王雪梅 王怡婷 曹瑩 汪潔英 李婧 門可

(1.西安醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，陜西 西安 710000；2.陜西省缺血性心血管疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所，陜西 西安 710000；3.陜西省公共安全醫(yī)學(xué)防控研究中心，陜西 西安 710000)

動(dòng)脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)是以大、中動(dòng)脈血管脂質(zhì)沉積最終形成斑塊為病理特征的一種慢性疾病。AS脂質(zhì)斑塊形成后，由于管腔狹窄、可能并發(fā)血壓異常以及心肌缺血等癥狀，不穩(wěn)定斑塊破裂誘發(fā)主要不良心血管事件，包括急性心肌梗死、心力衰竭、心律失常、腦梗死和腦卒中等[1-2]。AS病理發(fā)生期間，巨噬細(xì)胞吞噬大量脂質(zhì)形成脂質(zhì)核心，凋亡壞死部分形成壞死脂質(zhì)核心，表層的纖維帽由血管平滑肌細(xì)胞遷移增殖形成。其中巨噬細(xì)胞泡沫化是AS發(fā)生的關(guān)鍵步驟[3]。線粒體是細(xì)胞內(nèi)相對(duì)獨(dú)立的細(xì)胞器，也是機(jī)體的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。線粒體內(nèi)膜的呼吸鏈通過(guò)電子傳遞以及氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP，其過(guò)程中有活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，適量的ROS刺激機(jī)體，激活抗氧化作用而被清除[4]。在代謝應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體形態(tài)異常發(fā)生率增加，呈腫脹分裂狀態(tài)、ROS累積、膜電位異常、ATP含量降低以及凋亡因子釋放，發(fā)生氧化應(yīng)激[5]。在巨噬細(xì)胞中，線粒體功能異常導(dǎo)致膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)效率降低，加速細(xì)胞泡沫化。現(xiàn)就AS發(fā)生過(guò)程中其血管的細(xì)胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)中線粒體功能的變化、主要分子機(jī)制以及臨床干預(yù)效果進(jìn)行綜述，為AS相關(guān)的代謝性慢性疾病的預(yù)防和治療工作提供思路。

1 線粒體結(jié)構(gòu)與功能

1.1 線粒體的結(jié)構(gòu)和分布

線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)的一種細(xì)胞器，具有雙層膜結(jié)構(gòu)，從外向內(nèi)，分別是外膜、內(nèi)膜和基質(zhì)，外膜和內(nèi)膜之間有膜間隙和內(nèi)膜折疊形成嵴。呼吸鏈由遞氫體和遞電子體組成，常見(jiàn)的線粒體呼吸鏈酶復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分布在內(nèi)膜和基質(zhì)中，還有輔酶Q和輔因子。細(xì)胞色素C(cytochrome C，Cyt C)是一種遞電子體，參與線粒體呼吸鏈的氧化還原反應(yīng)。質(zhì)子逆濃度梯度分布在內(nèi)膜兩側(cè)形成線粒體膜電位Δψ，正常的膜電位參與ATP的形成，即氧化磷酸化過(guò)程[6]。生理狀態(tài)下，線粒體產(chǎn)生低水平的ROS，一定條件下具有積極作用。線粒體在各種類型的細(xì)胞中均有分布，但數(shù)量差異很大，例如在成熟的紅細(xì)胞中分布數(shù)量只有幾個(gè)，而在心肌細(xì)胞和肝臟細(xì)胞這一類代謝旺盛以及能量需求較大的細(xì)胞中則分布較多，數(shù)量可達(dá)到上萬(wàn)個(gè)，體積占比能達(dá)到細(xì)胞體積的40%。線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是獨(dú)立的雙鏈結(jié)構(gòu)，分布在線粒體基質(zhì)中。由于mtDNA內(nèi)不包含組蛋白，DNA修復(fù)系統(tǒng)缺失，因此mtDNA更易受到外部影響而發(fā)生功能異常。mtDNA的長(zhǎng)度是1.65×104bp，負(fù)責(zé)編碼37種基因，分別是2種rRNA，22種tRNA以及13種電子傳遞和偶聯(lián)ATP合成的酶、輔酶及輔因子[7]。

