端家豪， 楊 春， 楊 玲△

1蘇州大學(xué)附屬第三醫(yī)院心血管內(nèi)科，常州 2130032南京醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院麻醉及圍術(shù)期醫(yī)學(xué)科，南京 210029

線粒體功能障礙是心血管疾病重要的病理機(jī)制之一[1]。線粒體因子(mitokines)為細(xì)胞應(yīng)激時(shí)由細(xì)胞核或線粒體以細(xì)胞非自主效應(yīng)產(chǎn)生或激活的一類細(xì)胞因子、肽類或信號通路。除作為線粒體與細(xì)胞核信息交流的信號分子外，線粒體因子還可釋放至遠(yuǎn)端組織，發(fā)揮系統(tǒng)性調(diào)節(jié)作用。本文概述了線粒體功能對心臟功能維持的重要性，總結(jié)了線粒體因子在心血管疾病(cardiovascular diseases，CVDs)中發(fā)揮的關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用，并探討了線粒體因子作為新的CVDs診治靶點(diǎn)的可能與挑戰(zhàn)。

1 線粒體與心臟功能

線粒體約占心肌細(xì)胞體積的25%～30%，廣泛分布于肌膜下、核周及膜內(nèi)[2]。哺乳動物的線粒體編碼37個基因，其中13個編碼氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)的蛋白多肽亞單位。線粒體通過OXPHOS滿足了95%以上心肌對于三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的需求[3]。此外，線粒體亦能廣泛地參與心肌細(xì)胞各種生理活動，如炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、代謝調(diào)節(jié)等[4]。值得注意的是，線粒體結(jié)構(gòu)并非一成不變，而是處于一種動態(tài)平衡中。線粒體通過融合、裂變及自噬等方式進(jìn)行線粒體質(zhì)量調(diào)控，維持自身功能相對穩(wěn)定[5]。線粒體穩(wěn)態(tài)的維持對于心臟功能具有重要意義。

2 線粒體功能障礙與CVDs

線粒體脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)表達(dá)異常與心肌病、心律失?；蛐墓δ懿蝗芮邢嚓P(guān)[6]，心肌缺血-再灌注損傷等心血管事件可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激(oxidative stress，OS)，釋放過多的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，從而引起線粒體及細(xì)胞損傷[7]。此外，衰老的線粒體維持自身穩(wěn)態(tài)的能力下降，引起線粒體穩(wěn)態(tài)失衡或線粒體自噬障礙，從而誘發(fā)CVDs[8]。

2.1 線粒體DNA異常

線粒體DNA由于缺乏組蛋白保護(hù)且修復(fù)機(jī)制不完善，更易受到ROS等自由基損傷，因此線粒體DNA較核DNA更易發(fā)生缺失或突變。線粒體DNA突變所致的線粒體能量代謝障礙是線粒體心肌病的重要病理生理機(jī)制之一[9]。研究顯示，線粒體DNA突變與肥厚型心肌病、擴(kuò)張型心肌病及糖尿病心肌病高度相關(guān)[10]。此外，線粒體DNA相關(guān)心肌病常伴有心律失常，易進(jìn)展為心力衰竭(heart failure，HF)[11]。目前線粒體心肌病的治療主要針對線粒體DNA及細(xì)胞核編碼的蛋白，包括替換卵母細(xì)胞中有缺陷的線粒體DNA、補(bǔ)充含有外源性線粒體的組織、基因治療以糾正或降解有缺陷的線粒體DNA等[12]。

