全腦缺血/再灌注致線粒體損傷的研究進(jìn)展

楊 晴（綜述），李新宇（審校）

（1．石河子大學(xué)醫(yī)學(xué)院，新疆石河子 832002;2．蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院ICU，烏魯木齊 830000）

心臟驟停是常見的心臟急癥。發(fā)達(dá)國(guó)家每年院外心臟驟停的發(fā)生率為（36～128）/10萬(wàn)［1］，盡管心肺腦復(fù)蘇技術(shù)的普及和急救體系的完善有助于提高心臟驟停患者的早期復(fù)蘇成功率，但其神經(jīng)系統(tǒng)完好率迄今仍僅有1．4%［2］。越來(lái)越多的證據(jù)表明，腦缺血/再灌注后神經(jīng)元的死亡與線粒體功能障礙直接相關(guān)。

1 全腦缺血/再灌注損傷的病理、生理變化

全腦缺血/再灌注是心肺腦復(fù)蘇必然經(jīng)歷的過(guò)程，因此，全腦缺血/再灌注損傷亦在所難免。腦組織只能通過(guò)葡萄糖氧化供能并在心跳驟停5 min發(fā)生能量耗竭這一特點(diǎn)，使腦成為最易發(fā)生缺血/再灌注損傷的器官。研究表明［3］，腦缺血/再灌注損傷的始動(dòng)因素是腦組織的缺血、缺氧。在缺血期，缺血、缺氧導(dǎo)致ATP合成減少，嘌呤堿和細(xì)胞內(nèi)酸性代謝產(chǎn)物增多，細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高。再灌注后由于恢復(fù)供氧產(chǎn)生自由基和炎性反應(yīng)等原因引發(fā)再灌注損傷，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞損傷，甚至凋亡、壞死。其中，線粒體是缺血/再灌注損傷的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，自由基連鎖反應(yīng)是腦缺血/再灌注損傷的核心環(huán)節(jié)，而細(xì)胞內(nèi)鈣超載則可能是導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的最后通路［4］。

2 腦缺血/再灌注引起線粒體功能障礙的機(jī)制

線粒體是一種半自主性細(xì)胞器，除產(chǎn)生ATP供給細(xì)胞所需能量外，在細(xì)胞氧化還原狀態(tài)和滲透壓調(diào)節(jié)、鈣穩(wěn)態(tài)和pH維持以及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用［5］。腦缺血/再灌注后細(xì)胞能量代謝的恢復(fù)是細(xì)胞其他功能恢復(fù)的基礎(chǔ)，若細(xì)胞能量代謝障礙持續(xù)存在，則必然導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死［6，7］，而線粒體途徑在細(xì)胞凋亡過(guò)程中起重要作用［8］。腦缺血/再灌注線粒體功能障礙的機(jī)制涉及氧自由基損傷、鈣超載、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）的異常開放、線粒體結(jié)構(gòu)損傷等。

3 腦缺血/再灌注后線粒體的變化

3．1 線粒體超微結(jié)構(gòu)改變 線粒體超微結(jié)構(gòu)的改變可影響線粒體功能的改變。腦缺血過(guò)程，能量供應(yīng)急劇減少，隨缺血時(shí)間延長(zhǎng)，MPTP開放，氧自由基，鈣超載可引起線粒體內(nèi)膜結(jié)構(gòu)及線粒體嵴結(jié)構(gòu)的改變，且呈時(shí)間依賴性。Solenski等［9］發(fā)現(xiàn)再灌注可加重缺血引起的線粒體腫脹、分解、消失、胞質(zhì)密度增加。上述改變是線粒體功能障礙的形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，腦缺血/再灌注后大量神經(jīng)元線粒體的損傷可直接引起該損傷區(qū)域腦組織的功能障礙。

3．2 線粒體磷脂和游離脂肪酸的變化 腦線粒體含有大量的磷脂。磷脂是線粒體膜的主要組成部分，故磷脂與膜的流動(dòng)性密切相關(guān)。心磷脂是細(xì)胞色素C氧化酶及ATP合成酶的重要組成部分，故磷脂與線粒體ATP合成也密切相關(guān)。腦缺血和低糖低氧損傷時(shí)主要磷脂（卵磷脂、心磷脂）水平下降［9］，腦磷脂酶A2被激活，使膜磷脂降解，磷脂含量降低，多不飽和脂肪酸丟失，生物膜上脂肪酸鏈縮短，導(dǎo)致線粒體膜流動(dòng)性下降。腦缺血后再灌注1 h，主要磷脂可降至最低［10］，說(shuō)明腦缺血/再灌注可引起腦線粒體脂類分解，膜蛻變，而膜的改變可影響呼吸鏈酶的活性。在磷脂降解的同時(shí)，游離脂肪酸含量增加，后者是一種脫耦聯(lián)劑，使磷氧比（P/O）值減少，減少線粒體ATP生成，腦水腫加重。

