線粒體功能障礙在肺動脈高壓形成中的作用機制

崔志峰，孫佳偉，劉美洋，宮小薇，袁雅冬

肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）以肺血流動力學(xué)和血管生長調(diào)節(jié)受損為特點，伴有肺動脈管壁增厚、炎癥細胞浸潤及右心室室壁增厚。臨床上始終在探尋改善或逆轉(zhuǎn)肺血管重構(gòu)的策略。研究顯示，PH動物模型肺動脈內(nèi)皮細胞（pulmonary artery endothelial cells，PAECs）、肺動脈平滑肌細胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）及右心室心肌細胞內(nèi)的線粒體存在功能障礙，而應(yīng)用野百合堿誘導(dǎo)的PH大鼠靜脈注射同種異體健康的線粒體，其肺動脈主干直徑、右心室直徑、右心室室壁厚度明顯減小，且血清腦鈉肽（brain natriuretic peptide，BNP）水平明顯降低［1］。表明存在功能障礙的線粒體參與肺血管及右心室的重塑，恢復(fù)線粒體功能有望成為PH治療的新策略。本文總結(jié)既往研究成果，探討了線粒體功能障礙在肺動脈高壓中的作用機制。

1 線粒體功能

線粒體的主要生理功能是通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，其他功能包括產(chǎn)生生理劑量的線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species，mtROS）、調(diào)節(jié)細胞質(zhì)和線粒體基質(zhì)鈣離子、調(diào)控細胞凋亡、參與代謝物的合成和分解以及運輸細胞器到細胞內(nèi)的正確位置。以上過程中任何異常均被稱為線粒體功能障礙［2］。為了維持功能的穩(wěn)定，線粒體通過質(zhì)量控制不斷自我更新，即通過線粒體動力學(xué)調(diào)整形態(tài)、線粒體自噬清除受損成分以及線粒體生物發(fā)生補充新的線粒體。

2 線粒體功能障礙

2.1 三羧酸循環(huán)減弱 在缺氧條件下，大多數(shù)高代謝細胞中的脂肪酸氧化會減弱，從而允許代謝底物從脂肪酸轉(zhuǎn)化為糖酵解［3-4］，在短時間內(nèi)補償受損的能量，并發(fā)揮對部分器官的保護作用。然而這種轉(zhuǎn)化會影響電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）相關(guān)蛋白的活性，導(dǎo)致氧化磷酸化受損和ATP產(chǎn)生受限［5］。

2.2 mtROS產(chǎn)生增加 mtROS包括超氧陰離子、H2O2等。進入ETC中的電子從復(fù)合物Ⅰ和復(fù)合物Ⅲ漏出，與O2結(jié)合形成超氧陰離子，然后經(jīng)超氧化物歧化酶轉(zhuǎn)化為H2O2，線粒體抗氧化系統(tǒng)進一步將H2O2還原為H2O［6］。生理條件下，線粒體抗氧化防御系統(tǒng)在細胞器中維持低水平的mtROS；而在應(yīng)激條件下，當(dāng)mtROS產(chǎn)生量超過線粒體抗氧化防御能力或抗氧化防御系統(tǒng)受損時，mtROS就會積累并與NO迅速反應(yīng)形成強氧化劑和硝化劑，進而加劇線粒體內(nèi)外的氧化損傷［5，7］。

2.3 線粒體鈣調(diào)控異常 細胞的許多重要生理代謝活動均與鈣離子有關(guān)。鈣以與蛋白結(jié)合形式存在于細胞質(zhì)中，此外還有一大部分鈣被分隔貯存于線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等胞內(nèi)鈣庫中。線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞內(nèi)鈣的重要儲存細胞器，二者間鈣轉(zhuǎn)運失調(diào)可導(dǎo)致細胞損傷［8］。線粒體內(nèi)鈣濃度下降具有促進PASMCs增殖的作用。