2.2 線粒體功能不全

2.2.1 線粒體能量代謝障礙 心肌的收縮和舒張是一個主動耗能的過程，ATP是心肌唯一可利用的能量形式。生理?xiàng)l件下，心肌細(xì)胞95%的ATP來源于線粒體的有氧氧化，5%來源于糖酵解等途徑[13]。病理狀態(tài)下，線粒體以代謝重塑響應(yīng)心肌的缺血缺氧狀態(tài)[14]。線粒體產(chǎn)能從以脂肪酸為主的OXPHOS向以糖酵解為主的模式轉(zhuǎn)化，主要表現(xiàn)為ATP的生成減少和ROS的生成增加。較少的ATP無法供應(yīng)心肌正常舒縮所需，而過多的ROS蓄積又會破壞線粒體結(jié)構(gòu)，大大降低了線粒體氧化呼吸鏈的功能，由此形成惡性循環(huán)。研究顯示，晚期HF患者存在嚴(yán)重的心肌ATP含量不足[2]。同時(shí)，動物實(shí)驗(yàn)表明改善衰竭心肌的能量代謝可恢復(fù)部分心肌功能[15]。此外，經(jīng)臨床試驗(yàn)證明，抗心絞痛藥物曲美他嗪有改善心肌糖脂比例的作用，從而達(dá)到補(bǔ)充ATP、改善HF預(yù)后的效果。

2.2.2 線粒體鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡 心肌收縮依賴于胞外鈣離子內(nèi)流觸發(fā)的鈣誘導(dǎo)鈣釋放效應(yīng)(calcium-induced calcium release，CICR)，而線粒體在調(diào)節(jié)胞內(nèi)外鈣離子動態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要作用。胞內(nèi)外鈣離子濃度的動態(tài)變化不僅影響著骨骼肌、心肌的收縮過程，還可作為第二信使調(diào)節(jié)突觸中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放以及內(nèi)分泌細(xì)胞中激素的釋放。Luongo等[16]證實(shí)了線粒體鈉鈣交換體(Na+/Ca2+exchanger，NCLX)能影響心臟的正常功能，缺失NCLX可誘導(dǎo)死亡。此外，檢查死亡小鼠的心肌細(xì)胞發(fā)現(xiàn)線粒體腫脹、功能障礙，并且線粒體膜通透性轉(zhuǎn)化孔(mitochondrial permeability transition pore，mTPT)被激活，該指標(biāo)曾被證實(shí)是鈣離子超載導(dǎo)致細(xì)胞死亡的指標(biāo)。以上研究表明，針對線粒體鈣離子通道的治療可能具有緩解心臟功能不可逆性進(jìn)展的潛在方向。

2.2.3 線粒體自噬異常 線粒體自噬(mitophagy)的概念首次由Lemasters等[17]提出，指細(xì)胞選擇性清除受損、衰老的線粒體，從而發(fā)揮線粒體質(zhì)量控制(mitochondrial quality control，MQC)作用并維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的一種高度選擇性的自噬。磷酸酶及張力蛋白同源物誘導(dǎo)的蛋白激酶1(PTEN-induced putative protein kinase1，PINK1)/Parkin為線粒體自噬最主要的調(diào)控機(jī)制。線粒體受損后，PINK1在線粒體外膜上聚集，激活Parkin，并將其募集到受損的線粒體上，促進(jìn)線粒體的降解[18]。研究顯示，線粒體自噬與高血壓、冠狀動脈粥樣硬化、病毒性心肌炎及HF等CVDs均高度相關(guān)。例如，Dorn等[19]發(fā)現(xiàn)PINK1可使位于線粒體表面的線粒體融合蛋白(Mitofusin2，Mfn2)磷酸化，與周圍的Parkin分子結(jié)合并誘導(dǎo)線粒體凋亡，從而導(dǎo)致HF的發(fā)生。

2.3 OS

傳統(tǒng)認(rèn)為OS引起的ROS異常釋放是細(xì)胞衰老和凋亡的主要原因[20]。然而，近來研究表明線粒體衰老理論似乎被高估了[21]，衰老與線粒體過表達(dá)ROS并沒有必然的聯(lián)系[22]。有趣的是，適量的ROS被證明有一定的心臟保護(hù)作用[23]。如心臟缺血預(yù)處理(ischemic preconditioning，IPC)過程中ROS介導(dǎo)的心臟保護(hù)作用[24]，其機(jī)制可能是通過線粒體調(diào)控的前自噬旁路和線粒體興奮作用(mitohormesis)來實(shí)現(xiàn)[25]。盡管如此，過量的ROS在缺血再灌注損傷中仍然可能是有害的[26]。長期暴露于ROS可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡、壞死和纖維化，從而促進(jìn)心肌肥厚[27]?？傊琑OS對心臟的影響仍值得進(jìn)一步討論。

