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Research progress on role of autophagy in traumatic optic neuropathy

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DOI：10.12419/j.issn.1000-4432.2023.03.11
Publication Date：2023-03-27
Author(s)：
LIU Jiangying ,QIU Kairui ,ZHOU Xiaolai ,HE Liwen
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Keywords

traumatic optic neuropathy
autophagy
retinal ganglion cell
axonal degeneration
optic nerve

Abstract

Traumatic optic neuropathy is a blinding eye disease that causes severe damage to vision due to external force damage to the optic nerve.. Autophagy is an intracellular degradation pathway that helps maintain the balance between the synthesis
of normal cell components and the breakdown of damaged organelles and toxic cellular components. Autophagy markers are increased in optic nerve and retina after optic nerve trauma. Autophagy may play different roles on retinal ganglion cells (RGCs) at different stages of traumatic optic neuropathy. Most studies have shown that upregulating autophagy can attenuate RGCs death in traumatic optic neuropathy; however, it has also been suggested that inhibition of autophagy at ultra-early stage after injury can inhibit RGCs axonal degeneration. In this review, we reviewed the definition and function of autophagy, the mechanism of autophagy, and summarized the change of autophagy level after optic nerve trauma, as well as the effects of autophagy in RGCs after optic nerve trauma.

Article

    外伤性视神经病变(traumatic optic neuropathy, TON)是由外力作用导致直接或间接视神经损伤，从而造成不同程度视力下降甚至致盲的疾病。外伤性视神经病变多发生于青壮年男性，其平均发病年龄为31岁，给家庭及社会带来巨大压力[1]。外伤性视神经病变目前尚缺乏有效的治疗方式[2-5]。外伤性视神经病变的发病机制仍不是十分清楚，目前认为包括缺血、氧化应激、神经炎症、兴奋性毒性等在内的多种机制参与外伤性视神经病变的发生和发展[6-7]。自噬(autophagy)是细胞通过降解胞质内受损细胞器或大分子蛋白质以提供维持细胞正常生理功能的物质和能量的生理过程，它对维持神经元内环境稳态以及应对各种应激起着至关重要的作用[8]。近年来，自噬在外伤性视神经病变中扮演的角色备受关注，越来越多的研究表明自噬参与了外伤性视神经病变的发病过程，并且通过调控自噬可以减轻该病的病理损伤。因此，本文对自噬在外伤性视神经病变中作用的研究进展进行综述，旨在为外伤性视神经病变的治疗提供潜在的思路。

1 自噬概述

1.1 自噬定义及功能

    自噬是真核细胞中一种高度保守的细胞内降解途径，可以将胞浆内容物运送到溶酶体进行降解，降解后的细胞成分得以循环利用，从而维持细胞内环境稳态。自噬的基本功能是细胞应对饥饿和应激时物质和能量不足所致的损伤，以促进细胞的存活[9]。通过自噬，特定的蛋白质、大分子复合物(核糖体和蛋白酶体)、蛋白质聚集体、内质网或细胞核的碎片以及其他细胞器，甚至有害的入侵病原体都可以被清除[10]。在正常生理状态下，自噬保持较低水平；而当受到外界刺激如能量缺乏、氧化应激、炎症刺激等时，自噬水平上调以抵御各种压力并维持细胞内环境稳态[11]。

1.2 自噬发生机制

    根据底物进入溶酶体的途径不同，可将哺乳动物中自噬分为以下 3 种类型：巨自噬(macroautophagy)、微自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy)。巨自噬是最经典且最常见的一种类型，故通常将其简称为自噬。它以形成双膜自噬小体(autophagosome)并与溶酶体融合形成自噬溶酶体再降解自噬底物为特征[12]。自噬包含5个主要步骤：诱导(induction)自噬、吞噬泡成核(nucleation)、吞噬泡延伸(elongation)和闭合(closure)、自噬小体与溶酶体融合(fusion)、自噬溶酶体降解(degradation)底物[13]。其中哺乳动物雷帕霉素受体(mammalian target of rapamycin,mTOR)参与自噬启动的调控。当细胞缺乏能量时，mTOR被抑制，其下游的ULK1(UNC51-like kinase)被激活，从而启动自噬[14-15]。除此之外，微管相关蛋白轻链3(LC3)和自噬衔接蛋白p62参与吞噬泡与底物结合过程，被称作自噬的特异性标志物。膜型LC3(LC3-Ⅱ)和胞浆型LC3(LC3-Ⅰ)的比值(LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ)增加代表自噬水平上调；相反，p62累积被认为是自噬受阻的结果[16]。

