線粒體功能失調(diào)與肥胖型哮喘發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

陳丹，齊詠

(鄭州大學(xué)人民醫(yī)院 河南省人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，鄭州 450003)

支氣管哮喘(簡(jiǎn)稱哮喘)是影響全球數(shù)百萬(wàn)人的重大公共衛(wèi)生問(wèn)題。流行病學(xué)調(diào)查顯示，肥胖和超重導(dǎo)致哮喘發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)升高，并使哮喘癥狀加重[1-2]。目前認(rèn)為，肥胖型哮喘是一種難治性哮喘表型。與單純性哮喘相比，肥胖型哮喘的呼吸道癥狀更嚴(yán)重、更頻繁。肥胖可導(dǎo)致一系列代謝改變，如胰島素抵抗導(dǎo)致炎癥、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、脂毒性和線粒體障礙等系統(tǒng)性和組織特異性代謝缺陷[3]。同時(shí)，肥胖的代謝改變(如糖尿病及胰島素抵抗)與哮喘的發(fā)病機(jī)制相關(guān)[4-5]。肥胖型哮喘患者往往存在糖脂代謝異常、胰島素抵抗，具有代謝綜合征的特征[6]，但目前肥胖與哮喘之間的具體機(jī)制仍不明確。越來(lái)越多的證據(jù)表明，線粒體數(shù)量及功能的改變?cè)诜逝中拖l(fā)病機(jī)制中起重要作用[7-8]，而線粒體靶向抗氧化劑對(duì)于瘦素引起的人支氣管上皮細(xì)胞活性氧類(reactive oxygen species，ROS)增多具有保護(hù)作用[9]。探究肥胖型哮喘的發(fā)病機(jī)制可為肥胖型哮喘的治療提供新思路?，F(xiàn)就線粒體功能失調(diào)與肥胖型哮喘發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述。

1 線粒體功能失調(diào)

線粒體在生物能量和生物合成中發(fā)揮重要作用。研究表明，線粒體參與多種復(fù)雜細(xì)胞信號(hào)的傳遞，包括能量代謝、細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞修復(fù)和細(xì)胞死亡等[10]。線粒體功能失調(diào)主要包括：①線粒體中維持細(xì)胞正常生命活動(dòng)所需的ATP產(chǎn)生不足；②線粒體代謝紊亂，如線粒體鈣緩沖、離子轉(zhuǎn)運(yùn)障礙；③線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突變；④線粒體動(dòng)力學(xué)改變；⑤ROS產(chǎn)生異常增多；⑥細(xì)胞凋亡增加等[11]。線粒體數(shù)量不足、功能退化及線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的不協(xié)調(diào)均可導(dǎo)致疾病過(guò)程中生物能量障礙。線粒體功能障礙既是許多疾病的結(jié)果，也參與肥胖或代謝綜合征合并氣道疾病等的發(fā)病機(jī)制[12]。

2 線粒體功能失調(diào)與肥胖

2.1線粒體生物合成異常與肥胖 肥胖是最常見的代謝綜合征表現(xiàn)之一，可導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生多種變化，并通過(guò)多種方式引起線粒體功能障礙。線粒體生物合成指形成新的線粒體及生成ATP的能力。線粒體是高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，通過(guò)不斷的融合、裂變、生物發(fā)生維持其穩(wěn)定的數(shù)量和質(zhì)量。線粒體生物合成是線粒體質(zhì)量控制的重要組成部分，線粒體通過(guò)內(nèi)外膜融合形成管網(wǎng)，以進(jìn)行信息交換和線粒體mtDNA損傷修復(fù)。有證據(jù)表明，代謝綜合征中mtDNA與核DNA的比值顯著降低，主要與mtDNA損害和清除增加以及線粒體生物合成降低有關(guān)[13]。

