Митофагия при церебрална исхемия и исхемично/реперфузионно уврежданеⅠ

исхемичният инсулт е тежко мозъчно-съдово заболяване с висока смъртност и заболеваемост. През последните години реперфузионните лечения, базирани на тромболитична и тромбектомия, са основни лечения за пациенти с исхемичен инсулт, а времевият прозорец за реканализация е удължен до над 24 часа. Въпреки това, с удължаването на времевия прозорец, рискът от увреждане от исхемия/реперфузия (I/R) след реперфузионна терапия се превръща в голямо предизвикателство за резултатите на пациентите. I/R нараняването води до невронална смърт поради дисбаланс в метаболитното предлагане и търсене, което обикновено е свързано с митохондриална дисфункция. Митофагията е вид селективна автофагия, отнасяща се до процеса на специфично автофагично елиминиране на увредени или дисфункционални митохондрии, за да се предотврати генерирането на прекомерни реактивни кислородни видове (ROS) и последваща клетъчна смърт. Последните постижения показват, че защитната роля на митофагията при церебрална исхемия е свързана главно с неговите невропротективни ефекти при I/R нараняване. Този преглед обсъжда участието на динамиката на митохондриите и митофагията в патофизиологията на исхемичния инсулт и по-специално I/R увреждане, като се фокусира върху терапевтичния потенциал на регулирането на митофагията и възможността за използване на интервенции, свързани с митофагията, като допълнителен подход за невропротективно удължаване на времевия прозорец след исхемичен инсулт.

Кликнете, за да проверите дозата цистанче за исхемичен инсулт

Ключови думи: митофагия, митохондриална дисфункция, исхемичен инсулт, исхемично/реперфузионно увреждане (I/R увреждане), реканализираща терапия, терапевтичен прозорец

INВЪВЕДЕНИЕ

Инсултът е внезапна поява на нарушения на мозъчното кръвообращение, причинени от мозъчен инфаркт или кръвоизлив (Shi et al., 2021). В зависимост от засегнатата област на мозъка, пациентите могат да имат различни симптоми, сред които най-честите са острата поява на слабост в едната страна на тялото и намалена говорна способност (Nor et al., 2005). Инсултът е петата водеща причина за смърт според Американската сърдечна асоциация (AHA). Около 795 000 души страдат от нови или повтарящи се инсулти всяка година (Virani Salim et al., 2020). Има два основни типа инсулт: исхемичен инсулт и хеморагичен инсулт. При исхемичния инсулт кръвният поток се блокира от тромбоза, образувана около разкъсаните атеросклеротични плаки в артерията, докато хеморагичният инсулт обикновено е резултат от кървене, предизвикано от разкъсване на кръвоносен съд.

Исхемичният инсулт представлява около 87 процента от всички случаи на инсулт. Поради това е обект на голямо внимание в изследванията и клиничната практика. Блокираният кръвен поток води до липса на кислород и хранителни вещества, предизвиквайки исхемична каскада в мозъка. Производството на аденозин трифосфат (АТФ) ще бъде нарушено, което често е смъртоносна ситуация за уязвимите мозъчни клетки, които са силно зависими от енергията. В детайли, неуспехът в генерирането на АТФ може да доведе до отслабена активност на АТФ-зависими йонни канали, включително натриеви канали, като по този начин причинява вътреклетъчен хиперосмоларитет (Deb et al., 2010). Също така, повишеното анаеробно дишане по време на исхемия произвежда страничния продукт млечна киселина, което води до метаболитна ацидоза. Тежките промени в йонния баланс могат да причинят цитотоксичен оток и да нарушат активността на глутаматния рецептор, което в крайна сметка уврежда ДНК и структурните протеини или дори води до клетъчна смърт (Nishizawa, 2001; Deb et al., 2010). Необратимите невропатологични промени в невроните обикновено настъпват в рамките на 20-30 минути след исхемия (Ordy et al., 1993).

