線粒體功能障礙與心力衰竭的關系研究進展

李炳龍，劉鵬程，劉翠云

心力衰竭是由于人的心臟結構和(或)功能異常導致心室充盈或射血功能障礙的一組臨床綜合征。心力衰竭時，心肌收縮力下降，心排出量不能滿足機體的代謝需要，導致組織器官供血不足，出現體循環和(或)肺循環淤血的表現，最終成為各種心臟疾病的終末階段[1]。根據流行病學調查顯示，在歐美國家，平均每100個人當中就會有5個人因出現不同程度的心力衰竭而入院治療[2]。心血管疾病的發病率在我國呈逐年上升的趨勢，而心力衰竭作為心血管疾病的終末階段，呈現出發病率高、住院率高、死亡率高、預后差的特點[3]。研究表明，線粒體功能障礙和心力衰竭的發生發展密切相關，其中線粒體能量代謝障礙、基因突變、氧化應激損傷以及鈣穩態失衡是誘導心力衰竭的重要因素[4]。深入研究線粒體功能障礙與心力衰竭的關系，有利于尋找治療心力衰竭的新靶點。作者就線粒體功能障礙與心力衰竭發病關系的相關研究進展作一綜述。

1 線粒體的結構

線粒體是具有磷脂雙分子層的細胞器，主要由膜間隙、外膜、內膜和基質組成[5]。膜間隙位于外膜和內膜之間，在蛋白質跨線粒體膜運輸以及氧化磷酸化的過程中發揮著關鍵作用。外膜是一種對小分子物質具有通透性的線粒體通道蛋白，內膜通過多重折疊的線粒體嵴結構增加表面積，用來裝配通道蛋白、幾乎所有的電子呼吸鏈復合體以及三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)酶復合體。線粒體基質則含有檸檬酸循環的各種酶和底物[6]。此外，線粒體是唯一具有自身雙鏈環狀DNA的細胞器，能夠相對獨立的進行復制、轉錄和翻譯。

2 線粒體的功能

2.1 產生能量 線粒體不斷進行有氧氧化過程并產生能量，在細胞代謝活動中具有重要作用。心肌細胞所需能量大部分來自于脂肪，小部分來自于碳水化合物[7]。游離脂肪酸和葡萄糖作為主要供能物質，經脂肪酸β氧化和葡萄糖的糖酵解過程，最終在線粒體內轉變成乙酰輔酶A，進而參與檸檬酸循環。脂肪酸β氧化過程中的每一循環需要由不同的酶催化，包括脂肪酸β氧化酶、長鏈酰基輔酶A水化酶、長鏈3-酮酰輔酶A硫解酶等[7]。在檸檬酸循環中產生的還原型輔酶Ⅰ和H+可以沿著電子呼吸鏈傳遞，通過ATP酶復合體進入線粒體基質，釋放線粒體膜電位中的勢能催化二磷酸腺苷磷酸化，生成ATP，供機體生命活動所需[8]。

2.2 釋放活性氧簇 線粒體在產能的同時還會產生大量的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)等產物，ROS可以使線粒體滲透轉換孔開放，從而調節線粒體膜的通透性，造成線粒體內外離子濃度的失衡。此外，ROS還可以激活各種轉錄因子，例如細胞色素C轉移酶、BAX、Caspase等[9]。更多研究表明ROS介導的氧化應激還會造成線粒體自身結構和功能的改變，進而導致線粒體自噬和細胞自噬[10]。

2.3 調節胞內Ca2+濃度 Ca2+在心肌興奮收縮耦聯中起著核心作用。研究表明線粒體攝取和釋放Ca2+是通過線粒體Ca2+轉運體來進行，在此過程中受到線粒體Ca2+攝取蛋白的調節[11]。因此，線粒體能敏銳地感受到Ca2+濃度的改變，并通過調節轉運體的開放與關閉來維持細胞內Ca2+濃度的恒定，避免Ca2+超載，防止對細胞造成損傷。

2.4 線粒體分裂與融合 線粒體具有高度動態性，能夠通過分裂和融合兩個完全相反的過程來維持線粒體乃至細胞形態結構的完整。研究發現，線粒體分裂與融合功能的紊亂將會影響線粒體在細胞內分布的改變，進而對細胞分裂以及細胞對不同信號的反應產生影響，擾亂正常的細胞周期[12]。

