線粒體功能障礙與心力衰竭的關(guān)系研究進(jìn)展

李炳龍，劉鵬程，劉翠云

心力衰竭是由于人的心臟結(jié)構(gòu)和(或)功能異常導(dǎo)致心室充盈或射血功能障礙的一組臨床綜合征。心力衰竭時(shí)，心肌收縮力下降，心排出量不能滿足機(jī)體的代謝需要，導(dǎo)致組織器官供血不足，出現(xiàn)體循環(huán)和(或)肺循環(huán)淤血的表現(xiàn)，最終成為各種心臟疾病的終末階段[1]。根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查顯示，在歐美國(guó)家，平均每100個(gè)人當(dāng)中就會(huì)有5個(gè)人因出現(xiàn)不同程度的心力衰竭而入院治療[2]。心血管疾病的發(fā)病率在我國(guó)呈逐年上升的趨勢(shì)，而心力衰竭作為心血管疾病的終末階段，呈現(xiàn)出發(fā)病率高、住院率高、死亡率高、預(yù)后差的特點(diǎn)[3]。研究表明，線粒體功能障礙和心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，其中線粒體能量代謝障礙、基因突變、氧化應(yīng)激損傷以及鈣穩(wěn)態(tài)失衡是誘導(dǎo)心力衰竭的重要因素[4]。深入研究線粒體功能障礙與心力衰竭的關(guān)系，有利于尋找治療心力衰竭的新靶點(diǎn)。作者就線粒體功能障礙與心力衰竭發(fā)病關(guān)系的相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述。

1 線粒體的結(jié)構(gòu)

線粒體是具有磷脂雙分子層的細(xì)胞器，主要由膜間隙、外膜、內(nèi)膜和基質(zhì)組成[5]。膜間隙位于外膜和內(nèi)膜之間，在蛋白質(zhì)跨線粒體膜運(yùn)輸以及氧化磷酸化的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。外膜是一種對(duì)小分子物質(zhì)具有通透性的線粒體通道蛋白，內(nèi)膜通過(guò)多重折疊的線粒體嵴結(jié)構(gòu)增加表面積，用來(lái)裝配通道蛋白、幾乎所有的電子呼吸鏈復(fù)合體以及三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)酶復(fù)合體。線粒體基質(zhì)則含有檸檬酸循環(huán)的各種酶和底物[6]。此外，線粒體是唯一具有自身雙鏈環(huán)狀DNA的細(xì)胞器，能夠相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。

2 線粒體的功能

2.1 產(chǎn)生能量 線粒體不斷進(jìn)行有氧氧化過(guò)程并產(chǎn)生能量，在細(xì)胞代謝活動(dòng)中具有重要作用。心肌細(xì)胞所需能量大部分來(lái)自于脂肪，小部分來(lái)自于碳水化合物[7]。游離脂肪酸和葡萄糖作為主要供能物質(zhì)，經(jīng)脂肪酸β氧化和葡萄糖的糖酵解過(guò)程，最終在線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)變成乙酰輔酶A，進(jìn)而參與檸檬酸循環(huán)。脂肪酸β氧化過(guò)程中的每一循環(huán)需要由不同的酶催化，包括脂肪酸β氧化酶、長(zhǎng)鏈?；o酶A水化酶、長(zhǎng)鏈3-酮酰輔酶A硫解酶等[7]。在檸檬酸循環(huán)中產(chǎn)生的還原型輔酶Ⅰ和H+可以沿著電子呼吸鏈傳遞，通過(guò)ATP酶復(fù)合體進(jìn)入線粒體基質(zhì)，釋放線粒體膜電位中的勢(shì)能催化二磷酸腺苷磷酸化，生成ATP，供機(jī)體生命活動(dòng)所需[8]。

2.2 釋放活性氧簇 線粒體在產(chǎn)能的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)等產(chǎn)物，ROS可以使線粒體滲透轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放，從而調(diào)節(jié)線粒體膜的通透性，造成線粒體內(nèi)外離子濃度的失衡。此外，ROS還可以激活各種轉(zhuǎn)錄因子，例如細(xì)胞色素C轉(zhuǎn)移酶、BAX、Caspase等[9]。更多研究表明ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激還會(huì)造成線粒體自身結(jié)構(gòu)和功能的改變，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體自噬和細(xì)胞自噬[10]。

