線粒體功能障礙在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機制研究進展

牛望，李茜

四川大學華西醫(yī)院麻醉科，成都 610044

據(jù)中國發(fā)展基金會發(fā)布的《中國發(fā)展報告2020：中國人口老齡化的發(fā)展趨勢和政策》顯示，我國人口老齡化進程逐漸加快［1］。老年患者手術數(shù)量逐年增加。衰弱綜合征是伴隨年齡增長而涉及到全身多系統(tǒng)的一種臨床綜合征，其主要生理病理特征是包括隨年齡增長臟器儲備功能下降、應對各類應激源的抗應激能力減退以及對不良臨床事件易感性增加在內(nèi)的一系列改變［2］。衰弱綜合征是健康與失能之間的狀態(tài)，研究［3］發(fā)現(xiàn)，與非衰弱患者相比，老年衰弱綜合征患者術后病死率較高，術后并發(fā)癥發(fā)生率高。因此，衰弱已成為目前圍術期各學科關注的重點領域。然而，衰弱綜合征的具體發(fā)病機制目前仍不完全明確，近年研究認為線粒體功能障礙可能參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。線粒體的生物發(fā)生、融合功能及分解等生理過程可維持線粒體功能，上述維持線粒體功能的生理過程的退化可導致線粒體出現(xiàn)功能障礙。已有部分研究圍繞線粒體功能障礙導致人體過度氧化應激反應和機體能量代謝障礙、部分線粒體miRNA功能失調(diào)、線粒體相關基因表達異常和線粒體相關的內(nèi)在免疫功能退化和衰弱綜合征關系間展開。但既往研究主要從單一的角度出發(fā)探討線粒體功能障礙與衰弱發(fā)生發(fā)展的相關性，未有較為全面的綜述闡述線粒體功能障礙參與衰弱發(fā)生的具體機制。 因此，現(xiàn)就近年有關線粒體功能障礙在衰弱綜合征發(fā)生發(fā)展中的作用和作用機制相關研究進行綜述，探討衰弱綜合征的發(fā)病機制及防治策略。

1 線粒體功能障礙導致的氧化應激反應在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機制

衰弱綜合征的主要特征為人體出現(xiàn)過度的氧化應激反應［4］。氧化應激反應是機體促氧-抗氧狀態(tài)失調(diào)后活性氧簇（Reactive Oxygen Species， ROS）大量積累的結果。一項納入了6 349例研究對象的研究分析了氧化應激與衰弱綜合征患者狀態(tài)的相關性分析后發(fā)現(xiàn)，患者的衰弱狀態(tài)與氧化應激的標志物水平具有正相關性［5］，衰弱患者體內(nèi)氧化應激標志物水平明顯升高。在細胞的衰老過程中，ROS可通過調(diào)節(jié)哺乳動物類雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target Of Rapamycin，mTOR）復合物的功能、促進白介素1α（Interleukin-1α）的表達，增強核因子κB（Nuclear Factor kappa-B，NF-κB）的活性、誘導基質(zhì)金屬蛋白酶（Matrix metalloproteases， MMPs）的表達、調(diào)節(jié) p16INK4a/pRB 及 p53/p21通路等［6］方式促進細胞的衰老。

線粒體是ROS的來源與靶點，線粒體之間ROS的運輸可形成正反饋［7］，ROS在氧化磷酸化過程中與DNA、蛋白質(zhì)和脂類等物質(zhì)的相互作用，最終導致線粒體功能障礙［8］。同時，ROS還可誘導線粒體通透性轉化孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore， mPTP）開放，其開放后又可進一步誘導ROS的生成與積累，該現(xiàn)象叫做ROS誘導ROS釋放（ROS-induced ROS released， RIRR）［9］，過度的ROS釋放通過上述過程強化線粒體功能障礙。而且，由于線粒體的固有結構，包括線粒體呼吸鏈復合物在內(nèi)的線粒體大分子本身對氧化應激就十分敏感，容易產(chǎn)生與氧化應激相關的損傷。因此，線粒體功能障礙伴隨的機體過度的氧化應激反應可能在衰弱的發(fā)生進程中起到促進作用。WITTEL等［10］進行的一項前瞻性觀察性研究選擇了444例衰弱綜合征患者為研究對象，測定患者血清氧化應激標志物水平及端粒長度，結果發(fā)現(xiàn)衰弱綜合征患者的氧化應激標志物水平顯著增高、端粒長度顯著縮短。線粒體是人體氧化應激的反應場所，而端粒與線粒體存在附著關系，因此該研究結果間接說明線粒體功能障礙可能參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。氧化應激反應還會損傷肌肉收縮—舒張耦聯(lián)過程，導致肌漿網(wǎng)釋放鈣離子水平。同時，氧化應激反應可導致肌動蛋白和肌球蛋白結構改變，抑制肌原纖維裝置內(nèi)的跨橋循環(huán)，最終導致人體骨骼肌的功能下降，而骨骼肌功能的降低在衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前尚無研究證實線粒體功能障礙伴隨的氧化應激反應與衰弱發(fā)生發(fā)展的直接作用機制及相關信號通路。

