周慧宇，崔帆，雙衛(wèi)兵

（1.山西醫(yī)科大學(xué) 第一臨床醫(yī)學(xué)院，山西 太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院 泌尿外科，山西 太原 030001）

脊髓損傷（spinal cord injury,SCI）是由于各種不同的致病因素引起的脊髓結(jié)構(gòu)、功能損害，造成損傷水平以下運動、感覺及自主神經(jīng)功能的障礙。嚴重影響患者及其家庭乃至整個社會的和諧。SCI 在全球范圍內(nèi)有著較高的發(fā)病率，一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點［1-3］。按照時間進程，SCI 的病理生理過程可劃分為原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷兩個階段：前者大多是不可逆的損傷；后者是在原發(fā)性損傷的基礎(chǔ)上繼發(fā)性出現(xiàn)的病理生理改變，主要由氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的級聯(lián)放大效應(yīng)所致［4-5］，損害多數(shù)可逆［6-7］，繼發(fā)性損害階段是SCI治療的關(guān)鍵［8］。許多研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙在SCI 的疾病進展過程中發(fā)揮了重要作用［9-13］。本文對SCI 后傷段脊髓組織細胞線粒體功能障礙的各種病理機制進行總結(jié)，以期通過對這些機制深入探索，尋找新的治療SCI 藥理學(xué)靶點。

1 概述

線粒體是所有真核細胞制造能量的細胞器，是細胞進行有氧氧化的主要場所，線粒體的氧化磷酸化可以滿足細胞活動所需能量90%［14］。線粒體的氧化磷酸化過程主要通過內(nèi)膜完整的呼吸電子傳遞鏈來完成［13-15］。在生理狀態(tài)下，葡萄糖、蛋白質(zhì)和脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)在細胞內(nèi)水解為丙酮酸和脂肪酸后進入線粒體，并生成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體（FADH2）等具有還原性的高能分子，這些高能分子通過氧化呼吸鏈逐級傳遞，生成水和二氧化碳，并釋放能量。三磷酸腺苷（ATP）作為直接能源物質(zhì)，為細胞各項生命活動的提供能量供應(yīng)［16-17］。線粒體不僅是能量代謝工廠［18］，而且還參與多項細胞活動，如調(diào)節(jié)Ca2+濃度和誘導(dǎo)細胞凋亡等［19］。研究發(fā)現(xiàn)，SCI 后損傷段脊髓組織的細胞線粒體氧化磷酸化作用減弱，通過氧化釋放能量并生成ATP 的效率顯著降低［9-10］，而且損傷段脊髓細胞線粒體功能的恢復(fù)還具有一定的神經(jīng)保護作用［11］。

2 SCI 后線粒體形態(tài)學(xué)改變

脊髓損傷段的細胞線粒體形態(tài)的改變，使能量代謝的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)遭到破壞，能量合成受限，從而加快脊髓的繼發(fā)性損傷。透射電鏡發(fā)現(xiàn)，在SCI早期傷段脊髓細胞的線粒體形態(tài)發(fā)生顯著變化［20］。其在4、8 h 可以觀察到線粒體體積明顯增大，嵴排列不整或發(fā)生腫脹。隨著時間的延長，在16 h甚至發(fā)現(xiàn)有部分線粒體膜產(chǎn)生破裂，出現(xiàn)空泡化。出現(xiàn)這種變化的原因是SCI 后促使Ca2+等進入線粒體，線粒體膜內(nèi)外出現(xiàn)離子濃度差，在濃度梯度的作用下大量水分子進入線粒體內(nèi)，造成腫脹。

3 SCI 后線粒體膜功能改變

線粒體的多種生理功能都依賴于膜的流動性。正常情況下，線粒體膜處于動態(tài)的平衡狀態(tài)。頸髓損傷后受損細胞的線粒體膜磷脂酶A2（phospholipase A2,PLA2）活性在早期顯著增高，傷后6 h 達到高峰，并且與代表線粒體膜流動性的η值升降幅度基本一致，提示線粒體膜流動性與PLA2活性具有相關(guān)性。這種情況可能是由于頸髓損傷早期PLA2活性增高，引起膜磷脂降解，從而導(dǎo)致線粒體膜流動性下降，這與早期的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)密切相關(guān)［21］。受損細胞線粒體膜流動性的降低不僅會使Na+-K+-ATP 酶和細胞色素氧化酶的活性下降，還會損傷膜受體，使其不能發(fā)揮正常的生理功能，進而抑制了線粒體的能量代謝［22］。

