線粒體動(dòng)力學(xué)對(duì)腫瘤、神經(jīng)、心血管系統(tǒng)疾病的影響及中藥干預(yù)*

楚魏,馬洪月,樸鐘源,宋琳,何梓樺

1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040; 2.惠州市第三人民醫(yī)院/廣州醫(yī)科大學(xué)附屬惠州醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科,廣東 惠州 516002; 3.惠州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,廣東 惠州 516007

線粒體存在于大多數(shù)細(xì)胞中,是細(xì)胞內(nèi)極微小的細(xì)胞器,以ATP的形式生產(chǎn)機(jī)體所需能量。為了維持自身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡,線粒體在相關(guān)蛋白的調(diào)控下不斷分裂、融合,最終發(fā)生質(zhì)量、形態(tài)與豐度的改變,稱(chēng)之為“線粒體動(dòng)力學(xué)”。線粒體融合與分裂過(guò)程復(fù)雜,線粒體融合主要分為外膜、內(nèi)膜融合。外膜融合由磷脂酶D族成員MitoPLD和鳥(niǎo)苷三磷酸水解酶(guanosine triphosphate hydrolases,GTPases)線粒體融合蛋白1和2(mitofusin1/2,Mfn1/2)的同源或異源二聚化誘導(dǎo)完成[1]。內(nèi)膜融合由視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy protein 1,Opa1)介導(dǎo),最終形成一種類(lèi)似于弦狀的、細(xì)長(zhǎng)的細(xì)胞器[2]。線粒體分裂由多種因素主導(dǎo)。動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)從細(xì)胞質(zhì)招募到線粒體外膜,并與線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor,Mff)及49和51kDa線粒體動(dòng)力蛋白(mitochondrial dynamics proteins of 49 kDa,MiD49;mitochondrial dynamics proteins of 51 kDa,MiD51)結(jié)合,在線粒體分裂位點(diǎn)周?chē)纬啥嗑垠w結(jié)構(gòu),隨后通過(guò)多聚體將線粒體一分為二[3]。

研究表明,線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂在諸多疾病的發(fā)生過(guò)程中扮演著重要角色。腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)疾病等發(fā)病率居高不下,且呈上升趨勢(shì),給家庭和社會(huì)造成巨大的負(fù)擔(dān)。一般認(rèn)為,線粒體過(guò)度分裂會(huì)促進(jìn)疾病的發(fā)生發(fā)展,而線粒體融合有助于線粒體自我修復(fù),抑制疾病進(jìn)展。中醫(yī)藥調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)是防治疾病的新靶向。文章以此為出發(fā)點(diǎn),綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),希望為疾病治療提供新策略。