1.2 線粒體的功能障礙

線粒體功能障礙常見(jiàn)的表現(xiàn)有ROS生成增多、氧化磷酸化作用減弱、ATP含量減少、mtDNA的生物合成降低、線粒體形態(tài)異常融合和分裂失衡、自噬損傷等[8]。首先，ROS攻擊mtDNA發(fā)生氧化損傷，單鍵斷裂、雙鏈斷裂或是堿基修飾產(chǎn)生DNA加合物。8-羥基脫氧鳥嘌呤核苷是mtDNA氧化損傷的一種分子標(biāo)志物，用來(lái)評(píng)價(jià)DNA損傷的程度。線粒體既是ROS的主要來(lái)源也是作用靶標(biāo)，ROS可破壞線粒體的各種成分，如三羧酸循環(huán)酶、電子傳遞鏈蛋白質(zhì)和mtDNA[9]。其次，氧化磷酸化作用減弱以及ATP含量減少。由于線粒體內(nèi)的呼吸鏈電子傳遞速率減慢、跨膜電位降低以及ATP合成酶活性減弱等作用，導(dǎo)致線粒體向細(xì)胞和組織提供的能量減少。再次，mtDNA生物合成受損，表現(xiàn)為線粒體的DNA拷貝數(shù)減少，ROS攻擊mtDNA造成損傷，無(wú)法修復(fù)損傷片段，進(jìn)而形成DNA加合物，增加細(xì)胞凋亡相關(guān)因子釋放。線粒體動(dòng)力學(xué)研究表明，線粒體的融合和分裂保持動(dòng)態(tài)平衡。一些測(cè)量指標(biāo)被用于評(píng)價(jià)線粒體形態(tài)和功能的變化，例如平均面積/周長(zhǎng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和獨(dú)立分支結(jié)構(gòu)等指標(biāo)半定量分析線粒體融合與分裂的程度。線粒體融合蛋白1/2和視神經(jīng)萎縮蛋白1是促進(jìn)線粒體融合的蛋白，動(dòng)力素相關(guān)蛋白1、分裂蛋白 1和線粒體裂變因子等蛋白促進(jìn)線粒體分裂。線粒體在應(yīng)激狀態(tài)下，為了代償功能障礙，維持線粒體穩(wěn)態(tài)以增加動(dòng)態(tài)分裂為主[10]。

2 線粒體調(diào)控AS疾病發(fā)生的病理基礎(chǔ)

2.1 血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷是AS的起始步驟

血管最表層的內(nèi)皮細(xì)胞層和血液直接接觸，血脂、血糖、炎癥因子以及血流的剪切力都會(huì)對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞層產(chǎn)生作用。血液中高濃度的氧化型低密度脂蛋白刺激內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生損傷，內(nèi)皮層的通透性增加，氧化型低密度脂蛋白更容易滲透進(jìn)入到血管內(nèi)皮以下[11]。內(nèi)皮細(xì)胞受到刺激后分泌更多的炎癥因子如白介素(interleukin，IL)-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α、血管細(xì)胞黏附分子-1、細(xì)胞間黏附分子-1和單核細(xì)胞趨化蛋白-1，抗炎因子IL-10的分泌減少。正常生理狀態(tài)下，線粒體產(chǎn)生適量的ROS能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞釋放NO，NO是重要的內(nèi)源性血管保護(hù)物質(zhì)。在病理狀態(tài)下，線粒體產(chǎn)生大量的ROS無(wú)法及時(shí)清除，導(dǎo)致線粒體ATP生成減少，線粒體的分裂與融合動(dòng)態(tài)平衡紊亂，內(nèi)皮細(xì)胞的通透性增加，內(nèi)皮型一氧化氮合酶活性降低，而內(nèi)皮型一氧化氮合酶是NO生成的限速酶[12]。同時(shí)線粒體生物合成相關(guān)的核呼吸因子(nuclear respiratory factor，NRF)-1和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，mtTFA)的表達(dá)上調(diào)，即線粒體的形態(tài)動(dòng)力學(xué)、ROS生成以及mtDNA的生物合成都參與調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞的損傷病理進(jìn)程[13]。

