Sigma-1受体对视网膜神经节细胞保护机制的研究进展
时间：2023-03-01 16:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨雪莉，毛俊峰
视神经病变是一类以视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell，RGC)及轴突损伤为主要特征的疾病总称，包括青光眼、缺血性视神经病变、遗传性视神经病变、糖尿病性视神经病变等，RGC死亡是视功能不可逆丧失的根本原因。RGC的神经保护机制及药物研发一直是眼科领域的研究重点及难点。Sigma-1受体(Sigma-1 receptor，S1R)是一种新型内质网分子伴侣，主要定位于内质网-线粒体界面或线粒体相关内质网膜，被称为“多能调节器”[1-2]。其生理功能包括调节线粒体Ca2+稳态、离子通道活性(如K+、Na+、Cl-等)、细胞氧化还原、神经递质释放、内质网应激等[3]。近年来，S1R作为神经退行性疾病的治疗靶点备受关注。在肌萎缩性侧索硬化症、帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病的研究中发现，激动S1R具有神经保护作用，可延缓运动神经元变性及症状进展、提高纹状体中多巴胺水平、增强大脑海马体中突触传递及神经发生改善认知功能障碍等[4-6]。视觉系统中也发现靶向S1R可发挥神经保护功能，减轻视网膜应激损伤，在青光眼、糖尿病性视神经病变等视神经疾病治疗中具有潜在作用[7]。现就S1R在视网膜中对RGC的保护作用及其机制的研究进展进行综述，旨在为视神经疾病治疗研究提供新思路。
自20世纪90年代起，S1R在视觉系统中的作用开始被深入研究。继首次在泪腺细胞中检测到S1R后，角膜、晶状体、虹膜、睫状体、视网膜及视神经中也陆续证实存在S1R表达[1]，其中视网膜S1R表达显著高于其他眼内组织。原位杂交和免疫组化实验显示S1R分布在视网膜神经节细胞层、内核层、外核层及视网膜色素上皮层，其中神经节细胞层表达最为丰富[7]。视网膜多种细胞类型中均有S1R表达，相较于光感受器细胞中S1R仅定位于核膜，RGC中S1R还表达于内质网，与多种细胞功能密切相关[8]。
诸多研究证实，S1R可抑制RGC凋亡、促进存活，对视网膜结构及功能具有保护作用。早期Smith等将分离纯化的RGC暴露于谷氨酸或同型半胱氨酸中模拟兴奋性毒性损伤，以高选择性S1R激动剂(+)-PTZ预处理作为对照，发现S1R激活能减少RGC凋亡，对RGC具有保护作用[9]；
Zhao等[10]在兴奋性毒性小鼠模型中也发现S1R激活能提高RGC生存率。相反S1R缺陷的视网膜更易受到损伤，RGC对退行性病变的易感性更高。Ha等[11]发现12月龄S1R基因敲除小鼠的ERG b波振幅和负向暗视阈值反应显著下降，反映其RGC功能减低，伴有RGC凋亡蛋白活化和细胞凋亡。可见，S1R在长期慢性视网膜细胞应激中可能具有关键作用。在视神经夹伤研究中，Timur等发现S1R敲除小鼠的RGC丢失较野生型小鼠更为显著[12]，Li等[13]则通过构建AAV2-S1R重组载体上调S1R敲除小鼠体内S1R表达后发现视网膜RGC计数及活性升高，提示S1R在急性视网膜应激中也具有神经保护作用。在一项糖尿病视网膜视神经病变小鼠研究中，Smith等[14]发现(+)-PTZ处理组小鼠视网膜结构完整性相较于未处理组显著改善，RGC和内核层内凋亡细胞明显减少，Müller细胞结构更加完整，表明S1R激活对视网膜内核层细胞及Müller细胞也有保护作用。由此可知，S1R对RGC具有保护作用，提高细胞存活率与结构完整性，并改善应激状态及功能减低，对RGC变性具有潜在治疗作用。
