線粒體相關功能障礙在射血分數保留的心力衰竭中的重要作用

何夢鏵 曹 玉 于雅馨 項天麒 沈 雁

上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院，上海 200437

2012 年，歐洲心臟病學會提出了射血分數保留的心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF）的概念。近年來，全球各大指南統一了對心力衰竭的分類，并更新了對HFpEF 的認識[1]。

新近研究已明確HFpEF 是一種全身性疾病，該病是以舒張功能下降為主要特征，與多種臨床危險因素和合并癥有關，如衰老、高血壓、代謝綜合征、2 型糖尿病、腎病、心房顫動和骨骼肌無力等[2-3]。根據調查研究顯示，全球范圍內的HFpEF 患病率呈上升趨勢，其病死率與射血分數減少的心力衰竭（heart failure with reduced ejection fraction，HFrEF）相當。目前國內外指南針對HFpEF 的診療均未提出系統性的證據整合和推薦意見[4]。

為了更好地推動HFpEF 的臨床診治，亟須探討HFpEF 的病理生理學機制。近年來，線粒體與疾病發生、發展之間的聯系受到廣泛關注，線粒體為機體的生命活動提供能量，參與多種細胞內信號調節的活動。已有相關研究證實，線粒體在HFrEF 的發生和發展過程中起著重要作用，但其在HFpEF 中的作用尚缺乏系統性闡述。本文將著重綜述線粒體功能障礙在HFpEF 中的重要作用，以期為HFpEF 治療方向提供新思路[5]。

1 線粒體相關功能

1.1 能量供給

線粒體被稱為“能量工廠”，通過有氧呼吸產生大量ATP 以維持各項生命活動。線粒體外膜（outer mitochondrial membrane，OMM）與線粒體內膜（inner mitochondrial membrane，IMM）之間構成線粒體膜間隙，IMM 以內為線粒體基質，膜上含有多種蛋白質和酶，將線粒體劃分為不同的功能區。

三大營養物質分解后，在線粒體多種酶的催化下，經三羧酸循環、氧化磷酸化產生大量能量，完成了從有機物的儲存能量到細胞生命活動可直接利用的能源的轉換。

1.2 產生活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）

ROS 是一類比分子氧更具活性的含氧自由基或化合物。細胞內的ROS 主要有4 種形式：超氧自由基陰離子（O2-）、羥基自由基（-OH）、過氧化氫（H2O2）和脂質過氧化氫（LOOH）。證據表明，線粒體是細胞內ROS 的主要來源，氧化磷酸化過程中產生的ROS 幾乎占90%[6]。

在線粒體呼吸過程中，少量電子從線粒體電子傳遞鏈復合物Ⅰ和Ⅲ中漏出，與O2結合生成O2-或H2O2，位于線粒體基質中的超氧化歧化酶還會進一步將超氧化物轉化成H2O2，以便生成H2O 進行代謝[7]。

1.3 線粒體自噬

線粒體自噬是細胞自噬裝置選擇性對損傷線粒體的靶向吞噬和破壞，為線粒體質量控制的核心機制。目前研究發現，線粒體自噬的機制主要分為泛素依賴型和非泛素依賴型。前者包括經典的PINK1-Parkin通路和非Parkin 依賴型通路等[8-9]。受損線粒體不能維持正常的線粒體膜電位，進而會募集一組分子介導在受損線粒體周圍形成自噬體，與溶酶體融合，導致線粒體成分降解。后者則為受體介導的線粒體自噬過程，OMM 上存在BNIP3、NIX 等自噬受體，這些受體與LC3 蛋白發生特異性結合，啟動線粒體自噬，相關的信號通路包括NIX/BNIP3、FUNDC1 等[10-11]。

1.4 調節鈣穩態

生理情況下，細胞內Ca2+的濃度、分布保持著動態平衡狀態，稱之為鈣穩態。線粒體內儲存了一定水平的Ca2+，其主要通過離子通道的開放與關閉維持鈣穩態[12]。

當線粒體外呈低電勢時，OMM 上的電壓依賴性陰離子選擇性通道開放，促使Ca2+進入膜間隙，再由IMM 上的線粒體鈣離子單向轉運體（mitochondria calcium uniporter，MCU）復合體、線粒體蘭尼堿受體（mitochondrial ryanodine receptor，mRYR）吸收至線粒體基質內[13-14]。當線粒體內鈣濃度升高，則主要通過線粒體Ca2+/H+逆向轉運體、線粒體鈉鈣交換蛋白和線粒體通透性轉變孔道（mitochondrialpermeabilitytransition pore，mPTP）排出Ca2+[15-16]。

