沈娟，趙琳，郝琴，楊彥玲

(延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西 延安 716000)

脊髓損傷(spinal cord injury，SCI)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的嚴重創(chuàng)傷，因較高的致殘率和病死率，及高額的治療、護理和康復(fù)費用，給患者和社會帶來沉重負擔，因此一直成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱門課題[1-3]，其病因最常見的是交通事故，且傷者多為青壯年。SCI后患者可出現(xiàn)失眠、抑郁等精神障礙也可發(fā)生膀胱、胃腸功能紊亂和呼吸、心血管等系統(tǒng)的疾病。但到目前為止，臨床上尚無行之有效的方法幫助患者進行神經(jīng)功能恢復(fù)[4]。因此，尋找和開發(fā)新的治療策略成為SCI治療的首要任務(wù)。

1 線粒體與急性SCI的關(guān)系

1.1 急性SCI后線粒體的改變

1.1.1線粒體膜電位及形態(tài)的改變 急性SCI后可引起線粒體功能障礙。賈志強等[5]研究發(fā)現(xiàn)SCI后4 h神經(jīng)細胞線粒體膜電位開始下降，造成線粒體通透性轉(zhuǎn)運孔(mtPTP)處于失活狀態(tài)，電子傳遞和氧化磷酸化功能受阻，使三磷酸腺苷合成減少，ATP酶活性降低導(dǎo)致線粒體內(nèi)外離子平衡紊亂，Ca2+超載；同時，電鏡觀察發(fā)現(xiàn)SCI后急性期線粒體形態(tài)發(fā)生改變，在損傷后4～8 h，線粒體的體積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生明顯改變，如線粒體水腫，嵴變平或消失。隨損傷時間的延長，最終造成線粒體膜破裂、線粒體空泡化等嚴重損傷，這與國外學(xué)者[6]的報道一致。

1.1.2造成線粒體功能障礙 脊髓缺血時氧供應(yīng)中斷，部分線粒體的電子傳遞鏈沒有足夠的氧供應(yīng)，使ATP分解成次黃嘌呤、ADP和AMP，導(dǎo)致線粒體能量代謝障礙。由于細胞內(nèi)ATP、磷酸肌酸產(chǎn)生嚴重減少，使離子泵的功能受限，Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶和Mg2+-ATP酶的活性顯著下降，導(dǎo)致細胞內(nèi)Na+滯留，Ca2+超載，羥自由基(-OH)和活性氧(ROS)堆積。而ROS能抑制線粒體電子傳遞鏈中復(fù)合酶的活性，因而呼吸功能顯著受到抑制。已有研究證實，SCI后線粒體呼吸控制率(RCR)、線粒體的膜電位(ΔΨm)顯著降低，電子傳遞功能減弱及氧化磷酸化水平降低，ATP酶活性減低，最終線粒體內(nèi)Ca2+超載，這進一步抑制氧化磷酸化反應(yīng)[7]。

1.2 線粒體在急性SCI中的作用

1.2.1提供能量代謝 線粒體為真核細胞最大的細胞器，也是唯一能產(chǎn)生能量的細胞器，在急性損傷和創(chuàng)傷中對細胞周圍環(huán)境變化極為敏感，其主要作用是通過氧化磷酸化生成ATP，為細胞正常生命活動提供能量。如上所述，SCI后急性期線粒體在結(jié)構(gòu)和形態(tài)上發(fā)生明顯改變，能量代謝功能明顯受損。

1.2.2參與氧化應(yīng)激反應(yīng) 氧化應(yīng)激是氧自由基及其代謝產(chǎn)物過度積累，損害機體抗氧化防御系統(tǒng)的病理狀態(tài)?；钚匝?ROS)是引發(fā)氧化應(yīng)激的主要因素，包括過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子(O2-)，羥自由基(-OH)等。生理情況下，細胞內(nèi)ROS處于低水平，對細胞沒有傷害，當藥物刺激、營養(yǎng)缺乏時，細胞內(nèi)ROS增加。

急性SCI后，線粒體內(nèi)Ca2+急劇升高，自由基生成明顯增多而清除能力下降，導(dǎo)致ROS大量堆積。而過量的ROS損傷蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA以及刺激產(chǎn)生炎性反應(yīng)。除此，ROS的快速增加可導(dǎo)致mtPTP開放，使細胞由可逆性損傷轉(zhuǎn)化為不可逆性損傷，進一步加重繼發(fā)性損害。同時，線粒體能量代謝異常還使自由基等一系列活性氧增加，誘發(fā)線粒體氧化損傷[8]，使線粒體內(nèi)外膜受損，這又會加劇線粒體的功能障礙，如此形成一個惡性損傷循環(huán)[9]。

