線粒體功能障礙與帕金森病治療

柯姝安 陸金立 張 琦

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是常見的神經退行性疾病之一，其發病機制尚不明確，最主要的治療手段是藥物治療。左旋多巴制劑是治療PD最有效的藥物，但臨床的治療目的主要是改善癥狀，不能阻止病情進展。近年來，線粒體功能障礙被認為是PD的主要發病機制之一[1-2]。線粒體功能障礙主要表現為過量活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成、線粒體電子傳遞復合物酶活性的缺陷、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的耗竭、半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)的釋放和線粒體脫氧核糖核酸(mitochondrial deoxyribo nucleic acid, mtDNA)的耗竭等。以線粒體為靶向的藥物治療主要通過抗氧化、誘導線粒體生物發生、促進線粒體自噬、調節代謝等機制發揮作用，已成為PD預防或治療的研究熱點[3-4]。本文將從PD發病中的線粒體功能障礙及病理機制、以線粒體為靶向的PD治療策略等方面開展綜述。

1 PD中的線粒體功能障礙

PD是常見的神經退行性疾病，其病理學的關鍵特征是黑質紋狀體-多巴胺能通路的變性，這是大腦中最重要的多巴胺(dopamine，DA)通路之一。目前，PD尚無有效的治療措施，僅有對癥治療。線粒體作為新的藥物靶點，在PD的治療中具有潛在的研究和應用價值，開發具有線粒體保護功能的藥物并深入探討其作用機制成為PD治療研究的迫切需要。

臨床研究[5-6]發現，線粒體損傷在PD患者發病中起重要作用。在PD患者的黑質、血小板和淋巴細胞中均有線粒體電子傳遞鏈復合物I活性的輕度缺失，表明PD患者的復合物I活性受到抑制[7]。線粒體功能障礙可導致氧化應激反應增加，在衰老過程中可能存在線粒體功能障礙和ROS損傷的積累，需要達到細胞功能障礙和變性的臨界閾值才能引起疾病的發生。

PD動物模型中線粒體損傷引起的氧化應激反應增加也被認為是多巴胺能神經元變性的原因之一。線粒體復合物I抑制劑，如魚藤酮(rotenone)、1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)等被廣泛用于PD動物模型的制備，制備的模型中能檢測到mtDNA的缺失、ROS的產生和氧化應激反應的增加。這些化合物通過引起線粒體功能障礙導致PD的發生，但線粒體功能或氧化損傷的系統性失調如何導致組織或細胞類型的特異性損傷仍有待闡明。

2 線粒體功能障礙的病理機制

2.1 線粒體動力學紊亂 線粒體組織在一個高度動態的管狀網絡中，通過融合和分裂的相反過程不斷重塑，在融合和分裂之間保持著動態平衡，以確保線粒體的正常功能[8]。融合過程對于線粒體的相互作用和通訊是至關重要的，分裂促進了線粒體分離并增強了線粒體沿著細胞骨架軌跡的更新和分布。融合和分裂使線粒體膜和內容物能夠正確地交換和混合，這種動態過程不僅控制著線粒體的形態，還控制著線粒體的亞細胞定位和功能[9]。融合或分裂缺陷限制了線粒體運動、減少能量產生并且增加氧化應激，從而導致細胞功能障礙和死亡[10]。在哺乳動物細胞中，線粒體融合受線粒體融合蛋白1/2(mitofusin 1/2, Mfn1/2)和視神經萎縮蛋白1(optic atrophy 1, Opa1)的調控，而線粒體分裂受發動蛋白1相關蛋白(dynamin-related protein 1, Drp1)、線粒體分裂蛋白1(mitochondrial fission 1 protein, Fis1)、線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor, Mff)和線粒體動力蛋白(mitochondrial dynamics protein of 49/51, Mid49/51)的調控。

