線粒體特征及相關疾病的研究進展

張媛 顏承云

【摘要】線粒體是誘導細胞死亡的各種抗癌藥物的重要靶點。為了最大限度地發揮線粒體靶向給藥系統的治療作用，該文章簡述線粒體的結構、功能及線粒體相關疾病方面的研究進展，為治療癌癥方法的進一步發展提供理論參考。

【關鍵詞】線粒體;癌癥;結構;功能;疾病

【中圖分類號】R94 【文獻標識碼】A 【DOI】

惡性腫瘤是一個主要的健康問題，在過去幾十年中發病率及死亡率持續上升[1]。盡管各種抗癌藥物和治療方法在過去幾十年中得到了廣泛的發展，如手術、化療、放療、免疫治療、激素治療等。但由于藥物對正常組織的毒副作用以及腫瘤細胞的耐藥性限制了抗癌的療效，且這些治療方法伴隨著嚴重的毒副作用和復發風險，治療效果較差，使癌癥難以治愈。這就需要開發新的治療方法，以提高療效、減少副作用、降低生產成本。

納米粒目前應用于物理學、材料科學、化學、生物學和醫學等領域，是惡性腫瘤治療的新趨勢，且近年來在納米腫瘤學領域取得了令人矚目的成就。納米粒的設計方式多種多樣。其中，線粒體是細胞中最重要的細胞器之一，調節與鈣穩態、能量產生、呼吸循環、氨基酸代謝和氧化還原和細胞凋亡調節相關的重要信號轉導和代謝過程[2-4]。線粒體對細胞的存活起著關鍵作用。一方面，線粒體合成三磷酸腺苷（ATP），通過線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）維持細胞活力所需的能量;另一方面，受損的線粒體產生活性氧（ROS）、細胞色素C和其他信號，通過激活caspases家族蛋白啟動細胞凋亡[5]。線粒體功能紊亂通常表現為ATP生成效能的喪失，這是衰老和大多數慢性疾病的特征，如神經退行性疾病、癌癥和糖尿病。因此，線粒體靶向治療是解決難治性疾病的關鍵，在各種疾病的治療中具有巨大的潛力。細胞癌變的重要指標是代謝失衡和細胞死亡抵抗力增強，而這兩個過程都受線粒體的調控。因此，為了最大限度地發揮線粒體靶向給藥系統的治療作用，我們需要了解線粒體的結構、功能及癌癥中的線粒體異常特征并了解線粒體相關疾病。

1 線粒體結構與功能

1.1 線粒體結構

線粒體的結構與細胞中的其他亞細胞器有很大的不同。線粒體基本結構可分為四個功能區：線粒體外膜（OMM），膜間隙（IMS）線粒體內膜（IMM）和線粒體基質（MM）[6]。OMM具有光滑的表面形態，并用作細胞器膜邊界。在OMM的特異性受體被稱為線粒體外膜復合物，其選擇性地識別和攝取某些物質進入線粒體。相比之下，線粒體外膜可滲透各種小分子，而IMM的滲透性是選擇性的，甚至對氫等小離子基本上是不可滲透的。IMM向內折疊形成具有更大表面積的線粒體嵴，因此它能夠在每單位時間內進行更多的生化反應。IMM其中包含參與電子傳遞鏈（ETC）和5’-三磷酸腺苷（ATP）合成的各種蛋白質。ETC是一種含有一系列質子泵復合體的線粒體通路。通過氧化還原反應將電子從電子供體依次轉移到電子受體。在這些反應中釋放的能量被捕獲為IMS和基質之間的質子梯度，從而產生-160到-180mV的強負內膜電位。然后通過化學滲透將保持在電化學勢中的能量用于ATP合成。ETC主要通過氧化磷酸化（OXPHOS）和三羧酸循環負責能量代謝和ATP生產[7]。OMM和IMM這兩個膜定義了線粒體外區域、膜間空間和基質的邊界[8]。線粒體在細胞內的形態和位置非常重要，通過有絲分裂、生物發生和自噬過程的嚴格調控，保證線粒體群體的相對穩定性。

線粒體以環狀線粒體DNA（mtDNA）的形式擁有自己的自我復制基因組。通常，一個動物細胞包含100到10000個mtDNA拷貝。人類mtDNA編碼線粒體轉運RNA、核糖體RNA和一些疏水性ETC蛋白。mtDNA或編碼線粒體蛋白的核DNA基因中的突變會導致遺傳性線粒體疾病的發生。線粒體擁有自己的基因組（mtDNA），盡管如此，大多數線粒體蛋白質和酶在細胞核中編碼并在細胞質中翻譯為未折疊的前體蛋白。然后被稱為外膜和內膜的易位酶（分別為TOM和TIM）通過專門線粒體膜包埋蛋白復合物導入線粒體。前體蛋白的N端帶有線粒體靶向信號肽，特異性靶向于TOM受體。這些序列是特定的陽離子兩親性α-螺旋。線粒體內部高度負的電化學梯度驅動陽離子MTS標記蛋白通過TIM復合物[9]。線粒體靶向信號肽通常在進入線粒體內部時從導入的蛋白質上裂解下來。在這個區域，導入的蛋白質呈現折疊構象。參與細胞色素C等內源性凋亡途徑的線粒體蛋白存在于膜間隙。利用這些獨特的線粒體特性，研究人員一直在利用它們作為開發線粒體納米載體的靶向機制[10]。

