第 30 章：自噬在心脏生理与疾病中的作用（Autophagy in Cardiac Physiology and Disease）

30.1 引言与心脏生长可塑性（Introduction and Cardiac Growth and Plasticity）

近几十年间，疾病应激心脏的病理生理学分子机制研究进展迅速，但除器械治疗的快速扩张外，新的、有临床意义治疗策略的出现令人失望。心衰作为多种心血管疾病的最终共同通路，呈现持续性进展，相关发病率与死亡率全球居高不下。WHO 数据表明心血管疾病是全球头号死因，且预计将长期保持这一地位；美国相关年支出估计超过 5000 亿美元。在这一背景下，亟需识别新的发病机制与治疗靶点，以遏制心脏疾病的不可逆进展。

自噬是一种进化上保守的"细胞自食"过程，几乎涉及所有形式的心血管疾病。事实上，过去三十年间已认识到溶酶体途径的蛋白降解在多数心脏病理中普遍存在。早期由于缺乏分子工具，难以分辨这些分解代谢通路究竟促进还是拮抗疾病发病；而基于酵母中分子发现的级联模型现已浮现：货物被双膜囊泡隔离并输送至溶酶体进行降解——这一过程在所有真核细胞中均存在。随着对自噬分子解剖学认识的深入，自噬在多种疾病过程中的作用得以明确，包括心血管疾病。

心脏在生命全程面临不断变化的工作负荷需求。发育过程中的生长伴随心肌成比例的扩大；运动与妊娠期间的生理需求增加也诱发心脏生长。病理性应激（如高血压、瓣膜病、心肌梗死或过度的神经内分泌激活）则触发同样快速、强劲的心脏生长反应。另一端，去适应、长期卧床、肿瘤与失重均导致心肌质量显著下降。这些重构反应在病理触发因素存在时是疾病进展的重要里程碑，也正是高血压作为全球主要死亡风险因子的原因之一。2000 年全球成人高血压患者超过 25%，预计 2025 年将达到 15.6 亿（25 年间增长 60%）。病理性应激与心血管疾病之间呈线性、独立的相关性。

高血压与其他环境刺激引起的心室需求变化改变心肌壁应力。依据 Laplace 定律，室壁应力与压力和腔径成正比、与壁厚成反比，三者均可被前负荷、后负荷与收缩速率所影响。结构与功能改变响应以至少暂时性地使壁应力正常化。例如血压升高时左室壁厚度增加，壁应力随之下降甚至恢复正常。这一壁厚增加主要来源于心肌细胞肥大（hypertrophy），因为成年心肌细胞增殖潜能极为有限。左室肥厚（LVH）在初期被视为适应性的，可抵消壁应力引起的氧需增加；但与许多其他生物学情形类似，短期代偿机制的长期后果常为失适应——慢性 LVH 是收缩功能障碍与临床心衰的主要风险因素。从 LVH 进展至心衰的分子事件仍难以阐明，但大量临床前研究显示阻断后负荷诱导的肥大反应耐受良好且可能有益。

任何器官的可塑性都涉及蛋白合成、蛋白降解与翻译后修饰之间的复杂相互作用。对有丝分裂后细胞（如心肌细胞）而言，蛋白质量控制的保真度至关重要——错误折叠蛋白与蛋白聚集体的累积具有毒性。清除毒性蛋白聚集体、长寿命蛋白与功能障碍细胞器的主要细胞机制依赖于溶酶体。在心血管疾病中，无论人终末期心衰还是动物疾病模型，溶酶体介导的蛋白清除通路已被认识多年。近期研究聚焦于溶酶体上游通路，即心肌细胞自噬。已描述三种自噬类型：微自噬（microautophagy）、分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy）与巨自噬（macroautophagy，后文简称自噬）。微自噬指胞质成分直接被溶酶体吞噬；分子伴侣介导的自噬由热休克蛋白 70（Hsp 70）协助错误折叠蛋白转入溶酶体；巨自噬是降解与回收长寿命蛋白的主要途径，也是清除功能障碍细胞器的唯一途径。迄今已鉴定 35 个 AuTophaGy-related（ATG）基因调控自噬体加工过程，其中"核心自噬机器"（core autophagy machinery）对自噬体形成至关重要。

30.2 自噬：细胞自食（Autophagy: Cellular Cannibalization）

自噬（源自希腊语 auto（自我）与 phagein（吃））是进化上保守、普遍存在的细胞稳态机制，在多种情境中不可或缺。在静息条件下，自噬负责长寿命蛋白与功能障碍细胞器的持续周转。基础水平的自噬流通量是必需的，尤其在有丝分裂后细胞（如心肌细胞、神经元）中可降解长寿命蛋白、脂滴与功能障碍细胞器——这些细胞再生能力有限。

自噬是一种分解代谢过程，通过回收胞内成分使细胞能够应对能量应激。在营养缺乏或缺氧等应激条件下，自噬流通量被激活，通过降解细胞组分补充底物并清除有缺陷的细胞器，从而促进细胞存活。然而，过度激活则会耗尽必需的分子与细胞器，触发细胞死亡（自噬性程序性细胞死亡，II 型 PCD）。

营养充足时，生长因子（如胰岛素与胰岛素样生长因子-1，IGF-1）刺激葡萄糖摄取并促进合成代谢反应，自噬被抑制；饥饿时——无论由营养短缺还是生长因子信号缺陷触发——自噬迅速被激活，补充代谢中间体的关键储备，从而促进存活。自噬降解产物扮演双重角色：提供生物合成底物与补充胞内能量。能量贡献方面，氨基酸与脂肪酸的降解是 ATP 池的主要来源；这些 ATP 用于构建新大分子并支持包括自噬本身在内的细胞过程。此外，RNA 自噬降解产生核苷，后者进一步分解为核糖磷酸——六个核糖磷酸能量上等价于五个葡萄糖磷酸，能以有氧或无氧方式产 ATP。

除营养缺乏外，自噬水平的升高也见于其他具有临床重要性的情形：神经退行性疾病、肿瘤、错误折叠蛋白累积、微生物侵袭与心血管疾病。再次，这些细胞遭遇饥饿与缺氧等应激时，自噬机制被触发以释放能量底物并清除有缺陷的细胞器；而过度且失控的自噬激活导致必需细胞成分的耗竭，诱发自噬性细胞死亡。