肌少癥是引起軀體發(fā)生衰弱的物理驅動因素，主要表現(xiàn)為骨骼肌質(zhì)量和力量的漸進性和全身性喪失［11］。目前衰弱綜合征和肌少癥的關系尚未完全明確，但二者臨床癥狀和病理生理學表現(xiàn)相似，且二者的評估、診斷內(nèi)容存在部分重疊，因此臨床一般將肌少癥視為亞衰弱狀態(tài)或是衰弱前期。伴隨年齡增長線粒體出現(xiàn)與氧化應激相關的mPTP的開放敏化，同時線粒體自噬—蛋白酶體誘導的清除功能逐漸退化缺失，致使功能不良的線粒體積累在肌肉和運動神經(jīng)元細胞中，功能障礙的線粒體聚集又進一步促進mPTP開放，導致線粒體膜電位喪失，線粒體內(nèi)容物通過mPTP漏入細胞胞質(zhì)，在肌肉細胞和運動神經(jīng)元中啟動凋亡程序，導致肌纖維和運動神經(jīng)元的死亡并失去相應的神經(jīng)支配，促使肌少癥的發(fā)生及發(fā)展［12］。此外，線粒體DNA （mtDNA）的缺失與突變也將加速肌纖維的丟失與萎縮［13］。骨骼肌與運動神經(jīng)元中的線粒體自噬效應出現(xiàn)減退，使得損傷的線粒體無法通過正常途徑被及時清除［14］。線粒體功能障礙是肌少癥的始動因素，線粒體的生物發(fā)生、融合與分解及自噬功能的減退均參與肌少癥的發(fā)生發(fā)展［15］。ANDREUX等［16］評估了亞衰弱狀態(tài)患者的線粒體代謝功能，將亞衰弱狀態(tài)的老年患者與健康患者進行匹配研究，同時測定兩組患者的肌肉線粒體功能與電子呼吸鏈復合物的數(shù)量，結果發(fā)現(xiàn)，亞衰弱組患者的肌肉線粒體產(chǎn)能效率及呼吸鏈復合物的數(shù)量均降低，證明了亞衰弱患者存在線粒體功能障礙。

亞太地區(qū)衰弱管理指南建議，應當為老年患者提供多元化的運動干預以便增加老年人的肌力，通過最大氧耗量刺激人體蛋白質(zhì)的合成進而增加肌肉質(zhì)量，從而提高機體的靈活性并改善日常生活能力［11］。定期運動可通過絲裂原活化蛋白激酶、激活NF-κB信號通路引起抗氧化環(huán)節(jié)的重要酶—超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase， SOD）的表達增強，最終強化機體清除ROS的能力，最終減輕氧化應激反應。在此過程中，線粒體作為機體響應運動的核心細胞器， 可通過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）等信號分子促進線粒體合成并改善線粒體功能，由此在運動健康效應中發(fā)揮重要作用。因此，運動可能通過改善線粒體功能，減輕機體氧化應激反應，有助于改善患者的衰弱狀態(tài)。