Реперфузионните лечения, които имат за цел да възстановят притока на кръв и кислород към исхемичната област преди увреждане на невроните, са основното лечение за пациенти с исхемичен инсулт в клиниката. Интравенозният тъканен плазминогенен активатор (IV tPA) е единственото одобрено от FDA тромболитично средство за лечение на остър инсулт. Предишни данни показват, че показва значително клинично подобрение само когато се прилага в рамките на 3 часа след исхемия (Kwiatkowski et al., 1999). Друго рандомизирано проучване, проведено през 2017 г., показва, че интравенозните терапии в рамките на 6 часа все още имат полза от опасенията за безопасност (Berkhemer et al., 2014). Механичната тромбектомия, хирургична процедура за отстраняване на тромбоза от артериите, е друга често използвана реперфузионна терапия. Тромбектомията е ефективна за намаляване на увреждането след инсулт, въпреки че нейната ефикасност и безопасност могат да бъдат осигурени само в рамките на 8 часа след началото на инсулта (Jovin et al., 2015). През последните години две висококачествени клинични проучвания, фокусирани върху забавена реканализация, показват, че реперфузионното лечение, приложено 24 часа или дори по-късно след началото на инсулта, все още показва известна подобрена прогноза при избрани пациенти, като по този начин удължава терапевтичния прозорец до 24 часа при специфични популации пациенти (Ragoschke-Schumm и Walter, 2018).

Въпреки това, всички настоящи лечения имат основното ограничение за увеличаване на риска от интракраниален кръвоизлив (ICH), когато се прилагат извън терапевтичния прозорец, което може допълнително да увреди мозъчната тъкан. Това последващо увреждане след реперфузионна терапия се нарича увреждане на исхемия/реперфузия (I/R), процес, който включва индуцирано от реоксигениране производство на реактивни кислородни видове (ROS), претоварване с калций и увреждане на тъканите. Следователно, удължаването на времевия прозорец на реперфузия след исхемичен инсулт, като същевременно се осигурява невропротекция, е изключително важно за управлението на заболяването. Автофагията е естествен процес, който разгражда ненужните или повредени органели и протеини, за да поддържа клетъчната хомеостаза. Автофагията може да се активира след исхемичен инсулт, когато мозъчните клетки са изложени на риск от недостиг на кислород и хранителни вещества. За да бъдем по-конкретни, лишаването от кислород-глюкоза стимулира увеличаването на съотношението AMP/ATP, което е активатор за AMPK пътя (Oakhill et al., 2011; Jiang et al., 2018). Повишената регулация на AMPK пътя може по този начин да инициира автофагия чрез директно активиране на ULK комплекса чрез фосфорилиране на Ser 317 и Ser 777 или индиректно активиране на ULK чрез инхибиране на активността на mTOR, тъй като mTOR потиска активирането на Ulk1 чрез фосфорилиране на Ulk1 Ser 757 и нарушаване на взаимодействие между Ulk1 и AMPK (Egan et al., 2011; Kim J. et al., 2011).

Предишни изследвания показват противоречиви резултати относно ролята на аутофагията след исхемичен инсулт. Някои проучвания показват, че автофагията осигурява невропротекция и подобрява клиничните резултати чрез значително намаляване на исхемичното увреждане на неврони, глия и ендотелни клетки (Papadakis et al., 2013; Jiang et al., 2015; Dai et al., 2017). Междувременно други открития предполагат, че прекомерната автофагия може да бъде вредна за мозъчните клетки (Li et al., 2017; Mo et al., 2020). За да обобщим, въпреки противоречивите доказателства, общоприето е, че умерената аутофагия е защитна, докато прекомерната аутофагия може да допринесе за клетъчна смърт по време на исхемия (Mo et al., 2020).

