線粒體在偏頭痛發病機制中的研究進展

楚寶,張繼杰綜述 王賀波審校

世界衛生組織2016年全球疾病負擔調查結果表明，偏頭痛在人類疾病譜中排第二名[1]。在我國，偏頭痛是一種常見的原發性頭痛[2]。偏頭痛平均患病率為9.3%，女性是男性的3倍[3]。偏頭痛發病機制復雜多樣，尚不明確。經典的偏頭痛發病機制包括血管源學說、神經學說和三叉神經血管學說，當前研究多集中于5-羥色胺、降鈣素基因相關肽、一氧化氮、β-內啡肽、內皮素和氧化應激等方面[4-5]。最近研究表明，偏頭痛發病機制可能與線粒體有關[6]。線粒體功能眾多，基礎研究證實，增強線粒體功能可改善大鼠腎功能及肝功能，增加腦保護等[7-8]。本文就線粒體在偏頭痛發病機制中的研究進展綜述如下。

1 線粒體功能

線粒體功能眾多，主要功能是通過有氧氧化產生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)。此外，線粒體還是活性氧自由基產生和損傷的主要場所，且與細胞凋亡有關。

1.1 ATP產生 脂肪酸和葡萄糖是2種主要的能源物質，可進入線粒體內氧化供能。葡萄糖經過糖酵解、脂肪酸經過β-氧化后共同生成乙酰輔酶A。乙酰輔酶A進入三羧酸循環氧化產生電子供體，然后被轉移至電子傳遞鏈(electron-transport chain，ETC)，使得線粒體膜內外產生電化學梯度，即線粒體膜電位。膜電位中儲存的能量在酶作用下使得ADP磷酸化成為ATP[9]。

1.2 線粒體源性活性氧信號調控 電子沿著線粒體ETC傳遞過程中，會形成過氧化物及其他活性氧族，統稱為線粒體源性活性氧(mitochondria-derived reactive oxygen species，mROS)。mROS調節細胞膜氧化—還原敏感性的電壓門控鉀通道[10]。mROS產生過量后會對線粒體造成損傷，引起線粒體DNA氧化損傷和突變，線粒體膜通透性轉換孔(mitochondrial transition pore，MTP)通透性增加，線粒體凋亡加速，從而導致細胞凋亡[11]。mROS產生過多會引起線粒體去極化，進一步激活E3泛素蛋白連接酶，引起線粒體自噬反應，從而清除mROS以防線粒體受損[12]。

1.3 細胞凋亡 細胞凋亡機制復雜，包括外源性激活(非線粒體依賴)和內源性激活(線粒體依賴)途徑。內源性激活途徑通過凋亡誘導因子(apoptosis inducing factor，AIF)和細胞色素C(cytochrome C，CytC)引發胱天蛋白酶(caspases)級聯反應，最終導致細胞凋亡。目前研究認為，MTP開放會使得促凋亡因子(AIF和CytC)釋放到胞漿中引起細胞凋亡[13]。

2 線粒體在偏頭痛發病機制中的作用

越來越多的證據表明，線粒體功能障礙在偏頭痛的發病機制中發揮著重要作用[14]。偏頭痛是多種遺傳因素和環境因素共同作用的結果[15]。腦組織細胞需要連續和充足的能量供應，能量產生過程中的任何差錯都可能導致神經元功能障礙并降低偏頭痛發作閾值。人體的大部分能量供應是通過氧化磷酸化途徑或線粒體電子傳遞鏈產生的[16]。大腦和肌肉是線粒體疾病中最易受損的組織。生物化學、組織學、遺傳學和線粒體甲基化等研究提供了線粒體功能障礙在偏頭痛易感性中發揮作用的相關證據[17]。

2.1 生物化學改變 有證據表明偏頭痛發作會誘發氧化應激。氧化應激可通過TRPA1通道向腦膜疼痛受體發放信號，從而引起神經源性炎性反應。相關研究指出，偏頭痛發作過程中存在多種機制減少活性氧物質產生[18]。這些機制包括血小板活化，血漿蛋白外溢，內皮NO合成，抗氧化酶物質生成，P物質、血清素及降鈣素基因相關肽釋放。這些機制的啟動會促進神經元生長，阻止細胞凋亡，釋放神經元生長因子。在偏頭痛大鼠模型中，偏頭痛發作會促進線粒體分裂，增加線粒體分裂蛋白Drp1，減少線粒體融合蛋白Mfn1，減少神經線粒體DNA的復制數量，調控線粒體生長因子PGC-1的變化[14]。

