端家豪， 楊 春， 楊 玲△

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

線粒體功能障礙是心血管疾病重要的病理機制之一[1]。線粒體因子(mitokines)為細胞應(yīng)激時由細胞核或線粒體以細胞非自主效應(yīng)產(chǎn)生或激活的一類細胞因子、肽類或信號通路。除作為線粒體與細胞核信息交流的信號分子外，線粒體因子還可釋放至遠端組織，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診治靶點的可能與挑戰(zhàn)。

1 線粒體與心臟功能

線粒體約占心肌細胞體積的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胞各種生理活動，如炎癥反應(yīng)、細胞凋亡、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且修復機制不完善，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制之一[9]。研究顯示，線粒體DNA突變與肥厚型心肌病、擴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及細胞核編碼的蛋白，包括替換卵母細胞中有缺陷的線粒體DNA、補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。生理條件下，心肌細胞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患者存在嚴重的心肌ATP含量不足[2]。同時，動物實驗表明改善衰竭心肌的能量代謝可恢復部分心肌功能[15]。此外，經(jīng)臨床試驗證明，抗心絞痛藥物曲美他嗪有改善心肌糖脂比例的作用，從而達到補充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)分泌細胞中激素的釋放。Luongo等[16]證實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可誘導死亡。此外，檢查死亡小鼠的心肌細胞發(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，該指標曾被證實是鈣離子超載導致細胞死亡的指標。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)合并誘導線粒體凋亡，從而導致HF的發(fā)生。

2.3 OS

傳統(tǒng)認為OS引起的ROS異常釋放是細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作用[23]。如心臟缺血預(yù)處理(ischemic preconditioning，IPC)過程中ROS介導的心臟保護作用[24]，其機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可誘導心肌細胞凋亡、壞死和纖維化，從而促進心肌肥厚[27]?？傊琑OS對心臟的影響仍值得進一步討論。

3 線粒體因子與CVDs

3.1 線粒體因子的定義及來源

線粒體因子為細胞應(yīng)激時由細胞核或線粒體以細胞非自主效應(yīng)產(chǎn)生或激活的一類細胞因子、肽類或信號通路。除作為線粒體與細胞核信息交流的信號分子外，mitokines還可釋放至遠端組織，發(fā)揮系統(tǒng)性調(diào)節(jié)作用。其中，成纖維細胞因子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)由細胞核編碼釋放，調(diào)節(jié)細胞和組織代謝[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并增加線粒體生物發(fā)生[29]。

3.2 細胞核源性的線粒體因子

3.2.1 FGF21 FGF21作為成纖維細胞生長因子家族(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)細胞凋亡、細胞修復和細胞生長[41]。與FGF21相似，GDF15也被認為是線粒體呼吸鏈缺陷的標志物[42]。激活的GDF15與膠質(zhì)細胞源性神經(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]首次報道GDF-15可作為預(yù)后指標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)均為慢性射血分數(shù)降低的心衰(HFrEF)患者的核心生物標志物[45]。然而，GDF15的表達與多種病理狀態(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。正常生理條件下，細胞核編碼的蛋白由核糖體轉(zhuǎn)運到線粒體，在線粒體內(nèi)被正確折疊和組裝[47]。線粒體應(yīng)激時，細胞內(nèi)較低的ATP水平或跨膜電位將減緩前體蛋白質(zhì)進入線粒體的速度，導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，恢復線粒體功能[29]。在增殖細胞中，持續(xù)的UPRmt可在促進糖酵解的同時維持線粒體功能的穩(wěn)定[49]。而在有絲分裂或分裂后的細胞，如肌細胞中，UPRmt抑制三羧酸循環(huán)和OXPHOS相關(guān)基因的表達，減輕代謝負荷和次級產(chǎn)物ROS對細胞的損傷，同時增加糖酵解和氨基酸分解基因的表達以滿足細胞對ATP的需求[50]。值得注意的是，Smyrnias等[51]通過體外心肌細胞實驗、小鼠心臟超負荷模型及對主動脈狹窄患者的血漿標志物分析得出結(jié)論，藥理性增強心肌UPRmt可以改善小鼠超負荷心臟的線粒體和收縮功能障礙。他們還證實了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)揮著重要的保護作用。在缺血再灌注模型中，humanin通過促進線粒體發(fā)生和內(nèi)皮細胞一氧化氮合酶(endothelial NO synthase，eNOS)的表達發(fā)揮抗OS效應(yīng)，保護左室功能[57]。此外，[Gly14]-humanin(HNG)可減少巨噬細胞衍生的泡沫細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)移至細胞核，調(diào)節(jié)適應(yīng)性核基因表達[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誘導的炎癥因子表達，保護血管內(nèi)皮功能[61]。因此，較低的內(nèi)源性MOTS-c水平被認為與冠狀動脈內(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志物。FGF21[63]和GDF15[42]已經(jīng)在小鼠模型和患者群體中得以驗證，可作為線粒體疾病的生物標志物。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危險因素[64]；而受損心肌或內(nèi)皮細胞亦可分泌線粒體因子進入體循環(huán)，影響細胞表面受體調(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，保護缺血心肌和減少缺血再灌注損傷[65]。以上機制體現(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，實現(xiàn)靶向給藥并降低藥物毒性為研究難點。線粒體因子的研究進展代表了線粒體治療的新前景。破譯這些過程的細節(jié)，并進一步識別相關(guān)的基因和肽類，在CVDs的診斷和治療方面具有巨大潛力。當然，我們只探討了線粒體因子作為CVDs診治靶點可能性的一部分。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志物的特異性。然而，考慮到現(xiàn)有線粒體因子的研究進展，我們?nèi)怨膭钆R床醫(yī)生在現(xiàn)有的、適當?shù)幕颊呷后w中探索這種可能性?？傊覀兿Ｍ跃€粒體因子為靶點建立一類有效的生物標志物及預(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。