李炳龍，劉鵬程，劉翠云

心力衰竭是由于人的心臟結(jié)構(gòu)和(或)功能異常導(dǎo)致心室充盈或射血功能障礙的一組臨床綜合征。心力衰竭時(shí)，心肌收縮力下降，心排出量不能滿足機(jī)體的代謝需要，導(dǎo)致組織器官供血不足，出現(xiàn)體循環(huán)和(或)肺循環(huán)淤血的表現(xiàn)，最終成為各種心臟疾病的終末階段[1]。根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查顯示，在歐美國家，平均每100個(gè)人當(dāng)中就會(huì)有5個(gè)人因出現(xiàn)不同程度的心力衰竭而入院治療[2]。心血管疾病的發(fā)病率在我國呈逐年上升的趨勢(shì)，而心力衰竭作為心血管疾病的終末階段，呈現(xiàn)出發(fā)病率高、住院率高、死亡率高、預(yù)后差的特點(diǎn)[3]。研究表明，線粒體功能障礙和心力衰竭的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，其中線粒體能量代謝障礙、基因突變、氧化應(yīng)激損傷以及鈣穩(wěn)態(tài)失衡是誘導(dǎo)心力衰竭的重要因素[4]。深入研究線粒體功能障礙與心力衰竭的關(guān)系，有利于尋找治療心力衰竭的新靶點(diǎn)。作者就線粒體功能障礙與心力衰竭發(fā)病關(guān)系的相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述。

1 線粒體的結(jié)構(gòu)

線粒體是具有磷脂雙分子層的細(xì)胞器，主要由膜間隙、外膜、內(nèi)膜和基質(zhì)組成[5]。膜間隙位于外膜和內(nèi)膜之間，在蛋白質(zhì)跨線粒體膜運(yùn)輸以及氧化磷酸化的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。外膜是一種對(duì)小分子物質(zhì)具有通透性的線粒體通道蛋白，內(nèi)膜通過多重折疊的線粒體嵴結(jié)構(gòu)增加表面積，用來裝配通道蛋白、幾乎所有的電子呼吸鏈復(fù)合體以及三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)酶復(fù)合體。線粒體基質(zhì)則含有檸檬酸循環(huán)的各種酶和底物[6]。此外，線粒體是唯一具有自身雙鏈環(huán)狀DNA的細(xì)胞器，能夠相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯。

2 線粒體的功能

2.1 產(chǎn)生能量 線粒體不斷進(jìn)行有氧氧化過程并產(chǎn)生能量，在細(xì)胞代謝活動(dòng)中具有重要作用。心肌細(xì)胞所需能量大部分來自于脂肪，小部分來自于碳水化合物[7]。游離脂肪酸和葡萄糖作為主要供能物質(zhì)，經(jīng)脂肪酸β氧化和葡萄糖的糖酵解過程，最終在線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)變成乙酰輔酶A，進(jìn)而參與檸檬酸循環(huán)。脂肪酸β氧化過程中的每一循環(huán)需要由不同的酶催化，包括脂肪酸β氧化酶、長鏈酰基輔酶A水化酶、長鏈3-酮酰輔酶A硫解酶等[7]。在檸檬酸循環(huán)中產(chǎn)生的還原型輔酶Ⅰ和H+可以沿著電子呼吸鏈傳遞，通過ATP酶復(fù)合體進(jìn)入線粒體基質(zhì)，釋放線粒體膜電位中的勢(shì)能催化二磷酸腺苷磷酸化，生成ATP，供機(jī)體生命活動(dòng)所需[8]。

2.2 釋放活性氧簇 線粒體在產(chǎn)能的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)等產(chǎn)物，ROS可以使線粒體滲透轉(zhuǎn)換孔開放，從而調(diào)節(jié)線粒體膜的通透性，造成線粒體內(nèi)外離子濃度的失衡。此外，ROS還可以激活各種轉(zhuǎn)錄因子，例如細(xì)胞色素C轉(zhuǎn)移酶、BAX、Caspase等[9]。更多研究表明ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激還會(huì)造成線粒體自身結(jié)構(gòu)和功能的改變，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體自噬和細(xì)胞自噬[10]。