除应激响应外，自噬介导胞内细胞器周转。例如，心肌细胞与其他高度氧化组织中线粒体存在构成性自噬周转。线粒体通透性转换孔的开放与线粒体膜电位的丧失触发自噬清除；类似地，受累线粒体的分裂与去极化也诱发自噬隔离。因此自噬可保护细胞免受那些可能触发凋亡的线粒体的危害。最后，自噬在发育过程中显著参与组织重构。

30.3 自噬的分子解剖学（Molecular Anatomy of Autophagy）

总体而言，自噬是一种将胞质成分隔离于双膜囊泡（自噬体）并运送至溶酶体进行降解的机制。然而其细节相当复杂，涉及膜动力学、囊泡运输与货物降解。自噬级联分为多个阶段：诱导、货物识别与选择、囊泡形成、自噬体-液泡融合、货物分解、降解产物释放与终止。形态上独特的自噬体是自噬的标志，为直径 0.5–1.5 μm 的双膜囊泡；之后自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体，包裹的货物与自噬体内膜被酸性水解酶降解，所得小分子（氨基酸、糖、脂质）经通透酶释放入胞质，作为细胞构件与能量来源。自噬体成熟后，大部分 ATG 蛋白经由 ATG2、ATG9 与 ATG18 介导的途径循环再利用。最终 mTOR 重新激活以减弱自噬反应并恢复溶酶体库。

自噬通路的详细分子架构可细分为四个亚组。

ATG1 激酶复合物。该信号复合物控制自噬体形成的早期步骤，由营养供应经 mTOR 调控。在酵母中，Tor 整合多条上游信号通路信息，对 Atg1 进行负调控。在 Tor 被抑制时——无论是药理性（如雷帕霉素）还是营养缺乏所致——Atg1 激酶活性被触发；Atg1 对 Atg13 与 Atg17 的亲和力随之增加，促进三聚体 Atg1-Atg13-Atg17 复合物的形成，进而招募其他 Atg 蛋白启动自噬体形成（ULK1/2 是酵母 Atg1 的哺乳类同源物）。Atg1-Atg13-Atg17 复合物在酵母中研究最透彻，哺乳类略有不同：营养充足时 mTOR 与含 ULK1（哺乳类 ATG1）、mATG13 与 FIP200 的复合物结合，并磷酸化 ULK1 与 mATG13 抑制自噬；营养缺乏时 mTOR 解离，ULK1 被激活并磷酸化 mATG13 与 FIP200 触发自噬。之后 III 类 PI3K 复合物被招募至组装位点以促进核化，脂质激酶 VPS34 通过 VPS15 与吞噬泡膜结合，复合物中的 Beclin1/ATG6 与 ATG14 调节 Vps34 激酶活性。该脂质激酶复合物活性对招募其他 ATG 蛋白以最终完成自噬体形成至关重要；与此一致，III 类 PI3K 抑制剂 3-甲基腺嘌呤（3-MA）可阻断自噬。

mTORC1。TOR 是一种蛋白激酶，整合营养、生长因子、ATP 与应激信号以调控细胞生长与代谢，是自噬控制的中枢节点。营养充足的酵母中，I 类磷脂酰肌醇 3 激酶（PI3K）被激活并磷酸化下游靶点 AKT；AKT 进一步激活 TOR，活化的 TOR 磷酸化 ATG13，抑制其与 ATG1 的相互作用及下游大分子信号复合物的核化——这是自噬诱导的关键步骤。营养不足时，TOR 被抑制，自噬流通量通路解除抑制。mTOR 以两种多蛋白复合物形式存在：TORC1（含 mTOR、Raptor、mLST8，雷帕霉素敏感，介导自噬、转录与翻译的时序性细胞生长控制）与 TORC2（含 mTOR、Rictor、mLST8、Protor，雷帕霉素不敏感，通过调控肌动蛋白细胞骨架介导细胞生长的空间控制）。ATP 与生长因子充足时 TORC1 激活以维持自噬在低基础水平；相反，营养饥饿或雷帕霉素（通过与 FKBP12 相互作用阻断 mTOR 的大环内酯）抑制 TORC1 时触发自噬。TORC1 上游由蛋白磷酸酶与激酶之间的调控平衡控制其激活：促生长的胰岛素/IGF-1 通路通过激活 I 类 PI3K 抑制自噬；该酶产生磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸 [PIP3]，激活 Akt 并最终激活 mTOR，从而抑制自噬。相反，肿瘤抑制因子磷酸酶与张力蛋白同源物（PTEN）通过其 PIP3 磷酸酶活性拮抗胰岛素/IGF-1 通路并促进自噬。TORC1 调控因子包括 RHEB（脑内富集的 RAS 同源物，直接与 TOR 相互作用促进其信号活性）与 TSC1/TSC2 复合物（通过 TSC2 的 GAP 活性抑制 RHEB）。TSC-RHEB-TOR 复合物因此成为多种信号汇聚以调控自噬活性的关键节点。

mATG9 信号通路。双膜自噬体在前自噬体结构（PAS）通过添加新的膜物质组装。吞噬泡通过 ATG9 依赖性的新膜递送而扩大。ATG9 在 PAS 与细胞内多个位点之间穿梭，作为载体将膜从供体位点转移至扩展中的吞噬泡。ATG9 向 PAS 的顺向转运由 ATG11、ATG23 与 ATG27 调控；相反，ATG1-ATG13、ATG2-ATG18 与 ATG14 参与 ATG9 的逆向转运回外周位点。ATG9 与 ATG2-ATG18 复合物在 PAS 共定位，促进 Atg9 从该位点的回收。

III 类磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/VPS34 复合物。多种 ATG 蛋白被招募至吞噬泡参与自噬体形成。其中 ATG18、ATG20、ATG21 与 ATG24 通过与 VPS34（哺乳类细胞中即 PI3K）产生的磷脂酰肌醇-3-磷酸（PIP）结合被招募至 PAS。VPS34 形成两种 PI3K 复合物：复合物 I（VPS34、VPS15/p150、ATG6/Beclin 1、mATG14）与复合物 II（VPS34、VPS15、ATG6、VPS38）。复合物 I 的活性（PI3P 产生）对 ATG18 等 ATG 蛋白的靶向至关重要。营养充足时 Beclin 1 的促自噬活性被 Bcl-2 抑制；自噬诱导需要 Beclin 1 从 Bcl-2 解离。

