缺氧對不同組織線粒體功能影響的研究進(jìn)展

蘇小明，鄭炎，田美媛，馬艷艷

作者單位：青海大學(xué)附屬醫(yī)院，a神經(jīng)內(nèi)科，b中心實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000

氧氣對于地球上幾乎所有的生物都是必不可少的，它在細(xì)胞內(nèi)主要通過氧化磷酸化產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP）供機(jī)體利用［1］。缺氧是指組織中氧的張力減低，是多種疾病發(fā)展的主要危險(xiǎn)因素，包括心血管疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等［2-3］。缺氧的主要細(xì)胞內(nèi)靶點(diǎn)是線粒體，缺氧可引起線粒體損傷、能量缺乏、細(xì)胞凋亡及組織壞死［4-5］。線粒體是除少數(shù)幾種哺乳動(dòng)物細(xì)胞外所有真核細(xì)胞的基本細(xì)胞器，占細(xì)胞耗氧量的85%～90%，其主要通過代謝營養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)生ATP在細(xì)胞和循環(huán)中發(fā)揮重要作用，負(fù)責(zé)能量代謝、自由基的產(chǎn)生和鈣穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)，釋放信號信使及誘發(fā)細(xì)胞死亡等［6-7］。線粒體供能是利用脂肪酸的β氧化和三羧酸循環(huán)（TCA cycle）產(chǎn)生的底物通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，它們還通過產(chǎn)生活性氧和其他分子參與細(xì)胞信號傳遞，從而影響細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)和存活［8］。氧氣不足時(shí)，線粒體氧化磷酸化會(huì)發(fā)生改變，通過重塑電子傳遞鏈以及調(diào)節(jié)TCA cy?cle來適應(yīng)缺氧［9］。近年來關(guān)于缺氧對線粒體的能量代謝、氧化應(yīng)激、自噬、凋亡及適應(yīng)等方面的研究取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。本研究總結(jié)了近年來缺氧對機(jī)體心肌、腦、肺動(dòng)脈平滑肌、骨骼肌等組織細(xì)胞線粒體形態(tài)和功能等方面的研究進(jìn)展。

1 缺氧對心肌細(xì)胞線粒體功能的影響

缺血性心臟病一直是世界范圍內(nèi)高發(fā)病率和高死亡率的主要原因之一，線粒體功能障礙與心肌細(xì)胞缺血、缺氧及復(fù)氧等有關(guān)［10］。在成人心臟中，線粒體通過氧化磷酸化產(chǎn)生約90%的ATP，是心肌收縮過程中的主要供能結(jié)構(gòu)［11］。電子顯微鏡下，可見心肌細(xì)胞的肌原纖維、橫小管、肌質(zhì)網(wǎng)、線粒體及糖原等結(jié)構(gòu)，其中線粒體約占心肌細(xì)胞的30%，是心肌缺血缺氧時(shí)受影響最嚴(yán)重的細(xì)胞器［12］。諸多研究發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙是引起心肌缺血損傷和誘導(dǎo)缺血的心肌細(xì)胞凋亡的重要病理機(jī)制之一，包括線粒體ATP 生成減少、鈣離子（Ca2+）超載、活性氧生成及線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mPTPs）的持續(xù)開放等［13］。

1.1 缺氧對心肌細(xì)胞線粒體能量代謝、線粒體膜電位和氧化應(yīng)激的影響心肌細(xì)胞缺氧時(shí)，線粒體主要通過糖的無氧氧化糖酵解進(jìn)行能量代謝，能量產(chǎn)生減少，引起大量乳酸堆積，導(dǎo)致細(xì)胞酸中毒，造成線粒體外膜破裂、嵴消失、空泡形成及基質(zhì)水腫等［10］。缺氧時(shí)，線粒體ATP 生成減少，活性氧大量產(chǎn)生，線粒體膜電位（MMP）降低和細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載。同時(shí)，能量生成減少導(dǎo)致細(xì)胞膜表面的鈉鉀ATP 酶的活性下降，細(xì)胞膜去極化，Ca2+相關(guān)通道開放，Ca2+進(jìn)入細(xì)胞漿內(nèi)，引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載，使得細(xì)胞mPTPs大量開放，線粒體膜的通透性增加，允許大分子通過，使?jié)B透壓進(jìn)一步升高，從而引起基質(zhì)水腫、腫脹，造成MMP降低［14］。

