第三节　线粒体功能障碍

一、概述

线粒体是真核细胞重要的细胞器，在维持机体内环境稳定和器官功能方面具有重要作用。感染、缺血缺氧、创伤等多种原因均可导致线粒体功能障碍。线粒体功能障碍可使呼吸链酶活性下降、线粒体膜电位降低、ATP合成减少、细胞内钙稳态破坏、线粒体通透性转变孔（mitochondria permeability transition pore，mPTP）开放，导致线粒体通透性转变以及脂肪酸的β-氧化受阻，细胞内脂肪酸蓄积，氧化应激增加，mtDNA氧化损害致线粒体生物合成降低，进一步加重线粒体功能障碍，最后导致细胞凋亡或死亡，是多脏器功能障碍的原因之一。

二、线粒体的结构与功能

1.线粒体结构

线粒体是双层膜套叠的封闭结构，呈棒状、粒状，主要分为外膜、膜间隙、内膜和基质，不同空间分布着不同的酶和生物因子。例如，外膜上有抗凋亡的Bc1-2家族蛋白及离子通道蛋白；膜间隙分布着细胞色素C、凋亡诱导因子和 Procaspase 2、3、9 ；内膜则是组成氧化呼吸链呼吸酶复合物的聚集部位。基质内分布有三羧酸循环相关酶、线粒体基因组等。线粒体内外膜通透性的不同形成了维持线粒体完整性及发挥其正常功能的跨线粒体膜电位。另外，线粒体是一种半自主性的细胞器，具有自己的遗传物质mtDNA，能够独立地复制、转录和翻译部分线粒体蛋白质。线粒体在真核细胞代谢旺盛、能量需求量大的区域分布更多，如脑、心脏等。

2.线粒体功能

线粒体是细胞进行氧化磷酸化、合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的主要场所，是机体能量代谢的中心。糖、脂肪、蛋白质等在细胞内通过一系列反应裂解成丙酮酸、脂肪酸后进入线粒体进一步裂解成乙酰辅酶A，并进入三羧酸循环，所产生的NADH和H+或FADH2通过氧化呼吸链逐级传递，生成水和二氧化碳等终末产物，这一过程中释放的能量使二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）氧化磷酸化，从而生成ATP，以维持细胞正常生理功能。除了产生能量，线粒体还可以控制 Ca2+ 的储存和释放以维持细胞内Ca2+浓度的动态平衡；此外，线粒体还参与了细胞基质代谢、细胞凋亡、启动信号转导通路等多种细胞活动。

三、线粒体功能障碍的可能机制

1.氧化应激

氧化应激是指体内生成过多的活性氧（reactive oxygen species，ROS），超出机体自身的清除能力而导致体内氧化与抗氧化作用失衡所介导的一系列反应。线粒体呼吸链电子传递减慢使ROS产生绝对增多或抗氧化防御系统损伤使ROS相对增多均会导致氧化应激，损伤线粒体结构，是引起线粒体功能障碍的主要原因。线粒体既是细胞内ROS产生的主要场所，也是ROS攻击和损伤的主要靶器官。ROS可干扰DNA和 RNA复制、氧化线粒体蛋白质使之丧失正常的催化降解功能、引起膜脂质过氧化；过量的ROS还可诱导mPTP开放，引起线粒体肿胀、破裂，释放细胞色素C，导致线粒体功能障碍和细胞凋亡。另外，线粒体超氧阴离子生成增多可与一氧化氮反应引起硝基化应激。氧化应激和硝基化应激不仅抑制线粒体呼吸酶活性，减慢呼吸链的电子传递，增加ROS产生，还可以上调解偶联蛋白表达，形成质子漏，从而降低线粒体膜电位，使氧化磷酸化解偶联，减少ATP生成。