两个泛素样蛋白偶联系统。两套具有泛素偶联级联特征的系统促进吞噬泡扩展与自噬体形成。ATG12 由泛素 E1 样酶 ATG7 激活，随后转移至泛素 E2 样酶 ATG10，再共价偶联至 ATG5；ATG5-ATG12 复合物与 ATG16 相互作用。在另一泛素样级联中，LC3（ATG8 的哺乳类同源物）被 ATG4 切割暴露羧基端甘氨酸；加工后的 LC3-I 被 E1 样酶 ATG7 激活，经 E2 样酶 ATG3 转移后共价连接至磷脂酰乙醇胺分子，并定位至吞噬泡膜。这种切割/脂化异构体 LC3-II 在 SDS-PAGE 上迁移比 LC3-I 快，其水平与自噬体丰度相关。

溶酶体。吞噬泡扩展最终通过自封闭完成自噬体形成；该结构再与溶酶体融合形成自噬溶酶体。融合过程依赖于与同型液泡膜融合相同的机器；哺乳类细胞中自噬体-溶酶体融合需要溶酶体膜蛋白 LAMP2 与小 GTP 酶 Rab7。融合后，内膜及其内容物的降解依赖于溶酶体/液泡酸性水解酶（包括组织蛋白酶 B、D 与 L）。降解的小分子产物（氨基酸、糖与核苷酸）经通透酶释放入胞质。此前，自噬体与早、晚期内体的融合降低囊内 pH。LAMP2 基因失活是人 Danon 病的致病缺陷：缺乏功能性 LAMP2 时自噬体与溶酶体融合受阻，导致长寿命蛋白累积、未处理自噬体聚集与随之而来的肌病。

除核心 ATG 蛋白外，胞泌与内吞通路及细胞骨架也是自噬所必需的——它们提供膜底物、促进自噬体转运并使降解的自噬货物得以清除。因此，自噬通路的分子回路与下游溶酶体均是可被治疗性操纵的位点。综上，两套激酶系统（ATG1-ATG13、III 类 PI3K）、两套泛素样系统（ATG5-ATG12、LC3-II-PE）与一个回收/成熟系统协同完成自噬流通量通路。

30.4 自噬的调控通路（Pathways Governing Autophagy）

此处仅概述哺乳类自噬的分子机制，详细内容读者可参考相关综述。

IP3 受体。肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）及其受体（IP3R）已成为自噬的内源性负调控因子。IP3R 通过在胞内钙库附近形成钙离子微区，将特定的钙信号从钙库传递到细胞内特定位点（如线粒体）。以特异性拮抗剂 xestospongin B 抑制 IP3R 或以 siRNA 敲低不同 IP3R 亚型均可诱发自噬。例如，xestospongin B 与营养饥饿通过破坏 Beclin 1 与 IP3R 形成的分子复合物诱导自噬。最近研究表明内质网 IP3R 向线粒体持续提供钙离子，进而促进丙酮酸转化为乙酰辅酶 A、三羧酸循环活性以及电子传递链产生 ATP。IP3R 未被激活时，能量水平下降，AMPK 被激活，自噬启动以维持能量稳态与细胞存活。

AMPK。AMPK 是由 α、β、γ 亚基组成的异源三聚体激酶，是能量平衡控制中多种信号的重要整合者。在某些情境中 AMPK 通过抑制 mTOR 复合物作为自噬的正调控因子。AMPK 响应 AMP/ATP 比值升高而被上游 LKB1 激酶激活；活化的 AMPK 通过 TSC1/TSC2 复合物促进对 RHEB 的抑制，从而抑制 mTORC1 活性。AMPK 与 AKT 介导的 TSC1/TSC2 磷酸化事件对 mTORC1 具有相反效应，并分别将 mTORC1 与能量与生长因子信号相联。此外，AMPK 也可通过另一机制调控 mTORC1——直接磷酸化 Raptor 引起 mTORC1 抑制。上游激酶 CaMKKβ 也以 AMP 非依赖、钙依赖的方式磷酸化 AMPK。细胞因子与胞内钙离子升高均能通过该机制激活 AMPK 与自噬。最近发现，在能量充足条件下 AMPK 也可作为心肌细胞自噬的抑制剂：以 AMPK 激活剂 AICAR 激活 AMPK 时观察到自噬被抑制；相反，AMPK 抑制剂 compound C 激活自噬；使用两个独立序列的 siRNA 敲低 AMPK 也引发稳健的自噬激活。显然 AMPK 在心肌细胞自噬的调控中扮演复杂角色，需进一步仔细研究。

PKA。环腺苷酸（cAMP）是 G 蛋白偶联受体激活后介导多种生理事件的通用第二信使。其主要效应器是 cAMP 依赖性蛋白激酶 A（PKA），一种由两个调节与两个催化亚基组成的异四聚体。解离后催化亚基磷酸化多种底物以调控广泛的细胞过程。例如，PKA 响应胞外营养与细胞应激调控细胞生长。在高浓度葡萄糖条件下，Ras 呈 GTP 结合的活化形式上调 cAMP 水平并随之激活 PKA。PKA 是自噬的负调控因子，主要作用于 ATG1、ATG8 与 ATG13；cAMP 也可通过 EPAC/RAP2B/磷脂酶 C-ε 以 PKA 非依赖方式抑制自噬。

p53。累积证据表明人类肿瘤抑制蛋白 p53 以双重方式调控自噬，取决于其亚细胞定位。p53 作为转录因子可通过转录效应（包括反式激活人类损伤调控自噬调节子（DRAM）家族基因）诱导自噬。p53 依赖性自噬诱导响应 DNA 损伤、ARF 激活或在 p53 阴性肿瘤细胞中重新表达 p53 而发生。另一方面，胞质 p53 可通过机制不明的途径作为自噬的抑制子。抑制 p53 在去核细胞中可触发自噬，表明胞质非核 p53 池能够调控自噬。

