基于内质网应激探究中医药防治心力衰竭

Research on Prevention and Treatment of Heart Failure with Traditional Chinese Medicine Based on Endoplasmic Reticulum Stress

摘要: 近年来，心力衰竭的患病人数逐年增加，对于人们生活质量产生严重影响，研究发现内质网应激在心力衰竭的发生发展中产生重要作用，一方面，内质网应激可以促进心血管疾病向心力衰竭的转变；另一方面，内质网应激会加重心力衰竭的严重程度。中医药在治疗心力衰竭、改善患者预后方面具有显著疗效，对于内质网应激的调控也有显著作用，可以通过改善其相应感受器通路的表达来缓解内质网应激，下调未折叠蛋白反应，减少心肌细胞凋亡，延缓心力衰竭进程。

Abstract: In recent years, the number of patients with heart failure has increased year by year, which has a serious impact on people’s quality of life, and studies have found that endoplasmic reticulum stress plays an important role in the occurrence and development of heart failure. On the one hand, endoplasmic reticulum stress can promote the transition of cardiovascular disease to heart failure, on the other hand, endoplasmic reticulum stress can exacerbate the severity of heart failure. Traditional Chinese medicine (TCM) has significant efficacy in the treatment of heart failure and the prognosis of patients, and also plays a significant role in the regulation of endoplasmic reticulum stress, which can alleviate endoplasmic reticulum stress by improving the expression of its corresponding receptor pathways, down-regulate the unfolded protein response, reduce cardiomyocyte apoptosis, and delay the process of heart failure.

1. 引言

心力衰竭(heart failure, HF)是多种原因引起心脏结构和(或)功能异常，导致心脏射血和(或)充盈受损，不能满足身体代谢需要的一组复杂临床综合征，是各类心脏病的终末阶段。《中国心血管健康与疾病报告2020》估计中国约有400万CHF患者，随着人口老龄化和CHF患者住院病死率的下降，CHF发病率在逐年上升，在中国≥35岁的人群中，心衰患病率为1.3%，男性和女性的患病率相似，同时心衰发病率随年龄增长呈上升趋势，心衰患者的平均年龄为(65 ± 15岁) [1] [2] 。China-HF 2022研究显示：我国住院心衰患者的病死率为2.8%，随着人口老龄化的加重和人口基数的增加，慢性心衰发病率、死亡率仍居高不下 [3] ，心力衰竭的发病机制尚未完全明确，仍亟需进一步探讨，近年来，内质网(endoplasmic reticulum, ER)的研究逐渐进入人们的眼中，其与疾病的发生发展密切相关，ER在分泌及跨膜蛋白折叠和质量控制、蛋白质和脂质运输、脂质代谢和Ca²⁺稳态中发挥重要作用，对基因的表达、细胞的功能、机体的生理活动起着至关重要的作用，已有相关研究证实，内质网应激在心力衰竭的发生和发展过程中起着重要作用，但其在HFpEF中的作用尚缺乏系统性阐述。本文将着重论述内质网应激在HFpEF中的重要作用，以期为本病的治疗、改善患者预后、生存率、生活质量提供新的思路。

2. 内质网生理功能

内质网是一种细胞器结构，可以分为粗面内质网(RER)和滑面内质网(SER)两种，区别在于膜的胞质面上是否存在核糖体。RER主要分布在核膜内，与细胞核的外层膜相连通，并由一系列扁平膜状结构组成，其表面覆盖着许多颗粒状的核糖体，而这些核糖体是蛋白质合成的主要场所，决定了RER的主要功能是参与蛋白质的合成和修饰，新合成的多肽链会在粗面内质网上经过翻译、折叠和组装等过程，形成功能性蛋白质；SER则是一个连续的薄膜系统，没有核糖体颗粒，表面相对光滑，分布也更广泛，可以在细胞的不同区域找到，其上分布有酶和蛋白质通道，负责合成和调节脂类代谢产物，同时也参与细胞内钙离子水平的调控。ER最近被分为核膜、内质网片状池和管状内质网，并与其他细胞器形成多个膜接触位点，包括内体和溶酶体、线粒体和质膜，由一系列不同的ER驻留蛋白介导发挥各种功能，如分泌和跨膜蛋白折叠和质量控制、蛋白质和脂质运输、脂质代谢和Ca²⁺稳态 [4] 。ER作为一个蛋白质合成工厂，有助于钙的储存和调节，脂质的合成和储存，以及葡萄糖代谢，这些不同的功能表明内质网作为一个动态“营养感应”细胞器作用重大，协调能量波动与代谢重编程反应，调节代谢和决定细胞命运 [5] 。所以维持内质网稳态十分重要，一旦被打乱会使Ca²⁺耗竭、脂质合成紊乱、大量错误或者未折叠蛋白质在内质网腔中聚集，即未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR) [6] ，破坏内质网稳态的条件会产生一种细胞状态，通常称为“内质网应激”(endoplasmic reticulum stress, ERS)。细胞对内质网应激的反应涉及激活适应性机制以克服压力和恢复内质网稳态，这种反应取决于扰动因素和应力的持续时间 [7] 。

