Mitochondrial permeability transition pore and myocardial ischemia-reperfusion injury

楊新征1，于　飛2　(1.解放軍第222醫(yī)院病理科，吉林 吉林 132011；2.解放軍第222醫(yī)院特診科，吉林 吉林 132011)

線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔與心肌缺血再灌注損傷

Mitochondrial permeability transition pore and myocardial ischemia-reperfusion injury

楊新征1，于飛2(1.解放軍第222醫(yī)院病理科，吉林 吉林 132011；2.解放軍第222醫(yī)院特診科，吉林 吉林 132011)

[關(guān)鍵詞]線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔；心??；缺血再灌注

線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)是位于線粒體內(nèi)、外膜之間的非特異性孔道，是由多種線粒體蛋白構(gòu)成的復(fù)合體。目前，國內(nèi)外研究已經(jīng)證實，MPTP開放所引起的線粒體通透性變化在細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮了重要作用[1]。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)缺血、缺氧、氧化應(yīng)激等刺激因素都可能引起MPTP開放，使線粒體通透性發(fā)生改變，從而對多種疾病的發(fā)生、發(fā)展過程產(chǎn)生影響[2]。本文就MPTP及其與心肌缺血再灌注損傷的關(guān)系進展情況作一綜述。

1MPTP的結(jié)構(gòu)與功能

1.1MPTP的結(jié)構(gòu)

迄今為止，研究人員仍未能完全闡明MPTP的具體結(jié)構(gòu)。目前通常認(rèn)為MPTP是由多種蛋白組合而成的復(fù)合體，其成分主要包括電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)、腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)位酶(adenine nucleotide translocase，ANT)、親環(huán)蛋白D(cyclophilin D，Cyp D)等。

1.1.1VDAC電壓依賴性陰離子通道(VDAC)位于線粒體外膜，具有陰離子選擇性和電壓依賴性。VDAC能夠形成親水性的電壓依賴通道，調(diào)控細(xì)胞漿和線粒體間的物質(zhì)交換和能量代謝，在細(xì)胞的生長及凋亡過程中發(fā)揮著重要作用[3]。通常情況下，VDAC處于穩(wěn)定開放狀態(tài)，對帶負(fù)電荷的陰離子具有優(yōu)先選擇性。VDAC的電壓依賴性表現(xiàn)為低電壓時的高通透性和高電壓時的低通透性。當(dāng)跨膜電壓突然大幅度升高或降低時，VDAC開放被抑制，對陰離子的通透性明顯降低。VDAC結(jié)構(gòu)和功能的變化直接影響了細(xì)胞的物質(zhì)交換，從而損傷線粒體的呼吸功能，引起能量代謝異常。因此，VDAC又被稱為線粒體功能的調(diào)控者。

1.1.2ANT腺苷酸轉(zhuǎn)位酶(ANT)是線粒體內(nèi)膜上含量最多的蛋白，其功能是將線粒體內(nèi)合成的ATP運送至細(xì)胞漿，同時將細(xì)胞漿中的ADP運送至線粒體內(nèi)，完成胞漿與線粒體的ADP與ATP交換[4]。進入線粒體基質(zhì)的ADP不僅參與線粒體的磷酸化作用，也對線粒體的氧化呼吸功能起到刺激作用。ANT存在多種異構(gòu)體，其分布具有明顯的組織特異性，ANT的不同表型在組織中的特異性表達可能與不同組織的能量需求有關(guān)。人類主要有ANT1、ANT2、ANT3，大鼠只有ANT1、ANT2兩種。

1.1.3Cyp D親環(huán)蛋白D(Cyp D)位于線粒體基質(zhì)，是具有MPTP關(guān)閉作用的環(huán)孢素A(CsA)的結(jié)合位點。當(dāng)發(fā)生缺血再灌注時，Cyp D的構(gòu)型產(chǎn)生變化，從而影響線粒體轉(zhuǎn)換孔的形成。研究顯示，在心肌細(xì)胞中，Cyp D和線粒體通透性改變是Ca2+超載和氧化損傷引起細(xì)胞死亡的關(guān)鍵因素[5]。Tsujimoto等[6]報道，敲除Cyp D基因后，Ca2+超載誘導(dǎo)MPTP開放的作用受到明顯的抑制，證明了Cyp D是MPTP的重要組成部分或影響MPTP開放的重要因素。

1.1.4其他成分除了VDAC、ANT、Cyp D之外，參與構(gòu)成MPTP的重要組成還包括外周型苯二氮卓類受體和Bcl-2家族蛋白、己糖激酶以及肌酸激酶等。外周型苯二氮卓類受體(peripheral benzodiazepine receptor，PBR)主要位于線粒體外膜，其結(jié)構(gòu)中含有蛋白激酶作用的序列和磷酸化位點，具有信號傳導(dǎo)功能。PBR能夠與VDAC和ANT聯(lián)合，并通過改變相鄰蛋白的構(gòu)象來影響MPTP的功能狀態(tài)[7]，是MPTP的重要調(diào)節(jié)蛋白。

