從線粒體動力學(xué)探討中醫(yī)藥治療心力衰竭相關(guān)機制研究

楊凱晶 修一萍 薛一濤

(1 上海中醫(yī)藥大學(xué)，上海，201203；2 山東中醫(yī)藥大學(xué)，濟南，250014；3 山東省中醫(yī)院，濟南，250014)

心力衰竭(Heart Failure，HF)一種復(fù)雜的臨床綜合征，是最常見的晚期心血管病的并發(fā)癥，主要表現(xiàn)為各種心臟結(jié)構(gòu)或功能性疾病導(dǎo)致心室充盈和(或)射血功能受損，心排血量不能滿足機體組織代謝需要，肺循環(huán)和(或)體循環(huán)淤血，器官、組織血液灌注不足等。臨床上，慢性心力衰竭(Chronic Heart Failure,CFH)是心血管疾病的主要死亡原因，嚴重威脅人類生命健康。

CHF病理生理改變機制十分復(fù)雜，涉及血流動力學(xué)、神經(jīng)體液、心肌重構(gòu)、能量代謝等方面的異常。心肌細胞能量代謝異常是導(dǎo)致心肌收縮功能障礙的重要因素，以致發(fā)展為CHF。同時，CHF引起的氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體功能下降，然而，線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能是由線粒體動力學(xué)決定的，可以一定程度上反映心肌細胞能量代謝情況[1]。本文旨在從線粒體動力學(xué)的角度探討中醫(yī)藥治療CHF的相關(guān)機制，為日后中醫(yī)藥治療CHF機制研究及防治提供新的方法與思路。

1 線粒體動力學(xué)研究

1.1 線粒體動力學(xué)概述 線粒體在細胞中不斷地進行分裂與融合，從而維持其形態(tài)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的動態(tài)變化過程統(tǒng)稱為線粒體動力學(xué)[2]。線粒體動力學(xué)的穩(wěn)態(tài)與能量代謝、活性氧、多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、Ca2+的穩(wěn)態(tài)及細胞凋亡的過程息息相關(guān)[3]。細胞中的線粒體需要相關(guān)的蛋白質(zhì)來調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)，動力相關(guān)蛋白(Dynamin-related Protein 1，DRP1)、分裂蛋白1(Fission1，F(xiàn)IS1)、線粒體分裂因子(Mitochondrial Fission Factor，Mff)和線粒體動力蛋白49/51(Mitochondrial Dynamics Proteins of 49 and 51，MiD49/51)是分裂機制的核心組成部分，線粒體融合蛋白(mitofusin，MFN)1、MFN2和視神經(jīng)萎縮蛋白(Optic Atrophy1，OPA1)是促進線粒體融合的核心機制[4-5]。

1.2 線粒體分裂 線粒體分裂是由幾種蛋白質(zhì)介導(dǎo)的，僅發(fā)生在線粒體外膜，DRP1是最核心的部分[6]。相關(guān)研究表明，在哺乳動物細胞中，線粒體分裂需要通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和肌動蛋白協(xié)同產(chǎn)生適合DRP1組裝的收縮、DRP1進一步收縮膜直到裂變發(fā)生這2個連續(xù)的收縮步驟來完成[7]。

1.3 線粒體融合 線粒體融合的過程需要線粒體內(nèi)或外膜鳥苷三磷酸酶，MFN1、MFN2是線粒體外膜融合的主要調(diào)控蛋白，其缺失可阻斷線粒體外膜和線粒體內(nèi)膜融合，而OPA1是線粒體內(nèi)膜融合的主要調(diào)節(jié)蛋白，位于線粒體的膜間間隙，主要功能是維持線粒體嵴的穩(wěn)定性，重塑線粒體內(nèi)膜，維持呼吸鏈的完整性，其缺失可阻斷線粒體內(nèi)膜融合，而線粒體外膜融合不能被阻斷[6，8-9]。

