線粒體對創(chuàng)面修復(fù)的作用研究

陳麗 吉琳 劉沐琳

[摘要]線粒體作為能量的提供者，是目前研究的熱門話題。在創(chuàng)面修復(fù)過程中，從線粒體角度去解決實際問題，為臨床治療創(chuàng)傷提供一個新的思路。線粒體作為細胞有氧代謝的重要部位，在創(chuàng)面修復(fù)早期，其損傷會影響炎癥反應(yīng)，在后期線粒體能促進新生毛細血管的生成以及多潛能干細胞分化，同時提供能量。本文在線粒體結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，對線粒體在創(chuàng)面修復(fù)的炎癥期、增殖期及塑形期的作用作一綜述。

[關(guān)鍵詞]線粒體；結(jié)構(gòu)功能；創(chuàng)面修復(fù)；炎癥反應(yīng)；能量

[中圖分類號]R641 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]1008-6455（2018）11-0166-03

Abstract： Mitochondria， as an energy provider， is a hot topic in current research. In the process of wound repair， the practical problems are solved from the point of view of mitochondria， which provides a new direction for clinical treatment of trauma. Mitochondria， as an important part of cell aerobic metabolism， may affect inflammatory response in the early stage of wound repair. At the later stage， mitochondria can promote the formation of new capillaries and differentiation of multipotential stem cells， and provide energy at the same time. Based on the structure and function of mitochondria， this paper reviews the role of mitochondria in the inflammatory stage， proliferative stage and shaping stage of wound repair.

Key words： mitochondria； structure and function； wound repair； inflammatory reaction； energy

隨著臨床疾病多樣性的發(fā)展和人口老齡化速度的加快，各種創(chuàng)面問題逐漸增多[1]，無疑給家庭和社會增加了一定的經(jīng)濟負擔(dān)。目前，創(chuàng)面修復(fù)傳統(tǒng)的治療方法包括創(chuàng)面清潔換藥、抗生素局部或全身應(yīng)用、各種物理療法、植皮或皮瓣移植修復(fù)等，但療效均欠佳[2]，仍需要去發(fā)現(xiàn)與開拓新的治療作用靶點。線粒體作為機體的“能量工廠”，在機體生命活動過程中起著重要的作用，創(chuàng)面修復(fù)過程中的損傷會引發(fā)線粒體結(jié)構(gòu)與功能的改變，同時線粒體通過調(diào)節(jié)自身功能也會促進創(chuàng)面修復(fù)，現(xiàn)將線粒體在創(chuàng)面修復(fù)中的作用與研究進展綜述如下。

1 線粒體結(jié)構(gòu)

線粒體是真核細胞細胞漿內(nèi)的重要細胞器之一，在電鏡下，線粒體呈長橢圓形，具有一層高度折疊的內(nèi)膜和一層相對簡單的外膜，其中，內(nèi)膜向內(nèi)突出成嵴。外膜與內(nèi)膜間的空腔稱為外室，由內(nèi)膜圍成的腔稱為內(nèi)室或線粒體基質(zhì)，內(nèi)室包含線粒體DNA和氧化呼吸鏈的各元件[3]—四個大型復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ以及介于Ⅰ/Ⅱ與Ⅲ之間的泛醌 UQ 和介于Ⅲ與Ⅳ之間的細胞色素C（cytochromeC， Cyt C），內(nèi)膜折疊形成的線粒體嵴， 內(nèi)含氧化磷酸化酶復(fù)合體（OXPHOS）和電子呼吸鏈[4-5]，其中外膜具有通透性，含有孔蛋白，如線粒體融合蛋白2（Mfn2）[6]，便于胞漿和內(nèi)膜之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運。

