Mitofagi i cerebral iskæmi og iskæmi/reperfusionsskadeⅠ

iskæmisk slagtilfælde er en alvorlig cerebrovaskulær sygdom med høj dødelighed og morbiditet. I de senere år har reperfusionsbehandlinger baseret på trombolytisk og trombektomi været vigtige behandlinger for iskæmiske slagtilfældepatienter, og rekanaliseringens tidsvindue er blevet udvidet til over 24 timer. Men med udvidelsen af ​​tidsvinduet bliver risikoen for iskæmi/reperfusion (I/R) skade efter reperfusionsbehandling en stor udfordring for patienternes udfald. I/R-skade fører til neuronal død på grund af ubalancen i metabolisk udbud og efterspørgsel, som normalt er relateret til mitokondriel dysfunktion. Mitofagi er en type selektiv autofagi, der refererer til processen med specifik autofagisk eliminering af beskadigede eller dysfunktionelle mitokondrier for at forhindre dannelsen af ​​overdreven reaktive iltarter (ROS) og efterfølgende celledød. Nylige fremskridt har impliceret, at mitofagis beskyttende rolle i cerebral iskæmi hovedsageligt er forbundet med dets neurobeskyttende virkninger ved I/R-skade. Denne gennemgang diskuterer involveringen af ​​mitokondriers dynamik og mitofagi i patofysiologien af ​​iskæmisk slagtilfælde og I/R-skade i særdeleshed, med fokus på det terapeutiske potentiale af mitofagiregulering og muligheden for at bruge mitofagi-relaterede interventioner som en supplerende tilgang til neurobeskyttende tidsvindueforlængelse. efter iskæmisk slagtilfælde.

Klik for at kontrollere cistanche-dosis for iskæmisk slagtilfælde

Nøgleord: mitofagi, mitokondriel dysfunktion, iskæmisk slagtilfælde, iskæmi/reperfusionsskade (I/R-skade), rekanaliseringsterapi, det terapeutiske vindue

IINTRODUKTION

Et slagtilfælde er en pludselig indtræden af ​​cerebrale blodcirkulationsforstyrrelser forårsaget af hjerneinfarkt eller blødning (Shi et al., 2021). Afhængigt af det område af hjernen, der er berørt, kan patienter have forskellige symptomer, blandt hvilke de mest almindelige er akut opstået svaghed i den ene side af kroppen og nedsat taleevne (Nor et al., 2005). Slagtilfælde er den femte hyppigste dødsårsag ifølge American Heart Association (AHA). Omkring 795000 mennesker lider af enten nye eller tilbagevendende slagtilfælde hvert år (Virani Salim et al., 2020). Der er to hovedtyper af slagtilfælde: iskæmisk slagtilfælde og hæmoragisk slagtilfælde. Ved iskæmisk slagtilfælde blokeres blodgennemstrømningen af ​​trombose dannet omkring de sprængte aterosklerotiske plaques i arterien, mens hæmoragisk slagtilfælde normalt skyldes blødning forårsaget af blodkarsprængning.

Iskæmisk slagtilfælde tegner sig for omkring 87 procent af alle slagtilfælde. Det er derfor under stor opmærksomhed i forskning og klinisk praksis. Blokeret blodgennemstrømning fører til mangel på ilt og næringsstoffer, hvilket udløser en iskæmisk kaskade i hjernen. Produktionen af ​​adenosintrifosfat (ATP) ville blive forstyrret, hvilket ofte er en dødelig situation for sårbare hjerneceller, der er meget energiafhængige. I detaljer kan svigt i ATP-generering resultere i den svækkede aktivitet af ATP-afhængige ionkanaler, herunder natriumkanaler, og dermed forårsage intracellulær hyperosmolaritet (Deb et al., 2010). Også øget anaerob respiration under iskæmi producerer biproduktet mælkesyre, hvilket fører til metabolisk acidose. Alvorlige ændringer i ionbalancen kan forårsage cytotoksisk ødem og forstyrre glutamatreceptoraktiviteten, som i sidste ende beskadiger DNA og strukturelle proteiner eller endda fører til celledød (Nishizawa, 2001; Deb et al., 2010). Irreversible neuropatologiske ændringer i neuroner forekommer normalt inden for 20-30 minutter efter iskæmi (Ordy et al., 1993).