2 線粒體動力學(xué)對CHF的影響

2.1 線粒體動力學(xué)在心肌細胞中的作用 心臟中的高容量線粒體系統(tǒng)以動態(tài)方式進行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和消耗大量的ATP，從而在不斷變化的能量需求中支持恒定的電機械活動[10]。在成熟的心肌細胞中，線粒體作為最主要的胞內(nèi)細胞器占據(jù)了細胞體積的40%，介導(dǎo)線粒體融合和分裂的蛋白質(zhì)在心臟中過表達[11-12]。MFN1、MFN2消融誘導(dǎo)的線粒體碎裂提示可能存在線粒體核分裂，下調(diào)引起的線粒體延長也提示可能存在線粒體融合[11]。

2.2 線粒體動力學(xué)在CHF發(fā)病機制的研究 線粒體是心臟功能正常與否的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)和功能的異常會導(dǎo)致常見的心血管疾病,包括HF。線粒體動力學(xué)決定了這些多功能細胞器的數(shù)量、形態(tài)和活性。在高能量需求的心肌細胞中，融合和分裂之間動態(tài)平衡是至關(guān)重要的。越來越多的證據(jù)表明，心肌細胞中的融合、分裂因子在心臟發(fā)育中起著重要的作用，其損傷會導(dǎo)致心肌細胞功能障礙和死亡，引起心臟損傷，最終發(fā)展為CHF[4]。

線粒體形態(tài)的改變與CHF的病理生理學(xué)息息相關(guān)，有證據(jù)表明，在HF心肌細胞中，心肌細胞受到不可逆的損傷，線粒體分裂很明顯，線粒體融合蛋白減少和(或)分裂蛋白增加，心肌線粒體融合-分變不平衡，從而導(dǎo)致線粒體功能下降，線粒體自噬，最終導(dǎo)致心肌細胞死亡[13]。

線粒體動力學(xué)還在心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)中起基礎(chǔ)性的作用，線粒體融合和分裂之間的平衡還與線粒體能量的產(chǎn)生有關(guān)，線粒體分裂的增加與ATP生成的減少密切相關(guān)，若心肌細胞線粒體結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，能量代謝不平衡，ATP含量減少，則會進一步加速CHF的發(fā)生[14]。因此維持線粒體融合和分裂的平衡對正常細胞存活至關(guān)重要，特別是在高耗能的心肌細胞中。

2.3 治療CHF最新線粒體動力學(xué)相關(guān)研究 線粒體動力學(xué)有2組相反的過程調(diào)節(jié)：線粒體融合和分裂，線粒體生物發(fā)生和降解(包括線粒體自噬)，以及細胞內(nèi)運輸?shù)冗^程[9]。有研究顯示，線粒體蛋白的活性受翻譯后修飾(Posttranslational Modifications,PTMs)的調(diào)控，PTMs在線粒體蛋白上維持線粒體融合和分裂的平衡，可觸發(fā)線粒體動力學(xué)的改變并進行線粒體自噬去除老化的線粒體，以維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[15-16]。

線粒體分裂需要DRP1，其是降解線粒體分裂的關(guān)鍵，DRP1可能通過其對線粒體吞噬、凋亡和呼吸的非分裂作用，影響心肌細胞的生存和死亡[17]。相關(guān)研究顯示，小鼠升主動脈環(huán)扎后產(chǎn)生心力衰竭，用DRP1抑制劑mdivi-1治療可改善左室功能不全，其通過改變基質(zhì)金屬蛋白酶/組織金屬蛋白酶抑制物軸調(diào)控心室重構(gòu)異常、抑制抗血管生成因子的表達、促進血管生成、抑制CHF時增加的線粒體分裂等途徑來改善HF，與自噬標記輕鏈3和P62表達減少有關(guān)[18]。

相關(guān)研究表明，鈉葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2(Sodium-glucose Cotransporter2,SGLT2)抑制劑可通過調(diào)節(jié)線粒體相關(guān)機制，包括酮體代謝、鈉代謝和線粒體動力學(xué)等，對CHF發(fā)揮保護作用，緩解心功能障礙[19]。越來越多的證據(jù)表明，在各種疾病模型中，線粒體動力學(xué)的損傷會限制能量的產(chǎn)生，增加活性氧的生成并發(fā)出凋亡信號，最終導(dǎo)致心肌損傷和心臟疾病進一步加劇[20]。這些發(fā)現(xiàn)表明，調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)可能是一種有效的心血管疾病治療策略。