在心肌再灌注期間，線粒體功能障礙依然存在，ATP產(chǎn)生仍然不足。然而，由于瞬時(shí)增加的血氧濃度，活性氧爆發(fā)，使得氧化—還原之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致mPTPs 開放，進(jìn)一步破壞膜內(nèi)外帶電離子的動(dòng)態(tài)平衡，從而導(dǎo)致MMP 降低。MMP 的降低可誘發(fā)細(xì)胞色素C（Cyt C）等凋亡因子從線粒體釋放而進(jìn)入胞漿，進(jìn)而級聯(lián)激活含胱天蛋白酶系列蛋白，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序［15-16］。同時(shí)生成過多的活性氧會(huì)破壞線粒體內(nèi)的平衡，引起線粒體損傷，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。由此可見，缺氧/復(fù)氧可以導(dǎo)致線粒體功能障礙，ATP、活性氧、MMP 相互關(guān)聯(lián)影響，從而進(jìn)一步造成心肌損傷［15］。

1.2 缺氧對線粒體途徑介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡的影響缺氧會(huì)使電子傳遞鏈?zhǔn)艿揭种疲|(zhì)子不能再通過線粒體膜，從而造成ATP 合成酶活性逆轉(zhuǎn)為ATP酶，ATP 生成減少，引起ATP 敏感性鉀通道的開放，導(dǎo)致線粒體膜的去極化、線粒體Ca2+的釋放及mPTPs的開放等，甚至釋放Cyt C 并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［17-18］。此外，心肌細(xì)胞線粒體中缺氧引起的氧化應(yīng)激失衡，會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，導(dǎo)致線粒體和細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化、線粒體脫氧核糖核酸（mtDNA）損傷和細(xì)胞凋亡。當(dāng)心肌受到缺血/再灌注影響時(shí)，線粒體產(chǎn)生的活性氧會(huì)觸發(fā)mPTPs 的開放，導(dǎo)致MMP 減低，MMP 的減低可誘導(dǎo)線粒體向細(xì)胞質(zhì)釋放Cyt C等凋亡因子，從而激活一系列的胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶，啟動(dòng)相關(guān)凋亡程序造成心肌損傷［19］。同時(shí)，受損的線粒體也會(huì)影響心肌細(xì)胞Ca2+平衡，導(dǎo)致心肌收縮功能障礙［20］。然而，目前關(guān)于缺氧影響完整心臟線粒體功能的具體機(jī)制仍不清楚［21］。

2 缺氧對腦細(xì)胞線粒體功能的影響

大腦在缺血缺氧4 min 后受損，是機(jī)體缺血和缺氧時(shí)最敏感的器官。據(jù)報(bào)道，人類大腦只占身體重量的2%，但卻需要20%的能量，并依賴葡萄糖提供能量，與其他器官組織相比，更容易發(fā)生損傷［22］。線粒體內(nèi)膜上分布著具有電子傳遞功能的蛋白質(zhì)系統(tǒng)和使二磷酸腺苷（ADP）+磷酸（Pi）生成ATP 的ATP合酶復(fù)合體，是細(xì)胞內(nèi)參與能量代謝、氧化磷酸化和合成ATP的重要場所［23］。

2.1 缺氧對腦細(xì)胞線粒體膜電位及自噬的影響腦細(xì)胞氧供不足時(shí)，線粒體呼吸調(diào)節(jié)功能與氧化磷酸化偶聯(lián)發(fā)生障礙，線粒體內(nèi)膜上的ATP 合酶復(fù)合體受到抑制，引起ATP 合成效率減低，加劇了線粒體ATP 含量的下降，從而造成呼吸鏈?zhǔn)茏瑁钚匝醍a(chǎn)生，導(dǎo)致線粒體功能受損，MMP降低。有研究顯示腎上腺嗜鉻瘤（PC12）細(xì)胞在缺氧的情況下微小核糖核酸-210（miRNA-210）顯著升高，調(diào)控缺氧反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，引起線粒體內(nèi)ATP含量的下降，導(dǎo)致其MMP 的減低，進(jìn)而嚴(yán)重影響了線粒體的功能［23］。此外，也有研究顯示缺氧環(huán)境下星形膠質(zhì)細(xì)胞的Ca2+處理、線粒體Ca2+攝取和MMP 方面會(huì)發(fā)生改變［24］。腦細(xì)胞MMP減低提示可能發(fā)生了線粒體自噬［23］。