1 線粒體動(dòng)力學(xué)失衡與疾病

1.1 線粒體動(dòng)力學(xué)失衡與腫瘤眾多研究表明,線粒體分裂融合蛋白的表達(dá)與腫瘤的生長(zhǎng)息息相關(guān)。在幾類(lèi)腫瘤疾病中,Drp1或線粒體分裂蛋白1(fission mitochondrial 1,Fis1)被激活,融合因子Mfn1/2、Opa1被抑制。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)HCC細(xì)胞中腫瘤生長(zhǎng)增強(qiáng)與Drp1的過(guò)度表達(dá)有關(guān),融合蛋白低表達(dá)也促進(jìn)了腫瘤的進(jìn)展[4]。在肝細(xì)胞癌中,Drp1過(guò)表達(dá)導(dǎo)致線粒體分裂,通過(guò)串?dāng)_p53和NF-κB通路促進(jìn)細(xì)胞增殖[5]。另外,研究人員發(fā)現(xiàn)HCC組織與癌旁組織相比,Mfn2蛋白和mRNA的表達(dá)有所降低,Mfn1似乎也是如此[6-7]。CHD6是染色體結(jié)構(gòu)域解旋酶DNA結(jié)合蛋白家族的一員,在結(jié)直腸癌(colorectal carcinoma,CRC)中高表達(dá)。CHD6敲低可抑制癌細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲等。研究發(fā)現(xiàn)CHD6敲低細(xì)胞中線粒體長(zhǎng)度不一且普遍較短,這可能是Drp1向線粒體轉(zhuǎn)位、聚集,介導(dǎo)線粒體分裂造成的。然而過(guò)表達(dá)TMEM65(參與線粒體動(dòng)力學(xué))逆轉(zhuǎn)了上述現(xiàn)象,促使p-Drp1在Ser616位點(diǎn)磷酸化減少,細(xì)胞表現(xiàn)出線粒體更好融合、線粒體更長(zhǎng)和質(zhì)量增加[8]。李非凡[9]通過(guò)上調(diào)結(jié)直腸癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)質(zhì)粒SNHG11,發(fā)現(xiàn)Drp1、Fis1的表達(dá)相應(yīng)提高,且Mfn1/2表達(dá)減少,這說(shuō)明SNHG11干擾線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài),加速直腸癌的發(fā)展進(jìn)程。Chang等[10]將線粒體移植到人乳腺癌細(xì)胞MCF-7中,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中Opa1和Mfn2水平提高,Drp1顯著降低,大量碎片化、管型和細(xì)長(zhǎng)型線粒體數(shù)量減少。這表明線粒體移植治療的有效性,暗示其廣闊前景。付瑞環(huán)[11]通過(guò)敲低乳腺癌細(xì)胞中部分Mfn2,發(fā)現(xiàn)p-ERK通路被激活,相關(guān)凋亡基因表達(dá)降低,癌細(xì)胞的凋亡受到抑制。不同的是,持續(xù)的線粒體融合導(dǎo)致線粒體功能障礙,包括mtDNA突變的積累和活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生,這在多數(shù)腫瘤疾病的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中都得到了驗(yàn)證[12]。因此,線粒體分裂融合在不同腫瘤細(xì)胞系中的調(diào)控作用有待深入探討。徐曉武[13]首次檢測(cè)并證實(shí)了Drp1在胃腺癌組織中呈現(xiàn)出過(guò)表達(dá)現(xiàn)象,且隨著淋巴結(jié)和腫瘤TNM分期表達(dá)上升。Drp1基因沉默后,癌細(xì)胞G2/M期阻滯,細(xì)胞增殖與遷移能力減弱,Caspase-3介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑激活。Drp1將會(huì)成為治療胃腺癌的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

然而,也有研究發(fā)現(xiàn)Drp1的過(guò)表達(dá)會(huì)抑制癌細(xì)胞。宋俊[14]在研究T細(xì)胞通過(guò)免疫途徑對(duì)肺癌發(fā)揮治療作用時(shí),證實(shí)了Drp1與T細(xì)胞活化之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)T-oeDrp1組相較于其他組,A549細(xì)胞的增殖能力顯著被抑制,細(xì)胞表現(xiàn)出PD-L1的高表達(dá),細(xì)胞死亡率上升。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)T-oeDrp1組裸鼠體內(nèi)移植瘤體積較敲除Drp1組小,腫瘤組織癌細(xì)胞和脾內(nèi)PD-L1因子明顯降低,裸鼠生存時(shí)間顯著延長(zhǎng)。這說(shuō)明Drp1的表達(dá)與T細(xì)胞的活化息息相關(guān)。過(guò)表達(dá)Drp1可激活T細(xì)胞發(fā)揮免疫作用,抑制肺腫瘤細(xì)胞增殖生長(zhǎng),或是促進(jìn)細(xì)胞死亡,敲除Drp1則表現(xiàn)出相反的作用?？傮w而言,無(wú)論是下調(diào)分裂蛋白或是提高融合蛋白的表達(dá),均可抑制腫瘤的發(fā)生,但不同細(xì)胞系存在一定的差異,這為治療腫瘤提供了新思考。

1.2 線粒體動(dòng)力學(xué)失衡與神經(jīng)系統(tǒng)疾病越來(lái)越多的證據(jù)表明,線粒體動(dòng)力學(xué)改變參與了神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。線粒體動(dòng)力學(xué)調(diào)控的中斷和蛋白錯(cuò)誤折疊會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元死亡,誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生。在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、帕金森病(Parkinson′s disease,PD)、亨廷頓病(huntington′s disease,HD)、多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis,MS)等小鼠病理模型死后的腦組織中Drp1水平升高,過(guò)度增加的Drp1促進(jìn)線粒體分裂、抑制融合,導(dǎo)致受損線粒體無(wú)法被清除而積累,損害線粒體功能,其中過(guò)度分裂被認(rèn)為是主要原因[15]。