2.钙紊乱

钙紊乱是导致线粒体功能障碍的重要因素。线粒体可以同内质网、细胞外基质等一起调节Ca2+的摄取和释放以维持细胞内钙稳态。线粒体内的Ca2+能增强线粒体氧化磷酸化中重要脱氢酶的活性而促进ATP合成；而氧化磷酸化又影响Ca2+调节，其中的线粒体膜电位促进线粒体对Ca2+的摄取，若膜电位降低，则Ca2+摄取减少或线粒体Ca2+外流增加，引起细胞Ca2+紊乱。氧化应激、质子漏形成、mPTP 开放和mtDNA突变等都可造成线粒体Ca2+紊乱，进一步影响Ca2+相关酶活性的调节和信号转导。此外，线粒体Ca2+外流载体饱和及Ca2+转运系统损害也是引起线粒体Ca2+超载的原因。

3.线粒体生物合成减少

线粒体生物合成减少与线粒体功能障碍密切相关。有研究表明过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助活化因子 1α（peroxisome proliferators activated receptor γ coactivator1α，PGC-1α）是线粒体生物合成的主要调节因子，可以刺激核呼吸因子和线粒体转录因子A表达，使编码线粒体蛋白的基因表达上调，增加线粒体生物合成。已知NO和AMP激活蛋白激酶（AMP activated proteinkinase，AMPK）是刺激 PGC-1α表达、促进线粒体生物合成的重要因子，AMPK可上调线粒体基因表达，使线粒体生物合成和能量供应增加。此外，Ca2+依赖的信号通路、一氧化碳信号通路及氧化应激等也可以上调PGC-1α的表达与活性，促进线粒体生物合成。而mtDNA拷贝数和 PGC-1α基因转录与表达的降低会造成线粒体生物合成降低，ATP生成减少，引起线粒体功能障碍。

4.mPTP开放

线粒体通透性转变是导致线粒体功能进一步障碍，甚至细胞死亡的重要原因。线粒体膜电位下降、线粒体内ATP耗竭、游离脂肪酸增加、氧化应激、钙紊乱等因素均可刺激mPTP开放，尤其是氧化应激和Ca2+紊乱发挥了重要作用。当mPTP呈高电导模式的长时程、不可逆性开放时，大量 H+ 会从线粒体内膜外反流回基质，线粒体内膜全面去极化，内膜电位崩溃，氧化磷酸化完全解偶联，ATP合成停止；线粒体基质外流，还原型谷胱甘肽耗竭，超氧阴离子大量生成；基质渗透压升高，线粒体明显肿胀，最终导致线粒体外膜破裂，释放内外膜间隙中的细胞色素C和凋亡诱导因子等，激活 caspase 通路引起细胞凋亡或死亡。

5.线粒体DNA突变

线粒体 DNA突变累积到一定程度也可致线粒体功能障碍。由于mtDNA是裸露的，缺乏保护性组蛋白和不完善的DNA修复机制，又紧邻呼吸链，处于高活性氧环境中，对ROS极敏感而易被氧化损害导致突变；因为mtDNA没有内含子，故mtDNA突变易损害基因组内重要的功能区如氧化磷酸化酶基因密码区，抑制氧化磷酸化蛋白的表达及活性，破坏线粒体功能；当mtDNA突变累积达到一定阈值时，即可导致线粒体功能障碍相关性疾病的临床症状。

四、线粒体功能障碍相关疾病

与线粒体功能障碍相关的疾病有：糖尿病及糖尿病的并发症、高血压、心肌缺血、再灌注损伤、心力衰竭、复苏后综合征、脂肪肝及多器官功能障碍等。以下重点阐述与儿童密切相关的几类疾病。

