藥物損傷心肌細胞線粒體致心臟毒性的分析

雷 蕾，彭雙清

（1.河南大學 藥學院，河南 開封 475000；2.軍事醫(yī)學科學院 疾病預防控制研究所，北京 100036）

藥物損傷心肌細胞線粒體致心臟毒性的分析

雷 蕾1，彭雙清2＊

（1.河南大學 藥學院，河南 開封 475000；2.軍事醫(yī)學科學院 疾病預防控制研究所，北京 100036）

線粒體是真核細胞中最重要的細胞器，它是細胞有氧呼吸的主要場所，心肌細胞中存在著豐富的線粒體，線粒體的正常功能對于維持心肌細胞功能具有至關重要的作用［1］。近年來研究發(fā)現(xiàn)心肌線粒體是藥物心臟毒性作用的主要靶標之一，藥物可通過多種途徑致線粒體毒性，線粒體損傷是許多藥物心臟毒性反應早期的重要特征。我們主要討論藥物損傷心肌線粒體的機制和線粒體損傷如何促使心臟毒性的發(fā)生。

藥物；心臟毒性；線粒體機制

線粒體在心肌細胞的存亡中起著關鍵的作用。在健康細胞中，線粒體的主要作用通過氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP。為心臟提供能量。線粒體在心肌細胞中占了很大的比例，位于肌原纖維之間、內質膜下方。線粒體顯著的地位和數(shù)量保證了為心臟收縮、新陳代謝和離子內平衡提供集中高效的ATP運輸系統(tǒng)［2］。另外，線粒體還是重要的細胞死亡調節(jié)器，通過生長因子損失、組織缺氧、氧化應激和DNA損傷等多種應激信號引發(fā)細胞死亡。細胞死亡程序由線粒體內膜上的線粒體通透性轉化孔介導，引起線粒體膜電位紊亂和線粒體腫脹［3］，最終導致細胞壞死；或使線粒體外膜通透化，釋放細胞色素C、Smac和凋亡誘導因子等凋亡前體蛋白從而激活能量依賴性凋亡途徑［4］。每種形式的細胞死亡途徑都主要由線粒體調節(jié)和激活。

正常凋亡過程中，細胞激發(fā)一種導致死亡的信號串聯(lián)，不會觸發(fā)炎癥反應。而壞死細胞的特點就是胞體腫脹和質膜的破損。這使細胞釋放內容物到細胞外環(huán)境中，觸發(fā)炎癥反應，進而造成周圍細胞的損傷［5］。心肌細胞的損成造成的缺血再灌注、心肌病和充血性心力衰竭等病理表現(xiàn)。

1 藥物誘導的線粒體損傷

大量研究表明，藥物可通過多種途徑或機制直接或間接作用于線粒體而引起線粒體損傷，主要包括以下幾個方面。①破壞線粒體內膜的完整性，使ATP合成過程中的電子傳遞失偶聯(lián)。②破壞線粒體抗氧化防御系統(tǒng)，誘導ROS大量產(chǎn)生，引起氧化損傷。③抑制電子傳遞呼吸鏈復合物，導致電子傳遞障礙。④誘導線粒體通透性轉換孔（Mitochondrial permeability transition pore，MPTP）開放，導致線粒體膜電位下降，線粒體內容物（如細胞色素C、凋亡誘導因子AIF等）釋放。⑤作用于線粒體DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）、影響線粒體基因和蛋白表達，抑制線粒體新生（Mitochondrial biogenesis）。此外，線粒體還是細胞內鈣離子（Ca2＋）的主要“貯庫”，藥物刺激線粒體MPTP開放后，可引起線粒體內Ca2＋釋放而導致鈣穩(wěn)態(tài)失調。藥物對線粒體的損傷作用通常是多途徑、多機制共同作用的綜合結果，各條途徑之間可能相互作用、相互影響（見圖1）［6］。

圖1 藥物致線粒體毒性的可能靶點與途徑

1.1 線粒體與活性氧

一些藥物，如阿霉素在體內代謝過程中通過氧化還原產(chǎn)生活性氧（ROS），線粒體既是細胞生成ROS的主要場所，同時也是ROS攻擊的首要靶標［7］?；钚匝鯐斐删€粒體膜、呼吸鏈以及線粒體DNA的損傷，還會破壞線粒體的鈣穩(wěn)態(tài)。正常生理情況下，線粒體內膜僅允許不帶電荷的小分子通過，外源性的抗氧化物質不易進入線粒體。在自由基產(chǎn)生過多時內膜易受氧化損傷，造成線粒體內膜脂質的過氧化反應、膜流動性降低、膜脂質降解等，從而影響跨越線粒體膜的質子梯度，使線粒體合成ATP的功能發(fā)生障礙。同時，線粒體的功能障礙又可導致自由基產(chǎn)生增多，過多的氧自由基不能被及時清除，又可引起生物膜結構蛋白質和脂質過氧化，損害線粒體膜的通透性，引起電子傳遞鏈活性的進一步下降，進而形成惡性循環(huán)，使氧自由基生成進一步增加，最終造成細胞及組織的壞死。線粒體NADH／NADPH的氧化還原狀態(tài)可維持巰基于還原狀態(tài)，巰基對線粒體膜通透性具有調節(jié)作用。有研究表明［8－10］，活性氧對細胞的威脅主要與靜息狀態(tài)相關。線粒體在狀態(tài)Ⅲ 向狀態(tài)Ⅳ轉換中，由于ADP耗盡，ATP積累，使得O2消耗的主要途徑被切斷，導致O2濃度升高。

