線粒體在心力衰竭發(fā)展過程中的作用

余思韻 綜述， 張麗娟， 李 覺 審校

(同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院預(yù)防醫(yī)學(xué)教研室，上海 200092)

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線粒體在心力衰竭發(fā)展過程中的作用

余思韻 綜述， 張麗娟， 李 覺 審校

(同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院預(yù)防醫(yī)學(xué)教研室，上海 200092)

作為心肌細(xì)胞的主要能量來源，線粒體與心功能密切相關(guān)。在心臟代償性肥大以及失代償期間線粒體功能發(fā)生變化，受損的線粒體反過來通過異常的能量代謝、氧化應(yīng)激以及介導(dǎo)細(xì)胞死亡加重心力衰竭的進(jìn)程。本研究就心力衰竭發(fā)展過程中線粒體功能的改變及其交互作用做一綜述。

心力衰竭； 線粒體； 能量代謝； 氧化應(yīng)激； 細(xì)胞死亡

心臟是高耗能器官，而心肌細(xì)胞內(nèi)ATP(adenosine triphosphate)的濃度很低且水解速率較高，不能滿足心臟長時間活動所需，因此需要心肌細(xì)胞不斷合成ATP以維持其正常的收縮舒張功能。線粒體是心肌細(xì)胞合成ATP的主要場所，約90%的ATP在線粒體中生成。研究發(fā)現(xiàn)，心肌肥大和心力衰竭階段線粒體結(jié)構(gòu)與功能均出現(xiàn)不同程度的改變，影響心肌細(xì)胞的正常生理活動和病理變化。本文就心力衰竭發(fā)展過程中線粒體功能的改變，包括能量代謝異常、氧化應(yīng)激以及與之相關(guān)的細(xì)胞死亡進(jìn)行綜述。

1 能量代謝異常

心肌細(xì)胞維持正常生理活動所需的能量除少部分來自于胞質(zhì)糖酵解外，大部分由線粒體提供，其中70%的ATP由脂肪酸β氧化產(chǎn)生，其余部分由葡萄糖氧化提供[1]。研究認(rèn)為,心力衰竭階段脂肪酸氧化代謝率降低，心肌細(xì)胞更加依賴于葡萄糖供能[2]。不僅如此，Doenst等[4]對不同時間點心臟的脂肪酸氧化代謝率進(jìn)行測定，證實在心力衰竭發(fā)生前的代償階段脂肪酸氧化代謝率就有所下降，可見線粒體代謝底物的改變并非心力衰竭發(fā)生后的伴隨效應(yīng)。由于β受體拮抗劑和肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyl transferase 1, CPT-1)抑制劑等藥物等能夠通過減少脂肪酸的利用并增強(qiáng)葡萄糖的利用來改善患者的心功能[3-5]，推測這種轉(zhuǎn)為依賴糖類供能的代謝變化可能是心肌細(xì)胞的一種保護(hù)性改變。但葡萄糖的供能并不能代償脂肪酸產(chǎn)能的減少，一方面ATP生成減少，另一方面心肌肥大期間ATP的利用率降低，心肌細(xì)胞供能需求得不到滿足，最終促成了心力衰竭的發(fā)生。

除底物利用的改變外，線粒體氧化磷酸化以及ATP的轉(zhuǎn)移和利用等多個參與能量代謝的環(huán)節(jié)發(fā)生改變，進(jìn)一步影響ATP的產(chǎn)生與利用，加重心力衰竭的發(fā)展。可通過改善線粒體能量代謝，增加其產(chǎn)能及利用以達(dá)到延緩心力衰竭發(fā)展的治療目的。目前已有針對能量代謝治療心力衰竭的藥物，如曲美他嗪、磷酸肌酸等。

