線粒體功能障礙相關(guān)分子機(jī)制在肌少癥發(fā)病過(guò)程中的作用研究進(jìn)展

周艷雯 李秀芬 張長(zhǎng)明

人口老齡化已成為當(dāng)前我國(guó)面臨的熱門問(wèn)題之一,截至2020年底,我國(guó)60歲及以上老年人口已達(dá)2.64億,占總?cè)丝诘?8.7%,是全球老年人口最多的國(guó)家[1]。肌少癥是老年人群常見(jiàn)疾病之一,一項(xiàng)針對(duì)中國(guó)肌少癥人群的流行病學(xué)研究顯示,社區(qū)老年人肌少癥的患病率為8.9%～38.8%,男性患病率高于女性,且隨增齡,肌少癥的患病率顯著增加,80歲及以上老年人肌少癥患病率可高達(dá)67.1%[2]。肌少癥的概念最早產(chǎn)生于1989年,由Irwin Rosenberg提出。2010年,歐洲肌少癥工作組(EWGSOP)首先發(fā)表了肌少癥共識(shí),將肌少癥定義為一種增齡相關(guān)的肌肉量減少、肌肉力量下降和(或)軀體功能減退的老年綜合征。2018年,EWGSOP2中建議將肌肉質(zhì)量也納入肌少癥的定義中[3]。目前用于診斷和評(píng)估肌少癥的主要參數(shù)為肌肉量、肌肉力量、肌肉質(zhì)量和軀體功能。

目前有關(guān)肌少癥的研究逐年增加,對(duì)肌少癥的研究也從臨床表現(xiàn)和診斷方法發(fā)展到對(duì)分子水平發(fā)病機(jī)制的研究[4]。線粒體衰變被認(rèn)為是導(dǎo)致肌肉老化的主要因素之一。在骨骼肌中,線粒體通過(guò)對(duì)能量供應(yīng)、氧化還原穩(wěn)態(tài)和幾種分解代謝途徑的調(diào)節(jié)在維持肌細(xì)胞活性中起到重要作用。成年骨骼肌細(xì)胞是有絲分裂后的細(xì)胞,含有數(shù)百至數(shù)千個(gè)核,每個(gè)核對(duì)周圍的肌漿具有管轄權(quán),即肌核結(jié)構(gòu)域。肌核結(jié)構(gòu)域被認(rèn)為可以通過(guò)肌肉纖維重塑來(lái)應(yīng)對(duì)負(fù)荷條件、衰老和疾病。大量研究表明,線粒體在生理和病理?xiàng)l件下都是調(diào)節(jié)肌核結(jié)構(gòu)域的中心[5]。本綜述主要闡述肌肉線粒體功能障礙在肌少癥發(fā)病中的相關(guān)機(jī)制。

1 肌少癥病人肌肉中線粒體功能障礙的發(fā)病機(jī)制

1.1 氧化應(yīng)激和線粒體功能失調(diào)之間惡性循環(huán) 線粒體被廣泛認(rèn)為是活性氧(reactive oxygen species,ROS)的主要細(xì)胞來(lái)源,同時(shí)也是氧化應(yīng)激的主要目標(biāo)。在衰老過(guò)程中,一些組織出現(xiàn)線粒體功能障礙,使得ROS滲漏加劇,細(xì)胞損傷風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。根據(jù)線粒體自由基老化理論,線粒體DNA(mitochondrial deoxyribonucleic acid,mtDNA)氧化損傷引起的線粒體功能障礙會(huì)引發(fā)一個(gè)惡性循環(huán)。mtDNA是ROS的主要靶點(diǎn)之一,其突變會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生缺陷蛋白質(zhì)和整體功能障礙[6],而在線粒體功能障礙的老年肌肉中,ROS生成也會(huì)隨之增加。Cu/Zn超氧化物歧化酶是人體細(xì)胞內(nèi)主要的抗氧化酶,負(fù)責(zé)去除細(xì)胞質(zhì)和線粒體中的超氧陰離子,保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。Deepa等[7]使用缺乏Cu/Zn超氧化物歧化酶的小鼠模型(Sod1KO小鼠),發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出高水平的氧化應(yīng)激損傷,壽命減少30%。

