線粒體與缺血性腦卒中的關系及針刺干預研究*

寧文華,劉伊瀅,李瑩瑩

1.鄭州大學第一附屬醫院,河南 鄭州 450000; 2.河南中醫藥大學國際教育學院,河南 鄭州 450046

缺血性腦卒中是世界范圍內死亡和致殘的主要原因[1]。通過探索其病理機制,尋找適宜治療靶標一直是神經科學領域的研究重點。線粒體作為細胞的能量工廠,在細胞能量平衡中起著關鍵作用。線粒體功能障礙是腦缺血再灌注誘導神經元死亡的標志之一[2]。維持線粒體功能對于促進神經元存活和神經系統改善至關重要,以線粒體為靶點可作為治療缺血性腦卒中的一種有前途的神經保護策略[3]。針刺治療缺血性腦卒中療效確切并受到廣泛關注[4-5],而關于其具體機制尚未完全闡明。研究表示,針刺對腦的保護作用,與調控線粒體功能密切相關,線粒體可能是針刺作用發揮的關鍵效應器[6]。本文通過檢索并總結線粒體在缺血性腦卒中的作用機制以及針刺干預相關文獻報道,以期為未來的研究提供更多參考與借鑒。

1 線粒體與缺血性腦卒中

1.1 線粒體生物發生線粒體生物發生是指通過原有線粒體的生長和分裂形成新線粒體的過程[7]。這是一個觸發線粒體質量增加的過程,可增加細胞中線粒體的數量和質量,滿足細胞對能量的需求,促進腦缺血損傷后神經功能恢復[8]。線粒體的生物發生受到多種細胞信號通路的嚴格調控。沉默信息調節因子2相關酶1(silent information regulator 2 homolog 1,SIRT1)/過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α,PGC-1α)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)/PGC-1α軸是調節線粒體生物發生的兩條關鍵途徑[9]。

1.2 線粒體動力學線粒體是高度動態的管狀網絡細胞器,通過不斷地分裂、融合調節線粒體功能,影響能量代謝和卒中后神經元功能,即線粒體動力學[8]。線粒體動力蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)和分裂蛋白1(fission 1,Fis1)調控線粒體分裂過程,線粒體融合則主要由線粒體融合蛋白1/2(mitofusion1/2,Mfn1/2)、視神經萎縮蛋白1(optic atrophy protein-1,OPA1)等相關蛋白所控制。抑制線粒體過度分裂,適當促進線粒體融合,恢復線粒體動力學平衡,有利于缺血性卒中后的恢復[10]。

1.3 線粒體鈣穩態線粒體通過儲存和釋放Ca2+,充當細胞Ca2+的重要調節器,參與調節線粒體代謝、三磷腺苷(adenosine triphosphate,ATP)生成和細胞死亡過程[11]。在缺血等病理條件下,線粒體Ca2+攝取過度或線粒體外流失常,線粒體內Ca2+水平持續升高,線粒體通透性轉換孔開放,細胞色素C(cytochrome C,Cyt C)釋放,導致細胞凋亡[12]。線粒體鈣單向轉運體(mitochondrial calcium uniporter,MCU)是線粒體Ca2+內流的主要途徑,線粒體鈉鈣交換體(mitochondrial Na+/Ca2+,NCLX)是線粒體鈣外排的主要通道,參與線粒體鈣穩態失衡,與腦缺血損傷密切相關[13]。線粒體Ca2+穩態的維持與內質網鈣庫的相互作用及內質網-線粒體接觸位點的形成密不可分[14]。內質網-線粒體之間存在緊密串擾,高通量的內質網-線粒體Ca2+轉運將會導致線粒體Ca2+超載,導致細胞凋亡[15]。

1.4 線粒體與氧化應激氧自由基的產生和釋放是引起神經元死亡的關鍵步驟。線粒體損傷是導致活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)增加、氧自由基大量產生,誘發或加重氧化應激損傷的重要原因。正常情況下,線粒體產生的自由基及其清除處于動態平衡,在缺血等應激條件下,ROS生成過多,氧化還原平衡受損,線粒體膜脂質過氧化和結構破壞,造成線粒體功能紊亂和氧化應激損傷[16]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)與谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase,GSH-Px)是機體抗氧化酶系統內的重要物質,通過清除線粒體ROS,減輕氧化應激損傷。

