線粒體ROS與抗氧化劑在神經(jīng)相關(guān)疾病中的應(yīng)用

張鵬 王天兵,—2

線粒體是一種普遍存在于除哺乳動物成熟紅細胞以外的所有真核細胞中的由兩層膜包被的細胞器，是細胞進行生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所。大多數(shù)細胞的ATP是通過氧化磷酸化在線粒體中產(chǎn)生的［1］，線粒體提供了細胞生命活動所需的80%的能量，因此線粒體又被稱為“power house”。此外，除了為細胞提供能量，線粒體還參與如信號轉(zhuǎn)導、細胞分化、細胞凋亡，以及細胞生長和細胞周期的調(diào)控［2］。線粒體功能障礙與許多種人類疾病有關(guān)，包括線粒體疾病、心功能不全和心力衰竭等［3-5］。周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)纖維出現(xiàn)炎癥反應(yīng)、組織腫脹等變化，在這些損傷變化中也伴隨線粒體的損傷［6］。線粒體是細胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要部位。生理情況下，細胞內(nèi)低水平的ROS可作為細胞內(nèi)信號分子，對細胞的正常生理功能進行調(diào)節(jié)；但在組織損傷時，線粒體內(nèi)ROS快速大量產(chǎn)生，ROS的大量出現(xiàn)對線粒體本身也是一種損傷?？寡趸瘎┛梢宰柚筊OS引起的損害，通過降低線粒體的氧化損傷來達到改善損傷狀態(tài)的目的［7］。因此，關(guān)于抗氧化劑的研究也越來越受到關(guān)注。常規(guī)抗氧化劑的效果常常不理想或?qū)е缕渌弊饔茫?］，可能是由于其未能特異性抑制線粒體內(nèi)過量產(chǎn)生的ROS，為了解決這個問題，很多的研究把重點放到了線粒體靶向的抗氧化劑上面，以期待解決線粒體損傷導致的疾病等問題。

一、內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生

ROS在化學本質(zhì)上是含氧的反應(yīng)性化學物質(zhì)，例如，過氧化物、超氧化物、羥自由基、單線態(tài)氧等［9］。在生物活動中，ROS是氧正常代謝的副產(chǎn)物，在細胞信號轉(zhuǎn)導和穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。然而，在某些損傷因素存在的情況下，ROS水平急劇增加［10］。這對細胞結(jié)構(gòu)造成重大傷害，被稱為氧化應(yīng)激。分子氧被還原產(chǎn)生超氧陰離子，而超氧陰離子是大多數(shù)ROS的前身和氧化反應(yīng)過程中的介質(zhì)，超氧化物自發(fā)的歧化作用或通過超氧化物歧化酶催化產(chǎn)生過氧化氫，部分過氧化氫可還原為羥自由基或者全部還原為水［11］。

ROS通過多種機制在細胞內(nèi)產(chǎn)生，不同類型ROS的產(chǎn)生取決于不同類型的組織細胞。ROS主要來源于細胞膜、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的NADPH氧化酶復(fù)合物（有7個不同的亞型）［12-13］。線粒體把能量轉(zhuǎn)化為細胞可以利用的形式（ATP）。產(chǎn)生ATP的過程叫做氧化磷酸化。在正常情況下，氧氣被還原生成水，但是有0.1%～2.0%的電子在通過轉(zhuǎn)運鏈的時候（該數(shù)據(jù)來自被分離出的線粒體，在活體組織上的比例尚未達成共識），氧氣被過早地且不完全地還原成超氧陰離子（一般認為是NADPH氧化酶復(fù)合物I和III）［7］（圖1）。超氧化物不僅僅發(fā)生自身反應(yīng)，而且可以抑制特殊的酶或者在其羥自由基形式時進行脂質(zhì)的過氧化反應(yīng)。羥自由基的pKa為4.8，因此在正常生理狀態(tài)的pH值下，大多數(shù)的ROS以超氧陰離子的形式存在。

圖1 ROS生成示意圖

二、ROS的損傷作用與疾病

ROS對許多物種的細胞代謝都有影響，不僅包括在細胞凋亡中的作用，還包括一些積極的作用，例如宿主防御基因的誘導和離子轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的動員［8,14］。這表明ROS對細胞功能的調(diào)控起到一定的作用。例如，血小板參與傷口修復(fù)，血液系統(tǒng)釋放ROS來招募更多的血小板到損傷部位。ROS也可以通過招募白細胞來調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。在細胞活動中ROS與多種炎癥反應(yīng)有關(guān)，包括心血管疾病、高音量導致的耳蝸損傷。對于人和動物來說，藥物的耳毒性（如順鉑）和先天性耳聾也可能與ROS的作用有關(guān)。ROS還與細胞凋亡和缺血性損傷有關(guān)，例如卒中和心肌梗死。一般來講，ROS對于細胞的損傷作用更為常見：DNA或RNA的損傷，脂質(zhì)過氧化，氨基酸的氧化，輔助因子的氧化導致特定酶的氧化失活［15］。

