研究前沿 虫草素抑制细胞衰老预防辐射性溃疡

放射性溃疡是由于暴露于射频能量或电离辐射而对皮肤或其他生物组织造成的损伤。作为一个研究较少的问题,目前还没有明确的治疗方法。同时,放射性溃疡不可预测和不受控制的扩展机制尚未完全了解。电离辐射(IR)可以产生高水平的DNA损伤,这通常导致体外和体内诱导细胞凋亡和细胞衰老。在快速再生组织中诱导细胞凋亡被认为是造成骨髓抑制等短期副作用的原因。然而,组织能失调的衰老细胞的积累,加上祖细胞/干细胞增殖潜力的降低,导致了长期并发症的发生。同时,通过分泌衰老相关分泌表型(SASP),一系列细胞因子、趋化因子、基质重塑蛋白酶和生长因子,衰老细胞旁分泌促进组织功能障碍和恶化。衰老细胞(SCs)随着年龄增长和基因毒性应激(如全身照射(TBI))而积累。本研究提供了第一个证据,证明持续的DNA损伤灶形式和衰老细胞在辐射溃疡中积累,发现衰老细胞加速了辐射溃疡的发展。这使我们假设预防细胞衰老可能是减轻放射性溃疡的一种前瞻性策略。 

图1. 放射性溃疡中DNA损伤和衰老细胞积累。a放射后0-60天后肢代表性图像(上),放射后0-60天大鼠皮肤组织代表性组织学分析(下)。b放射后0-60天大鼠皮肤组织γ-H2AX代表性免疫荧光图。c放射后0-60天大鼠皮肤组织γ-H2AX表达的Western blot分析。d辐射后0-60天大鼠皮肤组织SA-β-gal染色。e放射后0-60天大鼠皮肤组织p16和p21水平的Western blot分析。f皮下注射等量的减少生长因子的Matrigel或对照的衰老细胞后辐射后肢的代表性图像。本试验重复三次。展示了代表性图像。条形图代表200 μm(底部)(a),100 μm (b),200 μm (d) 

虫草素是从蛹虫草培养液中分离出来的一种天然核苷类似物,已被证明具有多种生物学功能,包括抗肿瘤、抗病毒、抗氧化和抗炎活性。重要的是,虫草素已被证明可以减轻大鼠年龄相关的氧化应激并增强抗氧化能力。它也被证明部分通过激活抗氧化防御来防止大鼠心脏缺血/再灌注损伤。虫草素是一种具有潜在临床应用前景的药物。在本研究中,我们发现虫草素可以通过防止DNA损伤和细胞衰老,有效减轻辐射性皮肤、肠道溃疡和粘膜炎,有望对放射性溃疡患者有所帮助。

NRF2是一种主要的应激反应因子,通过与ARE基序结合,转录激活抗氧化和细胞保护基因。关注NRF2通路是延缓衰老过程的合适策略。本研究观察到虫草素可以防止辐射诱导的细胞衰老,而SASP依赖于NRF2。这些有益的作用是通过促进p62依赖的Keap1的自噬降解来实现的,Keap1是一种富含半胱氨酸的蛋白质,作为Cul3-Rbx1 E3泛素连接酶复合物介导NRF2泛素化的底物适配器。另一方面,据Hiebert等人报道,NRF2的长时间激活会促进成纤维细胞衰老,这些明显的差异可能反映了特定的环境,包括细胞类型,这些细胞所暴露的应激以及NRF2激活/抑制的确切水平。AMPK的磷酸化导致mTOR失活,进而诱导自噬。在本研究中,进一步发现虫草素可以通过与AMPK的α – 1和γ – 1亚基相互作用激活AMPK,直接解除自抑制,从而促进Keap1的自噬降解。该机制在预防细胞衰老和减轻放射性溃疡中发挥重要作用。同时,AMPK通过上调抗氧化酶影响细胞氧化还原状态。然而,AMPK调节抗氧化反应的机制在很大程度上仍然未知。本研究表明,激活NRF2代表了AMPK调节抗氧化反应的一种机制,因此激活AMPK或NRF2可能代表了防止细胞衰老的治疗靶点。

尽管不同的化合物激活相同的靶标,但由于激活的性质和时间的不同,效果可能会有所不同。在本研究中,模拟AMP的AICAR能够轻微预防皮肤溃疡,但不如虫草素,而二甲双胍不能预防皮肤溃疡。相比之下,AICAR的活性形式ZMP可以通过分别结合γ和β亚基直接激活AMPK,并且不依赖于细胞的能量和代谢状态。虫草素可以直接促进AMPK活性,而不是通过刺激上游激酶或改变AMP/ATP的比例。总之,这些观察结果表明AMPK在放射性溃疡中的作用是复杂的,可能依赖于环境。

本研究结果提供了一种通过防止细胞衰老来减轻辐射溃疡的途径,虫草素作为一种天然的NRF2激活剂,通过直接结合AMPK的α1和γ1亚基在自身抑制区域附近,直接缓解自身抑制,并且可以通过阻断细胞衰老成为一种有希望的辐射溃疡缓解剂(图2)。

图2. 虫草素通过防止细胞衰老作为放射性溃疡缓解剂的模型。放射性溃疡中持续的DNA损伤灶形态和衰老细胞的积累参与了放射性溃疡的发展。虫草素通过与自抑制结构域(AID)附近的α1和γ1亚基相互作用,直接与AMPK蛋白结合,激活AMPK,激活AMPK促进p62依赖性Keap1的自噬降解,因此NRF2从Keap1解离并移动到细胞核,在那里它激活含有ARE的抗氧化基因。