SCI 后傷段脊髓細胞線粒體膜的改變主要體現(xiàn)在膜電位和膜流動性的下降。線粒體將所產(chǎn)生的部分能量以電化學(xué)勢能形式儲存于內(nèi)膜，促使質(zhì)子和其他離子在內(nèi)膜兩側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)移，最終由于他們的不對稱分布而形成線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential,MMP）。正常的MMP 對線粒體氧化磷酸化和ATP 的合成都至關(guān)重要，可以作為評價線粒體功能的重要指標(biāo)［23-25］。MMP 下降不僅會使ATP 合成終止，還可以使胞質(zhì)內(nèi)的ATP 快速水解，從而加快ATP 的耗竭，能量供應(yīng)嚴重不足［23］，加重脊髓細胞的損傷。

線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔道（mitochondrial permeablity transition pore,mPTP）在調(diào)節(jié)線粒體能量代謝、細胞凋亡和細胞壞死方面發(fā)揮了重要作用。mPTP 在生理狀態(tài)下處于失活狀態(tài)，從而保證線粒體內(nèi)膜的低通透性，維持MMP 和膜內(nèi)外的離子梯度，這對線粒體的能量合成至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，SCI 后MMP 呈現(xiàn)下降趨勢，脊髓損傷段細胞的mPTP 轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放狀態(tài)［16，20，26］，其進一步導(dǎo)致電子傳遞和氧化磷酸化發(fā)生障礙［20］，游離脂肪酸增加、氧化應(yīng)激以及Ca2+超載等［16，26］，阻斷了ATP 的合成途徑［20］。SCI 造成MMP 下降mPTP 開放后，細胞質(zhì)中H+等小分子物質(zhì)會透過線粒體內(nèi)膜進入基質(zhì)，引起內(nèi)膜電位崩潰，氧化磷酸化完全脫偶聯(lián)，ATP 合成終止；同時由于基質(zhì)滲透壓升高，線粒體明顯腫脹，使外膜發(fā)生破裂，細胞色素c 以及其他凋亡誘導(dǎo)因子大量釋放，進而激活Caspase 通路誘導(dǎo)細胞凋亡［16，26］。因此mPTP 或許可以成為防治SCI 疾病進展的一個新靶點。

4 SCI 后線粒體中Ca2+紊亂

細胞的各項生理功能都需要電解質(zhì)平衡來維持，其中Ca2+的穩(wěn)態(tài)尤為重要。SCI 后由于細胞膜損傷和Ca2+通道異常開放，細胞外大量Ca2+會發(fā)生內(nèi)流；同時細胞內(nèi)鈣庫的釋放也會進一步提高Ca2+水平，最終導(dǎo)致細胞內(nèi)發(fā)生Ca2+超載。而胞內(nèi)Ca2+超載會造成Ca2+沉積于線粒體內(nèi)［27］。研究發(fā)現(xiàn)SCI 6 h，脊髓損傷段的細胞線粒體中游離的Ca2+水平較對照組明顯升高，隨著損傷后的時間推移，盡管Ca2+水平呈現(xiàn)出下降的趨勢，但是其線粒體內(nèi)仍然維持著較高水平［9］。可見細胞內(nèi)和線粒體內(nèi)Ca2+超載是SCI 后線粒體功能障礙和結(jié)構(gòu)受損的重要原因［28］。

線粒體膜損傷與細胞內(nèi)和線粒體內(nèi)高濃度Ca2+激活的磷脂酶有密切關(guān)系［27，29］。Ca2+超載對脊髓損傷段的細胞線粒體的破壞主要體現(xiàn)在以下幾個方面［27，29-30］：①引起鈣依賴性蛋白酶的活化，使核酸酶失去作用；②激活磷脂酶A 和磷脂酶C，催化膜磷脂水解，使細胞膜和線粒體膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，引起膜流動性降低、通透性增加；③誘導(dǎo)mPTP 開放，使線粒體發(fā)生腫脹、MMP 降低；④線粒體內(nèi)發(fā)生Ca2+超載后會影響氧化磷酸化過程，使呼吸鏈電子傳遞發(fā)生障礙。以上這些變化均可導(dǎo)致線粒體能量代謝障礙，使ATP 合成減少，加重脊髓細胞的損傷。Ca2+、自由基和能量代謝可以相互影響，其中任何一方的異常都會誘發(fā)或加重另外兩方的損傷［31］。