Reperfusionsbehandlinger, der sigter mod at genoprette blodgennemstrømningen og ilt til det iskæmiske område før neuronal skade, er den primære behandling for iskæmiske apopleksipatienter i klinikken. Intravenøs vævsplasminogenaktivator (IV tPA) er det eneste FDA-godkendte trombolytiske middel til behandling af akut slagtilfælde. Tidligere beviser tyder på, at det kun viser signifikant klinisk forbedring, når det gives inden for 3 timer efter iskæmi (Kwiatkowski et al., 1999). En anden randomiseret undersøgelse udført i 2017 viste, at intravenøse behandlinger inden for 6 timer stadig gavner over sikkerhedsproblemer (Berkhemer et al., 2014). Mekanisk trombektomi, en kirurgisk procedure til at fjerne trombose fra arterier, er en anden almindeligt anvendt reperfusionsterapi. Trombektomi er effektiv til at reducere invaliditet efter slagtilfælde, selvom dens effektivitet og sikkerhed kun kan sikres inden for 8 timer efter slagtilfældets begyndelse (Jovin et al., 2015). I de seneste år har to kliniske undersøgelser af høj kvalitet, der fokuserer på forsinket rekanalisering, indikeret, at reperfusionsbehandling givet 24 timer eller endda senere efter slagtilfældet stadig viser en vis forbedret prognose hos udvalgte patienter, og dermed udvider det terapeutiske vindue til 24 timer i specifikke patientpopulationer (Ragoschke-Schumm og Walter, 2018).

Alle nuværende behandlinger har dog den store begrænsning, at de øger risikoen for intrakraniel blødning (ICH), når den gives uden for det terapeutiske vindue, hvilket yderligere kan beskadige hjernevævet. Denne efterfølgende skade efter reperfusionsterapi kaldes en iskæmi/reperfusion (I/R) skade, en proces, der involverer reoxygeneringsinduceret reaktiv oxygenarter (ROS) produktion, calciumoverbelastning og vævsskade. Derfor er forlængelse af reperfusionstidsvinduet efter iskæmisk slagtilfælde, mens der ydes neurobeskyttelse, ekstremt vigtigt for sygdomshåndtering. Autofagi er en naturlig proces, der nedbryder unødvendige eller beskadigede organeller og proteiner for at opretholde cellulær homeostase. Autofagi kan aktiveres efter iskæmisk slagtilfælde, når hjerneceller udsættes for risikoen for ilt- og næringsstofmangel. For at være mere specifik stimulerer oxygen-glucosemangel stigningen i AMP/ATP-forholdet, som er en aktivator for AMPK-vejen (Oakhill et al., 2011; Jiang et al., 2018). Opregulering af AMPK-vejen kan således initiere autofagi via direkte aktivering af ULK-komplekset gennem phosphorylering af Ser 317 og Ser 777, eller indirekte aktivering af ULK ved at hæmme aktiviteten af ​​mTOR, da mTOR undertrykker Ulk1-aktivering ved at fosforylere Ulk1 Ser 757 og forstyrre interaktion mellem Ulk1 og AMPK (Egan et al., 2011; Kim J. et al., 2011).

Tidligere forskning viser kontroversielle resultater vedrørende rollen af ​​autofagi efter iskæmisk slagtilfælde. Nogle undersøgelser viser, at autofagi giver neurobeskyttelse og forbedrer kliniske resultater ved signifikant at reducere iskæmisk skade på neuroner, glia og endotelceller (Papadakis et al., 2013; Jiang et al., 2015; Dai et al., 2017). I mellemtiden tyder andre fund på, at overskydende autofagi kan være skadelig for hjerneceller (Li et al., 2017; Mo et al., 2020). For at opsummere, på trods af de kontroversielle beviser, er der generelt enighed om, at moderat autofagi er beskyttende, mens overdreven autofagi kan bidrage til celledød under iskæmi (Mo et al., 2020).