隨著神經元的衰老，線粒體融合和分裂的速率下降，線粒體融合與分裂失衡可能導致了多巴胺能神經元選擇性死亡，是PD發生的早期病理機制之一[11-12]。雖然在PD患者中尚未發現典型的線粒體分裂和融合基因的突變，但越來越多來自毒素或者基因突變PD動物模型的證據支持了線粒體動態紊亂參與PD的假說。神經毒素，包括6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine, 6-OHDA)、魚藤酮和1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-pehnyl-pyridine, MPP+)等均能誘導線粒體片段化，導致多巴胺能細胞死亡[13-15]。Drp1是突觸形成所必需的，對于線粒體靶向運輸至多巴胺能神經元末端至關重要，缺乏Drp1會導致小鼠中腦神經元的退化[16]。Mfn2的缺失或神經元Mfn2的條件性敲除導致小鼠年齡依賴性的運動缺陷，伴隨著紋狀體中多巴胺能末端的缺失[17-18]，過表達Mfn2則可以防止神經毒素誘導的線粒體分裂和神經元細胞死亡[19]。由此可見，維持細胞中線粒體融合和分裂動力學平衡可能有助于PD的治療。

2.2 線粒體自噬障礙 自噬是一種細胞降解過程，其包裹的內容物被與溶酶體融合的自噬體所降解。正常情況下，通過自噬作用可以選擇性清除細胞內多余或受損線粒體，以保證線粒體的正常數量和功能，此過程稱為線粒體自噬。在PD等神經退行性疾病中，線粒體自噬功能紊亂起著關鍵作用。暴露于6-OHDA、魚藤酮或MPP+等神經毒素的細胞，表現出自噬體和相關的神經細胞死亡數量的增加[20-22]。磷酸酶及張力蛋白同源物誘導的蛋白激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)和Parkin突變是目前公認的PD致病基因[23]，在哺乳動物細胞中，PINK1依賴的Parkin蛋白激活通路是線粒體自噬的主要途徑[24-25]。PINK1/Parkin介導的線粒體自噬過程障礙會導致受損線粒體的積累，從而引起ROS生成和細胞死亡的增加[26]。另一個PD相關基因DJ-1的表達降低也會導致線粒體膜電位降低、ROS增加、線粒體過度片段化和自噬受損[27]。而PINK1和Parkin的過表達可以挽救由DJ-1缺失誘導的線粒體片段化和功能障礙[28]，因此PINK1、Parkin和DJ-1可能在線粒體自噬途徑中發揮相互影響的作用。

富含亮氨酸重復激酶2(Leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)也是PD的致病基因之一，在多種PD動物模型和來源于PD患者的誘導性多能干細胞中均發現了LRRK2介導的線粒體自噬[29-30]。LRRK2基因敲降或者LRRK2激酶抑制劑均能導致培養的人神經母細胞瘤(SH-SY5Y)細胞的自噬流增加，過表達突變形式的LRRK2則可抑制自噬，其作用機制可能與破壞溶酶體相關的鈣儲存和內含物降解相關[31]。

3 靶向線粒體的PD治療策略

鑒于線粒體功能障礙在PD發病機制中的重要性，以線粒體為靶向的藥物治療已成為PD預防或治療的研究熱點。雖然神經毒素誘導的PD模型和基因突變相關的PD模型的細胞表型和病理表型不完全相同，但是線粒體功能障礙是其共同結果。目前，以線粒體為靶向的藥物治療主要通過以下幾種機制發揮作用。

3.1 抗氧化 一系列臨床前研究[32-34]表明，抗氧化劑可以減緩PD中的線粒體功能障礙，雖然這些研究尚未在臨床試驗中轉化成功，但在PD的治療中具有潛在的應用前景。

輔酶Q10(Coenzyme Q10, CoQ10)是一種能保護線粒體功能的抗氧化劑，在細胞和動物PD模型中均具有保護作用[35]。但大型臨床試驗[36]發現，雖然CoQ10安全性和患者耐受性良好，但以PD評定量表(unified Parkinson’s disease rating scale, UPDRS)評分的變化作為主要的最終指標，CoQ10對PD的進展并無顯著影響，未達到預期的臨床效果。線粒體靶向抗氧化劑(Mitoquinone Q, MitoQ)可以減少6-OHDA誘導的PD模型中的多巴胺能神經元死亡，其機制可能與激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α, PGC-1α)、增強Mfn2依賴的線粒體融合相關[37]。吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)是一種氧化還原輔助因子，能夠顯著減少魚藤酮誘導的SH-SY5Y細胞和中腦神經元中過量ROS的生成；通過對氧化應激標志物谷胱甘肽(glutathione, GSH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和丙二醛(malondialdehyde, MDA)的檢測，發現PQQ能夠增加PD模型中大鼠的抗氧化能力，在PD模型中發揮保護作用[38-39]。