染色质重塑酶。病理心脏重构过程中，合成代谢与分解代谢通路均被激活，复杂的蛋白修饰与蛋白降解级联被触发。蛋白乙酰化是其中重要的翻译后修饰之一，是一种功能上可能与磷酸化相当的强力调控机制。组蛋白 ε-赖氨酸残基的乙酰化导致染色质结构松弛、DNA 结合蛋白的可及性增强以及转录激活。该表观遗传机制是肿瘤化疗反应与环境适应（如缺氧）的强力调控者。乙酰化与去乙酰化反应由组蛋白乙酰转移酶（HATs）与组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的拮抗作用控制。HDACs 按系统发育与功能分为五类：I 类（HDACs 1、2、3、8）、IIA 类（HDACs 4、5、7、9）、IIB 类（HDACs 6、10）、III 类（sirtuins）与 IV 类（HDAC 11）。I、II 与 IV 类 HDACs 被称为"经典"HADCs，正被目前处于癌症临床开发中的小分子抑制剂作为靶点，并已在心脏病动物模型中显示疗效。Sirtuin-1 是营养剥夺诱导自噬反应所必需的，但介导下游信号（如 mTOR 或 p53 抑制）触发的自噬则非必需。HDAC6 与泛素相互作用调控聚集体功能与自噬。

最近研究表明 HDAC 生物学对心肌发育、代谢与应激反应至关重要。动物模型（包括作者实验室）已归因 HDAC 抑制剂（HDACi）在心肌缺血情形下具有强力心脏保护作用。其他使用小鼠模型的研究表明 HDACs 是血流动力学应激（如胸主动脉缩窄，TAC）诱导的心肌肥大反应的重要介导者。HDAC 抑制剂 Trichostatin A（TSA）可减弱这种病理性左室重构。TSA 在心脏中的下游效应涉及促存活激酶通路的激活。同时 HDACi 在肿瘤中可诱发线粒体介导的凋亡与 caspase 非依赖性自噬性细胞死亡。综合来看，提示该类治疗可能存在其他药物所不具备的获益窗口。作者实验室先前已证明压力过载应激诱导的心肌细胞自噬可具失适应性，因而是潜在治疗干预靶点。结合 HDACi 心脏保护作用的有力证据，最近假设 HDAC 依赖性病理性自噬可能参与疾病过程，并推测 HDACi 对病理性自噬的抑制可能有助于其有益作用。为验证这一假设，作者实验室在 TAC 后负荷应激模型中使用小分子 HDAC 抑制剂。结果与之前观察一致，HDACi 确实能显著抑制负荷诱导的心肌细胞自噬；并发现该自噬反应是大部分病理性肥大生长反应所必需的。研究进一步表明以 HDACi 减弱自噬能够逆转既存的心肌细胞肥大与收缩功能障碍——这具有潜在临床意义。尽管 HDAC 通常被认为通过组蛋白乙酰化依赖性基因表达调控起作用，但累积证据表明 HDAC 介导的去乙酰化靶点远不止组蛋白。

30.5 自噬在心脏中的功能学后果（Functional Consequences of Autophagic Flux in the Heart）

自噬流通量激活贯穿一个谱系：一端是低水平构成性自噬流通量，对细胞存活至关重要；另一端是过度自噬可耗尽细胞生存所需成分并触发细胞死亡。这两个极端之间，自噬的作用是复杂的，可能促存活或抗存活。

基础自噬。心肌细胞功能与存活关键依赖于基础水平的心肌细胞自噬。在营养充足条件下，自噬性回收受损细胞成分是蛋白与细胞器质量控制的主要方式——清除有缺陷的（如错误折叠或氧化的）蛋白与功能障碍细胞器。这一事实由以下观察突显：通过条件性失活 Atg5 或 Atg7 基因在成年心脏中阻断自噬通路会触发快速发生的心脏肥大、左室扩张与心输出量下降。在早期心脏发育中，Atg5 失活诱发宫内缺陷与胚胎致死。在新生大鼠心室肌细胞中，RNAi 依赖性 ATG5 缺失触发典型肥大反应，包括细胞增大、胎儿基因程序激活、caspase 12 加工与存活率下降。体内实验也得到一致结果：心脏中自噬缺失触发肥大生长、心功能障碍并最终心衰。在年龄谱另一端，年龄相关的自噬清除效率下降可能促成有缺陷蛋白与细胞器随时间的渐进性累积，最终导致功能衰退。正常衰老主要因舒张期松弛功能受损而伴随心功能下降。多种热量限制配方可延长寿命并改善左室舒张功能；其潜在机制可能涉及通过减少胰岛素/PI3K 信号诱导自噬。综上，突显心肌细胞自噬作为蛋白与细胞器监控质量控制的家务管理角色的关键作用。

基础条件下自噬的重要性还由 Danon 病机制的研究突显——一种因溶酶体膜蛋白 LAMP2 缺陷引起的心骨骼肌病。如上所述，缺乏 LAMP2 时自噬体与溶酶体融合受阻，进而导致长寿命蛋白累积以及随之而来的心与骨骼肌病。综合而言，这些结果指向构成性自噬在肌肉中作为家务管理者的关键作用。

自噬在心脏应激响应中的作用。禁食期间心脏重量渐进性下降，与自噬等分解代谢通路激活一致。在喂养条件下部分抑制自噬不改变心功能，但饥饿期间抑制自噬会导致心肌 ATP 含量降低与心功能受损。新生心肌细胞培养中也得到类似结果。综上，这些结果一致表明自噬在营养剥夺条件下对心肌细胞起保护作用。

心肌细胞生长通过蛋白合成、新肌节的构建以及现有细胞成分的重构实现。初期合成代谢占主导，导致新蛋白合成与细胞大小增加。一些证据表明早期反应期间分解代谢过程被抑制。如前所述，作者实验室曾报道在压力过载情形下（临床上常见并导致心衰）心肌细胞自噬被激活。Nakai 等报道小鼠在 TAC 后 4 周自噬增加。最终，合成与降解之间达到新的稳态平衡，水平更高但合成与降解之间取得平衡。

乍看之下，蛋白降解机制在细胞生长情境下被激活似乎矛盾。然而肥大重构涉及的不只是蛋白增加——众多肌节成分的含量也发生实质改变。因此，尽管总体结果是细胞大小增加，蛋白降解与质量控制通路（如蛋白酶体与自噬）的激活在重构现有与新合成的细胞成分中仍是必需的。