5 SCI 后線粒體中氧自由基損傷

氧自由基主要包括超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫及一氧化氮等。在生理條件下，氧自由基的產(chǎn)生和消除處于動態(tài)平衡，維持著神經(jīng)細胞的正常功能［32］。然而有研究發(fā)現(xiàn)，在SCI 的4 h后，傷段脊髓細胞內(nèi)氧自由基水平較對照組明顯升高［33］。SCI 后氧自由基主要通過三個途徑大量生成：由于局部組織缺血缺氧，傷段脊髓細胞的線粒體呼吸鏈電子傳遞發(fā)生障礙，NADH 無法進行氧化反應(yīng)，造成大量堆積，過多的NADH 使膜脂質(zhì)中的氧分子單價還原，產(chǎn)生氧自由基［21］；SCI后發(fā)生炎癥應(yīng)答，引起中性粒細胞活化，通過呼吸爆發(fā)產(chǎn)生了大量氧自由基［30］；同時補體活化和Ca2+超載也會引起氧自由基的增加［34］。氧自由基的大量生成，以及抗氧化防御系統(tǒng)的損傷，極易導(dǎo)致氧化應(yīng)激的發(fā)生［35］。氧化應(yīng)激是SCI 發(fā)病機制中的主要假說之一［36］，其不僅能使線粒體呼吸酶的活性降低，減慢呼吸鏈的電子傳遞，增加氧自由基生成，形成惡性循壞；其還可以通過增強解偶聯(lián)蛋白的表達，產(chǎn)生質(zhì)子漏，從而降低MMP，氧化磷酸化發(fā)生解偶聯(lián)，最終使ATP 合成減少［16］。除此之外，氧自由基還可以通過脂質(zhì)過氧化破壞脂質(zhì)雙分子層的完整性，使傷段脊髓細胞線粒體膜的流動性降低，通透性增加以及Na+-K+-ATP酶活性下降，進而引起受損細胞的能量代謝障礙［37-38］。目前臨床使用的甲基強的松龍可通過阻斷PGF-2α 途徑，降低受損細胞的ROS 水平，減輕脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，從而達到治療SCI 的效果［10，39］，這也進一步驗證了氧自由基對線粒體的損傷作用。

6 SCI 后線粒體中相關(guān)酶活性降低

線粒體正常的能量代謝需要多種酶的共同參與，這些酶活性的變化直接影響著能量代謝。Na+-K+-ATP 酶主要在ATP 的作用下通過轉(zhuǎn)運Na+、K+，維持細胞膜內(nèi)外正常的滲透壓差，防止細胞水腫。SCI 后脊髓損傷段的細胞內(nèi)Na+-K+-ATP 酶活性明顯降低。研究發(fā)現(xiàn)，依達拉奉可增強Na+-K+-ATP酶活性，減輕細胞水腫，進而改善受損細胞的能量代謝，減輕繼發(fā)性SCI 的疾病進展［40］。已糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶是糖酵解過程中的3 個限速酶，乳酸脫氫酶可催化丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?。研究顯示，頸髓損傷后受損的脊髓組織細胞中這四種酶的活性均明顯增高，表明有氧氧化和氧化磷酸化受到抑制，無氧酵解增強，細胞產(chǎn)能顯著減少，由于無氧酵解在代謝過程發(fā)揮主導(dǎo)作用，故而大量乳酸在體內(nèi)發(fā)生堆積，進而引起代謝性酸中毒，使細胞和組織再次受到損傷；此外，乳酸還可以抑制糖酵解，使能量產(chǎn)生進一步減少［41］。細胞色素C 氧化酶（COX）是呼吸電子傳遞鏈末端的酶，在細胞有氧氧化和氧化磷酸化偶聯(lián)中發(fā)揮著重要的作用［42］，其活性的改變在一定程度上可以反映脊髓細胞的能量代謝情況［13，43］。超氧化物歧化酶（SOD）是位于線粒體內(nèi)膜的一種抗氧化金屬酶，能有效抑制氧化應(yīng)激的發(fā)生［44］。研究發(fā)現(xiàn)，SCI 后傷段脊髓細胞中COX 和SOD 的活性均顯著下降，提示能量代謝受阻［13］。白藜蘆醇能夠通過提高SCI 后傷段脊髓細胞中COX 和SOD 活性的表達，減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)，改善能量代謝，且白藜蘆醇具有安全有效、毒副作用小等優(yōu)點，有望成為臨床防治SCI 后的損傷進展的重要手段［13，45］。此外脊髓受損細胞中的檸檬酸合酶和ATP 合成酶的活性也在損傷后發(fā)生數(shù)量和功能降低，從而減少了ATP 的生成［46］。

7 SCI 后線粒體中線粒體DNA 突變

線粒體DNA（mitochondrial DNA,mt DNA）位于線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)，鄰近氧自由基產(chǎn)生部位，而且缺乏保護蛋白和DNA 修復(fù)機制，因此在線粒體呼吸過程中產(chǎn)生的氧自由基易引起mt DNA 的氧化損傷，發(fā)生突變［47-49］。SCI 后由于傷段脊髓細胞中氧自由基大量堆積［33］，以及抗氧化防御系統(tǒng)嚴重損傷，mt DNA 發(fā)生突變的概率會大大增加。傷段脊髓細胞的mt DNA 突變后易損害基因組內(nèi)重要的功能區(qū)，如氧化磷酸化酶基因密碼區(qū)等，造成經(jīng)轉(zhuǎn)錄和翻譯形成的線粒體氧化磷酸化相關(guān)酶的功能受損，從而影響能量代謝。ATP 的生成減少，嚴重者可以導(dǎo)致細胞損傷及組織壞死［47，50］。而且mt DNA 突變可導(dǎo)致呼吸鏈功能障礙，會進一步增加氧自由基的產(chǎn)生，形成惡性循壞［47］。