1.5 線粒體自噬線粒體自噬是指細胞內受損線粒體的“自我清除”過程,是線粒體質量控制及維持細胞正常功能的重要機制。研究表示,激活線粒體自噬,清除過度聚集和受損的線粒體,可以減輕腦缺血再灌注引起的神經元損傷。PTEN誘導假定激酶1(PTEN-induced putativekinase1,PINK1)/E3泛素連接酶(E3ubiquitin protein ligase,Parkin)介導的線粒體自噬對大鼠海馬神經元具有神經保護作用[17]。體內外研究證實,雷帕霉素可通過激活線粒體自噬,改善線粒體功能障礙,保護腦缺血再灌注損傷,自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可逆轉這一過程[17-18]。BCL2/腺病毒E1B-19kDa相互作用蛋白3樣(BCL2/adenovirus E1B 19-kDa-interacting protein 3-like,Bnip3L)參與了腦缺血再灌注誘導的線粒體自噬過程,敲除線粒體自噬相關基因BNIP3L可加重腦缺血再灌注損傷,而過表達BNIP3L則可發揮保護作用[19]。FUN14域蛋白1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)是一種新型線粒體自噬受體,在缺氧狀態下結合LC3調節線粒體的程序性清除。調控FUNDC1介導的線粒體自噬可改善線粒體功能并減少神經元凋亡[20]。然而,仍有研究表明抑制線粒體自噬可以對腦缺血再灌注損傷發揮保護作用[21]。適度的線粒體自噬有利于細胞內穩態和神經元存活。而線粒體自噬過度激活將導致細胞損傷或死亡[22]。這一差異可能是由不同缺血或再灌注時間、不同細胞類型,甚至不同實驗環境所造成的。

1.6 線粒體跨細胞轉移缺血等病理條件下,線粒體自身可通過“help-me”信號,招募鄰近細胞線粒體保護受損細胞[23]。不同細胞類型之間的細胞間線粒體轉移備受關注,通過加速神經元釋放或星形膠質細胞吞噬,促進細胞間線粒體轉移,可能是未來治療缺血性中風的一種有吸引力的治療策略[23]。星形膠質細胞可直接為受損神經元提供功能性線粒體,增強細胞存活信號,有助于保護或修復受損神經元[24]。然而,有觀點認為,這種內源性轉移通常是短暫的,不足以誘導強而穩定的神經保護作用。因此,以干細胞為基礎的線粒體轉移成為提供正常線粒體的有效策略[25]。在腦缺血模型中,靜脈注射間充質干細胞可縮小腦梗死體積,改善神經功能,過表達Miro1可增強間充質干細胞向神經元轉移線粒體的能力而促進神經功能恢復[26]。研究報道,將外源性線粒體轉移至腦缺血大鼠體內可以縮小腦梗死體積,減少神經細胞死亡[27]。側腦室進行肌源性自體線粒體移植可降低氧化應激,抑制反應性星形膠質細胞增生,促進神經發生,改善腦缺血大鼠神經功能缺損程度[28]。

1.7 鐵死亡線粒體依賴性鐵死亡機制受到廣泛關注。線粒體是鐵利用、分解代謝和合成的主要細胞器,在鐵代謝以及物質能量代謝中起著重要作用。線粒體結構的改變是鐵死亡的主要形態特征,線粒體形態的改變,線粒體膜密度增加、體積縮小,線粒體嵴減少或消失,線粒體外膜增厚、甚至破裂[29]。鐵超載通過增加線粒體氧化損傷,引發鐵死亡[30]。有研究報道,線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin,FtMt)在鐵穩態中起著關鍵作用,通過抑制鐵死亡,減輕腦缺血再灌注損傷[31]。靶向線粒體抗氧化劑可有效抑制鐵死亡[32]。因此,挽救線粒體完整性和功能可能對預防神經細胞鐵死亡具有重要意義。值得注意的是,線粒體功能障礙本身是否會引發鐵死亡,以及鐵死亡中線粒體功能的具體改變,目前仍需繼續探索[33]。

2 基于線粒體角度探討針刺治療缺血性腦卒中機制

2.1 改善線粒體形態結構神經元存活的關鍵取決于線粒體的完整性和功能性。針刺減輕腦缺血再灌注損傷的機制與改善線粒體超微結構有關。腦缺血再灌注后神經細胞線粒體通透性轉換孔過度開放,線粒體腫脹明顯,線粒體嵴斷裂,空泡結構明顯,針刺可抑制腦線粒體通透性轉換孔的開放[34],減輕線粒體腫脹、嵴斷裂及空泡化[35],發揮保護神經作用。