Iskæmisk prækonditionering (IPC), en strategi, der bruger korte perioder med vaskulær okklusion og reperfusion til at forhindre føtale iskæmiske hændelser og rekanalisering, kan aktivere det neurobeskyttende program i hjernen via udløsning af adaptiv autofagi rettet mod beskadigede organeller og lindre oxidativt stress i det akutte iskæmiske slagtilfælde ( Yang et al., 2020; Ajoolabady et al., 2021). Derudover er cerebral iskæmi-postkonditionering, som reducerer maladaptiv autofagi ved at anvende korte perioder med reperfusion afbrudt af iskæmi i begyndelsen af ​​rekanalisering, blevet induceret til at undertrykke reperfusionsskade, hvilket indikerer dens beskyttende rolle i behandlingen af ​​iskæmisk slagtilfælde (VintenJohansen, 2017; Ajoolabady et al. ., 2021). Mitofagi, en type selektiv autofagi, kan fjerne dysfunktionelle mitokondrier. Mitokondrier spiller en central rolle i cellulær energiproduktion, vedligeholdelse af calciumhomeostase og ROS-regulering. Mitokondriel dysfunktion kan øge oxidativt stress og cellulær skade (Liu, 1999; Indo et al., 2007).

Mitofagi fungerer hovedsageligt som en mitokondriel kvalitetskontrol gennem fjernelse af beskadigede mitokondrier. Hos pattedyr kan dysfunktionelle mitokondrier fjernes enten via PINK1- Parkin-afhængig ubiquitineringsvej eller via aktivering af mitofagi-receptorer, hvilket reducerer ROS-generering fra mitokondrier (Lemasters, 2005) og beskytter celler mod ugunstige nicher (Huang et al. ., 2011).

Under tilstanden af ​​iskæmisk slagtilfælde øger defekte mitokondrier frigivelsen af ​​pro-apoptotiske faktorer, herunder cytokrom c, for at inducere celledød i det berørte område (Jürgensmeier et al., 1998; Lemasters, 2005). Det er værd at bemærke, at mitofagi kan have forskellige virkninger under den første iskæmiske fase og senere reperfusionsfasen. Undersøgelser har vist, at mitofagi udøver sin beskyttende rolle hovedsageligt under reperfusionsfasen (Kumar et al., 2016).

I de senere år er mitofagiens rolle i akut slagtilfælde blevet grundigt undersøgt. De fleste undersøgelser indikerer en neurobeskyttelsesrolle af mitofagi i at lindre reperfusionsskade gennem flere mekanismer. Denne gennemgang opsummerer mitofagiens rolle i iskæmisk slagtilfælde og I/R-skade, og foreslår mitofagi-relaterede interventioner som en supplerende tilgang til iskæmisk slagtilfælde. Opdateringer vedrørende forsinket rekanalisering og den potentielle involvering af mitofagi i den blev også diskuteret.

MITOCHONDRIA OG MITOFAGI

Mitokondrier er vigtige organeller, der hovedsageligt er ansvarlige for energiproduktion. Imidlertid frigiver beskadigede mitokondrier skadelige ROS og andre oxidanter, såsom H2O2 og peroxynitrit, til cytoplasmaet og forårsager skade på proteinerne, kernesyren og membranerne (Zhou et al., 2011). Endnu værre vil cytochrom c, et mitokondrielt intermembranrumsprotein, blive frigivet under alvorlig mitokondriel skade, som udløser caspase-kaskade og til sidst apoptose (Ott et al., 2002).

Derfor er hurtig nedbrydning af beskadigede mitokondrier nødvendig for celleoverlevelse. Mitofagi er en proces, hvor beskadigede eller aldrende mitokondrier selektivt indpakkes af fagophorer og gennemgår lysosomal nedbrydning for at opretholde cellehomeostase og forhindre celleapoptose. Mitofagi starter med dannelsen af ​​fagophoren, en membranstruktur isoleret fra det endoplasmatiske reticulum. Phagophore genkender derefter beskadigede mitokondrier gennem LC3-adaptere eller LC3-receptorer og opsluger beskadigede mitokondrier til autosomal nedbrydning. I øjeblikket består mitofagivejene af to hovedtyper: ubiquitin-medieret vej og receptor-medieret vej (figur 1).

