脓毒性心肌病的线粒体机制 [复制链接]

本文原载于《中华危重病急救医学》年第2期

脓*症是一种危及生命的器官功能障碍，由机体对感染的反应不平衡引起[1]。心脏是脓*症发展过程中最脆弱的器官之一，脓*性心肌病发生率约为13.8%，此类患者住院时间明显延长，且病死率较高[2]，其主要心脏病理特征为：左心室扩张，左室射血分数（LVEF）下降，发病7～19d后完全恢复正常[3]。有研究显示，脓*症患者中约有20%出现重度心力衰竭（LVEF≤0.40），其病死率可高达70%[4]。及时诊断和积极有效治疗可以改善脓*性心肌病患者的预后。心脏是机体中富含线粒体的重要器官，线粒体功能障碍会严重影响心脏功能，这也是脓*性心肌病的重要病理生理机制之一。研究脓*性心肌病患者的心肌细胞线粒体损伤机制，并采取相应的治疗措施减轻线粒体损伤，对于提高脓*症治疗的成功率是非常重要的。现针对脓*症时心肌线粒体功能障碍的机制进行综述。

1　线粒体能量代谢调节

线粒体约占心肌细胞体积的30%，是心肌细胞氧化磷酸化和产生三磷酸腺苷（ATP）的主要场所，为心肌细胞收缩提供能量而不中断。葡萄糖和脂肪酸是心肌细胞线粒体氧化磷酸化的主要底物，线粒体能量来源的70%由长链脂肪酸的β氧化供应，是心肌收缩所需能量的主要来源。脂肪酸转位酶（FAT/CD36）、脂肪酸结合蛋白3（FABP3）和脂肪酸转运蛋白（FATP）参与了心肌细胞对脂肪酸的摄取和运输过程[5]。FAT/CD36是一种单链糖蛋白，位于细胞膜，在长链脂肪酸跨膜转运进入细胞内的过程中发挥重要作用，广泛分布在心肌细胞内。FATP是一种多功能载体蛋白，长链脂肪酸的跨膜转运需要FATP载体蛋白的协助，长链脂肪酸转入细胞前可能先传递给FATP，然后再转运入细胞内[6]。FABP3是细胞内一族多源性小分子（相对分子质量～）蛋白，主要存在于心肌细胞内，参与长链脂肪酸的转运和能量代谢。在脂酰辅酶A合成酶（ACS）的作用下，心肌细胞细胞质内长链脂肪酸活化为脂酰辅酶A；在位于线粒体外膜上的肉*碱棕榈酰转移酶1（CPT-1）和位于线粒体内膜的肉*碱棕榈酰转移酶2（CPT-2）的作用下，脂酰辅酶A进入线粒体基质，经过β氧化形成乙酰辅酶A，再通过三羧酸循环合成ATP[7]。心肌细胞的能量代谢主要是由核受体家族在转录水平进行调节，包括过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）、雌激素相关受体（ERRs）以及过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子1α（PGC-1α）等。PPARs与配体结合被激活后，再与视*醇类X受体（RXR）结合，形成一种异二聚体，PPARγ/RXR异二聚体又招募PGC-1α，与靶基因启动子上游的PPAR反应元件（PPRE）结合，调节靶基因的转录。脂肪酸代谢相关基因如FAT/CD36和CPT-1的启动子上均含有PPRE，因而PPARs通过调节脂肪酸的代谢，对ATP的产生进行调控。

