線粒體在偏頭痛發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

楚寶,張繼杰綜述 王賀波審校

世界衛(wèi)生組織2016年全球疾病負(fù)擔(dān)調(diào)查結(jié)果表明，偏頭痛在人類疾病譜中排第二名[1]。在我國(guó)，偏頭痛是一種常見的原發(fā)性頭痛[2]。偏頭痛平均患病率為9.3%，女性是男性的3倍[3]。偏頭痛發(fā)病機(jī)制復(fù)雜多樣，尚不明確。經(jīng)典的偏頭痛發(fā)病機(jī)制包括血管源學(xué)說、神經(jīng)學(xué)說和三叉神經(jīng)血管學(xué)說，當(dāng)前研究多集中于5-羥色胺、降鈣素基因相關(guān)肽、一氧化氮、β-內(nèi)啡肽、內(nèi)皮素和氧化應(yīng)激等方面[4-5]。最近研究表明，偏頭痛發(fā)病機(jī)制可能與線粒體有關(guān)[6]。線粒體功能眾多，基礎(chǔ)研究證實(shí)，增強(qiáng)線粒體功能可改善大鼠腎功能及肝功能，增加腦保護(hù)等[7-8]。本文就線粒體在偏頭痛發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展綜述如下。

1 線粒體功能

線粒體功能眾多，主要功能是通過有氧氧化產(chǎn)生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)。此外，線粒體還是活性氧自由基產(chǎn)生和損傷的主要場(chǎng)所，且與細(xì)胞凋亡有關(guān)。

1.1 ATP產(chǎn)生 脂肪酸和葡萄糖是2種主要的能源物質(zhì)，可進(jìn)入線粒體內(nèi)氧化供能。葡萄糖經(jīng)過糖酵解、脂肪酸經(jīng)過β-氧化后共同生成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)氧化產(chǎn)生電子供體，然后被轉(zhuǎn)移至電子傳遞鏈(electron-transport chain，ETC)，使得線粒體膜內(nèi)外產(chǎn)生電化學(xué)梯度，即線粒體膜電位。膜電位中儲(chǔ)存的能量在酶作用下使得ADP磷酸化成為ATP[9]。

1.2 線粒體源性活性氧信號(hào)調(diào)控 電子沿著線粒體ETC傳遞過程中，會(huì)形成過氧化物及其他活性氧族，統(tǒng)稱為線粒體源性活性氧(mitochondria-derived reactive oxygen species，mROS)。mROS調(diào)節(jié)細(xì)胞膜氧化—還原敏感性的電壓門控鉀通道[10]。mROS產(chǎn)生過量后會(huì)對(duì)線粒體造成損傷，引起線粒體DNA氧化損傷和突變，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial transition pore，MTP)通透性增加，線粒體凋亡加速，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[11]。mROS產(chǎn)生過多會(huì)引起線粒體去極化，進(jìn)一步激活E3泛素蛋白連接酶，引起線粒體自噬反應(yīng)，從而清除mROS以防線粒體受損[12]。

1.3 細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡機(jī)制復(fù)雜，包括外源性激活(非線粒體依賴)和內(nèi)源性激活(線粒體依賴)途徑。內(nèi)源性激活途徑通過凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor，AIF)和細(xì)胞色素C(cytochrome C，CytC)引發(fā)胱天蛋白酶(caspases)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。目前研究認(rèn)為，MTP開放會(huì)使得促凋亡因子(AIF和CytC)釋放到胞漿中引起細(xì)胞凋亡[13]。

2 線粒體在偏頭痛發(fā)病機(jī)制中的作用

越來越多的證據(jù)表明，線粒體功能障礙在偏頭痛的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要作用[14]。偏頭痛是多種遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果[15]。腦組織細(xì)胞需要連續(xù)和充足的能量供應(yīng)，能量產(chǎn)生過程中的任何差錯(cuò)都可能導(dǎo)致神經(jīng)元功能障礙并降低偏頭痛發(fā)作閾值。人體的大部分能量供應(yīng)是通過氧化磷酸化途徑或線粒體電子傳遞鏈產(chǎn)生的[16]。大腦和肌肉是線粒體疾病中最易受損的組織。生物化學(xué)、組織學(xué)、遺傳學(xué)和線粒體甲基化等研究提供了線粒體功能障礙在偏頭痛易感性中發(fā)揮作用的相關(guān)證據(jù)[17]。

