脓毒症心肌损伤的线粒体机制研究进展

【综述】

  我国脓毒症患者多为ICU住院患者，2020年的一项针对全国44所医院ICU的研究报告显示，ICU患者脓毒症发病率为20.6%、病死率为35.5%，其中严重脓毒症的病死率高达50%以上 。心脏是脓毒症常累及的器官，流行病学调查研究显示，约40%的脓毒症患者并发心肌损伤，主要表现为射血分数和左室短轴缩短率降低，即心肌收缩力不足 ；且罹患脓毒症心肌病（sepsis‑induced cardiomyopathy, SIC）的患者病死率明显增高 。脓毒症心肌损伤的潜在机制包括：心肌收缩力障碍、过度的心脏炎症、氧化应激、心肌细胞凋亡和线粒体功能障碍等。其中，线粒体作为心肌细胞能量供应的主要细胞器，其稳态（结构和功能的稳定）对维持心脏供血具有重要意义。

  通过电子显微镜观察脓毒症动物模型心肌细胞发现：线粒体形态不规则，明显肿胀和出现空泡变性，肿胀线粒体中线粒体嵴破裂；测量线粒体膜电位发现膜电位明显降低；测量线粒体DNA发现出现DNA丢失现象 。结构破坏伴随着功能异常即线粒体的氧化还原、能量代谢、动力学平衡、线粒体生物合成、线粒体自噬和对细胞内信号通路调节等各个方面均会出现异常，从而损伤心肌细胞甚至导致心肌细胞死亡。因此，探索脓毒症时心肌细胞线粒体功能障碍而导致心肌损伤的相关机制，找到恢复线粒体功能的方法，可以为临床上治疗脓毒症心肌损伤提供新思路。 

1 线粒体活性氧（reactive oxygen species, ROS）

  产生和氧化应激线粒体是细胞内ROS产生的主要场所，它是线粒体呼吸链电子转移的副产物，含有大量的自由基和非自由基。生理状态下，适量的ROS参与细胞生理功能的调节，而过量的ROS则被体内的抗氧化体系消除。在脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）诱导的小鼠脓毒症模型中，线粒体ROS产生明显增加，细胞内抗氧化剂（如还原型谷胱甘肽、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶）浓度明显降低 ，线粒体内ROS的蓄积会对大分子蛋白质和DNA结构进行氧化修饰，从而破坏线粒体结构 ，可导致线粒体膜通透性增加，线粒体通透性转换孔打开，细胞色素C逃逸到细胞质中可激活凋亡通路引起心肌细胞凋亡 。

  同时线粒体内氧化还原平衡被打破，处于一种氧化应激状态，ROS可以激活Toll样受体（Toll‑like receptors, TLR）炎症反应通路，加重脓毒症下心肌细胞炎症反应，使心肌细胞呈现更严重的炎症表现，致心功能下降 。在另一项LPS诱导的小鼠脓毒症研究中，一种线粒体靶向抗氧化剂SS31在体内和体外均逆转了LPS处理产生的ROS增加和线粒体氧化应激状态，减轻了脓毒症诱导的心肌细胞横纹减少、炎症细胞浸润和细胞凋亡 。为临床应用抗氧化剂治疗脓毒症心肌损伤提供了理论支持。还有研究证实，褪黑素通过B细胞相关受体蛋白（B cell‑associated receptor protein, BAP31）‑细胞外调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases, ERK）途径逆转LPS对BAP31表达的抑制，稳定线粒体膜电位，减少ROS的过量产生，减轻心肌损伤 。因此，抑制线粒体ROS过量产生和改善氧化应激的途径均有可能是脓毒症心肌损伤的治疗靶点。

