線粒體功能障礙在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

牛望，李茜

四川大學(xué)華西醫(yī)院麻醉科，成都 610044

據(jù)中國發(fā)展基金會發(fā)布的《中國發(fā)展報(bào)告2020：中國人口老齡化的發(fā)展趨勢和政策》顯示，我國人口老齡化進(jìn)程逐漸加快［1］。老年患者手術(shù)數(shù)量逐年增加。衰弱綜合征是伴隨年齡增長而涉及到全身多系統(tǒng)的一種臨床綜合征，其主要生理病理特征是包括隨年齡增長臟器儲備功能下降、應(yīng)對各類應(yīng)激源的抗應(yīng)激能力減退以及對不良臨床事件易感性增加在內(nèi)的一系列改變［2］。衰弱綜合征是健康與失能之間的狀態(tài)，研究［3］發(fā)現(xiàn)，與非衰弱患者相比，老年衰弱綜合征患者術(shù)后病死率較高，術(shù)后并發(fā)癥發(fā)生率高。因此，衰弱已成為目前圍術(shù)期各學(xué)科關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。然而，衰弱綜合征的具體發(fā)病機(jī)制目前仍不完全明確，近年研究認(rèn)為線粒體功能障礙可能參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。線粒體的生物發(fā)生、融合功能及分解等生理過程可維持線粒體功能，上述維持線粒體功能的生理過程的退化可導(dǎo)致線粒體出現(xiàn)功能障礙。已有部分研究圍繞線粒體功能障礙導(dǎo)致人體過度氧化應(yīng)激反應(yīng)和機(jī)體能量代謝障礙、部分線粒體miRNA功能失調(diào)、線粒體相關(guān)基因表達(dá)異常和線粒體相關(guān)的內(nèi)在免疫功能退化和衰弱綜合征關(guān)系間展開。但既往研究主要從單一的角度出發(fā)探討線粒體功能障礙與衰弱發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性，未有較為全面的綜述闡述線粒體功能障礙參與衰弱發(fā)生的具體機(jī)制。 因此，現(xiàn)就近年有關(guān)線粒體功能障礙在衰弱綜合征發(fā)生發(fā)展中的作用和作用機(jī)制相關(guān)研究進(jìn)行綜述，探討衰弱綜合征的發(fā)病機(jī)制及防治策略。

1 線粒體功能障礙導(dǎo)致的氧化應(yīng)激反應(yīng)在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機(jī)制

衰弱綜合征的主要特征為人體出現(xiàn)過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)［4］。氧化應(yīng)激反應(yīng)是機(jī)體促氧-抗氧狀態(tài)失調(diào)后活性氧簇（Reactive Oxygen Species， ROS）大量積累的結(jié)果。一項(xiàng)納入了6 349例研究對象的研究分析了氧化應(yīng)激與衰弱綜合征患者狀態(tài)的相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)，患者的衰弱狀態(tài)與氧化應(yīng)激的標(biāo)志物水平具有正相關(guān)性［5］，衰弱患者體內(nèi)氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平明顯升高。在細(xì)胞的衰老過程中，ROS可通過調(diào)節(jié)哺乳動物類雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target Of Rapamycin，mTOR）復(fù)合物的功能、促進(jìn)白介素1α（Interleukin-1α）的表達(dá)，增強(qiáng)核因子κB（Nuclear Factor kappa-B，NF-κB）的活性、誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶（Matrix metalloproteases， MMPs）的表達(dá)、調(diào)節(jié) p16INK4a/pRB 及 p53/p21通路等［6］方式促進(jìn)細(xì)胞的衰老。

