線粒體自噬在膿毒癥中的研究進展

張欣桐 劉景卓 李 盼 馬德勝 馬 莉

1.蘭州大學第二臨床醫學院，甘肅蘭州 730030；2.蘭州大學第二醫院重癥醫學科三病區，甘肅蘭州 730030

膿毒癥是機體對感染的炎癥反應失調而導致的危及生命的器官功能障礙，常由創傷、手術、重癥胰腺炎等病因引起[1]。世界衛生組織報告：每年全球至少3000萬人罹患膿毒癥，死亡率高達20%[2]，膿毒癥時細胞線粒體膜電位下降、促炎性細胞因子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量釋放，電鏡下可見線粒體發生腫脹、畸形甚至功能障礙，并引起線粒體DNA受損，最終導致器官發生急性損傷甚至衰竭，進而加速膿毒癥病情進展[3]。近年來大量研究證實，線粒體自噬在膿毒癥的病程中起重要作用，并通過多種途徑參與膿毒癥的治療[4-6]。本文就線粒體自噬在膿毒癥中的作用機制和治療作一綜述，以期提高對線粒體自噬的認識，為膿毒癥的治療提供新方法。

1 線粒體自噬的概述

自噬是一個依賴溶酶體進行降解實現自我保護的細胞代謝過程，包括微自噬、伴侶介導自噬和巨自噬[7]。目前研究最為廣泛的是巨自噬，即普遍意義的自噬。自噬的標志性蛋白包括p62、微管相關蛋白1輕鏈3B-Ⅱ（light chain 3B-Ⅱ，LC3B-Ⅱ）等，其含量可反映是否存在自噬以及自噬的程度高低。自噬可通過特定自噬小體選擇性地清除功能失調的亞細胞結構，同時不影響正常運行的細胞器，從而維持細胞穩態，該過程被稱為選擇性自噬，內質網、線粒體、高爾基體等多種亞細胞結構均可發生選擇性自噬[8]。

線粒體，是細胞內發生氧化磷酸化、產生ATP的主要場所，提供細胞生命活動所需的95%的能量。當氧化應激、缺氧等因素造成線粒體損傷和破壞時，ATP生成減少，同時釋放大量ROS和凋亡因子觸發細胞壞死和凋亡過程[9]。2005年，Lemestars第一次提出“線粒體自噬”的概念[10]，即線粒體在ROS、缺乏營養、炎癥因子等刺激下可發生去極化和損傷，這些受損、老化和發生功能障礙的線粒體可被特定的自噬小體識別后選擇性地運輸到溶酶體完成降解[11]。該過程不僅是細胞對抗線粒體應激或損傷的一種機制，而且有助于線粒體生長發育和代謝過程的持續更新，因此也被稱為“程序性線粒體自噬”[12]，在控制線粒體質量和維持線粒體動態平衡中起著至關重要的作用。

2 線粒體自噬與膿毒癥的作用機制

既往研究證實，線粒體自噬過程與炎癥反應密切相關，該過程可抑制白細胞介素-1β、NLRP3炎癥小體等炎癥因子產生，減輕ROS對細胞的破壞，有效避免各種刺激引起的不必要的細胞損傷，減少細胞死亡和器官損傷[13-14]。而膿毒癥時機體炎癥因子大量釋放，氧化應激反應增強，全身重要器官心、肺、肝等均可發生急性損傷，由此推測膿毒癥時可誘發線粒體自噬過程，清除受損的線粒體，在一定程度上抑制過度的炎癥反應，有利于感染局限化、減輕器官損傷程度。為了驗證這一假設，Dai等[15]在電鏡下發現膿毒癥急性腎損傷時，腎小管上皮細胞中線粒體發生明顯腫脹和畸形，可見多個自噬小體，溶酶體與線粒體自噬體融合，完成線粒體自噬過程。該研究證實膿毒癥時線粒體自噬過程有利于清除功能障礙的線粒體，避免細胞過度損傷。事實上，線粒體自噬主要通過Parkin依賴性途徑和Parkin非依賴性途徑在膿毒癥中發揮作用，分述如下：