在線粒體內膜上有5個不同的蛋白質復合體參與氧化磷酸化反應，其中復合體I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成電子傳遞鏈。所有由線粒體DNA（mtDNA）編碼的多肽都是氧化磷酸化系統(tǒng)的組成部分，各種自由基對mtDNA的損傷可以通過mtDNA編碼的多肽影響氧化磷酸化過程，此外呼吸鏈復合體也可能直接受到自由基的攻擊。復合體I對羧基自由基和超氧陰離子特別敏感，復合體Ⅳ最易受到過氧化物的攻擊，復合體I、Ⅱ也會受其影響［11－12］。電子傳遞鏈復合體易受攻擊可能是由于復合體蛋白質易受到氧化損傷。在氧化損傷和氧化磷酸化之間可能存在一個循環(huán)機制，由于氧化磷酸化產(chǎn)生自由基，自由基對mtDNA、蛋白質和膜脂質造成損傷，這些損傷反過來又會影響氧化磷酸化，并產(chǎn)生更多的自由基，這些自由基可能產(chǎn)生更多的氧化損傷，并進一步導致ATP含量的減少。此外，ROS對mtDNA的損傷還會引起線粒體基因突變，破壞線粒體新生。

1.2 MPTP

MPTP是橫跨線粒體內外膜之間的非選擇性高導電性通道，由多種蛋白質復合組成。作為線粒體上的一個特殊孔道，MPTP開放導致的線粒體膜通透性轉換 （mitochondrial permeability t ransition，MPT）被認為是線粒體導致細胞死亡的眾多途徑中關鍵的一個［13］。一般理論認為，正常情況下，MPTP限制性地允許小分子通過，可調節(jié)線粒體內Ca2＋平衡和減少其內自由基的產(chǎn)生，維持細胞的正常生理功能。當MPTP呈不可逆性高水平少量開放狀態(tài)時，可導致線粒體水腫破裂，釋放凋亡誘導因子和細胞色素C等凋亡蛋白，啟動細胞編程性死亡。當MPTP呈不可逆性高水平廣泛開放狀態(tài)時，則抑制ATP合成，引起細胞壞死。

藥物通過代謝產(chǎn)生過量的ROS會導致胞漿內Ca2＋逐漸增加，并順著電化學梯度通過轉運系統(tǒng)流入線粒體內，造成線粒體內Ca2＋超載。而Ca2＋會作用于MPTP的結合位點，促其開放。線粒體內膜蛋白因氧應激及其他發(fā)生錯折疊而聚合后，膜上的伴侶蛋白最初通過這些錯折疊蛋白的聚集而阻滯傳導位點，但是，升高的 Ca2＋濃度打開了這些可調的MPTP，當?shù)鞍椎木奂^了伴侶蛋白的阻滯能力時，不可調 MPTP的開放就發(fā)生了［14］。有研究表明［1］，ROS增多可使 MPTP對Ca2＋的敏感性增高，即當ROS增多時，Ca2＋稍微增多即可引起MPTP開放。MPTP開放以后，由于氧化磷酸化的解耦聯(lián)及ATP的水解，導致線粒體功能障礙，最終導致心肌細胞的凋亡或者死亡。

