線粒體損傷與心血管疾病關系的研究進展

金杰妮 蔡兆斌

自發現線粒體疾病以來，人們便意識到其會成為多系統疾病，影響各種器官或組織，引發多種疾病包括心血管疾病。線粒體作為細胞新陳代謝調控的中心角色，似乎構成了一個潛在治療靶點。隨著DNA測序方法的發展，線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突變成為深入研究的對象。現已證明許多突變導致線粒體功能障礙、氧化應激、能量產生不足，導致細胞功能障礙和死亡。線粒體在心血管疾病中的作用也受到越來越多的關注。本文討論線粒體損傷與心血管疾病關系的新進展，包括mtDNA突變作為潛在診斷標志物的意義，以及線粒體作為治療靶點的潛在用途，現作一綜述。

1 線粒體損傷概述

線粒體是細胞能量的動力源，其可通過氧化磷酸化產生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），在此期間還可形成還原當量（例如還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和還原型黃素二核苷酸），及額外的副產物活性氧（reactive oxygen species，ROS）。除了細胞核，線粒體也是細胞內DNA的來源。線粒體可進行復制、裂變和融合，在細胞內從一個位置移動到另一個位置；并與其他線粒體或細胞結構形成網絡，以提高ATP產生的效率，并提供細胞內信號以響應生理和病理刺激。在生理條件下，融合和裂變保持平衡，融合增加或裂變減少會促進細長線粒體網絡形成，而裂變增加或融合減少導致線粒體斷裂[1]。過度的線粒體裂變會導致mtDNA損傷，減弱mtDNA的復制和轉錄。線粒體的生物產生和復制過程確保線粒體在分裂細胞之間的正確分布和細胞內線粒體種類的維持，與能量需求相對應。在線粒體經歷分裂和融合的循環期間，細胞器的功能障礙部分可被切割成小的球形碎片，隨后被有絲分裂降解。線粒體分裂的主要蛋白是動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）和線粒體分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，Fis1）。線粒體融合由絲裂融合蛋白1和2（mitofusins 1 and 2，Mfn1、Mfn2）和視神經萎縮相關蛋白1（optic atrophy 1，Opa1）介導。已有研究證實，在心血管疾病中，如動脈粥樣硬化、再灌注損傷、心肌病和心肌肥厚，這些蛋白活性之間的不平衡會導致線粒體缺乏或過度碎裂，并損害有絲分裂能力[2]。

人類mtDNA以16 569 bp的環狀存在，編碼13個呼吸鏈多肽、轉運體和核糖體RNA。mtDNA可能是ROS的來源，并且缺乏保護性的組蛋白，容易積累氧化損傷。在促進疾病的環境因素中，如高血糖、有吸煙史的動脈粥樣硬化患者中，不僅mtDNA損傷增加，ROS的產生也會增加[3]。mtDNA缺陷也可能由復制錯誤引起，突變可能導致克隆性擴展。足夠的mtDNA損傷可引發細胞功能障礙，最終導致健康受損或加速衰老[4]。

線粒體可通過改變炎性細胞因子的表達以及觸發翻譯后修飾和激活來調節炎性細胞因子。氧化的mtDNA激活核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization doma-in-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小體[5]。NLRP3炎性小體對危險刺激發生反應，包括產生病毒、細菌毒素和膽固醇結晶。一旦激活，NLRP3可定位于核周空間的內質網-線粒體簇[6]。然后，活性caspase1組裝將pro-IL-1β切割成其活性形式。而且，線粒體對炎癥的刺激與炎癥引起的線粒體損傷可以相互影響，形成惡性循環[7]。

