線粒體功能障礙與腦缺血的研究進(jìn)展

腦缺血再灌注損傷是一個(gè)復(fù)雜的病理生理過程，包括諸多環(huán)節(jié)，如能量障礙、細(xì)胞酸中毒、興奮性氨基酸釋放增加、細(xì)胞內(nèi)鈣失穩(wěn)態(tài)、自由基生成、凋亡基因激活等的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，這些環(huán)節(jié)互為因果，彼此重疊，并相互聯(lián)系，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死。線粒體是一個(gè)結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜而敏感的重要細(xì)胞器，是細(xì)胞的發(fā)電機(jī)，在能量代謝、電子傳遞鏈和氧化磷酸化中起著至關(guān)重要的作用，線粒體膜電位有助于維持線粒體內(nèi)膜和外膜的質(zhì)子梯度、高能磷酸鹽(ATP)的產(chǎn)生。線粒體在細(xì)胞存活中具有這些基本和關(guān)鍵的作用，線粒體功能障礙導(dǎo)致細(xì)胞受損。線粒體功能障礙后膜電位喪失，從而影響ATP的產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷[1-3]，激活各種促凋亡和凋亡因子，進(jìn)一步導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA的破壞。近年來，線粒體功能障礙已成為腦缺血治療研究的熱點(diǎn)。線粒體的功能障礙主要表現(xiàn)為線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡?，F(xiàn)對(duì)線粒體功能障礙與線粒體自噬在腦缺血中的作用機(jī)制做一綜述。

1 線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔

線粒體膜通透性變化在細(xì)胞凋亡或壞死中具有重要作用，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondria permeability transition pore，MPTP)可影響線粒體膜通透性變化。線粒體膜通透性是由位于線粒體內(nèi)膜中的電壓依賴性高電導(dǎo)通道介導(dǎo)的高度復(fù)雜的機(jī)制。腦缺血后一系列病理生理變化促進(jìn)這個(gè)電壓依賴性通道的開放，最終導(dǎo)致線粒體膜通透性的轉(zhuǎn)變，即通透性轉(zhuǎn)換孔(permeability transition pore，PTP)。脂質(zhì)微環(huán)境的改變與Bcl-2的失活也在PTP之前[4]。腦缺血再灌注期間pH值增加，導(dǎo)致MPTP形成。MPTP的形成導(dǎo)致了水的流入增加，進(jìn)而線粒體腫脹，線粒體膜功能障礙[5]。PTP是由位于線粒體內(nèi)外膜及基質(zhì)中的多種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體，主要由位于線粒體內(nèi)膜的腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)位酶(adenine nucleotide translocase，ANT)、位于線粒體外膜的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)和位于基質(zhì)的親環(huán)蛋白D(cyclophilin D，Cyp D)組成，基質(zhì)中的 Bcl-2 蛋白家族、己糖激酶、磷酸鹽載體、外周苯并二嗪受體、肌酸激酶等對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。ANT 主要催化胞質(zhì)中的 ADP 與線粒體中的 ATP進(jìn)行交換。VDAC的生理功能為控制ATP、 ADP和其他一些代謝物質(zhì)穿過線粒體外膜， Cyp D調(diào)節(jié) PTP對(duì)Ca2 +的敏感性， 這些蛋白的構(gòu)象改變導(dǎo)致PTP的開放[6]。

Bcl-2家族蛋白(Bax，Bid，Puma和BNIP3)也增加了線粒體內(nèi)外膜的通透性，從而導(dǎo)致滲透性孔的形成[7]。缺血后發(fā)生的再灌注增強(qiáng)了Bcl-2家族蛋白的激活，并上調(diào)其他凋亡因子。Bcl-2蛋白通過與VDAC和其他促凋亡蛋白相互作用形成自身的蛋白滲透性孔。另外，氧化劑、無機(jī)磷酸鹽和堿性pH的存在也有利于PTP的形成[7-8]。

MPTP破壞線粒體內(nèi)膜的通透性屏障，從而引發(fā)氧化磷酸化的解偶聯(lián)、滲透性腫脹和外膜破裂。線粒體蛋白的釋放同時(shí)激活半胱天冬酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并誘導(dǎo)核酸內(nèi)切酶，最終導(dǎo)致不可逆的DNA損傷和神經(jīng)元死亡。此外，線粒體群體中PTP形成的模式?jīng)Q定了死亡的壞死或凋亡模式。 線粒體肌酸激酶-1耗盡時(shí)導(dǎo)致凋亡神經(jīng)元死亡，p53單獨(dú)導(dǎo)致凋亡細(xì)胞死亡，而p53與Cyp D的相互作用導(dǎo)致壞死的神經(jīng)元死亡[9-10]。