AD發(fā)病機(jī)制之一是Aβ異常積累,引發(fā)一系列病理改變,最終神經(jīng)元死亡。APP小鼠海馬中Drp1和Fis1水平升高,而Mfn1/2、Opa1水平顯著降低,這極可能與Aβ直接干擾這些基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)有關(guān)[16]。Mdivi-1作為線粒體分裂抑制劑,可阻斷Drp1的轉(zhuǎn)位聚集,防止Aβ介導(dǎo)的線粒體功能障礙和神經(jīng)元突觸抑制,并降低Aβ沉積、減輕線粒體斷裂、線粒體膜電位喪失、ROS產(chǎn)生和改善ATP減少,防止APP小鼠神經(jīng)病理和認(rèn)知能力下降[17]。Mdivi-1抑制劑也可以防止腦黑質(zhì)中多巴胺能神經(jīng)元的丟失,抑制PD的發(fā)展[18]。PD是發(fā)病率僅次于AD的神經(jīng)退行性疾病,其發(fā)病機(jī)制并不確定,但線粒體動(dòng)力學(xué)的變化與之有關(guān)。PD相關(guān)基因Pink1和Parkin在線粒體分裂和融合的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。Pink1通過(guò)抑制Drp1向線粒體轉(zhuǎn)位,恢復(fù)線粒體功能,減少線粒體分裂,保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受損傷[19]。Parkin可泛素化Drp1,使其蛋白酶體降解。抑制或敲低Parkin,會(huì)使Drp1活性增強(qiáng)和線粒體分裂增加,最終導(dǎo)致PD[20]。此外,研究人員在AD、PD病例中發(fā)現(xiàn),大量蛋白形成了異常結(jié)構(gòu),這極有可能是疾病發(fā)生的重要因素[21]。HD是一類(lèi)遺傳性神經(jīng)退行性疾病,證據(jù)表明在HD中存在線粒體動(dòng)力學(xué)失衡。Kang等[22]發(fā)現(xiàn)相較于健康神經(jīng)元,HD神經(jīng)元中線粒體分裂相關(guān)基因上調(diào),融合相關(guān)基因下調(diào),這導(dǎo)致HD腦標(biāo)本中Drp1和Fis1水平升高,Opa1水平降低。這些蛋白的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致HD神經(jīng)元線粒體動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重失調(diào),線粒體變得碎片化、融合減少以及腫脹[23]。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system,UPS)能有效調(diào)節(jié)關(guān)鍵效應(yīng)蛋白Fis1和Mfn1/2,并特異性調(diào)節(jié)相應(yīng)的底物,維持動(dòng)力學(xué)平衡[24]。MS是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一種散發(fā)性神經(jīng)退行性疾病,在這種疾病中,身體會(huì)攻擊自身,尤其是攻擊形成神經(jīng)纖維髓鞘絕緣的少突膠質(zhì)細(xì)胞,導(dǎo)致神經(jīng)最終降解。在MS患者中,腫瘤壞死因子(tumor necrosos factor,TNF)引起對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞攻擊的炎癥,導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞中Drp1活性增強(qiáng)和線粒體過(guò)度斷裂[25]。由此可見(jiàn),通過(guò)單因子或多因子相互作用,線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)疾病中。