8 SCI 后線粒體動力學(xué)改變

線粒體動力學(xué)是指線粒體不斷進行移動、融合與分裂的過程［51］，與MMP 有密切關(guān)系［52］。線粒體動力學(xué)對細胞的能量合成有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，大鼠在SCI 3 h 后，傷段脊髓細胞的線粒體數(shù)目有所減少，而線粒體的截面積明顯增大，ATP含量稍下降［53］；在12 h 后線粒體數(shù)目增多，線粒體的截面積變小，而ATP 含量明顯下降，提示SCI 后脊髓損傷段的細胞線粒體出現(xiàn)了動力學(xué)改變，早期以融合為主，晚期以分裂為主［6，53］。SCI后早期線粒體的融合可以看作是一種代償，能在一定程度上保證線粒體形態(tài)和功能的完整性，從而滿足應(yīng)急狀態(tài)下細胞對ATP 的需求。因此，早期ATP 含量無明顯變化，但隨著線粒體損傷的加重，線粒體分裂增加，使線粒體處于失代償階段，從而ATP 含量發(fā)生明顯下降。選擇性線粒體分裂抑制劑-1 能有效抑制大鼠急性SCI 后脊髓損傷段細胞的線粒體分裂、改善MMP，從而使線粒體的能量代謝障礙得以有效控制［53］。

9 線粒體相關(guān)性細胞凋亡

脊髓損傷段的細胞線粒體發(fā)生能量代謝障礙后，可以通過一系列信號傳導(dǎo)通路誘導(dǎo)細胞凋亡，其中最典型的是一磷酸腺苷（AMP）依賴的蛋白激酶（AMPK）信號通路。SCI 后脊髓損傷段的組織細胞能量合成受阻，ATP 生成減少，AMP、二磷酸腺苷（ADP）相對增多，而AMP/ATP 或ADP/ATP 比值的增高可激活A(yù)MPK。一方面，活化的AMPK 可以促進ATP 的生成；另一方面，AMPK也能激活其下游的p53 蛋白，誘導(dǎo)細胞表達Bax和Bak，進而使線粒體釋放細胞色素c［54］。此外氧自由基引起的線粒體內(nèi)膜的心磷脂過氧化，以及mPTP 的開放狀態(tài)也可導(dǎo)致線粒體通透性增加，從而加速細胞色素c 進入到細胞質(zhì)內(nèi)［55］，最終細胞色素c 與凋亡蛋白活化因子結(jié)合，激活caspase，啟動細胞凋亡程序［56］，進而加速SCI 的進展。

10 總結(jié)與展望

SCI 早期由于局部組織缺血缺氧，損傷節(jié)段的脊髓細胞的線粒體在形態(tài)和功能上會發(fā)生一系列病理生理改變，引起能量代謝障礙，最終導(dǎo)致繼發(fā)性SCI 的范圍擴大、程度加重。值得注意的是，造成傷段脊髓細胞線粒體功能障礙的眾多因素或環(huán)節(jié)是相互作用，互為因果。目前臨床尚無安全有效的方法幫助患者實現(xiàn)神經(jīng)功能完全恢復(fù)［57］。甲基強的松龍是最早被批準(zhǔn)用于SCI 治療的藥物，但是不良反應(yīng)多，患者難以長久使用［58-59］。目前在亞細胞水平上的藥物研發(fā)和機制研究已成為熱門課題之一，線粒體在疾病中的作用也逐漸受到重視。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙與神經(jīng)退行性疾病、腫瘤及脂肪肝等多種疾病發(fā)病相關(guān)［16］。目前針對SCI 后傷段脊髓細胞的線粒體功能改變已經(jīng)開展了許多研究，但由于其機制復(fù)雜，不同環(huán)節(jié)間還存在著相互交叉，因此要達到保護脊髓功能的目的就需要從多個靶點和環(huán)節(jié)來防止線粒體功能障礙的發(fā)生。隨著基因組學(xué)和蛋白組學(xué)研究的不斷深入，SCI 后線粒體功能的致病機制將會被進一步闡明，因此通過改善傷段脊髓細胞的線粒體功能變化途徑來治療SCI 有著巨大的研究前景。