楊海燕綜述， 吳麗文審校

線粒體是存在于真核細(xì)胞中雙層膜包被的細(xì)胞器，人體的能量工廠，細(xì)胞內(nèi)氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)的主要場(chǎng)所，為細(xì)胞活動(dòng)提供了化學(xué)能量。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，線粒體負(fù)責(zé)神經(jīng)元正常電活動(dòng)和突觸傳遞所需能量以及神經(jīng)遞質(zhì)的合成、鈣離子內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、氧化還原信號(hào)、活性氧簇的生產(chǎn)和調(diào)節(jié)、神經(jīng)元的凋亡。一方面，癲癇發(fā)作可導(dǎo)致線粒體損傷[1]；另一方面，線粒體功能障礙可導(dǎo)致癲癇發(fā)作[2],由此可見，線粒體功能障礙與癲癇有著千絲萬縷的關(guān)系。因此了解線粒體功能障礙與癲癇發(fā)病機(jī)制之間的相互關(guān)系對(duì)于選擇合適的抗癲癇藥物治療至關(guān)重要，并有可能為由線粒體功能障礙引起的癲癇開辟新的治療途徑。

1 線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙與癲癇

線粒體生物氧化呼吸鏈由5種線粒體呼吸鏈膜蛋白復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和輔酶Q細(xì)胞色素C共同組成，是氧化磷酸化的場(chǎng)所。線粒體呼吸鏈膜蛋白復(fù)合體是線粒體內(nèi)膜中呼吸鏈的天然存在形式，主要功能是完成電子傳遞過程，驅(qū)動(dòng)氫離子移出內(nèi)膜轉(zhuǎn)變成跨膜的氫離子梯度，用于三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)的生物合成，其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ完全鑲嵌在內(nèi)膜中，復(fù)合體Ⅱ則鑲嵌在內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)[3]，生物氧化呼吸鏈功能是由各種復(fù)合體共同作用的結(jié)果，因此，線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙可影響氧化磷酸化的功能，使ATP生成減少而致病，若累及中樞神經(jīng)系統(tǒng)，則導(dǎo)致線粒體腦病，這類疾病通常存在癲癇發(fā)作[4]。相關(guān)實(shí)驗(yàn)性研究表明線粒體對(duì)癲癇十分敏感，癲癇存在著線粒體超微結(jié)構(gòu)的損傷和線粒體生物氧化呼吸鏈復(fù)合體的缺陷，癲癇持續(xù)發(fā)作后，隨時(shí)間延長線粒體損傷逐漸加重，根據(jù)損傷輕重程度可分為間隙腫脹，膜的結(jié)構(gòu)尚完整；線粒體基質(zhì)消失，結(jié)構(gòu)破壞；線粒體明顯空泡化，伴內(nèi)外膜的崩解[5]。氧化磷酸化功能障礙可能源自核編碼基因或線粒體編碼基因的突變，編碼Ⅰ型復(fù)合物的基因缺陷比其他4種復(fù)合物的基因缺陷更容易誘發(fā)癲癇，編碼Ⅰ型復(fù)合物缺陷合并癲癇是最常見的，編碼復(fù)合物Ⅰ的ND5亞基的MTND5中的致病性異質(zhì)性突變m.13046T> C，該特定變異體可導(dǎo)致Leber遺傳性視神經(jīng)病變(Leber’s hereditary optic neuropathy,LHON)和線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)重疊綜合征[6～8];編碼Ⅱ型復(fù)合物的基因缺陷合并癲癇的病例較少;編碼Ⅲ型復(fù)合物的基因缺陷合并癲癇很罕見，有過2例獨(dú)立報(bào)道;編碼Ⅳ型復(fù)合物的基因缺陷合并癲癇病例的較少，因?yàn)榫€粒體細(xì)胞色素C氧化酶2中的突變很罕見，并且相關(guān)的表型是可變的[9];Ⅴ型復(fù)合物在臨床中應(yīng)用較少，合并癲癇的表型有母系遺傳性Leigh綜合征(Maternally Inherited Leigh syndrome，MILS)和TIMM50基因中的錯(cuò)義突變致線粒體復(fù)合體Ⅴ缺乏癥的癲癇[10]。

線粒體結(jié)構(gòu)損傷和氧化呼吸鏈酶活性改變導(dǎo)致線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙，ATP生成耗竭，人體的大腦組織是高耗能區(qū)，在很短時(shí)間能量供應(yīng)不足便會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，長期腦組織能量供應(yīng)不足會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或死亡，從而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，尤以癲癇最為顯著，而癲癇發(fā)作的過程本身又有著巨大的能量需求，二者相互影響，加劇病情變化，導(dǎo)致癲癇持續(xù)狀態(tài)難以控制，產(chǎn)生持續(xù)腦損傷并導(dǎo)致慢性癲癇的形成。