1.2 線粒體動(dòng)力學(xué)改變 線粒體是動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器,不斷經(jīng)歷裂變和融合,以使其形態(tài)適應(yīng)細(xì)胞環(huán)境。線粒體動(dòng)力學(xué)通過(guò)復(fù)雜的分子機(jī)制進(jìn)行融合和裂變。線粒體融合主要由線粒體融合蛋白Mfn 1&2和視神經(jīng)萎縮蛋白-1(opticatrophy protein-1,OPA1)調(diào)節(jié)。線粒體分裂主要由動(dòng)力相關(guān)蛋白-1(dynamin-related protein-1,Drp1)控制。其他幾種作用于外膜的蛋白質(zhì),如線粒體裂變蛋白-1(fission protein-1,Fis1)、線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor,Mff)、線粒體動(dòng)力蛋白MiD49和MiD51也參與了線粒體的分裂[8]。此外,核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)缺乏也可通過(guò)損害骨骼肌線粒體動(dòng)力學(xué)功能加劇衰老過(guò)程中的衰弱和肌肉減少[9]。線粒體融合能使2個(gè)線粒體合并,從而混合其內(nèi)容物,重新分配代謝物、蛋白質(zhì)和mtDNA,并平衡細(xì)胞器中核編碼蛋白質(zhì)的濃度。裂變可以將不可逆損壞或不必要的結(jié)構(gòu)隔離出來(lái),以便后續(xù)移除。

融合裂變紊亂被認(rèn)為是應(yīng)激條件下或衰老過(guò)程中異常線粒體形成的一種機(jī)制。線粒體融合可能通過(guò)稀釋突變基因來(lái)應(yīng)對(duì)mtDNA突變水平的增加。為了驗(yàn)證這一假設(shè),有研究在mtDNA突變小鼠中通過(guò)Mfn1刪除中斷線粒體融合,發(fā)現(xiàn)其可增加線粒體功能障礙和致死率[10]。此外,Tezze等[11]發(fā)現(xiàn)久坐不動(dòng)者的OPA1表達(dá)水平下降。而在成年小鼠中,急性肌肉OPA1特異性缺失可導(dǎo)致早衰表型和過(guò)早死亡。Pinti等[12]在2型糖尿病和肥胖病人的肌肉中也觀察到線粒體裂變中斷。

而線粒體過(guò)度融合可能導(dǎo)致嚴(yán)重受損的細(xì)胞器無(wú)法被清除。融合上調(diào)和裂變下調(diào)可以使肌細(xì)胞維持活力,直到受損mtDNA達(dá)到致病閾值而無(wú)法完全清除[5]。在臨床層面上,該過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致肌力逐漸下降,最終出現(xiàn)肌肉萎縮。

此外,線粒體過(guò)度裂變也會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙和肌肉萎縮。有研究利用轉(zhuǎn)基因小鼠模型發(fā)現(xiàn),過(guò)度裂變可使線粒體功能障礙、線粒體網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、蛋白質(zhì)分解和纖維萎縮[13]。

1.3 線粒體自噬 線粒體更新是由2個(gè)相反但協(xié)調(diào)的過(guò)程完成的:通過(guò)一種特殊形式的自噬(線粒體自噬)降解功能失調(diào)或不必要的線粒體,以及通過(guò)生物發(fā)生產(chǎn)生新的細(xì)胞器。越來(lái)越多的證據(jù)表明,在肌肉老化的過(guò)程中,線粒體轉(zhuǎn)換發(fā)生改變可能影響線粒體功能和肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[5]。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子-1α(peroxisome proliferators-activated receptorγcoactivator-1α,PGC-1α)是線粒體生物發(fā)生的一個(gè)重要因子,在老年實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和老年人的肌肉中檢測(cè)到PGC-1α受體表達(dá)減少,表明線粒體發(fā)生減少。有研究對(duì)不同國(guó)家的119名老年男性進(jìn)行肌肉活檢,將肌少癥病人的全基因組轉(zhuǎn)錄變化與同年齡段健康組進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)肌少癥病人存在顯著的骨骼肌線粒體功能障礙特征,包括PGC-1α信號(hào)通路下調(diào)、氧化磷酸化和線粒體蛋白抑制基因下調(diào)[14]。PGC-1α過(guò)表達(dá)可有效增加線粒體生物發(fā)生和功能,并減少ROS的產(chǎn)生、炎癥和氧化損傷[15]。PGC-1α信號(hào)通路的中斷會(huì)影響蛋白質(zhì)代謝。PGC-1α通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)途徑,阻斷NF-κB和FoxO3的活性來(lái)減少肌肉蛋白質(zhì)的降解。此外,肌特異性Atg7基因缺失阻礙了功能失調(diào)線粒體的清除,線粒體通過(guò)增加ROS生成和蛋白質(zhì)氧化誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,導(dǎo)致肌力下降。線粒體自噬功能下降是衰老的一個(gè)共同特征。老年骨骼肌細(xì)胞自噬失敗可能是與一種稱為脂褐素的不可降解物在溶酶體內(nèi)的累積有關(guān)[16]。線粒體ROS會(huì)促進(jìn)脂褐素的發(fā)生,而脂褐素顆粒的累積會(huì)損害線粒體自噬,由此導(dǎo)致的惡性循環(huán)也被稱為線粒體-溶酶體軸理論?？傊?這些研究表明,肌肉老化與線粒體功能障礙之間存在著深刻的聯(lián)系。