此外，線粒體生物合成的下降與肥胖狀態(tài)下的線粒體功能障礙有關(guān)。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ co-activator-1α，PGC-1α)是線粒體生物合成的主要調(diào)節(jié)因子，通過(guò)刺激核呼吸因子和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A表達(dá)，使線粒體生物合成增加。內(nèi)皮型一氧化氮合酶是刺激PGC-1α表達(dá)的重要因子。肥胖狀態(tài)下脂肪細(xì)胞釋放促炎介質(zhì)(如腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1β)，降低內(nèi)皮型一氧化氮合酶的表達(dá)，通過(guò)抑制PGC-1α減少一氧化氮的產(chǎn)生和線粒體生物合成。研究證實(shí)，肥胖的人和小鼠的脂肪、心肌、骨骼肌等組織中線粒體的生物合成和線粒體氧化能力下降[14-15]。

2.2氧化應(yīng)激與肥胖 氧化應(yīng)激是指ROS的產(chǎn)生和細(xì)胞的抗氧化防御之間的不平衡。在肥胖狀態(tài)下，炎癥、氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙相互影響[16]。內(nèi)源性ROS主要由線粒體產(chǎn)生。肥胖時(shí)機(jī)體的促炎狀態(tài)可能導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加，而食物攝入過(guò)量、缺乏運(yùn)動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致線粒體能量代謝的慢性失衡，繼而造成ROS產(chǎn)生過(guò)多以及不完全氧化物堆積[17]。在肥胖和代謝綜合征中，蛋白質(zhì)更新增加、胰島素敏感性降低，導(dǎo)致單甲基精氨酸、對(duì)稱二甲基精氨酸、不對(duì)稱二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)升高，使精氨酸生物利用度降低、內(nèi)皮型一氧化氮合酶產(chǎn)生的一氧化氮減少，從而導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增多。肥胖促進(jìn)mtDNA片段化，而片段化的mtDNA與線粒體電壓依賴性陰離子通道的相互作用導(dǎo)致電壓依賴性陰離子通道聚集形成孔隙。mtDNA片段進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，并激活傳感器環(huán)鳥苷-腺苷酸合成酶，導(dǎo)致Ⅰ型干擾素產(chǎn)生、中性粒細(xì)胞激活以及ROS增多[18-19]。此外，肥胖引起的脂肪因子失衡可引起支氣管上皮細(xì)胞ROS生成增加，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體膜破裂，引起線粒體功能障礙[9]。

解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)是位于線粒體內(nèi)膜的離子/陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、細(xì)胞代謝、細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡中具有關(guān)鍵作用。UCP2作為調(diào)節(jié)葡萄糖/脂質(zhì)代謝和能量穩(wěn)態(tài)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其多態(tài)性在肥胖的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用。UCP2基因參與能量消耗和胰島素分泌，其多態(tài)性與糖尿病和肥胖有關(guān)。與非肥胖人群相比，肥胖人群白色脂肪組織中的UCP2信使RNA水平通常降低[20]。UCP2-866G/A多態(tài)性與不同種族的肥胖有關(guān)，其中G基因型與肥胖風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。與A等位基因相比，G等位基因攜帶者的UCP2信使RNA/蛋白質(zhì)表達(dá)水平較低，且胰島素分泌和能量消耗減少，因此G等位基因個(gè)體體內(nèi)脂肪積累增加且發(fā)生胰島素抵抗，導(dǎo)致ROS生成增加[21]。

線粒體不僅是產(chǎn)生ROS的主要場(chǎng)所，過(guò)量的ROS也是引起線粒體功能障礙的機(jī)制之一。ROS產(chǎn)生和消除的不平衡導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)[22]。過(guò)多的內(nèi)源性ROS導(dǎo)致mtDNA損傷以及脂質(zhì)膜、蛋白質(zhì)損傷，特別是線粒體呼吸鏈酶損傷，ROS本身可誘導(dǎo)線粒體產(chǎn)生更多的ROS，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體的進(jìn)一步損傷，甚至觸發(fā)其自噬功能，導(dǎo)致功能性線粒體數(shù)量減少。

