基于線粒體動力學的慢性阻塞性肺疾病發病機制與保護策略

文富強，申永春

四川大學華西醫院呼吸與危重癥醫學科/生物治療國家重點實驗室呼吸病學研究室（成都 610041）

慢性阻塞性肺疾?。璺危┦且环N以持續的氣流受限和呼吸道癥狀為主要臨床特征的可防可治的慢性呼吸系統疾病[1]。慢阻肺發病率高，致殘率高，死亡率高，已成為嚴重影響國人健康的重要疾病負擔[2-3]。慢阻肺的發病機制較為復雜，導致其臨床治療仍存在較大的挑戰，雖然當前以吸入性支氣管擴張劑、吸入性糖皮質激素為主的治療能緩解病人的臨床癥狀，改善生活質量，但是在顯著改善病人預后方面仍未取得明顯的臨床進展[4-5]。深入探索慢阻肺的發病機制，對于發現新的藥物靶點和新型的干預方案，具有重要的臨床意義。

線粒體是參與調節細胞能量生成、氧化應激和代謝的重要細胞器，線粒體通過分裂和融合的動態平衡維持正常的形態和功能，線粒體分裂和融合的動態轉換稱之為線粒體動力學[6-7]。線粒體動力學受線粒體融合和分裂相關的多種蛋白質影響，研究發現，當線粒體受到外界刺激時，其分裂和融合蛋白會發生改變，導致線粒體動力學異常，進而導致線粒體形態和功能的改變，以此參與到炎癥等病理生理進程中[6-7]。越來越多的研究表明，線粒體動力學參與了慢阻肺的發病機制，圍繞線粒體動力學研究，有望為慢阻肺的發病機制及防治尋找到新的研究思路[8]。

1 線粒體動力學簡介

線粒體動力學主要包括融合和分裂兩個最重要的生理學進程[6-7]。線粒體融合是將兩個相鄰的線粒體融合為一個新的線粒體，其實質是一個線粒體的修復過程，對于維持線粒體自身的生理功能具備重要的意義。介導線粒體融合的主要白蛋白包括位于線粒體外膜的線粒體融合蛋白1（Mitofusion 1，Mfn1）、線粒體融合蛋白2（Mitofusion 2，Mfn2）和位于線粒內膜和線粒體膜間隙的視神經萎縮蛋白1（optic atrophy 1，Opa1），線粒體融合需要高度協調，任何環節的異常都會導致線粒體融合發生障礙，導致線粒體形態、結構和功能的異常，進而導致相應的病理生理改變。線粒體分裂是細胞產生線粒體的重要方式，也是清除受損線粒體、維持線粒體正常功能的重要手段。介導線粒體分裂的主要蛋白質包括線粒體動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）、線粒體分裂蛋白1（fission protein 1，Fis1）、線粒體裂變因子（mitochondrial fission factor，Mff）、線粒體動態蛋白（mitochondrial dynamics proteins，Mid）49、MiD51 等。維持線粒體融合和分裂的動態平衡對于維持正常的生理過程具有重要的意義，本文將重點評述線粒體融合和分裂蛋白在慢阻肺中的潛在作用與機制。

2 線粒體動力學相關蛋白與慢阻肺

2.1 慢阻肺病人存在線粒體動力學異常

肺氣腫表型是慢阻肺最重要的臨床表型之一，研究發現在肺氣腫病人中存在顯著的線粒體動力學異常，通過Western blot 檢測發現，肺氣腫病人II 型肺泡上皮細胞（alveolar type II cell，ATII）中的p-Drp1 水平較不吸煙組、吸煙組相比顯著升高，在肺組織線粒體組分發現，肺氣腫病人的p-Drp1 較非吸煙者顯著降低，但是與不吸煙組、吸煙組相比，Drp1的mRNA表達未見明顯異常；細胞免疫熒光染色發現肺氣腫病人的氣道上皮II型細胞中的Fis1、Opa1的表達降低；Western blot檢測發現介導線粒體融合的Mfn1、Mfn2在肺氣腫病人的氣道上皮II 型細胞中的表達下降，這些發現提示線粒體動力學在肺氣腫病人中存在顯著的異常，可能參與了慢阻肺的發病[9]。在另外一項研究中，在慢阻肺病人分離的原代氣道上皮細胞中觀察到了線粒體形態異常，比如線粒體腫脹，碎片化增加，但是并未在慢阻肺病人原代氣道上皮細胞中觀察到Opa1 在mRNA 水平的異常表達[10]。目前關于線粒體動力學在慢阻肺病人中的研究仍相對較少，還需要進一步的研究證實。

