基于線粒體功能障礙探討氣虛的生物學基礎

李國棟 李改杰 李麗 焦揚

整體觀念和辨證論治是中醫的精髓,而隨著現代醫學的發展,辨病與辨證相結合則成為中醫診療的一大特色,它是中醫學辨證思維與現代醫學科學唯物論的結合以及中醫學整體觀念與現代醫學微觀局部的結合的體現。利用現代醫學的理論及技術手段闡釋中醫理論的科學內涵,探究中醫證型的生物學基礎,將中醫辨證與西醫辨病有機結合,有利于中醫理論的進一步傳承與推廣。本文將從線粒體功能障礙的角度探討中醫氣虛的生物學基礎,量化中醫證型標準,為證的診斷客觀化、規范化和病證分型治療提供有力依據。

1 生理功能相似性:線粒體與中醫“氣”的相似性

現代醫學認為,線粒體是活細胞有氧呼吸的場所,通過一系列氧化及磷酸化反應把人體消化吸收的食物和呼吸攝入的氧氣結合從而產生能量,它能夠為機體提供90%以上的能量。而中醫上認為,營氣源于脾胃,生于水谷,由脾胃運化所得水谷之精而化生,宗氣是由肺吸入的清氣與脾胃化生的水谷之氣結合而成。宗氣的主要功能是推動肺的呼吸和心血的運行,并與能量的供應、寒溫的調節、機體的運動均有重大關系[1]。筆者認為現代醫學線粒體功能與中醫“氣”有著極高的相似性,具體表現在以下四個方面。

1.1 線粒體功能與氣的推動作用相似

線粒體呼吸鏈的功能以及參與氧化還原反應產生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),為機體生命活動提供能量,這與中醫學所說氣的推動作用相似。ATP是機體絕大多數生理活動的直接能源,而線粒體則是細胞的“電力站”,為有機體生成90%的ATP。同樣,在中醫上,人體臟腑經絡的生理功能、機體的生長發育、全身血液的循環、津液的輸布,都依靠氣的激發和推動作用。

1.2 線粒體功能與氣的氣化功能相似

線粒體是生物氧化的場所,參與氨基酸、脂類、核苷酸的合成,這與中醫學所說氣的氣化功能相類似。線粒體是糖類、脂肪以及氨基酸最終氧化并釋放能量的場所,三羧酸循環和呼吸鏈的氧化磷酸化是上述生物過程的共同途徑[2],參與物質轉化及能量合成等一系列生物過程。而中醫學上,氣化就是通過氣的運動產生各種變化,也就是體內物質轉化和能量轉化的過程,表現在精、血、津液各自的代謝及相互轉化。

1.3 線粒體功能與氣的防御作用相似

線粒體參與固有免疫反應,能夠調節抗病毒、細菌免疫性,這與中醫學所說氣的防御作用相似。研究表明,線粒體相關病毒傳感器可以誘導干擾素-γ的分泌而介導抗病毒反應的發生,并能調控固有免疫反應[3]。此外,線粒體活性氧參與炎癥因子的分泌,通過多種信號途徑調控機體的固有免疫反應。而中醫學上,氣能夠固護肌表、抵御外邪、祛邪外出。

1.4 線粒體功能與氣的溫煦作用相似

線粒體參與體溫調節,維持體溫恒定,這與中醫學所說氣的溫煦作用類似。線粒體產生ATP,除供給生命活動之需以外,其余以熱能形式釋放,維持體溫。在中醫上,氣的溫煦作用指的就是氣具有產生熱量、祛除寒冷,令人體溫暖的功能。

由此來說,從生理功能上看,現代醫學線粒體與中醫學所說“氣”均參與精微物質之間相互轉化并供能,可以祛邪防御,維持機體體溫恒定,共同推動并促進機體的生長發育,兩者高度契合。

2 病理機制相關性:氣虛證出現不同程度線粒體功能障礙

線粒體功能障礙是指由于線粒體膜受破壞、呼吸鏈受抑制、酶活性降低、線粒體DNA損傷等引起能量代謝障礙,進而導致一系列相互作用的損傷過程[4]。線粒體功能障礙的具體機制可能與線粒體生物合成減少、氧化應激、老化等環境因素以及線粒體DNA突變的遺傳因素有關[5]。其表現形式也是多樣的,如能量代謝異常、氧化應激亢進、自噬功能障礙、內質網應激、凋亡的激活和線粒體DNA突變等[6],進而影響多種疾病的發生與發展。