3 線粒體功能失調(diào)與哮喘

3.1線粒體基因突變與哮喘 哮喘可能與線粒體基因組遺傳變異相關(guān)。有證據(jù)表明，哮喘患者存在線粒體基因組變異[23]，且母代哮喘個(gè)體所育子代的哮喘患病風(fēng)險(xiǎn)更高，可能與缺陷線粒體通過(guò)母系遺傳有關(guān)[24]。呼出氣氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平(mtDNA/核DNA比值)隨哮喘嚴(yán)重程度加重而顯著升高[25]。線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)RNA突變引起線粒體功能障礙可能是哮喘的發(fā)生機(jī)制之一[26]。存在于轉(zhuǎn)運(yùn)RNA-亮氨酸基因中的A3243G突變可導(dǎo)致嚴(yán)重的組合呼吸鏈裝配缺陷[27]。含卷曲螺旋卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域3基因是一種編碼線粒體內(nèi)膜支架蛋白的核基因，有助于維持線粒體嵴(線粒體內(nèi)膜的折疊)的完整性，線粒體嵴具有線粒體的基本功能，包括耗氧和蛋白質(zhì)輸入。在透射電子顯微鏡下，哮喘小鼠氣道上皮線粒體中的線粒體嵴減少，表明哮喘患者的含卷曲螺旋卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域3基因突變可能與線粒體結(jié)構(gòu)變化和功能障礙有關(guān)，如ROS產(chǎn)生和炎癥反應(yīng)[28]。當(dāng)發(fā)生變態(tài)反應(yīng)性炎癥時(shí)，氣道上皮細(xì)胞中的胞質(zhì)雙鏈DNA積累。氣道上皮環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶(胞質(zhì)雙鏈DNA的主要傳感器)在哮喘發(fā)病中發(fā)揮重要作用，抑制環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶可降低氣道炎癥及氣道高反應(yīng)性[29]。

3.2線粒體生物合成異常與氣道重構(gòu) 以氣道平滑肌增生和肥大為特征的支氣管平滑肌質(zhì)量增加是氣道重構(gòu)的關(guān)鍵特征，其機(jī)制是通過(guò)鈣依賴性地增加線粒體生物合成和氧消耗來(lái)增加支氣管平滑肌細(xì)胞的增殖[30-31]。線粒體生物合成異常參與了哮喘患者的支氣管平滑肌細(xì)胞增殖。在重度哮喘患者中，鈣穩(wěn)態(tài)的改變通過(guò)刺激鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅳ激活PGC-1α、核呼吸因子1和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A，最終促進(jìn)支氣管平滑肌的線粒體生物合成[32]，且鈣通道阻滯劑可減少氣道平滑肌重構(gòu)并避免哮喘加重[33]。值得注意的是，僅哮喘氣道平滑肌中出現(xiàn)線粒體生物合成增加，而肺部其他細(xì)胞線粒體生物合成卻減少。氨茶堿是治療哮喘和其他常見肺部疾病的安全藥物，其中支氣管擴(kuò)張劑茶堿與乙二胺的比例為2∶1，氨茶堿通過(guò)誘導(dǎo)PGC-1α、核呼吸因子1和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的表達(dá)，促進(jìn)人肺支氣管上皮細(xì)胞的線粒體生物發(fā)生，從而治療哮喘[34]。

3.3氧化應(yīng)激與哮喘 氧化應(yīng)激是哮喘氣道炎癥的關(guān)鍵原因。在正常生理?xiàng)l件下，線粒體產(chǎn)生少量的ROS，有助于細(xì)胞正常的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。線粒體功能紊亂導(dǎo)致過(guò)量ROS產(chǎn)生，不僅損害mtDNA和關(guān)鍵的氧化磷酸化蛋白質(zhì)以及氧化脂質(zhì)膜，還影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器，最終觸發(fā)細(xì)胞凋亡[35]。Kobayashi[36]的研究顯示，暴露于柴油廢氣可增強(qiáng)豚鼠重復(fù)抗原給藥引起的鼻過(guò)敏反應(yīng)。氧化應(yīng)激是香煙和臭氧等強(qiáng)氧化劑誘導(dǎo)肺損傷的關(guān)鍵機(jī)制，臭氧暴露激活肺組織中的核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體，誘導(dǎo)氣道炎癥和支氣管高反應(yīng)性，且香煙煙霧和臭氧等強(qiáng)氧化劑通過(guò)激活Toll樣受體激活核因子κB通路，引起肺部炎癥、氣道高反應(yīng)性和氣道重構(gòu)[37-39]。