3.1维持细胞内Ca2+稳态细胞内Ca2+稳态在细胞生长发育凋亡及信号转导等方面至关重要。研究表明S1R可在质膜水平调节钙内流和内质网钙动员，在细胞内钙超载和钙耗竭等事件中发挥保护作用。Mueller等[15]在大鼠原代RGC中发现S1R与50% L型电压门控钙通道共定位于质膜上且存在相互作用，激动S1R可有效抑制RGC中NMDA受体或电压门控钙通道介导的钙内流，避免钙超载及其下游凋亡信号传导，促进细胞存活[10]。S1R与三磷酸肌醇受体(inositol 1,4,5-triphate receptor，IP3R)共定位于线粒体相关内质网膜上且与其功能作用和结构稳定密切相关，IP3R被认为在内质网及线粒体钙信号调控中具有重要地位。当内质网中钙耗竭时，S1R与重链结合蛋白(heavy-chain binding protein，Bip)形成的Ca2+敏感伴侣发生解离并与IP3R3结合，减弱IP3R3聚集并延长Ca2+信号，促进Ca2+从内质网转移至线粒体。持续钙耗竭时，S1R会由内质网相关线粒体界面的高富集状态重新分配至全内质网膜上减轻细胞损伤[16]。此外，S1R还可调节基质相互作用分子1抑制钙池操纵性的钙内流[17]。综上，S1R可通过多种途径维持细胞内Ca2+稳态，保护细胞免受钙超载及钙耗竭应激损伤。
3.2调节非折叠蛋白反应抑制内质网应激内质网应激即细胞对内质网蛋白错误折叠、未折叠蛋白聚集及Ca2+平衡紊乱等做出的反应性应答，其中未折叠蛋白积累触发的一系列细胞反应如抑制蛋白翻译和加速降解等被称为非折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)[18]。研究表明，在内质网应激或配体作用下S1R与Bip解离，内质网应激传感器PERK、IRE1和ATF6发生磷酸化并激活下游信号，进而调节UPR[16]。在衣霉素诱导内质网应激模型中，S1R缺陷型斑马鱼产生强烈内质网应激反应，初级效应因子IRE1、PERK、ATF6及下游XBP1、ATF4α较正常对照组表达显著增加，其上游UPR始动因子Bip和HSP90B1水平也明显增加，同时发现S1R可在翻译后水平调控Bip表达[19]。另一项黄嘌呤氧化酶诱导氧化应激实验中，Ha等[20]发现(+)-PTZ处理组较未处理组RGC-5细胞系中PERK、IRE1、ATF4和ATF6等表达显著下降且与正常对照组相似。在糖尿病视网膜病变小鼠中也观察到类似现象，(+)-PTZ可逆转部分视网膜损伤，促进S1R与Bip解离，增强UPR减轻内质网应激[20]。可见S1R在调节内质网应激及UPR中发挥重要作用。
3.3调节线粒体功能抑制氧化应激反应氧化应激是指机体氧化与抗氧化作用失衡引起生物大分子氧化损伤以及细胞凋亡，被认为与多种神经退行性疾病发生有关。哺乳动物中，线粒体含有多个活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生位点，是重要的ROS来源[21]。越来越多研究表明，线粒体功能障碍与视神经病变存在因果关系，线粒体功能障碍导致ATP生成减少及ROS增加，进而诱导RGC凋亡[22]。S1R可调节线粒体ROS的产生及其下游信号传导，直接参与改善ROS-线粒体功能障碍诱导的病理性细胞氧化损伤[16]。另一方面，S1R通过激活Nrf2/ARE通路调控下游抗氧化基因(Nqo1、Hmox1和GCLc)降低ROS水平[21]。Naia等[21]发现高选择性高亲和力S1R激动剂Pridopidine可显著增强纹状体神经元线粒体基础呼吸和ATP生成，升高膜电位维持线粒体完整性，部分逆转线粒体功能障碍。糖氧剥夺模型中发现，过表达或激动S1R可恢复RGC线粒体膜电位和细胞色素氧化酶活性，改善线粒体功能[23]。另一项氧化应激相关研究中发现，(+)-PTZ显著降低原代RGC氧化应激损伤，且该保护作用依赖于S1R，对S1R缺陷型小鼠无作用[24]。此外，激动S1R可抑制多种细胞的ROS产生，如晶状体上皮细胞、视网膜色素上皮细胞、胶质细胞等，降低视网膜中脂质氧化物、超氧化物水平，减轻反应性胶质细胞增生，发挥抗氧化作用[25]。尽管卟啉、虾青素等强效生物抗氧化剂也可减轻视网膜氧化损伤，但缺乏对线粒体的特异性[26]，S1R则可靶向线粒体发挥保护作用，其特异性可能提供更大的治疗效益。