3 線粒體功能障礙

線粒體的功能主要是滿足細胞能量和代謝的需求，但是在核編碼線粒體蛋白突變、組織特異性、線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)遺傳多態性以及其他一些致病因素和有害環境影響不會誘導線粒體功能障礙。其中mtDNA突變、缺失或受損最容易導致線粒體功能障礙[13]。mtDNA缺乏組蛋白的保護而呈現裸露的閉合雙鏈結構，而且由于mtDNA具有較高復制頻率，不對稱復制，缺乏精確的修復系統，處于高ROS環境等特點[14]，使得mtDNA更易誘發突變。mtDNA突變的積累會導致細胞高水平的異質性從而導致疾病的發生。另外，線粒體內含有大量的凋亡促進因子如P53等，當膜的通透性改變時，凋亡促進因子被釋放，破壞線粒體電子傳遞鏈結構，使電子不能正常傳遞，ATP產生量銳減，細胞無法獲得充足的能量進行生命活動[15]。

線粒體功能障礙能夠促進多種疾病的發生發展。Toglia等[16]研究發現阿爾茨海默病患者組織內的線粒體數量明顯少于正常，ATP生成不足，揭示了阿爾茨海默病與線粒體能量代謝障礙有著密切聯系。Gautier等[17]認為生物能量缺失和氧化應激是帕金森病中多巴胺能神經元缺失的主要原因。除此之外，由特定的環境損傷以及a-synuclein、parkin、DJ-1、PINK1和LRRK2等基因突變導致的線粒體功能障礙，能夠進一步惡化帕金森病患者的病情[18]。線粒體功能障礙還與腫瘤細胞的代謝紊亂、無限增殖、侵襲、轉移等異質性密切相關。線粒體異常的糖代謝會誘導丙酮酸脫氫酶激酶1發生致癌性的突變，影響細胞正常分化，增加腫瘤形成機率[19]；異常的脂代謝升高ATP-檸檬酸裂解酶乙酰化水平，促進脂類合成及腫瘤細胞生長；異常的氨基酸代謝提高腫瘤細胞內谷氨酰胺促還原型輔酶Ⅱ和谷胱甘肽生成能力，消耗腫瘤細胞內過高的ROS，從而維持氧化還原體系的平衡，防止細胞凋亡。此外，線粒體鈣穩態的異常、結構的異常、功能的紊亂、膜穩定性的改變等都在細胞凋亡、細胞壞死及腫瘤發生發展中扮演著重要角色。

4 線粒體功能障礙與心力衰竭

4.1 能量代謝障礙與心力衰竭 線粒體是心肌細胞能量產生的動力工廠，心臟的舒縮活動需要消耗巨大的能量。正常情況下，90%以上的能量通過線粒體氧化磷酸化過程生成，小部分通過脂肪酸和葡萄糖無氧糖酵解途徑產生[20]。當氧供嚴重缺乏時，機體主要依賴糖酵解途徑代償產能。Nguyen等[21]在用庚酸甘油脂誘導壓力超負荷引起大鼠心力衰竭的實驗中發現，隨著心力衰竭的發展，底物氧化生成的ATP數量以及心肌細胞對ATP的利用率都有所下降。心力衰竭初期，心肌底物利用障礙，游離脂肪酸氧化代謝能力下降，葡萄糖氧化代謝產能增加，從而導致ATP產生減少，此時線粒體代償作用增加，因此能量的供應與消耗基本維持平衡；心力衰竭后期，線粒體代償功能減弱，數量減少，加劇了能量缺乏的代謝障礙[22]。此外，心力衰竭時，心肌線粒體復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性受到抑制，使ATP合成酶活性降低[23]，進而影響ATP敏感的鉀通道活性[24]。故在臨床研究中顯示線粒體生物合成障礙開始于臨床心臟代償性肥大階段，在先天性心臟病患者，mtDNA復制缺陷會引起右心室線粒體減少及ATP敏感的鉀通道活性降低，使心臟產生病理性的肥厚和衰竭[23]。由此可見，線粒體能量代謝障礙影響心力衰竭的發生與發展。

4.2 基因突變與心力衰竭 線粒體是半自主的細胞器，有自己的遺傳物質，即mtDNA。mtDNA參與調控細胞的生命活動，當mtDNA突變時會導致線粒體膜電位下降，Ca2+內流增加，細胞內鈣超載，導致細胞死亡。當mtDNA突變累積到一定程度時，心肌細胞產生的能量低于組織、器官發揮功能所需要能量的最低閾值，心臟就會出現不可逆轉的衰竭[25]。有研究表明，在心力衰竭患者的心肌細胞中過氧化物酶體增殖物可以激活受體γ輔激活因子1α，進而抑制NRF-1等促線粒體生物合成因子表達，引起mtDNA數量減少[26]，而且受體γ輔激活因子1α敲除的小鼠線粒體形態也發生顯著的改變[27]。在心力衰竭小鼠模型中，心肌細胞ROS產生增多，引起基質金屬蛋白酶升高，線粒體轉錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)可以抑制其上調[28]。TFAM過表達可以保持mtRNA拷貝數，減輕氧化應激的損傷，增加了心肌順應性，抑制心室重構[29]。