3. 内质网应激的因素

3.1. 内在扰动因素

细胞自主机制可以导致内质网紊乱，比如癌症，神经退行性疾病和糖尿病等。基因不稳定性和突变等癌症的印记 [8] 可导致ERS反应途径的组成性激活，从而导致细胞生长、增殖、分化和迁移，而且癌细胞不受控制的快速生长需要高蛋白质生产率，从而对ER系统产生影响 [9] ；内质网应激也与糖尿病和一些神经退行性疾病有关，如渐冻症(ALS)中内质网驻留囊泡相关蛋白B的突变与内质网应激信号改变介导的运动神经元死亡的诱导有关 [10] [11] 。

3.2. 外在扰动因素

内质网应激的外在扰动因素有很多，包括内质网应激源、内质网稳态增强剂、微环境应激、体温和活性氧产生等。现已确定了几种诱导ERS的小分子应激源，如衣霉素或2-脱氧葡萄糖可以靶向蛋白质的N-连接糖基化 [12] [13] ，而二硫苏糖醇 [14] 抑制蛋白质二硫键形成来达到ERS；相反，4-苯基丁酸、牛磺酸脱氧胆酸 [15] [16] 这些小分子则可以缓解内质网压力，缓解ERS，减少错误折叠蛋白质的积累；细胞微环境和体温的改变也会引起ERS，当肿瘤细胞快速增殖耗尽微环境中的营养和氧气，导致缺氧、酸中毒等使微环境应激，扰动蛋白质，发生内质网应激甚至引起脂质合成 [17] 营养匮乏、葡萄糖饥饿，在一定程度上进一步促进内质网应激；此外，一些外部药物可以诱导细胞内活性氧(ROS)的产生，当ROS的产生超过抗氧化能力时，氧化应激会对蛋白质合成和ER稳态产生负面影响。总体而言，如果内质网的功能受损，会直接或间接导致各种疾病发展，所以探究内质网相关机制，维持其稳态，减少应激反应尤为重要。

4. 内质网应激ERS与未折叠蛋白反应UPR

正常情况下内质网处于一种稳定的状态，当内外环境发生变化、各种因素干扰后，内质网会处于一种应激的状态，其稳态被打破发生功能障碍，蛋白质的合成、肽链三维空间的构建、脂质的代谢等都会失常，为了响应内质网应激，细胞触发一种称为未折叠蛋白反应(UPR)的适应性信号通路，该通路通过减弱蛋白质合成、清除未折叠/错误折叠的蛋白质和增加内质网折叠蛋白质的能力来帮助细胞应对应激。

UPR是细胞在制造蛋白质过程中的一种质量控制系统，可以通过降低基因表达来减少新的蛋白质的生成，也可以提高现有蛋白质的折叠能力，有三个主要传感器，分别是肌醇需求因子1 (inositol-requiring enzyme 1, IRE1)、双链RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶(PKR-like ER kinase, PERK)和活化转录因子6 (activating transcription factor 6, ATF6) [18] 。

IRE1是内质网膜上的跨膜蛋白，具有ER腔结构域、胞质激酶和核糖核酸酶结构域 [19] ，这也决定了其具有激酶活性和核酸内切酶活性，正常状态下，BiP可以与IRE1结合使IRE1处于失活状态，当发生ERS时，二聚化和自身磷酸化后的IRE1会被激活其上的核糖核酸酶域 [20] ，活化的IRE1作用于X-盒结合蛋白1 (X-box binding protein-1, XBP1) mRNA，切除其上一定长度的内含子后可生成剪切的XBP-1 (XBP-1s)，剪接过的XBP1已被改变了编码读码框 [7] ，通过相应信使mRNA的表达后参与蛋白质折叠的ER伴侣基因的转录，增强错误折叠蛋白的降解，减轻ER蛋白质负荷 [21] ，促进UPR相关基因的表达增强内质网对蛋白质的折叠能力，此外，IRE1还与凋亡信号激酶1 (Apoptosis signal-regulating kinase 1, ASK1)相互作用，激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)级联反应促进细胞凋亡 [22] 。

PERK也是内质网膜上的蛋白，通过其腔内结构域感知ERS [23] 。与IRE1类似，随着未折叠蛋白的积累，PERK与BiP解离发生二聚化和自磷酸化而被激活 [24] 。不同的是，活化的PERK可以磷酸化真核细胞翻译起始转录因子2α (eukaryotic translation initiation factor 2α, eIF2α)的第51位丝氨酸来抑制mRNA的翻译，通过阻断转录减少蛋白质的合成以降低内质网蛋白折叠的压力。磷酸化的eIF2α可以调控ERS靶基因的表达，通过启动ATF4信使RNA的翻译使蛋白表达水平上调，进而启动氨基酸转运体和细胞氧化还原控制基因来调控ERS [25] 。