3.4调节神经营养因子表达及作用脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)属于神经营养因子家族，与神经元分化成熟、突触发生和神经保护密切相关[27]；
视网膜中BDNF由RGC和胶质细胞内源性产生或RGC轴突从大脑逆行转运进入，对视网膜结构形成及发育至关重要[28]。研究发现，青光眼患者中视乳头处轴突向胞体转运BDNF受阻，BDNF持续减低，RGC凋亡增加[29]；
外源性补充或转基因增加BDNF表达可增加高眼压模型和视神经夹伤模型中RGC存活率[30-31]，然而由于血脑屏障的存在使其治疗作用受限。目前S1R激动剂已被证实可增强视网膜及星形胶质细胞中BDNF表达及下游信号转导[28]。Fujimoto等[32]也发现过表达S1R可促进前体BDNF成熟及细胞外分泌，表明其参与到BDNF的翻译后加工阶段。因此，通过S1R通路调控BDNF可以为探索增加内源性BDNF提供新思路和靶点。
3.5调节胶质细胞反应视网膜胶质细胞与RGC毗邻，共同参与视网膜稳态形成，神经系统损伤时胶质细胞反应性增生是神经元凋亡的重要原因。Müller细胞是视网膜中主要的胶质细胞，径向跨越视网膜，参与神经元多种代谢活动。研究发现来自S1R基因敲除小鼠的Müller细胞炎症及氧化应激反应相较野生型对照组更为严重，炎症蛋白分泌显著增加，ROS显著升高，SOD1、GST等抗氧化蛋白表达下降，Nrf2表达及活性降低；
予以(+)-PTZ处理后可明显降低Müller细胞炎症相关蛋白水平，且其结合活性与炎症损伤呈现正相关[24]，表明S1R在抑制视网膜Müller细胞氧化应激和炎症反应中可能具有重要作用。星形胶质细胞在视乳头中最为丰富，与神经元轴突密切相关。小胶质细胞参与免疫反应发挥吞噬功能，对各种病理损伤起到保护和损伤双重作用。研究证实激动S1R可降低氧化应激损伤中星形胶质细胞和小胶质细胞死亡率，抑制ROS生成，减弱ERK1/2磷酸化水平和持续时间。ERK1/2信号通路可调控包括增殖、分化和细胞生存在内的基本细胞过程。胶质细胞中S1R对ERK1/2的抑制作用有别于RGC中的增强作用，这种差异性调节可阻断氧化应激中神经毒性物质一氧化氮生成，防止神经元变性[8]。糖氧剥夺条件下，S1R参与调节星形胶质细胞反应包括细胞迁移增殖、肌动蛋白重组及信号通路传导等[33]。此外，激动S1R还可促进星形胶质细胞分泌BDNF作用于RGC发挥保护作用[34]。由此可见，S1R激动剂可通过调节胶质细胞反应间接保护RGC免受损伤[35]，为其发挥神经保护提供新视角。
综上所述，S1R对RGC具有神经保护作用，其保护机制主要有调节细胞钙稳态、改善内质网应激及氧化应激、激活神经元生存信号通路、增强神经营养因子释放及功能、调节胶质细胞活性等。目前S1R配体相关药物已进入神经系统疾病的临床试验当中，证实对神经退行性疾病具有延缓疾病进展、促进功能恢复等作用。Urfer等[36]报道使用S1R激动剂SA4503可使脑卒中患者获得更好的功能表现且安全可耐受。另一项评估S1R激动剂Anavex2-73在阿尔茨海默病患者中作用的Ⅱ期临床研究已在进行当中[37]。一项亨廷顿舞蹈症Ⅱ期临床试验报道，长程低剂量应用Pridopidine(45mg Bid)可显著改善患者运动功能[38]。其是否对人类视神经疾病有效仍需进一步研究。尽管目前关于S1R功能研究已取得不错进展，但其内源性配体研究十分有限，这对理解S1R的生物作用至关重要，值得进一步探索[39]。此外，当前S1R功能机制研究多基于细胞系和过表达系统试验，尚需要更多的动物模型和青光眼等特定视神经病变模型研究，以全面了解S1R功能及机制。鉴于S1R对于多种信号通路的广泛影响，进一步了解由S1R调控的级联信号分子将有助于开发新的治疗方法，如基因治疗、干细胞治疗或与其他药物联合治疗等。随着S1R对RGC神经保护研究的继续深入，S1R相关的视神经疾病临床治疗将成为可能，为广大视神经疾病患者提供新的治疗手段。
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