2.1 生物化學(xué)改變 有證據(jù)表明偏頭痛發(fā)作會(huì)誘發(fā)氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激可通過TRPA1通道向腦膜疼痛受體發(fā)放信號(hào)，從而引起神經(jīng)源性炎性反應(yīng)。相關(guān)研究指出，偏頭痛發(fā)作過程中存在多種機(jī)制減少活性氧物質(zhì)產(chǎn)生[18]。這些機(jī)制包括血小板活化，血漿蛋白外溢，內(nèi)皮NO合成，抗氧化酶物質(zhì)生成，P物質(zhì)、血清素及降鈣素基因相關(guān)肽釋放。這些機(jī)制的啟動(dòng)會(huì)促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)，阻止細(xì)胞凋亡，釋放神經(jīng)元生長(zhǎng)因子。在偏頭痛大鼠模型中，偏頭痛發(fā)作會(huì)促進(jìn)線粒體分裂，增加線粒體分裂蛋白Drp1，減少線粒體融合蛋白Mfn1，減少神經(jīng)線粒體DNA的復(fù)制數(shù)量，調(diào)控線粒體生長(zhǎng)因子PGC-1的變化[14]。

血小板功能障礙會(huì)導(dǎo)致血流動(dòng)力學(xué)改變。例如，血小板功能障礙會(huì)造成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADH)-脫氫酶、環(huán)氧化酶和檸檬酸合成酶缺陷。有關(guān)研究評(píng)估伴或不伴先兆偏頭痛患者血小板內(nèi)線粒體酶活性，發(fā)現(xiàn)偏頭痛患者中存在NADH脫氫酶、檸檬酸合成酶和環(huán)氧化酶的損傷[19]。在另一項(xiàng)研究中，先兆偏頭痛患者的血小板超氧化物歧化酶(一種線粒體衍生酶)水平較對(duì)照組患者低，這表明血小板內(nèi)線粒體酶易受氧化應(yīng)激的影響[20]。

神經(jīng)遞質(zhì)更新和神經(jīng)細(xì)胞膜穩(wěn)定都是能量密集過程。在能量衰竭期間，酪氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)槊擊让高^程中，隨著去甲腎上腺素減少會(huì)產(chǎn)生大量的神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)：酪胺、章胺和脫氧腎上腺素[21]。在偏頭痛患者的血小板中可以發(fā)現(xiàn)酪胺、章胺和脫氧腎上腺素含量增加[22]，這表明偏頭痛的發(fā)作是能量消耗的過程。此外，依賴于線粒體的自由基循環(huán)也與偏頭痛有關(guān)。現(xiàn)已證明，偏頭痛患者的腦干中存在鐵離子蓄積。在每日頭痛發(fā)作的慢性偏頭痛患者腦干中鐵離子的蓄積更加明顯[23]。

隨著神經(jīng)元能量的減少，細(xì)胞最終會(huì)失去控制而凋亡。在亞急性壞死性腦脊髓病患者中可以清楚地看到腦干壞死細(xì)胞中功能障礙的線粒體。N-乙酰天冬氨酸(N acetyl aspartic acid，NAA)被認(rèn)為是神經(jīng)細(xì)胞完整性的標(biāo)志，且已被證明與偏頭痛有關(guān)。NAA在神經(jīng)元線粒體中產(chǎn)生，進(jìn)入血液，通過腎臟代謝排出。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，低NAA水平與大腦中的神經(jīng)元損傷有關(guān)[24]。質(zhì)子磁共振波譜可以測(cè)量出大腦的NAA水平及丘腦內(nèi)NAA-膽堿水平。最近研究顯示，運(yùn)用上述方法可發(fā)現(xiàn)，偏頭痛患者大腦NAA水平較正常對(duì)照組顯著降低[25]。此外有報(bào)道稱，偏頭痛患者丘腦內(nèi)NAA-膽堿水平較健康對(duì)照組也有所下降[26]。

