線粒體在膿毒癥肝損傷發(fā)病機(jī)制及治療中的作用

蘇晨林，于 鋒

中國藥科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院，南京211100

膿毒癥是由宿主對感染的反應(yīng)失調(diào)引起的危及生命的器官功能障礙[1]，其發(fā)病除內(nèi)穩(wěn)態(tài)紊亂、免疫抑制、凝血功能障礙、自噬和細(xì)胞代謝過程失衡外[2，3]，線粒體損傷機(jī)制的研究也日益受到關(guān)注。線粒體是能量代謝的中心，其生理功能包括產(chǎn)生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、維持細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、參與體溫調(diào)節(jié)和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生和解毒，這些生理功能中任何一個(gè)出現(xiàn)異常稱為線粒體功能障礙[4]；當(dāng)線粒體功能出現(xiàn)障礙時(shí)，一系列維持體內(nèi)內(nèi)環(huán)境平衡的信號(hào)通路密切調(diào)控線粒體的功能修復(fù)過程，包括線粒體生物發(fā)生、線粒體融合、裂變和線粒體自噬，這些過程的不充分激活將導(dǎo)致線粒體損傷的積累、器官衰竭的持續(xù)存在和危重疾病等不良后果[5]。膿毒癥期間受損線粒體的積累，將導(dǎo)致多器官功能障礙綜合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的發(fā)生[6]。肝臟作為膿毒癥相關(guān)器官損傷的靶點(diǎn)，其在膿毒癥期間有助于循環(huán)病原體及其產(chǎn)物的清除。由于能量供應(yīng)與促進(jìn)新陳代謝和膿毒癥中受損器官功能的恢復(fù)密切相關(guān)[7]，肝臟細(xì)胞中存在的豐富線粒體，是維持肝臟代謝穩(wěn)態(tài)、肝細(xì)胞靈活性以及存活的關(guān)鍵代謝和信號(hào)傳導(dǎo)樞紐[8]，對肝臟中線粒體的研究有助于加深對膿毒癥誘導(dǎo)肝損傷發(fā)病機(jī)制的了解。以線粒體為膿毒癥誘導(dǎo)肝損傷的生物標(biāo)志物進(jìn)行研究，有助于了解恢復(fù)線粒體穩(wěn)態(tài)對于緩解膿毒癥誘導(dǎo)肝損傷的重要意義，本文旨在總結(jié)膿毒癥肝損傷中線粒體的作用，以期為膿毒癥肝損傷的治療提供參考。

1 膿毒癥誘導(dǎo)肝損傷中線粒體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

1.1 膿毒癥肝損傷中能量穩(wěn)態(tài)紊亂

線粒體的主要生理功能是通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）為細(xì)胞提供所需的ATP，當(dāng)線粒體出現(xiàn)損傷時(shí)，能量穩(wěn)態(tài)紊亂。在膿毒癥小鼠模型的肝臟中，線粒體呼吸鏈的復(fù)合物Ⅳ，即細(xì)胞色素C 氧化酶復(fù)合體活性顯著降低，線粒體超微結(jié)構(gòu)破壞，肝細(xì)胞能量衰竭[9]。此外，膿毒癥期間ATP 水平降低，而體內(nèi)AMP/ATP 比例的升高能激活腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine 5‘-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK）。AMPK 是生物能量調(diào)節(jié)，如保持葡萄糖平衡的關(guān)鍵分子，其催化各種代謝相關(guān)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)磷酸化，以應(yīng)對膿毒癥狀態(tài)下將代謝重新定向，包括抑制脂肪酸和膽固醇合成，抑制糖異生，通過沉默信息調(diào)節(jié)因子2 相關(guān)酶1（silent information regulator factor 2-related enzyme 1，SIRT1）激活葡萄糖攝取、脂肪酸攝取和氧化[10]。

1.2 膿毒癥肝損傷中活性氧的生成

巨噬細(xì)胞和免疫細(xì)胞中腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白細(xì)胞介素（interleukin,IL）-1β 和IL-6 等細(xì)胞因子在膿毒癥期間產(chǎn)生增加，當(dāng)促炎細(xì)胞因子募集至中性粒細(xì)胞并滲入肝實(shí)質(zhì)，肝臟線粒體中ROS 誘導(dǎo)生成，ROS累積將導(dǎo)致肝細(xì)胞損傷。但一定濃度ROS 的產(chǎn)生會(huì)刺激過氧化物酶體增殖物激活受體-γ 共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α，PGC-1α）的表達(dá)和線粒體解偶聯(lián)蛋白（uncoupling protein，UCP）的激活。其中，PGC-1α 在線粒體的生物合成功能中發(fā)揮重要作用，它通過紅細(xì)胞衍生核因子2 樣蛋白2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NFE2L2）介導(dǎo)，誘導(dǎo)線粒體抗氧化酶超氧化物歧化酶-2（superoxide dismutase-2，SOD-2）在肝臟中的表達(dá)，從而對抗線粒體氧化應(yīng)激，降低肝細(xì)胞死亡比例[11]；而激活的線粒體UCP 可通過降低線粒體質(zhì)子動(dòng)力，減少線粒體ROS 的產(chǎn)生[12]。

