線粒體功能障礙：腦缺血再灌注損傷中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

王 瑞，胡紫薇，胡 可，溫優(yōu)良

（1.贛南醫(yī)學(xué)院2020級碩士研究生；2.贛南醫(yī)學(xué)院2019級碩士研究生；3.贛南醫(yī)學(xué)院康復(fù)學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著人口老齡化的加劇，腦卒中發(fā)病率不斷增加，已經(jīng)成為全球死亡和殘疾最主要的原因之一。腦卒中分為出血性卒中和缺血性卒中，其中缺血性卒中占所有腦卒中病例的80%以上［1］。缺血性卒中主要由于腦血流量減少導(dǎo)致腦功能喪失，靜脈注射纖溶酶原激活劑（rtPA）進(jìn)行溶栓治療使腦血流量恢復(fù)是早期治療腦缺血最常用的臨床手段，但是腦血流量的恢復(fù)會導(dǎo)致缺血區(qū)的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能再一次損傷，這就是腦缺血再灌注損傷［2］。腦缺血再灌注損傷的病理機(jī)制有很多，包括線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、興奮性氨基酸毒性、細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載、炎癥反應(yīng)、血腦屏障損傷等，在上述影響因素的相互作用下，引起神經(jīng)細(xì)胞水腫、壞死和凋亡，最終導(dǎo)致以學(xué)習(xí)記憶功能障礙為主的認(rèn)知功能障礙、運動感覺功能障礙和言語功能障礙。在這些復(fù)雜的病理機(jī)制中，線粒體功能障礙在腦缺血再灌注損傷中起關(guān)鍵作用［3］。本文結(jié)合國內(nèi)外近幾年的研究報道，對腦缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展尤其是線粒體功能障礙在腦缺血再灌注中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，為腦缺血再灌注損傷所致的認(rèn)知功能障礙治療提供理論依據(jù)和治療靶點。

1 線粒體功能障礙與腦缺血再灌注損傷

大腦是全身耗氧量最大的器官，也是對缺氧最敏感的器官。由于大腦的能量儲備很少，大腦主要依靠神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的線粒體通過代謝酶、呼吸鏈和ATP復(fù)合酶的聯(lián)合活性產(chǎn)生能量，因此腦缺血首先會影響線粒體。線粒體在ATP的產(chǎn)生、鈣穩(wěn)態(tài)、活性氧（ROS）的產(chǎn)生以及嚴(yán)重情況下的膜滲透性中起重要作用，并參與多種信號通路［4］。大量研究表明，腦缺血再灌注損傷會導(dǎo)致顯著的線粒體功能障礙，如線粒體能量代謝障礙、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放、線粒體形態(tài)損傷、Ca2+誘導(dǎo)的線粒體腫脹和線粒體細(xì)胞色素c的釋放，從而進(jìn)一步誘發(fā)氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和自噬。

1.1 活性氧的過量產(chǎn)生導(dǎo)致線粒體損傷線粒體是能量中心，在線粒體內(nèi)膜發(fā)生著大量的氧化還原反應(yīng)，所以線粒體是活性氧產(chǎn)生的主要來源。當(dāng)缺血的腦組織發(fā)生再灌注時，突然的氧氣供應(yīng)增加容易導(dǎo)致活性氧過量產(chǎn)生［5］。由于活性氧主要通過線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈（Electron transfer chain，ETC）產(chǎn)生，因而過度產(chǎn)生的活性氧會導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA氧化，從而造成線粒體損傷。當(dāng)暴露于腦缺血再灌注損傷時，功能障礙的線粒體不僅是毒性活性氧的主要來源，也是內(nèi)源性凋亡途徑的觸發(fā)因素［6］。因此，受損線粒體的堆積和/或過度清除都會導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的死亡，其引發(fā)的線粒體功能障礙也因此被認(rèn)為是腦缺血再灌注損傷的關(guān)鍵因素。有研究表明，活性氧可以作為細(xì)胞信號分子啟動自噬體的形成和自噬降解，自噬還能通過伴侶介導(dǎo)的自噬（CMA）途徑、P62傳遞途徑和有絲分裂途徑調(diào)節(jié)活性氧的水平［7］。因此，激活自噬清除活性氧損傷的線粒體和蛋白質(zhì)或許是保護(hù)腦缺血再灌注損傷過程中細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷的重要手段［8］。