磷磁共振波譜(MRS)常用來評(píng)估腦能量代謝的完整性，其主要是通過測(cè)量細(xì)胞內(nèi)磷酸肌酸、無(wú)機(jī)磷酸鹽和二磷酸腺苷濃度來間接測(cè)量。磷酸肌酸的無(wú)機(jī)磷酸鹽通常會(huì)在線粒體氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)過程中去除，然后將其轉(zhuǎn)移到二磷酸腺苷中生成三磷酸腺苷。磷MRS會(huì)計(jì)算出細(xì)胞內(nèi)這些化合物的濃度。此外，還可以監(jiān)測(cè)細(xì)胞內(nèi)pH值，當(dāng)線粒體呼吸鏈或ETC功能障礙時(shí)，細(xì)胞會(huì)乳酸酸中毒，此時(shí)pH值會(huì)降低。在偏頭痛患者中，磷酸肌酸—無(wú)機(jī)磷酸鹽比值降低，二磷酸腺苷水平升高，這表明自由能的利用率降低[27]。這些發(fā)現(xiàn)與已知線粒體缺陷患者的結(jié)果相似[28]。

2.2 組織學(xué)改變 線粒體結(jié)構(gòu)異常的疾病主要影響骨骼肌和神經(jīng)元等非主動(dòng)分裂組織。偏頭痛患者中也發(fā)現(xiàn)了線粒體的類似改變。直接觀察患者的肌肉組織，最典型的異常是可見破碎的紅纖維。破碎的紅纖維是肌膜下線粒體功能失調(diào)后的蓄積物。在一些先兆偏頭痛患者和家族性偏癱型偏頭痛的案例研究中也有報(bào)道[29-30]。偏頭痛患者肌肉活檢的電鏡研究顯示，偏頭痛患者肌纖維內(nèi)可見許多含有晶格狀包涵體的巨大線粒體[17]。其研究還描述了線粒體超微結(jié)構(gòu)變化，線粒體這種結(jié)構(gòu)變化可能是OXPHOS受損導(dǎo)致。此外，偏頭痛患者的肌纖維中也發(fā)現(xiàn)了肌膜下線粒體的蓄積[31]。

2.3 遺傳變異 線粒體DNA絕大多數(shù)不經(jīng)歷重組而沿母系譜系遺傳。因此可以通過多代來追蹤DNA序列中發(fā)生的變化。這種明確的遺傳模式有助于通過家庭聯(lián)系研究確定涉及線粒體疾病的因果變異[31]。女性偏頭痛的發(fā)生率是男性的3倍，這表明偏頭痛可能涉及X連鎖的遺傳形式，或者在某些家族中發(fā)生線粒體傳播。偏頭痛患者的女性優(yōu)勢(shì)為調(diào)查線粒體基因組提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。

對(duì)于大多數(shù)偏頭痛患者線粒體基因研究的陰性結(jié)果，目前存在以下假說:(1)突變的線粒體DNAs可能在血液樣本中不存在，或數(shù)量過于微小以至于難以檢測(cè)出來；(2)偏頭痛可能與尚未識(shí)別的線粒體DNA突變有關(guān)；(3)偏頭痛可能是由核基因突變引起的，這可能直接影響線粒體系統(tǒng)的能量產(chǎn)生。核DNA編碼因子突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄或者翻譯的蛋白變異，進(jìn)而影響線粒體DNA的表達(dá)[17]。