4.3 氧化應激損傷與心力衰竭 氧化應激損傷是指機體ROS生成增多和(或)抗氧化防御機能降低，導致氧化還原平衡破壞，引起細胞氧化損傷的病理過程[30]。當心肌發生缺血、缺氧等病理改變時，線粒體氧化磷酸化功能障礙，導致線粒體呼吸鏈損傷，直接或間接損傷心肌細胞[31]。線粒體氧自由基可以調控細胞信號轉導通路，或作用于核酸水平，引起膜脂質過氧化反應、蛋白質功能抑制和G蛋白與效應器的耦聯失調，從而引起心力衰竭。ROS可以通過RAS-RAF-ERK途徑介導內皮素產生，也可以通過ROS氧化修飾心肌的肌原纖維蛋白抑制心臟的舒縮功能，導致心功能下降[32]。ROS還可以調節NF-κB的活性，從而激活誘發心肌肥厚的信號通路以及相關基因的轉錄表達[33]。

4.4 鈣穩態失衡與心力衰竭 鈣穩態是指線粒體通過攝取和排出Ca2+維持體內的鈣平衡，線粒體Ca2+濃度對線粒體ATP的生成、離子通道的通透性以及鈣信號轉導通路的調節發揮著重要的作用。衰竭的心肌細胞線粒體數量減少、肌漿網攝取能力降低，導致大量Ca2+在細胞內蓄積，影響氧化磷酸化過程，進而減少ATP合成，誘發心肌細胞凋亡[34]。鈣超載時，胞漿過多的Ca2+由線粒體攝取，線粒體膜電位降低，通透轉運孔道打開，ATP消耗增多，引起心肌損傷[35]；心肌細胞肌漿網內鈣容量降低導致鈣釋放障礙，心肌收縮力減弱，加重心力衰竭的程度。Ca2+濃度增加會激活鈣離子依賴的蛋白激酶和磷脂酶類的活性，使膜磷脂和結構蛋白降解，伴隨著線粒體膜的通透性增加，引起線粒體變形腫脹，影響ATP的合成，加重能量代謝障礙[36]。

4.5 線粒體與心力衰竭治療的新靶點 在臨床研究中已證實線粒體是治療心力衰竭的重要靶點。曲美他嗪作為一種抗心肌缺血藥物，能夠改善線粒體能量代謝障礙。它可以選擇性抑制脂肪酸β氧化酶活性，減少游離脂肪酸氧化，增加葡萄糖氧化，使線粒體ATP合成增加，為心肌細胞提供能量[37]，同時抑制線粒體長鏈3-酮酰輔酶A硫解酶，使心肌合成ATP耗氧減少，優化心肌細胞能量產生，從而改善心力衰竭患者的心功能。卡維地洛作為第三代β受體阻斷劑，具有抗氧化作用，可以減輕鈣超載所致的心肌線粒體損傷和能量消耗。另外，相關研究揭示線粒體功能調控基因在心力衰竭中發揮重要作用。如SERCA2a基因能影響線粒體ATP敏感鉀通道，從而調節心肌細胞鈣循環，改善心力衰竭患者的心肌功能。另外，研究發現TFAM能夠維持線粒體拷貝數，抑制心衰時造成的基質金屬蛋白酶升高，減輕氧化應激損傷，從而抑制心力衰竭的發展，這將為心力衰竭的治療提供新思路[28]。

5 小結

線粒體在機體產生能量、氧化應激、維持細胞內Ca2+濃度的恒定以及保持細胞結構完整性等方面扮演著重要角色，但同時其功能障礙也與多種疾病的發生有關。線粒體能量代謝障礙、基因突變、氧化應激、鈣穩態破壞等都能夠促進心力衰竭的發生與發展。目前，以線粒體為靶點的藥物分子設計及研究已成為當下熱門領域之一，深入研究并闡明線粒體功能障礙在心力衰竭中的靶向作用，針對不同的基因找到合適的靶點進行靶向治療，對于心力衰竭的治療具有重要意義。但是線粒體功能障礙在心力衰竭發展過程中究竟是因是果，以及如何用簡單可靠的方法來監測線粒體功能障礙的發生等問題仍需要進一步研究。隨著研究的深入，線粒體功能障礙在心力衰竭中的作用會日益凸顯，可為今后心力衰竭的治療提供新的理念。