自噬與急性胰腺炎研究現(xiàn)況

?

自噬與急性胰腺炎研究現(xiàn)況

余巧 韓超群 丁霏霏 丁震

急性胰腺炎(AP)是胰酶異常激活的“自身消化”性炎性疾病，死亡率為4%～15%，在重癥患者中高達15%～90%[1]。胰酶在胰腺腺泡細胞內(nèi)的激活一直被認為是AP發(fā)病早期的主要病理事件，但AP的發(fā)病機制目前尚不清楚。正常情況下，自噬能夠保護機體抵御感染、老化、腫瘤等各種病理狀態(tài)，是真核細胞長期存活所必需的。在某些情況下，自噬受損或被過度激活，其功能發(fā)生改變導致疾病的發(fā)生[2]。目前已有研究證實自噬參與AP的發(fā)生、發(fā)展過程[3]，然而具體作用機制仍不明確。本文就自噬與AP研究新進展做一綜述。

一、自噬過程

蛋白質(zhì)降解主要依賴兩種方式：泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬，前者主要負責降解短壽命蛋白質(zhì)，而后者主要降解長壽命蛋白質(zhì)和細胞器等成分[4]。自噬是通過溶酶體來降解細胞內(nèi)大分子物質(zhì)和一些受損細胞器等的過程。自噬分為大自噬、小自噬、分子伴侶介導的自噬，目前認為大自噬(即一般所說的自噬)與人類疾病關系最為密切。自噬過程首先是形成吞噬細胞內(nèi)待降解物的杯型單層膜，然后頭端封閉形成雙層膜結構的自噬體，其外層膜再與溶酶體融合形成自噬溶酶體，最后通過溶酶體內(nèi)的各種水解酶降解自噬溶酶體內(nèi)的待降解物質(zhì)。參與調(diào)節(jié)自噬過程的相關基因統(tǒng)一稱為Atg(autophagy-related gene)，Atg12-Atg5-Atg16L復合物定位于自噬體膜上，是自噬形成的關鍵物質(zhì)[5-6]。自噬有許多正、負調(diào)節(jié)因子，例如：酵母Atg6的同系物(beclin1)可與Ⅲ型磷脂酰肌醇3-激酶(Class Ⅲ PI3K) 形成復合物而激發(fā)自噬；自噬體膜上的自噬相關標志物微管相關蛋白1輕鏈3(microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3)與自噬泡形成量成正相關[7-8]。TOR(target of rapamycin)能與配體形成TORC1(TOR complex 1)并通過磷酸化Atg13和ULK1(UNC-51 like kinase 1)、ULK2而抑制自噬[9-10]。再有研究表明，Rab7和溶酶體膜蛋白LAMP-2可能是自噬體膜與溶酶體膜融合必需的調(diào)控因子[11-12]。所以自噬是多種因子參與的過程，任何環(huán)節(jié)的調(diào)控受損都可以引起自噬過程受阻。

二、自噬與炎癥反應

AP常常伴隨著局部或系統(tǒng)性炎癥反應。雖然腺泡細胞內(nèi)胰蛋白酶原提前異常激活是AP的關鍵起始因子，并進一步導致“胰腺自身消化”，但胰蛋白酶原激活這一因素還不足以完全引起胰腺炎及其并發(fā)癥。

在AP 中，胰腺受損的細胞會釋放多種炎癥趨化因子，進而趨化炎性細胞浸潤[13]。正常自噬可通過抑制炎癥小體(inflammasome)從而抑制炎癥反應[14]。在AP發(fā)病過程中，炎癥遞質(zhì)的上調(diào)扮演著重要角色，IL-1β能夠增加腺泡細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力引起高鈣血癥，通過誘導受損自噬來促進胰蛋白酶原激活和降低胰腺腺泡細胞活力[15-16]。還有研究發(fā)現(xiàn)，脂多糖(LPS)處理缺乏Atg16L的小鼠，其血清IL-1β 和 IL-18水平升高[17]，證明AP中炎癥因子的上調(diào)可能與受損自噬相關。