2.1 心氣虛與線粒體功能障礙

心力衰竭時氧自由基產生是典型的線粒體功能障礙的表現形式,心氣虛是心衰初期的根本病機所在。氧自由基是在缺血缺氧的心氣虛的狀態下產生的“邪”。心氣虛則正氣虧損,邪氣內生,氧自由基生成。反之,氧自由基大量生成又可助長邪氣,使心氣虛更加嚴重,這與氧化應激反應損傷線粒體后,ATP生成持續減少,能量代謝紊亂的惡性循環不謀而合[7]。當心臟前阻力增加,心肌能量被消耗,心肌能量代謝底物合成減少,加劇氧化應激損傷,與心肌缺血再灌注引起的心氣虛血瘀的病機類似[8]。

2.2 肺氣虛與線粒體功能障礙

研究表明,線粒體相關蛋白Drp1、Mfn1蛋白表達和ATP含量變化極有可能是導致慢性阻塞性肺疾病大鼠出現氣虛證癥狀的內部機制因素[9]。用纖維支氣管鏡、掃描電鏡觀察了肺氣虛證患者支氣管粘膜超微結構,發現肺氣虛證患者的氣管底層的結締組織中可見較多數量的白細胞,胞質中線粒體數目減少并且有損傷[10]。慢性阻塞性肺疾病肺氣虛證患者外周血有核細胞線粒體膜電位、細胞內活性氧有明顯的變化,表明肺氣虛與線粒體功能障礙有一定相關性[11]。

2.3 脾氣虛與線粒體功能障礙

用透射電鏡觀察脾氣虛大鼠肝細胞超微結構發現,其肝細胞及空腸細胞線粒體腫脹、基質變淺、空泡變淡、嵴斷裂及排列紊亂等隨病程延長而逐漸加重[12]。除線粒體結構發生變化之外,有研究表明脾氣虛證大鼠回腸組織中谷胱甘肽過氧化物酶活性及丙二醛含量發生變化,通過影響線粒體膜脂代謝、抗氧化能力、抗自由基及線粒體膜酶活性等方面共同調控,這可能是脾氣虛證病理機制之一[13]。

2.4 其他臟腑氣虛與線粒體功能障礙

“氣虛濁留”是糖尿病腎病重要的病機,氣虛和濁留貫穿疾病始終,而現代醫學中腎臟內線粒體能量代謝障礙所致的腎小管重吸收功能降低和腎小球濾過屏障受損卻恰似中醫(腎)氣虛不固的病機[14]。線粒體自噬過度[15]、線粒體能量代謝[16]及線粒體氧化應激[17]等是腦梗死或腦缺血再灌注損傷過程中重要的發病機制,而線粒體自噬過度,就相當于中醫學的榮氣氣化無力,氣、血、精、津等精微物質耗損過度而無以化生,腦髓無所充養,此即腦梗死氣虛之病機所在[18]。

從病理機制來看,不同臟腑氣虛證可出現不同類型及不同程度的線粒體功能障礙,氣虛證患者或動物模型均有線粒體結構直接損傷、能量代謝失常、自噬功能障礙等不同類型的表現,而這些不同的表現形式統稱為線粒體功能障礙,兩者在致病的病理機制方面是相關聯的。

3 異病同治可行性:從氣虛論治可促進不同疾病線粒體功能修復

線粒體功能障礙是導致多種疾病的重要病理環節,在中醫上從氣虛論治均能夠收到良好效果。慢性心力衰竭時心肌線粒體形態和呼吸功能損傷,ATP含量減少,能量供應不足,而芪參益氣方可以顯著改善線粒體結構和呼吸功能,增加ATP的產生[19]。四君子湯是治療脾胃氣虛的經典名方,研究表明四君子湯加減治療可以提高餐后不適綜合征患者外周血線粒體拷貝數含量[20],還可以通過提高細胞內線粒體琥珀酸脫氫酶和細胞膜Na+-K+-ATP酶活性、消除自由基而達到保護胃腸細胞作用,從而改善功能性消化不良的各種癥狀。脾氣虛能夠使心肌細胞線粒體發生突變、缺失,進而導致呼吸鏈酶復合物活性下降,而益氣健脾中藥則能調節心肌組織線粒體呼吸鏈酶復合物Ⅱ和復合物Ⅳ活性[21]。脾氣虛大鼠存在線粒體腫脹變圓,大量線粒體空泡化的現象,而通過電針“足三里”穴可以糾正脾氣虛模型大鼠骨骼肌線粒體分裂融合的失衡狀態,進而改善線粒體結構和功能的破壞,提高能量代謝水平[22]。此外,補腎益元中藥能夠保護運動性疲勞大鼠的睪丸間質細胞及細胞內線粒體結構,而這種對睪丸組織結構的保護作用可能是延緩運動性疲勞腎氣虛的機理[23]。