自噬在心脏蛋白稳态中的作用。在神经元中，蛋白聚集体能够诱导自噬。作者实验室曾在压力应激左室观察到多泛素化蛋白累积与自噬活跃位点共定位。后续研究显示多泛素化蛋白足以在培养的新生大鼠心室肌细胞中诱导自噬。与此一致，Depre 等报道在负荷应激心脏中蛋白酶体表达与活性增加。综合而言，压力过载引起的蛋白聚集体累积引发包括溶酶体与蛋白酶体机制在内的上调蛋白质量控制反应。

蛋白聚集在心肌细胞中的重要性在 desmin 相关肌病（DRCM）中得到进一步突显——该病中编码 desmin 或伴侣蛋白 αB-晶状体蛋白（CryAB）的基因突变导致蛋白聚集体累积与严重心衰。该病中突变型 CryAB 发挥显性负性作用，破坏 CryAB 伴侣功能，导致蛋白错误折叠、蛋白聚集与肌节排列紊乱。严重心肌病随之发生，原因是毒性蛋白（含蛋白聚集体）累积以及心肌细胞 desmin 架构破坏。CryABR120G 相关 DRCM 已在两个独立建立的转基因小鼠系中复制。CryABR120G 突变导致蛋白聚集与聚集体（aggresome）形成、线粒体毒性、蛋白酶体功能破坏以及"还原应激"状态。作者实验室报道 DRCM 中自噬显著激活——该反应清除毒性聚集体并缓解疾病进展。因此发现自噬活性增强并发挥适应性功能以促进聚集体的清除，与脑中的类似疾病相似。这与作者实验室在负荷诱导心衰中观察到的蛋白聚集与失适应性自噬反应形成对比。

心肌细胞自噬在负荷诱导心脏病中的作用。如前所述，自噬失调参与多种疾病发病，包括神经退行性疾病、肿瘤、骨骼肌病与微生物感染。在心脏中，多种应激（包括压力过载、慢性缺血与缺血再灌注）均引起心肌细胞自噬活性增加。然而，尽管有相当证据将自噬性细胞死亡与心衰进展相联系，自噬增加究竟是死亡心肌细胞中的附带现象还是致病因子仍不确定。近年已提出多种理论试图定义从稳定的代偿性肥大到收缩功能障碍与失代偿心衰转变的机制。一个共同要素是细胞死亡导致的心肌细胞丧失。在终末期心衰患者组织中已报告三种主要细胞死亡类型（坏死、凋亡、自噬）的证据，其中自噬性细胞死亡一致地显著存在。

后负荷诱导的自噬。基础水平自噬的关键必要性已明确，但应激激活的自噬在心脏疾病中的作用更为复杂。如前所述，营养缺乏或缺氧等明确病理性应激条件引起自噬流通量快速增加，以清除有缺陷细胞器与错误折叠蛋白并补充稀缺营养。饥饿期间抑制自噬降低胞内 ATP 水平并损害心功能。除此之外，由多种应激因子（包括后负荷升高、慢性缺血与缺血/再灌注（I/R））引起的心脏病理均伴有自噬的强烈诱导。目前领域内正在形成共识：自噬诱导可拮抗疾病发病，也可促成疾病进展，取决于诱导背景与幅度。例如，自噬在缺血期间具保护性（细胞处于"饥饿"状态）；相反在负荷应激心脏与缺血后再灌注期间可具失适应性。

在体内手术诱导的压力过载模型中，自噬流通量幅度与压力应激程度相关。心肌细胞特异性过表达 Beclin 1（自噬流通量关键分子）以扩大负荷应激诱导的自噬时，观察到向心衰的快速转变；相反在 BECN1 杂合缺失小鼠中将自噬反应降低 50% 时，减弱了后负荷应激诱导的病理性重构。这种自噬的二元性部分可由以下证据解释：过度自噬最终导致关键分子与细胞器的耗竭，触发自噬性细胞死亡。相反，心肌细胞自噬在蛋白毒性心肌病模型中具适应性——该病中编码伴侣蛋白 CryAB 的基因突变发挥显性负性作用抑制蛋白折叠。在此情境中自噬流通量被激活以清除细胞内有毒的、错误折叠、氧化的蛋白。重要的是，这些源自后负荷应激或伴侣蛋白功能异常引起的蛋白毒性的研究均通过操控同一基因 BECN1 完成，进一步支持自噬功能差异源自潜在心肌病变刺激不同的观点。

综上，日益形成共识：后负荷升高触发的心肌细胞自噬兼具适应性与失适应性的特征。完全阻断自噬流通量与细胞存活不兼容。压力应激条件下自噬的激活可能有益直至某一点，而自噬流通量的过度激活则具失适应性。在某种程度上这并不令人意外，因为自噬的二元性是其他器官系统与疾病状态中反复出现的主题。作者实验室假设自噬的生理影响呈连续谱存在，而自噬最佳激活的窗口（自噬的"Goldilocks 区间"）对细胞稳态与功能维持至关重要。

自噬在心脏从肥大到心衰转变中的作用。心脏对后负荷增加的初始反应是肥大性生长。若后负荷应激持续存在，心脏最终扩张、收缩功能下降并发生心衰。这是高血压或缺血性心脏病患者常见的病程。现有研究已显示压力过载条件下心肌细胞的自噬流通量被激活，并有证据支持自噬在此临床常见场景中具失适应性。一种可能的机制是自噬可能促进肥大生长并允许更大程度肥大的维持；这进而促进收缩功能障碍与心衰的发生。

即使过度的心肌细胞自噬可具失适应性，完全阻断分解代谢反应同样具失适应性。如前所述，心脏中 ATG5 基因失活触发快速发生的心衰。最近在系统性失活编码溶酶体酶半胱氨酸内肽酶 cathepsin L（Ctsl）基因的模型中记录到胞质内出现大型异形囊泡与扩张型心肌病。营养剥夺与 mTOR 抑制（雷帕霉素）——自噬的两个重要触发因素——均无法激活自噬流通量。由此作者得出结论：Ctsl 缺失时自噬溶酶体内容物降解受损是心肌病变表型的主要机制。这些观察与基础水平心肌细胞自噬对细胞蛋白稳态至关重要的一致看法相一致。鉴于此，作者倾向支持这样一种模型：在适应性区间内对心肌细胞自噬进行滴定是值得探索的治疗策略。重要的是，HDACi 抑制但不消除对自噬应激反应，因而是值得进一步研究的诱人策略。