2.2 香煙暴露導致線粒體動力學異常

香煙暴露是慢阻肺最重要的危險因素之一，既往研究發現香煙暴露會導致線粒體結構的損傷，利用香煙煙霧提取物（cigarette smoke extract，CSE）刺激人支氣管上皮細胞（Beas-2B）后，可導致線粒體腫脹、線粒體碎片化增加、線粒體內膜嵴數量的減少、線粒體膜去極化，同時線粒體呼吸減少，氧化應激水平上升，導致線粒體動力學相關蛋白（Fis1，Mfn1，Mfn2，Drp1，Opa1）的異常表達[10]。CSE 刺激原代肺上皮細胞后，可誘導Drp1 表達增加，Mfn2 表達降低[11]，在CSE 誘導的氣道上皮損傷模型中，CSE 暴露可降低Opa1 和Mfn2 的表達，增加Drp1 和MFF 的表達[12]。在CSE 暴露的小鼠肺上皮細胞、原代小鼠肺泡上皮細胞中也觀察到了線粒體延長，過度融合，Mfn2 表達增加線粒體動力學異常[13]。在暴露于CSE的人氣道平滑肌細胞中也觀察到了線粒體形態和功能的異常，伴隨著Drp1 的上調與Mfn2 的下調[14]。CSE 刺激人支氣管上皮（human bronchial epithelial，HBE）細胞后可降低Mfn2的表達[15]。這些研究均證實慢阻肺的重要危險因素香煙暴露可導致線粒體動力學異常，可能參與慢阻肺的發病機制。

3 基于線粒體動力學的慢阻肺發病機制與干預研究

3.1 Mfn2

Mfn2 是一種高度保守的跨膜GTP 酶，是線粒體外膜融合的重要效應因子，Mfn2參與調控線粒體融合，轉運及線粒體自噬，調節細胞凋亡，是調控線粒體動力學的重要蛋白[16]。研究發現，Mfn2 在CSE 刺激的HBEs和香煙/脂多糖誘導的小鼠肺組織中的表達水平均顯著升高，在HBEs中敲低Mfn2則導致線粒體碎片化，膜電位降低與線粒體形態的改變，增加CSE 刺激誘導的炎癥因子IL-6、IL-8 的mRNA 表達水平，提示下調Mfn2可能會增加氣道上皮對炎癥刺激的反應，其調控機制可能是通過調控脂肪酸氧化反應與mTOR信號通路實現的[17]。白蘆藜醇可通過上調Mfn2減輕CSE誘導HBE細胞凋亡，在香煙誘導的細胞凋亡中Mfn2也發揮了重要作用[18]。在CSE 暴露的人氣道平滑肌細胞中，基于Mfn2 的siRNA 的干預可以參與調節線粒體能量代謝，細胞增殖與細胞凋亡，參與到人氣道平滑肌細胞的調控中[19]，有可能在慢阻肺的氣道重塑中發揮調控作用。因此，Mfn2可能是調控慢阻肺炎癥反應與氣道重塑的新靶點。

3.2 Opa1

Opa1 是調控線粒體融合時間的主要的GTP 酶，Opa1 有幾種異構體，發揮不同的調控機制，主要分為兩種：長（L-）和短（S-）異構體。美國羅徹斯特大學醫學中心的研究發現，慢阻肺病人肺組織中，短Opa1 亞型被檢測到并顯著增加，并在香煙暴露的小鼠肺組織中觀察到了類似的現象。對Beas-2B 細胞、人胎肺成纖維細胞進行CSE 處理會增加長Opa1 同工型向短Opa1 亞型的轉化，同時伴隨著細胞中線粒體應激相關蛋白SLP2的表達。使用BGP-15（激活Opa1）干預后能夠在CSE 處理的細胞中保存長Opa1 亞型[20]。香煙暴露會影響Opa1蛋白亞型的轉化，取決于香煙暴露的濃度和時間，繼而導致體外和體內肺細胞線粒體動力學改變和線粒體功能障礙，Opa1可能是干預慢阻肺的一個潛在靶點。需要注意的是，關于Mfn2 在慢阻肺患者、在CES 誘導的細胞模型中的表達仍存在相對矛盾的發現，未來還需要更多的研究來證實Mfn2的作用機制。