2 線粒體功能

線粒體在真核生物體內(nèi)是進行氧化代謝的部位，以及糖類、脂肪和氨基酸氧化釋放能量的場所。線粒體通過細胞質(zhì)基質(zhì)中完成的糖酵解和在線粒體基質(zhì)中完成的三羧酸循環(huán)產(chǎn)生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinarnide adenine dinucleotide，NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenosine dinucleotide，F(xiàn)ADH2）等高能分子，繼而通過氧化磷酸化這一步驟利用這些高能分子還原氧氣釋放能量，最終合成ATP。組成線粒體的結(jié)構(gòu)除了參與合成ATP的過程，為生物細胞提供的能量外，還分別承擔(dān)著很多重要的生理功能。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)線粒體外膜上的跨膜蛋白融合蛋白2（Mfn2）在細胞增殖、凋亡和自噬方面起重要調(diào)節(jié)作用[6]，而線粒體內(nèi)膜上的一種蛋白復(fù)合體線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）在細胞凋亡或壞死中也具有重要作用[7]，線粒體嵴則通過其上的線粒體基粒中存在的ATP合酶合成ATP，同時其重構(gòu)可調(diào)控其內(nèi)部多種蛋白如線粒體超復(fù)合物蛋白的組裝[8]，線粒體這些結(jié)構(gòu)的功能證實了線粒體與細胞生命息息相關(guān)，并在機體皮膚損傷后的修復(fù)中發(fā)揮著重要作用[9]。近年來，對線粒體的大量研究還發(fā)現(xiàn)了其特有的生理功能。線粒體的氧化磷酸化過程會產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS會引起細胞損傷和細胞生理功能障礙，其慢性釋放及其氧化損傷與許多疾病的發(fā)病相關(guān)[10]，并在上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中具有重要的調(diào)控作用從而影響到表皮修復(fù)[11]，因此，調(diào)節(jié)線粒體結(jié)構(gòu)功能可影響機體炎癥的發(fā)生發(fā)展進程[12]，提示大家線粒體功能與創(chuàng)面修復(fù)高度相關(guān)。還有研究表明，線粒體在誘導(dǎo)和維持多潛能干細胞多能性、細胞分化和重編等方面發(fā)揮了重要作用[13]，因此考慮線粒體此功能與創(chuàng)面修復(fù)中體細胞的分化遷移增殖相關(guān)。