2 線粒體介導的能量代謝障礙在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機制

線粒體是真核細胞生物進行能量代謝的主要場所，通過氧化磷酸化過程直接產(chǎn)生ATP 以滿足機體的各種能量需求。RATTRAY等［12］研究表明，機體的整體代謝在衰弱狀態(tài)之下發(fā)生了改變，細胞能量產(chǎn)生的過程中出現(xiàn)了肉堿穿梭作用和維生素E的代謝下調(diào)。其中，肉堿是長鏈脂肪酸（Long Chain Fatty Acid， LCFAs）通過線粒體內(nèi)膜的分子載體，而LCFAs是氧化磷酸化的主要底物，其與輔酶A（CoA）酯化形成酰基- CoA并進入三羧酸循環(huán)產(chǎn)能。而且，肉堿還可直接刺激線粒體呼吸，影響線粒體內(nèi)膜的物理特性。因此，肉堿的減少會導致線粒體中LCFAs的可用性降低并由此產(chǎn)生能量赤字。肉堿的功能缺陷還可能與脂肪酸β-氧化受損有關，導致電子傳遞鏈（Electron Transport Chain， ETC） 堵塞，增加ROS的生成而損傷線粒體［13］。此外，在機體活動中，LCFAs的可用性降低還可能促使新陳代謝轉向利用碳水化合物，該種代謝方式的轉變也可能導致能量赤字，進而產(chǎn)生自我可察覺的疲勞感［14］，而疲勞感是衰弱綜合征的早期臨床表現(xiàn)，部分衰弱綜合征的評估量表中也包含疲乏感［15］。KUMARAN等［16］研究發(fā)現(xiàn)，與年輕小鼠相比，老年大鼠體內(nèi)的骨骼肌線粒體中脂類過氧化物的水平明顯增高，其體內(nèi)的抗氧化酶活性明顯降低。而肉堿的補充可提升老年大鼠的線粒體抗氧化系統(tǒng)的活性并降低自由基誘導的脂質(zhì)過氧化水平，且該種線粒體相關的功能改善程度與肉堿的補充時長呈正相關關系。另一項納入了84例老年患者的隨機對照試驗發(fā)現(xiàn)，肉堿的補充可改善老年患者的疲勞感［17］。而RATTRAY等［12］認為，衰弱綜合癥患者的低血清維生素E水平，可能是由于低血清維生素E水平未能抑制由肉堿缺乏產(chǎn)生的過量ROS，導致線粒體的功能障礙。因此，增強肉堿的穿梭作用或增加肉堿活性、補充維生素E可能有助于改善老年患者的線粒體功能，進而改善其衰弱狀態(tài)。

維生素D水平缺乏是衰弱綜合征發(fā)生的獨立危險因子。維生素D可改善機體骨骼肌線粒體的氧化磷酸化水平，抑制人體的氧化應激反應［18］。不僅如此，維生素D還可以通過控制與調(diào)節(jié)參與氧化磷酸化過程的相關蛋白質(zhì)的轉錄，降低機體ROS的產(chǎn)生，維持線粒體的正常代謝功能［19］。

ZHOU等［20］以19例終末期心衰患者、19例健康對照組患者為研究對象，結果發(fā)現(xiàn)終末期心衰患者存在線粒體呼吸功能減退（表現(xiàn)為線粒體壓力測試中的基礎氧氣消耗率和FCCP刺激下的最大氧氣消耗率明顯降低）及促炎因子表達增加（IL-1B、 IL-18及 TNF-α），給予試驗患者口服煙酰胺核苷（Nicotinamide riboside，NR），NR可改善線粒體功能（表現(xiàn)為線粒體壓力測試中的基礎氧氣消耗率和FCCP刺激下的最大氧氣消耗率明顯增加）并抑制促炎因子表達，增加血清NAD+水平，NAD可進一步促進線粒體特異性的去乙酰化酶活性升高，改善線粒體的功能。過度氧化應激、機體慢性促炎反應及線粒體功能失調(diào)都可能在終末期心衰與衰弱綜合征的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。

3 線粒體miRNA 表達異常在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機制

MicroRNAs（miRNAs）作為一種具有調(diào)控功能的內(nèi)源性非編碼RNA，可影響mRNAs的加工并參與調(diào)節(jié)細胞間的通訊、分化及增殖等多個過程［21］。其中，miRNAs中可影響線粒體功能的miRNAs被稱為線粒體 miRNA（Mitochondrial miRNAs， mitomiRs）。B淋巴細胞瘤-2（B-cell lymphoma-2， Bcl-2）基因在機體衰老過程中表達下降，由此導致線粒體的自噬能力降低，并打破線粒體分解和合成的平衡，最終引起線粒體功能失調(diào)。

為了驗證衰老細胞的部分典型改變是否源于mitomiRs調(diào)控能力的下降，GIULIANI 等［22］采用衰老的人類內(nèi)皮細胞表型進行深入探索，結果發(fā)現(xiàn)，與年輕的細胞相比，衰老細胞的線粒體的結構形態(tài)發(fā)生改變，自噬濾泡出現(xiàn)積累，ROS產(chǎn)生增加，且Bcl-2表達下降，而該過程中mitomiR-181a、mitomiR-34a及mitomiR-146a過度表達。因此，相關mitomiRs可能通過介導下調(diào)表達Bcl-2進而導致線粒體功能障礙，參與到衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。mitomiRs可能作為衰弱綜合征新的治療靶點。