2　脓*症引起的线粒体损伤

脓*症心肌抑制是脓*症时常见的可逆性器官功能损害[8]，它重要的受损伤靶点是心肌细胞线粒体，脓*症时心肌抑制的主要原因是线粒体功能障碍。脓*症心肌细胞线粒体结构和功能的一系列改变，可引起心肌能量代谢障碍。Suliman等[9]给大鼠腹腔注射内*素后48h发现，心肌细胞线粒体数量减少，线粒体肿胀、内膜和外膜的连续性遭到破坏、嵴膨胀并出现"空泡样"改变；心肌细胞线粒体呼吸链功能发生障碍，电子传递链酶复合物在线粒体中的活性下降，在电子传递链中的终末酶复合物-细胞色素C氧化酶（复合体Ⅳ）活性可降至正常值的51%。Piel等[10]研究表明，感染性休克时复合体Ⅳ被竞争性抑制，对底物的氧化活性下降，ATP产生减少，这可能是心肌收缩乏力的主要原因。脓*症状态下，不同环境温度可能影响体内线粒体复合体Ⅱ的活性，在寒冷的环境中线粒体复合体Ⅱ的活性要高于室温条件下[11]。呼吸链中的其他酶（如复合体Ⅲ等）在脓*症状态下也表现出不同程度的电子传递能力下降，导致ATP合成进一步减少，引起心肌收缩功能下降。能量运输、心肌收缩和ATP再生都与磷酸肌酸激酶相关，细菌内*素可破坏线粒体的磷酸肌酸激酶-ATP运载体系统，通过对心脏能量储备产生影响，同时激活炎性细胞，启动一系列生化级联过程，导致前列腺素和白细胞三烯等细胞因子释放[12]，进而导致心肌收缩能力下降。由此可见，无论是位于线粒体内膜的呼吸链系统，还是心脏供能系统，任何一个环节受到损伤，都将对心肌能量供应及心功能产生严重伤害。

3　脓*症引起线粒体损伤的机制

线粒体通过ATP产生提供心肌细胞所需的能量，并在维持心脏功能中起关键作用。线粒体功能障碍是心肌细胞凋亡和心力衰竭的主要原因[13]。脓*症介导的线粒体功能障碍常出现在心肌炎症反应和细胞凋亡信号转导通路激活之前。线粒体损伤的主要机制包括能量代谢障碍、钙超载、自噬作用、线粒体内膜损伤等。

3.1　能量代谢障碍：

在脓*症状态下，心肌细胞受损，脂质蓄积和糖原沉积出现在细胞内，心肌细胞对乳酸摄入量增加，酮体、游离脂肪酸和葡萄糖摄入减少，线粒体Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶活性显著下降[14]；由于能量供应不足，心肌收缩力明显下降。研究表明，脓*症患者心肌细胞的细胞质中有脂质蓄积，提示脓*症患者心肌细胞的能量供应从首选使用脂肪酸转变为使用糖，导致线粒体对脂肪酸摄取减少，从而造成细胞质内脂质堆积[15]。同时，心肌细胞内FABP3的蛋白及mRNA表达均显著降低，引起心肌细胞内脂肪酸代谢紊乱；ACS表达显著降低，且其活性也受到一定程度的抑制，导致脂肪酸被氧化利用明显减少；CPT-1活性降低，使得脂肪酸在线粒体内β氧化减少，产生的ATP不能满足维持细胞功能的需要。此外，参与脂肪酸β氧化的关键酶，如中链酰基CoA脱氢酶（MCAD）和长链酰基脱氢酶（LCAD）等也被抑制，因此，心肌细胞内脂肪酸代谢下降，进而导致线粒体能量产生不足和心肌收缩功能障碍[16]。Drosatos等[17]研究表明，在脂多糖（LPS）的作用下，心肌细胞c-Jun氨基末端激酶（JNK）信号通路可以被激活，c-Jun作为JNK的底物直接与PPARα启动子相结合，抑制PPARα的表达，脂肪酸在线粒体内氧化减少，心肌细胞能量代谢障碍。心肌细胞内可特异性表达PPARγ，罗格列酮作为PPARγ的激动剂可促进线粒体中脂肪酸的氧化，逆转恶化的心脏功能，使脓*症小鼠的存活率得以提高，证明炎性因子的过度释放与心肌抑制作用具有密切关系[18]。但在该过程中并未出现肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1（IL-1）等炎性介质的形成减少，表明在脓*症早期，炎性因子并不是导致脓*性心肌病最重要的因素[19]。