2 氧化應(yīng)激

正常生理狀態(tài)下，電子傳遞過程中形成的超氧陰離子可被過氧化氫酶、錳超氧化物歧化酶(manganese-containing superoxide dismutase, MnSOD)等降解清除。當(dāng)心肌細(xì)胞中活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成增多或是抗氧化系統(tǒng)受損時，氧化與抗氧化平衡遭到破壞，心肌出現(xiàn)纖維化、肥厚增生等相應(yīng)的病理變化。

由于ROS難以通過線粒體內(nèi)膜且半衰期極短，限制了其可擴(kuò)散的范圍，作為ROS主要來源的線粒體成為了ROS的主要攻擊目標(biāo)。首先，氧化應(yīng)激易對線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)造成損傷，主要因為： (1) mtDNA毗鄰呼吸鏈；(2) mtDNA缺乏具有保護(hù)作用的組蛋白；(3) mtDNA組排列緊密無內(nèi)含子，任何一點突變都可能影響基因和相關(guān)蛋白的功能。其次，ROS可直接氧化線粒體膜脂質(zhì)，從而誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition Pore, mPTP)開放。mPTP開放后，一方面導(dǎo)致線粒體跨膜電位耗散，影響線粒體能量代謝；另一方面促進(jìn)細(xì)胞色素c(cytochrome c, Cyt c)的釋放及細(xì)胞凋亡的發(fā)生。再次，過多的ROS會對細(xì)胞內(nèi)鈣信號和鈣離子穩(wěn)態(tài)造成影響。心力衰竭時，ROS可降低心肌細(xì)胞內(nèi)鈣的瞬變幅度，增加肌質(zhì)網(wǎng)的鈣釋放并抑制鈣回收，引起心肌細(xì)胞收縮和舒張功能紊亂，最終導(dǎo)致心臟功能失調(diào)。

ROS在心臟由代償轉(zhuǎn)變?yōu)槭Т鷥敔顟B(tài)中的作用目前還不是很明確，部分臨床研究顯示在心力衰竭的預(yù)防和治療中抗氧化劑(維生素E)無明顯效果[6-7]。相反，過表達(dá)以線粒體基質(zhì)為靶標(biāo)的過氧化氫酶能夠阻止血管緊張素II(angiotensin II, Ang II)誘導(dǎo)的心力衰竭的發(fā)生[8]，間接說明ROS參與了心力衰竭的發(fā)生過程。在上述試驗中，過表達(dá)野生型過氧化氫酶并沒有類似的效應(yīng)，說明抗氧化劑的作用范圍對其效果有顯著影響，這為解釋臨床試驗中抗氧化劑治療效果不明顯提供了一種可能性。目前已合成一系列以親脂陽離子三苯膦為載體以及以氨基酸和肽鏈為基礎(chǔ)的線粒體靶向抗氧化劑，有望在心力衰竭的治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]

3 心肌細(xì)胞死亡

3.1 自噬

細(xì)胞通過自噬選擇性地清除受損或不需要的線粒體，這一過程稱為線粒體自噬。正常生理狀態(tài)下線粒體自噬對于維持細(xì)胞內(nèi)線粒體功能的穩(wěn)定性，確保心肌細(xì)胞的正常運作具有重要意義。而在心力衰竭的發(fā)展過程中，自噬的作用仍然存在較大的爭議。研究發(fā)現(xiàn)利用Ang II建立心肥模型后，自噬相關(guān)蛋白Atg5(autophagy-related genes)缺失小鼠，即Atg5(+/-)小鼠體內(nèi)ROS以及炎癥因子的增加顯著高于野生型小鼠，其心肌纖維化及心肌炎癥反應(yīng)也更為明顯[10]。說明線粒體自噬能夠通過清除受損的線粒體阻止其有害效應(yīng)，在一定程度上起到保護(hù)心肌細(xì)胞的作用。而在壓力負(fù)荷誘導(dǎo)的心力衰竭以及缺血再灌注動物模型中，自噬也可通過介導(dǎo)細(xì)胞死亡加重病情發(fā)展[11]。目前普遍認(rèn)為： (1) 正常水平的線粒體自噬對心肌細(xì)胞具有保護(hù)作用，自噬不足或過度均加重心力衰竭的發(fā)展；(2) 自噬在心力衰竭早期是一種保護(hù)性機(jī)制，在晚期則促進(jìn)疾病發(fā)展。

