線粒體功能失調與肥胖型哮喘發病機制的研究進展

陳丹，齊詠

(鄭州大學人民醫院 河南省人民醫院呼吸與危重癥醫學科，鄭州 450003)

支氣管哮喘(簡稱哮喘)是影響全球數百萬人的重大公共衛生問題。流行病學調查顯示，肥胖和超重導致哮喘發生風險升高，并使哮喘癥狀加重[1-2]。目前認為，肥胖型哮喘是一種難治性哮喘表型。與單純性哮喘相比，肥胖型哮喘的呼吸道癥狀更嚴重、更頻繁。肥胖可導致一系列代謝改變，如胰島素抵抗導致炎癥、氧化應激、內質網應激、脂毒性和線粒體障礙等系統性和組織特異性代謝缺陷[3]。同時，肥胖的代謝改變(如糖尿病及胰島素抵抗)與哮喘的發病機制相關[4-5]。肥胖型哮喘患者往往存在糖脂代謝異常、胰島素抵抗，具有代謝綜合征的特征[6]，但目前肥胖與哮喘之間的具體機制仍不明確。越來越多的證據表明，線粒體數量及功能的改變在肥胖型哮喘發病機制中起重要作用[7-8]，而線粒體靶向抗氧化劑對于瘦素引起的人支氣管上皮細胞活性氧類(reactive oxygen species，ROS)增多具有保護作用[9]。探究肥胖型哮喘的發病機制可為肥胖型哮喘的治療提供新思路。現就線粒體功能失調與肥胖型哮喘發病機制的研究進展予以綜述。

1 線粒體功能失調

線粒體在生物能量和生物合成中發揮重要作用。研究表明，線粒體參與多種復雜細胞信號的傳遞，包括能量代謝、細胞增殖、細胞分化、細胞修復和細胞死亡等[10]。線粒體功能失調主要包括：①線粒體中維持細胞正常生命活動所需的ATP產生不足；②線粒體代謝紊亂，如線粒體鈣緩沖、離子轉運障礙；③線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突變；④線粒體動力學改變；⑤ROS產生異常增多；⑥細胞凋亡增加等[11]。線粒體數量不足、功能退化及線粒體基質轉運的不協調均可導致疾病過程中生物能量障礙。線粒體功能障礙既是許多疾病的結果，也參與肥胖或代謝綜合征合并氣道疾病等的發病機制[12]。

2 線粒體功能失調與肥胖

2.1線粒體生物合成異常與肥胖 肥胖是最常見的代謝綜合征表現之一，可導致機體發生多種變化，并通過多種方式引起線粒體功能障礙。線粒體生物合成指形成新的線粒體及生成ATP的能力。線粒體是高度動態的細胞器，通過不斷的融合、裂變、生物發生維持其穩定的數量和質量。線粒體生物合成是線粒體質量控制的重要組成部分，線粒體通過內外膜融合形成管網，以進行信息交換和線粒體mtDNA損傷修復。有證據表明，代謝綜合征中mtDNA與核DNA的比值顯著降低，主要與mtDNA損害和清除增加以及線粒體生物合成降低有關[13]。

此外，線粒體生物合成的下降與肥胖狀態下的線粒體功能障礙有關。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 co-activator-1α，PGC-1α)是線粒體生物合成的主要調節因子，通過刺激核呼吸因子和線粒體轉錄因子A表達，使線粒體生物合成增加。內皮型一氧化氮合酶是刺激PGC-1α表達的重要因子。肥胖狀態下脂肪細胞釋放促炎介質(如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β)，降低內皮型一氧化氮合酶的表達，通過抑制PGC-1α減少一氧化氮的產生和線粒體生物合成。研究證實，肥胖的人和小鼠的脂肪、心肌、骨骼肌等組織中線粒體的生物合成和線粒體氧化能力下降[14-15]。