先天免疫反應能提供對危險信號的快速監測和保護，Toll樣受體（toll-like receptors，TLRs）是監測的關鍵部分，可識別相關的病原體（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關的分子 模 式（damage-associat-ed molecular patterns，DAMPs）[8]。線粒體的內膜含有心磷脂，為原核生物所獨有[9]。因此，功能異常的線粒體通過暴露mtDNA和心磷脂成為重要的DAMPs來源，并在病理情況下被先天免疫系統識別為病原體。就像其原生細菌前身的DNA一樣，mtDNA以非甲基化的CpG位點的形式持有阻尼。這些炎性mtDNA基序刺激TLR9，導致核因子κB（nuclearfactor kappa-B，NFκB）活化和炎性細胞因子轉錄。自噬通常會降解受損的線粒體，但mtDNA可逃脫這一過程并刺激炎癥，也可能釋放到循環中，導致全身炎癥反應[10]。

除了激活TLR9，mtDNA還能引起抗病毒免疫反應。在沒有線粒體轉錄因子A（the mitochondrial transcription factor A，TFAM）的情況下，mtDNA被釋放至細胞質，與DNA傳感器環狀GMP-AMP合成酶（the cyclic GMP-AMP synthase，CGAS）結合，促進下游干擾素基因刺激物（stimulator of interferon genes，STING）信號，增加1型干擾素和其他干擾素刺激基因的表達[11]。然而，凋亡激活的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶可減弱這一信號通路[12]，表明線粒體調節細胞死亡和炎癥是相互交叉的。

2 線粒體損傷與心血管疾病的關系

2.1 動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化斑塊形成在內皮功能障礙的部位，通常在血流紊亂和剪切應力改變的地方[13]。循環的脂質通過酶和ROS進行氧化修飾，從而促進內皮功能障礙。內皮黏附分子的表達募集單核細胞，使其變成巨噬細胞，吞噬脂質形成泡沫細胞。清除氧化脂質起初是起保護性的作用，但會引發炎癥反應，導致細胞死亡和斑塊核心的壞死。血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）增殖和（或）遷移到內膜，于內膜分泌形成保護性纖維帽的膠原蛋白和細胞外基質[14]。然而，炎癥、降解酶和細胞死亡會損害纖維帽，導致斑塊破裂[15]。斑塊核心暴露后，會形成血栓，堵塞血管或栓塞，導致缺血性并發癥。因此，氧化應激、炎癥和細胞死亡顯著促進動脈粥樣硬化的形成，可能均由mtDNA損傷和功能障礙引起[16-17]。

早期研究已發現動脈粥樣硬化患者的主動脈、心臟和血液中的白細胞中存在mtDNA損傷，且mtDNA損傷發生在動脈粥樣硬化的初期，雖然mtDNA損傷可導致動脈粥樣硬化，但臨床對于mtDNA損傷和細胞核DNA損傷的不同影響仍不能區分[18]。一項研究表明，mtDNA突變與單核細胞激活程度有關[19]。在該研究中，從無癥狀動脈粥樣硬化患者血液中分離的單核細胞的促炎激活與動脈粥樣硬化相關的mtDNA突變相關，特別是同質m.1811A＞G和m.9477G＞A[19]。此外，至少另外3個異質突變m.14459G＞A、m.1555A＞G和m.12315G＞A也與單核細胞的促炎激活有關。以上研究提示在動脈粥樣硬化中，某些突變可能改變了單核細胞來源的巨噬細胞的活化，也說明攜帶有mtDNA突變基因的患者可能會發生原發性線粒體動脈粥樣硬化。即使沒有經典的動脈粥樣硬化危險因素，線粒體疾病中的動脈粥樣硬化也可能發生，這說明動脈粥樣硬化可能是代謝缺陷的主要表現。雖然線粒體疾病中的原發性動脈粥樣硬化尚未得到系統研究，但試驗數據表明線粒體功能障礙可能是原發性線粒體動脈粥樣硬化發展的一種機制。因此這些患者除了需要抗血栓藥物外，還需要抗氧化劑和輔助因子藥物協同治療[20]。