4 線粒體相關基因表達異常在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機制

在線粒體的自身代謝中，輕微的線粒體損傷可通過融合/裂變等機制修復，而不可逆的線粒體損傷則通過自噬進行清除。此外，被清除的線粒體及其功能則由新合成的線粒體取代，該種現(xiàn)象被稱為線粒體生物發(fā)生（Mitochondrial biogenesis）［23］。pgc-1α可通過轉錄調(diào)控其下游基因，如核因子紅細胞2相關因子 2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2） ，促進線粒體的生物發(fā)生［24］。

Nrf2作為一種轉錄因子，通過與靶基因啟動子中的抗氧化反應元件（ARE）結合，在介導細胞內(nèi)抗氧化反應中發(fā)揮關鍵作用［25］，參與維持線粒體功能。HUANG等26使用老鼠為模型進行研究發(fā)現(xiàn)，衰老大鼠的Nrf2的 mRNA表達水平隨著衰弱表型評分的增加而降低，且Nrf2的缺乏導致中老年大鼠的身體功能和肌肉質(zhì)量下降，并加劇老年大鼠的衰弱狀態(tài)，進一步研究發(fā)現(xiàn)，老年大鼠的生理功能和肌肉質(zhì)量的下降伴隨著線粒體生物發(fā)生和動力學相關基因的表達水平降低，以及骨骼肌中線粒體及其DNA水平數(shù)量、線粒體內(nèi)容物減少，且線粒體形態(tài)出現(xiàn)受損，由此證明Nrf2的缺乏在衰老過程中加重衰弱和肌少癥的發(fā)生，并且該效應可能是通過與年齡依賴相關的方式損害骨骼肌線粒體。

CARDOSO 等［27］在 六 大 基 因 庫（GenAge，AnAge， LongevityMap， CellAge， DrugAge， Digital Aging Atlas）中檢索與衰弱綜合征相關的生物標志物后發(fā)現(xiàn)，生長分化因子15（Growth Differentiation Factor 15，GDF15）和蛋白質(zhì)編碼基因Ⅲ型纖連蛋白域蛋白 5（Fibronectin type Ⅲ Domain Containing 5，F(xiàn)NDC5）可能是衰弱綜合征的核心生物標記物之一。其中，GDF15是一種在應激刺激狀態(tài)下釋放的多效細胞因子，在線粒體相關的疾病中表達增加，且高表達GDF15與線粒體功能障礙相關［28］。跨膜蛋白FNDC5在代謝疾病中表達降低，其通過蛋白水解過程調(diào)節(jié)分泌肌源性鳶尾素（Irisin），后者可促進線粒體的生物發(fā)生，保護線粒體功能，并可能在線粒體功能障礙相關的疾病中表達降低［29］。以上均提示線粒體相關基因表達異常可導致線粒體功能障礙，線粒體相關基因可能是衰弱綜合征的核心標志物之一，未來可能通過線粒體代謝功能評估患者的衰弱狀態(tài)。

5 線粒體相關免疫功能退化在衰弱綜合征發(fā)展中的作用機制

伴隨年齡增長出現(xiàn)的機體內(nèi)在免疫系統(tǒng)功能的退化也參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展［30］。研究發(fā)現(xiàn)，老年人群的CD4+T細胞中存在大量功能失調(diào)的線粒體被自噬體吞噬，衰老過程伴隨線粒體的更替缺陷［31］。此外，線粒體在T淋巴細胞的激活、繁殖過程中調(diào)節(jié)能量代謝，因此也是重要的免疫反應的調(diào)節(jié)器。由此，機體積累的功能障礙的線粒體不能為內(nèi)在免疫系統(tǒng)提供足夠的能量支持，進而導致與年齡增長相關的內(nèi)在免疫系統(tǒng)功能出現(xiàn)退化，可能也是線粒體功能障礙促進衰弱綜合征發(fā)生發(fā)展過程中的機制之一。

綜上所述，線粒體功能障礙在衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展中起到一定作用。線粒體功能障礙導致的氧化應激反應、線粒體能量代謝障礙、線粒體miRNAs表達異常及線粒體相關基因表達缺陷、機體內(nèi)在免疫功能退化均參與了衰弱綜合征的發(fā)生發(fā)展。后續(xù)研究應進一步明確線粒體功能障礙在衰弱綜合征發(fā)生發(fā)展中的具體作用機制，從而為衰弱綜合征的靶向干預提供理論依據(jù)。