1.2 線粒體功能

線粒體參與動物細胞的許多重要過程，包括能量產生、脂肪酸氧化、三羧酸循環、鈣信號傳導、滲透性轉變、細胞凋亡等。

線粒體的主要功能是產生ATP。在細胞中，以ATP形式存在的必需能量以兩種方式產生：在細胞質中作為糖酵解的產物，以及在線粒體中作為氧化磷酸化的產物。以脂肪酸和丙酮酸形式存在的底物分別通過脂肪酸β-氧化和TCA循環被氧化。這些反應產生的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸被電子傳遞鏈用來生成ATP。

線粒體電子傳遞鏈由位于IMM中的酶復合物組成。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸提供的電子被復合物I接受，來自黃素腺嘌呤二核苷酸的電子被轉移到復合物II。然后電子被輔酶Q傳輸到復合體III，最后被細胞色素C通過復合體IV傳輸到氧分子。電子流伴隨著質子從線粒體基質泵送到膜間隙。由此產生的質子梯度通過復合物V產生ATP。

在細胞中儲存鈣陽離子的主要是由內質網完成，但線粒體也能夠暫時儲存鈣[11]。線粒體外膜對Ca2+離子具有通透性，Ca2+離子通過位于IMM中的鈣單向轉運體進入線粒體基質。鈣的釋放引發鈣尖峰或鈣波，對細胞信號級聯產生很大影響[12]。

線粒體通透性轉變（MPT）是對小于1500Da的分子的IMM通透性的即時增加。MPT開放導致去極化、Ca2+釋放和ROS產生，以響應某些刺激，例如Ca2+增加、內質網應激、脂肪酸和無機磷酸鹽[13]。短期開放可能滿足生理功能，如Ca2+調節和ROS產生。而長期MPT開放可能導致細胞死亡等有害影響[14]。線粒體形成一個調節細胞凋亡的內在途徑的中央細胞樞紐。MPT開放導致細胞色素C退出、半胱天冬酶激活和細胞凋亡[15]。即使沒有半胱天冬酶的激活，線粒體外膜的通透性也可能導致半胱天冬酶非依賴性細胞死亡。

2 線粒體與疾病

線粒體損傷后，細胞形態、膜電位和對Ca2+通透性的改變、膜磷酸酯的減少、氧化磷酸化偶聯等影響整個細胞的正常功能，導致疾病的發生。例如線粒體肌病、腦肌病、Leber遺傳性視神經病變等都是由線粒體損傷后的病理變化引起的。

此外，受損的線粒體結構和線粒體代謝異常在許多疾病的發生和發展中也起著重要作用[16]。例如，除了神經退行性疾病[17]、精神疾病[18]、腫瘤、衰老[19]、心血管疾病[20]、糖尿病等。盡管這些疾病出現在不同的組織部位并表現出不同的癥狀，但線粒體功能障礙是其共同特征，主要表現為氧化磷酸化受損、ROS增加和細胞凋亡信號異常導致生產能力不足。下面給出了線粒體參與這些疾病發展的一些例子。

2.1 代謝綜合征

代謝綜合征是高血壓、高血糖、腹部肥胖和膽固醇或甘油三酯水平異常的一組綜合病癥。代謝綜合征大大增加了心血管疾病、中風和2型糖尿病的風險。許多報道提到與健康個體相比，2型糖尿病患者的線粒體功能障礙和氧化磷酸化能力較低。2型糖尿病和肥胖都會導致血漿酰基肉堿的積累，這可能是由于線粒體內脂肪酸的β-氧化減少。

嚙齒動物和人類的骨骼肌中，高脂肪飲食會增加線粒體釋放H2O2的潛力，將細胞氧化還原環境轉變為更氧化的狀態，并在線粒體呼吸功能沒有任何變化的情況下降低氧化還原緩沖能力。研究表明，盡管飲食高脂肪，但降低小鼠肌肉中線粒體H2O2的排放可以完全保持胰島素敏感性[21]。

