基于線粒體動(dòng)力學(xué)的慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機(jī)制與保護(hù)策略

文富強(qiáng)，申永春

四川大學(xué)華西醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科/生物治療國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呼吸病學(xué)研究室（成都 610041）

慢性阻塞性肺疾病（慢阻肺）是一種以持續(xù)的氣流受限和呼吸道癥狀為主要臨床特征的可防可治的慢性呼吸系統(tǒng)疾病[1]。慢阻肺發(fā)病率高，致殘率高，死亡率高，已成為嚴(yán)重影響國(guó)人健康的重要疾病負(fù)擔(dān)[2-3]。慢阻肺的發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，導(dǎo)致其臨床治療仍存在較大的挑戰(zhàn)，雖然當(dāng)前以吸入性支氣管擴(kuò)張劑、吸入性糖皮質(zhì)激素為主的治療能緩解病人的臨床癥狀，改善生活質(zhì)量，但是在顯著改善病人預(yù)后方面仍未取得明顯的臨床進(jìn)展[4-5]。深入探索慢阻肺的發(fā)病機(jī)制，對(duì)于發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)和新型的干預(yù)方案，具有重要的臨床意義。

線粒體是參與調(diào)節(jié)細(xì)胞能量生成、氧化應(yīng)激和代謝的重要細(xì)胞器，線粒體通過(guò)分裂和融合的動(dòng)態(tài)平衡維持正常的形態(tài)和功能，線粒體分裂和融合的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換稱之為線粒體動(dòng)力學(xué)[6-7]。線粒體動(dòng)力學(xué)受線粒體融合和分裂相關(guān)的多種蛋白質(zhì)影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線粒體受到外界刺激時(shí)，其分裂和融合蛋白會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)異常，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體形態(tài)和功能的改變，以此參與到炎癥等病理生理進(jìn)程中[6-7]。越來(lái)越多的研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)參與了慢阻肺的發(fā)病機(jī)制，圍繞線粒體動(dòng)力學(xué)研究，有望為慢阻肺的發(fā)病機(jī)制及防治尋找到新的研究思路[8]。

1 線粒體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

線粒體動(dòng)力學(xué)主要包括融合和分裂兩個(gè)最重要的生理學(xué)進(jìn)程[6-7]。線粒體融合是將兩個(gè)相鄰的線粒體融合為一個(gè)新的線粒體，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)線粒體的修復(fù)過(guò)程，對(duì)于維持線粒體自身的生理功能具備重要的意義。介導(dǎo)線粒體融合的主要白蛋白包括位于線粒體外膜的線粒體融合蛋白1（Mitofusion 1，Mfn1）、線粒體融合蛋白2（Mitofusion 2，Mfn2）和位于線粒內(nèi)膜和線粒體膜間隙的視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1，Opa1），線粒體融合需要高度協(xié)調(diào)，任何環(huán)節(jié)的異常都會(huì)導(dǎo)致線粒體融合發(fā)生障礙，導(dǎo)致線粒體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的異常，進(jìn)而導(dǎo)致相應(yīng)的病理生理改變。線粒體分裂是細(xì)胞產(chǎn)生線粒體的重要方式，也是清除受損線粒體、維持線粒體正常功能的重要手段。介導(dǎo)線粒體分裂的主要蛋白質(zhì)包括線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）、線粒體分裂蛋白1（fission protein 1，F(xiàn)is1）、線粒體裂變因子（mitochondrial fission factor，Mff）、線粒體動(dòng)態(tài)蛋白（mitochondrial dynamics proteins，Mid）49、MiD51 等。維持線粒體融合和分裂的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)于維持正常的生理過(guò)程具有重要的意義，本文將重點(diǎn)評(píng)述線粒體融合和分裂蛋白在慢阻肺中的潛在作用與機(jī)制。

