膿毒癥心肌細胞凋亡的線粒體機制研究進展

思 飛 張 玲 李 盼 馬 莉

1.蘭州大學第二臨床醫(yī)學院，甘肅蘭州 730030；2.蘭州大學第二醫(yī)院急診ICU，甘肅蘭州 730030

膿毒癥是指由感染導致宿主免疫反應失調的一種可引起器官功能障礙、甚至死亡的系統(tǒng)性疾病[1]。其核心為感染和器官功能障礙，膿毒性休克提示病情危重。一般膿毒癥患者的死亡率約為10%，而膿毒性休克患者的病死率則高達甚至超過40%[2]。在美國，每年有70 余萬例膿毒癥患者，總死亡率接近30%，隨著美國人口的老齡化的進程，預計膿毒癥的發(fā)病率和死亡率也會逐漸上升[3]。膿毒癥發(fā)生的過程中，某個器官功能衰竭常常會誘發(fā)其他器官功能障礙或衰竭，其中心功能不全是膿毒癥相關多器官功能衰竭的重要組成部分。全球每年膿毒癥患者超過數(shù)百萬，且超過1/4 的患者死亡[4]。膿毒性心肌病具有多種不同的表現(xiàn)形式，主要包括收縮期或舒張期左心室和/或右心室功能障礙、心輸出量不足、供氧不足或原發(fā)性心肌細胞損傷。心功能衰竭會導致血流動力學障礙進而加重組織功能障礙、線粒體功能障礙和組織代謝紊亂。關于其發(fā)生發(fā)展機制的研究非常之多。線粒體的主要功能有為細胞生命活動提供能量，生成活性氧參與細胞內信號轉導，調節(jié)細胞內Ca2+平衡，介導線粒體凋亡途徑等[5-6]。目前，有研究提示在細胞凋亡的過程中線粒體起重要作用，甚至認為起決定性作用[7-8]。近年來認為線粒體在膿毒癥性心力衰竭中的作用機制為線粒體通透性轉換孔（mPTP）異常開放導致線粒體膜腫脹，通透性增加，膜電位崩潰，隨之導致代謝受損、能量生成障礙、活性氧（ROS）生成增加、線粒體釋放相關凋亡蛋白等[9-11]。因心肌細胞極大的耗能耗氧量，線粒體在心肌細胞中含量豐富，線粒體功能障礙的程度往往與膿毒癥的結局轉歸密切相關。

1 膿毒癥誘導的心功能障礙機制概述

在膿毒性心肌病中，膿毒癥引起的炎性反應失調與心功能障礙直接相關。動物實驗的原始觀察對特定“心肌抑制因子”的研究[12-13]證實細胞因子[包括白細胞介素（IL）-1b、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、IL-6 和p38 絲裂原活化蛋白激酶途徑]、補體系統(tǒng)與一氧化氮調節(jié)失調、心肌細胞氧化應激、交感神經(jīng)高張與膿毒性心肌病發(fā)生的關系，且在細胞水平上，蛋白質分解增加、線粒體損傷、一氧化氮失調、持續(xù)高兒茶酚胺的細胞毒性作用、β-腎上腺素能受體下調以及Ca2+失衡均會在膿毒癥期間誘發(fā)心功能障礙[14-16]。上述絕大多數(shù)機制最終可誘導細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD），PCD 分為內源性和外源性凋亡，自噬、壞死性凋亡等[17-18]。線粒體參與內外源性凋亡途徑，而內外源性凋亡途徑密切相關，因為死亡受體誘導的外源性途徑的凋亡信號相對較弱，需要通過內源性線粒體途徑的放大效應來實現(xiàn)[19]。

2 膿毒癥心肌細胞凋亡的線粒體機制

2.1 mPTP 的開放與線粒體氧化/亞硝化應激

相關研究顯示[20]，線粒體是ROS 產(chǎn)生的主要來源之一，TNF-α 通過結合細胞膜表面的TNF 受體1（TNFR-1），經(jīng)膜受體介導的信號轉導途徑激活鞘磷脂酶。鞘磷脂經(jīng)鞘磷脂酶分解生成神經(jīng)酰胺和磷酸膽堿，在神經(jīng)酰胺的作用下mPTP 異常開放。外部或病理原因導致mPTP 異常開放時，細胞中ROS、活性氮（RNS）和丙二醛（MDA）大量產(chǎn)生。此外，神經(jīng)酰胺還可通過抑制線粒體能量生成，進一步加速ROS 的產(chǎn)生。有研究顯示[21]，膿毒癥早期線粒體出現(xiàn)氧化/亞硝化應激，大量ROS、RNS 的產(chǎn)生與釋放造成線粒體損害。大量ROS、無機磷酸鹽、RNS 可能導致mPTP 上結構蛋白構象改變，mPTP 病理性開放，線粒體通透性增加，激活下游途徑，導致心肌細胞凋亡[22]。目前，mPTP 開放被認為是細胞損傷后凋亡或壞死的共同通路[23]。所以，ROS 的產(chǎn)生和mPTP 的開放是相互促進的惡性循環(huán)。

2.2 線粒體損傷與半胱天冬酶（caspase）家族的激活

TNF-α 介導的細胞凋亡部分是通過死亡結構域（外源性途徑）實現(xiàn)的。caspase-8 作為caspase 家族凋亡的啟動分子，先進行前體自我激活，再切割、活化下游效應分子caspase-3，隨后活化的caspase-3 切割底物，誘導凋亡[24]，故caspase-3 被稱作是凋亡的執(zhí)行者。此外，NF-κB 和c-Jun 氨基端激酶（JNK）等也可通過外源性途徑調節(jié)凋亡。