Исхемично прекондициониране (IPC), стратегия, която използва кратки периоди на съдова оклузия и реперфузия за предотвратяване на фетални исхемични събития и реканализация, може да активира невропротективната програма в мозъка чрез задействане на адаптивна аутофагия, насочена към увредени органели и облекчаване на оксидативния стрес при острия исхемичен инсулт ( Yang et al., 2020; Ajoolabady et al., 2021). В допълнение, посткондиционирането на церебрална исхемия, което намалява неадаптивната аутофагия чрез прилагане на кратки периоди на реперфузия, прекъснати от исхемия в началото на реканализацията, е индуцирано за потискане на реперфузионното увреждане, което показва неговата защитна роля при лечението на исхемичен инсулт (VintenJohansen, 2017; Ajoolabady et al. ., 2021). Митофагията, вид селективна автофагия, може да премахне дисфункционалните митохондрии. Митохондриите играят централна роля в производството на клетъчна енергия, поддържането на калциевата хомеостаза и регулирането на ROS. Митохондриалната дисфункция може да увеличи оксидативния стрес и клетъчното увреждане (Liu, 1999; Indo et al., 2007).

Митофагията работи главно като контрол на качеството на митохондриите чрез изчистване на увредени митохондрии. При бозайниците дисфункционалните митохондрии могат да бъдат изчистени или чрез PINK1- Parkin-зависим път на убиквитиниране, или чрез активиране на митофагични рецептори, като по този начин се намалява генерирането на ROS от митохондриите (Lemasters, 2005) и защитават клетките срещу неблагоприятни ниши (Huang et al. ., 2011).

При състояние на исхемичен инсулт неправилно функциониращите митохондрии увеличават освобождаването на проапоптотични фактори, включително цитохром с, за да предизвикат клетъчна смърт в засегнатата област (Jürgensmeier et al., 1998; Lemasters, 2005). Струва си да се отбележи, че митофагията може да има различни ефекти по време на първата исхемична фаза и по-късно фазата на реперфузия. Проучванията показват, че митофагията упражнява своята защитна роля главно по време на фазата на реперфузия (Kumar et al., 2016).

През последните години ролята на митофагията при остър инсулт е широко проучена. Повечето проучвания показват неврозащитна роля на митофагията за облекчаване на реперфузионно увреждане чрез множество механизми. Този преглед обобщава ролята на митофагията при исхемичен инсулт и I/R нараняване, като предлага интервенции, свързани с митофагията, като допълнителен подход за лечение на исхемичен инсулт. Бяха обсъдени и актуализации относно забавената реканализация и потенциалното участие на митофагия в нея.

MИТОХОНДРИЯ И МИТОФАГИЯ

Митохондриите са важни органели, които са отговорни главно за производството на енергия. Повредените митохондрии обаче освобождават вредни ROS и други оксиданти, като H2O2 и пероксинитрит, в цитоплазмата и причиняват увреждане на протеините, ядрената киселина и мембраните (Zhou et al., 2011). Още по-лошо, цитохром с, митохондриален интермембранен пространствен протеин, ще бъде освободен при тежко митохондриално увреждане, което задейства каспазна каскада и накрая апоптоза (Ott et al., 2002).

Следователно бързото разграждане на увредените митохондрии е необходимо за оцеляването на клетките. Митофагията е процес, по време на който увредените или стареещи митохондрии се обвиват селективно от фагофори и се подлагат на лизозомно разграждане, за да се поддържа клетъчната хомеостаза и да се предотврати клетъчната апоптоза. Митофагията започва с образуването на фагофора, мембранна структура, изолирана от ендоплазмения ретикулум. След това фагофорът разпознава увредените митохондрии чрез LC3 адаптери или LC3 рецептори и поглъща увредените митохондрии за автозомно разграждане. Понастоящем митофагичните пътища се състоят от два основни типа: убиквитин-медииран път и рецептор-медииран път (Фигура 1).