2.1 Parkin依賴性途徑

Parkin依賴性途徑即PTEN誘導的假定激酶（PTEN-induced putative kinase-1，PINK1）-Parkin途徑，在線粒體自噬過程中最為常見。PINK1屬于絲氨酸/蘇氨酸激酶，Parkin/Park2是E3泛素連接酶。生理情況下Parkin位于細胞質內，其泛素連接酶活性受到抑制，PINK1進入線粒體內膜并發生裂解。當細胞發生炎癥、氧化應激等反應時線粒體發生去極化，線粒體膜電位下降，觸發Parkin發生泛素化，導致PINK1轉移至去極化的線粒體外膜上，然后通過泛素磷酸化過程將Parkin從細胞質轉運至線粒體，參與線粒體自噬過程，而受損線粒體外膜上PINK1聚集和活化被認為是清除功能障礙線粒體的必要過程[16]。Zhang等[17]對膿毒癥細胞模型中線粒體和細胞質內Parkin含量進行檢測，發現Parkin在線粒體中顯著增加，在細胞質中減少。由此證明：膿毒癥時Parkin從細胞質轉運至線粒體，誘發線粒體自噬過程的發生。

為了進一步研究該途徑與膿毒癥的關系，有研究采用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）建立膿毒癥體外模型，在敲除PINK1后，下游蛋白Parkin和自噬標志蛋白表達被顯著抑制，而過表達PINK1后，結果恰恰相反[15]。體內實驗可得到類似的結果，在膿毒癥小鼠模型中PINK1、Parkin基因敲除小鼠較野生型CLP小鼠的器官衰竭程度更重，死亡率更高[5,18]。上述結果表明：膿毒癥時PINK1-Parkin途徑被抑制會加重膿毒癥引起的器官損傷程度。

2.2 Parkin非依賴性途徑

在膿毒癥的病程中，Parkin非依賴性途徑也被廣泛研究，該途徑主要涉及3種蛋白：Fun14結構相關蛋白1（Fun14 domain-containing protein 1，FUNDC1）、Bcl-2相互作用蛋白3（Bcl-2 interacting protein 3，BNIP3）、線粒體動力學相關蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）等，均可通過不同機制介導線粒體自噬過程。

2.2.1 FUNDC1系一種新型的線粒體膜蛋白，位于線粒體外膜上，其外膜區域含有3個關鍵殘基即絲氨酸13、絲氨酸17和酪氨酸18。生理情況下，FUNDC1的酪氨酸18殘基發生磷酸化，削弱其與LC3B-Ⅱ的結合力，抑制細胞中線粒體自噬過程。當缺氧、氧化應激等刺激因素存在時：一方面，線粒體絲氨酸13殘基去磷酸化誘導FUNDC1蛋白發生去磷酸化，其與LC3B-Ⅱ的相互作用增強并形成隔離膜，該隔離膜可加速受損的線粒體被清除[19]。另一方面，在缺氧或線粒體解偶聯劑的刺激下，FUNDC1的絲氨酸17殘基發生磷酸化，可增加對LC3B-Ⅱ的親和力，促進線粒體自噬過程[20]。閆夢瑩等[21]檢測膿毒癥大鼠肝組織FUNDC1蛋白、自噬標志蛋白表達水平和線粒體呼吸功能，發現FUNDC1蛋白表達水平下調而自噬標志蛋白水平上調，線粒體呼吸功能下降，表明膿毒癥肝損傷時，FUNDC1蛋白可激活線粒體自噬過程。為了驗證FUNDC1是線粒體自噬的關鍵蛋白，Yan等[22]應用FUNDC1抑制劑對膿毒癥小鼠進行干預，發現FUNDC1抑制劑能夠下調自噬相關蛋白的表達水平，抑制膿毒癥中線粒體自噬過程，進一步表明FUNDC1途徑與線粒體自噬過程密切相關。

