江克兵 吳青青 沈滌非

心力衰竭(heart failure,HF)是心臟泵血能力下降導(dǎo)致全身器官灌注不足而引起的臨床綜合征,運動耐力下降和勞力性呼吸困難為心力衰竭的典型癥狀。HF是老年人死亡的主要原因之一,根據(jù)中國心力衰竭流行病學(xué)調(diào)查顯示,我國 35 歲以上人群HF的患病率約為0.9%[1]。且臨床上射血分?jǐn)?shù)保留型心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction,HFpEF)已成為HF的主要表現(xiàn)形式,據(jù)統(tǒng)計HFpEF約占心力衰竭的50%,而且隨著人口老齡化和生活方式的改變,HFpEF的患病率將進(jìn)一步增加。HFpEF是以心室壁增厚、左心室順應(yīng)性降低、心臟舒張功能障礙和運動耐力下降為特征的臨床綜合征。靜息狀態(tài)下HFpEF患者心臟射血分?jǐn)?shù)尚可維持,不影響心肌功能;在運動狀態(tài)下,HFpEF患者無法協(xié)調(diào)呼吸系統(tǒng)、心臟泵和外周循環(huán)系統(tǒng),將氧氣運送至骨骼肌和心肌的線粒體中合成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),為機(jī)體提供能量。研究表明,HFpEF患者的運動氧耗量峰值(Peak VO2)持續(xù)性下降,致使運動期間ATP生成率和磷酸肌酸(creatine phosphate,PCr)再合成率顯著降低,無法維持正常生理代償[2]。根據(jù)Fick方程,Peak VO2等于心排出量與動靜脈氧差(arteriovenous oxygen difference,A-VO2Diff)的乘積,A-VO2Diff是組織提取氧氣的標(biāo)志,因此HFpEF患者運動期間能量產(chǎn)生不足可能是心排出量減少和組織氧氣利用減少共同導(dǎo)致的結(jié)果。近年來研究也證實,運動過程中心排出量減少僅占HFpEF氧耗量峰值減少的50%,組織對氧氣利用減少則占另一半[3,4]。組織利用氧氣主要方式為線粒體氧化磷酸化,線粒體功能穩(wěn)定是維持其氧化磷酸化能力的基礎(chǔ),因此線粒體功能障礙與HFpEF的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

一、線粒體功能概述

線粒體是哺乳動物細(xì)胞能量產(chǎn)生的重要場所。多分布于肌原纖維之間,與肌節(jié)平行地從一個Z帶延伸到另一個Z帶,約占心肌細(xì)胞體積的45%。心臟作為動力器官,需要大量能量維持心臟泵出血液以維持全身氧供。心肌細(xì)胞產(chǎn)生的ATP約95%來源于線粒體,其余部分來源于糖酵解和三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)形式[5]。因此線粒體功能穩(wěn)定對能量的產(chǎn)生及利用至關(guān)重要,線粒體具有自身質(zhì)量控制系統(tǒng)以維持線粒體功能的穩(wěn)定。即線粒體能進(jìn)行有序的生物發(fā)生、融合、分裂和自噬。在這些機(jī)制的共同作用下,線粒體降解和補(bǔ)充達(dá)到平衡,確保存在足夠數(shù)量的功能性線粒體來維持機(jī)體的能量需求[6]。

1.線粒體生物發(fā)生：線粒體生物發(fā)生是改變線粒體大小和增加其數(shù)量以提高ATP產(chǎn)生能力的過程。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活子 1α(peroxisomal proliferator-activated receptorγcoactivator 1α,PGC-1α)是目前廣泛認(rèn)可的線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)因子,通過激活不同的轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生,包括過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator activated receptors,PPARs)、核呼 吸 因 子(nuclear respiratory factors,NRFs)、雌激素相關(guān)受體(estrogen related receptor,ERRs)等,進(jìn)一步激活線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A,Tfam)的表達(dá),驅(qū)動線粒體DNA(mtDNA)的轉(zhuǎn)錄和翻譯。此外,PGC-1α可通過NRF-1誘導(dǎo)核基因組表達(dá)生成核編碼線粒體蛋白(nuclear-encoded mitochondrial proteins,NEMP),NEMP以未折疊構(gòu)象通過蛋白質(zhì)易位酶穿過線粒體內(nèi)外膜進(jìn)入線粒體,隨后在基質(zhì)蛋白酶的作用下水解前序部分,并在分子伴侶的幫助下折疊成熟[7]。