Убиквитин-медииран път

Индуцираният от PTEN предполагаем киназен протеин 1 (PINK1) и медиираният от Паркин път на убиквитиниране са едни от най-добре характеризираните механизми на митофагия. В здрави митохондрии PINK1, серин/треонин киназа, се внася от цитоплазмата непрекъснато и претърпява разцепване от митохондриалните протеази митохондриално обработваща пептидаза (MPP) и свързана с пресенилин ромбоидна подобна (PARL) (Greene et al., 2012). При исхемичен инсулт митохондриалната мембрана се деполяризира, което предотвратява вноса на PINK1 и води до натрупване на PINK1 върху митохондриалната мембрана. В резултат на това киназната активност на PINK1 с пълна дължина индуцира фосфорилиране на Е3 лигаза Parkin, което активира ензимната функция на Parkin и води до убиквитиниране на няколко митохондриални протеини (Kazlauskaite et al., 2015). Междувременно PINK1 фосфорилира убиквитин и води до свързването на фосфорилиран убиквитин и паркин, където активността на лигазата е допълнително подобрена (Koyano et al., 2014; Kazlauskaite et al., 2015).

След като Parkin се активира, той конюгира убиквитинови части върху OMM протеините и по този начин се индуцира митофагия. Някои убиквитинирани митохондриални протеини, като MFN1, се разграждат, което е от съществено значение за митохондриалното делене и митофагия (Tanaka et al., 2010). Други убиквитинирани протеини набират адапторни протеини за аутофагия като оптиневрин (OPTN) и ядрен точков протеин 52 (NDP52), който закотвя маркираните митохондрии към автофагозома чрез своите LC3- взаимодействащи региони (LIR) мотиви, като по този начин се инициира митофагия (Lazarou и др., 2015). Освен това, PINK1 може да набира OPTN и NDP52 независимо от parkin, който впоследствие набира няколко фактора за иницииране на аутофагия, като unc51-подобна на автофагия активираща киназа 1 (ULK1), за медииране на синтеза на фагофора и удължаването (Wong and Holzbaur, 2014; Lazarou et al., 2015). Няколко други Е3 лигази също са открити, че инициират митофагия. Някои механизми са свързани с PINK1/Parkin-медиирана митофагия, а някои са независими от Parkin. Например, свръхекспресията на митохондриална убиквитин лигаза 1 (MUL1) медиира разграждането на митофузина чрез убиквитиниране, което спасява мутантния фенотип PINK1/parkin (Yun et al., 2014).

В зрелите неврони MUL1 също е важен за контакта на ER и митохондриите и липсата му уврежда хомеостазата на Ca2 плюс в митохондриите и намалява приема на Ca2 плюс от ER. Това води до активиране на калциневрин, който активира Drp1 и следователно индуцира делене на митохондриите. Фрагментираните митохондрии губят своя мембранен потенциал и се индуцира медиирана от PINK1/Parkin митофагия (Puri et al., 2019). Друга E3 лигаза, седем in absentia хомолог (SIAH)-1, се набира от синфилин-1, когато присъства PINK1 в пълна дължина. SIAH-1 насърчава митофагията чрез убиквитиниране на митохондриални протеини независимо от Parkin (Szargel et al., 2016). В допълнение към предимствата на PINK1-Parkin-медиираната убиквитинация, деубиквитиназите са от съществено значение за правилната митофагия. Деубиквитинирането на Parkin се извършва директно от убиквитин-специфична пептидаза 8 (USP8) (Durcan et al., 2014), докато USP15 деубиквитинира субстратите на Parkin, за да инхибира митофагията (Cornelissen et al., 2014). Няколко други деубиквитинази, като USP30, USP35 и USP33 (Bingol et al., 2014; Wang Y. et al., 2015; Niu et al., 2020), противодействат на убиквитин-медиираната митофагия, като премахват убиквитиновите вериги от митохондриалната мембрана . Следователно се установява фино настроен баланс между убиквитиниране и деубиквитиниране за регулиране на митофагията.