1.2 Pink1/Parkin介導(dǎo)的有絲分裂障礙促進(jìn)線粒體損傷自噬是通過溶酶體吞噬壞死的細(xì)胞器和錯誤折疊的蛋白質(zhì)來維持體內(nèi)平衡的過程，是維持細(xì)胞正常功能必不可少的過程［9］。而有絲分裂又可通過自噬對損傷和過量的線粒體進(jìn)行選擇性降解，因而正常有序的有絲分裂是線粒體質(zhì)量控制的重要機(jī)制。其中Pink1/Parkin介導(dǎo)的有絲分裂是迄今為止研究最廣泛的機(jī)制之一。PTEN誘導(dǎo)Pink1在正常的細(xì)胞中含量很少，其在正常線粒體中能夠被降解［10］。但在功能障礙的線粒體中降解受阻，引起Pink1在線粒體外膜積累，積累的Pink1可以從胞質(zhì)溶膠中募集E3泛素連接酶Parkin至線粒體膜上，并進(jìn)一步將自噬標(biāo)記物L(fēng)C3募集到線粒體上，進(jìn)而促進(jìn)有絲分裂，減少受損線粒體堆積［11］。最近一項研究表明，自噬-溶酶體途徑（ALP）受損，尤其是有絲分裂受損所誘導(dǎo)的功能障礙線粒體的積聚是腦缺血再灌注損傷的重要機(jī)制［12］，也有證據(jù)表明，電針、藥物等手段可誘導(dǎo)Pink1/Parkin介導(dǎo)的有絲分裂，減少受損線粒體積累，從而保護(hù)缺血再灌注損傷后大腦［13-14］。然而，有研究表明，過氧亞硝酸鹽（ONOO）誘導(dǎo)的Pink1/Parkin介導(dǎo)的有絲分裂可能加重腦缺血再灌注損傷［15］。因此，Pink1/Parkin介導(dǎo)的有絲分裂在腦缺血再灌注損傷中所扮演的角色尚存在爭議。

此外，在腦缺血再灌注損傷中，自噬也是一把雙刃劍，輕、中度自噬起神經(jīng)保護(hù)作用，而過度自噬則導(dǎo)致自噬細(xì)胞死亡［16］。自噬激活通過清除細(xì)胞內(nèi)受損的細(xì)胞器、有毒代謝物和細(xì)胞內(nèi)的病原體來維持細(xì)胞的穩(wěn)定和存活［17］。一般認(rèn)為，輕度缺氧導(dǎo)致的生理水平的自噬似乎是保護(hù)性的，而嚴(yán)重缺氧或再灌注導(dǎo)致的自噬水平增加會導(dǎo)致細(xì)胞損害和死亡［18］，也就是說，缺氧的嚴(yán)重程度也影響了自噬在腦損傷中的作用；并且，在腦缺血和再灌注的不同階段自噬也起著不同的作用。在腦缺血再灌注早期，自噬通過清除受損的蛋白質(zhì)和線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器來減輕腦缺血再灌注損傷，而在腦缺血再灌注后期，過度的線粒體自噬則會將正常的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)清除，從而進(jìn)一步加重細(xì)胞死亡［19］。因此，在腦缺血再灌注損傷機(jī)制中，通過自噬對損傷和過量的線粒體進(jìn)行選擇性降解的作用機(jī)制較為復(fù)雜，仍需進(jìn)一步證實。