2.3 調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+濃度 Ca2+在心肌興奮收縮耦聯(lián)中起著核心作用。研究表明線粒體攝取和釋放Ca2+是通過(guò)線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)體來(lái)進(jìn)行，在此過(guò)程中受到線粒體Ca2+攝取蛋白的調(diào)節(jié)[11]。因此，線粒體能敏銳地感受到Ca2+濃度的改變，并通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)體的開(kāi)放與關(guān)閉來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的恒定，避免Ca2+超載，防止對(duì)細(xì)胞造成損傷。

2.4 線粒體分裂與融合 線粒體具有高度動(dòng)態(tài)性，能夠通過(guò)分裂和融合兩個(gè)完全相反的過(guò)程來(lái)維持線粒體乃至細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂與融合功能的紊亂將會(huì)影響線粒體在細(xì)胞內(nèi)分布的改變，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞分裂以及細(xì)胞對(duì)不同信號(hào)的反應(yīng)產(chǎn)生影響，擾亂正常的細(xì)胞周期[12]。

3 線粒體功能障礙

線粒體的功能主要是滿足細(xì)胞能量和代謝的需求，但是在核編碼線粒體蛋白突變、組織特異性、線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)遺傳多態(tài)性以及其他一些致病因素和有害環(huán)境影響不會(huì)誘導(dǎo)線粒體功能障礙。其中mtDNA突變、缺失或受損最容易導(dǎo)致線粒體功能障礙[13]。mtDNA缺乏組蛋白的保護(hù)而呈現(xiàn)裸露的閉合雙鏈結(jié)構(gòu)，而且由于mtDNA具有較高復(fù)制頻率，不對(duì)稱復(fù)制，缺乏精確的修復(fù)系統(tǒng)，處于高ROS環(huán)境等特點(diǎn)[14]，使得mtDNA更易誘發(fā)突變。mtDNA突變的積累會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞高水平的異質(zhì)性從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。另外，線粒體內(nèi)含有大量的凋亡促進(jìn)因子如P53等，當(dāng)膜的通透性改變時(shí)，凋亡促進(jìn)因子被釋放，破壞線粒體電子傳遞鏈結(jié)構(gòu)，使電子不能正常傳遞，ATP產(chǎn)生量銳減，細(xì)胞無(wú)法獲得充足的能量進(jìn)行生命活動(dòng)[15]。

線粒體功能障礙能夠促進(jìn)多種疾病的發(fā)生發(fā)展。Toglia等[16]研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者組織內(nèi)的線粒體數(shù)量明顯少于正常，ATP生成不足，揭示了阿爾茨海默病與線粒體能量代謝障礙有著密切聯(lián)系。Gautier等[17]認(rèn)為生物能量缺失和氧化應(yīng)激是帕金森病中多巴胺能神經(jīng)元缺失的主要原因。除此之外，由特定的環(huán)境損傷以及a-synuclein、parkin、DJ-1、PINK1和LRRK2等基因突變導(dǎo)致的線粒體功能障礙，能夠進(jìn)一步惡化帕金森病患者的病情[18]。線粒體功能障礙還與腫瘤細(xì)胞的代謝紊亂、無(wú)限增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等異質(zhì)性密切相關(guān)。線粒體異常的糖代謝會(huì)誘導(dǎo)丙酮酸脫氫酶激酶1發(fā)生致癌性的突變，影響細(xì)胞正常分化，增加腫瘤形成機(jī)率[19]；異常的脂代謝升高ATP-檸檬酸裂解酶乙?；?，促進(jìn)脂類合成及腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)；異常的氨基酸代謝提高腫瘤細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺促還原型輔酶Ⅱ和谷胱甘肽生成能力，消耗腫瘤細(xì)胞內(nèi)過(guò)高的ROS，從而維持氧化還原體系的平衡，防止細(xì)胞凋亡。此外，線粒體鈣穩(wěn)態(tài)的異常、結(jié)構(gòu)的異常、功能的紊亂、膜穩(wěn)定性的改變等都在細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死及腫瘤發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色。