2 外伤性视神经病变中的自噬

    视神经损伤后短时间内，视神经缺血缺氧、炎症因子大量释放、自噬水平上调、自噬相关基因表达增加[17-18]。利用基因敲除或药物调控自噬的方法，多项研究表明上调自噬对损伤视神经及视网膜神经节细胞(retinal ganglion cells,RGCs)起保护作用；然而也有部分研究发现在损伤后极早的时期抑制自噬对轴突存活及轴突再生的保护作用。

2.1 外伤性视神经病变中自噬水平变化

    多项研究表明在视神经损伤的情况下自噬标志物会显著增加 [17, 19-20]。Koch等[18]在大鼠视神经挤压伤(optic nerve crush,ONC)模型中发现：损伤后30 min，挤压部位两侧150~300 μm处视神经出现神经细丝凝聚、排列错位，微管断裂及球状轴突肿胀等显微结构改变，同时轴突中自噬小体数量迅速增加，并在360 min内持续增多。Kn?ferle等[19]也有类似发现，挤压大鼠视神经后，电子显微镜下可见视网膜神经节细胞轴突肿胀，胞质中大量肿胀的线粒体堆积，轴浆空泡化，自噬小体形成。
    伴随着视神经和视网膜神经节细胞显微结构的变化，自噬相关基因表达量也发生改变。Koch等[20]发现在视神经损伤后的几个小时内，损伤处的自噬小体迅速增加，并扩散到视网膜神经节细胞，其LC3水平最早在损伤后24 h升高。Kim等发现在大鼠视神经横断后第1天起，视网膜神经节细胞中的LC3-Ⅱ蛋白水平升高，在损伤后3 d达到高峰并持续到第7天；然而，视网膜中自噬相关基因ATG5、ATG7和ATG12在损伤后第1天并无明显变化，从第3天开始表达上调，第7天恢复到正常水平。伴随LC3-Ⅱ和自噬相关蛋白的升高，视神经横断后5~14 d，视网膜神经节细胞进行性死亡[17]。随后，Rodríguez-Muela等[21]通过在GFP-LC3小鼠中构建视神经轴索切断模型发现，轴突损伤会诱导视网膜神经节细胞凋亡并在损伤后第5天达到峰值，同时自噬上调出现在损伤后第3天至细胞死亡的峰值前。综上所述，目前关于外伤性视神经损伤后自噬的研究表明，轴突损伤迅速激活自噬形成吞噬泡，并于数小时内逆流回视网膜神经节细胞胞体，随后自噬相关基因(ATG5、ATG7和ATG12)表达上调并在视网膜神经节细胞死亡达到高峰前恢复正常水平。