2.2 缺氧對腦細(xì)胞線粒體氧化應(yīng)激的影響氧化應(yīng)激的發(fā)生是由于活性氧的產(chǎn)生和有效的抗氧化防御之間的不平衡。線粒體是缺氧誘導(dǎo)組織特異性氧化應(yīng)激的重要靶點(diǎn)，缺氧引起線粒體功能障礙，所致能量產(chǎn)生異常是腦細(xì)胞損傷的重要因素［14，23］。線粒體功能障礙時(shí)，線粒體外膜會(huì)發(fā)生破裂，使膜的通透性增加，導(dǎo)致mPTPs 持續(xù)開放，造成膜兩側(cè)電位差消失，呼吸鏈解偶聯(lián)，呼吸鏈電子傳遞及氧化磷酸化發(fā)生障礙，進(jìn)而導(dǎo)致電子傳遞鏈過程中的酶活性受到抑制，ATP合成障礙及活性氧大量生成［25］。缺氧對呼吸作用的抑制和MMP 的降低也可以刺激活性氧的產(chǎn)生，過度生成的活性氧又會(huì)反過來損傷線粒體，如影響鈉鉀ATP 酶的活性、TCA cycle 有關(guān)酶的氧化失活及中間產(chǎn)物的降低等，使mtDNA突變、蛋白表達(dá)障礙、脂質(zhì)過氧化以及線粒體膜通道開放，不能滿足細(xì)胞對能量的正常需求［14，25］。

3 缺氧對肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞線粒體功能的影響

有效的細(xì)胞供氧是機(jī)體生理的一個(gè)重要因素，細(xì)胞缺氧是由于低氧血癥（如慢性阻塞性肺疾病）對周圍組織輸送的氧氣減少而引起的［26］。線粒體在血管健康和疾病中的作用至關(guān)重要，在肺循環(huán)中尤為關(guān)鍵［27］。作為氧傳感器，線粒體是低氧性肺血管收縮的基礎(chǔ)。多數(shù)研究表明線粒體缺陷在肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用［27-28］。線粒體參與多種細(xì)胞功能，包括ATP 生成，氨基酸和脂質(zhì)的生物發(fā)生，分解代謝，信號傳遞及凋亡等。生理?xiàng)l件下，慢性缺氧致肺血管收縮和重建可引起肺動(dòng)脈高壓，然而，確切的機(jī)制尚不清楚。據(jù)研究，在肺動(dòng)脈高壓病人和動(dòng)物的肺組織中發(fā)現(xiàn)缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）表達(dá)增加。HIF-1α 是一種主要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，能對缺氧環(huán)境做出反應(yīng)，并誘導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄，包括血管內(nèi)皮生長因子、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1 和丙酮酸脫氫酶激酶-1，促進(jìn)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（PASMCs）的增殖和遷移［28］。

3.1 缺氧對肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞線粒體氧化應(yīng)激的影響缺氧環(huán)境下，由于氧分壓的急劇下降，線粒體電子傳遞鏈調(diào)節(jié)氧自由基和活性氧的產(chǎn)生，從而打開細(xì)胞膜和調(diào)節(jié)氧化還原敏感的電壓門控性鉀通道，使細(xì)胞膜去極化，導(dǎo)致Ca2+大量流入細(xì)胞，使PASMCs 收縮。在參與這一過程的活性氧分子中，其中過氧化氫是一種可滲透的物質(zhì)，能激活轉(zhuǎn)錄因子和HIF-1α，導(dǎo)致PASMCs 線粒體ATP 敏感性鉀通道的開放和激活，這會(huì)導(dǎo)致對活性氧水平和HIF-1α表達(dá)的正反饋，促進(jìn)PASMCs 的增殖，抑制其凋亡，并參與慢性缺氧環(huán)境下的肺血管剝離過程［28］。

3.2 缺氧對肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞線粒體能量代謝的影響PASMCs 在缺氧條件下線粒體氧化磷酸化效率減低，能量生成減少。研究表明，線粒體動(dòng)力學(xué)調(diào)控參與低氧下的肺血管重塑［28］。在肺動(dòng)脈高壓病人中，PASMCs 的線粒體形態(tài)紊亂，呼吸鏈耦合減少，氧使用率降低及糖酵解增加。此外，肺組織和PASMCs 的線粒體呼吸復(fù)合物Ⅳ的活性明顯減低，活性氧含量減少。缺氧刺激后mtDNA 含量降低，提示缺氧引起了能量代謝和呼吸復(fù)合酶活性障礙［28］。