1.4 線粒體介導(dǎo)的凋亡過(guò)程異常 鑒于線粒體在凋亡信號(hào)整合和肌肉線粒體功能隨年齡增長(zhǎng)而下降中的核心作用,大量的研究致力于探索線粒體介導(dǎo)的凋亡在肌少癥發(fā)病機(jī)制中的貢獻(xiàn)。研究表明,肌肉mtDNA缺失突變會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC)異常,隨后觸發(fā)肌細(xì)胞凋亡信號(hào)通路,最終導(dǎo)致肌肉纖維萎縮、斷裂和纖維丟失[17]。Herbst等[18]在含有ETC缺陷的肌肉纖維中觀察到mtDNA缺失突變?cè)黾恿?200%,肌肉纖維數(shù)量減少了18%,肌肉質(zhì)量損失惡化了22%。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了mtDNA缺失突變與老年肌纖維丟失有關(guān)。一項(xiàng)對(duì)嚙齒動(dòng)物肌肉的研究表明,高齡與Bcl-2家族蛋白表達(dá)模式的變化有關(guān),該蛋白可調(diào)控線粒體外膜通透性;在老年大鼠中,開(kāi)放的肌肉線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)更易受損[19]。

盡管大量證據(jù)支持線粒體凋亡信號(hào)參與肌少癥,但也有研究報(bào)道,在去神經(jīng)、神經(jīng)沖動(dòng)阻滯或機(jī)械制動(dòng)肌少癥小鼠模型中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)肌核凋亡[20]?？傊?需要進(jìn)一步的研究來(lái)明確細(xì)胞凋亡與肌肉萎縮之間的機(jī)制聯(lián)系,確定最相關(guān)的凋亡通路,并確定干預(yù)的最佳時(shí)機(jī)。

2 肌外因素通過(guò)影響線粒體對(duì)肌少癥發(fā)病的影響

Conboy等[21]通過(guò)異時(shí)異種共生模型使年輕和衰老小鼠共享循環(huán)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)這能恢復(fù)衰老肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和再生能力。該研究結(jié)果表明,肌外因素對(duì)肌肉功能狀態(tài)有很大的影響,這可能為預(yù)防和治療肌少癥提供有價(jià)值的靶點(diǎn)。

2.1 慢性炎癥 目前發(fā)現(xiàn)的炎癥介質(zhì),如IL-6、CRP和TNF-α,與肌少癥和身體衰弱的發(fā)展有關(guān)。一項(xiàng)薈萃分析比較了肌少癥病人和無(wú)肌少癥對(duì)照人群之間的炎性細(xì)胞因子水平,結(jié)果顯示,肌少癥病人的CRP水平顯著升高[22]。炎癥可能影響肌肉線粒體功能的一個(gè)途徑即一氧化氮(NO)信號(hào)傳導(dǎo)。NO通過(guò)調(diào)節(jié)生物發(fā)生、氧氣消耗和氧化還原穩(wěn)態(tài)對(duì)線粒體發(fā)揮重要作用[23]。

炎癥也可能抑制自噬,而這又會(huì)導(dǎo)致受損細(xì)胞器無(wú)法清除而進(jìn)一步加劇線粒體功能障礙。部分新型冠狀病毒感染者發(fā)生急性肌少癥,可能與該病毒引發(fā)的高水平炎癥因子如IL-1、IL-6、TNF-α和CRP有關(guān)[24]。