線粒體是ROS的來源與靶點(diǎn)，線粒體之間ROS的運(yùn)輸可形成正反饋［7］，ROS在氧化磷酸化過程中與DNA、蛋白質(zhì)和脂類等物質(zhì)的相互作用，最終導(dǎo)致線粒體功能障礙［8］。同時，ROS還可誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)化孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore， mPTP）開放，其開放后又可進(jìn)一步誘導(dǎo)ROS的生成與積累，該現(xiàn)象叫做ROS誘導(dǎo)ROS釋放（ROS-induced ROS released， RIRR）［9］，過度的ROS釋放通過上述過程強(qiáng)化線粒體功能障礙。而且，由于線粒體的固有結(jié)構(gòu)，包括線粒體呼吸鏈復(fù)合物在內(nèi)的線粒體大分子本身對氧化應(yīng)激就十分敏感，容易產(chǎn)生與氧化應(yīng)激相關(guān)的損傷。因此，線粒體功能障礙伴隨的機(jī)體過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)可能在衰弱的發(fā)生進(jìn)程中起到促進(jìn)作用。WITTEL等［10］進(jìn)行的一項(xiàng)前瞻性觀察性研究選擇了444例衰弱綜合征患者為研究對象，測定患者血清氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平及端粒長度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)衰弱綜合征患者的氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平顯著增高、端粒長度顯著縮短。線粒體是人體氧化應(yīng)激的反應(yīng)場所，而端粒與線粒體存在附著關(guān)系，因此該研究結(jié)果間接說明線粒體功能障礙可能參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。氧化應(yīng)激反應(yīng)還會損傷肌肉收縮—舒張耦聯(lián)過程，導(dǎo)致肌漿網(wǎng)釋放鈣離子水平。同時，氧化應(yīng)激反應(yīng)可導(dǎo)致肌動蛋白和肌球蛋白結(jié)構(gòu)改變，抑制肌原纖維裝置內(nèi)的跨橋循環(huán)，最終導(dǎo)致人體骨骼肌的功能下降，而骨骼肌功能的降低在衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前尚無研究證實(shí)線粒體功能障礙伴隨的氧化應(yīng)激反應(yīng)與衰弱發(fā)生發(fā)展的直接作用機(jī)制及相關(guān)信號通路。

肌少癥是引起軀體發(fā)生衰弱的物理驅(qū)動因素，主要表現(xiàn)為骨骼肌質(zhì)量和力量的漸進(jìn)性和全身性喪失［11］。目前衰弱綜合征和肌少癥的關(guān)系尚未完全明確，但二者臨床癥狀和病理生理學(xué)表現(xiàn)相似，且二者的評估、診斷內(nèi)容存在部分重疊，因此臨床一般將肌少癥視為亞衰弱狀態(tài)或是衰弱前期。伴隨年齡增長線粒體出現(xiàn)與氧化應(yīng)激相關(guān)的mPTP的開放敏化，同時線粒體自噬—蛋白酶體誘導(dǎo)的清除功能逐漸退化缺失，致使功能不良的線粒體積累在肌肉和運(yùn)動神經(jīng)元細(xì)胞中，功能障礙的線粒體聚集又進(jìn)一步促進(jìn)mPTP開放，導(dǎo)致線粒體膜電位喪失，線粒體內(nèi)容物通過mPTP漏入細(xì)胞胞質(zhì)，在肌肉細(xì)胞和運(yùn)動神經(jīng)元中啟動凋亡程序，導(dǎo)致肌纖維和運(yùn)動神經(jīng)元的死亡并失去相應(yīng)的神經(jīng)支配，促使肌少癥的發(fā)生及發(fā)展［12］。此外，線粒體DNA （mtDNA）的缺失與突變也將加速肌纖維的丟失與萎縮［13］。骨骼肌與運(yùn)動神經(jīng)元中的線粒體自噬效應(yīng)出現(xiàn)減退，使得損傷的線粒體無法通過正常途徑被及時清除［14］。線粒體功能障礙是肌少癥的始動因素，線粒體的生物發(fā)生、融合與分解及自噬功能的減退均參與肌少癥的發(fā)生發(fā)展［15］。ANDREUX等［16］評估了亞衰弱狀態(tài)患者的線粒體代謝功能，將亞衰弱狀態(tài)的老年患者與健康患者進(jìn)行匹配研究，同時測定兩組患者的肌肉線粒體功能與電子呼吸鏈復(fù)合物的數(shù)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亞衰弱組患者的肌肉線粒體產(chǎn)能效率及呼吸鏈復(fù)合物的數(shù)量均降低，證明了亞衰弱患者存在線粒體功能障礙。