線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈又稱線粒體呼吸鏈，存在于線粒體內(nèi)膜上，其中呼吸鏈復(fù)合體Ⅲ的關(guān)鍵亞基泛素-細(xì)胞色素C還原酶復(fù)合物核心蛋白2與ROS的產(chǎn)生相關(guān)。Lyer等[40]發(fā)現(xiàn)，變應(yīng)原豚草可增強(qiáng)泛素-細(xì)胞色素C還原酶復(fù)合物核心蛋白2缺乏誘導(dǎo)的線粒體障礙小鼠的過(guò)敏反應(yīng)，并加重其氣道反應(yīng)性和氣道重構(gòu)。選擇性抑制劑VX-765(胱天蛋白酶1抑制劑)和MitoTEMPO(線粒體ROS抑制劑)可降低臭氧誘導(dǎo)的氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性，同時(shí)，ROS抑制劑(如N-乙酰半胱氨酸和聯(lián)苯二碘銨)可抑制卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘氣道炎癥反應(yīng)，如肺部氧化應(yīng)激減少、促炎因子核因子κB p65水平降低[41]。由此可見，線粒體功能障礙與哮喘的發(fā)生有關(guān)，針對(duì)線粒體功能障礙的藥物治療可減輕哮喘癥狀。

4 線粒體功能失調(diào)與肥胖型哮喘

肥胖型哮喘是一種獨(dú)特的臨床哮喘表型，包括早發(fā)性哮喘表型和遲發(fā)性非特應(yīng)性哮喘表型兩種亞型，而線粒體失調(diào)可能是肥胖導(dǎo)致哮喘的發(fā)病因素之一。

4.1氧化應(yīng)激與肥胖型哮喘L-精氨酸在一氧化氮合酶誘導(dǎo)下產(chǎn)生一氧化氮，而ADMA是一種內(nèi)源性一氧化氮合酶抑制劑，可促使一氧化氮合酶解偶聯(lián)，導(dǎo)致一氧化氮生成減少以及ROS過(guò)量產(chǎn)生，從而引起線粒體功能失調(diào)[42]。研究發(fā)現(xiàn)，一氧化氮合酶解偶聯(lián)以及一氧化氮生物利用度的降低可促進(jìn)肥胖型哮喘患者ROS的產(chǎn)生，增強(qiáng)其最大呼吸能力[8]。而過(guò)敏性氣道炎癥也與ADMA水平升高相關(guān)。研究顯示，遲發(fā)性哮喘患者血漿L-精氨酸/ADMA比值降低，且其呼出一氧化氮與體質(zhì)指數(shù)成反比，呼出一氧化氮減少可影響氣道正常擴(kuò)張功能以及哮喘患者氣道對(duì)吸入性糖皮質(zhì)激素治療的反應(yīng)[43-45]。另有證據(jù)表明，參與哮喘的關(guān)鍵炎癥因子與肥胖及線粒體功能失調(diào)顯著相關(guān)[42]。在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠以及卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠中，白細(xì)胞介素-4和ADMA水平均升高。Pattnaik等[43]發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞介素-4促進(jìn)氣道上皮細(xì)胞內(nèi)ADMA聚集，并因ROS過(guò)量產(chǎn)生而引起線粒體功能障礙，導(dǎo)致氣道上皮損傷和氣道重構(gòu)[46]。氧化應(yīng)激可能是肥胖合并哮喘患者合并癥增加及其對(duì)常規(guī)治療不敏感的潛在機(jī)制之一[7]。