2 線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白與慢阻肺

2.1 慢阻肺病人存在線粒體動(dòng)力學(xué)異常

肺氣腫表型是慢阻肺最重要的臨床表型之一，研究發(fā)現(xiàn)在肺氣腫病人中存在顯著的線粒體動(dòng)力學(xué)異常，通過(guò)Western blot 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，肺氣腫病人II 型肺泡上皮細(xì)胞（alveolar type II cell，ATII）中的p-Drp1 水平較不吸煙組、吸煙組相比顯著升高，在肺組織線粒體組分發(fā)現(xiàn)，肺氣腫病人的p-Drp1 較非吸煙者顯著降低，但是與不吸煙組、吸煙組相比，Drp1的mRNA表達(dá)未見明顯異常；細(xì)胞免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)肺氣腫病人的氣道上皮II型細(xì)胞中的Fis1、Opa1的表達(dá)降低；Western blot檢測(cè)發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)線粒體融合的Mfn1、Mfn2在肺氣腫病人的氣道上皮II 型細(xì)胞中的表達(dá)下降，這些發(fā)現(xiàn)提示線粒體動(dòng)力學(xué)在肺氣腫病人中存在顯著的異常，可能參與了慢阻肺的發(fā)病[9]。在另外一項(xiàng)研究中，在慢阻肺病人分離的原代氣道上皮細(xì)胞中觀察到了線粒體形態(tài)異常，比如線粒體腫脹，碎片化增加，但是并未在慢阻肺病人原代氣道上皮細(xì)胞中觀察到Opa1 在mRNA 水平的異常表達(dá)[10]。目前關(guān)于線粒體動(dòng)力學(xué)在慢阻肺病人中的研究仍相對(duì)較少，還需要進(jìn)一步的研究證實(shí)。

2.2 香煙暴露導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)異常

香煙暴露是慢阻肺最重要的危險(xiǎn)因素之一，既往研究發(fā)現(xiàn)香煙暴露會(huì)導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)的損傷，利用香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）刺激人支氣管上皮細(xì)胞（Beas-2B）后，可導(dǎo)致線粒體腫脹、線粒體碎片化增加、線粒體內(nèi)膜嵴數(shù)量的減少、線粒體膜去極化，同時(shí)線粒體呼吸減少，氧化應(yīng)激水平上升，導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白（Fis1，Mfn1，Mfn2，Drp1，Opa1）的異常表達(dá)[10]。CSE 刺激原代肺上皮細(xì)胞后，可誘導(dǎo)Drp1 表達(dá)增加，Mfn2 表達(dá)降低[11]，在CSE 誘導(dǎo)的氣道上皮損傷模型中，CSE 暴露可降低Opa1 和Mfn2 的表達(dá)，增加Drp1 和MFF 的表達(dá)[12]。在CSE 暴露的小鼠肺上皮細(xì)胞、原代小鼠肺泡上皮細(xì)胞中也觀察到了線粒體延長(zhǎng)，過(guò)度融合，Mfn2 表達(dá)增加線粒體動(dòng)力學(xué)異常[13]。在暴露于CSE的人氣道平滑肌細(xì)胞中也觀察到了線粒體形態(tài)和功能的異常，伴隨著Drp1 的上調(diào)與Mfn2 的下調(diào)[14]。CSE 刺激人支氣管上皮（human bronchial epithelial，HBE）細(xì)胞后可降低Mfn2的表達(dá)[15]。這些研究均證實(shí)慢阻肺的重要危險(xiǎn)因素香煙暴露可導(dǎo)致線粒體動(dòng)力學(xué)異常，可能參與慢阻肺的發(fā)病機(jī)制。

3 基于線粒體動(dòng)力學(xué)的慢阻肺發(fā)病機(jī)制與干預(yù)研究

3.1 Mfn2

Mfn2 是一種高度保守的跨膜GTP 酶，是線粒體外膜融合的重要效應(yīng)因子，Mfn2參與調(diào)控線粒體融合，轉(zhuǎn)運(yùn)及線粒體自噬，調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡，是調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)的重要蛋白[16]。研究發(fā)現(xiàn)，Mfn2 在CSE 刺激的HBEs和香煙/脂多糖誘導(dǎo)的小鼠肺組織中的表達(dá)水平均顯著升高，在HBEs中敲低Mfn2則導(dǎo)致線粒體碎片化，膜電位降低與線粒體形態(tài)的改變，增加CSE 刺激誘導(dǎo)的炎癥因子IL-6、IL-8 的mRNA 表達(dá)水平，提示下調(diào)Mfn2可能會(huì)增加氣道上皮對(duì)炎癥刺激的反應(yīng)，其調(diào)控機(jī)制可能是通過(guò)調(diào)控脂肪酸氧化反應(yīng)與mTOR信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的[17]。白蘆藜醇可通過(guò)上調(diào)Mfn2減輕CSE誘導(dǎo)HBE細(xì)胞凋亡，在香煙誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡中Mfn2也發(fā)揮了重要作用[18]。在CSE 暴露的人氣道平滑肌細(xì)胞中，基于Mfn2 的siRNA 的干預(yù)可以參與調(diào)節(jié)線粒體能量代謝，細(xì)胞增殖與細(xì)胞凋亡，參與到人氣道平滑肌細(xì)胞的調(diào)控中[19]，有可能在慢阻肺的氣道重塑中發(fā)揮調(diào)控作用。因此，Mfn2可能是調(diào)控慢阻肺炎癥反應(yīng)與氣道重塑的新靶點(diǎn)。