4 線粒體功能障礙與心力衰竭

4.1 能量代謝障礙與心力衰竭 線粒體是心肌細(xì)胞能量產(chǎn)生的動(dòng)力工廠，心臟的舒縮活動(dòng)需要消耗巨大的能量。正常情況下，90%以上的能量通過(guò)線粒體氧化磷酸化過(guò)程生成，小部分通過(guò)脂肪酸和葡萄糖無(wú)氧糖酵解途徑產(chǎn)生[20]。當(dāng)氧供嚴(yán)重缺乏時(shí)，機(jī)體主要依賴糖酵解途徑代償產(chǎn)能。Nguyen等[21]在用庚酸甘油脂誘導(dǎo)壓力超負(fù)荷引起大鼠心力衰竭的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著心力衰竭的發(fā)展，底物氧化生成的ATP數(shù)量以及心肌細(xì)胞對(duì)ATP的利用率都有所下降。心力衰竭初期，心肌底物利用障礙，游離脂肪酸氧化代謝能力下降，葡萄糖氧化代謝產(chǎn)能增加，從而導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少，此時(shí)線粒體代償作用增加，因此能量的供應(yīng)與消耗基本維持平衡；心力衰竭后期，線粒體代償功能減弱，數(shù)量減少，加劇了能量缺乏的代謝障礙[22]。此外，心力衰竭時(shí)，心肌線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性受到抑制，使ATP合成酶活性降低[23]，進(jìn)而影響ATP敏感的鉀通道活性[24]。故在臨床研究中顯示線粒體生物合成障礙開(kāi)始于臨床心臟代償性肥大階段，在先天性心臟病患者，mtDNA復(fù)制缺陷會(huì)引起右心室線粒體減少及ATP敏感的鉀通道活性降低，使心臟產(chǎn)生病理性的肥厚和衰竭[23]。由此可見(jiàn)，線粒體能量代謝障礙影響心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展。

4.2 基因突變與心力衰竭 線粒體是半自主的細(xì)胞器，有自己的遺傳物質(zhì)，即mtDNA。mtDNA參與調(diào)控細(xì)胞的生命活動(dòng)，當(dāng)mtDNA突變時(shí)會(huì)導(dǎo)致線粒體膜電位下降，Ca2+內(nèi)流增加，細(xì)胞內(nèi)鈣超載，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。當(dāng)mtDNA突變累積到一定程度時(shí)，心肌細(xì)胞產(chǎn)生的能量低于組織、器官發(fā)揮功能所需要能量的最低閾值，心臟就會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的衰竭[25]。有研究表明，在心力衰竭患者的心肌細(xì)胞中過(guò)氧化物酶體增殖物可以激活受體γ輔激活因子1α，進(jìn)而抑制NRF-1等促線粒體生物合成因子表達(dá)，引起mtDNA數(shù)量減少[26]，而且受體γ輔激活因子1α敲除的小鼠線粒體形態(tài)也發(fā)生顯著的改變[27]。在心力衰竭小鼠模型中，心肌細(xì)胞ROS產(chǎn)生增多，引起基質(zhì)金屬蛋白酶升高，線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)可以抑制其上調(diào)[28]。TFAM過(guò)表達(dá)可以保持mtRNA拷貝數(shù)，減輕氧化應(yīng)激的損傷，增加了心肌順應(yīng)性，抑制心室重構(gòu)[29]。

4.3 氧化應(yīng)激損傷與心力衰竭 氧化應(yīng)激損傷是指機(jī)體ROS生成增多和(或)抗氧化防御機(jī)能降低，導(dǎo)致氧化還原平衡破壞，引起細(xì)胞氧化損傷的病理過(guò)程[30]。當(dāng)心肌發(fā)生缺血、缺氧等病理改變時(shí)，線粒體氧化磷酸化功能障礙，導(dǎo)致線粒體呼吸鏈損傷，直接或間接損傷心肌細(xì)胞[31]。線粒體氧自由基可以調(diào)控細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，或作用于核酸水平，引起膜脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)、蛋白質(zhì)功能抑制和G蛋白與效應(yīng)器的耦聯(lián)失調(diào)，從而引起心力衰竭。ROS可以通過(guò)RAS-RAF-ERK途徑介導(dǎo)內(nèi)皮素產(chǎn)生，也可以通過(guò)ROS氧化修飾心肌的肌原纖維蛋白抑制心臟的舒縮功能，導(dǎo)致心功能下降[32]。ROS還可以調(diào)節(jié)NF-κB的活性，從而激活誘發(fā)心肌肥厚的信號(hào)通路以及相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[33]。