2 线粒体能量代谢障碍      

  心脏作为人体内最大的耗能器官，线粒体是其能量的主要来源。心肌细胞是线粒体数量最多的细胞之一，占总容积的40%~60%。在人体生理情况下，心脏中游离脂肪酸的β‑氧化和氧化磷酸化是ATP产生的主要机制，据估计，心肌细胞线粒体每天可产生高达6 kg的ATP，约占心脏消耗ATP的70％ ，为心肌细胞正常收缩和代谢提供能量，从而保持心肌细胞稳态。脓毒症时线粒体内呼吸复合物表达和活性降低导致ATP产生减少 。脓毒症期间，显著增加的一氧化氮与超氧化物反应生成过氧亚硝酸盐可持续抑制线粒体复合物Ⅰ和复合物Ⅳ在呼吸链中的作用，而应用一氧化氮抑制剂可改善脓毒症患者血清中内皮细胞线粒体的呼吸功能 。对LPS诱导的脓毒症小鼠模型内线粒体呼吸功能进行监测发现：ATP含量、基线耗氧率、质子泄露耗氧率、最大呼吸容量耗氧率和ATP周转耗氧率均降低。

  同时发现，线粒体生物能被干扰与膜电位降低密切相关。其相关机制是LPS作用于机体，使受体相互作用蛋白3（receptor‑interacting protein kinase 3, RIP3）表达上调，而褪黑素就是通过抑制RIP3而稳定脓毒症时线粒体的呼吸功能，减轻心肌纤维溶解，恢复心肌细胞结构，改善心脏功能 。线粒体能量代谢异常引起心肌损伤在其他疾病中也得到证实，心肌缺血/再灌注损伤中，由于前期的缺血/缺氧，心肌细胞有氧呼吸处于抑制状态，线粒体能量产生受损，线粒体离子失衡和细胞应激信号转导可导致线粒体介导的心肌细胞死亡 。因此，线粒体能量代谢障碍可能是心肌细胞损伤甚至死亡的始动因素。

3 线粒体动力学失衡      

  生理条件下，线粒体通过不断裂变和融合的动态平衡过程调节线粒体的数量、大小和在细胞质中的位置，被称为“线粒体动力学”，线粒体的收缩和分裂分别由动力学相关蛋白1（dynamin‑related protein 1, Drp1）和分裂蛋白1进行。线粒体融合蛋白1、线粒体融合蛋白2和视神经萎缩相关蛋白1分别负责介导线粒体外膜和线粒体内膜融合，从而确保线粒体融合 。

  在LPS诱导的小鼠脓毒症模型中，这种平衡被打破，用免疫荧光法观察线粒体裂变发现，心肌细胞的线粒体长度范围由正常的8.2~9.6 μm分成了长度为0~2.8 μm的几个片段。进一步研究发现，哺乳动物不育系20样激酶1上调，激活了Drp1介导的线粒体裂变，消耗了肌钙蛋白F，使其裂变、解聚，促使心肌细胞骨架解聚。同时，线粒体裂变激活氧化应激，线粒体膜受损导致促凋亡因子释放、线粒体凋亡 。另一项研究也发现，LPS干扰了线粒体动力学使线粒体片段化，平均长度降低。蛋白印迹分析显示：裂变相关蛋白Drp1、分裂蛋白1增高，融合因子视神经萎缩相关蛋白1、线粒体融合蛋白1和线粒体融合蛋白2降低。这种不平衡的线粒体动力学促进了氧化应激，引发内质网应激，细胞质钙超载阻碍了心肌细胞的心脏保护信号 。以上研究均说明，线粒体裂变是LPS诱导的炎症微环境激活氧化应激的主要原因，维持线粒体动力学稳定可能是脓毒症心肌损伤的治疗方向。