Bcl-2家族既參與MPTP的構(gòu)成，也是線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑的主要調(diào)節(jié)因子之一。Bcl-2家族可以分為兩大類，一類促進細(xì)胞凋亡，包括Bax、Bak和Bok等；另一類則抑制細(xì)胞凋亡，包括Bcl-2、Bcl-xl等。Bax和Bcl-2主要作用于線粒體外膜，可以引起線粒體的通透性發(fā)生改變，促進或抑制細(xì)胞凋亡促進因子的釋放，如細(xì)胞色素C、凋亡誘導(dǎo)因子等[8]。

1.2MPTP的功能

MPTP是線粒體進行氧化應(yīng)激、細(xì)胞呼吸、合成ATP等生命活動的必要條件，是線粒體與細(xì)胞質(zhì)之間進行物質(zhì)交換和信號傳導(dǎo)的重要通道，也是影響線粒體穩(wěn)定性和細(xì)胞功能的關(guān)鍵因素[9]。在正常生理情況下，MPTP通常處于關(guān)閉或低通透性狀態(tài)，只允許一些小分子物質(zhì)通過。當(dāng)發(fā)生損傷應(yīng)激或受到不良刺激后，例如缺血缺氧、氧化應(yīng)激、酸中毒等，MPTP大量開放，線粒體膜通透性增高，從而引起基質(zhì)蛋白的滲透壓升高，線粒體膜電位下降，細(xì)胞色素C等促細(xì)胞凋亡物質(zhì)釋放，進而引起細(xì)胞死亡。MPTP的開放程度與細(xì)胞死亡的方式密切相關(guān)。外界刺激較弱且短暫時，MPTP少量、短暫開放，ATP含量維持在較高水平，可能引起細(xì)胞凋亡；刺激較強且持續(xù)時間較長時，MPTP發(fā)生不可逆的廣泛開放，能量產(chǎn)生發(fā)生嚴(yán)重障礙，則可引起細(xì)胞壞死[10]。細(xì)胞凋亡與細(xì)胞壞死常常同時存在。

2MPTP的調(diào)節(jié)因素

MPTP的調(diào)節(jié)因素主要包括Ca2+、無機磷酸鹽(inorganic phosphate，Pi)、活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)、pH和膜電壓及核苷酸等。

2.1Ca2+

Ca2+是十分重要的第二信使，與細(xì)胞的信號傳導(dǎo)密切相關(guān)。線粒體基質(zhì)中的Ca2+水平對MPTP的開閉起著重要的調(diào)節(jié)作用[11]，是引起線粒體通透性變化的關(guān)鍵因素之一。相關(guān)文獻報道，線粒體基質(zhì)或者細(xì)胞質(zhì)中的Ca2+濃度改變都可能引起線粒體通透性隨之發(fā)生變化[11]。線粒體基質(zhì)中的Ca2+濃度增加可引起MPTP的短暫開放，其他二價陽離子，如Sr2+、Mn2+、Ba2+和Mg2+則可能通過與Ca2+競爭性與ANT結(jié)合，或者影響基質(zhì)內(nèi)的Ca2+濃度，從而抑制MPTP的開放。

2.2無機磷酸鹽

在MPTP開放的調(diào)節(jié)過程中，無機磷酸鹽可能發(fā)揮著雙向作用，一方面，它可以和Ca2+形成非晶體的基質(zhì)沉淀物，降低MPTP的開放能力；另一方面，它也可以成為維持pH的良好緩沖劑，刺激MPTP開放[12]。Siemen等[13]認(rèn)為，Pi對MPTP的激活作用可以拮抗MPTP關(guān)閉劑的抑制作用。Varanyuwatana等[14]的研究顯示，當(dāng)MPTP關(guān)閉劑抑制了通道開放后，Pi仍可激活MPTP開放。

2.3活性氧簇

活性氧簇既可作為MPTP開放的誘導(dǎo)劑，也可作為關(guān)閉劑抑制MPTP開放，其作用取決于所處的代謝環(huán)境?；钚匝醮乜梢酝ㄟ^氧化不同位點而調(diào)節(jié)MPTP開放，例如ANT的Cys 160和Cys 56。另外，活性氧簇可以增加Ca2+濃度水平，Ca2+又可以通過氧化磷酸化促進活性氧簇生成，當(dāng)達到閾值時，Ca2+即可引起MPTP的短暫開放，誘導(dǎo)線粒體中活性氧簇產(chǎn)生，通過級聯(lián)反應(yīng)啟動程序性細(xì)胞死亡[15]。

