧/复氧模型中,王露等研究证实,七氟醚预处理可以通过减少缺氧/复氧期间ROS的产生来降低大鼠心肌细胞自噬的水平,对大鼠心肌产生保护作用。这些研究的不同结论,可能与研究模型、七氟醚预处理时间以及缺血缺氧程度的不同有关。研究表明,七氟醚后处理同样可以通过影响自噬水平发挥心肌保护作用,且七氟醚后处理可以不用考虑缺血发生的时间,比预处理更具临床价值。Cao等在离体心脏IR损伤模型中,缺血30 min后予以复灌注,同时予以2.5%七氟醚后处理,结果显示心肌梗死面积显著缩小,自噬及凋亡水平降低。其心肌保护机制可能与七氟醚增加一氧化氮合酶的表达、增加NO的释放、维持线粒体稳定性、减少线粒体损害所致的自噬性死亡有关。

 

张静等在七氟醚后处理对心肌细胞氓损伤时线粒体自噬的影响的研究中证实,七氟醚后处理可以减少心肌梗死范围。同时线粒体膜电位升高,LC3 II/LC3 IBeciin-1p62Parkin表达下调,减少线粒体的过度自噬,维持心肌细胞的能量代谢。七氟醚后处理的心肌保护作用机制主要集中在对线粒体的研究。七氟醚后处理可提高心肌细胞内ATPNAD+的含量,增加线粒体功能相关基因的表达和蛋白质的合成,以及促进SOD2HO-1等抗氧化酶的表达,减少活性氧及波形蛋白的产生,从而减少活性氧诱导的自噬。同时,通过激活Akt/mTOR信号通路,增加Bcl-2表达,减少Vps34/Beclinl复合物形成,降低LC3 II/I比值,减少BeclinlAt95At97等自噬相关蛋白表达,减少自噬性死亡,并促进自噬小体的清除。

 

Zhang等研究证实,七氟醚后处理可以改善溶酶体功能,自噬小体清除相关因子P62Lamp2表达减少,组织蛋白酶B表达增加,进而减少自噬小体的堆积,维持自噬流的稳定,改善心肌细胞的功能。线粒体作为心肌IR损伤的靶细胞器,产生大量的活性氧作用于线粒体,导致线粒体损伤,诱导线粒体自噬。适度的线粒体自噬有助于线粒体的更新,减少活性氧的产生,阻断线粒体损伤的恶性循环;如果过度自噬,将导致线粒体大量丢失,能量产生障碍,自噬小体堆积,增加细胞的自噬性死亡。

 

Yu等在离体心脏IR模型中,不仅观察到自噬小体减少、自噬小体清除增加,同时还观察到线粒体动力相关蛋白(Drpl)的激活和Opal表达的抑制,进一步证实七氟醚后处理对线粒体的保护作用。异氟醚、地氟醚等吸入全身麻醉药同样对心肌IR损伤具有保护作用,地氟醚由于制备困难、价格昂贵,致使其在围术期的应用及相关研究较少。Yang等在心肌细胞缺氧/复氧培养模型中,异氟醚的预处理可以使心肌细胞存活率得到显著提高。可能与异氟醚减少核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2NOD2)的合成,从而抑制p38MAPK的表达,减少自噬相关蛋白的合成和心肌细胞的自噬性死亡有关。使用p38MAPK抑制剂SB203580可显著增加异氟醚预处理对心肌细胞的保护作用。

 

Ma等研究同样证实,异氟醚预处理可以减轻心肌细胞IR损伤,使用自噬抑制剂BAF干预后,异氟醚的保护作用消失。但在老年大鼠模型中,异氟醚的心肌保护作用未表现出来,可能与老年大鼠线粒体膜稳定性下降,活性氧产生增加有关。此研究指出异氟醚可以通过激活PINK/Parkin途径增加线粒体自噬,减少活性氧的产生,维持线粒体的稳定性。同时还指出异氟醚预处理可以通过激活腺苷受体、ATP相关钾通道(mitoKATP)、ERKl/2等通路,影响线粒体部分去极化,延迟线粒体通透性转换孔(mPrP)的开放等调节心肌细胞自噬及线粒体自噬,参与心肌细胞稳态的调节。可以看出,异氟醚预处理对心肌细胞的保护作用主要是通过增加线粒体自噬和心肌细胞自噬,减少活性氧的产生,维持细胞的稳定性而实现的,这与心肌缺血及再灌注期间产生大量活性氧,导致细胞的损伤的机制是一致的。