胰腺炎中NF-κB信號通路被激活后，可促使機體釋放炎癥趨化因子以及炎癥因子TNF-α等，TNF-α又可以誘導胰蛋白酶原過早激活及腺泡細胞壞死，而激活的胰蛋白酶原可能進一步激活NF-κB信號通路，加重AP[18]。細胞內(nèi)受損自噬底物p62/SQMTS1的聚集可促使依賴p62的NF-κB信號通路激活，但抑制NF-κB信號通路可減少急性壞死性胰腺炎(acute necrotizing pancreatitis,ANP)中LC3-Ⅱ和beclin 1的表達[19]。IκB激酶復合物(IKKs)是NF-κB信號通路的主要調(diào)節(jié)者，敲除IKK基因能夠誘導AP的發(fā)生[20]。而有報道認為酶原激活與NF-κB信號通路可能是AP早期階段兩個獨立事件，胰蛋白酶原可能無法激活NF-κB[21]。

在AP的早期階段，氧化應激也發(fā)揮著重要作用?；钚匝躅?reactive oxygen species, ROS)能夠促進胰腺腺泡細胞線粒體內(nèi)細胞色素c的釋放，從而促進細胞凋亡[16,22]。損傷的線粒體可被自噬途徑降解，從而減輕細胞凋亡和壞死[11]。AP時，損傷的線粒體殘留，導致ROS增加、炎癥小體激活以及炎癥小體降解不徹底等。此外，受損自噬可通過調(diào)節(jié)炎癥小體依賴反應和炎癥因子IL-1β和 IL-18的分泌來調(diào)控炎癥反應[15,23-24]。正常自噬抑制炎癥反應，受損自噬可通過促進炎癥反應促使疾病發(fā)展，通過抑制自噬受損或減少自噬的過度激活可調(diào)控AP發(fā)展，甚至可能阻止AP中SIRS、MODS的發(fā)生。

三、自噬與胰蛋白酶原激活

AP患者腺泡細胞內(nèi)胰蛋白酶原的激活一直被認為是AP的始動因素[25]。在AP模型中觀察到早期損傷的胰腺腺泡細胞空泡內(nèi)出現(xiàn)消化酶與溶酶體水解酶的共區(qū)域化，并證實溶酶體內(nèi)的水解酶可激活胰蛋白酶原[26]。近年來，新的理論認為自噬可誘發(fā)或促進AP，尤其是通過激活細胞內(nèi)胰蛋白酶原從而增加蛋白質(zhì)降解，并進一步激活新的胰酶[3,21]。雨蛙素處理Atg5基因敲除小鼠后，AP病情嚴重程度減輕，腺泡內(nèi)激活的胰蛋白酶原水平也下降，說明自噬可能通過激活胰蛋白酶原而在AP中發(fā)揮有害作用[27]。在不同的AP模型中，AP早期胰腺腺泡細胞內(nèi)都可出現(xiàn)包含消化酶和溶酶體酶的液泡，這種液泡具有雙層膜結構、LC3-Ⅱ標記陽性等多種自噬泡特征，這與AP早期非正常合成新的消化酶及溶酶體酶現(xiàn)象相符[8,28]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在雨蛙素誘導的AP模型中，可能存在兩種不同的機制來介導胰蛋白酶原的激活，初期主要是由于雨蛙素促進溶酶體內(nèi)組織蛋白酶B(cathepsin B，CTSB)前體的成熟，進而引起胰蛋白酶原向胰蛋白酶的轉(zhuǎn)變；后一階段，細胞內(nèi)逐步形成包含有酶原顆粒的雙層膜液泡，即自噬占主導作用[29]。同時，Hashimoto等[30]認為腺泡細胞內(nèi)胰蛋白酶原可能是在自噬溶酶體內(nèi)被CTSB水解為胰蛋白酶。然而，Wartmann等[31]研究發(fā)現(xiàn)，溶酶體內(nèi)的組織蛋白酶L(cathepsin L，CTSL)可使胰蛋白酶原失活，并能夠拮抗CTSB的功能。