1.2.3介導(dǎo)神經(jīng)細胞凋亡 目前，真核細胞主要由四種途徑誘導(dǎo)凋亡：死亡受體、線粒體、B粒酶和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。當細胞受到DNA損傷、氧化應(yīng)激等細胞凋亡刺激因子刺激時，可激活線粒體凋亡途徑，誘導(dǎo)細胞凋亡。在內(nèi)源性線粒體凋亡途徑中，線粒體外膜的通透性增強引起細胞色素C向胞質(zhì)釋放，激活白細胞介素-2(Bcl-2)，誘導(dǎo)凋亡發(fā)生。大量研究已表明，急性SCI后線粒體損傷導(dǎo)致細胞色素C等凋亡分子的釋放是細胞凋亡的關(guān)鍵[10]。而細胞色素C是嵌入在線粒體內(nèi)膜上的蛋白，在線粒體呼吸鏈中起傳遞電子的作用。急性SCI導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激，引起多種促凋亡因子的釋放，激活caspase-3，最終導(dǎo)致細胞凋亡[11]。

2 線粒體自噬對SCI的保護作用

線粒體自噬是在ROS堆積、營養(yǎng)缺乏和細胞衰老等刺激下，細胞將受損和多余的線粒體特異性包裹進自噬體中，選擇性地進行降解和清除的過程。線粒體自噬在紅細胞的分化成熟、神經(jīng)退行性疾病、缺氧中也發(fā)揮重要的調(diào)控作用。急性SCI后，造成損傷區(qū)脊髓組織線粒體不同程度的受損,而增強線粒體自噬作用則可以清除過量的ROS和受損的線粒體。于大堂[12]的研究揭示，急性SCI后線粒體自噬相關(guān)蛋白BNIP3、NIX在SCI后表達增高，并且神經(jīng)元自噬以及線粒體自噬被誘導(dǎo)激活，這與Yu等[13]研究結(jié)果一致，說明短時間內(nèi)增強線粒體自噬對SCI修復(fù)具有促進作用。

3 線粒體相關(guān)蛋白對神經(jīng)細胞的保護作用

3.1 線粒體膜蛋白

3.1.1線粒體CB1(mtCB1) 大麻素受體屬于G 蛋白偶聯(lián)受體超家族。以往的研究認為，大麻素CB1受體最主要表達于CB1，主要分布在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腦和脊髓中的神經(jīng)元細胞膜上，分布于突觸前GABA能中間神經(jīng)元和谷氨酸能神經(jīng)元。一項研究發(fā)現(xiàn)，小鼠神經(jīng)元線粒體外膜上同樣存在CB1受體，即mtCB1受體，在生理狀態(tài)下激活后可直接調(diào)節(jié)線粒體的呼吸作用和能量代謝過程[14]。通過激活mtCB1，外源性和內(nèi)源性大麻素可降低神經(jīng)元線粒體環(huán)磷酸腺苷的濃度、蛋白激酶A活性及神經(jīng)元內(nèi)線粒體復(fù)合體V的酶活性和呼吸功能。因此，mtCB1能夠直接調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)線粒體功能，表明mtCB1對神經(jīng)元具有神經(jīng)保護作用[15]。

3.1.2線粒體融合蛋白-2(Mfn2) Mfn2是一種具有三磷酸鳥苷酶(GT-Pase)活性的動力相關(guān)蛋白，廣泛分布于線粒體外膜和線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鏈接網(wǎng)的網(wǎng)膜上。Mfn2主要通過調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈復(fù)合物亞基的表達和氧化磷酸化過程來影響線粒體能量生產(chǎn)與代謝，下調(diào)Mfn2可引起線粒體膜電位下降、氧化磷酸化過程減弱等現(xiàn)象。其次，Mfn2也可通過促進自噬體的形成、活化及成熟來參與線粒體自噬過程的發(fā)生，Mfn2表達水平的降低會導(dǎo)致細胞自噬體不能被溶酶體及時降解，誘發(fā)線粒體結(jié)構(gòu)破壞，能量合成受阻[16]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在細胞凋亡中發(fā)揮重要作用的可溶性蛋白Bax，通過與線粒體表面的Mfn2選擇性相互作用，引起Mfn2構(gòu)象變化進而促進線粒體融合[17]。大量研究證實，Mfn2除介導(dǎo)線粒體融合外，還參與細胞能量代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、增殖及凋亡等細胞生物學(xué)過程。張帆[18]最新研究表明，Mfn2過表達可以抑制谷氨酸受體介導(dǎo)的線粒體損害和神經(jīng)細胞死亡，揭示Mfn2活化對神經(jīng)細胞具有保護作用。