2.2氧化應激與肥胖 氧化應激是指ROS的產生和細胞的抗氧化防御之間的不平衡。在肥胖狀態下，炎癥、氧化應激和線粒體功能障礙相互影響[16]。內源性ROS主要由線粒體產生。肥胖時機體的促炎狀態可能導致ROS產生增加，而食物攝入過量、缺乏運動均會導致線粒體能量代謝的慢性失衡，繼而造成ROS產生過多以及不完全氧化物堆積[17]。在肥胖和代謝綜合征中，蛋白質更新增加、胰島素敏感性降低，導致單甲基精氨酸、對稱二甲基精氨酸、不對稱二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)升高，使精氨酸生物利用度降低、內皮型一氧化氮合酶產生的一氧化氮減少，從而導致ROS產生增多。肥胖促進mtDNA片段化，而片段化的mtDNA與線粒體電壓依賴性陰離子通道的相互作用導致電壓依賴性陰離子通道聚集形成孔隙。mtDNA片段進入細胞質，并激活傳感器環鳥苷-腺苷酸合成酶，導致Ⅰ型干擾素產生、中性粒細胞激活以及ROS增多[18-19]。此外，肥胖引起的脂肪因子失衡可引起支氣管上皮細胞ROS生成增加，進而導致線粒體膜破裂，引起線粒體功能障礙[9]。

解偶聯蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)是位于線粒體內膜的離子/陰離子轉運蛋白，在調節氧化應激、細胞代謝、細胞增殖和細胞死亡中具有關鍵作用。UCP2作為調節葡萄糖/脂質代謝和能量穩態的線粒體轉運蛋白，其多態性在肥胖的發生和發展中起重要作用。UCP2基因參與能量消耗和胰島素分泌，其多態性與糖尿病和肥胖有關。與非肥胖人群相比，肥胖人群白色脂肪組織中的UCP2信使RNA水平通常降低[20]。UCP2-866G/A多態性與不同種族的肥胖有關，其中G基因型與肥胖風險增加有關。與A等位基因相比，G等位基因攜帶者的UCP2信使RNA/蛋白質表達水平較低，且胰島素分泌和能量消耗減少，因此G等位基因個體體內脂肪積累增加且發生胰島素抵抗，導致ROS生成增加[21]。

線粒體不僅是產生ROS的主要場所，過量的ROS也是引起線粒體功能障礙的機制之一。ROS產生和消除的不平衡導致氧化應激反應[22]。過多的內源性ROS導致mtDNA損傷以及脂質膜、蛋白質損傷，特別是線粒體呼吸鏈酶損傷，ROS本身可誘導線粒體產生更多的ROS，進而導致線粒體的進一步損傷，甚至觸發其自噬功能，導致功能性線粒體數量減少。

3 線粒體功能失調與哮喘

3.1線粒體基因突變與哮喘 哮喘可能與線粒體基因組遺傳變異相關。有證據表明，哮喘患者存在線粒體基因組變異[23]，且母代哮喘個體所育子代的哮喘患病風險更高，可能與缺陷線粒體通過母系遺傳有關[24]。呼出氣氧化應激標志物水平(mtDNA/核DNA比值)隨哮喘嚴重程度加重而顯著升高[25]。線粒體轉運RNA突變引起線粒體功能障礙可能是哮喘的發生機制之一[26]。存在于轉運RNA-亮氨酸基因中的A3243G突變可導致嚴重的組合呼吸鏈裝配缺陷[27]。含卷曲螺旋卷曲螺旋結構域3基因是一種編碼線粒體內膜支架蛋白的核基因，有助于維持線粒體嵴(線粒體內膜的折疊)的完整性，線粒體嵴具有線粒體的基本功能，包括耗氧和蛋白質輸入。在透射電子顯微鏡下，哮喘小鼠氣道上皮線粒體中的線粒體嵴減少，表明哮喘患者的含卷曲螺旋卷曲螺旋結構域3基因突變可能與線粒體結構變化和功能障礙有關，如ROS產生和炎癥反應[28]。當發生變態反應性炎癥時，氣道上皮細胞中的胞質雙鏈DNA積累。氣道上皮環鳥苷酸-腺苷酸合成酶(胞質雙鏈DNA的主要傳感器)在哮喘發病中發揮重要作用，抑制環鳥苷酸-腺苷酸合成酶可降低氣道炎癥及氣道高反應性[29]。