2.2 自噬在外伤性视神经病变中的作用

    视神经损伤触发视网膜神经节细胞自噬已被公认，然而自噬在外伤性视神经病变的发展和转归中所起的作用仍不十分清楚，也是目前该领域的一个研究热点。多项研究表明，视神经损伤后，上调自噬可以促进视网膜神经节细胞的存活[21-24]。雷帕霉素可以通过抑制mTOR从而上调自噬[25]。Rodriguez-Muela等[21]在小鼠视神经轴索切断(ONT)模型中发现，造模后的第10天，雷帕霉素处理组可以将视网膜神经节细胞存活率提高40%，该实验首次证实雷帕霉素诱导的自噬对视网膜神经节细胞的保护作用。Wen等[22]在大鼠视神经挤压伤模型中发现，通过p62 siRNA特异性下调p62可以抑制mTOR从而上调自噬，该处理可以明显提高视网膜神经节细胞的存活率。此外，Wei等[23]发现经褪黑素处理视神经横断后的大鼠，其视网膜神经节细胞存活率较对照组高，而可能机制是通过上调视网膜神经节细胞的自噬水平来减少视网膜神经节细胞的凋亡，从而发挥神经保护作用。Mázala-de-Oliveira等[24]在大鼠视神经切断模型中发现，3nmol/L的毒毛旋花苷可以上调自噬水平并促进视网膜神经节细胞的成活；并且该保护作用在使用自噬抑制剂3-MA阻断自噬激活后消失。这些观察结果共同提示上调视神经外伤后的自噬水平对视网膜神经节细胞具有保护作用。
    还有一些学者对视神经损伤后极早的时期进行研究，发现在该时期抑制自噬有利于减弱视神经损伤诱导的急性轴突变性。Kn?ferle等[19]发现在大鼠视神经挤压模型中，应用自噬抑制剂3-MA后90 min内，轴突变性显著延迟。作者推测对视网膜神经节细胞的机械损伤会通过激活钙通道诱导轴突内钙离子的快速增加，从而导致自噬体的二次积累，并参与轴突的退化过程，而自噬抑制剂3-MA减缓了这一过程。其中，钙离子可能通过钙调蛋白依赖的激酶β(CaMKKβ)激活腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)，进一步抑制mTOR并激活自噬[26]。Koch等[18]在大鼠视神经挤压伤模型中观察到，视神经挤压伤后钙离子迅速流入轴突，诱导自噬启动，导致轴突解体。通过3-MA抑制自噬，可以显著减轻360 min内急性轴突变性。Vahsen团队发现过表达显性失活ULK1(dominate negative form of ULK1)可以抑制大鼠视神经挤压伤后的急性轴突变性并促进轴突再生[27-28]。同样，ULK1抑制剂SBI-0206965的应用也可以抑制大鼠视神经挤压伤后的急性轴突变性[27]。这些研究提示，在视神经损伤极早的时期，抑制自噬的激活有助于视神经的修复。值得注意的是，上述研究并未设置更长时间的观察节点，极早的时期过后自噬与轴突损伤的关系仍有待探索。

3 总结与展望

    综上所述，自噬在外伤性视神经损伤时被激活，并对外伤性视神经病变的发展和转归起重要作用。多数研究表明，上调自噬能减轻轴突损伤并促进视网膜神经节细胞存活；而在视神经损伤发生后极早的时期，抑制自噬能减轻轴突损伤(图1)。然而自噬在外伤性视神经病变的不同阶段对视网膜神经节细胞起不同作用的具体机制仍不清楚，未来的研究需重视自噬在外伤性视神经病变过程中的作用机制，并有针对性地开发调节自噬药物，为外伤性视神经病变提供新治疗策略。
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图1 自噬在外伤性视神经病变发展中的作用
Figure 1: the role of autophagy in the development of traumatic optic neuropathy
(A)外伤性视神经病变时，视神经受损，视网膜神经节细胞进行性退化；(B)在外伤性视神经病变极早的时期前，使用3-MA、ULK-1 DN或ULK-1 抑制剂等方法可以抑制视神经损伤后自噬，减轻急性轴突损伤，有利于视网膜神经节细胞存活；(C)在外伤性视神经病变极早期后，应用雷帕霉素、p62 siRNA等自噬激活剂，视网膜神经节细胞存活率增加。
(A) In traumatic optic neuropathy, the optic nerve is damaged and the retinal ganglion cells degenerate progressively; (B) Before the ultra-early stage of traumatic optic neuropathy, the use of 3-MA, ULK-1 DN or ULK-1 inhibitor can inhibit autophagy after optic nerve injury, alleviate acute axonal injury, and be conducive to the survival of retinal ganglion cells; (C) After the ultra-early stage of traumatic optic neuropathy, the survival rate of retinal ganglion cells increased after the application of autophagy activators such as rapamycin and p62 siRNA.

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Funding

1. 国家自然科学基金(82171404)；中山大学科研领军人才培育计划项目(22yklj04)；科研启动经费(高水平医院建设)；国家重点研发计划 (2022YFF1202901)。
This work was supported by National Natural Science Foundation of China(82171404); Sun Yat-sen University Scientific Research Leading Talents Cultivation Program(22yklj04); Scientific research start-up funds (high-level hospital construction); National key research and development program(2022YFF1202901)

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