30.6 自噬在心肌缺血与缺血/再灌注中的作用（Autophagy in Myocardial Ischemia and Ischemia/Reperfusion）

心肌缺血激活自噬——这一事实在兔模型中首次被证明距今已有 30 年。缺血损伤下自噬流通量的诱导已在多个系统中报道。尽管如此，自噬在 I/R 损伤中的效应是保护性还是失适应性仍存争议。例如在轻度缺血应激期间，心肌保护性自噬的激活依赖于 AMPK 介导的 mTOR 抑制。在模拟缺血条件（葡萄糖与氧剥夺）下药理性抑制自噬加重心肌细胞死亡，提示促存活效应。然而当氧与营养恢复时，心肌细胞自噬在体内（大鼠、兔、猪）、培养细胞系（H9c2、HL-1）与新生大鼠心室肌细胞中均显著上调。

缺血——心肌营养与氧供应受限——是类似饥饿的状态，自噬在其中具适应性。然而多数缺血性心脏病患者或自发再通或经皮介入机械实现血运重建。因此多数临床情境下，心肌缺血与血流的恢复（再灌注）耦合，并伴随多种相关事件，包括活性氧（ROS）累积。换言之，再灌注是截然不同的情形，相关自噬流通量激活具适应性或有害性（取决于模型系统），并涉及 AMPK/mTOR 通路非依赖性的 Beclin 1。短时、重复的缺血发作——可诱发有益的缺血预处理效应——也诱导自噬；当该自噬反应被抑制时预处理的保护作用丧失。

培养新生心肌细胞暴露于模拟 I/R 的研究中也得到类似结果，其中以 3-MA 化学抑制自噬可改善细胞存活。相反有报道模拟 I/R 诱导的自噬在培养细胞系中可具保护性。最近报道细胞色素 P450-2C9 抑制剂 sulfaphenazole 激活自噬，并对 I/R 损伤具有保护作用（无论在组织培养还是离体灌流大鼠心脏中）。目前尚不清楚这些差异究竟源自细胞类型、模型系统还是实验范式的不同。

一些证据指向低氧诱导因子 1α（HIF1α）的稳定作为缺血中自噬的触发因素：HIF1α 失活减弱低氧诱导的自噬。成纤维细胞中自噬激活在纤维化中发挥细胞存活促进作用——可能源自其清除可能释放 ROS 与促凋亡分子的功能障碍线粒体。此外 AMPK 参与缺血期间自噬的调控。综合这些数据提示 HIF1α 与 AMPK 均参与心肌缺血中自噬的激活，进而清除功能障碍细胞器并提供细胞稳态所需的能量来源。

缺血可能在高血压心脏病中观察到的自噬反应中扮演角色。原因之一是心肌肥大生长过程中冠状血管生成被诱导以满足增大心肌细胞的代谢与氧需求。细胞生长与血管生成过程的精确协调对功能需求变化引起的重构至关重要。然而在某一点上，心脏的持续增长最终耗竭血管生成潜能，导致营养与氧供应受限；这些事件进而可能诱导自噬。与此模型一致，衰竭的人心脏中报告毛细血管密度下降，再次提示血管生成不足以满足肥大心肌代谢需求从而促成心脏失代偿。

自噬在 I/R 损伤中的功能作用。缺血后的复氧触发第二波溶酶体激活。猪慢性 I/R 模型中已报告自噬通路元件（包括 Beclin 1 与 LC3）表达升高。心肌母细胞系 H9c2、HL-1 细胞、新生大鼠心室肌细胞与离体大鼠心脏中也观察到类似结果。

然而关于自噬在 I/R 损伤中是适应性还是失适应性问题，已出现相互矛盾的结果——可能源自这一过程的内在复杂性以及所采用实验系统的差异。I/R 损伤小鼠中自噬功能遗传缺失模型表现为梗死减轻。新生大鼠心室肌细胞与成年心肌细胞中也得到一致结果：I/R 激活细胞死亡与自噬，药理性抑制自噬促进细胞存活。综合而言这些数据支持 I/R 诱导的自噬具损害性的观点。然而对 HL-1 细胞系的研究得到不同结果：雷帕霉素或 Beclin 1 过表达增强模拟 I/R 损伤具保护性。短暂缺血发作激活心肌细胞自噬，并以渥曼青霉素（wortmannin）阻断自噬诱导废除细胞保护效应。模拟 I/R 损伤中由腺苷受体激动剂诱导的自噬激活在 HL-1 细胞与新生大鼠心室肌细胞中均具保护性。综合而言，这些数据提示模拟 I/R 期间这些细胞中激活的自噬是促存活的适应性反应。明显需要更多工作以阐明 I/R 期间自噬的保护性或损害性角色。

BNIP3 是 HIF1α 的下游靶点，在基础条件下表达可忽略不计，但 I/R 后丰度显著增加；一些证据将其牵涉至 I/R 诱导的细胞死亡中。BNIP3 缺失并不引起明显的心脏表型。然而在 BNIP3 缺失小鼠中 I/R 应激诱导的左室收缩功能下降被减弱（即使两组梗死面积相似）。相反，心肌细胞特异性过表达 BNIP3 诱导进行性心室扩张与收缩功能受损，可能由增加的凋亡所致。这些结果提示 BNIP3 促进 I/R 诱导的细胞死亡。与此一致，BNIP3 诱导心肌细胞线粒体碎片化与自噬，使用显性负性突变体抑制 BNIP3 对 I/R 损伤具有保护作用。类似地低氧能诱导 BNIP3，而后者反过来是线粒体自噬所必需的。综合而言这些发现提示 BNIP3 促成 I/R 期间的细胞死亡，将其定位为潜在治疗靶点。

30.7 化疗药物诱导的心脏自噬（Cancer Chemotherapy-Induced Cardiac Autophagy）

阿霉素诱导的心肌病已被广泛研究，但其潜在机制的精确理解仍缺乏。心肌细胞凋亡与坏死被认为是阿霉素诱导心肌病的主要机制。然而在大鼠阿霉素诱导的心肌病模型中，自噬的药理性抑制伴随心功能的显著挽救。此外衰竭大鼠心脏中阿霉素诱导的自噬囊泡被 3-MA 阻断。最近有报告显示转录因子 GATA4 通过上调存活因子 Bcl2 与下调自噬相关基因抑制阿霉素诱导的自噬与心肌细胞死亡。阿霉素诱导的心脏毒性目前的管理包括定期心功能监测与限制最大暴露剂量。未来某一天，抑制失适应性自噬可能成为该常见疾病的治疗选择。