2.線粒體分裂與融合：線粒體通過改變其形態(tài)和分布以適應(yīng)不同組織器官的生理活動和環(huán)境,最突出的特征是線粒體分裂與融合。介導(dǎo)線粒體分裂與融合的核心蛋白是膜重塑機(jī)械化學(xué)酶,屬于GTP酶動力蛋白家族。線粒體動力蛋白包括動力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)、絲裂蛋白(mitofusin,Mfn)和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1,OPA1)[8]。線粒體分裂主要受Drp1調(diào)控,Drp1為胞質(zhì)蛋白,通過與線粒體外膜錨定受體蛋白結(jié)合被募集到線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)接觸位點,水解GTP驅(qū)動線粒體收縮,使線粒體形態(tài)改變或分裂。Drp1主要受體為線粒體裂變因子(mitochondrial fission factor,Mff)和線粒體動力蛋白(mitochondrial dynamics proteins,MiDs),Mff 募集功能活躍的寡聚Drp1,誘導(dǎo)線粒體收縮分裂;而無活性的二聚體Drp1則與MiDs 結(jié)合,誘導(dǎo)線粒體延長[5]。線粒體外膜(outer mitochondrial membrane,OMM)和內(nèi)膜(inner mitochondrial membrane,IMM)的融合則分別受Mfn和OPA1的調(diào)控。Mfn包含G結(jié)構(gòu)域、TM螺旋和兩個中心螺旋區(qū)(HB1和HB2)。Mfn通過TM螺旋錨定在OMM上,G結(jié)構(gòu)域能結(jié)合并水解GTP為線粒體融合提供能量。首先G結(jié)構(gòu)域之間結(jié)合形成二聚體,隨后Mfn借助G結(jié)構(gòu)域結(jié)合形成的鉸鏈相互移動將兩個OMM拉近融合。當(dāng)兩個OMM融合后,IMM會快速融合,這個過程由OPA1介導(dǎo)。OPA1包含與N端緊鄰的G結(jié)構(gòu)域、與脂質(zhì)相互作用的莖(LIS)和兩個中心螺旋區(qū)(BSE和stalk)。IMM的融合需要利用各分子間的相互作用,主要為G-BSE-stalk模式介導(dǎo)的“頭對尾”組裝誘導(dǎo)膜彎曲,在兩個 IMM 上產(chǎn)生不穩(wěn)定尖端。當(dāng)兩個不穩(wěn)定尖端相遇時,產(chǎn)生一個融合孔,通過擴(kuò)大融合孔完成IMM的融合[9]。

3.線粒體自噬：線粒體自噬可以清除多余、老化和受損的線粒體,維持線粒體功能和線粒體蛋白質(zhì)量。受損線粒體被識別、分離,隨后與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體,最終降解。線粒體自噬包括泛素依賴性微管相關(guān)蛋白1輕鏈 3(microtubule associated protein 1 light chain3,LC3)適配體蛋白途徑、非泛素依賴性LC3適配體蛋白途徑和LC3受體直接作用途徑[10]。泛素依賴性LC3適配體蛋白途徑主要為PTEN誘導(dǎo)假定激酶1(pten induced putative kinase 1,PINK1)/E3泛素連接酶(E3 ubiquitin ligase,PARKIN)介導(dǎo)的線粒體自噬,是哺乳動物受損線粒體最常見的自噬途徑。線粒體損傷導(dǎo)致線粒體膜電位去極化、PINK1分裂減少,PINK1通過外膜轉(zhuǎn)位酶(outer membrane translocase,TOM)聚集在受損線粒體外膜,隨后發(fā)生自身磷酸化并激活。激活后的PINK1可招募PARKIN并將其磷酸化激活,激活后的PARKIN使線粒體膜上底物蛋白多聚泛素化,隨后被LC3適配體識別,與 LC3 結(jié)合介導(dǎo)線粒體進(jìn)入自噬體,再與溶酶體結(jié)合,形成自噬-溶酶體,降解受損線粒體[6]。非泛素依賴性LC3適配體蛋白介導(dǎo)的線粒體自噬,主要為膽堿脫氫酶(choline dehydrogenase,CHDH)、TBC1結(jié)構(gòu)域家族成員15(TBC1 domain family member 15,TBC1D15)等線粒體蛋白通過LC3適配體與LC3結(jié)合,介導(dǎo)受損線粒體自噬降解[11]。除了依賴線粒體LC3適配體蛋白的自噬途徑外,還有一類線粒體蛋白可以直接與LC3結(jié)合,介導(dǎo)受損線粒體自噬,包括位于OMM的BCL相互作用蛋白3(Bcl-2 interacting protein 3,BNIP3)、含 FUN14 域蛋白 1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)、Bcl-2樣蛋白13(Bcl-2-like protein 13,BCL2L13)、FKBP脯氨酰異構(gòu)酶8 (FKBP prolyl isomerase 8,FKBP8)和位于IMM的抑制素2(prohibitin 2,PHB2)、心磷脂(cardiolipin)等。