Рецепторно-медииран път

Алтернативен път на митофагията е чрез сигнализиране на митофагичния рецептор. Множество рецептори за митофагия понастоящем са идентифицирани в клетки на бозайници (Ren et al., 2018), които съдържат поне един LIR за директно свързване на медиатора на автофагия LC3 и последващото поглъщане на фагозома. Критичен рецептор в оборота на митохондриите в еритроцитите е OMM протеин, наречен BCL2 взаимодействащ протеин 3-like (BINP3-L, известен също като NIX) (Sandoval et al., 2008). Той се регулира транскрипционно нагоре по време на узряването на еритроцитите, за да изчисти митохондриите. В условия на хипоксия, BINP3-L се индуцира заедно с неговия хомолог, BNIP3, насърчавайки митофагията чрез разглобяване на OPA1 и набиране на DRP1, което се регулира транскрипционно от вилова кутия O3 (FOXO3) и индуцируем от хипоксия фактор (HIF) , като по този начин индуцира митохондриално делене и инхибира митохондриалното сливане (Sowter et al., 2001; Mammucari et al., 2007).

Освен това, неговият афинитет на свързване към LC3 е допълнително подобрен чрез фосфорилирането на LIR при условия на стрес (Rogov et al., 2017). Друг основен митофагиен рецептор е доменът FUN14, съдържащ 1 (FUNDC1), който медиира митофагията при хипоксични условия (Liu et al., 2012). Активността на FUNDC1 се регулира от неговото състояние на фосфорилиране. В нестресови условия той се потиска чрез фосфорилиране на Src при Tyr18 и казеин киназа II (CK2) при Ser13 (Chen et al., 2014). При хипоксия, PGAM5 фосфатазата дефосфорилира FUNDC1, което активира LIR мотива на FUNDC1 и индуцира митофагия. Освен това, FUNDC1 набира Drp1 и нарушава неговата физическа връзка с OPA1 при стрес (важен за динамиката на митохондриите), като по този начин индуцира митохондриално делене и инхибира митохондриалното сливане (Chen et al., 2016).

Освен това има множество други митофагични рецептори. На външната митохондриална мембрана е показано, че BCL 2 Like 13 (BCL2L13) и FKBP пролил изомераза 8 (FKBP8) медиират митофагията чрез свързване на LC3 чрез LIR мотива независимо от Parkin (Murakawa et al., 2015; Bhujabal et al., 2017). Някои рецептори също се намират в IMM, като прохибитин 2 (PHB2) и кардиолипин. След като OMM бъде деполяризиран или повреден, PHB2 ще взаимодейства с LC3, за да насърчи директно митофагията (Wei et al., 2017). Въпреки това, изчерпването на PHB2 при разкъсване на OMM дестабилизира PINK1 чрез активирането на PARL и следователно води до разцепване на PGAM5 с пълна дължина (Yan et al., 2020). Това премахва PGAM5-включената стабилизация на PINK1 и по този начин инхибира PINK1/Parkin-зависимата митофагия. Наскоро кардиолипин, фосфолипид, също беше идентифициран като митофагиален рецептор, чийто първичен синтез се провежда в IMM. Когато се натъкне на разкъсване на OMM, кардиолипинът се освобождава в OMM и взаимодейства с LC3, задействайки сигнална каскада, която води до поглъщане на митохондриите (Chu et al., 2013).

Динамика на митохондриите и нейната връзка с митофагията

За да се адаптират към външната среда, митохондриите сливат както вътрешната, така и външната мембрана или претърпяват делене и се разделят на няколко митохондрии. Тези два основни процеса в динамиката на митохондриите се наричат ​​синтез и делене. Когато се противопоставя на клетъчния стрес, сливането се насърчава, за да се осигури производство на енергия чрез възстановяване на частично увредени митохондрии (Youle и van der Bliek, 2012). От друга страна, деленето е необходимо за митофагията, тъй като позволява отделянето на деполяризирани митохондрии, позволявайки запазването на „здравата част“ в митохондриите и намаляване на ненужните загуби по време на митофагията. В зависимост от качеството на митохондриите, сливането или деленето ще бъдат активирани заедно с инхибирането на другото (Twig et al., 2008).