2.2 內(nèi)分泌代謝異常 研究表明,絕大多數(shù)與肌肉衰老相關(guān)的內(nèi)分泌因子(如糖皮質(zhì)激素、性激素和甲狀腺激素)均可能參與肌肉線粒體的功能運(yùn)作。Szleif等[25]發(fā)現(xiàn),在老年人中,促甲狀腺激素(thyroid stimulating hormone,TSH)與肌少癥和低肌肉強(qiáng)度呈U型相關(guān)?；加屑∩侔Y的受試者游離三碘甲狀腺原氨酸(free triiodothyronine,FT3)水平較低。性類固醇激素,如睪酮、雌激素和孕激素是重要的全身合成代謝激素,參與維持骨骼肌的質(zhì)量和功能,包括肥大和受損肌肉的再生。在衰老過(guò)程中,它們的水平會(huì)耗盡,這與肌肉質(zhì)量的減少是一致的。而改善線粒體功能可影響骨骼肌細(xì)胞中性類固醇激素的生理效應(yīng)[26]。肌肉組織中的脂肪積累可促進(jìn)促炎級(jí)聯(lián)和氧化應(yīng)激,導(dǎo)致線粒體功能障礙、胰島素信號(hào)受損和肌肉萎縮。更為復(fù)雜的是,肌肉質(zhì)量減少會(huì)加劇胰島素抵抗。此外,肌肉因子與脂肪因子之間的相互作用導(dǎo)致負(fù)反饋,進(jìn)而加劇肌萎縮性肥胖和胰島素抵抗[27]。肌肉線粒體功能衰退和胰島素抵抗通常在老年人中同時(shí)出現(xiàn),但兩者之間的關(guān)系仍需要進(jìn)一步研究。瘦素和脂聯(lián)素已被證明會(huì)影響肌肉中的線粒體生物發(fā)生和功能[28]。盡管生長(zhǎng)激素和胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)減少通常被認(rèn)為是導(dǎo)致身體機(jī)能下降的可能原因,在分子水平上,不同亞型的IGF-1可能在骨骼肌中發(fā)揮不同的作用。Ascenzi等[29]研究發(fā)現(xiàn),IGF-1Ea和IGF-1Eb兩種亞型都可激活自噬-溶酶體系統(tǒng),并增加PGC-1α的表達(dá),調(diào)節(jié)線粒體功能、ROS解毒和老年時(shí)發(fā)生的基礎(chǔ)炎癥狀態(tài)。

腎素-血管緊張素系統(tǒng)的改變被認(rèn)為是通過(guò)促進(jìn)肌肉炎癥、線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡導(dǎo)致肌少癥的潛在因素。經(jīng)典的腎素-血管緊張素系統(tǒng)不僅對(duì)心血管系統(tǒng)產(chǎn)生影響,而且對(duì)神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響。因此,抑制腎素-血管緊張素系統(tǒng)可對(duì)年齡相關(guān)性疾病的治療起到重要作用,包括肌少癥[30]。

目前有大量關(guān)于維生素D缺乏與肌少癥的關(guān)系的文獻(xiàn),但兩者關(guān)系和發(fā)病機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。有研究對(duì)大鼠進(jìn)行補(bǔ)充或限制維生素D的常規(guī)飲食,發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充維生素D飲食的大鼠肌肉纖維肥厚,而限制維生素D飲食的大鼠則隨著IL-1β的增加和IGF-1表達(dá)的顯著降低,肌肉纖維呈現(xiàn)低營(yíng)養(yǎng)化[31]。

2.3 血管老化 血管老化在老年人中普遍存在,有研究發(fā)現(xiàn),血管老化伴隨著血流下降和內(nèi)皮依賴性血管舒張力損傷,對(duì)骨骼肌的營(yíng)養(yǎng)和氧氣輸送產(chǎn)生負(fù)面影響,最終加速肌肉損失和功能下降,這可能與ROS信號(hào)改變有關(guān)[32]。氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的內(nèi)皮功能障礙導(dǎo)致NO生成減少,從而導(dǎo)致肌肉的血流炎癥和氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的微鈣化和激素失調(diào)(如胰島素抵抗)可能是導(dǎo)致骨骼肌萎縮的發(fā)生機(jī)制,其原因是毛細(xì)血管微循環(huán)減少、營(yíng)養(yǎng)和氧氣輸送減少,從而導(dǎo)致肌肉蛋白質(zhì)合成受損、蛋白質(zhì)分解增加、線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡[33]。無(wú)論老年血管功能障礙的機(jī)制是什么,隨后的組織灌注減少可能進(jìn)一步增加骨骼肌內(nèi)線粒體凋亡。

3 總結(jié)與展望

肌少癥作為一種常見(jiàn)的老年疾病,其干預(yù)措施主要為運(yùn)動(dòng)(有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng))以及營(yíng)養(yǎng)支持[34]。然而由于缺乏確切可靠的治療手段,臨床上無(wú)法對(duì)肌少癥病人進(jìn)行及時(shí)的干預(yù)和治療。作為一種年齡相關(guān)性疾病,衰老特征通常會(huì)發(fā)生在該類病人中,骨骼肌隨年齡增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)不同程度萎縮,而線粒體作為供能細(xì)胞器對(duì)骨骼肌的功能形態(tài)維持起到重要作用。目前,在線粒體融合裂變失調(diào)中起關(guān)鍵作用的細(xì)胞因子,如OPA1、Mfn1等,已被發(fā)現(xiàn)表達(dá)異常,但其作用通路尚不明確,有待進(jìn)一步研究。線粒體介導(dǎo)的凋亡異常與肌少癥發(fā)病之間的關(guān)系及其具體機(jī)制也尚未可知。研究線粒體功能障礙在年齡相關(guān)肌少癥中的作用機(jī)制有助于找到肌少癥治療靶點(diǎn),提高臨床對(duì)該疾病的早期干預(yù)能力,從而降低該病造成的一系列損失。