三、ROS與神經(jīng)病變

線粒體DNA編碼氧化磷酸化相關(guān)的基因。受損傷的線粒體DNA與許多神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。真正的線粒體疾病患者通常都有神經(jīng)損傷。許多病理性損傷可導致線粒體DNA的損傷，但是線粒體ROS產(chǎn)生的氧化損傷更為常見。ROS可以引起細胞損傷，ROS的升高與神經(jīng)退行性疾病的氧化損傷具有相關(guān)性。一些細胞培養(yǎng)研究表明，一些線粒體DNA突變與較高水平的ROS相關(guān)，而另一些研究結(jié)果則不同［16-17］。在老年人或神經(jīng)退行性疾病患者的大腦尸檢報告中可以看到，線粒體DNA損傷的程度較低，然而這些低水平的線粒體DNA突變程度與ROS的升高沒有直接關(guān)系［18］。目前有一些線粒體DNA損傷影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小鼠動物模型，這將有助于更好的了解線粒體DNA損傷、ROS與神經(jīng)退行性病變之間的關(guān)系。大腦與其他大多數(shù)器官一樣，對氧化損傷的反應(yīng)并不一致［19］。雖然有許多神經(jīng)元亞型能夠處理氧化應(yīng)激的升高，但是有一些神經(jīng)元非常容易受到升高的ROS的損害［20］。金屬含量較高的神經(jīng)元和接受多巴胺代謝的神經(jīng)元更容易受到ROS誘導的損傷［21］。由于L型鈣離子通道的參與，多巴胺能神經(jīng)元的特異性氧化應(yīng)激導致輕度的線粒體解偶聯(lián)，引起線粒體功能障礙［22］。

帕金森病是非常常見的神經(jīng)退行性疾病，60歲以上的人群發(fā)病比例可達1%［23］。人類 α-突觸核蛋白的A53T錯義突變與家族性帕金森病相關(guān)，并且可以損傷多巴胺的存儲，引起細胞內(nèi)的多巴胺增多，與鐵相互作用，產(chǎn)生ROS［24-25］。雖然帕金森病的病因尚不明確，但是有的研究提出線粒體和復(fù)合物I的功能障礙是一個影響因素［26］。在帕金森患者的不同組織中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了復(fù)合物I的缺陷［27］。在老年患者和帕金森患者的黑質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了較高水平的線粒體DNA缺失。這些較高水平的線粒體DNA缺失與單個神經(jīng)元的細胞色素C氧化酶缺乏有關(guān)［28-29］。這些研究已經(jīng)在動物模型上證實［30-32］。據(jù)報道，帕金森病患者線粒體DNA的水平也有所下降［33］。

在其他年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病中，疾病的進展與ROS的升高、線粒體功能障礙均有相關(guān)性。然而，線粒體DNA受損或突變與疾病的發(fā)病機制并沒有相關(guān)性。阿爾茨海默病是最常見的晚發(fā)性進行性的神經(jīng)退行性疾病，細胞色素C氧化酶的缺乏與疾病的進展有關(guān)［18］。β-淀粉樣蛋白碎片形成細胞毒性斑塊，這種斑塊在大腦皮層和海馬區(qū)更常見［34-35］。β-淀粉樣蛋白碎片對線粒體功能產(chǎn)生負面影響，這表明線粒體功能障礙是β-淀粉樣蛋白毒性作用的結(jié)果［36-38］?！鞍柎暮Ｄ〉木€粒體級聯(lián)假說”認為，構(gòu)成呼吸鏈的蛋白基因決定了內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生，產(chǎn)生的ROS決定了氧化損傷的嚴重程度。有研究進一步表明，線粒體DNA的損傷反過來使ATP水平降低，增加氧化應(yīng)激，隨著線粒體DNA的氧化損傷的累積，β-淀粉樣蛋白的毒性也隨之增強，最終導致神經(jīng)退行性病變［39］。

在周圍神經(jīng)損傷的模型中，也有相關(guān)研究表明線粒體的生物生成發(fā)生了改變。黃偉等通過建立大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型，進行了損傷坐骨神經(jīng)的近端和相應(yīng)節(jié)段脊髓前角的線粒體生物生成的檢測和電鏡觀察。結(jié)果表明，坐骨神經(jīng)損傷后3～28 d，近端坐骨神經(jīng)線粒體的生物生成明顯增加，ATP含量增加，電鏡下可見神經(jīng)纖維內(nèi)的線粒體數(shù)目增加；脊髓前角中的線粒體生物生成和ATP含量均出現(xiàn)下降，電鏡顯示線粒體腫脹、變性［6］。但是周圍神經(jīng)損傷后線粒體功能的變化是否和ROS的生成有關(guān)，ROS水平的改變是否對神經(jīng)的修復(fù)產(chǎn)生影響，該研究并沒有涉及。所以周圍神經(jīng)損傷與線粒體的氧化損傷之間的關(guān)系還需要進一步研究。