3.2 Opa1

Opa1 是調(diào)控線粒體融合時(shí)間的主要的GTP 酶，Opa1 有幾種異構(gòu)體，發(fā)揮不同的調(diào)控機(jī)制，主要分為兩種：長(zhǎng)（L-）和短（S-）異構(gòu)體。美國(guó)羅徹斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的研究發(fā)現(xiàn)，慢阻肺病人肺組織中，短Opa1 亞型被檢測(cè)到并顯著增加，并在香煙暴露的小鼠肺組織中觀察到了類似的現(xiàn)象。對(duì)Beas-2B 細(xì)胞、人胎肺成纖維細(xì)胞進(jìn)行CSE 處理會(huì)增加長(zhǎng)Opa1 同工型向短Opa1 亞型的轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨著細(xì)胞中線粒體應(yīng)激相關(guān)蛋白SLP2的表達(dá)。使用BGP-15（激活Opa1）干預(yù)后能夠在CSE 處理的細(xì)胞中保存長(zhǎng)Opa1 亞型[20]。香煙暴露會(huì)影響Opa1蛋白亞型的轉(zhuǎn)化，取決于香煙暴露的濃度和時(shí)間，繼而導(dǎo)致體外和體內(nèi)肺細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)改變和線粒體功能障礙，Opa1可能是干預(yù)慢阻肺的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。需要注意的是，關(guān)于Mfn2 在慢阻肺患者、在CES 誘導(dǎo)的細(xì)胞模型中的表達(dá)仍存在相對(duì)矛盾的發(fā)現(xiàn)，未來(lái)還需要更多的研究來(lái)證實(shí)Mfn2的作用機(jī)制。

3.3 Drp1

Drp1 主要促進(jìn)線粒體分裂，骨骼肌功能障礙是慢阻肺病人重要的病理生理特征，研究發(fā)現(xiàn)，使用不同濃度CSE 刺激股四頭肌細(xì)胞，Drp1 的表達(dá)較對(duì)照組顯著升高，伴隨著ROS 釋放和凋亡增加，研究者提出，CSE可能通過(guò)上調(diào)Drp1影響線粒體分裂，影響細(xì)胞能量代謝，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，進(jìn)而導(dǎo)致慢阻肺病人的骨骼肌功能障礙[21]。在此基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)香煙通過(guò)上調(diào)肌肉生長(zhǎng)抑制素，增加過(guò)氧化物的生成，降低線粒體膜電位，促進(jìn)Drp1 介導(dǎo)的線體分裂，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡，進(jìn)一步探索了Drp1調(diào)控骨骼肌功能障礙的機(jī)制[22]。MIZUMURA 等[23]報(bào)道使用Drp1 抑制劑Mdivi-1能夠降低CSE 誘導(dǎo)的Beas-2B 細(xì)胞的線粒體分裂，通過(guò)抑制自噬維持線粒體功能，降低CSE 誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡；建立3 周的香煙暴露小鼠模型，Mdivi-1 干預(yù)可以減輕香煙誘導(dǎo)的黏膜纖毛清除功能障礙。在Cathepsin E過(guò)表達(dá)誘導(dǎo)的小鼠肺氣腫模型中，Drp1的表達(dá)顯著增加，使用Mdivi-1干預(yù)后能降低Cathepsin E過(guò)表達(dá)小鼠的凋亡和肺氣腫嚴(yán)重程度，提示基于Drp1的線粒體分裂通過(guò)調(diào)控凋亡參與了肺氣腫的發(fā)生與發(fā)展[24]。新近的研究也發(fā)現(xiàn)，Mdivi-1干預(yù)能降低CSE誘導(dǎo)的支氣管上皮細(xì)胞的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，部分恢復(fù)線粒體結(jié)構(gòu)[25]。這些研究均提示基于Drp1的干預(yù)有望為慢阻肺的干預(yù)提供新的方向。