3.2線粒體生物合成異常與氣道重構 以氣道平滑肌增生和肥大為特征的支氣管平滑肌質量增加是氣道重構的關鍵特征，其機制是通過鈣依賴性地增加線粒體生物合成和氧消耗來增加支氣管平滑肌細胞的增殖[30-31]。線粒體生物合成異常參與了哮喘患者的支氣管平滑肌細胞增殖。在重度哮喘患者中，鈣穩態的改變通過刺激鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅳ激活PGC-1α、核呼吸因子1和線粒體轉錄因子A，最終促進支氣管平滑肌的線粒體生物合成[32]，且鈣通道阻滯劑可減少氣道平滑肌重構并避免哮喘加重[33]。值得注意的是，僅哮喘氣道平滑肌中出現線粒體生物合成增加，而肺部其他細胞線粒體生物合成卻減少。氨茶堿是治療哮喘和其他常見肺部疾病的安全藥物，其中支氣管擴張劑茶堿與乙二胺的比例為2∶1，氨茶堿通過誘導PGC-1α、核呼吸因子1和線粒體轉錄因子A的表達，促進人肺支氣管上皮細胞的線粒體生物發生，從而治療哮喘[34]。

3.3氧化應激與哮喘 氧化應激是哮喘氣道炎癥的關鍵原因。在正常生理條件下，線粒體產生少量的ROS，有助于細胞正常的信號轉導。線粒體功能紊亂導致過量ROS產生，不僅損害mtDNA和關鍵的氧化磷酸化蛋白質以及氧化脂質膜，還影響內質網等細胞器，最終觸發細胞凋亡[35]。Kobayashi[36]的研究顯示，暴露于柴油廢氣可增強豚鼠重復抗原給藥引起的鼻過敏反應。氧化應激是香煙和臭氧等強氧化劑誘導肺損傷的關鍵機制，臭氧暴露激活肺組織中的核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3炎癥小體，誘導氣道炎癥和支氣管高反應性，且香煙煙霧和臭氧等強氧化劑通過激活Toll樣受體激活核因子κB通路，引起肺部炎癥、氣道高反應性和氣道重構[37-39]。

線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈又稱線粒體呼吸鏈，存在于線粒體內膜上，其中呼吸鏈復合體Ⅲ的關鍵亞基泛素-細胞色素C還原酶復合物核心蛋白2與ROS的產生相關。Lyer等[40]發現，變應原豚草可增強泛素-細胞色素C還原酶復合物核心蛋白2缺乏誘導的線粒體障礙小鼠的過敏反應，并加重其氣道反應性和氣道重構。選擇性抑制劑VX-765(胱天蛋白酶1抑制劑)和MitoTEMPO(線粒體ROS抑制劑)可降低臭氧誘導的氣道炎癥和氣道高反應性，同時，ROS抑制劑(如N-乙酰半胱氨酸和聯苯二碘銨)可抑制卵清蛋白誘導的哮喘氣道炎癥反應，如肺部氧化應激減少、促炎因子核因子κB p65水平降低[41]。由此可見，線粒體功能障礙與哮喘的發生有關，針對線粒體功能障礙的藥物治療可減輕哮喘癥狀。