2.2 巨噬細(xì)胞泡沫化是AS進(jìn)展的關(guān)鍵步驟

膽固醇在體內(nèi)主要以固醇酯的形式儲(chǔ)存，在AS形成中膽固醇代謝最為關(guān)鍵[14]。膽固醇在體內(nèi)過(guò)量時(shí)，因?yàn)槿狈δ懝檀嫉拇x酶類，氧化型低密度脂蛋白和膽固醇酯被巨噬細(xì)胞所吞噬，加速了巨噬細(xì)胞的泡沫化。膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程就是利用高密度脂蛋白將肝臟以外多余的膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟，在肝臟進(jìn)行代謝，從而排出體外。三磷酸腺苷結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)體A1或G1，是膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)的主要載體。線粒體呼吸鏈效率降低導(dǎo)致ATP供應(yīng)不足，影響線粒體膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)的速率[15]。巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)對(duì)AS的進(jìn)程也具有重要作用。細(xì)胞因子和病原體環(huán)境將巨噬細(xì)胞導(dǎo)向M1或M2表型[16]。M1促炎型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物有腫瘤壞死因子-α和γ干擾素，M2抗炎型巨噬細(xì)胞的標(biāo)志物有轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β和IL-10。M2型的巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為泡沫細(xì)胞的傾向低。M2型巨噬細(xì)胞更有利于胞葬作用，及時(shí)清除凋亡巨噬細(xì)胞，防止脂質(zhì)壞死核心的形成和擴(kuò)大，減少不穩(wěn)定斑塊形成，降低斑塊破裂的發(fā)生率[17]。炎癥狀態(tài)下，線粒體氧化應(yīng)激ROS累積加劇巨噬細(xì)胞凋亡，胞葬作用減弱，加速脂質(zhì)壞死核心的形成。

Karunakaran等[18]研究顯示，抑制巨噬細(xì)胞線粒體的氧化應(yīng)激，促進(jìn)氧化磷酸化代謝，可抑制炎性單核細(xì)胞浸潤(rùn)，減緩AS。巨噬細(xì)胞線粒體的能量狀態(tài)可調(diào)控膽固醇外流，miR-33參與調(diào)控線粒體功能基因，ATP協(xié)同的膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)速率下降，給予miR-33的抑制劑處理，能上調(diào)下游靶基因過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ協(xié)同激活因子(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator，PGC)-1α、丙酮酸脫氫酶激酶4和長(zhǎng)鏈非編碼RNA SLC25A25的表達(dá)，促進(jìn)線粒體的mtDNA生物合成和ATP生成，減緩AS進(jìn)展。綜上所述，巨噬細(xì)胞的膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)和極性狀態(tài)與線粒體的能量代謝緊密偶聯(lián)，是巨噬細(xì)胞脂質(zhì)蓄積泡沫化的核心環(huán)節(jié)。

2.3 平滑肌細(xì)胞增殖和遷移加速斑塊的病變和鈣化

高血脂、高血壓和吸煙等刺激作用下，血管平滑肌細(xì)胞分泌基質(zhì)蛋白，血管彈力纖維和肌纖維大量增生，進(jìn)而促進(jìn)血管損傷的修復(fù)。而在AS發(fā)展的后期，由于基質(zhì)金屬蛋白酶分泌增多，斑塊呈進(jìn)展性發(fā)展，彈力纖維和肌纖維占內(nèi)膜和中膜的比例下降，纖維帽變薄，斑塊破裂傾向加重[19]。一部分平滑肌細(xì)胞吞噬脂質(zhì)轉(zhuǎn)化為泡沫細(xì)胞，另一部分平滑肌細(xì)胞增殖、遷移和鈣化[20]。血管平滑肌細(xì)胞在炎癥因子的刺激下加速AS的病程發(fā)展、斑塊增生和血管管腔的狹窄。與此同時(shí)，mtDNA的損傷會(huì)導(dǎo)致血管平滑肌細(xì)胞線粒體呼吸酶活性和ATP的含量降低，促進(jìn)凋亡，抑制細(xì)胞增殖。有研究[21]報(bào)道，脂多糖刺激血管平滑肌細(xì)胞導(dǎo)致前蛋白轉(zhuǎn)化酶枯草溶菌素9釋放，誘導(dǎo)mtDNA損傷促進(jìn)細(xì)胞凋亡。因此在AS的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中，改善平滑肌細(xì)胞線粒體的生物合成和功能穩(wěn)態(tài)，有利于減緩斑塊的病變和血管鈣化。血管線粒體功能障礙調(diào)控AS發(fā)生的作用機(jī)制，詳見(jiàn)圖1。