1.3 線粒體和鈣

心肌線粒體在調節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)中也起到重要作用。由于Ca2＋增加會造成危害，因此需要將胞質中的鈣離子濃度維持在正常的生理水平；細胞內大部分的Ca2＋儲存在肌漿網(wǎng)／內質網(wǎng)（SR／ER）。線粒體位于接近SR／ER上Ca2＋釋放的部位，能獲得大量被釋放出的Ca2＋［15］。線粒體積累Ca2＋的能力能防止細胞內鈣濃度過高，防止SR／ER耗竭［16］。線粒體膜上的Ca2＋－ATP酶主動地將Ca2＋從胞漿攝入到線粒體基質內，儲存起來，維持細胞的鈣穩(wěn)態(tài)。Ca2＋－ATP酶是一種膜酶，線粒體膜脂質受到自由基的攻擊，發(fā)生脂質過氧化可使酶蛋白構象改變，從而影響酶活性［17］。此外，也可能由于 Ca2＋－ATP酶的活性依賴線粒體膜具有適當?shù)牧鲃有?，當藥物誘導的ROS引起線粒體膜脂質過氧化時，線粒體膜會變得僵硬，影響Ca2＋－ATP酶活性，由此導致線粒體攝取鈣離子減少，細胞內鈣離子增加，嚴重時引起鈣超載［18］。細胞內Ca2＋激活Ca2＋依賴性磷脂酶，使線粒體膜進一步受損，在呼吸鏈末端生成的ROS進一步增加，持續(xù)激活MPTP的開放；細胞內ATP濃度緩慢下降，專一的蛋白酶被激活，引起線粒體內Ca2＋和細胞色素C釋放。Ca2＋激活核酸內切酶，降解細胞核DNA，細胞色素C啟動凋亡程序［3］。于是，細胞出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象，數(shù)量減少。此外，線粒體鈣穩(wěn)態(tài)還調節(jié)著線粒體內酶的活性，影響能量代謝。已有公認，線粒體鈣穩(wěn)態(tài)的破壞是心肌細胞壞死的最后共同通路。

1.4 mtDNA

線粒體是細胞核之外唯一含有DNA的細胞器。與核DNA不同的是，mtDNA不受組蛋白的保護，并且，線粒體是ROS生成的部位，DNA的修復程序對mtDNA并不起作用，因此，mtDNA比核DNA更容易發(fā)生突變。

藥物可能通過多種機制對mtDNA造成損傷，一些藥物能通過抑制mtDNA合成選擇性的對其造成損傷，如近期開發(fā)的核苷酸逆轉錄酶抑制劑，屬核苷類似物，被細胞吸收后經(jīng)過連續(xù)的磷酸化轉化成有活性的三磷酸鹽結構［19－20］。核苷酸三磷酸鹽可作為逆轉錄酶進行逆轉錄的底物，混合進入新生DNA鏈后使鏈反應終止。這些類似物的三磷酸鹽形式被證實是線粒體DNA特有的聚合酶pol－γ的潛在底物，同樣可造成線粒體DNA復制過程中的鏈反應終止［19］。線粒體DNA合成中的附加效應是由于線粒體內單磷酸化合物向三磷酸化合物轉化的效率極低，造成單磷酸化合物在線粒體基質中累積，從而對線粒體的合成產(chǎn)生異常影響。這些影響包括抑制pol－γ的外切核酸酶功能，降低DNA復制的準確性；抑制胸苷磷酸化，消耗 DNA復制所必須的底物［21］。DNApol－γ酶的功能障礙會逐漸消耗mtDNA，干擾線粒體呼吸鏈（MRC）上關鍵蛋白的合成［22－23］，破壞電子呼吸鏈，減少ATP生成，造成氧自由基增多。

2 結語

線粒體產(chǎn)生能量和維持鈣穩(wěn)態(tài)的功能確立了其在心臟中的關鍵地位，不僅如此，線粒體還是心肌細胞凋亡的調節(jié)中心。因此，藥物對線粒體的破壞可能是造成心臟功能失常的主要原因。目前，對線粒體在藥物心臟毒性中的確切作用及其作用機制還在進一步探討過程中，未來對線粒體的深入研究將不斷提供更多的相關信息。

［1］Green P S，Ieevwenbarg H C.Mitochondrial dysfunction is an early indicator of doxorubicin－induced apoptosis［J］.Biochim Biophys Acta，2002，1588（2）：94－101.

［2］Andrienko T，Kuznetsov A V，Kaambre T，Usson Y，Orosco A，Appaix F et al.Metabolic consequences of functional complexes of mitochondria，myofibrils and sar－coplasmic reticulum in muscle cells［J］.J Exp Biol，2003（206）：2059－2072.

［3］Halestrap A P.Calcium，mitochondria and reperfusion injury：apore way to die［J］.Biochem Soc Trans，2006，34（2）：232－237.

［4］Gustafsson A B，Gottlieb R A.Mechanisms of apoptosis in the heart［J］.ClinImmunol，2003，23（6）：447－459.

［5］Searle J，Kerr J F，Bishop C J.Necrosis and apoptosis：distinct modes of cell death with fundamentally different significance［J］.Pathol Annu，1982，17（2）：229－259.

［6］Dykens J A，Will Y.The significance of mitochondrial toxicity testing in drug development［J］.Drug Discovery Today，2007，12（17－18）：777－785.

［7］Berthiaume J M，Wallace K B.Adriamycin－induced oxidative mitochondrial cardiotoxicity［J］.Cell Biol Toxicol，2007，23（1）：15－25.