3 線粒體因子與CVDs

3.1 線粒體因子的定義及來源

線粒體因子為細(xì)胞應(yīng)激時(shí)由細(xì)胞核或線粒體以細(xì)胞非自主效應(yīng)產(chǎn)生或激活的一類細(xì)胞因子、肽類或信號通路。除作為線粒體與細(xì)胞核信息交流的信號分子外，mitokines還可釋放至遠(yuǎn)端組織，發(fā)揮系統(tǒng)性調(diào)節(jié)作用。其中，成纖維細(xì)胞因子21(fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF21)、生長分化因子15(growth differentiation factor 15，GDF15)、Adropin和鳶尾素(Irisin)由細(xì)胞核編碼釋放，調(diào)節(jié)細(xì)胞和組織代謝[28]；而線粒體衍生肽(mitochondria-derived peptides，MDPs)和線粒體未折疊蛋白反應(yīng)(mitochondrial unfolded protein response，UPRmt)則由線粒體基因組編碼，以逆行信號上調(diào)分子伴侶、蛋白酶及抗氧化基因表達(dá)并增加線粒體生物發(fā)生[29]。

3.2 細(xì)胞核源性的線粒體因子

3.2.1 FGF21 FGF21作為成纖維細(xì)胞生長因子家族(fibroblast growth factors，F(xiàn)GFs)新成員，由Nishimura等[30]首次從鼠胚胎中分離獲得。近來，心臟和微血管中也發(fā)現(xiàn)有FGF21分布。胰島素抵抗(insulin resistance，IR)被認(rèn)為有促動脈粥樣斑塊形成、升高血壓等作用。而FGF21可增加體內(nèi)能量代謝，降低血漿三酰甘油和低密度脂蛋白水平。此外，F(xiàn)GF21還有類胰島素作用，可增加脂肪細(xì)胞攝取葡萄糖、降低血糖水平并抑制胰高血糖素分泌[31]。研究顯示，動脈粥樣硬化患者或動脈粥樣硬化的高危人群中循環(huán)FGF21水平升高[32]，且應(yīng)用外源性FGF21可顯著改善小鼠的脂質(zhì)代謝紊亂，并減少動脈粥樣硬化斑塊面積[33]。而缺乏FGF21的小鼠更容易發(fā)生高膽固醇血癥和動脈粥樣硬化[34]。值得注意的是，有研究提示循環(huán)FGF21升高與高血壓獨(dú)立相關(guān)，且肥胖女性血清中FGF21濃度升高與血管僵硬度增加及血壓升高相關(guān)[35-36]。究其機(jī)制，F(xiàn)GF21可能通過激活相關(guān)信號蛋白，參與中樞血壓調(diào)節(jié)[37]。在心肌肥厚條件下，線粒體解偶聯(lián)蛋白3(uncoupling protein 3，UCP3)通過激活FGF21發(fā)揮心臟抗OS作用[38]；此外，F(xiàn)GF21在去乙?；?(SIRT1)過表達(dá)的基礎(chǔ)上，通過胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)旁路激活超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD2)，抑制ROS的生成[39]。上述表明FGF21可作為CVDs血清檢測指標(biāo)之一，且外源性FGF21有起到CVDs治療作用的潛力。