1.3 線粒體動(dòng)力學(xué)失衡與心血管系統(tǒng)疾病線粒體動(dòng)力學(xué)在心血管系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中起著重要作用,動(dòng)力學(xué)失衡會(huì)導(dǎo)致心肌損傷,加速心臟疾病進(jìn)展。徐心怡[26]通過(guò)建立慢性間歇缺氧復(fù)合高脂飲食大鼠模型,發(fā)現(xiàn)模型大鼠分裂因子MTP18及其mRNA表達(dá)顯著增高,融合因子Mfn1/2及其mRNA表達(dá)顯著降低,而相應(yīng)大鼠出現(xiàn)心肌細(xì)胞形態(tài)異常、凋亡、心肌纖維化等現(xiàn)象。這說(shuō)明調(diào)控因子的異常表達(dá)干擾了線粒體動(dòng)力學(xué)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),導(dǎo)致線粒體功能障礙,損害心肌細(xì)胞。Seidlmayer等[27]證實(shí)了當(dāng)敲低小鼠心肌細(xì)胞Mfn2后,由Mfn2介導(dǎo)線粒體與肌質(zhì)網(wǎng)的連接被破壞,線粒體-肌質(zhì)網(wǎng)代謝反饋機(jī)制受損,肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+釋放減少,抑制ATP產(chǎn)生,從而引起心肌細(xì)胞能量代謝障礙。此外,線粒體中Opa1的增加可以減輕氧化應(yīng)激,改善心功能[28]。糖尿病心肌病是糖尿病并發(fā)的心臟損害,是糖尿病患者的主要死因之一。線粒體分裂增加與融合減少在疾病進(jìn)展中較為常見(jiàn)。李薇薇[29]發(fā)現(xiàn)糖尿病心肌病小鼠心肌線粒體分裂蛋白Drp1被激活,融合蛋白 Mfn1/2 被抑制。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小鼠心肌細(xì)胞Drp1向線粒體轉(zhuǎn)位,表達(dá)提高,心肌細(xì)胞發(fā)生內(nèi)源性凋亡。還有研究發(fā)現(xiàn),Drp1的高表達(dá)會(huì)導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)破壞、平均面積減小,導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)狀態(tài)異常,加速糖尿病心肌病的發(fā)展[30]。心肌缺血再灌注引起心肌細(xì)胞損傷甚至死亡,即心肌缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury,IRI)。線粒體作為IRI發(fā)生時(shí)的主要靶細(xì)胞器,其包括動(dòng)力學(xué)在內(nèi)的功能損傷與IRI密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),IRI發(fā)生期間,線粒體過(guò)度分裂從而導(dǎo)致線粒體碎片化。Kim等[31]使用6小時(shí)糖氧剝奪(oxygen Glucose deprivation,OGD)模型模擬缺血,結(jié)果顯示H9C2細(xì)胞在OGD期間出現(xiàn)大量線粒體碎片化。Disatnik等[32]使用新生大鼠原代心肌細(xì)胞在OGD/再氧化模型中觀察到線粒體在再氧化過(guò)程中的斷裂。抑制線粒體分裂或促進(jìn)融合,可促進(jìn)線粒體伸長(zhǎng),改善線粒體過(guò)度碎片化,減少心肌細(xì)胞死亡。由此可見(jiàn),通過(guò)調(diào)控分裂融合因子的表達(dá),最終影響心血管疾病的進(jìn)展,這表明分裂融合機(jī)制在心血管疾病中的重要性。

綜上,線粒體動(dòng)力學(xué)異常參與了諸多疾病的發(fā)生進(jìn)展。癌細(xì)胞中Drp1的表達(dá)上調(diào)與Mfn1/2的下調(diào)促進(jìn)線粒體分裂與線粒體碎片化,提高了癌細(xì)胞活性,促使其增殖轉(zhuǎn)移,躲避細(xì)胞凋亡,進(jìn)入惡性循環(huán)。但在不同細(xì)胞系中存在一定的差異,甚至出現(xiàn)相反的情況,其機(jī)制需進(jìn)一步明確。在某些神經(jīng)疾病的早期就發(fā)現(xiàn)了線粒體分裂融合障礙,如AD、HD患者腦內(nèi)Mfn1/2和Opa1水平降低,Fis1水平增加;PD患者腦內(nèi)線粒體出現(xiàn)腫脹、形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)異常,Drp1過(guò)表達(dá)和Mfn1表達(dá)不足等,這提示線粒體動(dòng)力學(xué)失衡可作為這些疾病的早期病理特征。線粒體分裂由Drp1主導(dǎo),Drp1的過(guò)度表達(dá)會(huì)引發(fā)線粒體斷裂和功能障礙,出現(xiàn)一系列病理現(xiàn)象如ROS增加、ATP減少、突觸障礙、神經(jīng)元死亡等。在一些常見(jiàn)的心血管疾病中,Drp1過(guò)表達(dá)使線粒體發(fā)生斷裂,導(dǎo)致細(xì)胞死亡。心肌梗死導(dǎo)致心肌缺血,心肌細(xì)胞線粒體碎片化,線粒體損傷導(dǎo)致ATP合成障礙,心臟無(wú)法正常運(yùn)行。以上研究說(shuō)明動(dòng)力學(xué)的失衡會(huì)引起線粒體功能障礙,導(dǎo)致ATP生成減少,引發(fā)細(xì)胞能量代謝異常,從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。線粒體作為治療眾多疾病的重要靶點(diǎn),靶向線粒體動(dòng)力學(xué)將會(huì)為諸多疾病療法的研究提供新方向。