綜上研究認為，AP中受損自噬可促進胰蛋白酶原激活，主要是通過自噬溶酶體內(nèi)的相關組織蛋白酶失調(diào)介導。AP過程中，溶酶體內(nèi)的CTSB增多，促進胰蛋白酶原激活；CTSL減少及活性減弱導致自噬泡中胰蛋白酶原及胰蛋白酶降解受限，二者共同作用，導致胰蛋白酶原激活、胰蛋白酶聚集增多。

四、受損自噬與溶酶體功能障礙

自噬是溶酶體源性降解途徑，多數(shù)研究認為自噬在AP過程中被激活但受損， AP發(fā)病早期出現(xiàn)的溶酶體功能障礙也被普遍接受，并認為AP中自噬受損可能與溶酶體功能障礙有關。mTORC1可負性調(diào)節(jié)自噬，而功能缺陷的溶酶體可通過抑制mTORC1活性而誘發(fā)自噬[32]。另有研究發(fā)現(xiàn)，mTORC1可能被由溶酶體內(nèi)流入細胞質(zhì)中的氨基酸激活，但溶酶體上具體氨基酸傳感器尚不確定，迄今為止發(fā)現(xiàn)的第1個下游靶點是液泡型三磷酸腺苷酶H+-ATPase(V-ATPase)，V-ATPase可通過增強GEF調(diào)節(jié)子的活性而激活Rag GTPases[33]。據(jù)此推測，涉及溶酶體Rag GTPases的某種氨基酸敏感途徑可調(diào)節(jié)mTORC1，進而調(diào)節(jié)自噬過程[34]。

溶酶體相關膜蛋白(lysosome-associated membrane proteins, LAMPs)是一種高度糖基化的跨膜蛋白，維持溶酶體結構完整性及正常降解功能，在溶酶體內(nèi)膜上形成保護性的被膜，使溶酶體內(nèi)水解酶與細胞內(nèi)其他物質(zhì)及代謝途徑相隔離，從而保護溶酶體膜及細胞質(zhì)內(nèi)其他物質(zhì)不被水解[35]。在AP中溶酶體功能出現(xiàn)以下幾種障礙：其一，溶酶體內(nèi)組織蛋白酶的加工處理異常，即組織蛋白酶雙鏈形式的成熟結構減少，未成熟結構聚集增多；其二，AP模型中，CTSB與CTSL激活及活性失調(diào)；其三，LAMP-1和LAMP-2顯著減少，AP中組織蛋白酶的作用及其在溶酶體內(nèi)的位置發(fā)生改變使得LAMP易于被降解[36]。

五、結語

綜上所述，自噬是正常細胞的防御機制，而受損自噬則參與AP發(fā)生和發(fā)展，其可激活胰蛋白酶原，調(diào)節(jié)AP炎癥反應，并與溶酶體功能障礙密切相關。AP目前仍是一種機制復雜、發(fā)病兇險、死亡率高的臨床急癥，臨床治療手段還未能完全阻止重癥AP的發(fā)生、發(fā)展。因此，需要進一步明確AP中溶酶體功能障礙介導的自噬受損、受損自噬調(diào)節(jié)胰蛋白酶原激活及炎癥反應潛在的機制，并嘗試通過改善溶酶體功能、抑制自噬受損等手段制定出新的高效AP治療策略。

[1] Hazra N, Gulliford M. Evaluating pancreatitis in primary care: a population-based cohort study[J]. Br J Gen Pract, 2014,64(622):e295-e301. DOI: 10.3399/bjgp14X679732.

[2] Levine B, Kroemer G. Autophagy in the pathogenesis of disease[J]. Cell, 2008,132(1):27-42. DOI: 10.1016/j.cell.2007.12.018.

[3] Zhang L, Zhang J, Shea K, et al. Autophagy in pancreatic acinar cells in caerulein-treated mice: immunolocalization of related proteins and their potential as markers of pancreatitis[J]. Toxicol Pathol, 2014, 42(2): 435-457. DOI: 10.1177/0192623313486967.

[4] Chen ZF, Li YB, Han JY, et al. The double-edged effect of autophagy in pancreatic beta cells and diabetes[J]. Autophagy, 2011,7(1):12-16. DOI: 10.4161/auto.7.1.13607.