［8］Staniek K，Nohl H.H2O2detection from intact mitochondria as a measure for one－electron reduction of dioxygen requires a non－invasive assay system［J］.Biochim Biophys Acta，1999，1413（2）：70－80.

［9］Turre ns J F.Mitochondrial formation of reactive oxygen species［J］.J Physiol，2003，552（2）：335－344.

［10］Chen Q，Vazquez E J，Moghaddas S，Hoppel C L，Lesnefsky E J.Production of reactive oxygen species by mitochondria：central role of complex III［J］.J Biol Chem，2003，278（38）：36027－36031.

［11］Turrens J F，Boveris A.Generation of superoxide anion by the NADH dehy－drogenase of bovine heart mitochondria［J］.Biochem J，1980，191（2）：421－427.

［12］Turre ns J F，Alexandre A，Lehninger A L.Ubisemiquinone is the electron donor for superoxide formation by complex III of heart mitochondria［J］.Arch Biochem Biophys，1985，237（2）：408－414.

［13］郭劍英，李英，潘家強，唐兆新.線粒體通透性轉換孔及其與細胞凋亡的關系［J］.動物醫(yī)學進展，2009，30（8）：1012105.

［14］He L H，Lemasters J J.Regulated and unregulated mitochondrial permeability transition pores：a new paradigm of pore structure and function［J］.FEBS Lett，2002，512（123）：127.

［15］Rizzuto R，Brini M，Murgia M，Pozzan T.Microdomains with high Ca2＋close to IP3－sensitive channels that are sensed by neighboring mitochondria［J］.Science，1993，262（5134）：744－747.

［16］Arnaudeau S，Kelley W L，Walsh J V，Demaurex N.Mitochondria recycle Ca2＋to the endoplasmic reticulum and prevent the depletion of neighboring endoplasmic reticulum regions［J］.J Biol Chem，2001，276（31）：29430－29439.

［17］McCormack J G，Halestrap A P，Denton R M.Role of calcium ions in regulation of mammalian intramitochondrial metabolism［J］.Physiol Rev，1990，70（2）：391－425.

［18］Balaban R S.Cardiac energy metabolism homeostasis：role of cytosolic calcium［J］.Jmol Cell Cardiol，2002，34（10）：1259－1271.

［19］Collins M L，Sondel N，Cesar D，Hellerstein M K.Effect of nucleoside reverse transcriptase inhibitors on mitochondrial DNA synthesis in rats and humans［J］.J Acquir Immune Defic Syndr，2004，37（1）：1132－1139.

［20］Lewis W，Kohler J J，Hosseini S H，Haase C P，Copeland W C，Bienstock R J，Ludaway T，McNaught J，Russ R，Stuart T，Santoianni R.Antiretroviral nucleosides，deoxynucleotide carrier and mitochondrial DNA：evidence supporting the DNA polγhypothesis［J］.AIDS，2006，20（5）：675－684.

［21］Walker U A，Venhoff N，Koch E C，Olschewski M，Schneider J，Setzer B.Uridine abrogates mitochondrial toxicity related to nucleoside analogue reverse transcriptase inhibitors in HepG2cells［J］.Antivir Ther，2003，8（5）：463－470.

［22］Lewis W，Day B J，Copeland W C.Mitochondrial toxicity of NRTI antiviral drugs：an integrated cellular perspective［J］.Nat Rev Drug Discov，2003，2（10）：812－822.

［23］McComsey G，Bai R K，Maa J F，Seekins D，Wong L J.Extensive investigations of mitochondrial DNA genome in treated HIV－infected subjects：beyond mitochondrial DNA depletion［J］.J Acquir Immune Defic Syndr Hum Retrovirol，2005，39（2）：181－188.

［責任編輯 李武營］

Analysis for the drug－induced cardiac toxicity by mitochondrial mechanisms dysfunction

LEI Lei 1，PENG Shuang－qing2＊（1.Pharmaceutical College of Henan University，Kaifeng，Henan 475000，China；2.Institute of the disease Control and Prevention，Academy of Military Medical Sciences，Beijing100036，China）

Mitochondria，as the most important organelle in eukaryotic cells，is the major place of aerobic respiration of cells.Plenty of mitochondria exist in cardiomyocyte，which has a great effect on cardiac functions.Recent studies found that myocardial mitochondria is a main target of drug－induced cardiac toxicity，mitochondrial damage is an important feature of early cardiac toxicity.This review focuses on the mechanisms of drug－induced mitochondria damage and how mitochondrial damage promote the occurrence of cardiac toxicity.

Drug；Cardiac toxicity；Mitochondrial mechanism

R595.3

A

1672－7606（2012）02－0138－04

2012－03－12

雷蕾（1988－），女，河南許昌人，碩士生，從事藥理學的科研工作。

＊通訊作者：彭雙清（1962－），男，北京人，博士，研究員，博士生導師，從事疾病預防控制的研究工作。