线粒体在脓毒症相关性脑病发病机制与治疗中的研究进展

范璐璐1,2 赵晓勇1,2 董建欣1 陈轲1 孙美艳1,2

1潍坊医学院麻醉学院，潍坊 261053；2潍坊医学院附属医院麻醉科，潍坊 261021

国际麻醉学与复苏杂志,2023,44(07):752-756.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20220910‑00845

基金项目 

山东省医药卫生科技计划项目（2019WS605，202104110334）；潍坊市科技计划发展项目（2021YX028）；潍坊医学院科技创新计划项目(417)

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【综述】

脓毒症是一种过度的全身炎症反应综合征，过度和不受调节的免疫反应会导致严重的器官组织损伤。脓毒症相关性脑病（sepsis‑associated encephalopathy, SAE）是严重脓毒症患者常见的并发症，其发病率高、预后差，主要表现为精神状态和认知功能的改变。线粒体是能量代谢的中心，是参与细胞氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）、ATP合成、细胞内Ca2+调节以及维持细胞稳态的重要细胞器。研究证实，线粒体的功能状态与SAE的发生、发展密切相关。本文主要概述近年来线粒体在SAE发病机制与治疗中的研究进展。

1、SAE的线粒体改变

1.1线粒体动力学改变

线粒体是高度流动和动态的细胞器，线粒体动力学是指线粒体在各种环境刺激下发生融合与分裂。正常的线粒体功能依赖于融合‑分裂动态平衡，这对于维持脑功能至关重要。线粒体融合可以促进线粒体之间的互补，修复受损的线粒体DNA，并维持OXPHOS的正常进行；线粒体分裂可加速应激状态下受损线粒体的分离和自噬，从而有效减少功能失调线粒体的积累，减轻细胞的应激反应。轻度线粒体功能障碍可诱导线粒体结构适应、线粒体融合伸长，以增加能量产生，满足细胞的代谢需求，但是随着脓毒症时线粒体损害的加重，线粒体分裂增加导致线粒体碎片化，促进活性氧（reactive oxygen species, ROS）大量释放，从而激活线粒体介导细胞凋亡的各种信号通路。总之，在SAE初期，线粒体适应性的肿胀融合能够维持其正常功能状态，但是随着SAE加重，线粒体融合‑分裂失衡，向线粒体分裂转移，导致线粒体结构与功能障碍。

1.2线粒体能量代谢障碍

线粒体作为细胞能量代谢的中心，通过三羧酸循环和电子传递链（electron transport chain, ETC）氧化丙酮酸、谷氨酰胺等营养物质，生成ATP。脓毒症时，糖酵解仍然可以正常进行，并且在细胞质中产生大量丙酮酸，但丙酮酸载体蛋白复合物功能受损，进入三羧酸循环的丙酮酸减少，使乳酸生成增多；同时由于线粒体结构的损伤导致线粒体ETC中断，阻碍线粒体OXPHOS过程，进而使ATP合成受到抑制。有研究发现，脓毒症模型的细胞内ATP水平随脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）浓度增加呈现先增加后降低的趋势，脓毒症代谢状态表现为先亢进后减低。此外，由于脓毒症可以减少大脑皮质的血液灌注，再加之脓毒症线粒体结构和功能的改变，加重线粒体能量代谢障碍，进一步加剧脑的缺氧状态。因此，线粒体功能障碍所导致的线粒体代谢障碍与SAE的发生密切相关。

1.3线粒体功能障碍介导的氧化应激反应

有害刺激可引起机体氧化和抗氧化作用失衡，使体内ROS蓄积，导致细胞和组织氧化损伤。线粒体OXPHOS过程中在生成ATP的同时也会产生大量的副产物ROS，线粒体是细胞内ROS的主要来源。脓毒症时线粒体损伤，ROS大量生成，ROS在诱导组织细胞氧化损伤的同时也会造成线粒体自身损伤，其主要途径包括：呼吸链复合物活力下降、线粒体膜通透性改变、线粒体DNA转录与翻译受干扰等。虽然大脑对ROS具有防御能力，脓毒症时ROS诱导线粒体内膜质子梯度的ETC和OXPHOS解耦联减少ROS的产生，但同时导致细胞病变性缺氧，抑制脑组织的氧化代谢，导致脑功能障碍。线粒体功能障碍介导的氧化应激反应在SAE的发生、发展中也起着关键作用。