2.4 線粒體質(zhì)量控制異常 線粒體質(zhì)量控制包括線粒體動力學(xué)、線粒體自噬及線粒體生物發(fā)生，其異常會導(dǎo)致線粒體功能障礙。線粒體不是靜態(tài)的細胞器，而是在不斷地進行融合和分裂，這兩個過程即線粒體動力學(xué)。通過分裂和融合，線粒體的大小、形狀、位置和質(zhì)量會根據(jù)細胞代謝狀態(tài)進行調(diào)整。這種動態(tài)平衡的破壞會損害線粒體功能。線粒體質(zhì)量控制中的線粒體自噬也會引起線粒體功能障礙，盡管有研究認為線粒體自噬是線粒體功能的“守護者”［9］，但過度的線粒體自噬會損傷線粒體功能［10］。過度的線粒體自噬通過消耗細胞ATP儲備來誘導(dǎo)細胞死亡［11］。線粒體生物發(fā)生異常同樣會引起線粒體功能障礙，線粒體生物發(fā)生是產(chǎn)生新的線粒體和線粒體DNA復(fù)制的過程，可以滿足各種環(huán)境壓力下不斷變化的能量需求。線粒體生物發(fā)生障礙會導(dǎo)致線粒體呼吸功能下降，研究發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸障礙可引起嚴重的氧化應(yīng)激［12］。

3 線粒體功能障礙與PH

在PH大鼠模型中存在ATP生成減少、氧化應(yīng)激、鈣調(diào)節(jié)異常等線粒體功能障礙以及線粒體質(zhì)量控制異常，這些與PH的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。

3.1 三羧酸循環(huán)與PH 能源物質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，然后進入三羧酸循環(huán)徹底分解是各種組織和細胞的基本能量供應(yīng)方式，故三羧酸循環(huán)的減弱可能反映組織和細胞的功能異常。研究發(fā)現(xiàn)，進入PH大鼠三羧酸循環(huán)的乙酰輔酶A減少［13-15］。有研究顯示在葡萄糖代謝中，PH患者及動物模型的PAECs、PASMCs中葡萄糖有氧氧化減弱、糖酵解增強、葡萄糖攝取量明顯增加［13-17］。上述細胞中丙酮酸脫氫酶激酶升高可抑制丙酮酸脫氫酶的活性，進而限制丙酮酸在線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A。丙酮酸脫氫酶激酶抑制劑二氯乙酸酯可降低PH患者平均肺動脈壓并改善其6分鐘步行試驗結(jié)果［18］。

研究顯示，在脂肪酸代謝中，PH大鼠右心室心肌細胞中線粒體內(nèi)脂肪酸β氧化減少、糖酵解增強、脂肪酸攝取與合成增加［3-4］。PAECs、PASMCs中細胞膜脂肪酸轉(zhuǎn)運體CD36、線粒體脂肪酸轉(zhuǎn)運體Cpt1a和Cpt1b以及參與β氧化的脂酰輔酶A脫氫酶轉(zhuǎn)錄明顯下調(diào)，限制脂肪酸代謝為乙酰輔酶A。為了證實上述結(jié)果，SPYROPOULOS等［3］研究應(yīng)用碳酸酐酶抑制劑乙酰唑胺治療PH大鼠，結(jié)果顯示，其可明顯恢復(fù)細胞膜脂肪酸轉(zhuǎn)運體CD36及脂酰輔酶A脫氫酶的表達，從而逆轉(zhuǎn)PH大鼠的血管重塑和右心衰竭。

谷氨酰胺代謝的增強對于腫瘤細胞的快速增殖起著至關(guān)重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，PH小鼠PAECs中谷氨酰胺酶表達上調(diào)以及谷氨酰胺代謝增強［19-20］。在小鼠PAECs中，谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸進入三羧酸循環(huán)，并作為蛋白質(zhì)、脂肪和嘌呤嘧啶合成的原材料促進其合成代謝。而抑制谷氨酰胺酶表達可減弱PAECs增殖及抑制血管重塑［20］。

