線粒體靶向抗氧化劑MitoQ的研究進展

蒙 萍，馬慧萍，景臨林，樊鵬程，賈正平

線粒體功能障礙是很多疾病產生的原因，而氧化應激又是引起線粒體功能障礙的主要原因，大量自由基、活性氧造成線粒體膜脂質過氧化、蛋白質硝化，損傷線粒體DNA、線粒體膜結構和電子傳遞鏈酶復合物，使氧化磷酸化減弱或不能進行，ATP產生迅速減少，觸發進一步的線粒體損傷。因此，抗氧化劑被認為能夠有效改善線粒體功能障礙。然而，基于線粒體的雙層膜結構，使得大多數藥物不能穿過其雙層膜到達線粒體內部發揮作用，人們開始研究線粒體靶向抗氧化劑來治療相關疾病。過去20年中，在線粒體靶向抗氧化劑方面取得了一定的進展，如以合適的載體與抗氧化劑結合成靶向復合物、將抗氧化劑修飾和包裝成納米粒等［1］，其中一個很好的方法是結合陽離子脂質體，如三苯基磷。磷的衍生物已經被傳統的用于靶向藥物的設計，使藥物有靶向線粒體內膜的特性。MitoQ由三苯基磷陽離子(TPP+)與輔酶Q10通過一個十碳脂肪鏈共價結合組成［2］，在線粒體膜電位的驅動下，MitoQ的TPP+部分誘導其快速穿過線粒體膜，被線粒體迅速廣泛攝取而聚集在線粒體基質內，隨后不斷地被線粒體呼吸鏈復合物Ⅱ轉變成具有抗氧化活性的泛醇的形式［2-3］。MitoQ在動物和人體中均具有口服的生物利用度［4］，能夠通過降低線粒體活性氧的水平，減少線粒體蛋白、脂質和 DNA氧化損傷而保護線粒體。

1 MitoQ的結構及其靶向機制

輔酶Q10是組成呼吸鏈的必需成分，是電子傳遞鏈中的遞氫體，為線粒體合成 ATP的必要成分［5］，在人體內分布廣泛，含量差別較大，在肝、腎、心的含量較高，主要來源于食物補充和自身合成，是唯一一個可以內源性合成的脂溶性抗氧化劑［5-6］。在細胞內，輔酶Q10位于膜的磷脂雙分子層中間，有3種存在狀態:全氧化型(CoQ10)，半泛醌自由基型(CoQ10H·)，全還原型(CoQ10H2)，只有還原型輔酶Q10可以發揮抗氧化作用［7-8］。近年來越來越多的研究顯示，還原型輔酶Q10可以清除體內多種自由基、抑制蛋白和DNA的氧化、穩定心肌鈣依賴性離子通道，還可以與維生素E協同發揮抗氧化作用。但是由于線粒體的雙層膜結構，外源性的輔酶Q10不能最大程度發揮其抗氧化作用，因此線粒體靶向輔酶Q10成為近年來抗氧化劑研究的熱點。

MitoQ是目前研究最多和應用最廣泛的線粒體靶向抗氧化劑，由TPP+與輔酶Q10的苯醌部分通過一個十碳脂肪鏈共價結合構成。三苯基磷陽離子是一個帶正電荷的磷原子被大的疏水表面所圍繞，使其能夠直接、迅速地穿過磷脂雙分子膜，促使TPP+聚集在細胞質(10倍)中，同時保留其正電荷，使TPP+隨后在更大的線粒體膜電位(150～180 mV)的驅動下穿過線粒體膜，聚集在線粒體基質內(100～500倍)，較高的膜電位是氧化呼吸鏈中電子轉移給氧時產生的質子梯度引起的［9］。多重證據表明MitoQ可以顯著的聚集在線粒體內，然后被降解成可以發揮抗氧化活性的泛醇的形式。隨著泛醌部分深入地插進膜的疏水性內部，線粒體膜內的基質成為其主要吸收部位，使MitoQ可以不斷的清除過氧化氫、過氧亞硝酸鹽、超氧化物，保護線粒體對抗脂質過氧化，其后又可以在線粒體呼吸鏈復合物Ⅱ的作用下不斷地還原成具有抗氧化活性的泛醇的形式［10-11］。