30.8 人类心血管疾病中的自噬（Autophagy in Human Cardiovascular Disease）

尽管对自噬在心脏病临床前模型中作用的机制洞察快速涌现，但关于心肌细胞自噬在人类疾病中的认识仍较少。现有证据大多来自心衰、Danon 病、缺血性心脏病与肿瘤化疗心肌病患者的心肌样本。遗传学研究尚缺乏。

用于人类样本中检测自噬的技术主要限于电子显微镜超微结构与免疫组化分析。不出意外，人心脏组织样本的获取存在限制：要么来自右心导管插入期间的心内膜活检，要么来自心脏移植时获取的离体心脏，要么来自机械辅助装置植入时取出的心室组织芯。此外疾病类型、严重程度、病程与治疗的广泛差异进一步限制了从其分析中可获得的机制洞察。

心衰。人心脏病中自噬的证据最早来自扩张型心肌病组织样本。27 颗终末期心衰移植患者离体心脏被检查。超微结构分析显示在退化的心肌细胞内存在大量含胞质物质与细胞器的自噬囊泡。在扩张型心肌病心脏中自噬似乎不仅与受损胞内细胞器的降解相关，也与心肌细胞的进行性破坏相关。有趣的是，在 19 颗终末期心衰离体心脏中，多种机制的心肌细胞死亡被推断，自噬机制是其中一个突出例子；凋亡、坏死与自噬细胞的估计比例分别为 0.002%、0.06% 与 0.08%。

自噬性细胞死亡（II 型 PCD）可能是心衰发病的重要贡献者。在患有孤立性主动脉瓣狭窄伴不同程度左室收缩功能障碍的患者中，主要由自噬与胀亡（oncosis）介导的细胞丢失与左室收缩功能障碍的进展相关。最近在 9 例特发性扩张型心肌病患者在左室辅助装置（LVAD）植入与撤除时获取的左室心肌活检样本中进行分子研究：这些样本显示衰竭人心脏的机械卸载伴随自噬水平下降。作者进一步提示自噬在衰竭心脏中可能是适应性机制，而这一现象被 LVAD 支持所减弱。尚不清楚衰竭心脏的机械卸载是否将心肌细胞自噬活性正常化回基础水平。

糖原贮积症相关心肌病。糖原贮积症可表现为肥大性心肌病。这一点在 Danon 病中尤为突出——未处理自噬体与细胞碎片的累积引发心肌病。在小鼠 Pompe 病模型（一种因溶酶体酸性 α-葡糖苷酶不足导致糖原代谢缺陷的疾病）中，通过失活 ATG7 抑制自噬启动步骤有助于成功的酶替代治疗。也已报告一种新型 LAMP2 阳性扩张型心肌病——该晚发性心肌病的特征是自噬囊泡增加，但其临床特征与 Danon 病相似。

缺血性心脏病。心肌细胞自噬是缺血性疾病的显著特征。但缺血性心脏病患者组织样本分析通常因共病心衰而变得复杂。猪慢性 I/R 模型中已报告心肌细胞自噬的激活；啮齿类 I/R 模型已被广泛用于机制研究。

抗癌药物诱导的心肌病。癌症化疗（尤其蒽环类药物）长期以来与显著的心脏毒性、心肌病与心衰相关。然而肿瘤患者通常接受多种药物联合治疗，使识别唯一罪魁祸首变得困难。该情境下人组织当然难得。然而在大鼠阿霉素诱导的心肌病模型中，心肌细胞自噬被牵涉为心衰发生中的重要分解代谢通路。此外在接受可逆性蛋白酶体抑制剂硼替佐米治疗的肿瘤患者中怀疑存在药物相关的心脏毒性。暴露于硼替佐米的大鼠发生心衰，并描述了内质网应激与自噬上调。

30.9 心脏自噬作为治疗靶点（Cardiac Autophagy as a Therapeutic Target）

目前，关于心血管自噬分子回路的重要洞察已提升这样一种前景——这一蛋白质量控制的细胞通路可能具有临床相关性。虽然基础水平自噬是细胞存活所必需的，但过高水平（或者也许是不同形式自噬流通量）促成疾病发病。我们面临的挑战将是区分驱动适应性与失适应性自噬的机制，并操控这些通路以获得治疗获益。最近证据表明这或许可能实现。

细胞生长情境中，合成与分解代谢过程均被激活。初期前者占主导并发生细胞生长。然而最终新的稳态出现——自噬流通量水平升高。并取决于生长刺激强度以及自噬被完全抑制、部分抑制或扩增的遗传情境，所产生的自噬活性或为适应性或为失适应性。的确专家意见正在围绕后负荷升高触发的心肌细胞自噬兼具适应性与失适应性特征这一观点形成共识。完全阻断自噬流通量与细胞存活不兼容。压力应激条件下自噬的激活可能有益直至某一点，但自噬流通量过度激活则具失适应性。另一（非互斥）模型认为心肌细胞内存在不同形式自噬流通量——例如选择性与非选择性、靶向线粒体等——促成自噬作用的差异。

无论如何，自噬激活在绝大多数心脏疾病中的普遍性提示存在可被靶向治疗获益的共同细胞通路。然而保持谨慎是必要的，因为我们面临的挑战将是时刻注意自噬在多种细胞类型中的广泛作用。此外我们必须设想将自噬反应调节至生理范围内而不完全消除之。可喜的是，一些证据表明这或许可能实现。

目前没有正在进行的临床试验测试心脏疾病中的抗自噬干预。然而自噬通路中已识别若干可能靶点。在 UM-X7.1 仓鼠扩张型心肌病模型中，心衰进行性发展，至 30 周龄时达到 50% 死亡率。以粒细胞集落刺激因子（G-CSF）治疗显著改善存活与心功能，并涉及自噬的抑制（而非凋亡抑制或再生促进）。在猪 I/R 模型中，抗生素氯霉素琥珀酸酯具有保护作用，并伴随自噬蛋白 Beclin 1 与 LC3 水平升高。AMPK 调控自噬并被牵涉至心肌缺血中自噬的促细胞存活效应。在犬起搏诱导心衰模型中，二甲双胍（常用抗糖尿病药物）激活 AMPK，可防止凋亡并促进心功能的相对保留。该模型中未检查自噬，但推测其对自噬的作用可能促成有益效应。最后，内源性心脏肽 urocortin 阻断 I/R 诱导的自噬，并涉及 Beclin 1 的下调。