2.2 心血管疾病

心血管系統強烈依賴于線粒體功能。心肌細胞具有非常高的線粒體含量以產生必需的ATP，線粒體功能障礙不可避免地導致心血管疾病的發展[22]。

線粒體鈣轉運的改變會導致ROS生成和MPT放，也會導致ATP生成異常，從而導致心力衰竭和缺血再灌注損傷。在糖尿病心肌病小鼠模型中也發現了線粒體功能障礙[23]。

外周動脈疾病具有復雜的病理生理學，但也被證明是由線粒體呼吸能力下降和氧化應激引起的[24]。

2.3 神經退行性疾病

現在越來越多的證據表明在阿爾茨海默、帕金森病、亨廷頓病和肌萎縮側索硬化等神經退行性疾病的發病機制與線粒體功能障礙密切相關。

阿爾茨海默病的病理生理學仍不清楚，迄今為止，淀粉樣蛋白級聯假說仍占主導地位。然而沒有一種候選藥物能夠阻止淀粉樣蛋白β-肽的積累。因此，線粒體功能障礙被認為是導致淀粉樣蛋白β-肽沉積、突觸變性和神經原纖維纏結形成的散發性阿爾茨海默病的主要原因[25]。阿爾茨海默病患者和動物模型中線粒體功能障礙的證據支持這一假設。這種方法還確定了位于線粒體中的新的替代治療靶點[26]。

帕金森病的特征表現為靜止性震顫、運動遲緩和強直。這些癥狀的出現是由于黑質多巴胺能神經元的丟失。研究證明，線粒體呼吸缺陷可能導致慢性ROS產生，從而導致多巴胺能神經元死亡。由于毒性損傷或其他條件引起的線粒體動力學破壞也可能導致神經退行性變。在某些情況下，基因突變引起的線粒體功能障礙是帕金森病發病和遺傳的根本原因。

亨廷頓病是由亨廷頓基因中CAG重復序列的異常積累引起的。在亨廷頓癥患者的神經元中發現了多種線粒體異常[27]。亨廷頓病的主要神經病理學特征在用線粒體毒素3-硝基丙酸治療的動物身上重現[28]。

肌萎縮側索硬化是一種進行性神經退行性疾病，影響大腦和脊髓中的運動神經元。肌萎縮側索硬化的病因在很大程度上仍然未知，但在一些常見的肌萎縮側索硬化中，它的發生是由于細胞質超氧化物歧化酶基因的突變。這種突變的酶也位于線粒體中，導致軸突線粒體形態和分布的改變[29]。表達靶向線粒體的突變超氧化物歧化酶足以導致運動神經元丟失和肌萎縮側索硬化表型[30]。

2.4 肌肉疾病

Duchenne型肌營養不良癥是一種具有抗肌萎縮蛋白有害突變的X連鎖隱性遺傳疾病。Duchenne營養不良還具有線粒體功能障礙的一些特征，包括ATP合成減少和MPT孔開放導致肌纖維死亡。

包涵體肌炎是一種炎癥性肌病，與阿爾茨海默病一樣，是一種淀粉樣蛋白疾病，其特征是炎癥和肌纖維中Aβ寡聚體和其他蛋白質聚集體的積聚。線粒體內穩態在這種疾病中受到很大影響[31]。

2.5 炎癥性疾病

幾乎所有上述疾病的特點是全身慢性炎癥反應。此外，線粒體功能障礙在急性人類疾病的炎癥反應中起著重要作用。全身炎癥反應綜合征（SIRS）是一種對嚴重損傷（包括缺血、急性胰腺炎、創傷和敗血癥）產生全身免疫反應的病理狀態[32]。SIRS由不同的因素引起，包括損傷相關分子模式（DAMPs）、病原體相關分子模式（PAMPs）和細胞因子。過度的炎癥反應可能導致多器官的致命衰竭。接下來對線粒體ROS在SIRS中的重要作用進行綜述。

促炎細胞因子IL-1β的產生受NLRP3炎癥小體的調節，NLRP3炎癥小體與各種人類自身炎癥和自身免疫疾病有關[33]。產生ROS的線粒體大大增強了NLRP3炎癥小體復合物的活性[34]。

由于線粒體有細菌的血統，許多線粒體成分可能起到損傷相關分子模式抑制作用，促進急性炎癥反應。線粒體損傷相關分子模式通過與相應的模式識別受體的相互作用引起強烈的免疫反應。最新研究表明，新合成的mtDNA增強NLRP3炎癥小體的激活[35]。細胞外mtDNA還會引發許多細胞類型的炎癥反應，包括中性粒細胞[36-37]。像細菌一樣，線粒體以N-甲酰甲硫氨酸殘基開始蛋白質合成。這些蛋白質還起到損傷相關分子模式的作用，激活中性粒細胞并驅動它們的趨化性[38]。

3 結束語

近年來，對線粒體結構和功能的研究進展迅速。例如，通過基因組編輯技術修復線粒體DNA突變對心血管疾病有一定的療效[39]。如線粒體替代療法，它用健康的線粒體補充細胞，是一種從根本上治療線粒體相關疾病的有希望的方法[40-41]。盡管線粒體相關疾病的治療已經付出了巨大的努力，但在大多數情況下，線粒體的結構和功能已經受到不可逆轉的破壞，導致治療效果有限。目前，光療和小分子抗癌藥物等聯合療法已被開發作為協同治療的替代方案[42]。探討線粒體的結構功能特征，對線粒體納米靶向治療腫瘤具有重大意義。

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作者簡介：

張媛，在讀碩士研究生。研究方向：藥物新型遞送系統的研究。

*通訊作者：

顏承云，教授，博士。研究方向：藥物新型遞送系統的研究。