[5] Sokollik C, Ang M, Jones NL. Autophagy: A primer for the gastroenterologist/hepatologist[J]. Can J Gastroenterol, 2011,25(12):667-674.

[6] Mehrpour M, Esclatine A, Beau I, et al. Autophagy in health and disease. 1. Regulation and significance of autophagy: an overview[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2010,298(4):C776-C785. DOI: 10.1152/ajpcell.00507.2009.

[7] Valente G, Morani F, Nicotra G, et al. Expression and clinical significance of the autophagy proteins BECLIN 1 and LC3 in ovarian cancer[J]. Biomed Res Int, 2014,2014:462658. DOI:10.1155/2014/462658.

[8] Czaja MJ. Functions of autophagy in hepatic and pancreatic physiology and disease[J]. Gastroenterology, 2011,140(7):1895-1908. DOI:10.1053/j.gastro.2011.04.038.

[9] Alers S, Loffler AS, Wesselborg S, et al. Role of AMPK-mTOR-Ulk1/2 in the regulation of autophagy: cross talk, shortcuts, and feedbacks[J]. Mol Cell Biol, 2012,32(1):2-11. DOI: 10.1128/MCB.06159-11.

[10] Jung CH, Ro SH, Cao J, et al. mTOR regulation of autophagy[J]. FEBS Lett, 2010,584(7):1287-1295. DOI: 10.1016/j.febslet.2010.01.017.

[11] Lee J, Giordano S, Zhang J. Autophagy, mitochondria and oxidative stress: cross-talk and redox signalling[J]. Biochem J, 2012,441:523-540. DOI: 10.1042/BJ20111451.

[12] Ganley IG, Wong PM, Gammoh N, et al. Distinct autophagosomal-lysosomal fusion mechanism revealed by thapsigargin-induced autophagy arrest[J]. Mol Cell, 2011,42(6):731-743. DOI: 10.1016/j.molcel.2011.04.024.

[13] Binker MG, Cosen-Binker LI. Acute pancreatitis: the stress factor[J]. World J Gastroenterol, 2014,20(19):5801-5807.DOI: 10.3748/wjg.v20.i19.5801.

[14] Wang Y, Li YB, Yin JJ, et al. Autophagy regulates inflammation following oxidative injury in diabetes[J]. Autophagy, 2013,9(3):272-277. DOI: 10.4161/auto.23628.

[15] Xu B, Bai B, Sha S, et al. Interleukin-1β induces autophagy by affecting calcium homeostasis and trypsinogen activation in pancreatic acinar cells[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2014,7(7):3620-3631.

[16] Pérez S, Pereda J, Sabater L, et al. Redox signaling in acute pancreatitis[J]. Redox Biol, 2015,5:1-14. DOI: 10.1016/j.redox.2015.01.014.

[17] Lapaquette P, Guzzo J, Bretillon L, et al. Cellular and Molecular Connections between Autophagy and Inflammation[J]. Mediators Inflamm, 2015,2015:398483. DOI: 10.1155/2015/398483.

[18] Lin K, Gao F, Chen Q, et al. Framework for interpretation of trypsin-antitrypsin imbalance and genetic heterogeneity in pancreatitis[J]. Saudi J Gastroenterol, 2015,21(4):198-207. DOI: 10.4103/1319-3767.161643.

[19] Yang S, Bing M, Chen F, et al. Autophagy regulation by the nuclear factor kappaB signal axis in acute pancreatitis[J]. Pancreas, 2012,41(3):367-73. DOI: 10.1097/MPA.0b013e31822a9b05.

[20] Hall JC, Crawford HC. The conspiracy of autophagy, stress and inflammation in acute pancreatitis[J]. Curr Opin Gastroenterol, 2014,30(5):495-499. DOI: 10.1097/MOG.0000000000000097.

[21] Sah RP, Saluja A. Molecular mechanisms of pancreatic injury[J]. Curr Opin Gastroenterol, 2011,27(5):444-451. DOI: 10.1097/MOG.0b013e328349e346.