3.2　线粒体钙超载：

线粒体钙超载是脓*症介导线粒体损伤的重要机制。在脓*症早期，心肌细胞内Ca2+浓度明显升高，此时心肌收缩力增强；细胞外Ca2+过量内流，超出肌浆网和肌钙蛋白的调控能力，心肌细胞内出现钙超载。线粒体是心肌细胞重要的钙库，正常情况下，其可以摄取大量Ca2+以缓解心肌细胞细胞质内过高浓度的Ca2+。线粒体损伤导致ATP产生减少，细胞质中ATP降低，使ATP依赖性心肌收缩和Ca2+-ATP酶活性受到抑制；线粒体内Ca2+信号转导也将发生变化，生物能量产生减少与脓*症心肌抑制密切相关。线粒体钙超载的特点是线粒体膜通透性转换孔（MPTP）呈持续性高渗透状态，引起线粒体肿胀、变性和内部结构的破坏[20]；同时发生ATP耗竭、线粒体基质磷酸浓度升高和线粒体膜去极化等[21]。MPTP开放还可导致线粒体内的多种促凋亡物质，如细胞色素C、凋亡诱导因子等释放入心肌细胞质，再激发天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（caspase）家族产生级联反应，促使心肌细胞出现凋亡；目前认为MPTP的开放是决定脓*症患者心肌细胞损伤的关键性因素[22]。

3.3　线粒体自噬：

线粒体自噬在维持心脏的正常结构和功能方面起着重要作用，是线粒体损伤的细胞特异性清除和维持体内平衡的重要调节机制[23]。脓*症状态下，受损伤的线粒体被自噬体吞没，在溶酶体内被溶解，因此，心肌细胞中的线粒体含量降低。如果线粒体自噬功能减弱，将导致受损线粒体的清除功能障碍，对心肌细胞功能造成不利影响。Piquereau等[22]发现，用LPS诱发的野生型小鼠心肌细胞线粒体功能障碍可以完全恢复，形态学和生物化学证据显示其功能恢复伴随着线粒体的自噬现象，表明线粒体自噬参与了脓*症心肌细胞结构和功能的修复。自噬相关基因（Atg）复合体、细胞线粒体外膜蛋白PINK1和细胞质parkin在线粒体自噬中起关键作用[24]。在正常条件下，PINK1以线粒体膜电位依赖的方式降解，而在线粒体去极化过程中PINK1的积累诱导了parkin的积累，从而介导了自噬体对线粒体的包裹和线粒体膜电位的降低，PINK1/parkin的增加可以反映线粒体自噬的状态。自噬基因也参与了自噬通路起始环节的调节，正常状态下微管相关蛋白轻链3（LC3）表达为LC3Ⅰ；在自噬发生时，LC3Ⅱ大量表达并定位于自噬体膜上，LC3Ⅱ/LC3Ⅰ水平可用来评估细胞的自噬状况[25]。赵品等[26]在LPS诱导的小鼠脓*症模型研究中发现，LPS处理6h血清心肌肌钙蛋白I（cTnI）开始升高，线粒体膜电位下降；LPS处理6h心肌细胞及其线粒体自噬相关蛋白LC3、PINK1和parkin表达明显升高，随后逐渐下降；LPS处理12h线粒体损伤最为严重。提示线粒体自噬可能发生在线粒体损伤之前。

3.4　线粒体内膜损伤：

完整的线粒体内膜是进行氧化磷酸化、电子传递等功能的结构基础，对建立和维持ATP合成过程中所需的质子电化学梯度具有非常重要的作用。当线粒体内膜结构和功能发生改变时，导致细胞内/外信号转导功能障碍、Ca2+浓度调节异常，引起线粒体功能失调和能量代谢障碍[27]。在脓*症状态下，LPS诱导心肌细胞出现"呼吸爆发"，线粒体呼吸链的"电子漏"产生增多，大量活性氧（ROS）的形成会破坏线粒体膜脂质，破坏线粒体膜的结构完整性和相关酶的活性；MPTP开放，膜电位下降。Smeding等[28]的研究表明，抑制MPTP开放可以促进脓*症小鼠心肌细胞膜电位的恢复，增加心肌收缩力，降低脓*症小鼠死亡率。川芎嗪（一种中药活性生物碱）可通过降低TNF-α水平，显著减轻线粒体损伤，减少心功能不全的发生[29]。