亞太地區(qū)衰弱管理指南建議，應(yīng)當(dāng)為老年患者提供多元化的運(yùn)動干預(yù)以便增加老年人的肌力，通過最大氧耗量刺激人體蛋白質(zhì)的合成進(jìn)而增加肌肉質(zhì)量，從而提高機(jī)體的靈活性并改善日常生活能力［11］。定期運(yùn)動可通過絲裂原活化蛋白激酶、激活NF-κB信號通路引起抗氧化環(huán)節(jié)的重要酶—超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase， SOD）的表達(dá)增強(qiáng)，最終強(qiáng)化機(jī)體清除ROS的能力，最終減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)。在此過程中，線粒體作為機(jī)體響應(yīng)運(yùn)動的核心細(xì)胞器， 可通過過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α （Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-γ Coactivator-1α， PGC-1α）等信號分子促進(jìn)線粒體合成并改善線粒體功能，由此在運(yùn)動健康效應(yīng)中發(fā)揮重要作用。因此，運(yùn)動可能通過改善線粒體功能，減輕機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)，有助于改善患者的衰弱狀態(tài)。

2 線粒體介導(dǎo)的能量代謝障礙在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機(jī)制

線粒體是真核細(xì)胞生物進(jìn)行能量代謝的主要場所，通過氧化磷酸化過程直接產(chǎn)生ATP 以滿足機(jī)體的各種能量需求。RATTRAY等［12］研究表明，機(jī)體的整體代謝在衰弱狀態(tài)之下發(fā)生了改變，細(xì)胞能量產(chǎn)生的過程中出現(xiàn)了肉堿穿梭作用和維生素E的代謝下調(diào)。其中，肉堿是長鏈脂肪酸（Long Chain Fatty Acid， LCFAs）通過線粒體內(nèi)膜的分子載體，而LCFAs是氧化磷酸化的主要底物，其與輔酶A（CoA）酯化形成?；? CoA并進(jìn)入三羧酸循環(huán)產(chǎn)能。而且，肉堿還可直接刺激線粒體呼吸，影響線粒體內(nèi)膜的物理特性。因此，肉堿的減少會導(dǎo)致線粒體中LCFAs的可用性降低并由此產(chǎn)生能量赤字。肉堿的功能缺陷還可能與脂肪酸β-氧化受損有關(guān)，導(dǎo)致電子傳遞鏈（Electron Transport Chain， ETC） 堵塞，增加ROS的生成而損傷線粒體［13］。此外，在機(jī)體活動中，LCFAs的可用性降低還可能促使新陳代謝轉(zhuǎn)向利用碳水化合物，該種代謝方式的轉(zhuǎn)變也可能導(dǎo)致能量赤字，進(jìn)而產(chǎn)生自我可察覺的疲勞感［14］，而疲勞感是衰弱綜合征的早期臨床表現(xiàn)，部分衰弱綜合征的評估量表中也包含疲乏感［15］。KUMARAN等［16］研究發(fā)現(xiàn)，與年輕小鼠相比，老年大鼠體內(nèi)的骨骼肌線粒體中脂類過氧化物的水平明顯增高，其體內(nèi)的抗氧化酶活性明顯降低。而肉堿的補(bǔ)充可提升老年大鼠的線粒體抗氧化系統(tǒng)的活性并降低自由基誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化水平，且該種線粒體相關(guān)的功能改善程度與肉堿的補(bǔ)充時長呈正相關(guān)關(guān)系。另一項(xiàng)納入了84例老年患者的隨機(jī)對照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肉堿的補(bǔ)充可改善老年患者的疲勞感［17］。而RATTRAY等［12］認(rèn)為，衰弱綜合癥患者的低血清維生素E水平，可能是由于低血清維生素E水平未能抑制由肉堿缺乏產(chǎn)生的過量ROS，導(dǎo)致線粒體的功能障礙。因此，增強(qiáng)肉堿的穿梭作用或增加肉堿活性、補(bǔ)充維生素E可能有助于改善老年患者的線粒體功能，進(jìn)而改善其衰弱狀態(tài)。