2.3 調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+濃度 Ca2+在心肌興奮收縮耦聯(lián)中起著核心作用。研究表明線粒體攝取和釋放Ca2+是通過線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)體來進(jìn)行，在此過程中受到線粒體Ca2+攝取蛋白的調(diào)節(jié)[11]。因此，線粒體能敏銳地感受到Ca2+濃度的改變，并通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)體的開放與關(guān)閉來維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的恒定，避免Ca2+超載，防止對(duì)細(xì)胞造成損傷。

2.4 線粒體分裂與融合 線粒體具有高度動(dòng)態(tài)性，能夠通過分裂和融合兩個(gè)完全相反的過程來維持線粒體乃至細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體分裂與融合功能的紊亂將會(huì)影響線粒體在細(xì)胞內(nèi)分布的改變，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞分裂以及細(xì)胞對(duì)不同信號(hào)的反應(yīng)產(chǎn)生影響，擾亂正常的細(xì)胞周期[12]。

3 線粒體功能障礙

線粒體的功能主要是滿足細(xì)胞能量和代謝的需求，但是在核編碼線粒體蛋白突變、組織特異性、線粒體DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)遺傳多態(tài)性以及其他一些致病因素和有害環(huán)境影響不會(huì)誘導(dǎo)線粒體功能障礙。其中mtDNA突變、缺失或受損最容易導(dǎo)致線粒體功能障礙[13]。mtDNA缺乏組蛋白的保護(hù)而呈現(xiàn)裸露的閉合雙鏈結(jié)構(gòu)，而且由于mtDNA具有較高復(fù)制頻率，不對(duì)稱復(fù)制，缺乏精確的修復(fù)系統(tǒng)，處于高ROS環(huán)境等特點(diǎn)[14]，使得mtDNA更易誘發(fā)突變。mtDNA突變的積累會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞高水平的異質(zhì)性從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。另外，線粒體內(nèi)含有大量的凋亡促進(jìn)因子如P53等，當(dāng)膜的通透性改變時(shí)，凋亡促進(jìn)因子被釋放，破壞線粒體電子傳遞鏈結(jié)構(gòu)，使電子不能正常傳遞，ATP產(chǎn)生量銳減，細(xì)胞無法獲得充足的能量進(jìn)行生命活動(dòng)[15]。

線粒體功能障礙能夠促進(jìn)多種疾病的發(fā)生發(fā)展。Toglia等[16]研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者組織內(nèi)的線粒體數(shù)量明顯少于正常，ATP生成不足，揭示了阿爾茨海默病與線粒體能量代謝障礙有著密切聯(lián)系。Gautier等[17]認(rèn)為生物能量缺失和氧化應(yīng)激是帕金森病中多巴胺能神經(jīng)元缺失的主要原因。除此之外，由特定的環(huán)境損傷以及a-synuclein、parkin、DJ-1、PINK1和LRRK2等基因突變導(dǎo)致的線粒體功能障礙，能夠進(jìn)一步惡化帕金森病患者的病情[18]。線粒體功能障礙還與腫瘤細(xì)胞的代謝紊亂、無限增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等異質(zhì)性密切相關(guān)。線粒體異常的糖代謝會(huì)誘導(dǎo)丙酮酸脫氫酶激酶1發(fā)生致癌性的突變，影響細(xì)胞正常分化，增加腫瘤形成機(jī)率[19]；異常的脂代謝升高ATP-檸檬酸裂解酶乙?；?，促進(jìn)脂類合成及腫瘤細(xì)胞生長；異常的氨基酸代謝提高腫瘤細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺促還原型輔酶Ⅱ和谷胱甘肽生成能力，消耗腫瘤細(xì)胞內(nèi)過高的ROS，從而維持氧化還原體系的平衡，防止細(xì)胞凋亡。此外，線粒體鈣穩(wěn)態(tài)的異常、結(jié)構(gòu)的異常、功能的紊亂、膜穩(wěn)定性的改變等都在細(xì)胞凋亡、細(xì)胞壞死及腫瘤發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色。