二、線粒體功能障礙在HFpEF中的作用

線粒體氧化磷酸化合成ATP同時伴隨著副產(chǎn)物活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生。ROS在線粒體中積累導(dǎo)致線粒體損傷、功能障礙,加重心力衰竭患者能量產(chǎn)生與需求的失衡,并激活下游與心臟重塑、炎癥和舒張功能障礙相關(guān)的信號通路[12]。Hahn等[13]研究發(fā)現(xiàn),在HFpEF中參與ATP合成、電子傳遞鏈的基因被上調(diào),而這些通路在射血分?jǐn)?shù)減少型心力衰竭(heart failure with reduced ejection fraction,HFrEF)中被下調(diào);此外,相比HFrEF,參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體自噬、血管生成、一氧化氮(nitric oxide,NO)合成的基因在HFpEF中表達(dá)下降。

1.線粒體氧化應(yīng)激在HFpEF中的作用：ROS產(chǎn)生和防御清除之間平衡失調(diào)所致氧化應(yīng)激是線粒體損傷的常見原因。多種機(jī)制參與調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和維持氧化還原穩(wěn)態(tài),包括炎癥、ROS和NO的表達(dá)水平。Schiattarella等[14]研究發(fā)現(xiàn),HFpEF導(dǎo)致冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞中的內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)活性降低、NO合成減少。而與eNOS活性降低相反,HFpEF時誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)活性增加。iNOS可以使多種蛋白質(zhì)內(nèi)的半胱氨酸殘基亞硝基化,干擾蛋白質(zhì)功能[15]。除此之外,HFpEF時心肌細(xì)胞線粒體內(nèi)的NADPH氧化酶4(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase subunit 4,NOX4)表達(dá)也增加,導(dǎo)致線粒體中超氧化物和過氧化氫兩種ROS合成增加。上述研究表明,HFpEF時心肌細(xì)胞對NO的生物利用率降低、ROS產(chǎn)生水平升高。并且ROS增多導(dǎo)致肌聯(lián)蛋白(titin)形成二硫鍵;同時NO減少也使蛋白激酶G(protein kinase G,PKG)活性降低、肌聯(lián)蛋白磷酸化降低。兩者共同誘導(dǎo)肌聯(lián)蛋白僵化,使心肌細(xì)胞失去彈性、心室順應(yīng)性下降[16]。此外氧化應(yīng)激時可通過激活線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)改變線粒體通透性,開放mPTP使線粒體基質(zhì)內(nèi)和胞漿內(nèi)的離子得以平衡流動,驅(qū)散線粒體內(nèi)膜跨膜電位(mitochondrial membrane potential,ΔΨm),使線粒體膜電位去極化,線粒體發(fā)生腫脹、破裂和功能障礙;mPTP的開放,還使線粒體內(nèi)外膜間和基質(zhì)之間的質(zhì)子濃度梯度消失,導(dǎo)致線粒體氧化磷酸化和ATP產(chǎn)生解偶聯(lián)[17]。