3．3 線粒體呼吸鏈酶活性的變化 線粒體內(nèi)膜有按一定順序排列的酶和輔酶，其中酶復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成呼吸鏈。呼吸鏈中的酶活性直接影響了ATP的生成。

呼吸鏈中的酶復(fù)合體易受到缺氧影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［11］，缺血時(shí)直接需氧的呼吸鏈酶復(fù)合體Ⅳ活性顯著降低，發(fā)生再灌注后，復(fù)合體Ⅳ的活性迅速提高，而缺血對(duì)酶復(fù)合體Ⅰ～Ⅲ的影響相對(duì)較小。腦缺血/再灌注時(shí)呼吸鏈上出現(xiàn)“電子漏”，形成超氧游離基和其他活性氧簇，引起呼吸鏈本身的酶復(fù)合體Ⅰ和Ⅱ活性明顯下降。此外，再灌注過(guò)程還可使呼吸鏈上的關(guān)鍵酶琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素C氧化酶的活性明顯降低，導(dǎo)致氧化磷酸化效率降低，影響了ATP生成［12］。因此，直接導(dǎo)致了神經(jīng)細(xì)胞的功能障礙。

3．4 線粒體膜電位的變化 生理狀態(tài)下線粒體內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子梯度形成的線粒體膜內(nèi)負(fù)外正的電位差，是ATP合成和釋放的動(dòng)力，也是調(diào)控線粒體ATP合成代謝的關(guān)鍵。線粒體膜電位既反映了線粒體功能的完整性，也是評(píng)價(jià)線粒體功能的敏感指標(biāo)［13］。線粒體膜電位的改變，即膜電位下降可致線粒體內(nèi)外物質(zhì)不平衡，氧化磷酸化脫耦聯(lián)，引起嚴(yán)重能量代謝障礙，終致神經(jīng)功能障礙。

線粒體膜電位的調(diào)控機(jī)制是以MPTP的構(gòu)象改變?yōu)榛A(chǔ)的。缺血/再灌注時(shí)的各種有害刺激，如缺氧、線粒體內(nèi)Ca2+增加，都可造成MPTP開放，從而引起線粒體膜電位下降，甚至消失，呼吸鏈斷裂造成細(xì)胞死亡［14］。

3．5 MPTP MPTP是一種跨膜多蛋白孔，通常MPTP在生理狀態(tài)下呈間斷性開放，且具有可逆性。而位于線粒體內(nèi)膜的MPTP的開放形成了線粒體通透性轉(zhuǎn)變（mitochondrial permeability transition，MPT），MPT是細(xì)胞損傷引起凋亡或壞死的共同通路［15］。因此，MPT是觸發(fā)線粒體功能障礙的關(guān)鍵，而觸發(fā)MPT的則是線粒體自身鈣超載。

MPT可發(fā)生在腦缺血/再灌注的各個(gè)階段，缺血期、再灌注早期、再灌注晚期分別由鈣超載、大量自由基、Bax、Bcl基因表達(dá)變化對(duì)MPT起主導(dǎo)作用，再灌注晚期Bcl-2家族蛋白Bcl-2/Bax的比值降低則決定了MPTP的開放［16］。腦缺血/再灌注后引起的鈣超載可使MPTP病理性開放，使線粒體基質(zhì)外流，膜電位崩潰，還原性谷胱甘肽耗竭，超氧陰離子大量產(chǎn)生，水分子大量進(jìn)入線粒體內(nèi)，導(dǎo)致線粒體腫脹以致崩解。線粒體亞顯微結(jié)構(gòu)的改變使線粒體ATP合成受阻，并進(jìn)一步觸發(fā)凋亡啟動(dòng)［17］。