圖1 線粒體功能調(diào)控AS的病理發(fā)生

3 PGC-1α介導(dǎo)線粒體功能和調(diào)控AS進(jìn)展的分子機(jī)制

核基因編碼的蛋白參與調(diào)控mtDNA的生物合成和氧化磷酸化，而這些核基因的表達(dá)又受到轉(zhuǎn)錄因子和共激活子調(diào)控，在已知轉(zhuǎn)錄因子和共激活子家族中，最重要的是PGC-1家族。PGC-1α作為一種受體協(xié)同激活因子，受上游過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)α和AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)的正調(diào)控。AMPK是調(diào)控能量穩(wěn)態(tài)的重要激酶，負(fù)責(zé)監(jiān)管細(xì)胞能量的輸出，促進(jìn)ATP的合成，減少ATP的消耗。同時(shí)PGC-1α與轉(zhuǎn)錄因子或其他共激活因子相互作用，提高靶基因的轉(zhuǎn)錄效率，例如PPARα和PGC-1α共同調(diào)節(jié)肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1，它是催化脂肪酸氧化的關(guān)鍵限速酶。相關(guān)研究[22]表明，PGC-1α在線粒體生物合成和功能調(diào)節(jié)中起重要作用，參與調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞氧化應(yīng)激并介導(dǎo)線粒體功能障礙。NRF家族包括NRF-1與NRF-2，是PGC-1α的靶基因，PGC-1α增強(qiáng)NRFs的基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)氧化磷酸化組分的共表達(dá)。mtTFA是由核基因編碼的線粒體轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控因子，是促進(jìn)mtDNA生物合成和轉(zhuǎn)錄活性的重要因子。mtTFA和mtDNA形成復(fù)合物，減少ROS的生成，同時(shí)促進(jìn)線粒體產(chǎn)生抗氧化酶表達(dá)，降低ROS對(duì)線粒體造成的氧化應(yīng)激損傷。PGC-1α正向調(diào)節(jié)mtTFA的激活，協(xié)調(diào)不同能量供需狀態(tài)下的線粒體呼吸鏈功能。當(dāng)前研究[23]表明，高脂應(yīng)激上調(diào)PPARα的表達(dá)，是脂肪酸氧化過(guò)程中的關(guān)鍵基因調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。PPARα的下游靶基因與脂質(zhì)代謝有關(guān)，包括PGC-1α，在線粒體生成的調(diào)控中起到核心作用。PGC-1α促進(jìn)下游的NRF-1、NRF-2和mtTFA的轉(zhuǎn)錄，激活mtDNA編碼的氧化磷酸化蛋白[24]，詳見(jiàn)圖2。因此，通過(guò)激活PPARα間接上調(diào)或直接激活PGC-1α調(diào)控線粒體的功能，促進(jìn)線粒體mtDNA的生物合成、氧化磷酸化和脂質(zhì)代謝，對(duì)于AS以及線粒體功能相關(guān)的代謝性疾病的預(yù)防和治療均有較好的借鑒意義。

注：CPT-1，肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1。

4 線粒體功能障礙治療的臨床方法

臨床治療針對(duì)線粒體功能障礙的作用靶點(diǎn)，主要圍繞促進(jìn)脂質(zhì)代謝、改善機(jī)體能量狀態(tài)、降低氧化應(yīng)激水平、補(bǔ)充足量健康的線粒體以及加強(qiáng)ATP離子通道功能開展。

4.1 PPAR激動(dòng)劑

PPAR是一類配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，有3種不同的亞型(PPARα、PPARγ和PPARδ)，調(diào)節(jié)不同的生理活動(dòng)。PPARα在肝臟、心臟和血管壁中高表達(dá)，調(diào)控的靶基因與脂質(zhì)代謝和炎癥密切相關(guān)。肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1是由核基因編碼，受PPARα轉(zhuǎn)錄調(diào)控的下游靶基因，促進(jìn)脂肪酸進(jìn)入線粒體內(nèi)進(jìn)行脂肪酸的β氧化，提高其氧化磷酸化效率。PPARα激動(dòng)劑可改善AS病理發(fā)生中的載脂蛋白表達(dá)，增強(qiáng)膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)，具有血管保護(hù)作用，如抗炎作用和減少氧化應(yīng)激[25]。貝特類藥物是PPARα激動(dòng)劑，具有降脂作用，通過(guò)下調(diào)甘油三酯水平，增加高密度脂蛋白表達(dá)，降低脂肪酸濃度，改善細(xì)胞的能量代謝和線粒體功能。噻唑烷二酮類藥物屬于PPARγ受體激動(dòng)劑，可增強(qiáng)胰島素敏感性，降低血糖，代表藥物有羅格列酮和吡格列酮[26]。

4.2 中藥治療

抗氧化藥物能減少ROS的生成，緩解代謝應(yīng)激造成的損傷。多種中藥如靈芝多糖、麥冬、人參、白英以及葛根都能對(duì)心血管中的線粒體功能起到正向的調(diào)節(jié)作用。芍藥苷能改善心腦血管的線粒體氧化磷酸化，提高ATP的含量，減少自由基損傷，具有擴(kuò)血管和心血管保護(hù)作用。白藜蘆醇是一種紅葡萄和漿果中提取出來(lái)的多酚，與生長(zhǎng)抑素結(jié)合進(jìn)入線粒體，清除多余的ROS，抑制炎癥信號(hào)相關(guān)通路，增強(qiáng)線粒體自噬，減輕線粒體氧化應(yīng)激的損傷[27]。其余抗氧化藥物如維生素E、線粒體醌、槲皮素、褪黑素、姜黃素、蝦青素和香豆素等，也具有清除氧自由基以及保護(hù)mtDNA免受損傷的作用。