4 基于線粒體動(dòng)力學(xué)的慢阻肺保護(hù)策略

圍繞著線粒體動(dòng)力學(xué)，如何對(duì)慢阻肺進(jìn)行干預(yù)呢？目前有兩個(gè)大的方向。第一，在整體層面維持線粒體動(dòng)力學(xué)與功能穩(wěn)定，本研究團(tuán)隊(duì)的前期研究表明，通過(guò)靶向線粒體的抗氧化藥物Mitoquinone 和SS-31 干預(yù)，可以抑制線粒體分裂蛋白，上調(diào)線粒體融合蛋白，從而維持線粒體動(dòng)力學(xué)與功能穩(wěn)定，降低香煙誘導(dǎo)的氣道炎癥損傷與粘液高分泌，具備潛在的慢阻肺保護(hù)作用[26-27]。研究發(fā)現(xiàn)，MitoTEMPO 是一種線粒體靶向超氧化物歧化酶模擬物，具有超氧化物和烷基自由基清除特性，可以降低CSE 誘導(dǎo)氣道上皮細(xì)胞Beas-2B 細(xì)胞的線粒體ROS的產(chǎn)生、線粒體分裂與凋亡，在慢阻肺的治療中也具備潛在的價(jià)值[28]。第二，基于單個(gè)線粒體動(dòng)力蛋白的干預(yù)，比如上述研究中提到，Drp1抑制劑Mdivi-1 能改善CS 誘導(dǎo)的線粒體功能障礙，改善減輕香煙誘導(dǎo)的黏膜纖毛清除功能障礙，基于單個(gè)靶點(diǎn)去尋找有效的激動(dòng)劑或者抑制劑，有望從基于線粒體動(dòng)力學(xué)的角度找到新的干預(yù)靶點(diǎn)與保護(hù)策略。

5 小結(jié)與展望

越來(lái)越多的研究證據(jù)表明，線粒體動(dòng)力學(xué)在慢阻肺的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要作用，圍繞著線粒體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行慢阻肺相關(guān)的干預(yù)和藥物研發(fā)系目前的研究熱點(diǎn)。但是目前關(guān)于線粒體分裂和融合蛋白的調(diào)控機(jī)制仍然不夠清楚，首先，香煙或者其他危險(xiǎn)因素暴露對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白的影響與表達(dá)尚未深入研究，不同的暴露時(shí)長(zhǎng)，在不同的疾病階段，線粒體動(dòng)力學(xué)蛋白與機(jī)制的轉(zhuǎn)化還需要進(jìn)一步研究；第二，目前關(guān)于Mfn1、Mfn2、Drp1、Fis1、Opa1等線粒體分裂和融合蛋白在慢阻肺中的發(fā)病機(jī)制研究仍然相對(duì)缺乏，比如關(guān)于Mfn1、Fis1、MFF在慢阻肺中的機(jī)制的研究報(bào)道還相對(duì)較少，同時(shí)不同的線粒體動(dòng)力蛋白在病理生理過(guò)程中的作用非常復(fù)雜，比如敲低Opa1和Mfns可以誘導(dǎo)人氣道上皮細(xì)胞衰老，但是敲低線粒體分裂蛋白基因Fis1、Drp1 并未增加細(xì)胞的衰老程度[29]，針對(duì)單個(gè)線粒體動(dòng)力蛋白靶點(diǎn)的干預(yù)還需要進(jìn)一步研究。第三，在明確單個(gè)線粒體融合和分裂蛋白作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，還需要從整體的層面考慮，探索線粒體融合和分裂蛋白之間的相互作用關(guān)系。因此，明確這些調(diào)控的過(guò)程在慢阻肺中的關(guān)系非常重要，可能會(huì)有助于改進(jìn)目前的治療策略。因此未來(lái)的研究還需要深入探索線粒體動(dòng)力學(xué)的具體調(diào)控機(jī)制，圍繞著這些機(jī)制和靶點(diǎn)，開發(fā)出新的慢阻肺干預(yù)藥物并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終造福于慢阻肺病人。

（利益沖突：無(wú)）