2.2 促進線粒體生物發生電針預處理通過激活大麻素受體1(cannabinoid receptor type 1,CB1R)/PGC-1α保護線粒體并促進線粒體的生物發生。電針預處理可以改善腦缺血再灌注損傷小鼠線粒體功能,上調PGC-1α和線粒體生物發生標志蛋白表達,增加mtDNA水平和線粒體體積及數量,而靶向注射CB1R拮抗劑則逆轉了電針預處理促進線粒體生物發生及神經保護作用,這為電針預處理誘導缺血耐受提供了一種新的機制。

2.3 調節線粒體動力學現有研究證實,電針可通過抑制線粒體分裂,發揮腦保護作用。腦缺血再灌注損傷后Drp1表達上調,Drp1磷酸化水平增加,Drp1與線粒體外膜結合增多,線粒體分裂增加,Cyt C釋放,誘導神經元凋亡。電針預處理通過下調總Drp1表達,抑制Drp1磷酸化水平,減少Drp1定位到線粒體外膜的情況發生,抑制線粒體過度分裂,從而減少Cyt C釋放入胞漿的水平,緩解神經元凋亡[36]。

2.4 抑制氧化應激電針對神經元線粒體的保護作用可能來自增強其抗氧化能力。電針刺激通過提高血清還原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH)含量和GSH-Px活性[37],降低半暗帶腦梗死區SOD,降低MDA含量,改善線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)[38],拮抗活性氧過氧化損傷,保護大腦皮層神經元線粒體免受腦缺血再灌注損傷。鐘淑波等[39]報道,電針通過減輕缺血半暗帶mtDNA的氧化性損傷,調整線粒體呼吸鏈關鍵酶功能,抑制腦細胞氧化應激,從而發揮保護作用。

2.5 調節線粒體自噬線粒體自噬是針刺治療缺血性腦卒中的作用靶標之一。腦缺血再灌注損傷后,線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)和ATP水平降低,線粒體功能受損。電針通過Pink1/Parkin介導的線粒體自噬,減少受損線粒體累積,減輕腦缺血再灌注損傷[40]。鐘曉勇等[41]研究表示,腦缺血再灌注后,皮質梗死區線粒體自噬水平缺失,電針通過激活梗死區BNIP3L介導的神經細胞線粒體自噬,減輕腦缺血再灌注損傷大鼠神經缺損程度和細胞凋亡。

3 討論

綜上所述,線粒體功能障礙參與缺血性腦卒中疾病的發生發展,維持線粒體的完整性和功能性是影響神經元存活的關鍵。現有研究可證實針刺通過改善線粒體形態結構、促進線粒體生物發生、調節線粒體動力學、抑制氧化應激、調節線粒體自噬多方面發揮腦保護作用。然而,結合當前研究現狀可見,基于此領域的針刺機制研究相對滯后且缺乏深入性:(1)研究較為薄弱并缺乏系統性,某些關鍵的病理環節尚未涉及,如鐵死亡作為細胞死亡的另一種形式,線粒體依賴性鐵死亡機制尚未涉及。此外,關于不同細胞類型的線粒體功能,如星形膠質細胞作為神經血管單元的重要組成,針刺是否參與其釋放并運輸線粒體過程尚未可知。(2)針刺作用的整體性決定其作用的發揮并不依賴于某單一病理環節,細胞器之間的功能存在緊密的串擾,線粒體與其他細胞器(內質網)之間的交流同樣值得關注,同時各病理過程之間的相互影響,多病理環節之間的交互作用有待進一步論證,未來的研究應是整體的,這或許是闡明針刺作用機制的關鍵方向之一。(3)線粒體是缺血性腦卒中神經細胞凋亡和壞死等級聯事件的早期階段,在缺血損傷后,線粒體功能首先被啟動并被迅速破壞,針刺預處理作為中醫治未病的主要形式,將針刺干預提前至損傷發生之前,那么,針刺是否可以激活線粒體功能,調動機體自身防御性機制,減輕隨后發生的腦缺血損傷?線粒體作為內源性保護機制的主要效應器,在針刺預處理中的作用值得進一步探索。