1.3 PGC-1α介導(dǎo)的線粒體生物發(fā)生障礙過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活劑1α（PGC-1α），是一種調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，在嚙齒動物大腦的許多區(qū)域均有表達(dá)，包括皮層、蒼白球、海馬和黑質(zhì)［20］。線粒體的生物發(fā)生增強已被證明對腦缺血損傷具有保護(hù)作用，且這種保護(hù)作用可能是通過增加線粒體的數(shù)量來實現(xiàn)的［21］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，線粒體的生物發(fā)生可以抵消氧化應(yīng)激的有害影響，并為神經(jīng)細(xì)胞的生命活動提供足夠的能量［22］。PGC-1α是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，它能夠通過激活核呼吸因子1（NRF1）、核呼吸因子2（NRF2）和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（TFAM）導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生［23］。PGC-1α強烈促進(jìn)活性氧解毒酶和解偶聯(lián)蛋白的表達(dá)，從而減少活性氧的產(chǎn)生。有研究發(fā)現(xiàn)，PGC-1α促進(jìn)線粒體生物發(fā)生，從而減少活性氧的產(chǎn)生并改善慢性腦低灌注誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙［24］。此外，有研究證明，PGC-1α的上調(diào)顯著增加了SOD2、Prx3、GPx1、UCP2、UCP4和UCP5的mRNA表達(dá)，這是抑制ROS產(chǎn)生的內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制［25］。還有研究發(fā)現(xiàn)，觸發(fā)PGC-1α-NRF1-TFAM通路和隨后的線粒體生物發(fā)生在缺血缺氧性腦損傷中起保護(hù)作用［26］。因此，PGC-1α介導(dǎo)的線粒體生物發(fā)生障礙可能是腦缺血再灌注損傷發(fā)生的一大機(jī)制，通過恢復(fù)線粒體的生物發(fā)生，從而恢復(fù)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能可能是治療腦缺血再灌注損傷的一大創(chuàng)新策略。

1.4 電子傳遞鏈與復(fù)合物Ⅰ損傷引發(fā)的線粒體損傷線粒體能量代謝的核心和基礎(chǔ)在于電子傳遞鏈（Electron transfer chain，ETC）和氧化磷酸化的活性［27］。因此，在ETC和氧化磷酸化的任何一個環(huán)節(jié)出了問題，都可能使線粒體的能量代謝功能出現(xiàn)異常。線粒體中的電子傳遞鏈的主要組分包括黃素蛋白、鐵硫蛋白、細(xì)胞色素、泛醌和銅原子。它們都是疏水性分子，具有氧化還原作用［28］。除泛醌和銅原子外，其他組分都是蛋白質(zhì)，通過其輔基的可逆氧化還原傳遞電子。它們在膜表面形成四個復(fù)合體，稱為復(fù)合體Ⅰ（NADH脫氫酶復(fù)合體）、復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸脫氫酶復(fù)合體）、復(fù)合體Ⅲ（細(xì)胞色素還原酶復(fù)合體）、復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體）［29］。線粒體電子傳遞鏈主要有兩條：NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈。NADH依次經(jīng)過復(fù)合物Ⅰ、輔酶Q、復(fù)合體Ⅲ、細(xì)胞色素c、復(fù)合體Ⅳ，最終把電子傳遞給氧氣，并將質(zhì)子排到線粒體膜間隙，最終經(jīng)線粒體ATP合酶生成2.5個ATP。FADH2經(jīng)復(fù)合體Ⅱ、輔酶Q、復(fù)合體Ⅲ、細(xì)胞色素c、復(fù)合體Ⅳ最終把電子傳遞給氧氣，并將質(zhì)子排到線粒體膜間隙，最終經(jīng)線粒體ATP合酶生成1.5個ATP［30］。由于前者生成ATP量大于后者，所以前者稱為主電子傳遞鏈，后者稱為次電子傳遞鏈。當(dāng)缺血的腦組織發(fā)生再灌注時會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的損傷。線粒體代謝改變和活性氧產(chǎn)生增加引起的能量衰竭是腦缺血再灌注損傷的主要原因之一［31］。有研究表明，腦缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的線粒體能量代謝障礙的機(jī)制是線粒體復(fù)合物Ⅰ的功能下降［32］。復(fù)合物Ⅰ又稱質(zhì)子泵NADH脫氫酶（NADH：泛醌氧化還原酶），是呼吸鏈的關(guān)鍵組成部分，主要負(fù)責(zé)基質(zhì)NADH的氧化和分解代謝穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)所需的NAD+的再生（如TCA循環(huán)、脂肪酸β-氧化和糖酵解）［33］。復(fù)合物Ⅰ也能從NADH每2個電子泵送4個質(zhì)子到泛醌，因此在呼吸鏈中的效率最高［34］。復(fù)合物Ⅰ包含一個緊密但非共價結(jié)合的黃素單核苷酸（FMN）分子。有研究發(fā)現(xiàn)，在新生小鼠局部缺氧缺血性腦損傷模型中，復(fù)合物Ⅰ的活性下降是由于在酶的反向電子流過程中其氧化還原輔因子黃素單核苷酸（FMN）的丟失，并且可以通過給予FMN前體核黃素來預(yù)防［35］。復(fù)合物Ⅰ的損傷是由于FMN缺陷酶不能催化生理的NADH氧化，限制了呼吸鏈的效率和ATP的產(chǎn)生［36］。因此，線粒體電子傳遞鏈與復(fù)合物Ⅰ的損傷是腦缺血再灌注損傷后線粒體功能障礙的重要機(jī)制，在再灌注早期靶向線粒體復(fù)合物Ⅰ的完整性可能為腦缺血再灌注損傷提供一種治療策略。