現(xiàn)有研究顯示，2種常見的線粒體DNA多態(tài)性(16519C-T和3010G-A)與兒童周期性嘔吐綜合征和偏頭痛有關(guān)[32]。核DNA中的POLG基因參與編碼DNA聚合酶γ催化亞基，而DNA聚合酶γ催化亞基則在線粒體DNA復(fù)制和校對(duì)過程中發(fā)揮重要作用。核DNA中的POLG基因突變(例如，p.T851A，p.N468D，p.Y831C，p.G517V和p.P163S)可通過受損的線粒體DNA復(fù)制引起包括偏頭痛在內(nèi)的多種疾病[33]。

2.4 線粒體甲基化 表觀遺傳學(xué)是指影響基因表達(dá)部分可遺傳的改變。其不是由于DNA序列的改變，而是由于更高的結(jié)構(gòu)修飾導(dǎo)致的基因表達(dá)改變。表觀遺傳學(xué)在偏頭痛等多種復(fù)雜疾病中的作用成為一個(gè)新的研究方向[34]。甲基化是表觀遺傳修飾的主要形式。表觀遺傳學(xué)在臨床實(shí)踐中主要用于癌癥的診斷。外周血中的亞硫酸氫鹽測(cè)序和甲基化DNA免疫沉淀證實(shí)線粒體DNA的D環(huán)中存在甲基化胞嘧啶。證明線粒體基因組是經(jīng)過甲基化修飾的。在神經(jīng)退行性疾病和年齡相關(guān)疾病中，健康對(duì)照組與疾病組之間的線粒體DNA表觀遺傳狀態(tài)存在差異[35]。與健康對(duì)照者相比，肌萎縮側(cè)索硬化患者的神經(jīng)元線粒體中可檢測(cè)到5-甲基胞嘧啶水平的變化[36]。雖然尚需證實(shí)，但有學(xué)者認(rèn)為線粒體DNA甲基化可能在阿爾茨海默病、帕金森病和癡呆中發(fā)揮重要作用[35]?？梢酝茰y(cè)，偏頭痛與線粒體甲基化是新的研究方向。

線粒體腦肌病的神經(jīng)癥狀與偏頭痛患者的癥狀有所重疊，包括聽力障礙、偏頭痛樣頭痛、癲癇發(fā)作和卒中樣發(fā)作[37]，表明偏頭痛和某些線粒體腦肌病可以共同存在顯著的發(fā)病癥狀。上述發(fā)現(xiàn)提供了研究與偏頭痛易感性相關(guān)的線粒體變異的理論依據(jù)。目前發(fā)現(xiàn)多種與線粒體功能障礙相關(guān)的疾病，如Leigh綜合征、伴乳酸酸中毒和卒中樣發(fā)作的線粒體腦肌病(MELAS)、肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維綜合征(MERRF)、Kearns-Sayre綜合征、Leber 遺傳性視神經(jīng)病變等。這些疾病中的部分疾病具有與其表型相關(guān)的偏頭痛[38]。分子遺傳學(xué)研究了線粒體DNA突變的潛在作用，這些突變與線粒體腦脊髓病密切相關(guān)，MELAS中A3243G和T3271C發(fā)生突變，MERRF中 G8344A發(fā)生突變，Kearns-Sayre綜合征可見4977 bp缺失，Leber遺傳性視神經(jīng)病也存在突變[39]。

3 小結(jié)與展望

偏頭痛發(fā)作機(jī)制復(fù)雜多樣，當(dāng)前研究尚未完全闡明其發(fā)病機(jī)制。就目前研究而言，充足的能量?jī)?chǔ)備對(duì)于降低偏頭痛的發(fā)作非常重要。實(shí)驗(yàn)和臨床證據(jù)表明，線粒體在偏頭痛發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要作用。增加線粒體功能的藥物如核黃素或托吡酯等[40]，也可以預(yù)防偏頭痛發(fā)作。增強(qiáng)線粒體功能的治療措施可以降低偏頭痛發(fā)作的頻率和程度。未來可以進(jìn)一步研究線粒體功能障礙在偏頭痛發(fā)病機(jī)制中的作用。