4.3 線粒體移植治療

線粒體移植是分離純化健康組織的線粒體，將其注射導(dǎo)入到損傷部位來(lái)彌補(bǔ)損傷區(qū)域由于線粒體損傷導(dǎo)致的功能缺陷。有臨床研究[28]報(bào)道，心臟外科手術(shù)中心肌缺血再灌注導(dǎo)致線粒體損傷，繼而引起心肌細(xì)胞能量代謝改變、穩(wěn)態(tài)破壞、ROS產(chǎn)生和DNA損傷，誘發(fā)嚴(yán)重的不良心血管事件。與以往缺血再灌注治療靶點(diǎn)集中于某條通路或某個(gè)介質(zhì)不同，自體線粒體移植將自身健康部位的有呼吸活性的線粒體移植到缺血再灌注組織中，替代或修復(fù)已受損的線粒體，幫助組織細(xì)胞功能恢復(fù)。自體線粒體移植作為AS引發(fā)較嚴(yán)重的心血管事件后的一種治療方法，減緩損傷區(qū)域由于線粒體功能障礙或缺失造成的損傷，已取得了顯著療效。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[29]報(bào)道，利用線粒體移植治療帕金森綜合征和非酒精性脂肪肝小鼠，可通過(guò)增加呼吸鏈的ATP生成速率，促進(jìn)能量代謝相關(guān)功能的恢復(fù)。值得注意的是，線粒體移植的數(shù)量和質(zhì)量也至關(guān)重要，適當(dāng)數(shù)量的線粒體有治療作用，過(guò)量則產(chǎn)生細(xì)胞毒性。

4.4 其他藥物

線粒體靶向治療藥物通過(guò)促進(jìn)線粒體正常的分裂融合、氧化磷酸化偶聯(lián)ATP生成以及維持正常膜電位來(lái)抵抗線粒體功能異常，減緩相關(guān)疾病的進(jìn)展。例如線粒體ATP通道藥物尼可地爾是線粒體ATP敏感性鉀通道開放劑，通過(guò)激活K+進(jìn)入線粒體來(lái)激活線粒體呼吸鏈，增加ATP合成。線粒體鈣攝取抑制劑RuR和Ru360通過(guò)抑制線粒體Ca2+吸收進(jìn)入線粒體基質(zhì)中，維持線粒體正常的膜電位，減少細(xì)胞凋亡。雷帕霉素被用于治療阿爾茨海默病，它能增強(qiáng)線粒體功能，增加腦部的血液和ATP供應(yīng)，發(fā)揮抗衰老的作用[30]。

4.5 生活方式干預(yù)

適量的有氧運(yùn)動(dòng)和節(jié)食通過(guò)消耗體內(nèi)富余的能量物質(zhì)，激活A(yù)MPK/PGC-1α信號(hào)通路，提高線粒體的生物合成和呼吸鏈電子傳遞速度，增加組織細(xì)胞的ATP含量，促進(jìn)膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)和脂肪酸β氧化。此外，限制高脂高糖飲食也是一種有效的非藥物干預(yù)手段，通過(guò)減少氧化應(yīng)激和ROS生成，提高能量代謝，減緩線粒體功能障礙和代謝紊亂相關(guān)的疾病進(jìn)展和危害[31]。

5 展望

AS是一種和氧化應(yīng)激、炎癥以及能量代謝密切相關(guān)的疾病。線粒體是組織細(xì)胞氧化應(yīng)激和能量代謝的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，而PGC-1α調(diào)控線粒體穩(wěn)態(tài)以及NRF-1和NRF-2的表達(dá)，干預(yù)其中的關(guān)鍵分子，能改善線粒體功能，減輕氧化應(yīng)激和炎癥狀態(tài)，抑制AS斑塊的進(jìn)展。而針對(duì)線粒體功能異常，目前的臨床治療手段有PPAR激動(dòng)劑、中藥抗氧化劑、線粒體移植治療、線粒體功能藥物以及生活方式的干預(yù)等。維持線粒體功能從而減緩和逆轉(zhuǎn)AS的發(fā)生與發(fā)展，是具有潛力的防治靶標(biāo)。