線粒體自噬在膿毒癥中的研究進展

張欣桐 劉景卓 李 盼 馬德勝 馬 莉

1.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730030；2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科三病區(qū)，甘肅蘭州 730030

膿毒癥是機體對感染的炎癥反應(yīng)失調(diào)而導(dǎo)致的危及生命的器官功能障礙，常由創(chuàng)傷、手術(shù)、重癥胰腺炎等病因引起[1]。世界衛(wèi)生組織報告：每年全球至少3000萬人罹患膿毒癥，死亡率高達20%[2]，膿毒癥時細胞線粒體膜電位下降、促炎性細胞因子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量釋放，電鏡下可見線粒體發(fā)生腫脹、畸形甚至功能障礙，并引起線粒體DNA受損，最終導(dǎo)致器官發(fā)生急性損傷甚至衰竭，進而加速膿毒癥病情進展[3]。近年來大量研究證實，線粒體自噬在膿毒癥的病程中起重要作用，并通過多種途徑參與膿毒癥的治療[4-6]。本文就線粒體自噬在膿毒癥中的作用機制和治療作一綜述，以期提高對線粒體自噬的認識，為膿毒癥的治療提供新方法。

1 線粒體自噬的概述

自噬是一個依賴溶酶體進行降解實現(xiàn)自我保護的細胞代謝過程，包括微自噬、伴侶介導(dǎo)自噬和巨自噬[7]。目前研究最為廣泛的是巨自噬，即普遍意義的自噬。自噬的標志性蛋白包括p62、微管相關(guān)蛋白1輕鏈3B-Ⅱ（light chain 3B-Ⅱ，LC3B-Ⅱ）等，其含量可反映是否存在自噬以及自噬的程度高低。自噬可通過特定自噬小體選擇性地清除功能失調(diào)的亞細胞結(jié)構(gòu)，同時不影響正常運行的細胞器，從而維持細胞穩(wěn)態(tài)，該過程被稱為選擇性自噬，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、高爾基體等多種亞細胞結(jié)構(gòu)均可發(fā)生選擇性自噬[8]。

線粒體，是細胞內(nèi)發(fā)生氧化磷酸化、產(chǎn)生ATP的主要場所，提供細胞生命活動所需的95%的能量。當(dāng)氧化應(yīng)激、缺氧等因素造成線粒體損傷和破壞時，ATP生成減少，同時釋放大量ROS和凋亡因子觸發(fā)細胞壞死和凋亡過程[9]。2005年，Lemestars第一次提出“線粒體自噬”的概念[10]，即線粒體在ROS、缺乏營養(yǎng)、炎癥因子等刺激下可發(fā)生去極化和損傷，這些受損、老化和發(fā)生功能障礙的線粒體可被特定的自噬小體識別后選擇性地運輸?shù)饺苊阁w完成降解[11]。該過程不僅是細胞對抗線粒體應(yīng)激或損傷的一種機制，而且有助于線粒體生長發(fā)育和代謝過程的持續(xù)更新，因此也被稱為“程序性線粒體自噬”[12]，在控制線粒體質(zhì)量和維持線粒體動態(tài)平衡中起著至關(guān)重要的作用。

2 線粒體自噬與膿毒癥的作用機制

既往研究證實，線粒體自噬過程與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，該過程可抑制白細胞介素-1β、NLRP3炎癥小體等炎癥因子產(chǎn)生，減輕ROS對細胞的破壞，有效避免各種刺激引起的不必要的細胞損傷，減少細胞死亡和器官損傷[13-14]。而膿毒癥時機體炎癥因子大量釋放，氧化應(yīng)激反應(yīng)增強，全身重要器官心、肺、肝等均可發(fā)生急性損傷，由此推測膿毒癥時可誘發(fā)線粒體自噬過程，清除受損的線粒體，在一定程度上抑制過度的炎癥反應(yīng)，有利于感染局限化、減輕器官損傷程度。為了驗證這一假設(shè)，Dai等[15]在電鏡下發(fā)現(xiàn)膿毒癥急性腎損傷時，腎小管上皮細胞中線粒體發(fā)生明顯腫脹和畸形，可見多個自噬小體，溶酶體與線粒體自噬體融合，完成線粒體自噬過程。該研究證實膿毒癥時線粒體自噬過程有利于清除功能障礙的線粒體，避免細胞過度損傷。事實上，線粒體自噬主要通過Parkin依賴性途徑和Parkin非依賴性途徑在膿毒癥中發(fā)揮作用，分述如下：