2 中藥調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)治療相關(guān)疾病

2.1 中藥調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)治療腫瘤腫瘤的發(fā)展主要包括增殖、轉(zhuǎn)移與侵襲、自噬、凋亡幾個(gè)過(guò)程。線粒體動(dòng)力學(xué)失衡可影響其中任意環(huán)節(jié),而中藥治療有巨大的潛力。Cao等[33]利用苦參堿干預(yù)肝癌細(xì)胞(human hepatoellular carcinomas,HepG2),發(fā)現(xiàn)HepG2線粒體分裂增強(qiáng),線粒體功能障礙,細(xì)胞能量代謝受損,最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。這表明苦參堿是通過(guò)觸發(fā)線粒體分裂降低肝癌細(xì)胞活性,抑制細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移和促使細(xì)胞凋亡。趙劉碧琦[34]發(fā)現(xiàn)重樓皂苷Ⅶ處理后的卵巢癌細(xì)胞線粒體分裂融合失衡,ROS大量生成,線粒體膜電位下降,出現(xiàn)細(xì)胞凋亡。其機(jī)制可能是重樓皂苷Ⅶ激活了蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A,PP2A)/蛋白激酶B(protein kinases B,AKT)信號(hào)軸,加強(qiáng)Drp1去磷酸化誘導(dǎo)線粒體分裂,抑制細(xì)胞增殖遷移,并促進(jìn)凋亡。Chen等[35]將正常細(xì)胞與直腸癌細(xì)胞經(jīng)不同條件處理后,發(fā)現(xiàn)重樓皂苷II(Paris Saponin II,PSII)組細(xì)胞活力較其他組均有下降,而癌細(xì)胞組較正常細(xì)胞組活力顯著降低,后又發(fā)現(xiàn)Drp1可激活NF-κB途徑,而PSII通過(guò)抑制此途徑的激活,阻滯細(xì)胞周期并降低細(xì)胞活力,抑制直腸癌的發(fā)生。陳靜等[36]將扶正消巖湯作用于人三陰性乳腺癌(MDA-MB-231)細(xì)胞內(nèi),發(fā)現(xiàn)扶正消巖湯以劑量依賴(lài)的方式抑制癌細(xì)胞Drp1的活性,從而抑制細(xì)胞增殖。鹿蓓蓓[37]發(fā)現(xiàn)穿心蓮內(nèi)酯處理后的MDA-MB-231細(xì)胞內(nèi)Drp1活性降低,線粒體分裂減少,細(xì)胞轉(zhuǎn)移侵襲能力減弱,并說(shuō)明Drp1低表達(dá)改變細(xì)胞能量代謝抑制轉(zhuǎn)移侵襲。最后此結(jié)論通過(guò)敲低細(xì)胞內(nèi)Drp1得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。劉暢[38]發(fā)現(xiàn)肺巖寧可以下調(diào)肺癌模型小鼠Drp1及其mRNA的表達(dá),上調(diào)Opa1、Mfn2及其mRNA表達(dá),干預(yù)線粒體在腫瘤中的作用,達(dá)到抑制移植瘤生長(zhǎng)的效果。Chen等[39]用參麥注射液(shenmai injection,SMI)處理肺腺癌細(xì)胞,證實(shí)了SMI的細(xì)胞毒性,而SMI聯(lián)合順鉑表現(xiàn)出更強(qiáng)的細(xì)胞毒性,其通過(guò)上調(diào)癌細(xì)胞中Mfn2的表達(dá),降低線粒體質(zhì)量與線粒體膜電位,從而導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡。Chen等[40]發(fā)現(xiàn)桑根酮C通過(guò)阻斷細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶信號(hào)通路抑制線粒體分裂,降低線粒體膜電位,阻止人胃癌(Gastric carcinoma,GC)細(xì)胞的增殖和集落形成,誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞周期阻滯在G0-G1期,并促進(jìn)胃癌細(xì)胞凋亡。