（一）心肌缺血

心肌缺血再灌注损伤是指经历一定时间缺血的心肌组织在恢复血流灌注后损伤加重的现象，比如心搏呼吸骤停或休克、心肌梗死等。有研究表明，线粒体功能障碍与缺血再灌注损伤密切相关，是一个非常重要的病理机制。心肌缺血再灌注时产生过量的ROS，一方面可损伤线粒体的膜系统，造成线粒体 ATP合成障碍，进而使心肌膜上ATP依赖Na+泵活性下降，细胞内Na+升高，激活Na+-Ca2+交换，加剧Ca2+过载，进而导致心室舒张不全，加重酸中毒，促发再灌注性心律失常；另一方面，氧化应激可导致蛋白质和脂质过氧化，损害线粒体膜的通透性，造成Ca2+顺浓度梯度进入线粒体，并以不溶性磷酸钙的形式沉积于线粒体内膜，从而破坏了线粒体的氧化磷酸化功能，引起电子传递链酶活性的进一步下降，促进ROS的生成，进一步损伤线粒体，形成恶性循环。此外，心肌缺血再灌注发生时会导致mPTP持续开放，内膜外的小分子物质大量进入内膜，基质内的渗透压增大，又进一步促进小分子物质进入内膜，致使离子平衡失调、电化学梯度耗散，造成线粒体肿胀和外膜破裂，同时释放细胞色素 C、凋亡诱导因子及多种降解酶前体，激活caspase级联反应，最终诱导心肌细胞凋亡或死亡。

（二）心力衰竭

心力衰竭是指心脏泵血能力降低造成心脏输出量的绝对或相对减少而不能满足机体需要的病理过程，是心肌梗死、高血压和心肌病、心肌炎等多种心血管疾病发展的终末阶段。首先，心力衰竭时，心肌线粒体存在电子传递链和氧化磷酸化复合物等功能缺陷，不仅会触发线粒体所诱发的心肌细胞凋亡，还会增加ROS的产生。ROS通过氧化修饰心肌的肌原纤维蛋白导致心脏收缩功能的进行性降低和心脏不可逆损伤；ROS还可氧化损伤钙离子转运机制，导致钙超载，阻碍能量的产生，进而加重心脏机械功能紊乱和心功能的恶化。其次，心肌促线粒体生物合成因子 PGC-lα、NRF-1和 mtTFA等的表达下调，导致线粒体DNA含量降低，不仅使线粒体生物合成受损，也引起线粒体氧化磷酸化以及对脂肪酸氧化能力降低，使心肌能量生成不足，加重心力衰竭的发展。此外，心力衰竭时，心脏的代谢底物从脂肪酸转变为葡萄糖，并且脂肪酸氧化的大幅降低并不伴有葡萄糖氧化的代偿性增加，造成心肌能量生成进一步受损并且会促进心室肌的重构，心肌线粒体能量生物合成障碍和心力衰竭互为因果，促进了心力衰竭的发展。

（三）线粒体功能障碍与复苏后综合征

基于线粒体功能障碍在缺氧缺血性损害中起核心作用。有研究观察了心搏骤停动物模型发现复苏后出现线粒体氧化磷酸化功能下降、细胞色素c缺失、活性氧增多及由于酪氨酸硝基化造成的线粒体蛋白氧化等改变，而且这些变化在心搏骤停后8分钟，尚未进行再灌注时即可观察到。在再灌注后30 分钟，过氧化氢生成达到最大值，并显现了线粒体功能障碍在心搏骤停后及自主循环恢复后病理变化机制中的关键作用。线粒体的一大主要功能就是细胞能量来源的生成及对能量需求的调控，除合成ATP外，内膜电化学梯度还能作为离子和代谢产物转运的动力，同时参与细胞代谢的调节。线粒体还在pH值维持、渗透压调节、细胞信号转导、调控基因表达及调控氧化还原电势等方面起着非常重要的作用。近年来，线粒体在缺血再灌注损伤导致细胞凋亡机制中的作用越来越受到重视，其凋亡主要通过两条途径：死亡受体途径和线粒体途径。在缺血再灌注损伤的过程中，上述两条途径都参与了细胞凋亡。有研究发现，在检测到经典的细胞凋亡特征以前，线粒体膜的完整性及其功能就已经发生重大变化，包括线粒体呼吸链电子传递中断，能量供应受阻，线粒体跨膜电位的下降甚至丧失和/或蛋白质通过外膜的释放。因此，线粒体在细胞凋亡的过程中起着枢纽作用。相关的对线粒体在缺血后处理抗心肌缺血-再灌注损伤过程中作用的研究也证实了这一点。