2 MitoQ的藥理學作用

2.1 神經退行性疾病 氧化應激是指機體或細胞內氧自由基的產生與清除失衡，導致活性氧和活性氮在體內或細胞內蓄積而引起的氧化損傷過程，是神經退行性疾病發病的重要機制。帕金森病(PD)是一種神經退行性疾病，傳統的藥物只能減輕癥狀而不能徹底治愈，目前尚無非常有效的治療PD的藥物［4，12］。研究顯示，MitoQ 對 PD 的細胞和動物模型都有神經保護作用，能顯著抑制6-羥基多巴胺(6-OHDA)誘導的SH-SY5Y細胞PD模型中Drp1向線粒體遷移，阻礙線粒體分裂機制的激活，同時抑制促凋亡蛋白 bax轉位到線粒體，抑制 PD 的發生［4，13］。另外，有研究顯示，在4 mg/(kg·d)的劑量下，MitoQ 能 抑 制 1-甲 基-4-苯 基-1，2，3，6-四 氫 吡 啶(MPTP)誘導的黑質紋狀體多巴胺神經元和神經末梢的丟失，減少多巴胺和其代謝物的丟失，抑制線粒體順烏頭酸酶的失活［9，14］，為 MitoQ 靶向線粒體發揮其神經保護作用提供了一定依據。

2.2 代謝綜合征 代謝綜合征是指機體內糖類、蛋白質、脂質等物質發生代謝紊亂在臨床出現一系列癥狀，一般包括胰島素抵抗、肥胖、非酒精性脂肪肝、高血壓、心血管疾病和脂肪組織的堆積引起的促炎性反應［15］。代謝綜合征的病因尚不十分明確，多數學者認為與線粒體氧化應激和相關炎性因子的異常表達相關［16］。氧化還原信號對線粒體新陳代謝十分重要，大量線粒體酶的活性可以被氧化還原所調節，脂肪細胞的分化就需要線粒體活性氧，這個過程可以被抗氧化劑阻斷［17］。在高脂飲食誘導大鼠代謝綜合征模型中發現氧化應激增加和內皮功能障礙，而NADPH氧化酶產生活性氧的增加也伴隨著關鍵的抗氧化酶——超氧化物歧化酶(SOD)表達的下調，提示代謝綜合征患者抗氧化防御體系被打破，證明氧化應激能促進動物模型中代謝征的發展［16］。

研究表明，在用高脂飼料喂食ATM+/-/ApoE-/-小鼠后，MitoQ可以降低線粒體活性氧水平，減少8-oxo-G在ATM+/-/ApoE-/-小鼠心臟、肝臟和胰腺的堆積，并通過降低線粒體蛋白質、脂質和DNA的氧化損傷保護線粒體［17］，顯著改善代謝綜合征的多個癥狀，改變糖類和脂質代謝中的有害效應，減少脂肪的堆積，減少血清膽固醇和甘油三酯的循環，改善高脂血癥，抑制肥胖和肝脂肪變性，使糖耐量正常化，并且不影響機體食物和水的攝入以及能量的消耗［17-18］。另外，有研究顯示，MitoQ幾乎可以完全恢復代謝綜合征Zucker肥胖大鼠模型中冠狀動脈側支的血管生長［16］。

2.3 多發性硬化癥(multiple sclerosis，MS) 軸索變性是MS的主要病理特征，被認為與當前臨床永久性致殘密切相關［19］。有研究認為，脂質和DNA的氧化程度與MS患者的腦部炎性損傷密切相關［20］。基因缺失、線粒體功能障礙、氧化應激和離子失調在MS的發病機制中都扮演著重要的角色［21］，細胞質和線粒體鈣超載、活性氧的聚集引起的線粒體功能障礙，細胞毒性T淋巴細胞或可溶性炎性介質直接對軸突發起免疫攻擊都可能引起軸索變性［22］。大多數MS患者病情呈階段性發作，在初始階段(急性期)，主要是脫髓鞘作用，伴隨大量炎性細胞浸潤，通常由淋巴細胞、激活的小膠質細胞和巨噬細胞組成，產生大量的炎性介質，破壞髓磷脂，造成軸突傳導障礙;MS晚期的特點主要是廣泛的皮質脫髓鞘作用、神經元損傷和中樞神經系統的退行性變化［19］。

Niki＇等［23］發現外源性的抗氧化劑可以減緩線粒體功能障礙從而減弱軸索變性。由于MitoQ可以輕易地穿過血腦屏障、細胞質和線粒體膜，具有潛在的抗氧化損傷作用，使得MitoQ成為一種很有潛力的治療 MS 方法［22］。Mao等［22］研究顯示，腹腔注射MitoQ預處理或治療自身免疫性腦脊髓炎(EAE)小鼠均能減少EAE相關的神經損傷，顯著抑制EAE小鼠的神經炎癥，抑制炎性細胞因子白介素6(IL-6)和趨化因子以及脫髓鞘作用，增加對軸突的保護作用。