2.1 Parkin依賴性途徑

Parkin依賴性途徑即PTEN誘導(dǎo)的假定激酶（PTEN-induced putative kinase-1，PINK1）-Parkin途徑，在線粒體自噬過程中最為常見。PINK1屬于絲氨酸/蘇氨酸激酶，Parkin/Park2是E3泛素連接酶。生理情況下Parkin位于細胞質(zhì)內(nèi)，其泛素連接酶活性受到抑制，PINK1進入線粒體內(nèi)膜并發(fā)生裂解。當(dāng)細胞發(fā)生炎癥、氧化應(yīng)激等反應(yīng)時線粒體發(fā)生去極化，線粒體膜電位下降，觸發(fā)Parkin發(fā)生泛素化，導(dǎo)致PINK1轉(zhuǎn)移至去極化的線粒體外膜上，然后通過泛素磷酸化過程將Parkin從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運至線粒體，參與線粒體自噬過程，而受損線粒體外膜上PINK1聚集和活化被認為是清除功能障礙線粒體的必要過程[16]。Zhang等[17]對膿毒癥細胞模型中線粒體和細胞質(zhì)內(nèi)Parkin含量進行檢測，發(fā)現(xiàn)Parkin在線粒體中顯著增加，在細胞質(zhì)中減少。由此證明：膿毒癥時Parkin從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運至線粒體，誘發(fā)線粒體自噬過程的發(fā)生。

為了進一步研究該途徑與膿毒癥的關(guān)系，有研究采用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）建立膿毒癥體外模型，在敲除PINK1后，下游蛋白Parkin和自噬標志蛋白表達被顯著抑制，而過表達PINK1后，結(jié)果恰恰相反[15]。體內(nèi)實驗可得到類似的結(jié)果，在膿毒癥小鼠模型中PINK1、Parkin基因敲除小鼠較野生型CLP小鼠的器官衰竭程度更重，死亡率更高[5,18]。上述結(jié)果表明：膿毒癥時PINK1-Parkin途徑被抑制會加重膿毒癥引起的器官損傷程度。

2.2 Parkin非依賴性途徑

在膿毒癥的病程中，Parkin非依賴性途徑也被廣泛研究，該途徑主要涉及3種蛋白：Fun14結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白1（Fun14 domain-containing protein 1，F(xiàn)UNDC1）、Bcl-2相互作用蛋白3（Bcl-2 interacting protein 3，BNIP3）、線粒體動力學(xué)相關(guān)蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）等，均可通過不同機制介導(dǎo)線粒體自噬過程。

2.2.1 FUNDC1系一種新型的線粒體膜蛋白，位于線粒體外膜上，其外膜區(qū)域含有3個關(guān)鍵殘基即絲氨酸13、絲氨酸17和酪氨酸18。生理情況下，F(xiàn)UNDC1的酪氨酸18殘基發(fā)生磷酸化，削弱其與LC3B-Ⅱ的結(jié)合力，抑制細胞中線粒體自噬過程。當(dāng)缺氧、氧化應(yīng)激等刺激因素存在時：一方面，線粒體絲氨酸13殘基去磷酸化誘導(dǎo)FUNDC1蛋白發(fā)生去磷酸化，其與LC3B-Ⅱ的相互作用增強并形成隔離膜，該隔離膜可加速受損的線粒體被清除[19]。另一方面，在缺氧或線粒體解偶聯(lián)劑的刺激下，F(xiàn)UNDC1的絲氨酸17殘基發(fā)生磷酸化，可增加對LC3B-Ⅱ的親和力，促進線粒體自噬過程[20]。閆夢瑩等[21]檢測膿毒癥大鼠肝組織FUNDC1蛋白、自噬標志蛋白表達水平和線粒體呼吸功能，發(fā)現(xiàn)FUNDC1蛋白表達水平下調(diào)而自噬標志蛋白水平上調(diào)，線粒體呼吸功能下降，表明膿毒癥肝損傷時，F(xiàn)UNDC1蛋白可激活線粒體自噬過程。為了驗證FUNDC1是線粒體自噬的關(guān)鍵蛋白，Yan等[22]應(yīng)用FUNDC1抑制劑對膿毒癥小鼠進行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)FUNDC1抑制劑能夠下調(diào)自噬相關(guān)蛋白的表達水平，抑制膿毒癥中線粒體自噬過程，進一步表明FUNDC1途徑與線粒體自噬過程密切相關(guān)。