慢性心力衰竭、功能性消化不良、餐后不適綜合征、運動性疲勞等不同系統疾病出現線粒體功能障礙,根據癥狀從中醫角度可以辨證為氣虛證,從氣虛論治后療效確切,線粒體功能也得到恢復,這是中醫學異病同治思想的高度體現。

4 綜合分析可靠性:多組學檢測及生物信息學分析揭示氣虛的生物學基礎

生物信息學能夠解析中藥及復方的多成分、多途徑、多靶點,預測中藥及復方的物質基礎及作用機制。代謝組學是通過對代謝產物進行定量和定性分析,探尋生物標記物并解釋作用機制。蛋白質組學從分子生物學角度研究機體在蛋白質水平上的定量、動態及整體性。通過生物信息學、代謝組學及蛋白質組學探究中醫氣虛證的生物學基礎,可以實現中醫證候的量化及標準化,其核心思想與多靶點的研究方法同中醫證候的“整體觀”“動態觀”特征具有高度的一致性。

4.1 線粒體膜蛋白酶系

利用生物信息學分析益氣健脾經典名方四君子湯的生物學基礎,發現其有效成分對應的分子靶標所富集的信號通路主要屬于亞油酸和脂質分解調節通路[24],通過代謝組學分析表明心肌梗死恢復期氣虛血瘀證患者亞油酸、花生四烯酸等脂肪酸物質下調[25],而亞油酸作為人體必需脂肪酸在線粒體外膜參與磷脂的合成,并以磷脂的形式存在于線粒體和細胞膜中。通過蛋白質組學探尋氣虛大鼠的生物學基礎,研究發現氣虛證大鼠細胞色素C、ATP合成酶顯著降低,通過人參干預后其水平顯著上調[26]。細胞色素C作為線粒體內膜固有蛋白,是線粒體啟動凋亡程序的關鍵物質,還可以通過干擾呼吸鏈電子傳遞的運輸、促進活性氧自由基的產生、阻斷能量合成等方式間接參與細胞凋亡過程[27];ATP合成酶是線粒體內膜上的蛋白酶,ATP生成的催化劑,在線粒體氧化磷酸化過程中有重要作用,當機體在缺氧及疲勞等狀態下,ATP合成酶受到損傷,活力下降,與氣虛證倦怠乏力的表現相吻合。由此推測,氣虛證時線粒體膜蛋白酶系表達降低,而補氣藥可以作用于線粒體膜蛋白酶促進線粒體功能的發揮,以調節物質和能量代謝。

4.2 線粒體呼吸鏈復合物

線粒體是供能場所,主要通過氧化磷酸化與細胞呼吸的耦合產生ATP,而此過程是由線粒體呼吸鏈來完成的。線粒體呼吸鏈包含五種酶復合物,即煙酰胺腺嘌呤二核苷酸輔酶Q還原酶(復合物Ⅰ)、琥珀酸輔酶Q還原酶(復合物Ⅱ)、泛醌細胞色素C還原酶(復合物Ⅲ)、細胞色素C氧化酶(復合物Ⅳ)和F1F0-ATP合成酶(復合物Ⅴ)。線粒體呼吸鏈復合物活性的改變,造成電子傳遞和ATP合成障礙。研究表明,芪參益氣滴丸及其主要補氣成分黃芪甲苷可以抑制線粒體復合物V的亞基ATP5D低表達,改善因呼吸鏈復合物功能下降所致的能量代謝異常[8]。另有研究發現,與治療組比較,氣虛組大鼠的線粒體呼吸鏈酶復合物Ⅱ和復合物Ⅳ活性降低,說明大鼠在脾氣虛狀態下呼吸鏈酶復合物活性下降,線粒體功能出現異常,同時表明益氣健脾中藥能夠逆轉脾虛大鼠的線粒體功能損傷[21]。脾氣虛組大鼠脾臟組織的線粒體呼吸鏈四種復合物(復合物Ⅰ～Ⅳ)活性顯著低于正常對照組,提示脾氣虛證中脾臟線粒體ATP合成障礙可能是由于氧化磷酸化中的呼吸鏈復合物活性改變而造成的[28]。