4.2脂質(zhì)代謝與肥胖型哮喘 12/15-脂氧合酶是一種非血紅素鐵雙加氧酶，可催化脂肪細(xì)胞中過(guò)多不飽和脂肪酸的氫化氧化。研究證實(shí)，高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖C57BL/6(B6)小鼠體內(nèi)12/15-脂氧合酶增加，葡萄糖和胰島素耐受性下降，而高脂飲食能維持敲除12/15-脂氧合酶小鼠的正常葡萄糖水平以及胰島素耐受性[47]。12/15-脂氧合酶可通過(guò)其代謝物(如13-S-羥基十八碳二烯酸和12-S-羥基二十碳四烯酸)激活瞬時(shí)受體電位香草酸亞型1，從而擾亂鈣穩(wěn)態(tài)，增加線粒體鈣超載引起的氣道上皮細(xì)胞線粒體功能障礙，引起嚴(yán)重哮喘[48]。與哮喘相關(guān)的關(guān)鍵炎癥因子白細(xì)胞介素-4通過(guò)上調(diào)13-S-羥基十八碳二烯酸誘導(dǎo)線粒體功能失調(diào)[48-50]。此外，采用13-S-羥基十八碳二烯酸幼稚小鼠的中性粒細(xì)胞明顯增多，并出現(xiàn)呼吸困難和氣道損傷[51]，表明脂質(zhì)代謝失衡可能是肥胖導(dǎo)致哮喘發(fā)生的機(jī)制，并可能是肥胖型哮喘使用傳統(tǒng)治療方法效果差的原因之一。

4.3線粒體靶向藥物治療肥胖型哮喘 脂肪因子包括瘦素、脂聯(lián)素和抵抗素[52]。肥胖患者體內(nèi)的脂肪因子水平往往失衡，瘦素和抵抗素水平升高，而脂聯(lián)素水平降低。脂肪因子的不平衡可能引起促炎反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥發(fā)生。MitoQ是一種口服活性線粒體靶向抗氧化劑，具有清除線粒體ROS的能力。Chong等[9]的體外實(shí)驗(yàn)證明，瘦素激活人支氣管上皮細(xì)胞中的線粒體ROS-核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體，導(dǎo)致氣道炎癥。MitoQ可減少人支氣管上皮細(xì)胞中瘦素誘導(dǎo)的線粒體ROS的產(chǎn)生，從而進(jìn)一步抑制核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3和胱天蛋白酶1信使RNA的表達(dá)。輔酶Q可通過(guò)兩種方式影響UCP2活性：①與脂肪酸共同介導(dǎo)氧化形式的質(zhì)子轉(zhuǎn)移；②產(chǎn)生ROS和4-羥基壬烯醛的還原形式[53]。綜上，線粒體功能障礙在肥胖型哮喘中發(fā)揮重要作用，且針對(duì)線粒體功能障礙的靶向藥物有望用于難治性哮喘的治療。

5 小 結(jié)

肥胖和哮喘均存在線粒體功能失調(diào)。氧化應(yīng)激和線粒體生物合成下降是肥胖和哮喘中線粒體失調(diào)機(jī)制的重要重疊特征，肥胖導(dǎo)致的線粒體功能失調(diào)與氧化應(yīng)激可能是肥胖誘導(dǎo)哮喘發(fā)生的機(jī)制之一。線粒體功能損害與肥胖、哮喘顯著相關(guān)，但三者之間的因果關(guān)系有待進(jìn)一步研究。目前認(rèn)為，肥胖通過(guò)增加13-S-羥基十八碳二烯酸和ROS，引起氣道上皮細(xì)胞的線粒體功能障礙，從而導(dǎo)致哮喘。哮喘患者存在線粒體基因組缺陷，且存在與性別相關(guān)的遺傳特征，但尚缺乏與肥胖型哮喘線粒體基因組遺傳改變相關(guān)的研究證據(jù)。常規(guī)哮喘治療方案用于肥胖型哮喘治療的效果較差，探索肥胖與哮喘的線粒體功能失調(diào)相關(guān)機(jī)制可為肥胖型哮喘的治療提供新思路。