3 線粒體對創(chuàng)傷炎癥反應(yīng)的影響

創(chuàng)傷傷口局部的早期變化中有不同程度的組織壞死和血管斷裂出血，數(shù)小時之內(nèi)便會出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，表現(xiàn)為充血、漿液滲出及白細胞游出，出現(xiàn)局部紅腫[14]。其中游出的白細胞早期以中性粒細胞為主，3d后以巨噬細胞為主[15]。大量證據(jù)表明，線粒體在機體炎癥的發(fā)生和發(fā)展過程中起重要作用[16]。正常情況下線粒體是動態(tài)變化的細胞器，其數(shù)目、結(jié)構(gòu)和功能受到多種機制調(diào)控。該平衡被破壞會導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)的改變，從而引發(fā)其功能的改變[17]。創(chuàng)傷炎癥是機體對異體物質(zhì)入侵的一種基本的生物學(xué)反應(yīng)，可以促進損傷細胞和組織的修復(fù)，并阻止其進一步損傷。在炎癥反應(yīng)過程中，血漿和細胞可以產(chǎn)生多種炎癥介質(zhì)和炎性細胞因子，這些介質(zhì)和因子的釋放不僅可以影響線粒體的各種功能，還會改變線粒體的融合、分裂運動[18]。線粒體通過氧化呼吸鏈產(chǎn)生的ROS，是由一分子O2接受一個電子形成超氧陰離子自由基，這些自由基又可以通過酶或者金屬的裂解作用形成其它種類的自由基[19-20]。在生理條件下只有1%～3%的氧分子可以在線粒體的氧化還原過程中轉(zhuǎn)化為ROS，這些自由基可被體內(nèi)的抗自由基反應(yīng)體系清除。但當(dāng)線粒體受損或者功能失調(diào)時，ROS的產(chǎn)生-消除平衡就會被打破，同時，線粒體的融合蛋白也對ROS的生成具有一定的促進作用，最終導(dǎo)致創(chuàng)傷處大量的ROS聚集[21]。炎癥過程中線粒體既是ROS的重要來源，又是其損傷靶點，兩者交互作用，形成惡性循環(huán)，共同調(diào)控機體炎癥反應(yīng)[22]。近來研究發(fā)現(xiàn)，線粒體代謝、穩(wěn)態(tài)改變、自噬、凋亡等都與NLRP3炎性體的激活相關(guān)。NLRP3在刺激物作用下聚集組裝并最終形成具有活性的炎性體，參與包括炎癥反應(yīng)在內(nèi)的多種反應(yīng)[23]。線粒體復(fù)合物I抑制劑魚藤酮能增加mt ROS的產(chǎn)生而促進NLRP3炎性體的激活，而ROS抑制劑清除ROS會導(dǎo)致炎性體活性抑制，均顯示mt ROS在NLRP3炎性體激活中起作用[24-25]。Zhou等[26]發(fā)現(xiàn)ROS的產(chǎn)生和NLRP3炎性復(fù)合體激活之間的聯(lián)系，但一些研究卻發(fā)現(xiàn)[27]僅mt ROS并不足以促發(fā)NLRP3激活，這很可能還與胞內(nèi)微環(huán)境復(fù)雜變化相關(guān)。線粒體DNA（mt DNA）是一種新發(fā)現(xiàn)的內(nèi)源性致炎因子：機體發(fā)生創(chuàng)傷后釋放入血，能引起典型的全身炎癥反應(yīng)[28-29]。致炎因子刺激作用下，釋放的ROS和炎癥介質(zhì)可誘導(dǎo)線粒體結(jié)構(gòu)功能損傷以及自身代償性修復(fù)。糖酵解增強、VDAC活化、mtROS和mtDNA釋放能夠促進機體炎癥信號轉(zhuǎn)錄和NLRP3炎癥小體的直接激活。而線粒體自噬、分裂融合等過程可清除損傷的線粒體，促進健康線粒體增殖等過程，從而改善線粒體穩(wěn)態(tài)和功能，發(fā)揮抗炎效應(yīng)。當(dāng)創(chuàng)面細胞過度損傷時，線粒體遭到嚴重破壞，炎癥反應(yīng)就會加重，使創(chuàng)面愈合延遲，因此，我們認為線粒體在機體創(chuàng)傷炎癥中發(fā)揮核心作用，改善線粒體功能對于創(chuàng)面炎癥過度的治療具有重要意義。

4 線粒體對創(chuàng)傷愈合增殖期的影響

增殖期開始于創(chuàng)面形成后的2～24d，主要包括上皮再生和肉芽組織形成兩個階段，其中肉芽組織形成是創(chuàng)面修復(fù)的關(guān)鍵[30]。研究表明，新生毛細血管量與肉芽組織的生長速度呈正相關(guān)，與創(chuàng)面愈合時間呈負相關(guān)，與其能有效改善創(chuàng)面微循環(huán)，提供足量的氧氣與營養(yǎng)，促進肉芽形成，修復(fù)創(chuàng)面缺損，清除壞死組織等有關(guān)[31]。另有研究發(fā)現(xiàn)，NO能夠誘導(dǎo)成纖維細胞、內(nèi)皮細胞等增殖，重建基質(zhì)結(jié)構(gòu)和促進血管生成，且其代謝平衡與一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）有關(guān)，而線粒體內(nèi)儲存的Ca2+能上調(diào)NOS的活性，促進血管新生，加速組織重塑[32]。新生毛細血管網(wǎng)形成前，創(chuàng)面微環(huán)境處于缺血缺氧狀態(tài)而能量供給不足難以修復(fù)，當(dāng)血管網(wǎng)初步形成后，線粒體通過氧化磷酸化三大營養(yǎng)物質(zhì)為ATP提供大量能量，進一步為血管再生提供物質(zhì)基礎(chǔ)，同時生長因子的釋放如血管內(nèi)皮細胞生長因子（VFGF）、堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）和血小板衍生生長因子（PDGF）等也能有效刺激血管內(nèi)皮分裂，誘發(fā)血管再生，加速肉芽形成，激化壞死組織，保護創(chuàng)面，促進創(chuàng)面修復(fù)[33-34]。