1.4线粒体自噬

损伤的线粒体被特异性吞噬、降解，以维持细胞内环境的稳态称为线粒体自噬。目前脓毒症时线粒体自噬机制主要有两大类：Parkin依赖性途径和Parkin非依赖性途径，后者包括FUN14结构域蛋白1（UN14 domain containing 1, FUNDC1）途径、腺病毒E1B相互作用蛋白3（BCL2/adenovirus E1B interacting protein 3, BNIP3）/腺病毒E1B相互作用3样蛋白（BNIP3‑like, BNIP3L）途径和线粒体分裂蛋白1（dynamin related protein 1, Drp1）途径。当受损线粒体功能障碍时，线粒体膜电位下降、同源性磷酸酶张力蛋白诱导激酶1 （phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten geneinducible putative kinase 1, PINK1）分解速度降低，导致PINK1聚集在线粒体外膜，同时血浆中Parkin也在受损的线粒体聚集，泛素化线粒体电压依赖性阴离子通道1、融合蛋白酶2（GTPase mitofusin 2, Mfn2）等诱导线粒体自噬。低氧或线粒体解耦联时，unc‑51样激酶1磷酸化FUNDC1上第17位丝氨酸，磷酸甘油变位酶家族蛋白5使第13位丝氨酸去磷酸化，这促进FUNDC1与微管相关蛋白轻链3（microtubule‑associated protein light chain 3, LC3）相互作用和线粒体自噬。BNIP3和BNIP3L通过其LC3结合区域序列与LC3家族蛋白相互作用，也可以介导线粒体的清除。线粒体募集Drp1可以调节线粒体自噬，是启动线粒体自噬过程的关键步骤。综上所述，SAE时脑组织线粒体受损会通过多种途径诱发线粒体自噬，从而发挥保护作用。

1.5线粒体介导的细胞凋亡

SAE时，线粒体会从线粒体途径、细胞凋亡外部途径、钙超载等方面影响脑细胞的凋亡，导致脑功能障碍。线粒体储存了较多的促凋亡蛋白，如细胞色素（cytochrome C, Cyto C）、细胞凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor, AIF）、核酸内切酶G及胱天蛋白酶（caspase）‑2、3、8、9酶原，脓毒症时，凋亡基因B淋巴细胞瘤‑2（B‑cell lymphoma‑2, Bcl‑2）家族被凋亡刺激因子激活，其包括促凋亡基因（Bcl‑2相关X蛋白、Bcl‑2相互作用细胞凋亡调节因子、Bcl‑2关联死亡启动子、截短型BH3结构域凋亡诱导蛋白）和抗凋亡基因（Bcl‑2、大分子B淋巴细胞瘤等）。被激活的Bcl‑2家族促凋亡成员从细胞质转移到线粒体膜上，造成线粒体膜电位的改变，随后线粒体内的Cyto C、AIF、第二线粒体衍生的胱天蛋白酶激活剂等促凋亡多肽被释放转移到细胞质中，然后Cyto C与凋亡蛋白酶激活因子1结合，募集细胞质中的caspase‑9前体形成凋亡小体，凋亡小体激活caspase‑9，caspase‑9再激活下游的caspase‑3，诱导凋亡。脓毒症时线粒体钙超载会导致线粒体膜呈持续高通透，也会促进Cyto C和AIF的释放，诱发细胞凋亡。

2、以线粒体为靶点的SAE的治疗

2.1维持线粒体动力学的稳态

线粒体动力学稳态的失衡与SAE的发生、发展密切相关。线粒体过度分裂或者融合不足会导致线粒体碎片化，损伤的线粒体产生大量ROS，蓄积的ROS加重线粒体损伤，诱导脓毒症时细胞凋亡，加快脓毒症的发展。Drp1是调控线粒体分裂的关键蛋白，而Mfn2是调控线粒体融合的关键蛋白。郑李娜等的研究结果显示，SAE小鼠腹腔注射富氢液10 ml/kg后，海马组织Mfn2表达上调，Drp1表达下调，提示腹腔注射富氢液可能通过促进线粒体融合、抑制线粒体分裂减轻小鼠SAE。研究发现，电针可以促进海马组织线粒体融合，抑制线粒体分裂，维持被脓毒症破坏的线粒体融合‑分裂动态平衡，减轻SAE小鼠的认知功能障碍，这可能与血红素氧合酶1改善线粒体融合‑分裂动态平衡有关。SAE时S100β通过阻断晚期糖基化终产物受体和神经酰胺恢复线粒体动力学稳态，减轻线粒体损伤。总之，维持线粒体动力学稳态能够减轻SAE。

2.2改善线粒体能量代谢

线粒体功能障碍与脑功能障碍密切相关。脓毒症可以通过抑制线粒体ETC和解耦联OXPHOS导致线粒体功能障碍，最终造成神经元生物能量衰竭，而导致脑功能的异常。BAM15作为一种线粒体解耦联剂，可以通过减弱脑组织内LPS和TNF‑α的激活，降低小鼠脑中与细胞能量代谢有关的微RNA（microRNA, miR）370‑3p的含量，改变细胞能量代谢状态，同时，BAM15还可以减轻线粒体损伤，将细胞能量状态向抗炎M2极化转移来降低巨噬细胞对LPS的反应。有研究表明，线粒体移植能够使小胶质细胞由M1型向M2型转变，能够恢复M1型小胶质细胞线粒体代谢功能和含量，减弱神经元细胞死亡，从而改善脑功能。此外，犬尿烯酸的类似物SZR‑104可部分恢复海马体中与复合物Ⅱ相关的OXPHOS（而不恢复复合物Ⅰ的OXPHOS），从而减少脓毒症相关脑损伤。改善线粒体能量代谢，能够减轻SAE。