維生素D水平缺乏是衰弱綜合征發(fā)生的獨(dú)立危險(xiǎn)因子。維生素D可改善機(jī)體骨骼肌線粒體的氧化磷酸化水平，抑制人體的氧化應(yīng)激反應(yīng)［18］。不僅如此，維生素D還可以通過控制與調(diào)節(jié)參與氧化磷酸化過程的相關(guān)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄，降低機(jī)體ROS的產(chǎn)生，維持線粒體的正常代謝功能［19］。

ZHOU等［20］以19例終末期心衰患者、19例健康對照組患者為研究對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)終末期心衰患者存在線粒體呼吸功能減退（表現(xiàn)為線粒體壓力測試中的基礎(chǔ)氧氣消耗率和FCCP刺激下的最大氧氣消耗率明顯降低）及促炎因子表達(dá)增加（IL-1B、 IL-18及 TNF-α），給予試驗(yàn)患者口服煙酰胺核苷（Nicotinamide riboside，NR），NR可改善線粒體功能（表現(xiàn)為線粒體壓力測試中的基礎(chǔ)氧氣消耗率和FCCP刺激下的最大氧氣消耗率明顯增加）并抑制促炎因子表達(dá)，增加血清NAD+水平，NAD可進(jìn)一步促進(jìn)線粒體特異性的去乙?；富钚陨?，改善線粒體的功能。過度氧化應(yīng)激、機(jī)體慢性促炎反應(yīng)及線粒體功能失調(diào)都可能在終末期心衰與衰弱綜合征的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。

3 線粒體miRNA 表達(dá)異常在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機(jī)制

MicroRNAs（miRNAs）作為一種具有調(diào)控功能的內(nèi)源性非編碼RNA，可影響mRNAs的加工并參與調(diào)節(jié)細(xì)胞間的通訊、分化及增殖等多個過程［21］。其中，miRNAs中可影響線粒體功能的miRNAs被稱為線粒體 miRNA（Mitochondrial miRNAs， mitomiRs）。B淋巴細(xì)胞瘤-2（B-cell lymphoma-2， Bcl-2）基因在機(jī)體衰老過程中表達(dá)下降，由此導(dǎo)致線粒體的自噬能力降低，并打破線粒體分解和合成的平衡，最終引起線粒體功能失調(diào)。

為了驗(yàn)證衰老細(xì)胞的部分典型改變是否源于mitomiRs調(diào)控能力的下降，GIULIANI 等［22］采用衰老的人類內(nèi)皮細(xì)胞表型進(jìn)行深入探索，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與年輕的細(xì)胞相比，衰老細(xì)胞的線粒體的結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變，自噬濾泡出現(xiàn)積累，ROS產(chǎn)生增加，且Bcl-2表達(dá)下降，而該過程中mitomiR-181a、mitomiR-34a及mitomiR-146a過度表達(dá)。因此，相關(guān)mitomiRs可能通過介導(dǎo)下調(diào)表達(dá)Bcl-2進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能障礙，參與到衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。mitomiRs可能作為衰弱綜合征新的治療靶點(diǎn)。

4 線粒體相關(guān)基因表達(dá)異常在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機(jī)制

在線粒體的自身代謝中，輕微的線粒體損傷可通過融合/裂變等機(jī)制修復(fù)，而不可逆的線粒體損傷則通過自噬進(jìn)行清除。此外，被清除的線粒體及其功能則由新合成的線粒體取代，該種現(xiàn)象被稱為線粒體生物發(fā)生（Mitochondrial biogenesis）［23］。pgc-1α可通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控其下游基因，如核因子紅細(xì)胞2相關(guān)因子 2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2） ，促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生［24］。