總之，在PH中葡萄糖、脂肪酸對三羧酸循環(huán)的貢獻減少而谷氨酰胺則相對增加，其中缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxiainducible factor-1α，HIF-1α）發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，其促進葡萄糖及脂肪酸的攝取，抑制葡萄糖及脂肪酸氧化，增加糖酵解水平［21-23］，還可以促進谷氨酰胺向生物合成途徑代謝［19］。HIF-1α誘導(dǎo)的這些代謝變化可促進肺血管增生。正如研究中所觀察到的，PH大鼠肺組織中HIF-1α表達增加，而降低HIF-1α的表達可以減輕肺血管重塑［24］。PH患者線粒體呼吸功能下降，細胞基質(zhì)中能源物質(zhì)攝取增加、生物合成增強。線粒體“燃燒”能力減退導(dǎo)致這些“燃料”逐漸“堆積”可能是肺動脈重塑及右心室肥厚的原因之一。

3.2 mtROS的產(chǎn)生與PH ETC是由兩個電子載體（泛醌和細胞色素C）和位于線粒體內(nèi)膜上的一系列復(fù)合物（復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）組成。在正常組織細胞的線粒體內(nèi)，復(fù)合物Ⅰ、復(fù)合物Ⅲ、復(fù)合物Ⅳ在轉(zhuǎn)運電子的同時將質(zhì)子泵入線粒體膜間隙，形成跨線粒體內(nèi)膜質(zhì)子勢能。線粒體內(nèi)膜上的ATP合酶利用質(zhì)子勢能合成ATP。

在正常情況下，一小部分電子從ETC逃逸并與氧相互作用產(chǎn)生mtROS。研究發(fā)現(xiàn)，PH動物PASMCs內(nèi)復(fù)合物Ⅰ、復(fù)合物Ⅱ、復(fù)合物Ⅲ存在活性缺陷，線粒體膜電位升高［25］。這些變化使線粒體由產(chǎn)生ATP轉(zhuǎn)向大量產(chǎn)生mtROS，成為產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要部位。KORDE等［26］研究顯示，低氧條件下小鼠PASMCs的線粒體區(qū)域比非線粒體區(qū)域更早產(chǎn)生ROS，并且產(chǎn)生更多的ROS。研究顯示，復(fù)合物Ⅰ、復(fù)合物Ⅱ、復(fù)合物Ⅲ的醌氧化位點Qo以及Rieske鐵硫蛋白（Rieske iron-sulfur proteins，RISP）與PASMCs中mtROS的產(chǎn)生相關(guān)［26-27］。在PASMCs中，通過抑制復(fù)合物Ⅰ、復(fù)合物Ⅱ、復(fù)合物Ⅲ的醌氧化位點Qo，mtROS產(chǎn)生明顯減少，且肺動脈壓下降［27］。使用針對性的小干擾RNA抑制RISP可明顯減少mtROS的產(chǎn)生，利用表達載體使RISP過表達則增加mtROS的產(chǎn)生；且RISP基因的喪失和過表達可分別阻斷和增強低氧性小鼠肺血管收縮［26］。然而，復(fù)合物Ⅲ的醌還原位點Qi及復(fù)合物Ⅳ與前者不同，抑制其可促進PH形成。推測抑制這兩個位點可能促進mtROS的產(chǎn)生。抗霉素A是復(fù)合物Ⅲ的醌還原位點Qi抑制劑，經(jīng)抗霉素A處理的大鼠PASMCs中糖酵解代謝增強，使得大鼠肺動脈、右心室收縮壓明顯升高［28］。有研究顯示，2例患者因線粒體復(fù)合物Ⅳ亞基COX5A的突變而出現(xiàn)肺動脈高壓、乳酸血癥和生長遲緩［29］。