2.2 中藥調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病劉旭東等[41]通過(guò)免疫組化方法發(fā)現(xiàn)經(jīng)四君子湯處理后的小鼠海馬神經(jīng)元Mfn2表達(dá)提高,β-Amyloid蛋白和Drp1、Mfn1減少。實(shí)驗(yàn)表明β-Amyloid蛋白可能會(huì)引起Drp1上調(diào)與Mfn1/2下調(diào),導(dǎo)致AD發(fā)生,而四君子湯可以阻止此過(guò)程。韓雙雪[42]發(fā)現(xiàn)淫羊藿苷處理后的小鼠神經(jīng)元細(xì)胞Drp1在S637處的磷酸化加強(qiáng),抑制了細(xì)胞線粒體分裂,同時(shí)還提高了Mfn2的表達(dá)。此外,丙酮酸脫氫酶E1α(Pyruvate dehydrogenaseE1α,PDHE1α)和細(xì)胞色素c氧化酶亞基Ⅳ(cytochrome c oxidase subunit Ⅳ,COXⅣ)參與了ATP的生成,且二者在AD中的表達(dá)異常都有被證實(shí)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了淫羊藿苷可修復(fù)AD模型小鼠神經(jīng)元胞體內(nèi)PDHE1α異常斷裂聚集及胞周分布缺乏的現(xiàn)象,同時(shí)還提高了COXⅣ的活力。Gai等[43]發(fā)現(xiàn)在大補(bǔ)陰丸(Da-Bu-Yin-Wan,DBYW)和牽正散(Qian-Zheng-San,QZS)聯(lián)合處理后,MPP+誘導(dǎo)SH-SY5Y的PD細(xì)胞模型內(nèi)Mfn1/2、Opa1上調(diào),Drp1和Fis1下調(diào),且相關(guān)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到細(xì)胞存活率、線粒體活性和ΔΨm均得到提高。這說(shuō)明DBYW+QZS可通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體分裂和融合之間的平衡,改善MPP+誘導(dǎo)的線粒體損傷,保護(hù)與PD相關(guān)的神經(jīng)元。最新研究顯示,PD與NLRP3炎癥小體有關(guān),而Drp1過(guò)表達(dá)導(dǎo)致的線粒體異常分裂會(huì)激活 NLRP3 炎癥小體。黃文敏[44]成功構(gòu)建PD大鼠和細(xì)胞模型,發(fā)現(xiàn)模型細(xì)胞內(nèi)Drp1向線粒體募集加快,且Mfn1/2、Opa1表達(dá)顯著降低。后經(jīng)蟲(chóng)草素處理發(fā)現(xiàn)Drp1明顯下調(diào),抑制了神經(jīng)元內(nèi)NLRP3炎癥小體激活,減輕了炎癥反應(yīng),延緩了PD進(jìn)展。Huang等[45]以過(guò)表達(dá)突變型亨廷頓蛋白(mutant huntingtin,mHTT)基因的大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞PC12作為HD的體外細(xì)胞模型,發(fā)現(xiàn)mHTT基因的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致PC12細(xì)胞中蛋白聚集,線粒體發(fā)生斷裂,分裂融合機(jī)制失調(diào)。天麻提取物顯著逆轉(zhuǎn)了mHTT誘導(dǎo)的上述現(xiàn)象,且蛋白聚集的減弱主要是融合基因過(guò)表達(dá)的結(jié)果。神經(jīng)炎癥是MS的重要特征之一。李夢(mèng)凡[46]發(fā)現(xiàn)大麻二酚可以激活Mfn2,抑制c-Jun氨基末端激酶以改善線粒體功能,從而抑制脂多糖誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞激活,降低炎癥因子水平,減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)。Zhu等[47]發(fā)現(xiàn)糖尿病周?chē)窠?jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN)大鼠坐骨神經(jīng)中Mfn1/2和Opa1的表達(dá)減少,復(fù)方糖絡(luò)寧可以上調(diào)這些蛋白的表達(dá)。眾多研究都證明了線粒體分裂增強(qiáng)、融合減少是參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要機(jī)制,但驅(qū)動(dòng)分裂融合因子表達(dá)異常的分子機(jī)制還需進(jìn)一步探討。

