線粒體功能障礙與腦缺血的研究進展

腦缺血再灌注損傷是一個復雜的病理生理過程，包括諸多環節，如能量障礙、細胞酸中毒、興奮性氨基酸釋放增加、細胞內鈣失穩態、自由基生成、凋亡基因激活等的級聯反應，這些環節互為因果，彼此重疊，并相互聯系，形成惡性循環，最終導致細胞凋亡或壞死。線粒體是一個結構和功能復雜而敏感的重要細胞器，是細胞的發電機，在能量代謝、電子傳遞鏈和氧化磷酸化中起著至關重要的作用，線粒體膜電位有助于維持線粒體內膜和外膜的質子梯度、高能磷酸鹽(ATP)的產生。線粒體在細胞存活中具有這些基本和關鍵的作用，線粒體功能障礙導致細胞受損。線粒體功能障礙后膜電位喪失，從而影響ATP的產生，導致氧化應激損傷[1-3]，激活各種促凋亡和凋亡因子，進一步導致脂質、蛋白質和DNA的破壞。近年來，線粒體功能障礙已成為腦缺血治療研究的熱點。線粒體的功能障礙主要表現為線粒體通透性轉換孔、氧化應激、細胞凋亡。現對線粒體功能障礙與線粒體自噬在腦缺血中的作用機制做一綜述。

1 線粒體膜通透性轉換孔

線粒體膜通透性變化在細胞凋亡或壞死中具有重要作用，線粒體膜通透性轉換孔(mitochondria permeability transition pore，MPTP)可影響線粒體膜通透性變化。線粒體膜通透性是由位于線粒體內膜中的電壓依賴性高電導通道介導的高度復雜的機制。腦缺血后一系列病理生理變化促進這個電壓依賴性通道的開放，最終導致線粒體膜通透性的轉變，即通透性轉換孔(permeability transition pore，PTP)。脂質微環境的改變與Bcl-2的失活也在PTP之前[4]。腦缺血再灌注期間pH值增加，導致MPTP形成。MPTP的形成導致了水的流入增加，進而線粒體腫脹，線粒體膜功能障礙[5]。PTP是由位于線粒體內外膜及基質中的多種蛋白質組成的復合體，主要由位于線粒體內膜的腺嘌呤核苷酸轉位酶(adenine nucleotide translocase，ANT)、位于線粒體外膜的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)和位于基質的親環蛋白D(cyclophilin D，Cyp D)組成，基質中的 Bcl-2 蛋白家族、己糖激酶、磷酸鹽載體、外周苯并二嗪受體、肌酸激酶等對其進行調節。ANT 主要催化胞質中的 ADP 與線粒體中的 ATP進行交換。VDAC的生理功能為控制ATP、 ADP和其他一些代謝物質穿過線粒體外膜， Cyp D調節 PTP對Ca2 +的敏感性， 這些蛋白的構象改變導致PTP的開放[6]。

Bcl-2家族蛋白(Bax，Bid，Puma和BNIP3)也增加了線粒體內外膜的通透性，從而導致滲透性孔的形成[7]。缺血后發生的再灌注增強了Bcl-2家族蛋白的激活，并上調其他凋亡因子。Bcl-2蛋白通過與VDAC和其他促凋亡蛋白相互作用形成自身的蛋白滲透性孔。另外，氧化劑、無機磷酸鹽和堿性pH的存在也有利于PTP的形成[7-8]。

MPTP破壞線粒體內膜的通透性屏障，從而引發氧化磷酸化的解偶聯、滲透性腫脹和外膜破裂。線粒體蛋白的釋放同時激活半胱天冬酶級聯反應，并誘導核酸內切酶，最終導致不可逆的DNA損傷和神經元死亡。此外，線粒體群體中PTP形成的模式決定了死亡的壞死或凋亡模式。 線粒體肌酸激酶-1耗盡時導致凋亡神經元死亡，p53單獨導致凋亡細胞死亡，而p53與Cyp D的相互作用導致壞死的神經元死亡[9-10]。

除此之外，線粒體轉換孔形成導致線粒體外膜的機械性破壞，從而導致線粒體基質腫脹[11]。氧化磷酸化解偶聯之前的基質腫脹引起細胞色素C(Cyt C)的釋放。這反過來激活凋亡誘導因子(apoptosis-inducing factor， AIF)和內切酶G(endonuclease G，Endo G)，然后轉移到細胞核并激活染色質濃縮和DNA片段化[12]。 Cyt C也觸發IP3受體，從而增加胞質Ca2+和活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生。此外，PTP誘導線粒體的分裂/融合和線粒體自噬[13]。因此，線粒體膜通透性是嚴格調控的現象，是導致神經元死亡的主要原因。

2 線粒體與氧化應激

缺血再灌注導致大量自由基產生及細胞內鈣超載，線粒體可作為亞細胞靶標而受到損害。腦缺血再灌注損傷是一個復雜的生理病理過程，氧化應激損傷對線粒體功能的影響是導致細胞死亡的核心環節[14]。還原型輔酶Ⅱ(NADPH)的氧化引起細胞內線粒體鈣釋放的增加，NADPH在線粒體抗性中起關鍵作用，因為它在清除自由基中起著至關重要的作用。由于超氧化物清除活性降低和超氧化物累積增加，NADPH的氧化也擴大了氧化應激[15]。除此之外，谷胱甘肽轉移酶(GSH)減少，加強NADPH的氧化，由此導致線粒體死亡。線粒體無機磷(Pi)的氧化損傷通過生成烯醇產生三重態醛(也是活性氧)，從而導致形成MPTP。病理條件下氧自由基生成持續增加， 過高的ROS持續積累導致MPTP持續開放，促發線粒體凋亡通路。線粒體是唯一含有獨立DNA的細胞器。與核DNA相比， mtDNA 缺乏組蛋白和DNA結合蛋白的保護，并與氧化磷酸化場所(線粒體內膜)相距甚近， 又直接暴露于氧化磷酸化過程中產生的高反應性氧中， 因此，極易受氧自由基的攻擊[16]。