4 缺氧對骨骼肌細(xì)胞線粒體功能的影響

骨骼肌是人體體積最大的組織，約占體質(zhì)量的40%，占基礎(chǔ)代謝率的20%～30%。骨骼肌是由具有獨(dú)特收縮和代謝特性的纖維組成的異質(zhì)組織。Ⅰ型纖維（慢速氧化型）富含線粒體，ⅡX 型和ⅡB 型纖維（快速糖酵解型）通常具有較大的橫切面積和旺盛的糖酵解機(jī)制，且灌注量較少，而ⅡA 型（快速氧化型）則呈現(xiàn)中間型［29］。骨骼肌能夠根據(jù)各種刺激（如機(jī)械壓力、神經(jīng)元活動(dòng)、代謝和激素影響以及缺氧等）改變其大小和代謝/收縮特性［30］。肌肉細(xì)胞產(chǎn)生的90%以上的能量來自有氧途徑，因此，氧的有效性降低將會(huì)對骨骼肌細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)造成挑戰(zhàn)［29］。

4.1 缺氧對骨骼肌線粒體氧化應(yīng)激的影響骨骼肌是一種代謝活性組織，是機(jī)體主要的蛋白質(zhì)蓄水池［29］。在許多情況下，暴露在高海拔（環(huán)境缺氧），體育運(yùn)動(dòng)（生理性缺氧）和疾病（病理性缺氧）［30］。環(huán)境的氧分壓下降可能導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞氧合減少，活性氧過量產(chǎn)生和HIF-1α的穩(wěn)定。然而，與其他器官組織相比，骨骼肌似乎對缺氧有很強(qiáng)的耐受，這可能是因?yàn)楣趋兰∫呀?jīng)適應(yīng)了運(yùn)動(dòng)過程中的缺氧。有研究報(bào)道，缺氧環(huán)境下骨骼肌中有HIF-1α 積累［29］。缺氧導(dǎo)致線粒體重構(gòu)和線粒體吞噬作用增強(qiáng)，最終導(dǎo)致活性氧生成減少，而這種適應(yīng)作用又反過來導(dǎo)致HIF-1α的不穩(wěn)定。此外，活性氧的形成和過量的活性氧產(chǎn)生是氧化損傷的風(fēng)險(xiǎn)之一，如果不予以糾正，可能會(huì)導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞死亡。因此，暴露在缺氧環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)，以抵消氧化應(yīng)激引起的損傷［29］。

4.2 缺氧對骨骼肌線粒體自噬的影響骨骼肌細(xì)胞氧供不足時(shí)會(huì)以HIF-1α 依賴的方式引起線粒體自噬。線粒體自噬是一個(gè)涉及自噬體形成的過程，其機(jī)制是B 細(xì)胞淋巴瘤-2/自噬關(guān)鍵分子酵母細(xì)胞自噬相關(guān)基因同系物（Bcl-2/Beclin1）復(fù)合物的解離引起的。骨骼肌在缺氧暴露時(shí)腺病毒E1B19k Da相互作用蛋白3（BNIP3）的表達(dá)增加，BNIP3 和自噬關(guān)鍵分子酵母細(xì)胞自噬相關(guān)基因同系物（Beclin1）競爭與B 細(xì)胞淋巴瘤-2（Bcl-2）家族蛋白的結(jié)合，導(dǎo)致Beclin1 的釋放，從而促進(jìn)自噬的啟動(dòng)［29］。有研究報(bào)道，攀登珠穆朗瑪峰歸來的登山者骨骼肌線粒體密度降低，這與細(xì)胞缺氧時(shí)線粒體丟失的情況是一致的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)適應(yīng)高原生活的平原人群骨骼肌中線粒體的密度減低，其潛在機(jī)制尚不清楚，可能是線粒體自噬協(xié)同反應(yīng)的一部分［31］。因此，缺氧時(shí)骨骼肌細(xì)胞氧的需求下調(diào)被認(rèn)為是保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷的重要方式。

5 討論

線粒體是維持細(xì)胞功能的重要細(xì)胞器，是機(jī)體賴以生存的重要基礎(chǔ)［14］。生命所需能量被儲存在ATP中，這些ATP通過氧化磷酸化在線粒體內(nèi)產(chǎn)生。綜上所述，缺氧對線粒體功能的影響主要包括：缺氧環(huán)境中，線粒體能量產(chǎn)生異常、MMP 及膜通透性改變、Ca2+超載及活性氧產(chǎn)生過多，引起氧化應(yīng)激、自噬及凋亡等反應(yīng)，造成線粒體功能障礙，從而導(dǎo)致機(jī)體細(xì)胞組織損傷。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對缺氧引起心、腦組織線粒體損傷的相關(guān)病理過程了解已比較深入，但具體的損傷機(jī)制尚不明確，仍需要進(jìn)行大量研究。過去的研究主要著重于缺氧情況下線粒體形態(tài)及代謝方面的變化，關(guān)于各臟器在缺氧環(huán)境下線粒體損傷機(jī)制的深入研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)，或可為高原缺氧性疾病的治療提供更加明確的思路和方向。