血小板功能障礙會導致血流動力學改變。例如，血小板功能障礙會造成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADH)-脫氫酶、環氧化酶和檸檬酸合成酶缺陷。有關研究評估伴或不伴先兆偏頭痛患者血小板內線粒體酶活性，發現偏頭痛患者中存在NADH脫氫酶、檸檬酸合成酶和環氧化酶的損傷[19]。在另一項研究中，先兆偏頭痛患者的血小板超氧化物歧化酶(一種線粒體衍生酶)水平較對照組患者低，這表明血小板內線粒體酶易受氧化應激的影響[20]。

神經遞質更新和神經細胞膜穩定都是能量密集過程。在能量衰竭期間，酪氨酸轉變為脫羧酶過程中，隨著去甲腎上腺素減少會產生大量的神經調節物質：酪胺、章胺和脫氧腎上腺素[21]。在偏頭痛患者的血小板中可以發現酪胺、章胺和脫氧腎上腺素含量增加[22]，這表明偏頭痛的發作是能量消耗的過程。此外，依賴于線粒體的自由基循環也與偏頭痛有關。現已證明，偏頭痛患者的腦干中存在鐵離子蓄積。在每日頭痛發作的慢性偏頭痛患者腦干中鐵離子的蓄積更加明顯[23]。

隨著神經元能量的減少，細胞最終會失去控制而凋亡。在亞急性壞死性腦脊髓病患者中可以清楚地看到腦干壞死細胞中功能障礙的線粒體。N-乙酰天冬氨酸(N acetyl aspartic acid，NAA)被認為是神經細胞完整性的標志，且已被證明與偏頭痛有關。NAA在神經元線粒體中產生，進入血液，通過腎臟代謝排出。有關研究發現，低NAA水平與大腦中的神經元損傷有關[24]。質子磁共振波譜可以測量出大腦的NAA水平及丘腦內NAA-膽堿水平。最近研究顯示，運用上述方法可發現，偏頭痛患者大腦NAA水平較正常對照組顯著降低[25]。此外有報道稱，偏頭痛患者丘腦內NAA-膽堿水平較健康對照組也有所下降[26]。

磷磁共振波譜(MRS)常用來評估腦能量代謝的完整性，其主要是通過測量細胞內磷酸肌酸、無機磷酸鹽和二磷酸腺苷濃度來間接測量。磷酸肌酸的無機磷酸鹽通常會在線粒體氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)過程中去除，然后將其轉移到二磷酸腺苷中生成三磷酸腺苷。磷MRS會計算出細胞內這些化合物的濃度。此外，還可以監測細胞內pH值，當線粒體呼吸鏈或ETC功能障礙時，細胞會乳酸酸中毒，此時pH值會降低。在偏頭痛患者中，磷酸肌酸—無機磷酸鹽比值降低，二磷酸腺苷水平升高，這表明自由能的利用率降低[27]。這些發現與已知線粒體缺陷患者的結果相似[28]。

2.2 組織學改變 線粒體結構異常的疾病主要影響骨骼肌和神經元等非主動分裂組織。偏頭痛患者中也發現了線粒體的類似改變。直接觀察患者的肌肉組織，最典型的異常是可見破碎的紅纖維。破碎的紅纖維是肌膜下線粒體功能失調后的蓄積物。在一些先兆偏頭痛患者和家族性偏癱型偏頭痛的案例研究中也有報道[29-30]。偏頭痛患者肌肉活檢的電鏡研究顯示，偏頭痛患者肌纖維內可見許多含有晶格狀包涵體的巨大線粒體[17]。其研究還描述了線粒體超微結構變化，線粒體這種結構變化可能是OXPHOS受損導致。此外，偏頭痛患者的肌纖維中也發現了肌膜下線粒體的蓄積[31]。