2 線粒體氧化應(yīng)激損傷與癲癇

線粒體氧化應(yīng)激損傷是指線粒體活性氧產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化，伴隨著由于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶的激活引起的線粒體超微結(jié)構(gòu)的損傷。生理狀態(tài)下線粒體是活性氧的主要產(chǎn)生部位，線粒體中的氧自由基主要在呼吸鏈中產(chǎn)生;線粒體也可以生成多種活性氮，并在線粒體內(nèi)各種酶催化作用下衍生成過氧亞硝基陰離子(ONOO-)，ONOO-是一種活性很強(qiáng)的自由基，極易對(duì)線粒體造成損傷。和其它組織相比，人腦的一些本身特性可造成更多自由基的產(chǎn)生，例如人腦要消耗人體內(nèi)20%的氧，腦內(nèi)氧化磷酸化過程會(huì)產(chǎn)生大量的自由基，腦中鐵含量較高，也可促進(jìn)自由基大量產(chǎn)生，再加上腦中抗氧化物酶本身較低，這就造成人腦清除自由基能力的相對(duì)不足,正是由于這些特性導(dǎo)致腦組織易受氧化應(yīng)激損傷，導(dǎo)致超負(fù)荷的活性氧(reactive oxygen species,ROS)、活性氮(reactive nitrogen species,RNS)物質(zhì)，誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡和死亡,進(jìn)而導(dǎo)致癲癇發(fā)作[11,12]。未成熟腦中相關(guān)研究的癲癇發(fā)生期高達(dá)4 w，與氧自由基的顯著增加相關(guān)，癲癇發(fā)作后產(chǎn)生大量自由基，造成氧化應(yīng)激損傷，產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用[13,14]。線粒體既是癲癇發(fā)作后自由基的重要生產(chǎn)場(chǎng)所，又是應(yīng)激的靶點(diǎn);同時(shí)線粒體的氧化損傷和機(jī)能障礙可增加癲癇易感性，加重癲癇造成的神經(jīng)損傷。目前在線粒體氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的癲癇的治療上，針對(duì)氧化應(yīng)激損傷和捐獻(xiàn)健康線粒體拯救具有缺陷線粒體功能的細(xì)胞能力的方法,可能會(huì)為線粒體氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的癲癇的治療帶來新思路。

3 谷氨酸增加、鈣超載與癲癇

癲癇發(fā)作的臨床特征主要表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)局部以及整個(gè)腦區(qū)神經(jīng)元的異常同步放電，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電活動(dòng)平衡主要依賴于興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元的活動(dòng)彼此牽制抗衡，腦內(nèi)興奮性活動(dòng)的增強(qiáng)或抑制性活動(dòng)的減弱均會(huì)影響整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電平衡,而這種電活動(dòng)失衡是癲癇發(fā)生的關(guān)鍵因素[15,16]。早期研究表明，谷氨酸水平異常與癲癇患者過度興奮有關(guān)，谷氨酸受體異常增加致使中樞神經(jīng)系統(tǒng)大量神經(jīng)元一直處于過度興奮狀態(tài)，在癲癇患者腦組織和癲癇動(dòng)物模型中都發(fā)現(xiàn)谷氨酸水平升高，并證實(shí)谷氨酸引起的興奮性毒性可導(dǎo)致神經(jīng)元死亡[17]。鈣離子作為重要的胞內(nèi)第二信使，可以影響神經(jīng)元的多種功能。例如通過直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子或通過鈣離子依賴的激酶磷酸酶作用于轉(zhuǎn)錄因子影響基因轉(zhuǎn)錄[18]，啟動(dòng)苔蘚纖維出芽、調(diào)節(jié)蛋白及翻轉(zhuǎn)速度、改變腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)表達(dá)量、啟動(dòng)神經(jīng)發(fā)生及重組等；鈣離子升高可以活化鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶并與γ-氨基丁酸A受體的β2/3亞單位或γ2亞單位結(jié)合發(fā)生去磷酸化，加速受體內(nèi)化，同時(shí)壓制抑制性突觸傳遞功能；此外還可激活鈣離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ，激活的鈣離子-鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ會(huì)促使α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid receptor，AMPAR)亞單位谷氨酸受體1(glutamate receptor 1，GluR1)插入細(xì)胞膜，從而促進(jìn)鈣離子內(nèi)流及興奮性突觸長時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)[19]等。癲癇發(fā)生時(shí)谷氨酸釋放增加并激活突觸后膜的N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)，增加鈣離子內(nèi)流，使后續(xù)的一些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的關(guān)鍵分子的表達(dá)及活性改變并影響一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終使腦內(nèi)興奮-抑制平衡被打破[20]。最新研究指出，線粒體功能失常會(huì)破壞神經(jīng)元胞內(nèi)的鈣離子動(dòng)態(tài)平衡，大量鈣離子內(nèi)流，長期持續(xù)細(xì)胞內(nèi)鈣超載，會(huì)引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生可塑性改變，從而影響神經(jīng)元的興奮性和突觸傳遞，最終導(dǎo)致癲癇發(fā)作[21]。因此線粒體功能障礙引起鈣泵活動(dòng)障礙神經(jīng)細(xì)胞鈣平衡與腦內(nèi)興奮-抑制平衡被打破，使大腦神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)而誘發(fā)癲癇。在治療上抑制谷氨酸水平的升高增加大腦抑制性神經(jīng)遞質(zhì)水平，抑制鈣超載是治療癲癇的重要途徑。