4 線粒體功能障礙與心力衰竭

4.1 能量代謝障礙與心力衰竭 線粒體是心肌細(xì)胞能量產(chǎn)生的動(dòng)力工廠，心臟的舒縮活動(dòng)需要消耗巨大的能量。正常情況下，90%以上的能量通過線粒體氧化磷酸化過程生成，小部分通過脂肪酸和葡萄糖無氧糖酵解途徑產(chǎn)生[20]。當(dāng)氧供嚴(yán)重缺乏時(shí)，機(jī)體主要依賴糖酵解途徑代償產(chǎn)能。Nguyen等[21]在用庚酸甘油脂誘導(dǎo)壓力超負(fù)荷引起大鼠心力衰竭的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著心力衰竭的發(fā)展，底物氧化生成的ATP數(shù)量以及心肌細(xì)胞對(duì)ATP的利用率都有所下降。心力衰竭初期，心肌底物利用障礙，游離脂肪酸氧化代謝能力下降，葡萄糖氧化代謝產(chǎn)能增加，從而導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少，此時(shí)線粒體代償作用增加，因此能量的供應(yīng)與消耗基本維持平衡；心力衰竭后期，線粒體代償功能減弱，數(shù)量減少，加劇了能量缺乏的代謝障礙[22]。此外，心力衰竭時(shí)，心肌線粒體復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性受到抑制，使ATP合成酶活性降低[23]，進(jìn)而影響ATP敏感的鉀通道活性[24]。故在臨床研究中顯示線粒體生物合成障礙開始于臨床心臟代償性肥大階段，在先天性心臟病患者，mtDNA復(fù)制缺陷會(huì)引起右心室線粒體減少及ATP敏感的鉀通道活性降低，使心臟產(chǎn)生病理性的肥厚和衰竭[23]。由此可見，線粒體能量代謝障礙影響心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展。

4.2 基因突變與心力衰竭 線粒體是半自主的細(xì)胞器，有自己的遺傳物質(zhì)，即mtDNA。mtDNA參與調(diào)控細(xì)胞的生命活動(dòng)，當(dāng)mtDNA突變時(shí)會(huì)導(dǎo)致線粒體膜電位下降，Ca2+內(nèi)流增加，細(xì)胞內(nèi)鈣超載，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。當(dāng)mtDNA突變累積到一定程度時(shí)，心肌細(xì)胞產(chǎn)生的能量低于組織、器官發(fā)揮功能所需要能量的最低閾值，心臟就會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的衰竭[25]。有研究表明，在心力衰竭患者的心肌細(xì)胞中過氧化物酶體增殖物可以激活受體γ輔激活因子1α，進(jìn)而抑制NRF-1等促線粒體生物合成因子表達(dá)，引起mtDNA數(shù)量減少[26]，而且受體γ輔激活因子1α敲除的小鼠線粒體形態(tài)也發(fā)生顯著的改變[27]。在心力衰竭小鼠模型中，心肌細(xì)胞ROS產(chǎn)生增多，引起基質(zhì)金屬蛋白酶升高，線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)可以抑制其上調(diào)[28]。TFAM過表達(dá)可以保持mtRNA拷貝數(shù)，減輕氧化應(yīng)激的損傷，增加了心肌順應(yīng)性，抑制心室重構(gòu)[29]。

4.3 氧化應(yīng)激損傷與心力衰竭 氧化應(yīng)激損傷是指機(jī)體ROS生成增多和(或)抗氧化防御機(jī)能降低，導(dǎo)致氧化還原平衡破壞，引起細(xì)胞氧化損傷的病理過程[30]。當(dāng)心肌發(fā)生缺血、缺氧等病理改變時(shí)，線粒體氧化磷酸化功能障礙，導(dǎo)致線粒體呼吸鏈損傷，直接或間接損傷心肌細(xì)胞[31]。線粒體氧自由基可以調(diào)控細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，或作用于核酸水平，引起膜脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、蛋白質(zhì)功能抑制和G蛋白與效應(yīng)器的耦聯(lián)失調(diào)，從而引起心力衰竭。ROS可以通過RAS-RAF-ERK途徑介導(dǎo)內(nèi)皮素產(chǎn)生，也可以通過ROS氧化修飾心肌的肌原纖維蛋白抑制心臟的舒縮功能，導(dǎo)致心功能下降[32]。ROS還可以調(diào)節(jié)NF-κB的活性，從而激活誘發(fā)心肌肥厚的信號(hào)通路以及相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[33]。

