線粒體損傷與慢性阻塞性肺疾病骨骼肌功能障礙及中醫(yī)藥治療進展

趙高遠,苗玉芳,侯潤蘇,李康沉,田燕歌,3?

(1.河南中醫(yī)藥大學呼吸疾病中醫(yī)藥防治省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,鄭州 450046;2.河南省中醫(yī)藥防治呼吸病重點實驗室,鄭州 450046;3.河南中醫(yī)藥大學中醫(yī)藥科學院,鄭州 450046)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種不可逆性老年呼吸系統(tǒng)疾病,以持續(xù)進行性加重的氣流受限為特征,發(fā)病率和致死率均高[1]。我國有近1億COPD患者,其中40歲以上人群患病率為13.7%[2]。COPD居我國疾病負擔第二位,隨著我國人口老齡化的加重,COPD患病率呈上升態(tài)勢,已成為嚴重危害公眾健康的重大疾病之一[3]。骨骼肌功能障礙(skeletal muscle dysfunction,SMD)是COPD患者活動受限的主要原因及常見的肺外并發(fā)癥,也是促進疾病發(fā)展的關(guān)鍵因素。在COPD早期有30%～40%患者已經(jīng)存在骨骼肌萎縮和體重下降,COPD患者股四頭肌最大自主等長收縮(maximal isometric voluntary contraction,MVC)比健康人降低20%～30%,股四頭肌肌力較健康人平均降低25%,故COPD患者的下肢肌肉更加容易發(fā)生萎縮[4-5]。目前認為,COPD合并SMD的潛在機制可能與營養(yǎng)不良、氧化應激、炎癥反應、蛋白合成/分解失衡、線粒體損傷等有關(guān)[6-7]。在COPD進展過程中,患者骨骼肌中線粒體破裂信號呈遞增趨勢,嚴重影響骨骼肌能量的生成[8]。此外,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的異常升高是線粒體氧化應激的直接誘因,較高濃度的ROS又可觸發(fā)線粒體自噬,進而導致線粒體活性降低甚至凋亡[9-10]。因此,防止線粒體損傷是改善COPD合并SMD的關(guān)鍵。現(xiàn)就線粒體損傷與COPD合并SMD及中醫(yī)藥治療進展做一綜述,為進一步科學研究提供依據(jù)。

1 線粒體損傷導致COPD患者SMD的發(fā)生機制

線粒體損傷是導致COPD患者SMD的重要原因之一,骨骼肌線粒體氧化應激、能量代謝障礙、自噬異常等均為其損傷的重要機制。

1.1 氧化應激

氧化應激是機體抗氧化系統(tǒng)無法清除過量的ROS時,體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡所表現(xiàn)出的應激反應[11]。ROS分為外源性ROS和內(nèi)源性ROS。外源性ROS主要來源于吸入的有毒氣體或環(huán)境污染物,內(nèi)源性ROS的來源包括線粒體呼吸、過氧化物酶體、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系統(tǒng)和炎癥細胞,而線粒體的氧化磷酸化過程是內(nèi)源性ROS的主要來源之一[12]。線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)結(jié)構(gòu)開放,缺乏修復途徑,而異常升高的線粒體活性氧(mitochondrial reactive oxygen species,mtROS)所引發(fā)的氧化應激易損傷mtDNA,并且會引起電子傳輸鏈和氧化磷酸化異常,導致線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)、DNA受損和炎癥加重,從而導致線粒體生物合成減少和線粒體呼吸功能(RCR評估)下降[13-15]。Konokhova等[16]觀察到COPD患者骨骼肌中mtDNA缺失的發(fā)生率很高(74% vs15%),且mtDNA缺失患者的核DNA氧化水平是無mtDNA缺失患者的2倍,極易導致SMD的發(fā)生。Gifford等[17]研究發(fā)現(xiàn),氧化應激易導致COPD患者骨骼肌線粒體密度降低?？傊?mtROS的過量生成是COPD患者SMD的主要原因之一。

mtROS的生成增多和氧化應激的增強是促進肌絲蛋白降解進而發(fā)展成肌肉萎縮的重要因素,在萎縮的四肢肌肉固定模型中,給予線粒體靶向抗氧化肽SS-31可顯著減輕肌肉氧化應激和蛋白質(zhì)降解,并防止肌纖維萎縮[18]?；加屑∪馕s和II型肌纖維萎縮的COPD患者股外側(cè)肌活檢組織中線粒體超氧陰離子產(chǎn)生相對較高[19]。此外,對于ROS敏感的核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)轉(zhuǎn)錄因子也參與了COPD患者肌肉蛋白質(zhì)的分解代謝,促進患者肌肉萎縮[20]。過氧化物酶增殖物激活受體α(peroxisome proliferators-activated receptor,PPAR-α)可直接抑制ROS的生成,PPAR-α激動劑可阻抑氧化應激,并可通過調(diào)節(jié)解偶聯(lián)蛋白3(uncoupling protein3,UCP3)基因改變ROS的生成和脂肪酸的氧化[21-22]。PPAR mRNA表達水平的降低可能是線粒體呼吸功能和體密度降低的原因之一,在COPD患者外周骨骼肌中PPAR的mRNA表達水平與線粒體體積密度呈正相關(guān)[23]。因此,PPAR通路可能代表了一類新的潛在藥物靶點,有助于COPD合并SMD中線粒體損傷的治療。