В клетките на бозайници MFN1, MFN2 и OPA1, които са GTPases, медиират сливането на митохондриите (Wu et al., 2019). Тези протеини често се модифицират след транскрипция, за да се контролира тяхната ефективност. За MFN1 извънклетъчната регулирана киназа (ERK) може да го фосфорилира при Thr562, за да потисне сливането. MFN1 може също да бъде убиквитиниран до 5 МАРТ за разграждане (Park et al., 2014). Митоген-активираната протеин киназа 8 (MAPK8, известна също като JNK) фосфорилира MFN2 при Ser27 под стрес за последващо убиквитиниране от E3 лигази Parkin (Gegg et al., 2010), HUWE1 (Leboucher et al., 2012) и митохондриална убиквитин лигаза свързан с мембрана RING-CH (5 МАРТ) (Sugiura et al., 2013). MFN1 и MFN2 могат да бъдат деубиквитинирани от USP30, където инхибирането му ще доведе до неразграждащо се убиквитиниране на MFN1/2 (Yue et al., 2014).

За OPA1 той се регулира от промени в протеазната активност на YME1L и OMA1, която реагира на интрамитохондриални сигнали (Griparic et al., 2007; Head et al., 2009). Митохондриалното делене се регулира главно от цитозолен протеин, DRP1, чието набиране се медиира от фактори на митохондриално делене, като MFF. DRP1 може да бъде фосфорилиран от протеин киназа А при Ser637 и Ser656, което инхибира неговата активност. Дефосфорилирането на DRP1 се медиира от калциево-зависимата протеинова фосфатаза калциневрин или от протеинова фосфатаза 2A (PP2A) за повишена фрагментация при стрес (Chang and Blackstone, 2007; Cribbs and Strack, 2007).

Освен това енергийно чувствителната аденозин монофосфат (AMP)-активирана протеин киназа (AMPK) фосфорилира MFF при енергиен стрес, което набира Drp1 и ускорява митохондриалното делене (Toyama et al., 2016). Митофагията е тясно свързана с митохондриалната динамика, тъй като е установено, че множество митофагични протеини насърчават деленето и улесняват митофагията. Например, фосфорилираният Parkin може да убиквитинира MFN1 и MFN2 за разграждане, което намалява митохондриалното сливане и засилва фрагментацията, което води до започване на митофагия (Tanaka et al., 2010). По време на митофагията, MFN2 също се фосфорилира от PINK1, за да набере Parkin за по-нататъшна митофагия (Chen and Dorn, 2013).

Невропротективен ефект на Cistanche

Cistanche е растителен екстракт, известен със своите невропротективни свойства и се смята, че неговият механизъм на действие включва антиоксидантни, противовъзпалителни и антиапоптотични ефекти. Има няколко подходящи теста и случаи на приложение, свързани с невропротективните ефекти на Cistanche, които включват:

1. In vitro проучвания: In vitro проучвания показват, че екстрактът от Cistanche предпазва невроните от предизвикано от стрес увреждане чрез намаляване на оксидативния стрес и възпалението.

2. Изследвания върху животни: Проучванията върху животни показват, че Cistanche може да предпази от увреждане на невроните, причинено от церебрална исхемия, травматично мозъчно увреждане и експозиция на невротоксин.

3. Изследвания при хора: Има ограничени клинични доказателства за невропротективните ефекти на Cistanche при хора, но някои проучвания предполагат, че може да подобри когнитивната функция и да намали свързания с възрастта спад в паметта.

Luoan Shen1†, Qinyi Gan1†, Youcheng Yang1, Cesar Reis2, Zheng Zhang1, Shanshan Xu3, Tongyu Zhang4 * и Chengmei Sun1,3 *

1 Zhejiang University-University of Edinburgh Institute, School of Medicine, Zhejiang University, Haining, Китай,

2 VA Loma Linda Healthcare System, Университет Лома Линда, Лома Линда, Калифорния, Съединени щати,

3 Institute for Advanced Study, Shenzhen University, Shenzhen, China, 4 Department of Neurosurgery, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing, China