4.4 鈣穩(wěn)態(tài)失衡與心力衰竭 鈣穩(wěn)態(tài)是指線粒體通過攝取和排出Ca2+維持體內(nèi)的鈣平衡，線粒體Ca2+濃度對(duì)線粒體ATP的生成、離子通道的通透性以及鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要的作用。衰竭的心肌細(xì)胞線粒體數(shù)量減少、肌漿網(wǎng)攝取能力降低，導(dǎo)致大量Ca2+在細(xì)胞內(nèi)蓄積，影響氧化磷酸化過程，進(jìn)而減少ATP合成，誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡[34]。鈣超載時(shí)，胞漿過多的Ca2+由線粒體攝取，線粒體膜電位降低，通透轉(zhuǎn)運(yùn)孔道打開，ATP消耗增多，引起心肌損傷[35]；心肌細(xì)胞肌漿網(wǎng)內(nèi)鈣容量降低導(dǎo)致鈣釋放障礙，心肌收縮力減弱，加重心力衰竭的程度。Ca2+濃度增加會(huì)激活鈣離子依賴的蛋白激酶和磷脂酶類的活性，使膜磷脂和結(jié)構(gòu)蛋白降解，伴隨著線粒體膜的通透性增加，引起線粒體變形腫脹，影響ATP的合成，加重能量代謝障礙[36]。

4.5 線粒體與心力衰竭治療的新靶點(diǎn) 在臨床研究中已證實(shí)線粒體是治療心力衰竭的重要靶點(diǎn)。曲美他嗪作為一種抗心肌缺血藥物，能夠改善線粒體能量代謝障礙。它可以選擇性抑制脂肪酸β氧化酶活性，減少游離脂肪酸氧化，增加葡萄糖氧化，使線粒體ATP合成增加，為心肌細(xì)胞提供能量[37]，同時(shí)抑制線粒體長鏈3-酮酰輔酶A硫解酶，使心肌合成ATP耗氧減少，優(yōu)化心肌細(xì)胞能量產(chǎn)生，從而改善心力衰竭患者的心功能。卡維地洛作為第三代β受體阻斷劑，具有抗氧化作用，可以減輕鈣超載所致的心肌線粒體損傷和能量消耗。另外，相關(guān)研究揭示線粒體功能調(diào)控基因在心力衰竭中發(fā)揮重要作用。如SERCA2a基因能影響線粒體ATP敏感鉀通道，從而調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞鈣循環(huán)，改善心力衰竭患者的心肌功能。另外，研究發(fā)現(xiàn)TFAM能夠維持線粒體拷貝數(shù)，抑制心衰時(shí)造成的基質(zhì)金屬蛋白酶升高，減輕氧化應(yīng)激損傷，從而抑制心力衰竭的發(fā)展，這將為心力衰竭的治療提供新思路[28]。

5 小結(jié)

線粒體在機(jī)體產(chǎn)生能量、氧化應(yīng)激、維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的恒定以及保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性等方面扮演著重要角色，但同時(shí)其功能障礙也與多種疾病的發(fā)生有關(guān)。線粒體能量代謝障礙、基因突變、氧化應(yīng)激、鈣穩(wěn)態(tài)破壞等都能夠促進(jìn)心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展。目前，以線粒體為靶點(diǎn)的藥物分子設(shè)計(jì)及研究已成為當(dāng)下熱門領(lǐng)域之一，深入研究并闡明線粒體功能障礙在心力衰竭中的靶向作用，針對(duì)不同的基因找到合適的靶點(diǎn)進(jìn)行靶向治療，對(duì)于心力衰竭的治療具有重要意義。但是線粒體功能障礙在心力衰竭發(fā)展過程中究竟是因是果，以及如何用簡單可靠的方法來監(jiān)測(cè)線粒體功能障礙的發(fā)生等問題仍需要進(jìn)一步研究。隨著研究的深入，線粒體功能障礙在心力衰竭中的作用會(huì)日益凸顯，可為今后心力衰竭的治療提供新的理念。