2.4pH和膜電壓

MPTP開放對pH和膜電壓的依賴性很早就已被證實[16]。高水平的內(nèi)部負(fù)電位使MPTP處于關(guān)閉狀態(tài)，而線粒體膜電位降低將使MPTP開放。有研究報道，促使MPTP開放的最適pH是7.4，pH升高或降低都將影響孔道的開放狀態(tài)，當(dāng)pH大于7時，質(zhì)子可以通過與Ca2+競爭性結(jié)合調(diào)節(jié)位點來調(diào)節(jié)MPTP開放[17]。

2.5核苷酸

研究發(fā)現(xiàn)，MPTP開放能夠被ATP、ADP抑制，但是不能被其他核苷酸(AMP、GDP、GTP)抑制。相關(guān)研究認(rèn)為，腺苷酸發(fā)揮作用的靶點可能是ANT[16]。Varanyuwatana等[14]推測，核苷酸可能是通過作用于ANT的膜電位依賴性ADP結(jié)合位點來調(diào)節(jié)MPTP的開放。

3抑制MPTP開放在心肌缺血再灌注損傷中的作用

研究證實，在心肌急性缺血再灌注損傷中，Ca2+、無機磷酸鹽、氧化應(yīng)激等因素引起的MPTP開放是引起細(xì)胞死亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[18]。因此，抑制MPTP開放已成為心肌缺血再灌注損傷研究中心肌保護的新靶點[19]。

3.1成人心肌缺血再灌注損傷

成人心肌缺血缺氧損傷常見于冠狀動脈阻塞引起的心肌梗死，當(dāng)心肌缺血后恢復(fù)供血時又可能發(fā)生再灌注損傷，缺血或再灌注損傷都可導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡或壞死。若能有效緩解這些損傷，減輕心肌細(xì)胞凋亡或壞死程度，將對改善疾病的預(yù)后起到積極作用。Argaud等[20]將成年家兔的冠狀動脈左旋支夾閉30 min后恢復(fù)供血4 h，并在缺血處理前10 min或恢復(fù)供血前1 min，通過靜脈給予MPTP關(guān)閉劑，結(jié)果顯示，給藥組的心肌梗死面積明顯小于未給藥組，心肌細(xì)胞凋亡程度也輕于未給藥組。Piot等[21]將MPTP關(guān)閉劑用于成人心肌梗死后的臨床治療，核磁共振成像結(jié)果提示患者的心肌梗死面積明顯縮小。這些試驗結(jié)果提示抑制MPTP開放可能成為成人冠狀動脈性心臟病治療的有效靶點。

3.2兒童心肌缺血再灌注損傷

兒童的心肌缺血再灌注損傷常見于先天性心臟畸形的外科手術(shù)中。在先天性心臟病外科手術(shù)中，實施心肺分流時，心臟停跳將導(dǎo)致全心缺血；當(dāng)心肺分流結(jié)束，恢復(fù)心肌供血時，又可能發(fā)生缺血再灌注損傷。兒童心臟手術(shù)中的心肌損傷呈彌漫性，而成人心肌梗死時，心肌損傷只發(fā)生在與病變血管相關(guān)的局部區(qū)域。Oka等[22]，對14日齡的小豬實施心肺分流術(shù)時，在心臟停跳液中加用MPTP關(guān)閉劑有助于維持心肌細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)的完整性，改善線粒體功能。Leung等[23]對新生家兔進行了心臟停跳后復(fù)蘇實驗，結(jié)果也證實，在心臟手術(shù)中預(yù)先給予MPTP關(guān)閉劑可有效減輕手術(shù)過程中引起的心肌損傷。

新生兒作為一個特殊的群體，其心肌缺血再灌注損傷常發(fā)生于新生兒窒息的救治過程。新生兒窒息引起進行性低氧血癥，血氧過低將導(dǎo)致全心缺血缺氧，而復(fù)蘇治療時又可能出現(xiàn)彌漫性的心肌再灌注損傷。有研究報道，約50%～80%的患兒有心功能異常的表現(xiàn)[24]。Gill等[25]采用新生小豬模型進行了急性窒息再復(fù)氧實驗，結(jié)果表明在復(fù)氧起始階段給予不同劑量的MPTP關(guān)閉劑，可以增加動物的心輸出量，改善心功能。

由此可見，盡管心肌的發(fā)育成熟程度不同，引起心肌缺血再灌注損傷的原因亦不同，MPTP關(guān)閉劑對心肌缺血再灌注損傷都表現(xiàn)出了較好的保護效果。但是，在臨床治療中，關(guān)于MPTP關(guān)閉劑的適用范圍、適宜劑量和使用時機等問題，還需要更深入的研究來驗證。

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(編輯：魏源)

[中圖分類號]R541

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1672-5042(2015)06-0668-03

[收稿日期]2015-07-28[修回日期] 2015-09-15

doi:10.11659/jjssx.01E015033