4　水通道蛋白（AQPs）的作用

AQPs是一种膜通道蛋白，对水的选择性高，与细胞和细胞器中水的跨膜转运以及水平衡的调节密切相关。心肌细胞水总转运量的1/3是由AQPs介导的；但在病理状态下，心肌细胞水的跨膜转运则主要依赖AQPs。在心肌组织中分布较多的AQPs有AQP-1、AQP-4、AQP-7和AQP-8。AQP-1广泛分布于心肌组织，主要表达于心肌细胞膜和血管内皮细胞。乙酰唑胺对AQP-1具有非特异性抑制作用，可降低心肌组织中AQP-1的mRNA和蛋白表达，改善心肌水肿[30]。右美托咪定可通过下调心肌组织中AQP-1的表达来保护心肌细胞，减轻心肌水肿[31]。AQP-4主要分布于心脏的闰盘、内皮细胞、肌纤维膜和质膜，是心脏另一重要分支。心肌梗死可以引起心肌组织水肿，此时，心肌组织中AQP-4表达明显上调，AQP-4mRNA及其蛋白表达量与心肌梗死范围密切相关，因此认为AQP-4参与了心肌梗死后心肌组织水肿形成的病理过程；另外，AQP-4对水的通透效率比AQP-1强。AQP-7是一种促进甘油和水运输的水-甘油三酯通道蛋白，甘油是心脏重要的能源提供者，高果糖饮食可以防止剧烈运动诱导的心脏AQP-7蛋白表达增加，这种抑制作用可能与果糖和甘油之间的竞争性结合有关[32]。AQP-8参与缺血缺氧/再灌注损伤等引起的心肌细胞线粒体肿胀、线粒体基质浸润，电子传递速率和能量产生等过程也受到影响[33]。

5　线粒体动力学

线粒体是高度动态的管状网络细胞器，通过细胞骨架的融合、分裂和相互连接维持其形态稳定性。线粒体融合和分裂的动态过程称为线粒体动态[34]。线粒体融合使线粒体基质蛋白和DNA通过网络状结构进行交换，使线粒体间的联系增加；同时，通过自噬来保证线粒体结构和功能的完整性[35]。线粒体的融合和分裂与心肌细胞代谢、增殖、凋亡等功能密不可分。

在心肌细胞中，位于线粒体外膜的线粒体融合蛋白1/2（Mfn1/2）不仅可调控线粒体外膜融合，还参与调节细胞代谢；缺乏Mfn1/2可引起线粒体膜融合障碍，导致心肌细胞更易受到致伤因素的损害。Mfn2对心肌细胞肥大、心肌坏死及凋亡等过程具有调控作用。研究显示，心肌梗死大鼠心肌组织可见线粒体破裂，同时伴有线粒体内膜融合蛋白-视神经萎缩蛋白1（Opa1）的减少[36]；如果敲除大鼠的Mfn1和Mfn2基因，心肌梗死大鼠将很快发生心功能不全[37]。Mfn2表达下调可以引发线粒体的去极化和细胞色素C的外漏，心肌坏死增加[38]。有研究显示，发生心力衰竭后心肌细胞Opa1明显下降，但Mfn1和Mfn2表达增加，电镜下观察发现线粒体的体积减小、数量增多，表明心力衰竭发生后心肌细胞线粒体融合能力下降[37]。

6　结语

心脏功能障碍在患有严重脓*症和脓*性休克的患者中较常见，心肌线粒体损害是导致其损伤的机制之一。脓*性心肌病患者心脏线粒体功能障碍的机制尚不十分清楚，目前认为脓*症时线粒体内的能量代谢及线粒体自噬等可引起线粒体的结构异常和功能障碍。只有明确脓*症心肌损害的相关机制，及早而有效地防治其发生，才能改善脓*性心肌病的临床预后。

参考文献略