3.2 凋亡

線粒體凋亡通路是指細(xì)胞受到凋亡刺激后線粒體膜通透性發(fā)生改變，引起膜間隙內(nèi)促凋亡分子的釋放，致使細(xì)胞發(fā)生凋亡。

線粒體膜通透性的改變包括mPTP的開放以及Bcl-2(B-cell lymphoma-2)家族引起的線粒體外膜透化作用[12]。影響mPTP通透性的因素有很多，主要包括: (1) 線粒體鈣超載。線粒體內(nèi)游離鈣濃度過高時，通過結(jié)合mPTP上的結(jié)合位點，誘導(dǎo)mPTP開放。(2) 氧化應(yīng)激。氧自由基可損傷線粒體膜脂質(zhì)進(jìn)而引起mPTP的開放，還可通過改變凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)和胞內(nèi)鈣平衡激活細(xì)胞凋亡的信號傳導(dǎo)。(3) Bcl-2家族。Bcl-2家族被認(rèn)為是細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子，分為抗凋亡蛋白如Bcl-2，Bcl-xl和促凋亡蛋白Bax，Bak，Bid，Bad。目前認(rèn)為Bcl-2/Bax的比值決定了細(xì)胞凋亡的發(fā)生與否。Bax能夠與Bcl-2形成異源二聚體抑制其活性，并與電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channels, VDAC)或腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運體(adenine nucleotide translator, ANT)結(jié)合介導(dǎo)mPTP開放。此外，能量代謝異常、缺氧等均對mPTP的開放有影響。線粒體外膜的透化作用不同于mPTP的開放，是指Bax/Bak寡聚體在線粒體外膜形成可供Cyt c通過的孔道，激活凋亡通路。正常情況下Bax/Bak的寡聚化被Bcl-2，Bcl-xl抑制。凋亡發(fā)生時，Bcl-2和Bcl-xl被激活的Bad抑制，同時Bid介導(dǎo)線粒體膜上Bax/Bak發(fā)生寡聚化，促進(jìn)線粒體外膜透化作用及凋亡的發(fā)生。

線粒體外膜透化作用以及mPTP開放導(dǎo)致線粒體膜電位耗散，線粒體腫脹破壞并釋放出位于膜間隙的促凋亡因子Cyt c、凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis-inducing factor, AIF)、Smac(second mitochondria-derived activator of caspase)、核酸內(nèi)切酶(endon-uclease G, Endo G)以及HtrA2/Omi(high tempera-ture requirement A)，引發(fā)半胱天冬酶(caspase)依賴和非caspase依賴的凋亡。Cyt c由線粒體釋放入胞質(zhì)后與凋亡蛋白酶活化因子(apoptosis protease activating factor-1, Apaf-1)、ATP/dATP及caspase-9結(jié)合形成凋亡體，激活下游的caspase-3。與此同時，Smac和HtrA2/Omi通過結(jié)合或降解凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis proteins, IAPs)間接增高caspase的活性激發(fā)凋亡。而從線粒體釋放出的AIF和Endo G可移位至細(xì)胞核，引起核DNA(nuclear DNA, nDNA)片段化及染色體凝聚，激發(fā)不依賴于caspase的凋亡。

凋亡對心力衰竭的影響可能與心肌細(xì)胞持續(xù)缺失，能量代謝不足相關(guān)。現(xiàn)已針對心血管疾病研制了多種caspase-3抑制劑[13]，有望給臨床治療帶來新的突破。Bae[14]等的一項研究發(fā)現(xiàn)，心肌特異性表達(dá)CrmA(cytokine response modifier A,一種caspase抑制劑)的小鼠在注射阿霉素后的6d生存率顯著高于野生型，給藥后12d由于AIF激發(fā)的非caspase依賴的凋亡增加，兩組老鼠的生存率變?yōu)闊o顯著性差異。給予藥物抑制AIF誘導(dǎo)的凋亡后，野生型和CrmA小鼠的心功能均得到改善，生存率增高。說明盡管激發(fā)時間有先后差異，但caspase依賴和非依賴的凋亡均參與了心力衰竭過程，單一使用caspase抑制劑可能不足以改善患者的心功能，還需結(jié)合非caspase依賴的凋亡通路加以考慮。