3.3 Drp1

Drp1 主要促進線粒體分裂，骨骼肌功能障礙是慢阻肺病人重要的病理生理特征，研究發現，使用不同濃度CSE 刺激股四頭肌細胞，Drp1 的表達較對照組顯著升高，伴隨著ROS 釋放和凋亡增加，研究者提出，CSE可能通過上調Drp1影響線粒體分裂，影響細胞能量代謝，促進細胞凋亡，進而導致慢阻肺病人的骨骼肌功能障礙[21]。在此基礎上，該研究團隊進一步發現香煙通過上調肌肉生長抑制素，增加過氧化物的生成，降低線粒體膜電位，促進Drp1 介導的線體分裂，進而促進細胞凋亡，進一步探索了Drp1調控骨骼肌功能障礙的機制[22]。MIZUMURA 等[23]報道使用Drp1 抑制劑Mdivi-1能夠降低CSE 誘導的Beas-2B 細胞的線粒體分裂，通過抑制自噬維持線粒體功能，降低CSE 誘導的細胞死亡；建立3 周的香煙暴露小鼠模型，Mdivi-1 干預可以減輕香煙誘導的黏膜纖毛清除功能障礙。在Cathepsin E過表達誘導的小鼠肺氣腫模型中，Drp1的表達顯著增加，使用Mdivi-1干預后能降低Cathepsin E過表達小鼠的凋亡和肺氣腫嚴重程度，提示基于Drp1的線粒體分裂通過調控凋亡參與了肺氣腫的發生與發展[24]。新近的研究也發現，Mdivi-1干預能降低CSE誘導的支氣管上皮細胞的氧化應激和炎癥反應，部分恢復線粒體結構[25]。這些研究均提示基于Drp1的干預有望為慢阻肺的干預提供新的方向。

4 基于線粒體動力學的慢阻肺保護策略

圍繞著線粒體動力學，如何對慢阻肺進行干預呢？目前有兩個大的方向。第一，在整體層面維持線粒體動力學與功能穩定，本研究團隊的前期研究表明，通過靶向線粒體的抗氧化藥物Mitoquinone 和SS-31 干預，可以抑制線粒體分裂蛋白，上調線粒體融合蛋白，從而維持線粒體動力學與功能穩定，降低香煙誘導的氣道炎癥損傷與粘液高分泌，具備潛在的慢阻肺保護作用[26-27]。研究發現，MitoTEMPO 是一種線粒體靶向超氧化物歧化酶模擬物，具有超氧化物和烷基自由基清除特性，可以降低CSE 誘導氣道上皮細胞Beas-2B 細胞的線粒體ROS的產生、線粒體分裂與凋亡，在慢阻肺的治療中也具備潛在的價值[28]。第二，基于單個線粒體動力蛋白的干預，比如上述研究中提到，Drp1抑制劑Mdivi-1 能改善CS 誘導的線粒體功能障礙，改善減輕香煙誘導的黏膜纖毛清除功能障礙，基于單個靶點去尋找有效的激動劑或者抑制劑，有望從基于線粒體動力學的角度找到新的干預靶點與保護策略。

5 小結與展望

越來越多的研究證據表明，線粒體動力學在慢阻肺的發病機制中發揮著重要作用，圍繞著線粒體動力學進行慢阻肺相關的干預和藥物研發系目前的研究熱點。但是目前關于線粒體分裂和融合蛋白的調控機制仍然不夠清楚，首先，香煙或者其他危險因素暴露對線粒體動力學相關蛋白的影響與表達尚未深入研究，不同的暴露時長，在不同的疾病階段，線粒體動力學蛋白與機制的轉化還需要進一步研究；第二，目前關于Mfn1、Mfn2、Drp1、Fis1、Opa1等線粒體分裂和融合蛋白在慢阻肺中的發病機制研究仍然相對缺乏，比如關于Mfn1、Fis1、MFF在慢阻肺中的機制的研究報道還相對較少，同時不同的線粒體動力蛋白在病理生理過程中的作用非常復雜，比如敲低Opa1和Mfns可以誘導人氣道上皮細胞衰老，但是敲低線粒體分裂蛋白基因Fis1、Drp1 并未增加細胞的衰老程度[29]，針對單個線粒體動力蛋白靶點的干預還需要進一步研究。第三，在明確單個線粒體融合和分裂蛋白作用機制的基礎上，還需要從整體的層面考慮，探索線粒體融合和分裂蛋白之間的相互作用關系。因此，明確這些調控的過程在慢阻肺中的關系非常重要，可能會有助于改進目前的治療策略。因此未來的研究還需要深入探索線粒體動力學的具體調控機制，圍繞著這些機制和靶點，開發出新的慢阻肺干預藥物并進行轉化，最終造福于慢阻肺病人。

（利益沖突：無）