3.2.2 GDF15 GDF15首次被鑒定為巨噬細(xì)胞抑制因子1(macrophage inhibitory cytokine 1，MIC-1)，屬轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)-β超家族，以大約40 kD前肽形式存在[40]。目前GDF15的功能仍未完全闡明，可能在調(diào)節(jié)炎癥通路中發(fā)揮作用，并參與調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞修復(fù)和細(xì)胞生長[41]。與FGF21相似，GDF15也被認(rèn)為是線粒體呼吸鏈缺陷的標(biāo)志物[42]。激活的GDF15與膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(glial cell-derived neurotrophic factor，GDNF)家族受體α樣(α-like)(GFRAL)受體結(jié)合[43]，通過影響線粒體的生物發(fā)生、熱量生成和脂肪酸代謝來調(diào)節(jié)食欲和能量代謝。Lok等[44]首次報(bào)道GDF-15可作為預(yù)后指標(biāo)來衡量對左心室輔助裝置(left ventricular assist device，LVAD)植入等治療干預(yù)措施的反應(yīng)；另有臨床研究表明GDF15和N末端B型利尿鈉肽(N-terminal prohormone of brain natriuretic peptide，NT-proBNP)均為慢性射血分?jǐn)?shù)降低的心衰(HFrEF)患者的核心生物標(biāo)志物[45]。然而，GDF15的表達(dá)與多種病理狀態(tài)有關(guān)，推測GDF15可能作為一種普遍的應(yīng)激因子發(fā)揮作用[46]。

3.3 線粒體源性的線粒體因子

3.3.1 UPRmtUPRmt最早在秀麗隱桿線蟲中被證實(shí)為線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)和質(zhì)量控制的關(guān)鍵調(diào)節(jié)通路。正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞核編碼的蛋白由核糖體轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體，在線粒體內(nèi)被正確折疊和組裝[47]。線粒體應(yīng)激時(shí)，細(xì)胞內(nèi)較低的ATP水平或跨膜電位將減緩前體蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的速度，導(dǎo)致大量錯誤折疊的蛋白質(zhì)或蛋白前體在胞質(zhì)內(nèi)大量積聚[48]。此時(shí)線粒體相應(yīng)的蛋白酶體激活，并啟動UPRmt，上調(diào)分子伴侶、蛋白酶和抗氧化基因的表達(dá)，恢復(fù)線粒體功能[29]。在增殖細(xì)胞中，持續(xù)的UPRmt可在促進(jìn)糖酵解的同時(shí)維持線粒體功能的穩(wěn)定[49]。而在有絲分裂或分裂后的細(xì)胞，如肌細(xì)胞中，UPRmt抑制三羧酸循環(huán)和OXPHOS相關(guān)基因的表達(dá)，減輕代謝負(fù)荷和次級產(chǎn)物ROS對細(xì)胞的損傷，同時(shí)增加糖酵解和氨基酸分解基因的表達(dá)以滿足細(xì)胞對ATP的需求[50]。值得注意的是，Smyrnias等[51]通過體外心肌細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、小鼠心臟超負(fù)荷模型及對主動脈狹窄患者的血漿標(biāo)志物分析得出結(jié)論，藥理性增強(qiáng)心肌UPRmt可以改善小鼠超負(fù)荷心臟的線粒體和收縮功能障礙。他們還證實(shí)了UPRmt的激活與主動脈狹窄患者血漿中較低的超敏肌鈣蛋白T(hs-cTnT)和NT-pro BNP相關(guān)[52]。此外，研究證實(shí)膽堿可通過調(diào)節(jié)UPRmt來改善心肌肥厚[53]。然而，過度延長或缺乏調(diào)節(jié)的UPRmt可能是有害的，比如有助于有缺陷的線粒體的積累和神經(jīng)退行性表型的形成[54]。