3.3 焦亡

與凋亡不同，焦亡主要是由caspase-1介導(dǎo)的以質(zhì)膜孔徑形成，核濃縮和細(xì)胞腫脹為特點的細(xì)胞死亡，并伴有大量炎性細(xì)胞因子及炎性內(nèi)容物的釋放。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor, NLRs)能夠識別多種危險信號，組裝炎性體活化caspase-1。caspase-1活化后使質(zhì)膜完整性遭到破壞形成孔徑，造成細(xì)胞的滲透性崩解，同時還能夠?qū)⒓?xì)胞因子前體轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓拇傺仔约?xì)胞因子IL-1β和IL-18(interleukin)，引起局部炎癥反應(yīng)。

焦亡在心血管疾病中的作用日漸受到關(guān)注，Bracey[15]等利用過表達(dá)鈣調(diào)磷酸酶轉(zhuǎn)基因的小鼠(CNTg)建立心肥模型，發(fā)現(xiàn)CNTg小鼠體內(nèi)NLRP3的mRNA、caspase-1前體的活化、以及IL-1β明顯高于對照組，阻斷IL-1β或NLRP3后CNTg小鼠心肌炎癥反應(yīng)明顯減少，心臟收縮能力得到改善。在該試驗中，caspase-1主要通過激活caspase-9和caspase-3介導(dǎo)的凋亡引起心力衰竭，炎性細(xì)胞因子并沒有發(fā)揮作用。Caspase-1在急性心肌梗死、動脈粥樣硬化等心血管疾病中的作用也已得到證實[16-17]，但影響疾病發(fā)展的究竟是caspase-1介導(dǎo)的凋亡還是caspase-1誘導(dǎo)的焦亡伴炎性介質(zhì)釋放還需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

盡管焦亡的發(fā)生并不直接依賴于線粒體，但研究提示ROS可能是NLRP3的刺激信號[18]，且caspase-1與線粒體凋亡通路中caspase-9和 caspase-3的活化相關(guān)，焦亡與線粒體是否具有相互作用及其作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

綜上所述，在心力衰竭的發(fā)展過程中線粒體功能受損，受損的線粒體又能通過異常的能量代謝、氧化應(yīng)激以及介導(dǎo)細(xì)胞死亡反過來加重心力衰竭的進(jìn)程。這些方面并非孤立存在的，它們之間交互作用形成網(wǎng)狀。探究各功能間的相互作用以及線粒體在心功能由代償轉(zhuǎn)變?yōu)槭Т鷥斶^程中的具體作用機(jī)制，對于特異性線粒體靶向防治心力衰竭具有重要意義。

[1] Marin-Garcia J, Goldenthal MJ. Mitochondrial centr-ality in heart failure[J]. Heart Fail Rev, 2008,13(2): 137-150.

[2] Lachance D, Dhahri W, Drolet MC, et al. Endurance training or beta-blockade can partially block the energy metabolism remodeling taking place in experimental chronic left ventricle volume overload[J]. BMC Cardiovasc Disord, 2014,14: 190.

[3] Doenst T, Pytel G, Schrepper A, et al. Decreased rates of substrate oxidation ex vivo predict the onset of heart failure and contractile dysfunction in rats with pressure overload[J]. Cardiovasc Res, 2010,86(3): 461-470.

[4] Loiacono F, Alberti L, Lauretta L, et al. Metabolic therapy for heart failure[J]. Recenti Prog Med, 2014,105(7): 288-294.