2.4 缺血再灌注損傷 心肌缺血時，冠狀動脈血流的中斷剝奪了心肌細胞的氧和葡萄糖的供應，抑制氧化磷酸化，導致腺嘌呤核苷酸的丟失和磷酸鹽、脂肪酸、乳酸的堆積，細胞內鈣離子濃度升高以及胞內pH值降低，損傷線粒體功能［24］。再灌注時，氧氣與受損的線粒體呼吸鏈相互作用，特別是與非偶聯復合物Ⅰ和Ⅲ相互作用時產生的大量活性氧使線粒體損傷加劇。傳統的抗氧化劑因為不能靶向聚集在大多數缺血再灌注損傷發生部位的線粒體內，對心臟缺血再灌注的效果有限［25］。

MitoQ進入線粒體被線粒體呼吸鏈復合物降解成其抗氧化活性形式泛醇，作用于心臟缺血再灌注。Ondrasik等［25］對 MitoQ、SS31 等靶向抗氧化劑的抗心肌缺血再灌注損傷的作用進行了評價，結果顯示，40μmol的線粒體靶向抗氧化劑MitoQ、SS31就可以在一定程度上抑制線粒體活性氧的產生，減弱心肌缺血再灌注損傷，改善心肌收縮功能障礙和減小梗死面積。當冠狀動脈血流恢復時，可以迅速、有效的發揮抗心肌缺血再灌注損傷的作用［25］。

2.5 膿毒癥 全世界膿毒癥的病死率為31%，超過70%的患者會繼發為膿毒癥誘導的多器官損傷［26］。膿毒癥時機體的抗氧化體系失衡，導致氧化應激、大量的細胞色素釋放和線粒體功能障礙［27-28］。線粒體既是活性氧的產生部位也是活性氧介導損傷的靶點［27］，活性氧通過激活主要的信號通路，包括氧化還原敏感的核因子κB(NF-κB)和炎性小體轉錄因子通路，促進炎性應答，引起細胞損傷，導致器官功能障礙［26］。超氧化物和一氧化氮都可以通過形成過氧亞硝酸鹽在膿毒癥線粒體損傷機制中發揮著重要角色，抑制線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ、Ⅱ的活性，減少ATP的合成，損傷線粒體 DNA［26］。線粒體對膿毒癥的發生有重要作用，使得線粒體成為新的膿毒癥治療靶點。

Lowes等［26］的研究表明，LPS/PepG 誘導的膿毒癥小鼠模型肝臟線粒體呼吸功能會減弱，在給予LPS/PepG小鼠一定劑量的MitoQ后，體內和體外的研究結果均顯示IL-6的水平降低，而早期IL-6和IL-10的水平被認為是決定膿毒癥嚴重程度的重要因子。此外，作為研究的最多的線粒體靶向抗氧化劑，MitoQ在膿毒癥模型中有一定治療效果，能同時發揮抗氧化和抗炎作用［27］，通過減少活性氧和過氧亞硝酸鹽的形成，維持膿毒癥條件下的線粒體膜電位，減輕線粒體功能障礙［26-27，29］。

3 前景展望

除了對神經退行性疾病、MS、代謝綜合征、缺血再灌注損傷、膿毒癥等疾病能發揮作用外，MitoQ也同時發揮著許多其他生理作用，對費里德賴希共濟失調成纖維細胞的氧化應激以及AD模型小鼠海馬神經元突觸可塑性損傷均有一定的保護作用［13］。MitoQ還可以通過降低白介素1β(IL-1β)和白介素18(IL-18)在人類THP-1細胞中的產生抑制線粒體和組織病理學損傷，顯著改善右旋糖苷硫酸酯鈉誘導的小鼠模型的大腸炎，成為一種有潛力的新型的大腸炎治療方法［30］。另外，在一些臨床研究中，丙肝患者口服40～80 mg/kg的MitoQ對其肝損傷有一定保護效應［4，9，30］。ABC 轉運蛋白可以使親脂性TPP復合物外流，使其攝入到腦和肝的量減少，神經保護作用減弱。因此繞過血腦屏障的ABC轉運蛋白可以提高線粒體靶向抗氧化劑、藥效團轉運到大腦［31］。多個研究表明，將含500μmol MitoQ的水喂食健康小鼠28周對體重、骨的組成和生長、食物和脂質的消耗均無顯著影響，證明嚙齒動物長期食用100 ～500 μmol MitoQ 是安全的［9，24，32］。MitoQ 已經被澳大利亞的生物制藥公司發展成藥物，正在進行1期和2期的臨床試驗［9］。

除了MitoQ等以三苯基磷陽離子脂質體為載體的線粒體靶向藥物，還有一些新的線粒體靶向抗氧化劑出現，如四肽類線粒體靶向抗氧化劑SS-20、SS-31，他們也能以一定機制靶向聚集在線粒體，發揮其抗氧化作用［33］。MitoQ作為一種新型的、有潛力的線粒體靶向抗氧化劑，有關其靶向作用機制和病理學作用仍有很多矛盾和不清楚的地方，需要做進一步的深入研究。

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