氧化應激和ROS是缺血性損傷的主要促成因素，因此，氧化損傷的作用在神經元疾病中日益受到重視。

3 線粒體自噬

線粒體自噬不同于傳統自噬，是選擇性去除受損線粒體的一種靶向自噬。線粒體自噬的發生機制與線粒體形態動力學有關，且受到線粒體自噬信號通路的調節。線粒體自噬與腦缺血再灌注損傷的病理生理過程有密切聯系，一方面腦缺血再灌注的過程能誘導線粒體自噬的產生，另一方面線粒體自噬又對腦缺血再灌注損傷的轉歸有重要影響。幾種特殊的蛋白質即Parkin(E3 泛素連接酶)，PINK1(PTEN-induced kinase 1，PINK1)和FUNDC1(FUN14 domain containing 1，FUNDC1)被認為可能參與了線粒體自噬的過程。

線粒體自噬在腦缺血中受到越來越多的關注，并且已經在體內模型和培養的神經元中得到證實。在腦缺血中，線粒體自噬可能主要由PINK1/Parkin途徑介導。然而，線粒體自噬在缺血性腦損傷發展中的作用仍存在爭議。研究表明，線粒體自噬是一把雙刃劍，在實驗性腦缺血后既可以起到保護作用，亦可起破壞作用[17-20]。大多數研究支持：線粒體自噬通過去除受損的線粒體和抑制細胞死亡信號級聯來支持適應應激的神經元。這些研究表明線粒體自噬是腦缺血治療的一個有前景的治療靶點。在永久性大腦中動脈閉塞(middle cerebral artery embolism，MCAO)中，線粒體自噬在1 h之內被觸發，以Drp1依賴的方式參與去除受損的線粒體和細胞存活[21]。 MCAO后再灌注期間也會激活線粒體自噬，并有助于抑制腦缺血后細胞凋亡。 雷帕霉素通過增強腦缺血后的線粒體自噬來改善線粒體功能[22]。 亞甲藍在急性腦缺血中的神經保護作用也可以通過促進線粒體自噬和維持線粒體膜電位來證明，從而減少壞死[23]。線粒體自噬對腦缺血后肢體遠端缺血也有神經保護作用[20]。腦缺血后線粒體自噬的破壞作用也有報道， 通過降低p-Drp1和Parkin抑制線粒體自噬介導了MCAO后大鼠肌肽的神經保護作用[17]，過度誘導線粒體自噬導致新生兒卒中的細胞死亡[18]。

線粒體自噬在腦缺血中的有害作用尚未得到充分強調， 需要進一步研究以了解線粒體自噬在腦缺血后是有益的還是有害的。 線粒體自噬的影響主要取決于它的嚴重程度， 雖然生理或輕度的線粒體自噬有利于神經元存活，但是強烈或過度的水平可能是致命的并且加劇缺血性腦損傷。

4 線粒體與細胞凋亡

細胞色素C從線粒體中釋放，激活凋亡誘導因子(AIF)、procaspase-9和caspase-3，并通過形成凋亡體觸發凋亡。盡管細胞色素C釋放的機制尚不清楚，但可能有兩種機制，例如由于基質腫脹引起的線粒體外膜機械損傷與促凋亡蛋白Bax向線粒體膜的轉運[4]。因此，線粒體通透性轉換(MPT)與促抗凋亡蛋白之間的復雜相互作用表明MPT是細胞凋亡的一個不可缺少的組成部分。

調查顯示，氧化型細胞色素C能快速激活caspase-9。線粒體細胞色素氧化酶明顯氧化外部細胞色素C。已經闡明了加速細胞色素c氧化導致細胞凋亡的幾種機制。細胞色素C在神經元內的還原率較高。這也取決于細胞內谷胱甘肽的氧化還原狀態。

細胞色素C還誘導腫瘤基因p53，其是細胞應激反應的關鍵調節劑。p53基因通過激活促凋亡基因和對死亡刺激反應的轉錄非依賴性機制觸發細胞凋亡。最近的研究表明，p53蛋白可以通過與Bcl-2家族蛋白形成抑制性復合物來改變線粒體外膜的膜通透性，導致細胞色素C的釋放[10]。然而，線粒體p53介導的神經細胞凋亡的途徑仍不清楚，線粒體p53對細胞色素C釋放和隨后的神經元死亡的作用仍不明確。

5 結 語

線粒體功能障礙是腦缺血病理生理學的早期和初始事件[24]。在臨床上藥理學靶向線粒體仍然具有挑戰性。新出現的研究結果表明，線粒體本身可以起到“幫助我”的作用，響應多種細胞外刺激，并募集相鄰細胞以拯救受傷者細胞，去除受損的線粒體和補充健康的線粒體是治療缺氧/缺血相關疾病的很有希望的治療方法，特別是在中樞神經系統中線粒體在遠端軸突突觸和樹突突起中豐富[25]。解決線粒體這些障礙將有助于為與線粒體功能障礙相關疾病研發新的治療方法。