Sabbah等[21]研究發(fā)現(xiàn)，CHF心肌線粒體動力學(xué)受損、生物發(fā)生受損、分裂和融合機制失調(diào)，線粒體分裂調(diào)節(jié)蛋白，即FIS1和DRP1明顯增加，而融合調(diào)節(jié)蛋白即MFN2、OPA1明顯減少，長期用Elamipretide(ELAM)(1種線粒體靶向肽)治療后，顯著增加MFN2和OPA1，并降低FIS1和DRP1，線粒體超微結(jié)構(gòu)正常化，改善心功能。

3 從線粒體動力學(xué)探討中醫(yī)藥治療CHF相關(guān)研究

3.1 單味中藥治療 馬瑩[22]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)紅景天可通過增加OPA1蛋白的表達，抑制DRP1蛋白的表達，改善缺血缺氧引起的心肌細胞線粒體動力學(xué)失衡，對缺血缺氧心肌細胞產(chǎn)生保護作用。Wang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，金盞花苷E可以通過激活A(yù)MP活化蛋白激酶信號通路來增強OPA1相關(guān)的線粒體融合，從而減輕心肌缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和線粒體動態(tài)失衡，具有顯著的心臟保護作用，改善心臟功能，增加心肌細胞活力并抑制心肌細胞凋亡。Cheng等[24]發(fā)現(xiàn)天麻可顯著改善H2O2誘導(dǎo)的MFN2、OPA1和FIS1表達水平的變化，但不影響MFN1和DRP1的表達水平。其可以通過調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)，維持線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，從而保護心肌細胞免受氧化損傷。

3.2 中藥注射劑治療 劉曉丹[25]實驗表明大株紅景天注射液可抑制Ser616位點DRP1的磷酸化,上調(diào)線粒體融合蛋白OPA1的表達,促使線粒體動力學(xué)恢復(fù)平衡，維持其管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完整性，進而發(fā)揮保護心肌細胞的作用。Li等[26]實驗發(fā)現(xiàn)阿霉素誘導(dǎo)的線粒體降低了DRP1 Ser637的磷酸化和AMPK的磷酸化，經(jīng)過生脈注射液治療后，很大程度上得以恢復(fù)，表明生脈注射液可以通過激活A(yù)MP活化蛋白激酶并促進DRP1 Ser637磷酸化抑制了過度斷裂和線粒體融合不足，調(diào)節(jié)損傷心肌中的線粒體穩(wěn)態(tài)，達到保護心肌的目的。

3.3 中藥復(fù)方治療 Yang等[27]發(fā)現(xiàn)，生脈散可以通過恢復(fù)細胞內(nèi)Ca2+，下調(diào)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶A的表達，抑制Ser616上的DRP1的磷酸化，并增加Ser637上的DRP1的磷酸化，以防止心肌細胞線粒體分裂，從而抑制線粒體介導(dǎo)的細胞凋亡，從而減輕HF。Li等[28]亦發(fā)現(xiàn)生脈散相關(guān)提取物可以抑制線粒體介導(dǎo)的細胞凋亡，可有效防止心肌細胞線粒體分裂并上調(diào)AMP活化蛋白激酶，AMP活化蛋白激酶激活可防止缺氧誘導(dǎo)的心肌線粒體分裂，有效減輕心肌細胞的損傷，為將來的臨床應(yīng)用提供了依據(jù)。AMP活化蛋白激酶ɑ2是AMP活化蛋白激酶的主要亞型，主要具有促進線粒體代謝的功能[29]。相關(guān)研究證實，AMP活化蛋白激酶ɑ2通過激活沉默信息調(diào)節(jié)因子3/過氧化物酶體增殖物激活受體輔激活物-1ɑ途徑減輕線粒體異常分裂并可以改善線粒體融合，有助于維持正常的線粒體動力學(xué)，消除線粒體動力學(xué)障礙，起到保護心臟的作用[30]。