2 線粒體功能障礙引起腦缺血再灌注損傷的后果

2.1 認(rèn)知功能障礙腦缺血再灌注損傷后患者會出現(xiàn)認(rèn)知功能、運動感覺功能、言語功能等功能障礙，嚴(yán)重降低了患者的生活質(zhì)量［37］。超過45%～70%的全腦缺血/再灌注損傷（GCI/R損傷）患者有認(rèn)知障礙［38］。輕度的認(rèn)知功能障礙患者表現(xiàn)為學(xué)習(xí)和記憶功能障礙，而嚴(yán)重的患者將處于持續(xù)的植物狀態(tài)［39］。大腦的海馬CA1區(qū)域與學(xué)習(xí)、記憶密切相關(guān)。海馬區(qū)域的缺血和缺氧是導(dǎo)致認(rèn)知障礙的關(guān)鍵因素［40］。最近一項研究發(fā)現(xiàn)，在腦缺血再灌注大鼠模型中觀察到從紋狀體到皮層的缺血再灌注損傷，導(dǎo)致了認(rèn)知下降［41］。一項研究發(fā)現(xiàn)，線粒體能量代謝障礙可能是腦缺血再灌注損傷認(rèn)知能力下降的一個促成因素。并在腦缺血再灌注損傷大腦皮層中觀察到線粒體電子傳遞鏈酶活性下降，尤其是復(fù)合物Ⅰ和Ⅱ活性顯著降低，并導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少，這個區(qū)域與學(xué)習(xí)和記憶能力有關(guān)［42］。突觸可塑性和長時程增強（LTP）是學(xué)習(xí)和記憶的生理基礎(chǔ)之一，據(jù)報道，缺血可破壞突觸可塑性和長時程增強，從而產(chǎn)生認(rèn)知功能障礙［43］。有研究表明，電針能顯著保護(hù)大鼠認(rèn)知功能免受腦缺血再灌注損傷的損害［44］。電針作用于百會穴和神庭穴可以通過增加海馬樹突棘密度，從而改善腦缺血再灌注損傷認(rèn)知障礙［45］。電針還能通過減輕超微結(jié)構(gòu)腦損傷和抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-2［（MMP）-2］和基質(zhì)金屬蛋白酶-9［（MMP）-9］的表達(dá)來改善CIRI后的認(rèn)知功能［46］。除此之外，左旋多巴也被認(rèn)為是能夠改善CIRI認(rèn)知障礙的有效藥物，而這種作用是通過增強海馬突觸可塑性來實現(xiàn)的［47］。