[22] Odinokova IV, Sung KF, Mareninova OA, et al. Mechanisms regulating cytochrome c release in pancreatic mitochondria[J]. Gut, 2009,58:431-442.DOI:10.1136/gut.2007.147207.

[23] Levine B, Mizushima N, Virgin HW. Autophagy in immunity and inflammation[J]. Nature, 2011,469(7330):323-335. DOI: 10.1038/nature09782.

[24] Arroyo DS, Gaviglio EA, Peralta Ramos JM, et al. Autophagy in inflammation, infection, neurodegeneration and cancer[J]. Int Immunopharmacol, 2014,18(1):55-65.DOI: 10.1016/j.intimp.2013.11.001.

[25] Dawra R, Sah RP, Dudeja V, et al. Intra-acinar trypsinogen activation mediates early stages of pancreatic injury but not inflammation in mice with acute pancreatitis[J]. Gastroenterology, 2011,141(6):2210-2217. DOI: 10.1053/j.gastro.2011.08.033.

[26] Saluja AK, Lerch MM, Phillips PA, et al. Why does pancreatic overstimulation cause pancreatitis[J]? Annu Rev Physiol, 2007,69:249-269. DOI: 10.1146/annurev.physiol.69.031905.161253.

[27] Ohmuraya M, Yamamura K. Autophagy and acute pancreatitis: a novel autophagy theory for trypsinogen activation[J]. Autophagy, 2008,4(8):1060-1062. PMID: 18776738.

[28] Mareninova OA, Hermann K, French SW, et al. Impaired autophagic flux mediates acinar cell vacuole formation and trypsinogen activation in rodent models of acute pancreatitis[J]. J Clin Invest, 2009,119(11):3340-3355.DOI: 10.1172/JCI38674.

[29] Orlichenko L, Stolz DB, Noel P, et al. ADP-ribosylation factor 1 protein regulates trypsinogen activation via organellar trafficking of procathepsin B protein and autophagic maturation in acute pancreatitis[J]. J Biol Chem, 2012,287(29):24284-24293. DOI: 10.1074/jbc.M111.328815.

[30] Hashimoto D, Ohmuraya M, Hirota M, et al. Involvement of autophagy in trypsinogen activation within the pancreatic acinar cells[J]. J Cell Biol, 2008,181(7):1065-1072. DOI: 10.1083/jcb.200712156.

[31] Wartmann T, Mayerle J, Kahne T, et al. Cathepsin L inactivates human trypsinogen, whereas cathepsin L-deletion reduces the severity of pancreatitis in mice[J]. Gastroenterology, 2010,138(2):726-737.DOI: 10.1053/j.gastro.2009.10.048.

[32] Li M, Khambu B, Zhang H, et al. Suppression of lysosome function induces autophagy via a feedback down-regulation of MTOR complex 1 (MTORC1) activity[J]. J Biol Chem, 2013,288(50):35769-35780. DOI:10.1074/jbc.M113.511212.

[33] Jewell JL, Russell RC, Guan KL. Amino acid signalling upstream of mTOR[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2013,14(3):133-139. DOI:10.1038/nrm3522.

[34] Sancak Y, Peterson TR, Shaul YD, et al. The Rag GTPases bind raptor and mediate amino acid signaling to mTORC1[J]. Science, 2008,320(5882):1496-501. DOI:10.1126/science.1157535.

[35] Schwake M, Schroder B, Saftig P. Lysosomal membrane proteins and their central role in physiology[J]. Traffic, 2013,14(7):739-748. DOI: 10.1111/tra.12056.

[36] Gukovsky I, Pandol SJ, Mareninova OA, et al. Impaired autophagy and organellar dysfunction in pancreatitis[J]. J Gastroenterol Hepatol, 2012,27 Suppl 2:27-32. DOI: 10.1111/j.1440-1746.2011.07004.x.

(本文編輯：屠振興)

10.3760/cma.j.issn.1674-1935.2016.05.016

430022 武漢，華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科

丁震，Email：docd720@126.com

2015-10-14)