Nrf2作為一種轉(zhuǎn)錄因子，通過與靶基因啟動子中的抗氧化反應(yīng)元件（ARE）結(jié)合，在介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)抗氧化反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用［25］，參與維持線粒體功能。HUANG等26使用老鼠為模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，衰老大鼠的Nrf2的 mRNA表達(dá)水平隨著衰弱表型評分的增加而降低，且Nrf2的缺乏導(dǎo)致中老年大鼠的身體功能和肌肉質(zhì)量下降，并加劇老年大鼠的衰弱狀態(tài)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，老年大鼠的生理功能和肌肉質(zhì)量的下降伴隨著線粒體生物發(fā)生和動力學(xué)相關(guān)基因的表達(dá)水平降低，以及骨骼肌中線粒體及其DNA水平數(shù)量、線粒體內(nèi)容物減少，且線粒體形態(tài)出現(xiàn)受損，由此證明Nrf2的缺乏在衰老過程中加重衰弱和肌少癥的發(fā)生，并且該效應(yīng)可能是通過與年齡依賴相關(guān)的方式損害骨骼肌線粒體。

CARDOSO 等［27］在 六 大 基 因 庫（GenAge，AnAge， LongevityMap， CellAge， DrugAge， Digital Aging Atlas）中檢索與衰弱綜合征相關(guān)的生物標(biāo)志物后發(fā)現(xiàn)，生長分化因子15（Growth Differentiation Factor 15，GDF15）和蛋白質(zhì)編碼基因Ⅲ型纖連蛋白域蛋白 5（Fibronectin type Ⅲ Domain Containing 5，F(xiàn)NDC5）可能是衰弱綜合征的核心生物標(biāo)記物之一。其中，GDF15是一種在應(yīng)激刺激狀態(tài)下釋放的多效細(xì)胞因子，在線粒體相關(guān)的疾病中表達(dá)增加，且高表達(dá)GDF15與線粒體功能障礙相關(guān)［28］?？缒さ鞍譌NDC5在代謝疾病中表達(dá)降低，其通過蛋白水解過程調(diào)節(jié)分泌肌源性鳶尾素（Irisin），后者可促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生，保護(hù)線粒體功能，并可能在線粒體功能障礙相關(guān)的疾病中表達(dá)降低［29］。以上均提示線粒體相關(guān)基因表達(dá)異?？蓪?dǎo)致線粒體功能障礙，線粒體相關(guān)基因可能是衰弱綜合征的核心標(biāo)志物之一，未來可能通過線粒體代謝功能評估患者的衰弱狀態(tài)。

5 線粒體相關(guān)免疫功能退化在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機(jī)制

伴隨年齡增長出現(xiàn)的機(jī)體內(nèi)在免疫系統(tǒng)功能的退化也參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展［30］。研究發(fā)現(xiàn)，老年人群的CD4+T細(xì)胞中存在大量功能失調(diào)的線粒體被自噬體吞噬，衰老過程伴隨線粒體的更替缺陷［31］。此外，線粒體在T淋巴細(xì)胞的激活、繁殖過程中調(diào)節(jié)能量代謝，因此也是重要的免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)器。由此，機(jī)體積累的功能障礙的線粒體不能為內(nèi)在免疫系統(tǒng)提供足夠的能量支持，進(jìn)而導(dǎo)致與年齡增長相關(guān)的內(nèi)在免疫系統(tǒng)功能出現(xiàn)退化，可能也是線粒體功能障礙促進(jìn)衰弱綜合征發(fā)生發(fā)展過程中的機(jī)制之一。

綜上所述，線粒體功能障礙在衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展中起到一定作用。線粒體功能障礙導(dǎo)致的氧化應(yīng)激反應(yīng)、線粒體能量代謝障礙、線粒體miRNAs表達(dá)異常及線粒體相關(guān)基因表達(dá)缺陷、機(jī)體內(nèi)在免疫功能退化均參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步明確線粒體功能障礙在衰弱綜合征發(fā)生發(fā)展中的具體作用機(jī)制，從而為衰弱綜合征的靶向干預(yù)提供理論依據(jù)。