ATF6是一种具有较大内质网腔内结构的转录因子，当内质网内未折叠蛋白积累时，ATF6转运到高尔基体发挥作用 [26] ，由高尔基体上的位点1蛋白酶(site-1 protease, S1P)和位点2蛋白酶(site-2 protease, S2P)顺序切割后去除跨膜结构域与腔内结构域，释放一个可以易位到细胞核的片段ATF6 (ATF6p50)，进而激活UPR相关基因，如GRP78、蛋白二硫键异构酶、葡萄糖调节蛋白94 (glucose-regulated protein 94, GRP94)等，诱导XBP-1表达，促进蛋白折叠 [27] 。

5. 内质网应激与心力衰竭

GRP78 (glucose-regulated protein of 78kD)是内质网分子伴侣，作为监测内质网中未折叠蛋白质聚集和内质网应激的激活的ER稳态感受器，在ERS过程中发挥重要作用。在ER稳态情况下，GRP78分别与PERK、ATF6、IRE1的结构域相结合，当ER稳态被打乱，未折叠蛋白质大量聚集时，GRP78与未折叠蛋白质具有更高的亲和力，与PERK、ATF6、IRE1解离，与大量的未折叠蛋白质结合，来促进蛋白质的正确折叠 [28] 。

Okada等 [29] 发现，手术1周左右的腹主动脉缩窄小鼠中出现心肌肥大现象并伴有心肌GRP78表达的显著上调，手术4周后的小鼠有明显的心力衰竭表现，心肌细胞GRP78的表达也明显上调，心肌细胞的凋亡数目和凋亡过程中最主要的终末剪切酶caspase3的激活显著增加，从心力衰竭患者的心脏中取材检测亦发现GRP78的mRNA表达显著上调；Liu等 [30] 在心脏特异性敲除PERK的小鼠中发现，在TAC手术后出现心功能下降、纤维化以及心肌细胞凋亡增多等表现。这些研究表明，在压力过载的心脏中，UPR的激活始终存在，内质网应激中PERK信号通过调控心肌细胞凋亡并参与心力衰竭的发病。

6. 中医药通过改善ERS调治心力衰竭

中医学认为心衰的发生，多因各种心系疾患，日渐加重，心气亏耗，又因复感外邪、情志刺激或劳倦过度，内外相因，心体受戕，心气、心阳渐次虚衰，行血无力，血脉瘀滞，痰浊内阻，水饮停聚而致。现代研究发现缺血、缺氧、氧化应激、钙稳态失衡等都可以激活ERS影响心衰的发展，在诱导的慢性心肌缺血引起的心衰模型中，心脏ERS标志物GRP78、CHOP、PERK的表达显著增加 [31] 。赵等在阿霉素处理的小鼠模型中，证实人参皂苷Rg1通过下调IRE1α/JNK/Beclin-1途径抑制自噬诱导的细胞死亡，从而改善阿霉素诱导的心功能不全 [32] 。王晓燕等 [33] 发现具有益气养阴、活血化瘀作用的心衰I号方，可以通过抑制CHOP通路及其上游信号分子GRP78来改善CHF患者的症状及预后，CHOP通路可在IRE-1、ATF6以及PERK信号分子过表达时被诱导转录 [34] [35] 。有研究发现西洋参皂苷可以减弱GRP78和CHOP mRNA基因的表达来缓解缺氧再复氧大鼠原代心肌细胞的凋亡 [36] 。叶婷等 [37] 发现强心胶囊可以通过GRP78信号分子来抑制PERK通路的表达，减弱ERS来改善心衰。黄芪甲苷通过GRP78、GRP94及IRE1的表达来抑制ERS以保护心肌细胞 [38] 。当归补血汤 [39] 、益气活血汤 [40] 、生脉注射液 [41] 可能通过抑制caspase-12等ERS反应途径减轻心肌细胞凋来改善心脏功能。

综上，内质网应激在心力衰竭的生理病理变化中起着十分重要的调节作用，对于心力衰竭的进展、预后及患者生存质量的影响是毋庸置疑的，中医药在调控内质网应激方面具有独特的作用，可以多靶点调控内质网应激相关通路，改善未折叠蛋白反应，以减缓缺血、缺氧、氧化应激、钙稳态失衡等导致心肌细胞凋亡、心室重构，既延缓向心力衰竭方向发展的进展，有减弱心力衰竭的进一步恶化，所以探索中医药调控内质网应激对心力衰竭的作用十分必要，或可为心力衰竭的治疗提供新的诊疗思路。

NOTES

^*通讯作者。