2.線粒體生物發(fā)生在HFpEF中的作用：Chaanine等[18]研究發(fā)現(xiàn),HFpEF患者心肌細(xì)胞線粒體生物發(fā)生標(biāo)志物PGC-1α表達(dá)降低,mtDNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制下降,而線粒體分裂標(biāo)志物Drp1的表達(dá)并不增加[5]。此外有研究表明,心力衰竭時由于ROS產(chǎn)生增加激活共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變蛋白(ataxia telangiectasia mutated protein,ATM)介導(dǎo)的 DNA 損傷反應(yīng)途徑,誘導(dǎo)核糖核蛋白結(jié)構(gòu)域家族成員7(laribonucleoprotein domain family member 7,LARP7)泛素化和降解,導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生受損,線粒體合成缺陷;同時降低沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1,SIRT1)的穩(wěn)定性和去乙酰化酶的活性,損害由SIRT1介導(dǎo)的氧化磷酸化和能量代謝基因的轉(zhuǎn)錄[19]。以上研究表明,HFpEF時氧化應(yīng)激引起線粒體損傷,而線粒體生物發(fā)生被抑制,代償性線粒體生物發(fā)生調(diào)節(jié)失調(diào),新生線粒體不足。

3.線粒體分裂、融合在HFpEF中的作用：Molina等[20]研究發(fā)現(xiàn),HFpEF患者M(jìn)FN2表達(dá)明顯降低,且MFN2表達(dá)降低與HFpEF患者的運動不耐受、Peak VO2下降存在明顯的正相關(guān)。研究證實,慢性心力衰竭時下調(diào)Drp1的表達(dá),抑制受損線粒體的裂解與自噬,導(dǎo)致受損線粒體積累、線粒體功能障礙[21]。此外當(dāng)心肌肥厚心肌收縮力增強(qiáng)、心肌細(xì)胞需求更多能量時,雖然線粒體數(shù)目增加,但線粒體體積減小,嵴結(jié)構(gòu)被破壞。而調(diào)節(jié)線粒體分裂的關(guān)鍵因子Drp1和調(diào)節(jié)線粒體融合的關(guān)鍵因子Mfn1/2、Opa1并沒有被激活;調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生的關(guān)鍵因子PGC-1α和NRF1的轉(zhuǎn)錄水平也未增加[22]。與HFpEF比較,在HFrEF中,線粒體生物發(fā)生標(biāo)志物PGC-1α表達(dá)同樣降低,但線粒體分裂標(biāo)志物Drp1表達(dá)增加。這些研究結(jié)果表明,HFpEF時線粒體分裂與融合的能力被抑制,線粒體周轉(zhuǎn)率下降,無法及時調(diào)整線粒體形態(tài)與分布、滿足心肌細(xì)胞對能量的需求。

4.線粒體自噬在HFpEF中的作用：HFpEF是由于心室壁增厚、冠狀微動脈稀疏、氧氣擴(kuò)散和轉(zhuǎn)運能力降低,導(dǎo)致心臟氧供不足。脂肪酸氧化相比葡萄糖、乳酸和酮體氧化需要更多的氧氣,因此心臟代謝由脂肪酸氧化向葡萄糖和酮體氧化轉(zhuǎn)變[23,24]。Dan等[25]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)長期的脂肪酸氧化減少時,脂肪酸供應(yīng)、儲存和利用失衡,心肌細(xì)胞中中性脂肪酸積累,脂肪毒性增加使線粒體損傷。此時由PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬被抑制。受損線粒體無法降解,受損線粒體積累,線粒體出現(xiàn)形態(tài)改變和異質(zhì)性,最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷、心臟收縮和舒張功能障礙。相反通過促進(jìn)小鼠心肌細(xì)胞中PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬途徑可以對心肌細(xì)胞起到保護(hù)作用。但有趣的是,也有研究發(fā)現(xiàn),HFpEF患者心肌細(xì)胞中,由叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O3a (forkhead transcription factor O subfamily member 3a,FOXO3a)/BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬途徑是被激活的,促進(jìn)受損線粒體自噬降解。上述研究顯示,在HFpEF發(fā)生、發(fā)展中對線粒體自噬功能可能會產(chǎn)生不同影響,這些差異可能是由于調(diào)控線粒體自噬的信號機(jī)制不同或疾病不同發(fā)展階段所致,其具體機(jī)制仍需進(jìn)一步深入研究。