2.2.2 BNIP3是具有非典型BH3結(jié)構(gòu)域的Bcl-2家族蛋白，主要位于線粒體外膜上，幾乎在所有動物和人類組織細胞中表達。BNIP3和PINK1的相互作用有利于Parkin募集到線粒體，促進Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬過程[23]。在膿毒癥大鼠骨骼肌中，BNIP3可加速線粒體自噬過程，從而導(dǎo)致受損的線粒體被清除，且這種誘導(dǎo)作用與Parkin是否過表達無關(guān)[24]。這意味著，BNIP3介導(dǎo)的線粒體自噬過程與PINK1-Parkin途徑是互不干擾的。

2.2.3 Drp1是一個分子量大小為96 kD的三磷酸鳥苷酸酶，屬于鳥苷酸結(jié)合蛋白的動力家族，多數(shù)位于細胞中，以多聚體的形式存在，參與線粒體的調(diào)節(jié)過程[25]。線粒體募集Drp1是啟動線粒體自噬過程的關(guān)鍵步驟，陳祝桂等[26]通過不同濃度LPS建立膿毒癥模型，并檢測肺上皮細胞中Drp1、LC3B蛋白水平，發(fā)現(xiàn)隨著脂多糖濃度升高，肺上皮細胞中上述蛋白表達水平均上調(diào)，線粒體膜電位降低，表明在膿毒癥肺損傷中，Drp1蛋白可影響線粒體自噬過程。

3 線粒體自噬與膿毒癥的治療

線粒體自噬和膿毒癥引起的炎癥反應(yīng)密切相關(guān)[27]，干預(yù)線粒體自噬過程可調(diào)節(jié)膿毒癥引起的炎癥反應(yīng)，有利于降低死亡率、改善患者預(yù)后。普拉克索屬于多巴胺受體激動劑，可抑制NLRP3炎癥小體過度活化，清除受損線粒體，減少組織損傷，提高小鼠生存率[18]。右美托咪定[28]可提高線粒體中Parkin蛋白表達水平，從而減輕巨噬細胞凋亡和炎癥反應(yīng)。

在膿毒癥引起的心肌功能障礙中，藥物通過不同的作用方式改善心功能。例如：米諾環(huán)素通過增加線粒體自噬小體的數(shù)量促進線粒體自噬過程[29]，美洲大蠊提取物則通過促進Drp1蛋白的表達調(diào)節(jié)Parkin依賴性途徑，保護心肌細胞[30]。此外，Essandoh等[31]發(fā)現(xiàn)：TSG101基因可增強Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬過程，改善膿毒癥小鼠心臟收縮功能，降低炎癥因子水平，提高小鼠存活率，在膿毒癥的治療中扮演重要的角色。

線粒體自噬除了在心肌功能障礙中發(fā)揮作用外，李偉文等[32]通過檢測人肺微血管內(nèi)皮細胞損傷模型線粒體中自噬蛋白PINK1和Parkin表達水平，發(fā)現(xiàn)丹酚酸A可下調(diào)上述自噬蛋白表達水平，對人肺微血管內(nèi)皮細胞具有保護作用。Yan等[22]發(fā)現(xiàn)：在膿毒癥急性肝損傷中，吸入抗氧化劑-氫氣后小鼠肝組織FUNDC1蛋白表達水平較模型組下降，而p62、LC3B-Ⅱ蛋白表達水平明顯升高，加速了線粒體自噬過程，有效提高了小鼠生存率。膿毒癥急性腎損傷時，線粒體中瞬時受體電位錨蛋白1可增強BNIP3蛋白表達，引起血清尿素和肌酐水平下降，保護腎功能[33]。

綜上所述，線粒體自噬對膿毒癥累及的心、肺、肝、腎等器官均有保護作用，活化線粒體自噬過程有利于減緩多器官功能障礙的發(fā)生，改善膿毒癥預(yù)后。

4 展望

膿毒癥是臨床常見的急危重癥，機體通過產(chǎn)生ROS和減少ATP釋放引起線粒體功能障礙，加重膿毒癥病情進展。而線粒體自噬作為一種保護性誘導(dǎo)過程，可通過Parkin依賴性途徑或Parkin非依賴性途徑抑制炎癥反應(yīng)，有效改善膿毒癥引起的多器官功能障礙，為膿毒癥的治療提供新的思路。但現(xiàn)階段線粒體自噬的研究大多局限于細胞、動物等基礎(chǔ)實驗層面，臨床研究資料有限。未來，研究人員應(yīng)致力于尋找、開發(fā)促進線粒體自噬的藥物，減輕多器官功能障礙的發(fā)生率，從而極大地降低膿毒癥患者的死亡率，為膿毒癥的治療提供新的理論依據(jù)。