MPT是缺血缺氧后各種損傷的匯聚點(diǎn)，參與了腦缺血/再灌注損傷的多種機(jī)制，防止MPT發(fā)生可有效預(yù)防腦缺血/再灌注引起的腦內(nèi)神經(jīng)結(jié)構(gòu)損傷及功能損害，已逐漸成為目前關(guān)注的熱點(diǎn)。

3．6 線粒體DNA及其表達(dá)的改變 線粒體有一套自身的DNA系統(tǒng)，即線粒體DNA（mtDNA）。mtDNA負(fù)責(zé)編碼氧化磷酸化系統(tǒng)的多個(gè)亞單位及RNA，其中細(xì)胞色素C氧化酶13個(gè)亞單位中的3個(gè)亞型均由線粒體mtDNA編碼。因此，mtDNA是氧化磷酸化系統(tǒng)重要酶系的前體物質(zhì)。mtDNA的損傷則可引起氧化磷酸化酶功能的改變，還可加速細(xì)胞凋亡的發(fā)生［18］。

mtDNA易受到氧化損傷，這是由于線粒體內(nèi)氧濃度很高，易產(chǎn)生氧自由基，mtDNA幾乎不受組蛋白保護(hù)，且不能合成谷胱甘肽有效去除氧自由基［19］。Chen等［20］實(shí)驗(yàn)表明腦缺血/再灌注可引起 mtDNA損傷，﹤30 min的短暫腦缺血mtDNA可自身修復(fù)，然而隨缺血時(shí)間延長(zhǎng)，mtDNA的損傷則不可逆轉(zhuǎn)。腦缺血/再灌注時(shí)，mtDNA受損可通過(guò)影響氧化磷酸化的相關(guān)酶系編碼而影響相關(guān)酶功能的正常發(fā)揮。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腦再灌注過(guò)程mtDNA損傷可使電子傳遞鏈中復(fù)合體Ⅰ和Ⅳ活性顯著下降，從而破壞了呼吸鏈復(fù)合體電子傳遞完整性。由此繼發(fā)引起的黃素腺嘌呤二核苷酸依賴性復(fù)合體途徑被過(guò)度利用，自由基生成進(jìn)一步增加，這將導(dǎo)致mtDNA損傷的惡性循環(huán)。腦缺血/再灌注可因腦細(xì)胞線粒體mtDNA損傷而直接影響腦細(xì)胞能量代謝，加速腦細(xì)胞凋亡，進(jìn)而影響腦部易損區(qū)的神經(jīng)功能。

3．7 線粒體內(nèi)細(xì)胞色素C的改變 線粒體內(nèi)細(xì)胞色素C（cytochrome C，CytC）是核DNA編碼的蛋白質(zhì)，是線粒體電子傳遞中復(fù)合體Ⅲ和Ⅳ之間傳遞電子的載體。線粒體細(xì)胞色素C不僅在能量代謝中發(fā)揮著重要作用，且其由線粒體內(nèi)釋放入胞質(zhì)也是啟動(dòng)依賴 CytC和 caspase途徑細(xì)胞凋亡的重要步驟［21］。實(shí)驗(yàn)表明，腦缺血/再灌注后可因MPTP開放引起CytC的轉(zhuǎn)移，約5 h出現(xiàn)CytC早期轉(zhuǎn)移，約48 h后出現(xiàn)晚期轉(zhuǎn)移［22］。

腦長(zhǎng)時(shí)間缺血/再灌注引起的線粒體內(nèi)CytC改變不僅能夠影響電子在復(fù)合體Ⅲ和Ⅳ之間的傳遞，因而干擾腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的能量合成，還可因缺血/再灌注時(shí)CytC的位置改變，加速神經(jīng)細(xì)胞的凋亡進(jìn)程，影響腦功能區(qū)的神經(jīng)功能。

4 展望

線粒體是結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜細(xì)胞器。腦缺血/再灌注可通過(guò)各種途徑造成線粒體結(jié)構(gòu)和功能異常，進(jìn)而導(dǎo)致能量衰竭，最終誘發(fā)細(xì)胞凋亡或壞死。因此，線粒體是腦缺血/再灌注損傷的重要靶細(xì)胞器，其損傷是缺血/再灌注損傷的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。探究全腦缺血/再灌注后線粒體損傷的變化，進(jìn)一步研究如何從線粒體方面來(lái)復(fù)蘇腦細(xì)胞，將為缺血/再灌注后腦損傷的治療開辟一條捷徑。

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