三、糾正線粒體功能障礙的方向及相關(guān)藥物

1.抗氧化劑：此類藥物可減輕線粒體功能障礙時ROS增加所致的細(xì)胞毒性作用。包括維生素C、維生素E、硫辛酸和半胱氨酸供體等。硫辛酸是丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex,PDH)和酮戊二酸脫氫酶(α-ketoglutarate dehydrogenase,α-OGDH)等線粒體多酶復(fù)合物的必需因子,在能量代謝中起關(guān)鍵作用。其次,硫辛酸及其還原形式二氫硫辛酸具有高電子密度和還原電位,是一種有效的抗氧化劑,能清除各種ROS。谷胱甘肽是一種細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑,其合成受半胱氨酸的影響。通過補(bǔ)充半胱氨酸供體可增加谷胱甘肽水平,從而增強(qiáng)機(jī)體清除ROS的能力。在一項隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照實驗中表明,使用肌酸、輔酶Q10和硫辛酸的聯(lián)合治療可降低線粒體疾病患者血漿中的乳酸和尿液中的氧化應(yīng)激標(biāo)志物含量。此外,有研究表明,使用硫辛酸和維生素E治療能改善阿托伐他汀誘導(dǎo)的大鼠線粒體功能障礙。

2.恢復(fù)一氧化氮的產(chǎn)生：越來越多證據(jù)表明,線粒體功能障礙患者存在NO缺乏癥,NO是精氨酸在NOS作用下產(chǎn)生的。精氨酸的來源有3個途徑：膳食攝入、蛋白質(zhì)分解和從頭合成。精氨酸的從頭合成是由瓜氨酸在精氨酸琥珀酸合酶(argininosuccinate synthase,ASS)和精氨酸琥珀酸裂解酶(argininosuccinate lyase,ASL)的作用下合成的。因此,精氨酸和瓜氨酸都是NO合成的前體物質(zhì),通過補(bǔ)充外源性精氨酸和瓜氨酸可用于治療線粒體功能障礙時NO合成減少。有研究表明,在多種線粒體疾病的患者血漿中都檢測到精氨酸和瓜氨酸水平降低,并且給予MELAS綜合征患者靜脈注射精氨酸治療,可改善腦卒中發(fā)作期的臨床癥狀、降低腦卒中樣發(fā)作的發(fā)作頻率和嚴(yán)重程度。

3.增強(qiáng)線粒體生物發(fā)生：此類藥物通過增加線粒體生物發(fā)生以增加線粒體數(shù)量,緩解線粒體功能障礙所致ATP缺乏。包括苯扎貝特、表兒茶素和 RTA 408等。苯扎貝特是一種 PPAR 激動劑,通過激活PPAR/PCG-1α通路誘導(dǎo)線粒體生物合成。在細(xì)胞色素c氧化酶缺乏小鼠模型中,苯扎貝特可激活線粒體生物合成,從而增加線粒體數(shù)量、氧化磷酸化能力和能量產(chǎn)生。表兒茶素是一種含有多個酚羥基結(jié)構(gòu)的黃烷類化合物,容易被氧化成醌類而提供氫離子,具有顯著的抗氧化作用。此外有研究表明,給小鼠喂食表兒茶素能增強(qiáng)線粒體生物發(fā)生,增加電子傳遞鏈蛋白、mitofilin蛋白、孔蛋白和Tfam的表達(dá)。RTA 408是一種人工合成異戊二烯,可通過激活Nrf2增強(qiáng)線粒體生物發(fā)生。

四、展 望

線粒體在心肌能量代謝發(fā)揮重要作用。HFpEF發(fā)生時ROS積累誘導(dǎo)氧化應(yīng)激致線粒體功能障礙,使患者能量產(chǎn)生與需求失衡。通過藥物增強(qiáng)線粒體功能,能對某些線粒體疾病起到有益效果。此外近年來有研究發(fā)現(xiàn),通過1年高強(qiáng)度運動訓(xùn)練可改善左心室肥大患者線粒體功能,降低HFpEF的風(fēng)險。因此,準(zhǔn)確評估和有效改善線粒體功能,不僅有助于深入闡明HFpEF的病理生理機(jī)制,也為HFpEF的臨床治療提供新的靶點。