Ubiquitin-medieret vej

Det PTEN-inducerede formodede kinaseprotein 1 (PINK1) og Parkin-medieret ubiquitineringsvej er nogle af de mest velkarakteriserede mitofagimekanismer. I raske mitokondrier importeres PINK1, en serin/threoninkinase, fra cytoplasmaet kontinuerligt og undergår spaltning af de mitokondrielle proteaser mitokondriebehandlende peptidase (MPP) og presenilin-associeret rhomboid-lignende (PARL) (Greene et al., 2012). Ved iskæmisk slagtilfælde depolariseres mitokondriemembranen, hvilket forhindrer importen af ​​PINK1 og resulterer i akkumulering af PINK1 på mitokondriemembranen. Som et resultat inducerer kinaseaktiviteten af ​​PINK1 i fuld længde phosphorylering af E3-ligase Parkin, som aktiverer den enzymatiske funktion af Parkin og fører til ubiquitinering af flere mitokondrielle proteiner (Kazlauskaite et al., 2015). I mellemtiden phosphorylerer PINK1 ubiquitin og resulterer i binding af phosphoryleret ubiquitin og Parkin, hvor ligaseaktiviteten forbedres yderligere (Koyano et al., 2014; Kazlauskaite et al., 2015).

Når først Parkin er aktiveret, konjugerer det ubiquitin-dele til OMM-proteinerne, og derved induceres mitofagi. Nogle ubiquitinerede mitokondrielle proteiner, såsom MFN1, nedbrydes, hvilket er afgørende for mitokondriel fission og mitofagi (Tanaka et al., 2010). Andre ubiquitinerede proteiner rekrutterer autophagy-adapterproteiner såsom optineurin (OPTN) og nuclear dot protein 52 (NDP52), som forankrer de markerede mitokondrier til autophagosomet ved dets LC3- interagerende region (LIR) motiver, hvorved mitofagi initieres (Lazarou) et al., 2015). Desuden kan PINK1 rekruttere OPTN og NDP52 uafhængigt af parkin, som efterfølgende rekrutterer adskillige autophagy initiation factors, såsom unc51-like autophagy activating kinase 1 (ULK1), til mediering af phagophore syntese og forlængelse (Wong og Holzbaur, 2014; Lazarou et al., 2015). Flere andre E3-ligaser er også blevet opdaget at initiere mitofagi. Nogle mekanismer er relateret til PINK1/Parkin-medieret mitofagi, og nogle er uafhængige af Parkin. For eksempel medierer overekspression af mitokondriel ubiquitin-ligase 1 (MUL1) nedbrydningen af ​​mitofusin ved ubiquitinering, som redder PINK1/parkin-mutantfænotypen (Yun et al., 2014).

I modne neuroner er MUL1 også vigtig for kontakten af ​​ER og mitokondrier, og fraværet af det forringer Ca2 plus homeostasen i mitokondrier og reducerer indtaget af Ca2 plus fra ER. Dette fører til aktivering af calcineurin, som aktiverer Drp1 og derfor inducerer mitokondrier fission. Fragmenterede mitokondrier mister deres membranpotentiale, og PINK1/Parkin-medieret mitofagi induceres (Puri et al., 2019). En anden E3-ligase, syv in absentia homolog (SIAH)-1, rekrutteres af synphilin-1, når PINK1 i fuld længde er til stede. SIAH-1 fremmer mitofagi gennem ubiquitinering af mitokondrieproteiner uafhængigt af Parkin (Szargel et al., 2016). Ud over fordelene ved PINK1-Parkin-medieret ubiquitinering er deubiquitinaser afgørende for korrekt mitofagi. Deubiquitineringen af ​​Parkin udføres direkte af ubiquitin-specifik peptidase 8 (USP8) (Durcan et al., 2014), mens USP15 deubiquitinerer substraterne af Parkin for at hæmme mitofagi (Cornelissen et al., 2014). Adskillige andre deubiquitinaser, såsom USP30, USP35 og USP33 (Bingol et al., 2014; Wang Y. et al., 2015; Niu et al., 2020), modvirker ubiquitin-medieret mitofagi ved at fjerne ubiquitin-kæder fra mitokondriermembranen . Derfor etableres en finjusteret balance mellem ubiquitinering og deubiquitinering til regulering af mitofagi.