4.3 三羧酸循環中間產物

通過對氣虛質用藥組前后代謝組學分析,差異代謝物主要包括蛋氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、異亮氨酸、纈氨酸等多種氨基酸組分,而這些組分可通過不同途徑變成α-酮戊二酸和草酰乙酸,參與三羧酸循環[29]。脾氣虛體質患者與健康人的代謝組學分析表明,左旋肉堿和十六烷二酸單左旋肉堿酯在兩種人群中存在差異,這兩種物質首先在細胞質中活化成脂酰輔酶A,入線粒體內進行β-氧化,脂肪酸氧化分解為乙酰輔酶A進入三羧酸循環徹底氧化分解,為機體供能[30]。利用代謝組學探索氣虛證大鼠生物學基礎,研究發現吲哚乙酸是氣虛大鼠血漿差異代謝物,而吲哚乙酸是色氨酸代謝產物,主要通過犬尿酸原代謝途徑產生乙酰輔酶A,進入三羧酸循環進行徹底氧化供能,氣虛大鼠乙酰輔酶A含量顯著減少,供能減少,導致能量代謝紊亂[31]。利用肺組織蛋白質組學對肺氣虛證大鼠和正常大鼠作為對照進行差異分析,與氣虛大鼠比較,正常大鼠肺組織蘋果酸脫氫酶高表達[32],與陳銀芳等[26]研究一致,而蘋果酸脫氫酶在線粒體內主要催化蘋果酸氧化,是三羧酸循環中的重要酶之一,對體內營養物質的徹底氧化或相互轉變均起重要作用,是徹底氧化產能的重要酶類。

利用生物信息學分析、代謝組學、蛋白質組學等現代技術手段實現對中醫氣虛證的客觀化分析,為解析氣虛證的生物學基礎提供可靠的數據支持。通過綜合分析,不同的實驗發現氣虛證的差異代謝物及差異蛋白為線粒體膜蛋白酶系、線粒體呼吸鏈復合物及三羧酸循環中間產物,但是這些差異物質或者蛋白相關的通路集中體現在物質和能量合成、轉化、代謝方面及三羧酸循環,而這些差異物質或蛋白恰與線粒體功能密切相關,并且補氣中藥/復方能通過調節這些物質和(或)能量代謝蛋白/產物發揮作用,由此說明,氣虛證的生物學基礎可能是線粒體相關物質和/或能量代謝產物/蛋白及其相關調控通路。

5 總結與展望

線粒體功能障礙是線粒體自身出現問題引發的能量代謝障礙,繼而又可引發一系列病理損傷過程,涉及病理類型較廣、疾病種類較多,如心血管系統、呼吸系統、神經系統、內分泌腎病系統、肌肉組織等疾病過程,涉及中醫學心、腎、肺、肝膽、脾胃、氣血津液以及肢體經絡的相關病證。通過理論研究發現,在生理上,現代醫學線粒體的功能與中醫氣的功能有極高的吻合度;在病理機制上,線粒體功能障礙的臨床表現涉及中醫病證雖多,探究其核心證候,皆與氣虛證表現類似,與氣虛證關系密切;在治療方面,從氣虛論治可以促進線粒體功能修復,改善線粒體功能障礙引發的一系列各個系統的問題,是中醫學異病同治理論的良好體現。由此看來,無論在生理、病理、臨床治療方面,線粒體與中醫氣關系密切,通過取象比類,用現代醫學線粒體功能障礙類比中醫學氣虛,是病證結合診療模式的充分體現。通過生物信息學分析、代謝組學及蛋白質組學分析的現代技術手段綜合分析,發現氣虛證的生物學基礎可能是線粒體相關物質和/或能量代謝產物/蛋白及其相關調控通路。

但是,目前的研究同樣存在一些不足之處:(1)動物實驗研究居多,臨床試驗偏少:氣虛證動物模型雖能在一定程度模擬人類氣虛證表現,但兩者尚不能完全擬合;(2)臨床試驗樣本量較小:樣本量較小的臨床試驗發現的問題及得出的結論能否值得推廣及應用尚需要大規模的乃至真實世界研究進一步驗證;(3)研究片段化:大多研究從一個角度發現問題,比如單從代謝組學或單從蛋白質組學進行研究分析,缺乏整體研究策略。

因此,今后可首先通過生物信息學數據挖掘探尋某一補氣中藥/復方的成分基礎及作用靶標,再利用氣虛證動物模型對作用靶標進行篩選驗證,最后開展此中藥/復方的大規模多中心臨床試驗,通過轉錄組學、代謝組學及蛋白質組學多種現代技術手段加以分析,增加研究可信度,為氣虛證生物學基礎研究提供可靠的數據支撐,從而為中醫證候的標準化和定量化奠定堅實基礎,豐富發展中醫理論,這將更有利于中醫理論的傳承與推廣。