2.3 遺傳變異 線粒體DNA絕大多數不經歷重組而沿母系譜系遺傳。因此可以通過多代來追蹤DNA序列中發生的變化。這種明確的遺傳模式有助于通過家庭聯系研究確定涉及線粒體疾病的因果變異[31]。女性偏頭痛的發生率是男性的3倍，這表明偏頭痛可能涉及X連鎖的遺傳形式，或者在某些家族中發生線粒體傳播。偏頭痛患者的女性優勢為調查線粒體基因組提供了強有力的證據。

對于大多數偏頭痛患者線粒體基因研究的陰性結果，目前存在以下假說:(1)突變的線粒體DNAs可能在血液樣本中不存在，或數量過于微小以至于難以檢測出來；(2)偏頭痛可能與尚未識別的線粒體DNA突變有關；(3)偏頭痛可能是由核基因突變引起的，這可能直接影響線粒體系統的能量產生。核DNA編碼因子突變導致轉錄或者翻譯的蛋白變異，進而影響線粒體DNA的表達[17]。

現有研究顯示，2種常見的線粒體DNA多態性(16519C-T和3010G-A)與兒童周期性嘔吐綜合征和偏頭痛有關[32]。核DNA中的POLG基因參與編碼DNA聚合酶γ催化亞基，而DNA聚合酶γ催化亞基則在線粒體DNA復制和校對過程中發揮重要作用。核DNA中的POLG基因突變(例如，p.T851A，p.N468D，p.Y831C，p.G517V和p.P163S)可通過受損的線粒體DNA復制引起包括偏頭痛在內的多種疾病[33]。

2.4 線粒體甲基化 表觀遺傳學是指影響基因表達部分可遺傳的改變。其不是由于DNA序列的改變，而是由于更高的結構修飾導致的基因表達改變。表觀遺傳學在偏頭痛等多種復雜疾病中的作用成為一個新的研究方向[34]。甲基化是表觀遺傳修飾的主要形式。表觀遺傳學在臨床實踐中主要用于癌癥的診斷。外周血中的亞硫酸氫鹽測序和甲基化DNA免疫沉淀證實線粒體DNA的D環中存在甲基化胞嘧啶。證明線粒體基因組是經過甲基化修飾的。在神經退行性疾病和年齡相關疾病中，健康對照組與疾病組之間的線粒體DNA表觀遺傳狀態存在差異[35]。與健康對照者相比，肌萎縮側索硬化患者的神經元線粒體中可檢測到5-甲基胞嘧啶水平的變化[36]。雖然尚需證實，但有學者認為線粒體DNA甲基化可能在阿爾茨海默病、帕金森病和癡呆中發揮重要作用[35]。可以推測，偏頭痛與線粒體甲基化是新的研究方向。

線粒體腦肌病的神經癥狀與偏頭痛患者的癥狀有所重疊，包括聽力障礙、偏頭痛樣頭痛、癲癇發作和卒中樣發作[37]，表明偏頭痛和某些線粒體腦肌病可以共同存在顯著的發病癥狀。上述發現提供了研究與偏頭痛易感性相關的線粒體變異的理論依據。目前發現多種與線粒體功能障礙相關的疾病，如Leigh綜合征、伴乳酸酸中毒和卒中樣發作的線粒體腦肌病(MELAS)、肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維綜合征(MERRF)、Kearns-Sayre綜合征、Leber 遺傳性視神經病變等。這些疾病中的部分疾病具有與其表型相關的偏頭痛[38]。分子遺傳學研究了線粒體DNA突變的潛在作用，這些突變與線粒體腦脊髓病密切相關，MELAS中A3243G和T3271C發生突變，MERRF中 G8344A發生突變，Kearns-Sayre綜合征可見4977 bp缺失，Leber遺傳性視神經病也存在突變[39]。

3 小結與展望

偏頭痛發作機制復雜多樣，當前研究尚未完全闡明其發病機制。就目前研究而言，充足的能量儲備對于降低偏頭痛的發作非常重要。實驗和臨床證據表明，線粒體在偏頭痛發病機制中發揮著重要作用。增加線粒體功能的藥物如核黃素或托吡酯等[40]，也可以預防偏頭痛發作。增強線粒體功能的治療措施可以降低偏頭痛發作的頻率和程度。未來可以進一步研究線粒體功能障礙在偏頭痛發病機制中的作用。