2.3 中藥調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)治療心血管系統(tǒng)疾病心肌線粒體為心肌細(xì)胞提供能量,其功能受損會(huì)導(dǎo)致心臟供能不足。劉文臣[48]成功構(gòu)建了心肌缺血大鼠模型,發(fā)現(xiàn)模型鼠心肌細(xì)胞線粒體Mfn2表達(dá)降低,Drp1表達(dá)升高,ATP生成減少,而經(jīng)益氣活血湯處理后3種現(xiàn)象明顯改善。這揭示了益氣活血湯抑制心肌細(xì)胞線粒體過(guò)度分裂,促進(jìn)融合,增加ATP合成,從而減輕心肌缺血損傷的作用。另有研究發(fā)現(xiàn),黃芪活性成分可改善心肌損傷。黃芪甲苷IV能夠增加ATP生成,恢復(fù)線粒體電子傳遞鏈酶活性,提高線粒體呼吸能力,改善心肌細(xì)胞能量代謝異常[49]。黃海軍[50]將si-BNIP3LNIX和FUNDC1等載體轉(zhuǎn)染到心肌細(xì)胞,并用黃芪總苷進(jìn)行分組處理,發(fā)現(xiàn)黃芪總苷降低了BNIP3L和FUNDC1的表達(dá),提高了Mfn1、Mfn2的表達(dá),這說(shuō)明黃芪總苷有助于心肌線粒體功能改善和線粒體網(wǎng)絡(luò)重塑。姚道敏[51]運(yùn)用大黃酸治療急性心肌梗死大鼠后,發(fā)現(xiàn)大黃酸可抑制線粒體分裂、促進(jìn)融合與線粒體自噬,改善心肌組織超微結(jié)構(gòu),保護(hù)心肌組織免受損傷。Luo等[52]發(fā)現(xiàn)桃紅四物湯(Taohong Siwu Decoction,THSWD)組心肌細(xì)胞線粒體ROS生成和Fis1表達(dá)顯著降低,且心肌梗死區(qū)細(xì)胞凋亡減少,這可能是 THSWD 激活了PI3K/AKT通路,進(jìn)而促進(jìn)了細(xì)胞增殖,提高了細(xì)胞存活率。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明THSWD可通過(guò)調(diào)節(jié)心肌梗死后局部缺血微環(huán)境和線粒體分裂改善心功能,這為其治療心肌梗死、保護(hù)心臟提供了理論基礎(chǔ)。Cheng等[53]將H9c2心肌細(xì)胞分為不同組,發(fā)現(xiàn)H2O2處理組細(xì)胞線粒體動(dòng)力學(xué)失衡,出現(xiàn)線粒體碎片化和細(xì)胞死亡,而天麻素(Gastrodin,GAS)通過(guò)抑制ROS生成改善了此種現(xiàn)象。此外,實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)Mfn2、Opa1、Fis1也參與了GAS對(duì)線粒體的保護(hù)機(jī)制。這說(shuō)明GAS可以通過(guò)減少氧化應(yīng)激保護(hù)心肌細(xì)胞免受氧化損傷。另外,蛋白磷酸化對(duì)線粒體功能也具有重要影響。目前已知Drp1在Ser616位點(diǎn)的磷酸化會(huì)加快線粒體分裂,而Ser637位點(diǎn)的磷酸化則可能作用相反[54]。Liu等[55]發(fā)現(xiàn)丹皮酚在糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)中促進(jìn)Opa1介導(dǎo)的線粒體融合,抑制線粒體氧化應(yīng)激,保護(hù)線粒體呼吸能力和心臟功能,抑制糖尿病心肌病的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn),生脈散提取物、芪藶強(qiáng)心膠囊都可以促進(jìn)Drp1Ser637磷酸化,且生脈散提取物還能夠抑制Drp1Ser616的磷酸化,抑制心肌細(xì)胞線粒體分裂,維護(hù)心臟功能健康[56-57]。此外,益氣復(fù)脈注射液能夠抑制Drp1Ser616的磷酸化,延緩心力衰竭進(jìn)程[58]。

