雷帕霉素对帕金森病的神经保护：通过激活自噬通路抑制铁死亡

doi:10.4103/1673-5374.371381

摘要/Abstract

摘要：

自噬诱导剂雷帕霉素对帕金森病有神经保护作用，但作用机制尚不明确。铁死亡是一种非典型的细胞死亡方式，其在帕金森病的病理机制中起着重要作用。为探讨帕金森病中雷帕霉素与铁死亡之间的联系，实验以雷帕霉素干预1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶诱导的帕金森病小鼠模型和1-甲基-4-苯基吡啶离子诱导的帕金森病细胞模型。结果显示，雷帕霉素可有效改善帕金森病模型小鼠的行为学表现，减少黑质致密部多巴胺神经元的丢失和铁死亡相关指标谷胱甘肽过氧化物酶4、溶质载体家族7成员11、谷胱甘肽、丙二醛和活性氧的表达。雷帕霉素可以提高帕金森病细胞模型的存活率，并减少的铁死亡。铁死亡诱导剂RSL3和自噬抑制剂3-MA对雷帕霉素的神经保护作用有拮抗作用。因此，通过激活自噬来抑制铁死亡是雷帕霉素对PD发挥神经保护作用的机制。调节铁死亡和自噬可能成为帕金森病药物治疗的干预靶点。

https://orcid.org/0000-0002-5794-9634 (Yunfu Wang); https://orcid.org/0000-0002-2860-3685 (Jing Zhu)

Abstract: Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder, and ferroptosis plays a significant role in the pathological mechanism underlying Parkinson’s disease. Rapamycin, an autophagy inducer, has been shown to have neuroprotective effects in Parkinson’s disease. However, the link between rapamycin and ferroptosis in Parkinson’s disease is not entirely clear. In this study, rapamycin was administered to a 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine-induced Parkinson’s disease mouse model and a 1-methyl-4-phenylpyridinium-induced Parkinson’s disease PC12 cell model. The results showed that rapamycin improved the behavioral symptoms of Parkinson’s disease model mice, reduced the loss of dopamine neurons in the substantia nigra pars compacta, and reduced the expression of ferroptosis-related indicators (glutathione peroxidase 4, recombinant solute carrier family 7, member 11, glutathione, malondialdehyde, and reactive oxygen species). In the Parkinson’s disease cell model, rapamycin improved cell viability and reduced ferroptosis. The neuroprotective effect of rapamycin was attenuated by a ferroptosis inducer (methyl (1S,3R)-2-(2-chloroacetyl)-1-(4-methoxycarbonylphenyl)-1,3,4,9-tetrahyyridoindole-3-carboxylate) and an autophagy inhibitor (3-methyladenine). Inhibiting ferroptosis by activating autophagy may be an important mechanism by which rapamycin exerts its neuroprotective effects. Therefore, the regulation of ferroptosis and autophagy may provide a therapeutic target for drug treatments in Parkinson’s disease.

Key words: autophagy, behavior, ferroptosis, MPTP, Parkinson’s disease, PC12 cell, rapamycin, tyrosine hydroxylase

. 雷帕霉素对帕金森病的神经保护：通过激活自噬通路抑制铁死亡[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2023, 18(11): 2514-2519.

Tongyu Liu, Peihan Wang, Huan Yin, Xiangfei Wang, Jing Lv, Jiang Yuan, Jing Zhu, Yunfu Wang. Rapamycin reverses ferroptosis by increasing autophagy in MPTP/MPP+-induced models of Parkinson’s disease[J]. Neural Regeneration Research, 2023, 18(11): 2514-2519.

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引言

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NRR：湖北医药学院王云甫团队揭示雷帕霉素对帕金森病的新作用机制

撰文：朱敬，刘彤宇

帕金森病（Parkinson’s disease，PD）是一种以运动系统功能障碍为特征的神经退行性疾病[1]，其最主要的病理改变是中脑黑质多巴胺（dopamine, DA）能神经元的变性死亡，由此而引起纹状体DA含量显著性减少而致病[2]。研究表明1-甲基-4-苯基四氢吡啶(MPTP)可导致黑质纹状体细胞死亡，引起一种非典型帕金森病[3-4]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路是调控细胞生长增殖和蛋白质合成的重要信号通路，介导多种神经系统疾病的发生和发展[5]。雷帕霉素（Rapamycin, Rapa）作为mTOR信号通路的特异性抑制剂，也是经典的自噬诱导剂，可以抑制由多种因素诱导的细胞凋亡，且已有研究表明其可对帕金森病起保护作用[6]，但作用机制尚不明确。铁死亡是一种非典型的细胞死亡方式，与自噬、凋亡、坏死等在细胞死亡形态，以及诱发和抑制的生物学背景上都有着千丝万缕的联系[7]，这种新的细胞死亡方式在PD的相关研究中也有报道[8]。在帕金森病重Rapa与铁死亡之间的联系却并不完全清楚。因此，通过探索铁死亡在Rapa对帕金森病神经保护中的作用，及其发挥作用的机制，以期为进一步探究PD的潜在治疗靶点提供新思路。