有研究表明，桃紅四物湯可以激活PI3K/AKT信號通路以及降低線粒體FIS1的表達，減少線粒體分裂，減少細胞凋亡，從而對心臟功能產(chǎn)生有益作用，為治療HF提供了有效的輔助治療方法[31]。邱志凌[32]研究表明心復(fù)康口服液可能增加線粒體融合蛋白MFN1、MFN2、OPA1的表達,下調(diào)線粒體分裂蛋白DRP1、FIS1、MFN的表達，抑制線粒體向分裂方向發(fā)展，通過調(diào)控線粒體動力學(xué)，使其恢復(fù)平衡狀態(tài)，起到保護HF大鼠心臟功能的作用。相關(guān)研究表明，益氣活血方(黃芪、人參、當歸、川芎、三七)可以通過上調(diào)MFN2、下調(diào)DRP1的表達，抑制線粒體分裂，減少生成無功能作用的線粒體的數(shù)量，調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)來改善心肌細胞線粒體的結(jié)構(gòu)及功能，以促進心肌代謝能量的供應(yīng)[33]。養(yǎng)心2號方能上調(diào)CHF大鼠心肌組織中融合蛋白OPA1、MFN2的表達，分別觸發(fā)線粒體內(nèi)外膜融合，從而改善線粒體動力學(xué)以及心肌細胞的能量代謝[34]。

4 討論

線粒體是能量代謝的重要場所，是高度動態(tài)的細胞器，經(jīng)歷分裂和融合的協(xié)調(diào)循環(huán)，維持線粒體形狀、功能、遺傳和質(zhì)量控制等對細胞的存亡至關(guān)重要[35]。由于心肌是高度耗氧的組織，線粒體在維持心臟的正常生理活動中起核心作用，故線粒體的結(jié)構(gòu)和功能受損跟CHF的發(fā)生密不可分。線粒體動力學(xué)與代謝相互聯(lián)系，相互調(diào)節(jié)，使線粒體更有效地產(chǎn)生能量[36]。目前的各種研究結(jié)果表明，在應(yīng)對各種細胞應(yīng)激或損傷的狀態(tài)下，中醫(yī)藥能夠有效地幫助其線粒體在分裂、融合的周期中保持一定程度上的平衡，以恢復(fù)線粒體的結(jié)構(gòu)及其功能的完整性，使細胞維持正常運轉(zhuǎn)。Liu等[35]實驗表明，黃芪丹參湯可恢復(fù)DRP1、線粒體動力蛋白49/51(Mitochondrial Dynamics Proteins of 49 and 51，Mid 49/51)豐度，減少DRP1向線粒體的易位，恢復(fù)被下調(diào)的MFN2，抑制OPA1蛋白水解，促使慢性腎臟病大鼠的線粒體分裂與融合之間的平衡。線粒體融合，分裂和線粒體共同作用以維持線粒體和細胞的體內(nèi)平衡,如果改變?nèi)我环较虻姆至雅c融合之間的正常平衡，可能導(dǎo)致其受損和低效的細胞器積聚，損害細胞的代謝能力[37]。Jieensinue等[38]研究發(fā)現(xiàn)丹參酮ⅡA可以通過c-Jun氨基端激酶-Mff途徑，激活線粒體裂變誘導(dǎo)大腸癌細胞凋亡，是治療大腸癌的有效藥物。Huang等[39]實驗發(fā)現(xiàn)，氧化應(yīng)激狀態(tài)下，黃芪多糖可以上調(diào)融合相關(guān)基因線粒體融合蛋白(Mitofusin,Mfn)1、Mfn2和Opa1的mRNA表達，降低裂變相關(guān)基因Drp1的表達，改善線粒體功能障礙，對線粒體起保護作用。

總之，線粒體功能障礙在HF發(fā)生發(fā)展的病理生理過程中起重要作用。目前，對HF患者學(xué)的相關(guān)研究尚處于起步階段，一些研究結(jié)果存在爭議。因此，需要進一步的中藥方劑研究來闡明HF學(xué)相關(guān)作用機制，研究相關(guān)中藥是否能通過調(diào)節(jié)學(xué)，促進線粒體修復(fù)改善HF癥狀，為科研創(chuàng)新提供新的方向，為臨床用藥提供理論支持。