3.2 線粒體基質(zhì)和間隙蛋白

3.2.1沉默信息調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子3(SIRT3) SIRT3是Sirtuins蛋白家族的成員之一，進化過程中高度保守并依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)，具有去乙酰化酶特性，主要定位于線粒體，在能量生成、代謝和抗氧化應(yīng)激中發(fā)揮重要作用。研究表明，SIRT3蛋白也可通過調(diào)控線粒體內(nèi)相關(guān)的乙酰化蛋白脫乙?；絽⑴c線粒體蛋白的翻譯后修飾調(diào)節(jié)，影響線粒體的能量代謝、底物氧化、炎癥趨化和細胞凋亡等活動[19]，其次，SIRT3在線粒體能量生成與代謝[20]、氧化應(yīng)激反應(yīng)、細胞凋亡和細胞內(nèi)信號控制功能方面發(fā)揮重要作用[21-22]。除此，SIRT3也是氧化物活性物質(zhì)(ROS)的抑制劑，能激活許多氧化路徑，在氧化應(yīng)激損傷調(diào)節(jié)中起重要作用[23-34]。在研究氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)機制過程中發(fā)現(xiàn)，SIRT3能對線粒體內(nèi)相關(guān)的靶蛋白脫乙?；?，通過增加活性氧自由基清除酶活性和穩(wěn)定線粒體功能來抑制線粒體內(nèi)ROS的堆積，其高表達有抗氧化應(yīng)激的作用。一些體內(nèi)實驗也證明，SIRT3通過依賴猛超氧化物歧化酶的機制參與多種病理過程。SIRT3作為一種調(diào)節(jié)能量平衡的關(guān)鍵性保護性因子，已成為研究氧化損傷和缺血性損傷的重要靶點之一。

3.2.2DJ-1 DJ-1是一種在體內(nèi)廣泛分布、高度保守的多功能蛋白，主要以同源二聚體的形式存在于胞質(zhì)，此外線粒體、胞核等部位也存在少量分布。DJ-1廣泛分布于神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞和外周組織，尤其是腦、睪丸和肝臟。正常情況下，DJ-1主要位于細胞質(zhì)和膜間隙中[25]，只有很少存在于細胞核與線粒體中。在氧化應(yīng)激刺激下，DJ-1蛋白會向線粒體轉(zhuǎn)位[26]，以保持線粒體復(fù)合物I活性，發(fā)揮其抗氧化作用。近年來，大量的研究已經(jīng)表明，DJ-1是一種多功能蛋白，具有多種生物學(xué)功能，如抗氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)線粒體功能、調(diào)控自噬、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、抗凋亡等[27-30]。研究發(fā)現(xiàn)，DJ-1蛋白表達異?？梢鹁€粒體形態(tài)的變化[31]，在DJ-1基因敲除小鼠細胞中觀察到斷裂的線粒體，表明DJ-1對線粒體具有調(diào)節(jié)作用。除此，研究還發(fā)現(xiàn)，DJ-1蛋白可作為活性氧清除劑，體外細胞實驗證實DJ-1可通過自身氧化清除H2O2，保護線粒體免受損害[30]。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)在氧化應(yīng)激刺激下，DJ-1與p53結(jié)合的數(shù)量增加，發(fā)揮抗氧化應(yīng)激、阻止細胞凋亡途徑的激活[32]。

4 小結(jié)

由此可見，線粒體不僅是“動力工廠”，而且還在維持細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)、細胞器之間的聯(lián)系、氧自由基的生成以及介導(dǎo)細胞凋亡中起重要作用。大量研究證實，線粒體參與了脊髓繼發(fā)性損傷的病理過程，并且在損傷后急性期就有明顯變化，這提示我們在損傷未達到級聯(lián)反應(yīng)前給予有效的治療的必要性。線粒體氧化損傷和誘發(fā)細胞凋亡是急性SCI的重要致病機制，如何對受損組織線粒體進行干預(yù)，減緩其損傷過程成為調(diào)控繼發(fā)性損傷的重要轉(zhuǎn)折點。因此，線粒體已成為治療急性SCI的一個潛在的新靶點，但仍缺乏安全有效的干預(yù)受損線粒體的藥物和措施。

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