4 線粒體功能失調與肥胖型哮喘

肥胖型哮喘是一種獨特的臨床哮喘表型，包括早發性哮喘表型和遲發性非特應性哮喘表型兩種亞型，而線粒體失調可能是肥胖導致哮喘的發病因素之一。

4.1氧化應激與肥胖型哮喘L-精氨酸在一氧化氮合酶誘導下產生一氧化氮，而ADMA是一種內源性一氧化氮合酶抑制劑，可促使一氧化氮合酶解偶聯，導致一氧化氮生成減少以及ROS過量產生，從而引起線粒體功能失調[42]。研究發現，一氧化氮合酶解偶聯以及一氧化氮生物利用度的降低可促進肥胖型哮喘患者ROS的產生，增強其最大呼吸能力[8]。而過敏性氣道炎癥也與ADMA水平升高相關。研究顯示，遲發性哮喘患者血漿L-精氨酸/ADMA比值降低，且其呼出一氧化氮與體質指數成反比，呼出一氧化氮減少可影響氣道正常擴張功能以及哮喘患者氣道對吸入性糖皮質激素治療的反應[43-45]。另有證據表明，參與哮喘的關鍵炎癥因子與肥胖及線粒體功能失調顯著相關[42]。在高脂飲食誘導的肥胖小鼠以及卵清蛋白誘導的哮喘小鼠中，白細胞介素-4和ADMA水平均升高。Pattnaik等[43]發現，白細胞介素-4促進氣道上皮細胞內ADMA聚集，并因ROS過量產生而引起線粒體功能障礙，導致氣道上皮損傷和氣道重構[46]。氧化應激可能是肥胖合并哮喘患者合并癥增加及其對常規治療不敏感的潛在機制之一[7]。

4.2脂質代謝與肥胖型哮喘 12/15-脂氧合酶是一種非血紅素鐵雙加氧酶，可催化脂肪細胞中過多不飽和脂肪酸的氫化氧化。研究證實，高脂飲食誘導的肥胖C57BL/6(B6)小鼠體內12/15-脂氧合酶增加，葡萄糖和胰島素耐受性下降，而高脂飲食能維持敲除12/15-脂氧合酶小鼠的正常葡萄糖水平以及胰島素耐受性[47]。12/15-脂氧合酶可通過其代謝物(如13-S-羥基十八碳二烯酸和12-S-羥基二十碳四烯酸)激活瞬時受體電位香草酸亞型1，從而擾亂鈣穩態，增加線粒體鈣超載引起的氣道上皮細胞線粒體功能障礙，引起嚴重哮喘[48]。與哮喘相關的關鍵炎癥因子白細胞介素-4通過上調13-S-羥基十八碳二烯酸誘導線粒體功能失調[48-50]。此外，采用13-S-羥基十八碳二烯酸幼稚小鼠的中性粒細胞明顯增多，并出現呼吸困難和氣道損傷[51]，表明脂質代謝失衡可能是肥胖導致哮喘發生的機制，并可能是肥胖型哮喘使用傳統治療方法效果差的原因之一。

4.3線粒體靶向藥物治療肥胖型哮喘 脂肪因子包括瘦素、脂聯素和抵抗素[52]。肥胖患者體內的脂肪因子水平往往失衡，瘦素和抵抗素水平升高，而脂聯素水平降低。脂肪因子的不平衡可能引起促炎反應，進而導致炎癥發生。MitoQ是一種口服活性線粒體靶向抗氧化劑，具有清除線粒體ROS的能力。Chong等[9]的體外實驗證明，瘦素激活人支氣管上皮細胞中的線粒體ROS-核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3炎癥小體，導致氣道炎癥。MitoQ可減少人支氣管上皮細胞中瘦素誘導的線粒體ROS的產生，從而進一步抑制核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3和胱天蛋白酶1信使RNA的表達。輔酶Q可通過兩種方式影響UCP2活性：①與脂肪酸共同介導氧化形式的質子轉移；②產生ROS和4-羥基壬烯醛的還原形式[53]。綜上，線粒體功能障礙在肥胖型哮喘中發揮重要作用，且針對線粒體功能障礙的靶向藥物有望用于難治性哮喘的治療。

5 小 結

肥胖和哮喘均存在線粒體功能失調。氧化應激和線粒體生物合成下降是肥胖和哮喘中線粒體失調機制的重要重疊特征，肥胖導致的線粒體功能失調與氧化應激可能是肥胖誘導哮喘發生的機制之一。線粒體功能損害與肥胖、哮喘顯著相關，但三者之間的因果關系有待進一步研究。目前認為，肥胖通過增加13-S-羥基十八碳二烯酸和ROS，引起氣道上皮細胞的線粒體功能障礙，從而導致哮喘。哮喘患者存在線粒體基因組缺陷，且存在與性別相關的遺傳特征，但尚缺乏與肥胖型哮喘線粒體基因組遺傳改變相關的研究證據。常規哮喘治療方案用于肥胖型哮喘治療的效果較差，探索肥胖與哮喘的線粒體功能失調相關機制可為肥胖型哮喘的治療提供新思路。