4 線粒體的移動(dòng)變化障礙與癲癇

線粒體的平均壽命10 d左右，線粒體在細(xì)胞內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)、分裂、融合、以及自噬以達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡，線粒體移動(dòng)變化可將受損傷線粒體逆行轉(zhuǎn)運(yùn)至胞體被降解和回收,同時(shí)將正常線粒體順向運(yùn)動(dòng)至神經(jīng)元的作用部位而發(fā)揮功能。線粒體功能正常情況下,線粒體通過移動(dòng)來使得其分布正常,而且不僅如此,其還能夠?qū)⒕€粒體移動(dòng)到合適的位置來應(yīng)對(duì)其損傷[22]。當(dāng)線粒體移動(dòng)變化障礙時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙，氧化應(yīng)激損傷,線粒體的DNA發(fā)生突變,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)堆積的大量變性蛋白質(zhì)和受損細(xì)胞器不能被降解，線粒體膜電位下降明顯,伴隨著線粒體通透性轉(zhuǎn)運(yùn)增加,細(xì)胞色素C(Cytochrome C,Cyt C)和凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor，AIF)被釋放到細(xì)胞質(zhì)中誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,細(xì)胞凋亡促使神經(jīng)元對(duì)于癲癇損傷更加敏感，增加了癲癇的易感性，這會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)的形成，因此,對(duì)受損的線粒體進(jìn)行及時(shí)的清除非常重要。此外相關(guān)性研究還證實(shí)了線粒體自噬與難治性顳葉癲癇、海馬硬化相關(guān)[23]。

5 線粒體遺傳物質(zhì)突變與癲癇

線粒體是細(xì)胞內(nèi)唯一存在于細(xì)胞核外又帶有遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器，與核基因不同，線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)結(jié)構(gòu)簡單，僅含16569個(gè)堿基，編碼2種核糖體RNA(ribosomal RNA,rRNA)、22種轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(Transfer Ribonucleic Acid，tRNA)和13種參與呼吸鏈形成的多肽，通常裸露且不含內(nèi)含子，既缺乏組蛋白保護(hù)和完善的自我修復(fù)系統(tǒng)，又靠近內(nèi)膜呼吸鏈，極易受環(huán)境影響，突變頻率比核基因組高10～20倍，呈母系遺傳[24]。線粒體DNA的突變可導(dǎo)致線粒體功能缺陷，線粒體DNA只有過度復(fù)制產(chǎn)生數(shù)量驚人的拷貝才能補(bǔ)償此缺陷[25]，此外，線粒體病有累加效應(yīng)，有隨著年齡的增加病情會(huì)越來越嚴(yán)重。已有大量的研究證實(shí)線粒體基因突變與許多疾病相關(guān)[26]，目前發(fā)現(xiàn)的有100余種，與癲癇密切相關(guān)的主要有Leber遺傳性視神經(jīng)病變(Leber's hereditary optic neuropathy,LHON)、肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維(myoclonic epilepsy with ragged red fibers,MERRF)綜合征、線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)、Leigh綜合征、POLG(聚合酶)突變相關(guān)綜合征[27,28]。線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)發(fā)生突變，造成線粒體功能障礙或缺失，機(jī)體能量供應(yīng)不足，致使疾病的發(fā)生，尤其易累及能量需求較大的腦組織而出現(xiàn)癲癇發(fā)作。反之，反復(fù)或持續(xù)的癲癇發(fā)作引起的氧化應(yīng)激使線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)暴露于高活性氧的環(huán)境中，使其更容易被攻擊受損而出現(xiàn)核酸鏈斷裂或堿基改變[29]，此外腦創(chuàng)傷性損傷后引起的線粒體遺傳物質(zhì)突變與癲癇也有相關(guān)性[30]。目前隨著醫(yī)學(xué)基因診斷技術(shù)的發(fā)展，通過新一代測(cè)序技術(shù)和全外顯子測(cè)序技術(shù)對(duì)成千上萬的患者的基因組進(jìn)行測(cè)序研究將大大提高對(duì)線粒體遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致的癲癇的診斷率，同時(shí)，也揭示了大量新的突變位點(diǎn)和先前未知的遺傳和致病機(jī)制[31]。與線粒體功能障礙相關(guān)的基因突變相繼也被報(bào)道與癲癇易感相關(guān)，肌陣攣性癲癇伴肌肉破碎紅纖維(myoclonic epilepsy with ragged red fibers,MERRF)綜合征、線粒體腦肌病、乳酸酸中毒及卒中樣發(fā)作綜合征(Mitochondrial encephalomyopathy,lactic acidosis,and stroke-like episodes，MELAS)由于線粒體tRNA基因突變所致[32,33]；一個(gè)新的純合子c.925G>A(G309S)錯(cuò)義突變的基因FARS2可被認(rèn)為是早發(fā)性癲癇性腦病(Early onset epileptic encephalopathies，EOEE)的遺傳原因之一[34]。也有學(xué)者在癲癇患者中發(fā)現(xiàn)了線粒體編碼多肽基因的突變，包括ATP酶6基因、細(xì)胞色素C氧化酶Ⅲ基因,和NDⅠ基因[35]。其它mtDNA的突變主要位于賴氨酸(Lysin)、絲氨酸(Ser)、亮氨酸(Leucin)、異亮氨酸(isoleucin)或半胱氨酸(cystein)的tRNA上，均與癲癇表型有關(guān)[36]。癲癇可引起線粒體編碼的細(xì)胞色素氧化酶Ⅰ亞基和蛋白水平的表達(dá)改變，而核基因編碼的細(xì)胞色素氧化酶Ⅳ亞基改變不明顯，說明癲癇可導(dǎo)致線粒體功能紊亂，線粒體編碼的基因更易受癇性發(fā)作的影響。