3.3.2 MDPs MDPs即為一類由線粒體DNA編碼基因表達(dá)的肽，主要包括humanin(HN)、12S rRNA-c線粒體開放閱讀框架(mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c，MOTS-c)和小humanin-樣肽(small humanin-like peptides，SHLPs)[55]。humanin是Hashimoto等[56]首次發(fā)現(xiàn)的一種阿爾茲海默癥的特異性神經(jīng)元保護(hù)肽。近來研究表明humanin在心臟應(yīng)激中也發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。在缺血再灌注模型中，humanin通過促進(jìn)線粒體發(fā)生和內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(endothelial NO synthase，eNOS)的表達(dá)發(fā)揮抗OS效應(yīng)，保護(hù)左室功能[57]。此外，[Gly14]-humanin(HNG)可減少巨噬細(xì)胞衍生的泡沫細(xì)胞對氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein，ox-LDL)的攝取并增加膽固醇流出，從而發(fā)揮對早期動脈粥樣硬化患者的保護(hù)作用[58]。SHLPs也是一類編碼于線粒體16S rRNA區(qū)域的多肽，目前已經(jīng)鑒定出6個肽段(SHLP1～6)[59]。SHLP2在抗凋亡、胰島素增敏和維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面表現(xiàn)出與humanin相似的作用[59]。MOTS-c由線粒體12S rRNA編碼，受代謝應(yīng)激轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，調(diào)節(jié)適應(yīng)性核基因表達(dá)[60]。MOTS-c可通過抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)活性，減少下游信號活化NF-κB誘導(dǎo)的炎癥因子表達(dá)，保護(hù)血管內(nèi)皮功能[61]。因此，較低的內(nèi)源性MOTS-c水平被認(rèn)為與冠狀動脈內(nèi)皮功能受損有關(guān)[62]。

4 線粒體因子治療CVDs的可能與挑戰(zhàn)

一直以來，如何無創(chuàng)性評估患者線粒體功能一直是未解決的難題。臨床迫切需要特異性高、短期內(nèi)敏感的、具有臨床意義的生物標(biāo)志物。FGF21[63]和GDF15[42]已經(jīng)在小鼠模型和患者群體中得以驗(yàn)證，可作為線粒體疾病的生物標(biāo)志物。然而，這些方法的一個普遍問題是難以推斷組織損傷的位置。值得注意的是，相比于執(zhí)著于區(qū)別線粒體因子的來源，關(guān)注線粒體因子對心臟的保護(hù)作用似乎更具意義。其他組織分泌的線粒體因子通過改善線粒體功能，調(diào)節(jié)糖脂代謝降低CVDs危險(xiǎn)因素[64]；而受損心肌或內(nèi)皮細(xì)胞亦可分泌線粒體因子進(jìn)入體循環(huán)，影響細(xì)胞表面受體調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，減輕OS或炎癥損傷，從而改善動脈粥樣硬化，保護(hù)缺血心肌和減少缺血再灌注損傷[65]。以上機(jī)制體現(xiàn)了線粒體對于心臟功能的系統(tǒng)性調(diào)節(jié)作用。

5 展望

線粒體功能障礙與CVDs之間的相互作用一直受到關(guān)注。如何無創(chuàng)性檢測線粒體功能，實(shí)現(xiàn)靶向給藥并降低藥物毒性為研究難點(diǎn)。線粒體因子的研究進(jìn)展代表了線粒體治療的新前景。破譯這些過程的細(xì)節(jié)，并進(jìn)一步識別相關(guān)的基因和肽類，在CVDs的診斷和治療方面具有巨大潛力。當(dāng)然，我們只探討了線粒體因子作為CVDs診治靶點(diǎn)可能性的一部分。例如，F(xiàn)GF21的分泌受晝夜節(jié)律和營養(yǎng)因素的影響，這可能降低其作為心肌功能障礙生物標(biāo)志物的特異性。然而，考慮到現(xiàn)有線粒體因子的研究進(jìn)展，我們?nèi)怨膭钆R床醫(yī)生在現(xiàn)有的、適當(dāng)?shù)幕颊呷后w中探索這種可能性?？傊?，我們希望以線粒體因子為靶點(diǎn)建立一類有效的生物標(biāo)志物及預(yù)測算法，在臨床癥狀出來前篩查患者CVDs的高危因素，以協(xié)助后續(xù)的治療。