Receptor-medieret vej

En alternativ vej til mitofagi er via mitofagi-receptorsignalering. Multiple mitofagi-receptorer er i øjeblikket identificeret i pattedyrsceller (Ren et al., 2018), som indeholder mindst én LIR til direkte binding af autophagy mediator LC3 og den efterfølgende phagosomopslukning. En kritisk receptor i omsætningen af ​​mitokondrier i erytrocytter er et OMM-protein ved navn BCL2 interagerende protein 3-lignende (BINP3-L, også kendt som NIX) (Sandoval et al., 2008). Det er transkriptionelt opreguleret under erytrocytmodning for at klare mitokondrier. Under hypoxitilstande induceres BINP3-L sammen med dets homolog, BNIP3, hvilket fremmer mitofagi gennem OPA1-demontering og DRP1-rekruttering, som er transskriptionelt reguleret af gaffelkasse O3 (FOXO3) og hypoxi-inducerbar faktor (HIF) , hvorved mitokondriel fission induceres og mitokondriel fusion hæmmes (Sowter et al., 2001; Mammucari et al., 2007).

Desuden forbedres dens bindingsaffinitet til LC3 yderligere ved phosphorylering af LIR under stressforhold (Rogov et al., 2017). En anden væsentlig mitofagireceptor er FUN14-domænet indeholdende 1 (FUNDC1), som medierer mitofagi under hypoksiske forhold (Liu et al., 2012). FUNDC1-aktivitet reguleres af dets phosphoryleringstilstand. Under ikke-stress-tilstande undertrykkes det af phosphorylering af Src ved Tyr18 og kaseinkinase II (CK2) ved Ser13 (Chen et al., 2014). Under hypoxi dephosphorylerer PGAM5-phosphatase FUNDC1, hvilket aktiverer LIR-motivet på FUNDC1 og inducerer mitofagi. Desuden rekrutterer FUNDC1 Drp1 og forstyrrer dets fysiske tilknytning til OPA1 under stress (vigtigt for mitokondriernes dynamik) og inducerer derved mitokondriel fission og hæmmer mitokondriel fusion (Chen et al., 2016).

Derudover er der flere andre mitofagi-receptorer. På den ydre mitokondrielle membran har BCL 2 Like 13 (BCL2L13) og FKBP prolylisomerase 8 (FKBP8) vist sig at mediere mitofagi ved at binde LC3 via LIR-motivet uafhængigt af Parkin (Murakawa et al., 2015; Bhujabal et al. 2017). Nogle receptorer findes også i IMM, såsom prohibitin 2 (PHB2) og cardiolipin. Når OMM'en er depolariseret eller beskadiget, vil PHB2 interagere med LC3 for direkte at fremme mitofagi (Wei et al., 2017). Men udtømningen af ​​PHB2 ved OMM-brud destabiliserer PINK1 gennem aktiveringen af ​​PARL og fører derfor til spaltning af PGAM5 i fuld længde (Yan et al., 2020). Dette afskaffer PGAM5-involveret PINK1-stabilisering og hæmmer derved PINK1/Parkindependent mitofagi. For nylig er cardiolipin, et phospholipid, også blevet identificeret som en mitofagireceptor, hvis primære syntese udføres i IMM. Når man støder på OMM-brud, frigives cardiolipin til OMM og interagerer med LC3, hvilket udløser en signaleringskaskade, der resulterer i opslugning af mitokondrierne (Chu et al., 2013).

Mitokondrierdynamik og dens forhold til mitofagi

For at tilpasse sig det ydre miljø fusionerer mitokondrier både de indre og ydre membraner eller gennemgår fission og adskilles i flere mitokondrier. Disse to essentielle processer i mitokondriernes dynamik kaldes fusion og fission. Når man konfronterer cellulær stress, fremmes fusion for at sikre energiproduktion ved at reparere delvist beskadigede mitokondrier (Youle og van der Bliek, 2012). På den anden side er fission nødvendig for mitofagi, da det muliggør adskillelse af depolariserede mitokondrier, hvilket muliggør bevarelse af "den sunde del" i mitokondrier og reducerer unødvendigt tab under mitofagi. Afhængigt af kvaliteten af ​​mitokondrier vil enten fusion eller fission blive aktiveret sammen med hæmningen af ​​den anden (Twig et al., 2008).