綜上,由于中藥的復(fù)雜性導(dǎo)致其干預(yù)線粒體動(dòng)力學(xué)存在不同的機(jī)制。例如,在肝癌、直腸癌等細(xì)胞中,線粒體分裂是導(dǎo)致疾病的主要事件,而中藥通過(guò)上調(diào)Drp1的表達(dá),并作用于相關(guān)信號(hào)通路,促進(jìn)癌細(xì)胞內(nèi)線粒體分裂,抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)擴(kuò)散,或加速其凋亡。但在某些腫瘤細(xì)胞中抑制Drp1的活性也可以抑制細(xì)胞增殖。Mfn2在某些研究中被證實(shí)具有良好的抗腫瘤作用,肺腺癌細(xì)胞中Mfn2水平下調(diào),中藥處理后Mfn2上調(diào),達(dá)到抑制腫瘤的效果。一些標(biāo)志物或通路是線粒體誘發(fā)疾病的“橋梁”,如炎癥因子誘發(fā)PD、MS等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。中藥不直接作用于疾病本身,而是通過(guò)調(diào)節(jié)“橋梁”改善線粒體動(dòng)力學(xué)異常,阻斷疾病進(jìn)展;在多數(shù)病理心肌細(xì)胞中,中藥修復(fù)了線粒體動(dòng)力學(xué)失衡,增加ATP生物合成,維持細(xì)胞能量所需,保護(hù)相應(yīng)組織或器官的正常運(yùn)行;線粒體是ROS的主要生成位點(diǎn),在心肌梗死、糖尿病心肌病等疾病模型中發(fā)現(xiàn),線粒體分裂融合異常導(dǎo)致了ROS的含量增加,細(xì)胞死亡。中藥通過(guò)調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞線粒體ROS的生成,減少氧化應(yīng)激,保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。

3 討論

線粒體是人體重要的細(xì)胞器,對(duì)于維持機(jī)體健康具有重要作用。近年來(lái),關(guān)于線粒體動(dòng)力學(xué)在腫瘤、神經(jīng)、心血管系統(tǒng)疾病等方面的研究越來(lái)越多,調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)有望成為中藥防治疾病的新策略。但目前研究仍存在不足和挑戰(zhàn),如線粒體動(dòng)力學(xué)具體作用于疾病的哪些階段,其作用機(jī)制尚未明確;Drp1誘導(dǎo)線粒體分裂在不同疾病中的作用不同,如刺激Drp1的活性抑制腫瘤細(xì)胞的發(fā)展,但在某些腫瘤細(xì)胞中存在相反的現(xiàn)象。不僅是分裂,持續(xù)的融合也會(huì)導(dǎo)致線粒體異常橋接,線粒體分布不均。這對(duì)于研究神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及其他疾病打開(kāi)了思路。因此,深入研究線粒體分裂融合潛在的雙重效應(yīng)是關(guān)鍵。線粒體的分裂與融合會(huì)影響線粒體功能,包括ATP生成、Ca2+變化、ROS含量變化等,但大多數(shù)研究的關(guān)注點(diǎn)在于線粒體分裂,通過(guò)刺激Mfn1/2和Opa1調(diào)節(jié)融合機(jī)制或許會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。

中藥作為我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)藥,兼具多靶點(diǎn)、多成分、多功效三大性能,在臨床治療方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。近年來(lái),中藥基于線粒體動(dòng)力學(xué)調(diào)控腫瘤、神經(jīng)、心血管系統(tǒng)疾病的研究逐漸成為熱點(diǎn)。因此,如何以線粒體為靶點(diǎn),將藥物靶向于病源改善線粒體動(dòng)力學(xué)平衡是問(wèn)題所在,同時(shí)要盡量避免其不良反應(yīng)。通過(guò)抑制分裂因子的表達(dá)改善線粒體動(dòng)力學(xué)平衡是研究主流,但線粒體分為外周和中間分裂,全盤(pán)抑制分裂可能無(wú)效,甚至出現(xiàn)反作用。同時(shí)線粒體分裂伴隨著線粒體自噬,清除受損線粒體,從而維護(hù)自身網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境平衡,因此辨清線粒體的分裂方式尤為重要。中藥如何調(diào)控線粒體融合來(lái)改善疾病,需要進(jìn)一步研究。總而言之,辯證看待及調(diào)控Drp1、Mfn1/2及其他相關(guān)因子的表達(dá),對(duì)控制疾病進(jìn)展尤為重要。中藥干預(yù)疾病的線粒體動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究,有利于明確中藥作用靶點(diǎn),充分發(fā)揮中藥的潛能,為中藥治療疾病提供理論基礎(chǔ)。