除此之外，mtROS的產(chǎn)生還與線粒體膜電位的改變有關(guān)，解偶聯(lián)蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）可調(diào)控線粒體膜電位和mtROS的產(chǎn)生。UCP2是一種分布于線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白，其表達可造成質(zhì)子的泄漏，降低線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度梯度，即降低線粒體膜電位。研究發(fā)現(xiàn)，缺氧時小鼠PASMCs內(nèi)UCP2基因過表達，從而降低線粒體膜電位，減少mtROS產(chǎn)生，抑制細胞增殖；而敲除UCP2基因可導(dǎo)致線粒體膜電位升高，mtROS產(chǎn)生增加、細胞明顯增殖，并且UCP2基因敲除的小鼠出現(xiàn)自發(fā)性肺血管重構(gòu)［30］。線粒體膜電位超極化的促增殖作用可能在于其可促進mtROS的產(chǎn)生，因為自由基清除劑抑制mtROS后可改善UCP2基因敲除小鼠的PASMCs增殖［30］。

3.3 線粒體鈣調(diào)節(jié)與PH 線粒體具有儲存鈣的能力，有助于調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)以及胞質(zhì)鈣離子平衡。位于線粒體內(nèi)膜的線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運體（mitochondrial calcium uniporter，MCU）負責(zé)將鈣吸收到線粒體基質(zhì)中，而線粒體鈉鈣交換體（mitochondrial Na+/Ca2+exchanger，NCX）可以將鈣釋放回胞質(zhì)。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間存在“內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體單元”，該通道可使鈣離子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到線粒體［31］。

缺氧可引起小鼠PASMCs中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間的正常通道中斷，進而使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中鈣離子向線粒體的轉(zhuǎn)移減少，釋放到胞質(zhì)的鈣離子增加。線粒體內(nèi)鈣離子的減少使得具有鈣離子依賴性的丙酮酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、α-酮戊二酸脫氫酶活性下降，線粒體膜電位升高，從而抑制細胞凋亡，促進PASMCs增殖［31］。胞質(zhì)中鈣離子的增加可促進PASMCs收縮，并激活增殖細胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）、活化T細胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT），進而促進細胞增殖。

4-苯基丁酸可減弱內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，研究顯示該藥物可抑制缺氧誘導(dǎo)的線粒體鈣和線粒體功能的降低，抑制PASMCs的增殖，進而改善PH癥狀［31］?？傊?，線粒體異常鈣信號傳導(dǎo)可促進PASMCs增殖，進而導(dǎo)致PH。

3.4 線粒體質(zhì)量控制與PH 線粒體質(zhì)量控制通過調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量以維持其結(jié)構(gòu)和功能的完整性［32］。越來越多的研究表明，線粒體質(zhì)量控制在維持細胞增殖/凋亡平衡中發(fā)揮核心作用［10，33-34］。電壓依賴性陰離子選擇性通道（voltage-dependent anion channel，VDAC）和檸檬酸合酶都是線粒體質(zhì)量的標(biāo)志物，PH動物PASMCs中二者的表達水平較低［35］。

線粒體是一個動態(tài)的細胞器，在細胞內(nèi)可以分裂成碎片狀或融合成網(wǎng)絡(luò)狀，該過程稱為線粒體動力學(xué)。線粒體分裂成碎片狀可導(dǎo)致線粒體嵴缺乏，繼而抑制氧化磷酸化并同時增加mtROS的產(chǎn)生［36-37］，導(dǎo)致線粒體損傷加重，而損傷的線粒體易通過線粒體自噬被降解。而網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的線粒體發(fā)育出更多的嵴，有利于氧化磷酸化［36］。線粒體分裂主要由線粒體動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）介導(dǎo)，線粒體融合則由線粒體融合蛋白1（mitofusins 1，Mfn1）、線粒體融合蛋白2（mitofusins 2，Mfn2）以及視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）介導(dǎo)［36］。缺氧可導(dǎo)致PASMCs表達高水平的Drp1以及促進線粒體分裂；而線粒體分裂抑制劑可減弱線粒體分裂，并下調(diào)糖酵解相關(guān)酶的轉(zhuǎn)錄，進而抑制細胞增殖［33］。線粒體動力學(xué)蛋白（mitochondrial dynamics protein，MiD）是Drp1的接頭蛋白，Drp1必須與其復(fù)合才能引起線粒體分裂；而沉默MiD可促進線粒體融合并減少細胞增殖，在正常PASMCs中MiD過表達會導(dǎo)致線粒體分裂并促進細胞增殖［38］。有研究顯示，敲除HIF-1α基因的大鼠PASMCs中Drp1 mRNA及其蛋白表達水平明顯降低，Mfn2轉(zhuǎn)錄及表達增加，提示HIF-1α可促進線粒體分裂［39］。