2.2.2 BNIP3是具有非典型BH3結構域的Bcl-2家族蛋白，主要位于線粒體外膜上，幾乎在所有動物和人類組織細胞中表達。BNIP3和PINK1的相互作用有利于Parkin募集到線粒體，促進Parkin介導的線粒體自噬過程[23]。在膿毒癥大鼠骨骼肌中，BNIP3可加速線粒體自噬過程，從而導致受損的線粒體被清除，且這種誘導作用與Parkin是否過表達無關[24]。這意味著，BNIP3介導的線粒體自噬過程與PINK1-Parkin途徑是互不干擾的。

2.2.3 Drp1是一個分子量大小為96 kD的三磷酸鳥苷酸酶，屬于鳥苷酸結合蛋白的動力家族，多數位于細胞中，以多聚體的形式存在，參與線粒體的調節過程[25]。線粒體募集Drp1是啟動線粒體自噬過程的關鍵步驟，陳祝桂等[26]通過不同濃度LPS建立膿毒癥模型，并檢測肺上皮細胞中Drp1、LC3B蛋白水平，發現隨著脂多糖濃度升高，肺上皮細胞中上述蛋白表達水平均上調，線粒體膜電位降低，表明在膿毒癥肺損傷中，Drp1蛋白可影響線粒體自噬過程。

3 線粒體自噬與膿毒癥的治療

線粒體自噬和膿毒癥引起的炎癥反應密切相關[27]，干預線粒體自噬過程可調節膿毒癥引起的炎癥反應，有利于降低死亡率、改善患者預后。普拉克索屬于多巴胺受體激動劑，可抑制NLRP3炎癥小體過度活化，清除受損線粒體，減少組織損傷，提高小鼠生存率[18]。右美托咪定[28]可提高線粒體中Parkin蛋白表達水平，從而減輕巨噬細胞凋亡和炎癥反應。

在膿毒癥引起的心肌功能障礙中，藥物通過不同的作用方式改善心功能。例如：米諾環素通過增加線粒體自噬小體的數量促進線粒體自噬過程[29]，美洲大蠊提取物則通過促進Drp1蛋白的表達調節Parkin依賴性途徑，保護心肌細胞[30]。此外，Essandoh等[31]發現：TSG101基因可增強Parkin介導的線粒體自噬過程，改善膿毒癥小鼠心臟收縮功能，降低炎癥因子水平，提高小鼠存活率，在膿毒癥的治療中扮演重要的角色。

線粒體自噬除了在心肌功能障礙中發揮作用外，李偉文等[32]通過檢測人肺微血管內皮細胞損傷模型線粒體中自噬蛋白PINK1和Parkin表達水平，發現丹酚酸A可下調上述自噬蛋白表達水平，對人肺微血管內皮細胞具有保護作用。Yan等[22]發現：在膿毒癥急性肝損傷中，吸入抗氧化劑-氫氣后小鼠肝組織FUNDC1蛋白表達水平較模型組下降，而p62、LC3B-Ⅱ蛋白表達水平明顯升高，加速了線粒體自噬過程，有效提高了小鼠生存率。膿毒癥急性腎損傷時，線粒體中瞬時受體電位錨蛋白1可增強BNIP3蛋白表達，引起血清尿素和肌酐水平下降，保護腎功能[33]。

綜上所述，線粒體自噬對膿毒癥累及的心、肺、肝、腎等器官均有保護作用，活化線粒體自噬過程有利于減緩多器官功能障礙的發生，改善膿毒癥預后。

4 展望

膿毒癥是臨床常見的急危重癥，機體通過產生ROS和減少ATP釋放引起線粒體功能障礙，加重膿毒癥病情進展。而線粒體自噬作為一種保護性誘導過程，可通過Parkin依賴性途徑或Parkin非依賴性途徑抑制炎癥反應，有效改善膿毒癥引起的多器官功能障礙，為膿毒癥的治療提供新的思路。但現階段線粒體自噬的研究大多局限于細胞、動物等基礎實驗層面，臨床研究資料有限。未來，研究人員應致力于尋找、開發促進線粒體自噬的藥物，減輕多器官功能障礙的發生率，從而極大地降低膿毒癥患者的死亡率，為膿毒癥的治療提供新的理論依據。