2 線粒體功能障礙與HFpEF

2.1 能量代謝障礙與HFpEF

心臟的能量代謝底物主要包括脂肪酸、葡萄糖、酮類和氨基酸。正常情況下，脂肪酸氧化提供40%～60%的ATP[17]。HFpEF 患者心臟能量代謝重構主要表現為底物利用的結構及氧化能力的變化。

一般而言，心力衰竭情況下，脂肪酸氧化能力減弱，與先前結論相悖，動物實驗發現HFpEF 大鼠的脂肪酸氧化能力反而增強，進一步提示脂肪酸攝取及氧化能力與產能不完全呈正相關。當心臟攝取脂肪酸的速率大于其氧化能力時，ATP 生成速率不會進一步增加，還會導致脂肪堆積，產生脂毒性損傷[18-19]。脂肪細胞來源的飽和脂肪酸會誘導白細胞介素-6、腫瘤壞死因子-α 等炎癥細胞因子的合成，促進炎癥環境的形成，誘導脂肪細胞分解，促進HFpEF 的發生[20]。當脂肪酸氧化產能效率降低，心肌細胞利用葡萄糖、酮體、氨基酸等產能。與脂肪酸氧化相似，HFpEF 大鼠早期的糖酵解代謝率顯著增高，但丙酮酸氧化效率沒有相應增高，故發生HFpEF 時，心臟對葡萄糖的利用效率極低[21]。Hahn 等[22]檢測了HFpEF 患者的血清及心肌活檢，發現酮類和三羧酸循環的代謝物及支鏈氨基酸的含量較低，表明心臟未充分使用替代燃料。

運動不耐受是HFpEF 的主要臨床表現之一，報告指出，HFpEF 患者運動不耐受可能歸因于骨骼肌的異常。HFpEF 患者骨骼肌中的參與線粒體氧化磷酸化的蛋白質水平普遍下降，提示肌肉質量受損[23]。此外，一項以心臟為導向的網絡分析提示，HFpEF 大鼠體內參與線粒體代謝的基因廣泛受損，導致線粒體能量代謝障礙，產能減少，心肌磷酸肌酸/ATP 比率下降，進一步佐證了線粒體能量代謝障礙與HFpEF 臨床癥狀有直接聯系[24]。

2.2 氧化應激亢進與HFpEF

生理情況下，線粒體產生的ROS 作為信號因子調節心臟發育和心肌細胞成熟、心臟鈣處理、興奮收縮偶聯等，并能迅速被機體內的抗氧化系統清除。病理情況下，ROS 產生速度大于清除速度，使細胞處于氧化應激亢進狀態。作為有氧呼吸的代謝產物，ROS在心肌細胞中含量豐富，過剩的ROS 可誘導能量代謝異常、過度激活線粒體自噬、促進炎癥狀態的形成，直接引起線粒體的結構與功能障礙，進而影響HFpEF 的發生、發展。

眾所周知，舒張功能障礙是HFpEF 的主要特征。當心肌細胞處于氧化應激狀態時，過量的ROS 在線粒體中擴散，破壞線粒體DNA，干擾三羧酸循環，抑制ATP 生成和脂肪酸代謝，并觸發線粒體內Ca2+通道的開放，導致心肌細胞死亡[25]。動物實驗證實，線粒體產生過量ROS 導致的氧化應激是小鼠發生舒張功能障礙的重要危險因素[26]。ROS 通過多條信號通路，如TGF-β/Smad、NF-κB、MAPK 等，增加促炎癥和促纖維化細胞因子的合成，激活成纖維細胞，從而導致心肌間質纖維化和被動僵化，促進了舒張功能障礙[27]。此外，ROS 還會激活AMPK 相關信號通路影響線粒體其他功能以保護心臟免受氧化應激，當線粒體自噬被ROS 過度激活，則會加重線粒體的功能障礙[28]。

2.3 線粒體自噬異常與HFpEF

一般而言，心臟線粒體數目越少，則產生的ATP也越少。如前所述，線粒體數量及質量受自噬機制的調控。正常情況下，線粒體自噬對心臟具有保護作用，心力衰竭時，線粒體自噬水平會相應地上調，維持心肌細胞功能的穩定。而線粒體自噬被抑制或過度激活，則其生物發生速率不能滿足心臟能量供給，影響能量的產生及心肌細胞功能[29]。