1.2 線粒體能量代謝障礙

線粒體由于具有吸收和釋放Ca2+的能力,通過氧化磷酸化和細胞鈣離子動力學在ATP的產(chǎn)生中起著核心作用,而ATP作為骨骼肌運動的能量來源,在維系能量的平衡中起重要作用。線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)的穩(wěn)定是維持細胞正常生理功能的重要條件,而在COPD中線粒體MMP呈降低趨勢[24]。MMP為線粒體能量產(chǎn)生的重要條件,膜電位的降低可導致ATP合成障礙,引起細胞質(zhì)內(nèi)的ATP快速水解,從而致使ATP損耗嚴重,鈣離子內(nèi)流,觸發(fā)細胞凋亡[25]。當線粒體積累高濃度的Ca2+時,特別是在氧化應激情況下,會刺激線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)的開放,導致線粒體腫脹,以及MMP的減少和ATP合成酶中斷[26]。骨骼肌線粒體ATP酶的活性在COPD合并SMD患者中下降,導致線粒體鈉泵功能及氧化磷酸化功能障礙,影響三磷酸循環(huán),ATP合成不足,進而阻礙能量供應,不能維系骨骼肌運動的正常能量消耗,進一步加劇COPD患者骨骼肌肌力及耐力的減退[27]。與正常人相比,COPD患者骨骼肌線粒體產(chǎn)生一定量的ATP需要消耗更多的氧氣,而在COPD患者的線粒體中又存在氧氣供應不足的問題,由此形成惡性循環(huán),加劇SMD的進展[28]。因此,線粒體能量代謝障礙對COPD患者骨骼肌運動具有顯著影響。

1.3 線粒體自噬異常

自噬是一種進化高度保守的蛋白質(zhì)降解過程,由雙層膜組成的自噬泡將細胞中損壞的蛋白或細胞器等物質(zhì)包裹后運送到溶酶體進行降解,受損或功能障礙的線粒體通過線粒體自噬從細胞中被清除[29]。正常的骨骼肌細胞存在一定的線粒體自噬,可去除蛋白質(zhì)聚合物和功能失調(diào)的線粒體,在維持肌肉的動態(tài)平衡方面起著積極的作用[30]。線粒體自噬可以維持健康的線粒體群體,在疾病發(fā)病機制中發(fā)揮細胞保護作用[31]。研究表明,生理水平的mtROS促進骨骼肌細胞正常范圍內(nèi)的自噬,而mtROS的異常增高會導致氧化應激,觸發(fā)過度自噬,這反過來又會加重肌纖維萎縮[32-33]。COPD患者骨骼肌自噬的程度與肌肉萎縮和肺功能損害的嚴重程度有關(guān)[34]。而肺部炎癥誘導的全身炎癥會引起骨骼肌線粒體過度自噬,導致線粒體生物生成減少[35]。通過對COPD患者股外側(cè)肌線粒體研究發(fā)現(xiàn),在氧化應激狀態(tài)下,骨骼肌自噬水平的增加,會促進股外側(cè)肌線粒體的降解[36]。臨床研究表明,COPD患者自噬增加與肌肉萎縮及肺功能下降程度呈正相關(guān),表現(xiàn)為大腿橫截面積減少,FEV1/FVC比值下降[35]。

COPD中的線粒體自噬可能受PTEN誘導激酶1(PTEN-induced putative kinase1,PINK1)/帕金蛋白(PARKIN)通路介導。一旦線粒體電位急劇下降,PINK1就從線粒體內(nèi)膜移位到線粒體外膜,然后將PARKIN從胞漿引導到去極化的線粒體,觸發(fā)自噬。簡而言之,PINK1和PARKIN協(xié)同作用檢測線粒體去極化,標記受損的線粒體,并觸發(fā)線粒體自噬[37]。電壓依賴型陰離子孔道蛋白(voltagedependent anion channel1,VDAC1)的磷酸化在PARKIN介導的線粒體自噬起重要作用,在此過程中,自噬接頭蛋白P62/SQSTM1在清除受損的線粒體中發(fā)揮關(guān)鍵作用,因為PARKIN依賴的線粒體自噬需要P62重新聚集到線粒體中進行清除[38]。因此,COPD患者骨骼肌線粒體的異常自噬,直接導致線粒體生物合成減少,引起骨骼肌功能障礙。