四、抗氧化劑

抗氧化劑是一種抑制其他分子氧化的物質(zhì)。氧化是一種化學反應(yīng)，它可以產(chǎn)生自由基，導致鏈式反應(yīng)，損傷細胞?？寡趸瘎?，例如硫醇類、抗壞血酸等，可以終止這些鏈式反應(yīng)。為了平衡氧化狀態(tài)，植物和動物都存在復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)，例如谷胱甘肽、抗氧化酶和維生素類等，這些都可以在體內(nèi)產(chǎn)生或從外界攝取。盡管已經(jīng)有很多研究表明，從膳食中攝取抗氧化劑對神經(jīng)退行性疾?。ɡ缗两鹕　柎暮Ｄ〉龋┑挠幸欢ǖ淖饔?，但是這些結(jié)論仍然存在一定爭議［40-41］。

（一）常規(guī)抗氧化劑

替拉扎特是一種類固醇衍生物抗氧化劑，可以抑制脂質(zhì)的過氧化，這種過氧化損傷在卒中和頭外傷引起的神經(jīng)元死亡過程中起到非常重要的作用。在動物卒中模型中替拉扎特有一定的作用［42］，但是在臨床的試驗中對于蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的病死率等并沒有影響［43］，甚至還加重了缺血性卒中的病情［44］。同樣，NXY-059抗氧化劑在動物模型中有效，但在臨床試驗中未能改善卒中的病情［45］?？寡趸瘎╇m被廣泛應(yīng)用于治療癌癥的病情，但抗氧化劑也可能干擾癌癥的治療［46］，因為癌細胞的生長環(huán)境產(chǎn)生了較強的氧化應(yīng)激，治療容易引起這些細胞進一步氧化應(yīng)激反應(yīng)。結(jié)果，減少癌細胞的氧化還原應(yīng)激可能降低放療和化療的效果［47-49］。

（二）線粒體靶向的抗氧化劑

常規(guī)的抗氧化劑通常達不到滿意的效果，可能是因為抗氧化劑很難進入到線粒體內(nèi)部，無法到達ROS產(chǎn)生的主要部位和其他氧化應(yīng)激的部位。線粒體內(nèi)膜富含心磷脂，具有高度的不通透性。為了克服這些問題，線粒體靶向抗氧化劑已經(jīng)研制出來，可以穿透線粒體內(nèi)膜進入到線粒體內(nèi)部。線粒體靶向抗氧化劑通常是三苯基陽離子與抗氧化成分（例如輔酶Q10、質(zhì)體醌）的嵌合分子［50-51］。線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子驅(qū)動力維持著較大的線粒體膜電位，親脂陽離子的正電荷驅(qū)使這些具有陽離子的抗氧化劑進入線粒體。攝取到線粒體基質(zhì)的藥物濃度可以達到細胞質(zhì)藥物濃度的10 000倍［52］。除了三苯基外，羅丹明-123也是適合與線粒體嵌合的親脂陽離子。但是親脂陽離子有一定的缺陷，由于電荷聚集到基質(zhì)中導致線粒體膜去極化，在＞10 μM濃度時，親脂陽離子即可產(chǎn)生毒性作用［53］。近些年，出現(xiàn)了具有特殊理化性質(zhì)的短肽序列，它可以把化合物輸送至線粒體內(nèi)［54］。Szeto-Schiller肽（簡稱SS肽）具有明顯的抗氧化性，它可以清除ROS，抑制亞油酸氧化［55-56］。SS肽由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和一個交替的芳香結(jié)構(gòu)組成。由于具有芳香陽離子氨基酸序列，SS肽可以自由穿過線粒體內(nèi)膜。SS肽結(jié)構(gòu)中的酪氨酸和二甲基酪氨酸可能與清除ROS的能力有關(guān)［57］，而二甲基酪氨酸對于ROS的抑制和清除作用更強。SS肽對于μ阿片類受體具有高度親和性與選擇性（與酪氨酸N端有關(guān)），可導致便秘、呼吸抑制、藥物耐受性及依賴性等副反應(yīng)。隨著SS肽系列的藥物的不斷研發(fā)，它的有效性得到了很大的改善，副作用越來越少，目前在心臟、腎臟、腦神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、眼部和衰老相關(guān)的疾病方面有很多關(guān)于SS肽應(yīng)用的研究。

五、結(jié)語

綜上所述，線粒體損傷和ROS的產(chǎn)生對神經(jīng)病變具有一定的影響，周圍神經(jīng)損傷也會引起氧化應(yīng)激反應(yīng)。神經(jīng)系統(tǒng)含有復(fù)雜的抗氧化酶的系統(tǒng)，可以防止細胞內(nèi)的DNA、蛋白和脂質(zhì)等受到氧化損傷。在一般情況下，抗氧化系統(tǒng)可以抑制ROS的生成或者在細胞的重要成分受到損傷之前清除ROS。但是ROS也具有一些重要的細胞功能，例如氧化還原信號的傳遞功能等。因此，抗氧化劑的功能不是完全的清除ROS，而是使ROS保持在一個穩(wěn)定水平，可以使線粒體處于最佳的狀態(tài)，改善細胞功能，在此基礎(chǔ)上進一步探索促進神經(jīng)恢復(fù)和機體功能康復(fù)的方法。