在TNF-α 等炎性因子、線粒體氧化應激、DNA 損傷等情況下，線粒體通透性變化，釋放細胞色素C（Cyt C），激活caspase 蛋白酶級聯(lián)反應，這是經(jīng)典的內源性凋亡途徑（線粒體途徑）中最關鍵的步驟之一[25]。研究顯示[26]，mPTP 抑制劑環(huán)孢菌素A 促進釋放凋亡誘導線粒體Cyt C、抑制caspase 家族活化和肝細胞凋亡。Cyt C 屬于核基因編碼的水溶性蛋白，是細胞凋亡最主要的調節(jié)因子，是線粒體呼吸鏈中復合物Ⅲ和Ⅳ的主要構成部分，可傳導和擴大凋亡信號[27]。細胞凋亡不僅抑制線粒體呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能過程，而且可激活由mPTP 調控及Cyt C 控制的線粒體凋亡途。Cyt C 可以在ATP/dATP 存在下與蛋白酶活化因子結合形成多聚體結構，進而激活另一凋亡的啟動分子caspase-9，caspase-9 收到信號后便以自剪和接合的方式自我激活。caspase-9 不具備降解細胞功能蛋白的能力，通過caspase 級聯(lián)反應激活下游無法自我激活的casepase-3；同樣，細胞凋亡的外源性途徑介導激活啟動分子caspase-8，繼而激活下游caspase-3；被激活的caspase-3 則作為內外源性凋亡的最后共同通路，執(zhí)行凋亡，直接破壞受損心肌細胞中許多重要的結構和功能蛋白，進一步將其降解為凋亡小體，誘導心肌細胞凋亡[28]。細胞凋亡初期，caspase-3 還可與線粒體形成正反饋環(huán)，相互促進放大凋亡信號，最終導致mPTP 持續(xù)不可逆開放。

2.3 Bax/Bcl-2 的表達與細胞凋亡

TNF-α 作為凋亡的啟動介質，通過激活線粒體膜上Bax 促凋亡蛋白家族，導致心肌細胞凋亡[29]。Chopra 等[30]發(fā)現(xiàn)，在膿毒癥發(fā)生的后期（第3、7 天），炎性因子、心肌損傷標志物的升高以及心功能障礙的發(fā)生與TNFR 相關的死亡結構域有關，同時發(fā)現(xiàn)caspase-3 被激活、Bax/Bcl-2 比值升高、Cyt C 釋放增加，心肌細胞凋亡指數(shù)進行性增加。細胞凋亡過程中，外源性途徑主要由TNFR 相關的死亡結構域介導，Bcl-2 家族主要介導內源性途徑，而caspase-3 的激活則是心肌細胞內外源性凋亡途徑最后的共同通路。這些凋亡相關蛋白在mPTP 的開放中也起重要作用，促凋亡蛋白Bax 作為Bcl-2 家族蛋白的關鍵成員之一，直接調控mPTP 的開放，Bax 高表達引起mPTP 開放，而抗凋亡蛋白Bcl-2 抑制其開放[31]。Bcl-2 家族對mPTP 開放的調控機制最終導致粒體膜通透性改變。在接收到凋亡信號后，其家族促凋亡蛋白成員經(jīng)過磷酸化、裂解等一系列蛋白質修飾、加工及相互作用，改變細胞內定位，易位至線粒體外膜后轉變?yōu)槎垠w或多聚體活性分子，與mPTP 相互作用后最終使線粒體膜通透性增大，激發(fā)下游Cyt C 釋放，誘導細胞凋亡。所以，Bax、Bcl-2 的表達及Bax/Bcl-2 調控mPTP的開放，誘導細胞的程序性死亡。

2.4 mPTP 開放后不依賴Caspase 的細胞凋亡機制

異常開放的mPTP 也會促進線粒體自噬及線粒體膜兩側質子電化學梯度變化?；钚匝跫易宓倪^量產(chǎn)生可直接損傷線粒體的相關蛋白，抑制線粒體呼吸，mPTP 的異常開放使線粒體中Cl-濃度增加，細胞內Ca2+過載明顯，導致線粒體膜電位崩潰，無法維持氧化磷酸化及ATP 產(chǎn)生，導致氧化磷酸化解偶聯(lián)、能量生成障礙。細胞損傷的時間和mPTP 的開放程度決定了細胞凋亡的模式。mPTP 異常打開后，不依賴caspase的細胞凋亡與線粒體跨膜電位消失、線粒體外膜破裂、呼吸鏈ATP 合成受阻以及細胞能量耗盡有關。

3 總結與展望

心臟是膿毒癥發(fā)生發(fā)展過程中最易受累的器官，而心功能障礙后血流動力學的紊亂是多臟器功能衰竭的啟動環(huán)節(jié)。膿毒癥時心肌細胞線粒體功能障礙是導致心肌細胞凋亡的重要原因，而心肌細胞凋亡勢必誘發(fā)心功能障礙。線粒體損傷后mPTP 的異常開放，膜電位崩潰、氧化磷酸化解偶聯(lián)、活性氧家族的產(chǎn)生及凋亡蛋白的釋放，各個環(huán)節(jié)相互影響、相互促進、錯綜復雜，最終導致心肌細胞凋亡，進而造成膿毒癥心功能障礙。因此，對于膿毒癥心肌細胞凋亡的線粒體機制，亟待更多、更深入層次的研究，而對于膿毒癥心功能障礙的治療也需要進一步多層次、多靶點的探索。