2.2 運動功能障礙和言語功能障礙腦缺血再灌注損傷后會導(dǎo)致感覺運動和神經(jīng)功能缺陷，這些行為改變與中風(fēng)患者的臨床癥狀類似，嚴(yán)重影響患者的活動。紋狀體、海馬和大腦皮層在控制運動活動中起著重要作用。其中，紋狀體是大腦中與自主運動控制最相關(guān)的區(qū)域之一，也是腦出血最容易損害的部位之一。有研究發(fā)現(xiàn)，腦出血會產(chǎn)生運動和神經(jīng)功能損傷，在腦出血第7天出現(xiàn)平衡障礙，其損傷機(jī)制與腦出血誘導(dǎo)紋狀體活性氧和脂質(zhì)過氧化物增加有關(guān)，而紅茶和綠茶已被證明能夠通過該機(jī)制預(yù)防腦缺血再灌注損傷后的運動功能障礙［48］。此外，有研究表明，腦缺血再灌注損傷的大鼠出現(xiàn)運動功能障礙可能是由于線粒體氧化應(yīng)激引起的紋狀體損傷和神經(jīng)元壞死［49］。線粒體在維持神經(jīng)元生理功能的穩(wěn)定上起著至關(guān)重要的作用，有研究表明，線粒體移植能夠減少腦缺血再灌損傷的梗塞面積，對運動障礙起積極作用［50］。最近一項研究表明，缺血再灌注損傷導(dǎo)致大腦中大量自由基的產(chǎn)生，顯著改變了線粒體復(fù)合物酶的活性，坎地沙坦和阿托伐他汀能夠減弱線粒體酶功能障礙和改善腦缺血再灌注后的行為運動障礙［51］?；阱憻挼奈锢碇委熀妥鳂I(yè)治療是改善患者運動功能的主要治療方法。最近也有研究表明，音樂療法可以有效改善中風(fēng)后運動障礙，并減少對代償性運動的依賴［52］。腦缺血再灌注損傷后的言語功能障礙主要包括失語癥和構(gòu)音障礙。有研究報道，朗讀單詞任務(wù)的特定成分損傷與特定區(qū)域灌注不良有關(guān)［53］。在腦缺血再灌注損傷后導(dǎo)致的功能障礙中，認(rèn)知障礙是最常見和嚴(yán)重的功能障礙。認(rèn)知功能差，表現(xiàn)為接受信息的能力差，會阻礙患者運動和言語以及其他功能的恢復(fù)。因此，改善腦缺血再灌注損傷后的認(rèn)知功能障礙，是促進(jìn)患者功能恢復(fù)、回歸社會的關(guān)鍵。

3 展望

腦缺血再灌注損傷后的大部分患者都會出現(xiàn)認(rèn)知、運動和言語等功能障礙，但是以學(xué)習(xí)記憶功能障礙為主的認(rèn)知功能障礙是阻礙患者身體功能恢復(fù)最重要的原因，且其損傷的具體機(jī)制還不清楚。在腦缺血再灌注損傷的生理病理機(jī)制中，線粒體功能障礙是最關(guān)鍵的損傷機(jī)制。以Pink1/Parkin、PGC-1α以及線粒體復(fù)合物Ⅰ為靶點的線粒體導(dǎo)向療法可能是未來腦缺血再灌注損傷認(rèn)知功能障礙的有效治療方法。但是Pink1/Parkin和PGC-1α如何以及何時介導(dǎo)腦缺血再灌注損傷的保護(hù)作用還需要更加深入的探索。