3.2 誘導線粒體生物發生 線粒體生物發生是在細胞中形成新線粒體的過程，通過誘導線粒體生物發生來減輕線粒體功能障礙是一種很有前景的治療策略。研究[40]表明，核轉錄因子可以促進線粒體基因的表達，其中PGC-1α被認為是線粒體生物發生的主要調節因子，PGC-1α的水平降低可間接誘導α-突觸核蛋白毒性和線粒體功能障礙。最近的幾項研究[41-44]表明，通過增加線粒體生物發生來重建線粒體內穩態，可抑制多巴胺能神經元的丟失，促進神經功能恢復。三萜類化合物可激活PD小鼠模型中的核轉錄因子(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,Nrf2)途徑，從而促進線粒體生物發生和抗氧化基因的表達[45]。PGC-1α激動劑苯扎貝特(Bezafibrate)也能通過促進線粒體生物發生改善PD模型鼠的運動功能[46]。魚藤酮暴露后，白藜蘆醇可以改善魚藤酮損傷細胞和動物模型中的線粒體穩態，通過線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)和PGC-1α促進線粒體生物發生[47]。線粒體生物制劑LY344864可通過增加PGC-1α表達，誘導不同腦區的線粒體生物發生，促進PD小鼠模型中mtDNA的表達，提高小鼠的運動能力[48]。抗氧化劑PQQ也能夠促進魚藤酮損傷細胞中的線粒體數量減少和形態改變，并且通過上調中腦組織中PGC-1α和TFAM的表達，增加線粒體的生物發生，從而促進PD模型鼠運動功能恢復[49-50]。以上研究表明，促進PGC-1α表達和誘導線粒體生物發生可能是開發PD治療藥物的新靶點。

3.3 促進線粒體自噬 雖然線粒體自噬紊亂在PD的發病機制中具有重要的作用，但由于缺乏選擇性增強線粒體自噬的藥理學試劑，這種策略目前在PD治療中的應用受到限制。在體外可誘發線粒體自噬的化合物，例如三氟羰基氰化物苯腙和抗霉素/寡霉素組合，具有毒性和非特異性作用，可引發非生理水平的線粒體自噬，因此它們不適合用于PD的治療[51]。最近有研究[52]發現，乳酸和丙酮酸能夠在無毒濃度下降低細胞內pH值，并通過激活線粒體自噬在MPP+誘導的SH-SY5Y細胞損傷模型中發揮保護作用。大豆異黃酮具有多種有益的生物活性，也能通過激活自噬對阿特拉津誘導的線粒體功能障礙和神經毒性發揮保護作用[53]。但以上研究均在細胞水平，目前還缺乏相應的動物模型和臨床前研究。

3.4 調節代謝 參與葡萄糖代謝的激素如生長激素釋放多肽(ghrelin)和胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)也可以調節線粒體功能[54-55]。生長激素釋放多肽能增加魚藤酮和MPTP損傷細胞的細胞活力，改善線粒體功能，減少細胞損傷的發生[56-57]。新型糖依賴性胰島素釋放肽(glucose-dependent insulinotropic peptide, GIP)-1/GLP雙重激動劑在MPTP小鼠模型中可以通過增強腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的水平防止運動功能的損傷[58]。肌酸在細胞能量穩態中起著關鍵作用，口服肌酸補充劑能減少MPTP小鼠模型中黑質多巴胺能神經元的丟失[59]。由此可見，通過調節線粒體能量代謝對PD模型也具有保護作用。

4 小結與展望

線粒體功能障礙是PD發病機制中的研究熱點，以線粒體為靶向的藥物治療研究具有潛在的臨床應用價值。目前靶向線粒體功能障礙的藥物多針對幾個關鍵環節如抑制ROS生成、促進線粒體生成、防止mtDNA損傷、促進線粒體自噬等，但大部分研究僅在體外細胞水平驗證了這些藥物的神經保護作用，且多數藥物僅能作用于線粒體功能障礙的某一個環節。由于PD患者中mtDNA、線粒體動力學和線粒體自噬等都受到損傷，如能開發在體內同時作用于線粒體功能障礙多個方面的治療策略，將能更加有效的保護多巴胺能神經元，減少細胞死亡發生，促進PD患者功能恢復。