[5] 謝赟,蔣金法.美托洛爾緩釋片治療左室射血分?jǐn)?shù)保留的心力衰竭的療效觀察[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報: 醫(yī)學(xué)版,2012,33(4): 78-82.

[6] Cocheme HM, Murphy MP. Can antioxidants be effective therapeutics?[J]. Curr Opin Investig Drugs, 2010,11(4): 426-431.

[7] Chae CU, Albert CM, Moorthy MV, et al. Vitamin e supplementation and the risk of heart failure in women[J]. Circ Heart Fail, 2012,5(2): 176-182.

[8] Dai DF, Johnson SC, Villarin JJ, et al. Mitochondrial oxidative stress mediates angiotensin II-Induced cardiac hypertrophy and galphaq overexpression induced heart failure[J]. Circulation Research, 2011,108(7): 837-846.

[9] Ajith TA, Jayakumar TG. Mitochondria-targeted agents: future perspectives of mitochondrial pharmac-eutics in cardiovascular diseases[J]. World J Cardiol, 2014,6(10): 1091-1099.

[10] Zhao W, Li Y, Jia L, et al. Atg5 deficiency-mediated mitophagy aggravates cardiac inflammation and injury in response to angiotensin II[J]. Free Radic Biol Med, 2014,69: 108-115.

[11] Ma H, Guo R, Yu L, et al.Aldehyde dehydrogenase 2(ALDH2) rescues myocardial ischaemia/reperfusion injury: role of autophagy paradox and toxic aldehyde[J]. Eur Heart J, 2011,32(8): 1025-1038.

[12] Westphal D, Dewson G, Czabotar PE, et al. Molecular biology of bax and bak activation and action[J]. Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-Molecular Cell Research, 2011,1813(4): 521-531.

[13] Yang B, Ye D, Wang Y. Caspase-3 as a therapeutic target for heart failure[J]. Expert Opin Ther Targets, 2013,17(3): 255-263.

[14] Bae S, Siu PM, Choudhury S, et al. Delayed activation of caspase-independent apoptosis during heart failure in transgenic mice overexpressing caspase inhibitor CrmA[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2010,299(5): 1374-1381.

[15] Bracey NA, Beck PL, Muruve DA, et al. The Nlrp3 inflammasome promotes myocardial dysfunction in structural cardiomyopathy through interleukin-1beta[J]. Exp Physiol, 2013,98(2): 462-472.

[16] Mezzaroma E, Toldo S, Farkas D, et al. The inflammasome promotes adverse cardiac remodeling following acute myocardial infarction in the mouse[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011,108(49): 19725-19730.

[17] Chang W, Lin J, Dong J, et al. Pyroptosis: an inflammatory cell death implicates in atherosclerosis[J]. Med Hypotheses, 2013,81(3): 484-486.

[18] Kim HY, Kim SJ, Lee SM. Activation of NLRP3 and AIM2 inflammasomes in kupffer cells in hepatic ischemia/reperfusion[J]. FEBS J, 2015,282(2): 259-270.

Mitochondria in development of heart failure: a literature review

YUSi-yun,ZHANGLi-juan，LIJue

(Dept. of Preventive Medicine, School of Medicine, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Mitochondria are a main energy source of myocardial cells, and closely related to cardiac function. Alterations of mitochondrial function, involved both in compensated and decompensated myocardial hypertrophy, may conversely aggravate the progression of heart failure through impaired energy metabolism, oxidative stress and cell death. This review illustrates the metabolic changes of heart failure and interaction of mitochondria with the disease progress.

heart failure; mitochondria; energy metabolism; oxidative stress; cell death

10.16118/j.1008-0392.2015.03.032

2014-04-27

國家自然科學(xué)基金青年基金(81001252)；國家自然科學(xué)基金(81170325)

余思韻(1990—)，女，碩士.E-mail: yusiyun309@163.com

李 覺.E-mail: jueli@#edu.cn

R 541.6

A

1008-0392(2015)03-0145-04