4.4 鈣穩(wěn)態(tài)失衡與心力衰竭 鈣穩(wěn)態(tài)是指線粒體通過(guò)攝取和排出Ca2+維持體內(nèi)的鈣平衡，線粒體Ca2+濃度對(duì)線粒體ATP的生成、離子通道的通透性以及鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要的作用。衰竭的心肌細(xì)胞線粒體數(shù)量減少、肌漿網(wǎng)攝取能力降低，導(dǎo)致大量Ca2+在細(xì)胞內(nèi)蓄積，影響氧化磷酸化過(guò)程，進(jìn)而減少ATP合成，誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡[34]。鈣超載時(shí)，胞漿過(guò)多的Ca2+由線粒體攝取，線粒體膜電位降低，通透轉(zhuǎn)運(yùn)孔道打開(kāi)，ATP消耗增多，引起心肌損傷[35]；心肌細(xì)胞肌漿網(wǎng)內(nèi)鈣容量降低導(dǎo)致鈣釋放障礙，心肌收縮力減弱，加重心力衰竭的程度。Ca2+濃度增加會(huì)激活鈣離子依賴的蛋白激酶和磷脂酶類的活性，使膜磷脂和結(jié)構(gòu)蛋白降解，伴隨著線粒體膜的通透性增加，引起線粒體變形腫脹，影響ATP的合成，加重能量代謝障礙[36]。

4.5 線粒體與心力衰竭治療的新靶點(diǎn) 在臨床研究中已證實(shí)線粒體是治療心力衰竭的重要靶點(diǎn)。曲美他嗪作為一種抗心肌缺血藥物，能夠改善線粒體能量代謝障礙。它可以選擇性抑制脂肪酸β氧化酶活性，減少游離脂肪酸氧化，增加葡萄糖氧化，使線粒體ATP合成增加，為心肌細(xì)胞提供能量[37]，同時(shí)抑制線粒體長(zhǎng)鏈3-酮酰輔酶A硫解酶，使心肌合成ATP耗氧減少，優(yōu)化心肌細(xì)胞能量產(chǎn)生，從而改善心力衰竭患者的心功能?？ňS地洛作為第三代β受體阻斷劑，具有抗氧化作用，可以減輕鈣超載所致的心肌線粒體損傷和能量消耗。另外，相關(guān)研究揭示線粒體功能調(diào)控基因在心力衰竭中發(fā)揮重要作用。如SERCA2a基因能影響線粒體ATP敏感鉀通道，從而調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞鈣循環(huán)，改善心力衰竭患者的心肌功能。另外，研究發(fā)現(xiàn)TFAM能夠維持線粒體拷貝數(shù)，抑制心衰時(shí)造成的基質(zhì)金屬蛋白酶升高，減輕氧化應(yīng)激損傷，從而抑制心力衰竭的發(fā)展，這將為心力衰竭的治療提供新思路[28]。

5 小結(jié)

線粒體在機(jī)體產(chǎn)生能量、氧化應(yīng)激、維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的恒定以及保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性等方面扮演著重要角色，但同時(shí)其功能障礙也與多種疾病的發(fā)生有關(guān)。線粒體能量代謝障礙、基因突變、氧化應(yīng)激、鈣穩(wěn)態(tài)破壞等都能夠促進(jìn)心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展。目前，以線粒體為靶點(diǎn)的藥物分子設(shè)計(jì)及研究已成為當(dāng)下熱門領(lǐng)域之一，深入研究并闡明線粒體功能障礙在心力衰竭中的靶向作用，針對(duì)不同的基因找到合適的靶點(diǎn)進(jìn)行靶向治療，對(duì)于心力衰竭的治療具有重要意義。但是線粒體功能障礙在心力衰竭發(fā)展過(guò)程中究竟是因是果，以及如何用簡(jiǎn)單可靠的方法來(lái)監(jiān)測(cè)線粒體功能障礙的發(fā)生等問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。隨著研究的深入，線粒體功能障礙在心力衰竭中的作用會(huì)日益凸顯，可為今后心力衰竭的治療提供新的理念。