近期，湖北医药学院王云甫团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“Rapamycin reverses ferroptosis by increasing autophagy in MPTP/MPP+-induced models of Parkinson’s disease”的研究论文。通过研究，作者发现，Rapa可通过激活自噬通路逆转PD中发生的铁死亡，在一定程度上对PD产生保护作用。该文带来的启示：铁死亡、自噬可作为PD的潜在治疗靶点；Rapa作为免疫抑制剂，其可能在未来PD的治疗中起到关键作用。刘彤宇和汪佩涵为论文共同第一作者，王云甫教授和朱敬副教授为论文共同通讯作者。

PD是多因素介导的中老年退行性疾病，其分子发病机制包括多种因素，如蛋白质稳态受损、氧化应激、线粒体功能障碍、突触传递障碍、钙稳态失衡、朊病毒样α-突触核蛋白传递与神经元炎症等[9-11]。此外，脑部铁离子代谢相关的基因损伤也是PD的常见病因。PD 患者的神经影像学检查以及尸检病理报告均显示在PD的发病早期铁选择性沉积在黑质[12]。Rapa对PD的改善作用也已有报道[13]，多认为与抑制老化过程中的自噬有关，但其作用机制尚不明确。基于此，本研究作者推测铁死亡也与PD的发生有着密切地联系，Rapa是否通过抑制铁死亡的发生对PD产生神经保护作用。

该研究从PD小鼠和细胞模型两方面着手，以自噬和铁死亡为主线，用Rapa预处理PD小鼠和细胞模型，检测自噬和铁死亡等相关指标，揭示Rapa在PD中的神经保护作用及其机制。体内研究实验结果显示，经Rapa治疗的PD模型小鼠行为学明显改善（图1）、黑质中酪氨酸羟化酶的表达较模型组增加。这些结果说明Rapa对PD小鼠具有神经保护作用。同时，在Rapa的作用下，PD小鼠的黑质组织中自噬被激活、铁死亡被抑制，经铁死亡诱导剂诱导后可逆转其保护作用，这说明Rapa对PD的保护作用与自噬及铁死亡具有一定的相关。在体外研究中， Rapa预作用于MPP+诱导后的PC12细胞模型，同时检测自噬相关蛋白LC3及P62、铁死亡相关蛋白GPX4及SLC7A11，发现经Rapa预作用后，PD细胞模型中自噬同样被激活、铁死亡被抑制（图2），均与小鼠组织中的发现一致。而使用铁死亡诱导剂组可逆转Rapa的铁死亡抑制作用及对PD的保护作用。使用自噬抑制剂可逆转自噬激活的同时，还可同样逆转Rapa的铁死亡抑制作用及对PD的保护作用。这些结果说明Rapa可通过诱导自噬而逆转PD中的铁死亡机制，从而对PD产生神经保护作用。

目前，对于PD患者的临床治疗方案仍以药物治疗为主，手术治疗是药物治疗的一种有效补充[14]，康复治疗、心理治疗及良好的护理也能在一定程度上改善症状[15]。目前临床上用于治疗PD的药物主要分为多巴制剂、抗胆碱能制剂、金刚烷胺、多巴胺受体激动剂、单胺氧化酶B型抑制剂、儿茶酚-氧位-甲基转移酶抑制剂等六大类。其中，这些药物治疗及手术治疗均以缓解PD患者临床症状、提高PD患者生活质量为主，并不针对PD的病理机制，无法阻止黑质纹状体多巴胺能神经元的变性，也存在一定程度的副作用。目前尚无彻底治愈PD的好办法。因此，有关PD的病理机制的探究是非常必要的，该研究为探寻一种新的、安全有效的神经元保护性药物提供了一个新的方向。

图1 Rapa逆转了PD小鼠模型中由MPTP导致的体重减轻和行为障碍（图源：Liu et al., Neural Regen Res, 2023）

图2 Rapa逆转了PD细胞模型中由MPP+ 引起的铁死亡（图源：Liu et al., Neural Regen Res, 2023）

综上所述，Rapa可对PD起到一定程度的神经保护作用，这种保护作用是通过激活自噬、逆转铁死亡而实现的。主要表现在经Rapa处理的PD小鼠症状有所改善、多巴胺能神经元丢失减少、自噬激活、铁死亡出现逆转。同时，Rapa可减轻经MPP+干预后的PCI2细胞的死亡，而自噬抑制剂又可促进铁死亡发生。该研究结果将为PD的临床特异性治疗提供实验和理论依据。

当然，该研究也存在一定性局限性。首先，该研究只关注雄性小鼠。为了有更多的临床意义，未来的研究应该考虑使用雌性小鼠。此外，不同的Rapa预作用时间、给药方式、浓度可能会有不同的作用效果，考虑这可能与药物毒性、Rapa参与的其他重要信号通路、自噬的双重作用等相关，其调控的机制也十分复杂。因此，有关其中的平衡作用还需进一步深入研究探寻。

原文链接：https://doi.org/10.4103/1673-5374.371381

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第一作者：刘彤宇、汪佩涵，湖北医药学院在读硕士研究生。

通讯作者：王云甫、朱敬，湖北医药学院院长、教授；湖北医药学院副教授。