I pattedyrsceller medierer MFN1, MFN2 og OPA1, som er GTPaser, fusionen af ​​mitokondrierne (Wu et al., 2019). Disse proteiner modificeres ofte post-transkriptionelt for at kontrollere deres styrke. For MFN1 kan ekstracellulær reguleret kinase (ERK) phosphorylere det ved Thr562 for at undertrykke fusion. MFN1 kan også være ubiquitineret den 5. MARTS til nedbrydning (Park et al., 2014). Mitogen-aktiveret proteinkinase 8 (MAPK8, også kendt som JNK) phosphorylerer MFN2 ved Ser27 under stress til efterfølgende ubiquitinering af E3-ligaser Parkin (Gegg et al., 2010), HUWE1 (Leboucher et al., 2012) og mitokondriel ubiquitin membran-associeret RING-CH (5. MARTS) (Sugiura et al., 2013). MFN1 og MFN2 kan deubiquitineres af USP30, hvor inhibering af det vil føre til ikke-nedbrydende ubiquitinering af MFN1/2 (Yue et al., 2014).

For OPA1 er det reguleret af ændringer i proteaseaktiviteten af ​​YME1L og OMA1, som reagerer på intramitokondrielle signaler (Griparic et al., 2007; Head et al., 2009). Mitokondriel fission reguleres hovedsageligt af et cytosolprotein, DRP1, hvis rekruttering er medieret af mitokondriel fissionsfaktorer såsom MFF. DRP1 kan phosphoryleres af proteinkinase A ved Ser637 og Ser656, som hæmmer dets aktivitet. Dephosphorylering af DRP1 medieres af det calciumafhængige protein phosphatase calcineurin eller af protein phosphatase 2A (PP2A) for øget fragmentering under stress (Chang og Blackstone, 2007; Cribbs og Strack, 2007).

Desuden fosforylerer energifølende adenosinmonophosphat (AMP)-aktiveret proteinkinase (AMPK) MFF under energistress, som rekrutterer Drp1 og accelererer mitokondriel fission (Toyama et al., 2016). Mitofagi er tæt forbundet med mitokondriel dynamik, da flere mitofagiproteiner har vist sig at fremme fission og lette mitofagi. For eksempel kan phosphoryleret Parkin ubiquitinere MFN1 og MFN2 til nedbrydning, hvilket reducerer mitokondriel fusion og øger fragmentering, hvilket fører til initiering af mitofagi (Tanaka et al., 2010). Under mitofagi phosphoryleres MFN2 også af PINK1 for at rekruttere Parkin til yderligere mitofagi (Chen og Dorn, 2013).

Cistanche neurobeskyttende effekt

Cistanche er et planteekstrakt kendt for dets neurobeskyttende egenskaber, og dets virkningsmekanisme menes at involvere antioxidant-, anti-inflammatoriske og antiapoptotiske virkninger. Der er flere relevante tests og anvendelsessager relateret til de neurobeskyttende virkninger af Cistanche, som omfatter:

1. In vitro undersøgelser: In vitro undersøgelser har vist, at Cistanche ekstrakt beskytter neuroner mod stress-induceret skade ved at reducere oxidativ stress og inflammation.

2. Dyreforsøg: Dyreforsøg har vist, at Cistanche kan beskytte mod neuronal skade forårsaget af cerebral iskæmi, traumatisk hjerneskade og neurotoksin eksponering.

3. Humane undersøgelser: Der er begrænset klinisk evidens for de neurobeskyttende virkninger af Cistanche hos mennesker, men nogle undersøgelser har antydet, at det kan forbedre kognitiv funktion og reducere aldersrelateret nedgang i hukommelsen.

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

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

2 VA Loma Linda Healthcare System, Loma Linda University, Loma Linda, CA, USA,

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