由于调控自噬的小分子药物匮乏，必须开发新的治疗选择，如针对自噬基因的 siRNA。然而鉴于所有细胞类型中基础自噬的关键家务管理功能，需要关于自噬分子回路——以及它如何与代谢、合成代谢与细胞死亡诱导事件相互作用——的更多分子细节。

由于自噬对蛋白与细胞器质量控制至关重要，其抑制的有益效应在某种程度上违反直觉。然而如上所述，新兴证据指向这样一种需要：自噬激活需固定于适应性效应可发生的区间内；当自噬流通量被激活至过高水平或降至某一阈值以下时，病理效应出现。此外可推测在心肌细胞重构情境下抑制过度激活的自噬会导致逃脱被抑制自噬反应的细胞碎片（如蛋白聚集体、功能障碍细胞器）累积。作者实验室的实验证据并不支持这一论点。事实上蛋白酶体的药理性抑制同样能够预防甚至逆转压力过载或神经内分泌激动剂诱导的心脏肥大，且作者实验室最近研究中 HDACi 治疗耐受良好，即使在长达 9 周的长期试验中亦如此。

30.10 总结与展望（Summary and Perspective）

心肌细胞遭遇多种形式环境损伤时，自噬性"自食"是关键的促存活反应；在心脏病情境下，自噬体/溶酶体机制参与已得到良好确立。来自临床前模型的大量数据表明，由病理性刺激（如压力过载或缺血再灌注）诱导的过度自噬具失适应性并促成细胞死亡。相反，构成性自噬的基础水平对维持蛋白稳态至关重要，消除这一蛋白质量控制手段会触发快速细胞死亡。换言之，自噬在疾病促进与疾病拮抗中的语境依赖性角色正在被理解。这些认识遵循肿瘤学的先例——其中也存在着对精细调节自噬激活的类似需求。

对未来的展望包括阐明心脏中的自噬回路，以实现其作用的精确调节——促进蛋白稳态并抑制细胞死亡——从而获得治疗获益。全面理解心肌自噬将是必要的，因为抑制病理性通路过度激活的策略必须始终被精确调控以避免破坏稳态机制。重大挑战依然存在，但心脏病患者很可能从这些努力中获益。

本章个人批注

作者以"自噬是进化保守的细胞自食过程"为开篇，定义上不强调新颖性，而强调其作为蛋白与细胞器质量控制"家务管理者"的角色。读完后我会把自噬理解为一把"双刃剑"：基础水平是必需的、完全缺失引发心衰、过度激活促成细胞死亡，因此存在一个"Goldilocks 区间"——这与作者所在实验室在多种压力模型（压力过载、I/R、CryAB 蛋白毒）中对 Beclin 1 操控得到的双向表型完全吻合。这种观点避免了"自噬是好事/坏事"的二元论，与肿瘤学中"自噬的精确调节决定治疗获益"的认识同源。

本章与上一章（ch29 心肌纤维化）有交叠：两者都涉及心脏重构中的细胞与分子事件，都强调了"适应性—失适应性"的连续谱，且都涉及蛋白聚集体/蛋白稳态。但侧重不同——ch29 集中于 ECM 沉积与 CFs/myoFbs 的多起源分化，而 ch30 集中于胞内蛋白与细胞器周转的溶酶体通路。值得注意的是 ch30 中关于 Beclin 1 与 Bcl-2 的相互作用（30.3 节"Class III PI3K/VPS34 Complex"）以及 HDACi 抑制失适应性自噬的发现（30.4 节"Chromatin Remodeling Enzymes"），为未来可能将"调控自噬"作为心血管治疗干预的策略提供了机制基础。

印象深刻的是 Danon 病中 LAMP2 缺失作为人类自噬缺陷疾病的范式（30.5 节"基础自噬"与 30.8 节"糖原贮积症相关心肌病"）：它将一个单基因缺陷与一个细胞生物学过程（自噬体-溶酶体融合）直接联系，是人遗传学验证基础自噬必要性的经典例证。类似地 Pompe 病模型中 ATG7 失活促进酶替代治疗疗效的发现（30.8 节），提示自噬抑制在某些溶酶体贮积症中可作为辅助治疗策略——这是基础研究与转化应用之间的优雅桥梁。

本章多处强调"语境依赖性"——同一分子（Beclin 1）在不同刺激下可能具相反效应（30.5 节"后负荷诱导的自噬"），这一观点应作为后续研究设计时的重要警示：操控自噬的实验必须严格报告刺激背景，否则会出现"自噬研究可重复性危机"。在人类样本方面，本章坦承自噬检测方法的局限（活检来源、机械辅助装置、疾病异质性），这与 ch29 在描述 ECM 重构时坦承人样本局限性形成一致。

与上下章的衔接（一段话）

第 30 章置于第 29 章（心肌纤维化）与第 31 章（程序性心肌细胞死亡）之间并非偶然——纤维化涉及 ECM 与细胞外重构，而自噬与程序性细胞死亡则集中于胞内蛋白稳态与细胞命运决定，三者共同构成"心脏重构的细胞与分子决定因素"这一宏大主题。本章是 ch28（心肌保护）的延伸——ch28 讨论了 IPC、postconditioning 与气体信号分子等外源性干预，而 ch30 转向内源性细胞保护机制（自噬介导的细胞器质量控制），后者事实上是 IPC 发挥保护效应的下游通路之一（ch30 中 30.6 节专门讨论了缺血预处理与自噬的关系）。自此章之后，ch31 将程序性细胞死亡（凋亡、坏死性凋亡、自噬性细胞死亡）作为心衰终末期细胞丢失的机制单独综述，与本章关于"自噬性细胞死亡作为心衰进展贡献者"的内容直接呼应。读者在阅读 ch30 时应将其视为：一边连接 ch28 中"如何保护心肌细胞免受损伤"，另一边连接 ch31 中"心肌细胞如何在终末期走向死亡"，处于心脏保护—蛋白稳态—细胞死亡这一连续轴的中间环节。