（四）多器官功能障碍

多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）是一种病因繁多、发病机制复杂、病死率高的临床综合征。MODS病因可分为感染性和非感染性，其中严重创伤、感染及在病情进展过程中出现的低血容量性休克、脓毒症、感染性休克、再灌注损伤，在支持治疗期间的某些医源性因素如各种有创监测、抗生素使用不当等，均可诱发 MODS。感染和创伤引起MODS发生、发展主要与受损细胞氧利用失衡有关。线粒体是氧气的主要利用者，除产生三磷酸腺苷外，还在许多代谢过程中起重要作用。

1.重症感染引起MODS线粒体损伤的机制

发生脓毒血症后12 小时线粒体嵴消失，有空泡形成；重症感染时线粒体结构损伤的机制：①线粒体内膜损伤，脓毒症时大量炎性介质释放，促使中性粒细胞、淋巴细胞和单核细胞等呼吸爆发，中性粒细胞在抗炎作用同时与线粒体内膜结合，产生水解作用，损伤线粒体内膜。重症感染时强烈的氧化应激也是造成线粒体内膜损伤的重要因素之一。②线粒体钙超载：Ca2+参与细胞的兴奋收缩耦联，是维持细胞正常功能的基础。重症感染时氧自由基可造成线粒体Ca2+跨膜转运紊乱，使线粒体内Ca2+大量聚积，形成钙超载。线粒体钙超载与线粒体凋亡关系密切。③线粒体DNA损伤：线粒体DNA损伤是导致线粒体功能障碍的原因之一，受损降低线粒体氧化磷酸化效应，影响三磷酸腺苷合成。重症感染导致的代谢异常是线粒体功能降低引起氧利用障碍，对机体有线粒体功能有影响物质有：①内毒素：内毒素可直接损害线粒体功能，抑制电子传递，损害线粒体复合物，导致三磷酸腺苷减少。②活性氮：重症感染早期，线粒体诱生型一氧化氮合酶激活，大量一氧化氮产生，抑制线粒体功能。在低氧状态下，低浓度一氧化氮可逆性抑制线粒体呼吸链功能，使细胞进入“冬眠”状态，得以存活；但高浓度一氧化氮使线粒体内锰超氧化物歧化酶失活，使线粒体功能出现不可逆的抑制。③ROS：重症感染时线粒体产生大量ROS，直接损害膜脂、脂蛋白、DNA，引起线粒体功能障碍，导致细胞损伤。④炎症介质：许多炎症介质具有直接损伤线粒体的作用。肿瘤坏死因子可增加线粒体ROS产生，增加细胞色素C氧化酶释放，抑制氧化磷酸化反应。⑤线粒体相关基因：重症感染时线粒体相关基因表达下调。⑥激素水平：甲状腺激素主要作用的发挥通过调节线粒体活性而实现，脓毒症早期，甲状腺代谢活动增强，随着病情发展，可出现“病理性甲状腺状态”或“低T₃”综合征现象，这些变化可能与线粒体功能受影响有关。