目前關于HFpEF 中線粒體自噬作用的相關研究較少，但通過動物實驗等能間接反應出自噬在HFpEF 發生、發展中的作用。實驗證實，自噬誘導劑亞精胺可通過上調線粒體自噬水平防止Dahl 鹽敏大鼠心臟肥大和舒張功能下降，從而延緩心力衰竭進程[30]。骨髓分化蛋白1 的下調會激活ROS/MAPK 通路，促使線粒體發生自噬，YANG 等[31]發現該蛋白在HFpEF小鼠的心臟中表達減少，提示低水平的線粒體自噬可能會促進HFpEF 發生和發展。NIX/BNIP3 信號通路、FUNDC1 信號通路的結合蛋白均為LC3，相較于患有舒張功能障礙的年輕小鼠對照組，老年小鼠心臟中LC3-Ⅱ的表達和LC3-Ⅱ/LC3-I 的比例下降[32]。證實了隨著年齡的增長，心臟中的線粒體自噬功能會有不同程度的減退。

2.4 鈣穩態失調與HFpEF

Ca2+是心臟活動必不可少的離子，參與心臟的興奮-收縮耦聯、節律的調節，而線粒體Ca2+穩態異常是線粒體功能障礙的重要因素，是缺血/再灌注損傷、心律失常、心肌梗死、心力衰竭等心血管疾病共同的病理生理學基礎。

研究發現，HFpEF 模型大鼠線粒體內游離Ca2+濃度升高，且對Ca2+的攝入和排出速度均減慢。這可能是一種代償機制，以便提供一定的ATP，但持續性Ca2+積累會促進mPTP 的開放，最終誘導細胞凋亡[33]。Frisk 等[34]發現，HFpEF 大鼠的心肌細胞在舒張期的Ca2+水平不能充分恢復，導致舒張期心肌呈不完全松弛，最終引起了舒張功能異常[35]。HFpEF 心肌活檢中，可發現BNIP3 蛋白的表達升高，而心肌細胞中BNIP3過表達可誘導線粒體鈣超載，下調FOXO3a-BNIP3通路或可以減少BNIP3 的表達，以減輕鈣超載對線粒體功能的損害[36]。在HFpEF 患者中，由于線粒體鈣穩態異常，在收縮和壓力條件下的心律失常發生率顯著增加[37]。

3 HFpEF 治療現況

2023 年美國心臟病學會專家共識推薦鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2 抑制劑、醛固酮受體拮抗劑、血管緊張素受體腦啡肽酶抑制劑等作為HFpEF 的一線治療用藥，改善患者舒張功能障礙、心律失常等癥，降低住院率及病死率。隨著研究的深入，這些藥物治療HFpEF 的機制逐漸明晰。

有研究提出，恩格列凈可能是通過NO/sGC/cGMP/PKG 通路抑制HFpEF 大鼠心肌細胞的氧化應激和炎癥，進而改善病理性心肌細胞纖維化[38]。動物實驗中，索格列凈通過增加線粒體Ca2+緩沖能力、提高鈉鈣交換蛋白的活性、減少舒張期Ca2+積聚等途徑有效預防了HFpEF 相關的心律失常[39]。螺內酯抑制醛固酮上調心肌成纖維細胞中AKAP-1 的表達，減少ROS 生成，可改善HFpEF 患者的心臟結構，緩解舒張功能障礙[40]。

線粒體靶向治療已經應用于部分心血管疾病中，如三苯基膦靶向清除ROS、MCU 抑制劑靶向Ca2+通道，通過調節氧化應激及鈣穩態使細胞凋亡減弱；兒茶酚胺抑素Catestatin 通過抑制線粒體氧化應激抗心肌纖維化等，目前尚缺乏線粒體靶向治療應用于HFpEF 的相關報道[41]。

綜上，線粒體在HFpEF 的生理病理變化中起著十分重要的調節作用，而與心肌線粒體功能相關的能量代謝、氧化應激、線粒體自噬、鈣穩態等在HFpEF病理過程中發揮重要作用，隨著近年研究的深入，涉及上述病理過程的部分相關通路已被初步證實，有待深入研究。將來，改善線粒體功能障礙有可能成為制訂HFpEF 治療策略的突破點之一。然而，目前對線粒體在HFpEF 中作用的相關研究仍較少，相信隨著研究的進一步深入，會有更多的證據支撐、完善該領域。

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