5 線粒體對創(chuàng)傷愈合塑形期的影響

創(chuàng)面修復(fù)的最后一個時期為塑形期，這一過程主要包括以下兩個方面：上皮細胞持續(xù)分裂促進表皮層增厚以及膠原纖維重排和血管重分布促進肉芽組織內(nèi)部轉(zhuǎn)型，這個過程相對來說持續(xù)時間較長，往往超過一年[35]。在創(chuàng)傷愈合過程中，創(chuàng)面底部的皮膚干細胞由靜止期開始大量增殖并向創(chuàng)面遷移，遷移的干細胞以不對稱分裂的方式增殖為大量短暫擴增細胞，短暫擴增細胞進一步分裂分化為成纖維細胞和血管內(nèi)皮細胞等[36]。近年來研究表明，在多潛能干細胞中線粒體融合分裂的動態(tài)平衡在調(diào)控干細胞的多能性及生存方面發(fā)揮出獨有的作用，即在多能性狀態(tài)下，多潛能干細胞主要依靠糖酵解提供能量，產(chǎn)能效率低；在其分化期間主要通過氧化磷酸化為基礎(chǔ)的有氧代謝提供能量，而線粒體氧化磷酸化代謝能力在多潛能干細胞分化期間逐漸增強。因此，皮膚干細胞在增殖塑形期迅速進一步分裂分化促進創(chuàng)面修復(fù)[37]。成纖維細胞是創(chuàng)傷愈合后期中發(fā)揮重要作用的細胞，由胚胎時期的間充質(zhì)細胞分化而來，在不同的時期有著不同的功能活動狀態(tài)，主要負責(zé)合成和分泌膠原蛋白，纖維蛋白等物質(zhì)，促進創(chuàng)面肉芽組織的生成和創(chuàng)面修復(fù)[38]。研究發(fā)現(xiàn)線粒體膜電位能一定程度上反映人皮膚成纖維細胞狀態(tài)[39]，當(dāng)線粒體發(fā)生功能障礙時，線粒體膜電位發(fā)生去極化，成纖維細胞中ATP水平顯著增高，導(dǎo)致成纖維細胞功能過度活躍，產(chǎn)生過量的膠原纖維等纖維蛋白，從而引起創(chuàng)面瘢痕異常增生，影響創(chuàng)面修復(fù)[40]。

6 展望

創(chuàng)傷對機體皮膚、結(jié)締組織及肌肉組織等造成損傷時，細胞中的線粒體也會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和功能障礙。在創(chuàng)傷愈合的過程中，炎癥期、增殖期和塑形期又是重要的階段，線粒體損傷在炎癥階段產(chǎn)生過多ROS，以及一些炎癥激活體，減慢傷口愈合，又在創(chuàng)傷愈合期促進新生毛細血管的生成，提供細胞生長所需的ATP，愈合后期激發(fā)多潛能干細胞促進傷口愈合。因而這三個時期中線粒體的損傷和修復(fù)更能影響機體病情的轉(zhuǎn)歸。以線粒體作為靶點，了解創(chuàng)傷后線粒體自身的變化和對機體的作用及其機制，從線粒體的角度，為尋找加快創(chuàng)傷愈合速度和提高創(chuàng)傷愈合質(zhì)量提供新的思路和突破，為臨床治療創(chuàng)傷提供一個新方向。但是不同創(chuàng)傷類型和機體基本情況與線粒體的相互作用必須具體分析[32]，因此，盡管線粒體在創(chuàng)傷愈合的過程中處于核心地位，但如何發(fā)揮其在不同情況下潛在的促愈功能成為當(dāng)下的研究重點。

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[收稿日期]2018-05-28 [修回日期]2018-07-01

編輯/李陽利