1.3 膿毒癥肝損傷中的線粒體生物發(fā)生

線粒體生物發(fā)生是細(xì)胞響應(yīng)線粒體損傷和能量需求的增加，從已經(jīng)存在的線粒體中產(chǎn)生新線粒體的過程，以維持線粒體質(zhì)量和功能穩(wěn)態(tài)[13]。線粒體生物發(fā)生的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)基因有PGC-1α、激活核呼吸因子-1（nuclear respiratory factor-1，NRF-1）和核呼吸因子-2（NRF-2）。PGC-1α 和NRF-1共同激活線粒體轉(zhuǎn)錄因子-A（mitochondrial transcription factor A，TFAM），并結(jié)合到線粒體電子運(yùn)輸鏈中5 個(gè)復(fù)合物亞基的啟動(dòng)子區(qū)域，影響表達(dá)，從而促進(jìn)線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。PGC-1α 的表達(dá)受多種因素的調(diào)節(jié)，如ROS 的生成、AMPK 和血紅素氧合酶1（heme oxygenase-1，HO-1）的激活。膿毒癥期間，炎癥誘導(dǎo)生成的HO-1 將保護(hù)肝臟免受持續(xù)性炎癥攻擊與激活線粒體生物發(fā)生聯(lián)系起來，激活的HO-1 上調(diào)PGC-1α，并通過NFE2L2 轉(zhuǎn)錄因子，刺激抗炎細(xì)胞因子的合成[14]。其他刺激線粒體生物發(fā)生的途徑還有一氧化氮（nitric oxide，NO）的生成。如白藜蘆醇可通過刺激NO 生成，促進(jìn)環(huán)鳥苷酸（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）的產(chǎn)生，進(jìn)而前饋激活HO-1[15]。

1.4 膿毒癥肝損傷中的線粒體自噬

線粒體自噬是指對受損線粒體的選擇性自噬，是一種重要的線粒體質(zhì)量控制機(jī)制，線粒體自噬不足將導(dǎo)致功能失調(diào)的線粒體的積累和炎癥小體的激活[16]。在PTEN 誘導(dǎo)的激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）-Parkin 介導(dǎo)的線粒體自噬過程中，PINK1 在受損線粒體外膜上積累，PINK1 自磷酸化使Parkin 向受損線粒體募集，從而誘導(dǎo)受損線粒體的自噬[17]。此外，轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）激活可通過上調(diào)Parkin 向受損線粒體募集，促進(jìn)線粒體自噬[18]。除PINK1-Parkin 依賴性的線粒體自噬外，還包括受體介導(dǎo)的線粒體自噬途徑。在哺乳動(dòng)物的生理和病理?xiàng)l件下介導(dǎo)線粒體清除的兩種主要類型的受體包括：B 淋巴細(xì)胞瘤-2-腺病毒E1B 相互作用蛋白3（B-cell lymphoma-2-adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3，BNIP3）和FUN14 結(jié)構(gòu)域包含蛋白-1（FUN14 domain-containing protein 1，F(xiàn)UNDC1）[19]。BNIP3 可通過與PINK1 相互作用，抑制PINK1 蛋白水解加工，從而促進(jìn)Parkin 募集和PINK1-Parkin 介導(dǎo)的線粒體自噬[20]。在膿毒癥期間，肝臟中PINK1 蛋白表達(dá)水平上調(diào)，但Parkin 和BNIP3 的蛋白表達(dá)水平降低，血紅素可下調(diào)PINK1蛋白表達(dá)并上調(diào)Parkin 和BNIP3 蛋白表達(dá)，說明HO-1 可增強(qiáng)Parkin 和BNIP3 介導(dǎo)的線粒體自噬[21]。FUNDC1 是另一線粒體自噬受體，調(diào)節(jié)其LC3 結(jié)合區(qū)域（LC3-interacting region，LIR）基序附近的Ser 13、Ser 17 和Tyr 18 殘基的磷酸化和去磷酸化，可實(shí)現(xiàn)不同條件下線粒體自噬通量的變化[19]。膿毒癥期間低水平ATP 激活的AMPK 可直接激活UNC-51樣激酶1（UNC-51-like kinase 1，ULK1），而在線粒體中，ULK1 與FUNDC1 相互作用，可使FUNDC1 在Ser 17 處磷酸化，從而增強(qiáng)FUNDC1 與LC3 的結(jié)合，促進(jìn)自噬[22]。

2 以線粒體為靶點(diǎn)緩解膿毒癥肝損傷的治療策略（見表1）

表1 以線粒體為靶點(diǎn)緩解膿毒癥肝損傷的治療策略

2.1 恢復(fù)膿毒癥期間能量穩(wěn)態(tài)