除此之外，線粒體轉(zhuǎn)換孔形成導(dǎo)致線粒體外膜的機(jī)械性破壞，從而導(dǎo)致線粒體基質(zhì)腫脹[11]。氧化磷酸化解偶聯(lián)之前的基質(zhì)腫脹引起細(xì)胞色素C(Cyt C)的釋放。這反過來激活凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis-inducing factor， AIF)和內(nèi)切酶G(endonuclease G，Endo G)，然后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核并激活染色質(zhì)濃縮和DNA片段化[12]。 Cyt C也觸發(fā)IP3受體，從而增加胞質(zhì)Ca2+和活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生。此外，PTP誘導(dǎo)線粒體的分裂/融合和線粒體自噬[13]。因此，線粒體膜通透性是嚴(yán)格調(diào)控的現(xiàn)象，是導(dǎo)致神經(jīng)元死亡的主要原因。

2 線粒體與氧化應(yīng)激

缺血再灌注導(dǎo)致大量自由基產(chǎn)生及細(xì)胞內(nèi)鈣超載，線粒體可作為亞細(xì)胞靶標(biāo)而受到損害。腦缺血再灌注損傷是一個(gè)復(fù)雜的生理病理過程，氧化應(yīng)激損傷對(duì)線粒體功能的影響是導(dǎo)致細(xì)胞死亡的核心環(huán)節(jié)[14]。還原型輔酶Ⅱ(NADPH)的氧化引起細(xì)胞內(nèi)線粒體鈣釋放的增加，NADPH在線粒體抗性中起關(guān)鍵作用，因?yàn)樗谇宄杂苫衅鹬陵P(guān)重要的作用。由于超氧化物清除活性降低和超氧化物累積增加，NADPH的氧化也擴(kuò)大了氧化應(yīng)激[15]。除此之外，谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GSH)減少，加強(qiáng)NADPH的氧化，由此導(dǎo)致線粒體死亡。線粒體無機(jī)磷(Pi)的氧化損傷通過生成烯醇產(chǎn)生三重態(tài)醛(也是活性氧)，從而導(dǎo)致形成MPTP。病理?xiàng)l件下氧自由基生成持續(xù)增加， 過高的ROS持續(xù)積累導(dǎo)致MPTP持續(xù)開放，促發(fā)線粒體凋亡通路。線粒體是唯一含有獨(dú)立DNA的細(xì)胞器。與核DNA相比， mtDNA 缺乏組蛋白和DNA結(jié)合蛋白的保護(hù)，并與氧化磷酸化場所(線粒體內(nèi)膜)相距甚近， 又直接暴露于氧化磷酸化過程中產(chǎn)生的高反應(yīng)性氧中， 因此，極易受氧自由基的攻擊[16]。

氧化應(yīng)激和ROS是缺血性損傷的主要促成因素，因此，氧化損傷的作用在神經(jīng)元疾病中日益受到重視。

3 線粒體自噬

線粒體自噬不同于傳統(tǒng)自噬，是選擇性去除受損線粒體的一種靶向自噬。線粒體自噬的發(fā)生機(jī)制與線粒體形態(tài)動(dòng)力學(xué)有關(guān)，且受到線粒體自噬信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。線粒體自噬與腦缺血再灌注損傷的病理生理過程有密切聯(lián)系，一方面腦缺血再灌注的過程能誘導(dǎo)線粒體自噬的產(chǎn)生，另一方面線粒體自噬又對(duì)腦缺血再灌注損傷的轉(zhuǎn)歸有重要影響。幾種特殊的蛋白質(zhì)即Parkin(E3 泛素連接酶)，PINK1(PTEN-induced kinase 1，PINK1)和FUNDC1(FUN14 domain containing 1，F(xiàn)UNDC1)被認(rèn)為可能參與了線粒體自噬的過程。