線粒體自噬是一種選擇性地清除受損或有缺陷線粒體的過程。線粒體自噬與線粒體分裂密切相關(guān)，受損的線粒體從線粒體網(wǎng)絡(luò)中分離出來后被自噬體自噬。研究發(fā)現(xiàn)，在缺氧條件下小鼠PASMCs中線粒體自噬增加［40］。然而線粒體自噬在PH發(fā)展中的作用，存在相互矛盾的證據(jù)［41］。間歇性缺氧可導(dǎo)致肺組織中線粒體自噬標(biāo)志物PINK、Parkin增加，而沉默PINK1可使右心室收縮壓進一步升高，這表明了PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬在PH中具有保護作用；間歇性缺氧并敲除UCP2可導(dǎo)致肺組織中線粒體自噬標(biāo)志物PINK、Parkin明顯增加，而沉默PINK1可降低右心室收縮壓和減輕右心室肥厚，表明過度的線粒體自噬可能會導(dǎo)致PH加重［10］。此外有研究顯示，線粒體自噬抑制劑環(huán)孢菌素使低氧條件下PASMCs的增殖減少，這表明線粒體自噬的增加與PASMCs增殖有關(guān)［42］。

線粒體生物發(fā)生是細胞中形成新線粒體的過程，該過程由過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α）控制，PGC-1α是一種共轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑，可通過增強核呼吸因子（nuclear respiratory factors，NRF）1、NRF2及激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator activated receptor γ，PPARγ）來促進線粒體生物發(fā)生。NFR1、NFR2和PPARγ活化可促進線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）表達和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。研究顯示，缺氧降低了人和大鼠PAECs中PGC-1α mRNA及其蛋白質(zhì)表達水平［34］。二甲雙胍通過激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信號而上調(diào)內(nèi)皮細胞中的PGC-1α，進而減輕缺氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激及線粒體功能障礙，并使低氧性PH大鼠平均肺動脈壓、右心室肥厚指數(shù)接近正常［34］。人PASMCs暴露于缺氧可導(dǎo)致PGC-1α、PPARγ、TFAM、VDAC的表達下降，以及線粒體生物發(fā)生失調(diào)。PGC-1α的過表達可逆轉(zhuǎn)缺氧誘導(dǎo)的上述改變以及人PASMCs的增殖［43］。

4 小結(jié)及展望

綜上所述，線粒體功能障礙可促進PH的發(fā)生。線粒體功能障礙涉及三羧酸循環(huán)、電子呼吸鏈、膜電位、鈣儲存、線粒體動力學(xué)、線粒體自噬以及線粒體生物發(fā)生等多方面內(nèi)容。以上諸多方面的改變并不是孤立存在，而是相互聯(lián)系相互影響。未來的工作將繼續(xù)揭示線粒體在增殖性疾病中的作用，并探索通過干預(yù)線粒體來治療相關(guān)疾病的可行性。

作者貢獻：崔志峰、孫佳偉、袁雅冬進行文章的構(gòu)思與設(shè)計；崔志峰進行文章的可行性分析；崔志峰、孫佳偉進行文獻/資料收集；崔志峰、劉美洋進行文獻/資料整理；崔志峰、宮小薇、袁雅冬撰寫、修訂論文；袁雅冬負責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，并對文章整體負責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。