膿毒癥中肝細(xì)胞能量衰竭與肝功能障礙的發(fā)生相關(guān)，恢復(fù)肝臟中的能量穩(wěn)態(tài)將有助于減輕肝臟損傷。液體復(fù)蘇可以改善膿毒癥期間肝臟線粒體超微結(jié)構(gòu)的破壞，恢復(fù)線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅳ活性[9]。結(jié)合液體復(fù)蘇，他汀類藥物的預(yù)處理有助于脂肪酸代謝相關(guān)基因表達(dá)的恢復(fù)[23]。犬尿氨酸（kynurenine，KYNA）的合成類似物SZR-72 可直接調(diào)節(jié)線粒體呼吸，改善ADP 向ATP 的轉(zhuǎn)換[24]。其他針對膿毒癥期間能量途徑的治療還包括丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）抑制劑二氯乙酸（dichloroacetic acid，DCA）和Rho 激酶（Rho-associated protein kinase，ROCK）抑制劑Y-27632，通過增加線粒體呼吸鏈復(fù)合物的活性，刺激OXPHOS的發(fā)生[25，26]。此外，AMP 類似物5-氨基-4-咪唑甲酰胺核糖核苷-1-β-d-呋喃糖苷（5-amino-4-imidazolecarboxamide riboside-1-β-d-ribofuranoside，AICAR）激活A(yù)MPK，在膿毒癥中保護(hù)肝臟[27]。

2.2 減輕線粒體氧化損傷

線粒體靶向抗氧化劑MitoQ 可降低線粒體中ROS 水平[28]。線粒體靶向的超氧化物歧化酶Mito-TEMPO 增加線粒體錳超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）活性，上調(diào)mtDNA 編碼基因的表達(dá)[25]。從植物中提取的活性成分人參皂苷Rg3 和丹皮酚也可以減少ROS 的產(chǎn)生，同時(shí)增加SOD 水平[29，30]。此外，持續(xù)高水平的NO 將導(dǎo)致ROS 的加劇生成，膿毒癥期間NO 的生成主要由誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）誘導(dǎo)。褪黑激素作為iNOS 的選擇性抑制劑，可減少組織中NO 的生成，進(jìn)而減少ROS 的生成[31]。

2.3 增加線粒體生物發(fā)生

在膿毒癥期間，線粒體生物發(fā)生障礙會(huì)導(dǎo)致肝臟損傷。AICAR 激活A(yù)MPK，上調(diào)線粒體生物發(fā)生轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑的表達(dá)，增加線粒體生物發(fā)生[32]。血紅素以及白藜蘆醇通過激活HO-1，增加線粒體生物發(fā)生[15，21]。此外，一種肌因子鳶尾素的外源性補(bǔ)充可抑制膿毒癥誘導(dǎo)的肝臟中的炎癥反應(yīng)，減少ROS 產(chǎn)生，恢復(fù)異常的線粒體形態(tài)并上調(diào)TFAM 表達(dá)，促進(jìn)線粒體生物發(fā)生[33]。

2.4 增加線粒體自噬

AMPK 信號(hào)通路和HO-1 的下游靶標(biāo)基因包括了線粒體自噬相關(guān)基因，所以AICAR、血紅素和白藜蘆醇等靶向AMPK 和HO-1 的治療策略可以調(diào)節(jié)線粒體自噬對受損線粒體的清除。針對氣體吸入緩解膿毒癥肝臟損傷的治療方案的研究發(fā)現(xiàn)，吸入氫氣可以通過上調(diào)FUNDC1 表達(dá)，增強(qiáng)FUNDC1 依賴性線粒體自噬[34]，吸入一氧化碳可誘導(dǎo)TFEB活化，從而促進(jìn)PINK1-Parkin 介導(dǎo)的線粒體自噬[18]。

3 總結(jié)與展望

線粒體在膿毒癥誘導(dǎo)多種器官損傷的病理生理中作用的相關(guān)研究日漸深入，線粒體修復(fù)過程的動(dòng)態(tài)平衡與線粒體的形態(tài)、數(shù)量和生理功能的維持，以及正常細(xì)胞功能和細(xì)胞存活密切相關(guān)。目前，以線粒體為靶點(diǎn)緩解膿毒癥肝損傷的治療策略已取得了初步進(jìn)展。結(jié)合液體復(fù)蘇，他汀類藥物的預(yù)處理通過恢復(fù)肝臟中的能量穩(wěn)態(tài)，減輕膿毒癥相關(guān)肝功能紊亂；抗氧化劑通過降低線粒體ROS 的水平，緩解肝臟線粒體氧化損傷；以及針對線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬途徑的治療策略，通過產(chǎn)生新的線粒體和清除受損線粒體，維持線粒體質(zhì)量和功能穩(wěn)態(tài)：這些都將為臨床改善膿毒癥相關(guān)肝損傷患者的預(yù)后提供新的治療參考。