 

3.静脉全身麻醉药物与心肌细胞自噬

 

丙泊酚是常用的静脉全身麻醉药物,其化学机构与天然抗氧化剂维生素E的结构相似,能抑制氧自由基的产生、拮抗氧化效应,对多个重要器官的IR损伤有一定防治作用。Ha等研究表明,在心肌珉损伤模型中,过氧化氢介导的细胞凋亡,可以通过丙泊酚干预并激活AktBcl2上调而得到抑制,还可通过抑制氧化应激介导的JNKAMPK的激活而减少自噬性死亡,起到一定的心肌保护作用。Noh等和Wang等的研究也证实,丙泊酚预处理可减少活性氧诱导Beclin-1表达,并通过激活P13K-Akt途径、增加mTOR的磷酸化及加强Bcl-2Beclin-1的相互作用,减少心肌细胞的自噬性死亡。此外,He等通过对七氟醚和丙泊酚的比较研究发现,七氟醚对心肌1R损伤保护作用的部分机制是通过IP13K的激活、ATP相关钾通道(mitoKATP)的开放,减少mPTP的开放和钙超载,降低细胞自噬水平。同时还发现,七氟醚的心肌保护作用较丙泊酚强,后者的心肌保护作用在一定剂量范围内存在剂量相关性,主要通过抑制氧化应激、减少mPTP开放,减少心肌的自噬性死亡。

 

2型糖尿病SD大鼠在体心肌IR损伤模型中,丙泊酚预处理可以增加mTOR的磷酸化,使P-mTOR表达增加,减少心肌在再灌注期的过度自噬,减轻IR损伤。在非糖尿病SD大鼠心肌IR模型中,也得到了相同的结论。依托咪酯、氯胺酮和戊巴比妥钠等全身麻醉药在心肌IR损伤中对心肌细胞自噬作用的研究很少。研究证明氯胺酮在大脑IR损伤中,对脑细胞自噬起到调节作用,其调节机制是否可以应用于对心肌细胞自噬的调节还不得而知。戊巴比妥钠可以阻断呼吸链氧化复合体I,可以减少心肌IR损伤时活性氧的产生,并可以影响线粒体膜电位,可能与心肌细胞自噬的调节,特别是线粒体自噬的调节存在一定的联系,但有待于进一步的研究证实。随着研究技术的发展,细胞自噬基因水平的研究不断增多,特别是自噬相关基因的表达和调节。

 

研究证实microRNA可以调节自噬相关蛋白基因的表达和转录,进而调节心肌细胞自噬。microRNA是一种非编码的微小RNA,可以负性调节其他基因的转录。目前发现大约有20microRNAs参与到心肌细胞自噬相关基因的调节。研究证实,丙泊酚对血管内皮细胞缺氧后处理,可以观察到细胞内14microRNAs表达水平发生变化,并证实其中6种参与调节自噬相关基因的表达,这说明丙泊酚对自噬的调节作用与microRNA密切相关。

 

4.小结

 

在心肌IR损伤的实验模型中,全身麻醉药物对心肌自噬作用的影响还不甚明了,有待深入探索。目前的研究结果间也存在差异,原因是多方面的,如实验模型的构建、缺血以及再灌注的时间控制、麻醉药物的使用浓度及剂量大小;实验类型如细胞实验、离体心脏实验和在体实验等。特别是在体实验,很难避免神经内分泌系统对实验结果的影响。麻醉药物对IR损伤心肌自噬机制的研究,主要集中在线粒体损伤及能量代谢障碍方面,自噬水平的改变对心肌细胞的作用还需进一步的研究。自噬水平与细胞损伤程度、应激强度等相关,很难统一研究标准,研究过程中使用的大部分阻断剂仍然缺乏特异性,这些都给研究带来一定的困难。随着研究技术提高和完善,如对自噬的动态认识、基因手段的应用等,将不断丰富对自噬作用及其机制的认识,甚至引发全新的理解,包括麻醉药物如何通过影响心肌细胞自噬水平,改变心肌IR损伤结果。

 

来源:熊超,刘力,魏继承.全身麻醉药物对心肌细胞自噬作用的影响[J].临床麻醉学杂志,2017,33(11):1137-1140.

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