線粒體現在被認為是通過基因表達和翻譯后修飾來調節致動脈粥樣硬化的炎癥信號。在動脈粥樣硬化形成中，代謝應激源，如脂肪酸和膽固醇晶體，可聚集在線粒體上，并與mtDNA損傷結合來刺激炎癥。因此與心血管疾病相關的mtDNA突變和損傷的存在可作為亞臨床動脈粥樣硬化的預測因子，并可能有助于在亞臨床進行早期追蹤。此外，建立mtDNA突變和功能障礙與動脈粥樣硬化病理生理特征之間的功能聯系可能有助于開發新的疾病治療方法。

2.2心肌損傷 缺血性心臟病是指冠狀動脈血流量和心肌需求不平衡造成的心肌損傷。然而，血液供應的恢復有一個不可逆轉的不良影響，稱為缺血/再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷。線粒體作為心肌細胞的供能細胞器，是I/R損傷的主要靶點。I/R損傷或內皮氧化應激可能會改變線粒體形狀、運動和細胞之間的相互作用，I/R損傷導致線粒體嵴丟失，降低線粒體膜電位，開放線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP），隨著MPTP打開，線粒體不再能夠產生足夠的ATP，離子泵停止運作，心肌細胞壞死，這些效應均可導致線粒體損傷和線粒體自噬失衡（過度抑制或促進）的加劇[21]。線粒體自噬在I/R損傷過程中對心肌細胞具有保護作用。I/R損傷減少心肌細胞的有絲分裂并刺激細胞凋亡[22]。適當增加自噬可能減輕I/R損傷誘導的心肌細胞凋亡。在心肌I/R損傷過程中，壞死性凋亡也是細胞死亡的重要調節模式，已在各種心臟病理學中得到證實，研究表明在線粒體內膜中，MPTP的重要調節成分親環素D可能由于促進MPTP開放而參與壞死性凋亡信號，研究還表明促進線粒體自噬，可通過清除產生ROS的不健康線粒體來預防壞死性凋亡。細胞焦亡作為一種促炎細胞死亡程序，在I/R損傷的心肌細胞中會被啟動，但線粒體參與心肌細胞或其他細胞類型壞死性凋亡以及細胞焦亡的具體機制仍不清楚[21]。

糖尿病性心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是糖尿病并發癥之一。線粒體功能障礙是DCM的重要病因[23]。在DCM中，受損的線粒體會產生大量ROS，加劇線粒體損傷，并引發心肌細胞死亡的惡性循環。活體動物進行的試驗分析顯示，抗氧化療法可預防DCM[24]。然而，臨床抗氧化治療并未發揮同樣效果，可能為ROS從受損的線粒體中持續釋放的緣故。

2.3 高血壓 高血壓是一種發病率較高的全身性疾病。由線粒體突變引起的能量供應不足、動力失衡、氧化損傷、信號轉導異常和線粒體功能障礙均是高血壓的形成機制[25-26]。線粒體損傷產生的ROS可調節血管結構和張力重塑，ROS含量的增加或滯留可能導致血管收縮，降低血管舒張功能，損傷平滑肌細胞，促進血管炎癥和重塑，增加外周血管阻力，并加重高血壓[27]。在高血壓大鼠心臟模型中發現，與線粒體動力學相關的Mfn1、Mfn2和Opa1的mRNA水平降低[28]，由此高血壓被認為可改變心肌細胞的線粒體功能、能量代謝和線粒體動力學[29]。此外，在線粒體COXⅡ、ATP8、ATP6、ND1、tRNA-Lys和tRNA-Gln基因上發現的一些異質和同質基因突變，顯示了與母系遺傳性原發性高血壓風險的統計學關聯。在已鑒定的mtDNA突變中，m.3970C＞T、m.4048G＞A、m.4071C＞T、m.4086C＞T、m.4164A＞G、m.4248T＞C、m.4386T＞C、m.4394C＞T、m.8414C＞T、m.8701A＞G以及m.8584G＞A、m.4164A＞G、m.4248T＞C、m.8414C＞T、m.8701A＞G、m.8584G＞A、m.4164A＞G、m.8273_8281缺失頻率最高，其中影響較大的似乎是ND1和ATP6基因[30]。