2.3抑制线粒体氧化应激

氧化应激是脓毒症并发多器官功能障碍的重要原因之一。中枢神经系统中存在的不饱和脂肪酸可以作为ROS的靶点，因此容易被氧化应激损伤，而叶酸可以保护脂质分子免受自由基损伤，降低脓毒症时脑结构中的脂质过氧化，抑制氧化应激反应，改善长期认知障碍。研究表明，敲除硫氧还蛋白互作蛋白基因后，可通过清除有毒自由基、调节抗氧化酶的活性降低海马中ROS和丙二醛水平，以抑制脂质过氧化和改善组织抗氧化能力减轻脓毒症脑损伤。此外，马泰瑞辛醇通过上调AMP依赖的蛋白激酶，抑制丝裂原活化蛋白激酶、c‑Jun氨基末端激酶和NF‑κB的磷酸化，促进核因子E2相关因子2和血红素氧合酶1的表达，减轻LPS诱导的小胶质细胞的氧化应激和炎症反应。因此，抑制线粒体的氧化应激损伤对减轻SAE至关重要。

2.4调节线粒体自噬

线粒体自噬在控制线粒体质量和维持线粒体动态平衡中起着至关重要的作用，在SAE的治疗中具有重要价值。脓毒症时可通过PINK1/Parkin介导的线粒体自噬以改善线粒体功能而减轻树突细胞的凋亡，发挥脑保护作用。在盲肠结扎穿刺大鼠脑微血管内皮细胞中非瑟酮通过PINK1/Parkin信号通路上调LC3‑Ⅱ、下调p62、减少盲肠结扎穿刺后大鼠脑微血管内皮细胞中的ROS来促进线粒体自噬，改善脑功能。此外，褪黑素可以通过沉默信息调节因子3维持线粒体膜电位、增加ETC活性以维持ATP的生成等途径保护线粒体的功能以上调线粒体自噬，治疗脓毒症诱导的小肠损伤，褪黑素是否会通过上述途径调节线粒体自噬以改善SAE值得研究者进一步探索。

2.5减轻线粒体损伤介导的细胞凋亡

脓毒症时，线粒体损伤会释放凋亡因子触发脑内细胞的凋亡，导致脑功能障碍。有研究表明，敲除瞬时受体电位美伐他汀2基因可降低体内BNIP3、AIF和核酸内切酶G的表达，抑制细胞凋亡，减轻LPS诱导的脓毒症期间的脑功能障碍。柠檬酸咖啡因可能通过调节线粒体ROS的产生抑制星形胶质细胞中解耦联蛋白2介导的NOD样受体蛋白3炎症小体/caspase‑1的下游通路，进而抑制神经元和星型胶质细胞的凋亡来缓解SAE。此外，有研究表明，嘌呤能受体P2X配体门控离子通道7抑制剂可以减轻LPS诱导的线粒体中凋亡相关蛋白丝氨酸蛋白酶Omi（也称为Htr A2）向细胞质易位，从而减轻了LPS刺激后的脑组织中细胞凋亡。总之，抑制线粒体损伤介导的细胞凋亡能够有效减少脑细胞的凋亡，改善SAE。

3、新型冠状病毒感染（COVID‑19）并发脓毒症对脑功能的影响

由SARS‑CoV‑2引起的COVID‑19重症患者多出现呼吸衰竭、脓毒症以及多器官功能障碍，其中脓毒症是其常见的并发症之一。统计数据显示，重症COVID‑19患者的血清细胞因子和趋化因子水平较高，与脓毒症患者相似，并且一些COVID‑19患者也会有意识及认知功能改变。二者是否存在某些相似的发病机制值得研究人员进一步发现。

目前已经发现COVID‑19患者线粒体的结构与功能会出现一系列改变。COVID‑19病毒可以通过靶向线粒体去泛素化酶抑制线粒体融合。SARS‑CoV‑2编码的辅助蛋白ORF3a与线粒体外膜的线粒体去泛素化酶泛素特异性蛋白酶30结合，对抗Parkin的作用，抑制线粒体的自噬。COVID‑19病毒还可以与线粒体外膜复合体的易位酶组分相互作用，减少抗病毒信号反应的诱导，抑制抗病毒免疫反应。因此，以线粒体作为治疗靶点对COVID‑19的治疗具有重要价值，这或许可以改善COVID‑19并发脓毒症引起的脑功能障碍。

4、小结与展望     

目前SAE发病机制尚不清楚，并且缺乏有效治疗策略。线粒体调节细胞内能量代谢、氧化应激、自噬等重要作用已被广泛证实，但是线粒体在SAE中具体的发病机制还需要进一步的探索。通过多种途径改善线粒体功能或许成为治疗SAE重要方法。此外，由于重型及危重型COVID‑19患者出现了脓毒症和相关脑功能障碍临床表现，基于线粒体在SAE治疗中的作用，改善线粒体功能可以为重症及危重型COVID‑19患者的治疗提供新思路。