線粒體自噬在腦缺血中受到越來越多的關(guān)注，并且已經(jīng)在體內(nèi)模型和培養(yǎng)的神經(jīng)元中得到證實(shí)。在腦缺血中，線粒體自噬可能主要由PINK1/Parkin途徑介導(dǎo)。然而，線粒體自噬在缺血性腦損傷發(fā)展中的作用仍存在爭議。研究表明，線粒體自噬是一把雙刃劍，在實(shí)驗(yàn)性腦缺血后既可以起到保護(hù)作用，亦可起破壞作用[17-20]。大多數(shù)研究支持：線粒體自噬通過去除受損的線粒體和抑制細(xì)胞死亡信號(hào)級(jí)聯(lián)來支持適應(yīng)應(yīng)激的神經(jīng)元。這些研究表明線粒體自噬是腦缺血治療的一個(gè)有前景的治療靶點(diǎn)。在永久性大腦中動(dòng)脈閉塞(middle cerebral artery embolism，MCAO)中，線粒體自噬在1 h之內(nèi)被觸發(fā)，以Drp1依賴的方式參與去除受損的線粒體和細(xì)胞存活[21]。 MCAO后再灌注期間也會(huì)激活線粒體自噬，并有助于抑制腦缺血后細(xì)胞凋亡。 雷帕霉素通過增強(qiáng)腦缺血后的線粒體自噬來改善線粒體功能[22]。 亞甲藍(lán)在急性腦缺血中的神經(jīng)保護(hù)作用也可以通過促進(jìn)線粒體自噬和維持線粒體膜電位來證明，從而減少壞死[23]。線粒體自噬對(duì)腦缺血后肢體遠(yuǎn)端缺血也有神經(jīng)保護(hù)作用[20]。腦缺血后線粒體自噬的破壞作用也有報(bào)道， 通過降低p-Drp1和Parkin抑制線粒體自噬介導(dǎo)了MCAO后大鼠肌肽的神經(jīng)保護(hù)作用[17]，過度誘導(dǎo)線粒體自噬導(dǎo)致新生兒卒中的細(xì)胞死亡[18]。

線粒體自噬在腦缺血中的有害作用尚未得到充分強(qiáng)調(diào)， 需要進(jìn)一步研究以了解線粒體自噬在腦缺血后是有益的還是有害的。 線粒體自噬的影響主要取決于它的嚴(yán)重程度， 雖然生理或輕度的線粒體自噬有利于神經(jīng)元存活，但是強(qiáng)烈或過度的水平可能是致命的并且加劇缺血性腦損傷。

4 線粒體與細(xì)胞凋亡

細(xì)胞色素C從線粒體中釋放，激活凋亡誘導(dǎo)因子(AIF)、procaspase-9和caspase-3，并通過形成凋亡體觸發(fā)凋亡。盡管細(xì)胞色素C釋放的機(jī)制尚不清楚，但可能有兩種機(jī)制，例如由于基質(zhì)腫脹引起的線粒體外膜機(jī)械損傷與促凋亡蛋白Bax向線粒體膜的轉(zhuǎn)運(yùn)[4]。因此，線粒體通透性轉(zhuǎn)換(MPT)與促抗凋亡蛋白之間的復(fù)雜相互作用表明MPT是細(xì)胞凋亡的一個(gè)不可缺少的組成部分。

調(diào)查顯示，氧化型細(xì)胞色素C能快速激活caspase-9。線粒體細(xì)胞色素氧化酶明顯氧化外部細(xì)胞色素C。已經(jīng)闡明了加速細(xì)胞色素c氧化導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的幾種機(jī)制。細(xì)胞色素C在神經(jīng)元內(nèi)的還原率較高。這也取決于細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的氧化還原狀態(tài)。

細(xì)胞色素C還誘導(dǎo)腫瘤基因p53，其是細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。p53基因通過激活促凋亡基因和對(duì)死亡刺激反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄非依賴性機(jī)制觸發(fā)細(xì)胞凋亡。最近的研究表明，p53蛋白可以通過與Bcl-2家族蛋白形成抑制性復(fù)合物來改變線粒體外膜的膜通透性，導(dǎo)致細(xì)胞色素C的釋放[10]。然而，線粒體p53介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡的途徑仍不清楚，線粒體p53對(duì)細(xì)胞色素C釋放和隨后的神經(jīng)元死亡的作用仍不明確。

5 結(jié) 語

線粒體功能障礙是腦缺血病理生理學(xué)的早期和初始事件[24]。在臨床上藥理學(xué)靶向線粒體仍然具有挑戰(zhàn)性。新出現(xiàn)的研究結(jié)果表明，線粒體本身可以起到“幫助我”的作用，響應(yīng)多種細(xì)胞外刺激，并募集相鄰細(xì)胞以拯救受傷者細(xì)胞，去除受損的線粒體和補(bǔ)充健康的線粒體是治療缺氧/缺血相關(guān)疾病的很有希望的治療方法，特別是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中線粒體在遠(yuǎn)端軸突突觸和樹突突起中豐富[25]。解決線粒體這些障礙將有助于為與線粒體功能障礙相關(guān)疾病研發(fā)新的治療方法。