2.4 冠狀動脈疾病 一項對冠心病患者心肌組織的mtDNA進行平行測序，并與對照組進行比較的研究結果顯示，冠心病患者的mtDNA異質性水平較對照組心肌組織高39.8%。研究還發現，冠狀動脈疾病患者的異質mtDNA缺失總數較對照組高87%。研究還發現缺血性心臟病患者的組織中mtDNA變異體水平較對照組水平高41.4%，mtDNA異質性缺失增加率高達87.50%[31]。這些觀察結果表明，與未受影響的組織比較，動脈粥樣硬化斑塊中體細胞突變和mtDNA突變明顯增加。

另一項有關旨在早期（＜55歲）心肌梗死與冠狀動脈粥樣硬化之間的關系的研究發現，mtDNA突變與心肌梗死的早期發病有關，但僅限于男性吸煙者。這項工作證實了mtDNA多態性對動脈粥樣硬化和缺血事件風險的相關[32]。

在非家族性擴張型、肥厚型心肌病、線粒體腦肌病伴高乳酸血癥伴腦卒中樣發作、線粒體肌病、母親遺傳性糖尿病和耳聾綜合征等患者中也有mtDNA突變的發生[33]。

2.5 心律失常 心律失常在臨床非常常見，其可能單獨發生，也可能與其他心血管疾病同時發生。已有廣泛證據表明線粒體在心律失常中起著功能性作用。線粒體可產生ATP和ROS，由此參與心律失常[34]。線粒體功能障礙可減少ATP的產生，影響心臟的電傳導，繼而通過ATP敏感鉀通道改變肌膜K+流量。然而，過量的線粒體ROS產生會導致心臟動作電位的異質性。在線粒體功能障礙期間，線粒體膜電位可降低，從而導致ATP減少和ROS增加；此后，進一步誘導線粒體功能障礙，這種惡性循環導致電生理改變，最終導致心律失常[35]。

2.6心力衰竭 心力衰竭發病率、病死率均較高，預后差，是各種心臟病的終末期[36]。研究表明，線粒體功能障礙會過度啟動細胞死亡，導致鈣或ROS過載從而觸發線粒體通透性轉換孔開放，導致線粒體膜電位的喪失，繼而導致不能產生ATP和線粒體蛋白質例如細胞色素C的釋放，因此線粒體損傷引發的細胞死亡是心力衰竭的重要機制[37]。線粒體損傷還會打破氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化還原的平衡。許多研究表明，在衰竭的心臟中，提高氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸水平和使氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸比率正常化可增強線粒體應激耐受性，改善心肌能量，減少由壓力超負荷或腎上腺素能刺激引起的收縮功能障礙，并改善線粒體心肌病小鼠模型的心臟功能，因此，氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化還原平衡的恢復是心力衰竭進展中線粒體代謝失衡惡性循環的一個有希望的突破點[38]。

另一項研究表明，心力衰竭患者中的心肌細胞線粒體具有結構和能量異常，且線粒體通過自噬選擇性降解受損線粒體的能力會隨著年齡或疾病的進展而下降[39]。因此，對受損線粒體的清除不充分，可導致ROS和過氧化物水平增加。心肌細胞線粒體蛋白、脂質和DNA遭受氧化損傷，引發心力衰竭。這些發現均證實了老年患者和終末期心臟病患者發生心力衰竭的臨床表現[40-41]。

3 小結

線粒體在氧化應激、炎癥、新陳代謝、線粒體吞噬功能缺陷和細胞凋亡的調節中起著關鍵作用。然而，mtDNA損傷和線粒體功能障礙可以破壞這些過程，從而推動斑塊的發展和易損性。目前研究認為ROS和線粒體mtDNA突變是線粒體和mtDNA損傷的主要因素，而某些mtDNA突變與心血管疾病病理生理特征之間的聯系仍未知。因此，繼續尋找mtDNA損傷的來源將有助于理解心血管相關疾病的發病機制，為心血管疾病提供新的預防和治療思路。