4 线粒体生物合成     

  线粒体的生物合成是通过线粒体生长和分裂形成新线粒体导致线粒体数量增加的过程。该过程需要线粒体基因组和核基因组的协调，核基因过氧化物酶体增殖物激活受体1辅激活蛋白1α（peroxisome proliferator‑activated receptor‑γcoactivator‑1α, PGC‑1α）被认为是线粒体生物合成的主要调节因子，它与两个关键的核转录因子，即核因子E2相关因子1（nuclear factor‑erythroid2‑related factor, Nrf1）和核因子E2相关因子2（nuclear factor‑erythroid2‑related factor 2, Nrf2）相互作用，并逐渐增加Nrf1、Nrf2表达水平和活性，可以促进线粒体的生物发生 。而线粒体生物发生在细胞对能量需求、发育信号和环境刺激的反应上具有高度可塑性 。如在盲肠结扎穿孔（cecal ligation and puncture, CLP）法模拟的脓毒症模型中，线粒体生物合成相关基因的表达水平相比于对照组有轻度升高；而经外源性硫氢化钠处理后，PGC‑1α和Nrf2在转录水平均升高并呈现剂量依赖性，促进了线粒体转录因子A的表达（一种细胞核基因编码的线粒体蛋白质），促进了线粒体生物合成，使其数量增加，改善线粒体能量代谢功能，减轻心肌损伤 。

  另一个LPS诱导体外实验却发现：LPS处理后与线粒体生物发生相关基因PGC‑1α、Nrf2的mRNA水平明显下降，而过表达沉默信息调节因子2相关酶类3可以通过AMP依赖的蛋白激酶控制线粒体生物发生以维持线粒体功能和心肌细胞活力 。两个实验在线粒体生物发生相关基因PGC‑1α、Nrf2表达上出现相反的结果可能是由于脓毒症模型不同，相比于CLP处理的小鼠模型，LPS处理的细胞模型可能缺乏生物体内其他保护机制的调节。故线粒体的生物合成在SIC疾病发展过程中的作用仍待商榷。

5 线粒体自噬      

  自噬是细胞成分降解并在细胞内循环的过程。自噬可以指营养不足的情况下细胞器或错误折叠的蛋白质在细胞内的非特异性降解，以及特定损伤或多余细胞器的去除。线粒体吞噬是自噬的一种特殊形式，使用自噬机制选择性去除受损或不必要的线粒体的过程，在维持线粒体质量控制和稳态方面起至关重要的作用 。在CLP脓毒症模型中，6 h后野生型小鼠线粒体自噬体数量轻度升高，而硫氧还蛋白1过表达小鼠自噬体数量明显升高；同时，两组均检测到凋亡相关迹象。说明线粒体通过自噬清除受损结构，免于其释放凋亡信号引起心肌细胞死亡 。另一个CLP脓毒症模型经米诺环素处理后，激活了蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（protein kinase B/mammalian target of rapamycin, Akt/mTOR）通路诱导心肌线粒体自噬，减轻脓毒症时线粒体结构破坏和功能障碍，改善心脏功能 。由此可见，脓毒症可以通过Akt/mTOR自噬通路反应性激活线粒体自噬，但是其作用不足以逆转线粒体功能障碍所致的心肌损伤，需要线粒体自噬的靶向激活剂增强其对受损线粒体的清除作用，维持线粒体稳态，改善心功能。 

6 小 结

  既往脓毒症动物模型相关研究表明，脓毒症时心肌细胞内炎症信号通路、自噬信号通路、凋亡信号通路和神经调节出现异常均可加重心肌损伤，而相应的靶向制剂可以减轻细胞损伤，一定程度上恢复心功能 。但是上述机制与线粒体在脓毒症心肌损伤中的作用是否具有相关性有待进一步探讨。另一方面，脓毒症时线粒体在其他器官损伤中发挥的作用也可为心肌损伤研究提供一定参考。

  如前所述，脓毒症时线粒体结构和功能破坏加重了炎症微环境下的心肌损伤，而线粒体致心肌损伤的各个机制并不是独立存在的，它们之间存在复杂的联系。如能量代谢障碍激活线粒体裂变，不平衡的线粒体动力学可以进一步激活氧化应激，而氧化应激状态也会诱导线粒体动力学失衡和能量代谢障碍，三者互相促进，加重对心肌细胞的损伤作用。虽然大量基础实验证明抗氧化剂的应用可以缓解心功能损害，但是缺乏临床证据的支持。寻找抑制线粒体ROS产生和氧化应激，稳定线粒体能量代谢和动力学，促进线粒体生物发生和线粒体自噬的靶向药物来恢复线粒体功能可以作为治疗脓毒症心肌损伤的研究方向。