目前對(duì)于線粒體遺傳物質(zhì)突變導(dǎo)致的癲癇的治療主要就是各種維生素、輔酶因子、運(yùn)動(dòng)飲食療法(生酮飲食)、對(duì)癥治療[37]，但效果并不理想。近年來，隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了線粒體病的基因治療研究，給患者帶來了新的希望。如運(yùn)用基因組編輯技術(shù)通過突變修復(fù)方法修復(fù)線粒體突變基因；運(yùn)用人工生殖技術(shù)通過生殖系基因治療將線粒體DNA和核DNA的遺傳進(jìn)行分離，大大降低了患病母親子代發(fā)生線粒體遺傳物質(zhì)突變的幾率[38]；以及運(yùn)用腺病毒作為載體通過基因異位表達(dá)的方法來達(dá)到治療目的等。但到目前為止，基因療法還處于臨床試驗(yàn)和動(dòng)物模型階段，真正運(yùn)用于臨床還需大量嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐R床試驗(yàn)來證明其有效性。

6 結(jié) 論

癲癇與線粒體功能障礙之間有一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系，線粒體生物氧化呼吸鏈功能障礙導(dǎo)致三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)生成減少，三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)耗竭導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞極易發(fā)生去極化而興奮，從而導(dǎo)致癲癇發(fā)作。而癲癇發(fā)作的過程本身又有著巨大的能量需求，二者相互影響，加劇病情變化，導(dǎo)致癲癇持續(xù)狀態(tài)難以控制，產(chǎn)生持續(xù)腦損傷并導(dǎo)致慢性癲癇的形成；線粒體氧化應(yīng)激損傷增加癲癇易感性，加重癲癇造成的神經(jīng)損傷；谷氨酸增加與鈣超載引起鈣泵活動(dòng)障礙神經(jīng)細(xì)胞鈣平衡與腦內(nèi)興奮-抑制平衡被打破，使大腦神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)而誘發(fā)癲癇；線粒體遺傳物質(zhì)突變，突變的累積效應(yīng)使線粒體基因編碼的蛋白和受體功能障礙導(dǎo)致線粒體功能障礙，線粒體編碼的基因更易受癇性發(fā)作的影響。

7 展 望

從線粒體功能障礙去探討癲癇形成將從一個(gè)全新的角度來探討癲癇的發(fā)病機(jī)制 。在癲癇發(fā)病機(jī)制中，探討線粒體各相關(guān)的結(jié)構(gòu)功能障礙和分子機(jī)制紊亂以及線粒體遺傳物質(zhì)的變化，有助于我們進(jìn)一步揭示線粒體功能障礙在癲癇形成機(jī)制的作用，為今后尋求新的抗癲癇藥物研發(fā)靶點(diǎn)提供理論依據(jù)。