2 中醫(yī)藥治療COPD患者骨骼肌線粒體損傷現(xiàn)狀

中醫(yī)藥在患者的運動能力及生活質(zhì)量等方面的改善優(yōu)勢明顯。COPD在中醫(yī)學中屬于“喘病”、“肺脹”等范疇[39],COPD由肺虛漸及脾腎,脾腎之虛又累及于肺,虛損積久而成諸臟俱虛,故正虛積損是COPD的主要病機[40]。肺病日久,必盜母氣,肺病及脾,脾失健運,因脾主肌肉四肢,則可致肌肉瘦消、軟弱無力,甚至萎弱不用,故肺脾氣虛證是COPD合并SMD的主要病機之一。前期臨床研究表明,補肺健脾方(ZL.201110205234.6)具有健脾補肺、化痰止咳、降氣平喘等功效,其通過補肺益氣、健脾生肌的作用,能顯著改善患者肺功能、減少急性加重次數(shù)和持續(xù)時間、延長6min步行距離和生活質(zhì)量,長期隨訪仍具有較好療效[41]。實驗研究表明,補肺健脾方可改善COPD穩(wěn)定期大鼠肺功能,明顯提高股四頭肌的線粒體體密度,改善線粒體數(shù)量、形態(tài)和功能,其作用與抑制線粒體氧化和凋亡有關(guān),可提高Na+-K+ATP酶活性,降低線粒體琥珀酸脫氫酶(succinate dehydro genase,SDH)活性,降低BCL2相互作用蛋白3(BCL2interacting protein3,BNIP3)、細胞色素-C(cytochrome C,CYTO-C)等凋亡因子,抑制骨骼肌線粒體損傷,改善骨骼肌功能[42-45]。

其他學者也發(fā)現(xiàn)中醫(yī)藥對骨骼肌線粒體損傷具有修復作用。琚星萌等[46]研究發(fā)現(xiàn),四君子湯(人參,白術(shù),茯苓,甘草)具有益氣健脾作用可以提高大鼠骨骼肌琥珀酸脫氫酶(SDH)活性,改善骨骼肌線粒體呼吸功能,提高線粒體能量代謝,修復線粒體損傷。健脾益氣中藥(人參,白術(shù)等)通過增強骨骼肌線粒體能量的合成和代謝,對骨骼肌線粒體損傷有明顯的修復作用[47]。川芎嗪在改善骨骼肌活性、維持骨骼肌細胞線粒體完整性及抗氧化作用等方面具有顯著效果,能減少骨骼肌細胞凋亡,延緩失神經(jīng)骨骼肌細胞的萎縮[48]。Zhang等[49]研究指出,姜黃素通過上調(diào)線粒體過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α,PGC-1α)/沉默信息調(diào)節(jié)因子3(sirtuin3,SIRT3)信號通路,顯著降低氧化應激和炎癥反應,可明顯改善COPD大鼠骨骼肌肌纖維萎縮、肌原纖維結(jié)構(gòu)紊亂、間質(zhì)纖維化和線粒體結(jié)構(gòu)損傷。

3 結(jié)語

線粒體損傷是COPD合并SMD的主要機制之一,而氧化應激、線粒體能量代謝障礙、線粒體自噬是已知的引起線粒體損傷的重要原因。以線粒體生物發(fā)生為靶點的療法可能會使COPD骨骼肌功能得到改善,因骨骼肌具有極強的可塑性,所以針對它的治療對提高COPD患者的運動功能和生命健康具有重要的臨床意義。并且伴隨近年來中醫(yī)藥的長足發(fā)展,中醫(yī)藥能從一定程度上修復線粒體損傷,改善COPD患者SMD,并取得了良好效果。中醫(yī)藥的有效參與,從一定程度上彌補了西醫(yī)治療的療效欠缺,為中西醫(yī)結(jié)合的良性發(fā)展勾勒理想藍圖。但目前該方面的研究存在一些不足:(1)線粒體損傷致SMD機制尚不十分清楚,導致其作用靶點不明,缺乏靶向性治療藥物;(2)中醫(yī)藥治療COPD合并骨骼肌線粒體損傷的研究較少,導致確切療效機制不明;(3)因“脾主肌肉四肢”,目前中醫(yī)藥治療COPD合并SMD的研究多集中于肺脾氣虛證,偏重于健脾,雖然肺脾氣虛證是穩(wěn)定期的主要證型之一,但也是疾病發(fā)展的一個過程,隨著疾病進展可能發(fā)展成肺腎氣虛、肺腎氣陰兩虛證,但因為患者活動能力的持續(xù)降低,必定有SMD的存在并伴隨始終,故今后的治療和研究也要注重益腎、滋陰等。因此,進一步研究應深入探討線粒體損傷機制,探索有效作用靶點,加強中醫(yī)藥相關(guān)研究,為臨床應用提供依據(jù)。