2.创伤引起MODS线粒体损伤的机制

创伤作为MODS的一个重要诱因，其病理机制需进一步深入研究。创伤后机体的调控基因、蛋白质、炎性因子通过复杂、动态的级联网络，形成瀑布式失控性炎症反应，使机体免疫功能紊乱，引起全身炎症反应进一步加重，导致远隔组织器官损伤与衰竭，出现MODS。线粒体DNA启动创伤导致MODS的可能机制：创伤导致大量细胞破裂，释放到循环中的线粒体DNA特异性结合中性粒细胞内的 Toll样受体 9（toll-like receptor 9，TLR9），通过丝裂原活化蛋白激酶信号转导通路而活化中性粒细胞，释放基质金属蛋白酶-8、-9，导致远隔器官组织的损伤。线粒体DNA 具有与细菌相同未甲基化的CpG序列，可通过激活单核/巨噬细胞、树突状细胞等多种免疫性细胞，诱导肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1、白介素-6等炎性因子释放，引起MODS。此外，细胞损伤后释放线粒体碎片进入血液循环，激活中性粒细胞引起系统性炎症，是创伤后无菌性SIRS的重要启动机制。线粒体释放内源性损伤因子在创伤、无菌性SIRS和MODS间起桥梁作用。随病程进展，无菌性SIRS若未能控制，则发展为MODS。对无菌性SIRS，经验性使用抗生素无效，而其他疗法如稳定线粒体膜、抑制凋亡等可能有效，为创伤导致MODS治疗提供了新思路。

五、线粒体功能保护

鉴于线粒体损伤与多种疾病密切相关，因此线粒体保护可能是治疗的靶点。目前有多种线粒体保护策略，目的均是保护受损细胞线粒体或加快受损线粒体再生修复。但这些方法均不能绝对降低或阻止线粒体受损，须在治疗过程中进行实时评估。如过量ROS对机体是有害信号，但其在免疫调节中也有重要作用。免疫细胞活化、抑制能量代谢重要性的研究对治疗MODS有重要意义。

1.抗氧化剂应用

抗氧化剂可保护细胞线粒体对抗氧化或亚硝化的应激作用。在脓毒症动物模型中，褪黑激素有抗氧化作用，可降低病死率。特异性线粒体靶向性抗氧化剂可提高线粒体活性，降低器官衰竭的严重程度。

2.降低代谢率

通过低温治疗降低代谢率，对改善心搏骤停幸存者神经损伤有肯定效果，与低温治疗增加三磷酸腺苷生理活性有关。一氧化碳也有类似效果，可诱导休眠状态产生。水溶性一氧化碳释放剂对脓毒症模型小鼠有保护作用，伴随过氧化物酶体增殖物激活受体辅助激活因子1 表达和线粒体DNA增高，其存活率也有提高。

3.刺激线粒体生物合成

活化血红素氧合酶-1可引起一氧化碳内源性释放。在脓毒血症模型中，活化血红素氧合酶-1通过诱导核因子E2相关因子，刺激线粒体生物合成，提高存活率。Thomas等报道，重组人线粒体转录因子A可减轻脓毒血症小鼠线粒体损害，提高小鼠存活率。

4.维持正常血糖水平

急性高血糖症可明显增加牛动脉内皮细胞ROS产生，影响线粒体蛋白质合成及氧化磷酸化、线粒体完整性及功能。MODS患者维持正常血糖水平可保护肝细胞线粒体功能和超微结构，改善预后。

5.抑制一氧化氮合酶与后期修复

低浓度一氧化氮可刺激线粒体生物合成，在后期促进线粒体功能恢复上可能起重要作用。但一氧化氮的作用还取决于其生成速度、量及部位。在急性炎症反应期，通过诱导型一氧化氮合酶催化产生的大量一氧化氮可阻碍线粒体呼吸，且有细胞毒性；通过内皮型一氧化氮合酶催化生成的低浓度一氧化氮而加速线粒体蛋白合成。因此，特异性抑制诱导型一氧化氮合酶是潜在的后期修复方法。

6.激素应用

在MODS治疗中激素有重要作用。甲状腺功能减退老鼠注射T₃，可上调线粒体生物合成相关转录因子的表达。当线粒体功能和代谢速率恢复时，给予适当激素替代治疗，可促进细胞、器官修复。但甲状腺素的替代治疗存在危险，需进一步临床验证。

线粒体受损机制复杂，减轻线粒体损伤、促进线粒体修复对治疗MODS有重要价值。临床应进一步探索影响MODS预后线粒体损伤的关键环节，并针对性进行治疗，以期为MODS治疗提供有前景的干预策略。

（刘春峰）