琥珀酸鹽代謝異常在缺血再灌注損傷中的作用

李成龍，彭曉偉，戚思華

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院麻醉科，哈爾濱 150001)

缺血再灌注(ischemia-reperfusion，IR)損傷是指缺血組織器官恢復(fù)血流灌注后不僅不能恢復(fù)正常功能，反而出現(xiàn)嚴(yán)重功能障礙的病理狀態(tài)。IR損傷是多種嚴(yán)重疾病的共同病理生理學(xué)基礎(chǔ)，包括心肌梗死、缺血性腦卒中、肺栓塞等，也是器官移植、心胸外科、血管和普通外科手術(shù)中的主要挑戰(zhàn)之一[1]。由IR損傷所致的器官功能障礙往往導(dǎo)致患者預(yù)后不良，給全球的醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來沉重負(fù)擔(dān)[2-3]。IR損傷的確切機(jī)制目前尚不明確，可能包括線粒體產(chǎn)生活性氧類(reactive oxygen species，ROS)引發(fā)氧化損傷、IR導(dǎo)致無菌性炎癥反應(yīng)、鈣超載引起細(xì)胞凋亡以及微血管功能障礙等[4-7]。因此，可顯著改善患者預(yù)后的治療手段或藥物十分有限[8]。琥珀酸鹽是三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物，在代謝過程中占據(jù)關(guān)鍵位置，是三羧酸循環(huán)與線粒體呼吸鏈之間的唯一直接聯(lián)系[9]。人體血漿琥珀酸鹽的平均濃度為1～20 mmol/L，在缺血缺氧狀態(tài)下其濃度顯著升高，而其他三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的濃度則降低[10-11]，琥珀酸鹽是缺血的通用代謝標(biāo)志物和信號分子。琥珀酸鹽可蓄積在線粒體內(nèi)，也可被交換到細(xì)胞質(zhì)或排出細(xì)胞外，分別通過不同途徑介導(dǎo)IR損傷的病理過程。琥珀酸鹽代謝異常介導(dǎo)的ROS生成及相關(guān)炎癥反應(yīng)是器官IR損傷的新機(jī)制?，F(xiàn)就琥珀酸鹽代謝異常在IR損傷中的作用予以綜述。

1 缺血期琥珀酸鹽異常蓄積

在哺乳動物組織中，琥珀酸鹽來自三羧酸循環(huán)對葡萄糖等能源物質(zhì)的氧化過程，琥珀酸鹽進(jìn)一步被琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase，SDH)氧化為富馬酸，進(jìn)行后續(xù)的產(chǎn)能反應(yīng)。但在組織器官缺血期，細(xì)胞無氧代謝增強(qiáng)，高比例的還原態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/氧化態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑驅(qū)動蘋果酸鹽生成增加，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為富馬酸；同時，無氧代謝期間嘌呤核苷酸循環(huán)的腺苷單磷酸依賴性激活同樣導(dǎo)致富馬酸的生成增加[12-13]。增加的富馬酸被SDH的反向作用還原為琥珀酸鹽，隨著線粒體中鳥苷三磷酸和輔酶A的消耗，琥珀酸鹽向琥珀酰輔酶A的轉(zhuǎn)化受到抑制，從而造成琥珀酸鹽的異常蓄積[14]。此外，缺血期經(jīng)典的三羧酸循環(huán)還可能通過將谷氨酰胺分解為α-酮戊二酸，促進(jìn)琥珀酸鹽的積累[15]。

研究表明，在心肌、肝臟、腎臟、腦等器官缺血期間，組織內(nèi)的琥珀酸鹽濃度均顯著升高[16]。Kohlhauer等[17]對急性ST段抬高型心肌梗死患者的靜脈血進(jìn)行代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，患者心肌琥珀酸鹽釋放水平與心肌細(xì)胞急性缺血性損傷的程度相關(guān)，琥珀酸鹽可作為心肌IR損傷的早期標(biāo)志物和潛在的治療靶點(diǎn)。保持心肌從缺血期至再灌注期處于亞低溫狀態(tài)(32～34 ℃)，可顯著降低琥珀酸鹽積累的程度，減輕再灌注時小鼠的心肌損傷[18]。肝臟IR損傷通常發(fā)生在肝移植、部分肝切除和肝臟創(chuàng)傷期間[19]。在缺血狀態(tài)下，琥珀酸鹽在大鼠離體灌流肝臟中的濃度急劇上升，可超過基礎(chǔ)值的10～14倍[20]。Park等[21]通過持續(xù)4周每天給小鼠腹膜內(nèi)注射100 mg/kg琥珀酸鹽，發(fā)現(xiàn)琥珀酸鹽可誘導(dǎo)靜息狀態(tài)下肝星狀細(xì)胞(hepatic stellate cell，HSC)的活化、增殖和遷移，并減少HSC的凋亡，推測抑制琥珀酸鹽積累可能是控制HSC活化的有效方法。HSC是參與肝臟IR損傷的主要細(xì)胞，HSC活化產(chǎn)生大量細(xì)胞外基質(zhì)成分修復(fù)受損的肝細(xì)胞是IR后肝纖維化形成的核心機(jī)制[22-23]。缺血誘導(dǎo)的琥珀酸鹽積累同樣在神經(jīng)元損傷中起關(guān)鍵作用。Wu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，由于SDH激活的逆轉(zhuǎn)，缺血期氧-葡萄糖剝奪誘導(dǎo)神經(jīng)元內(nèi)琥珀酸鹽積累，蓄積的琥珀酸鹽通過誘導(dǎo)線粒體分裂和線粒體己糖激酶Ⅱ受損，破壞線粒體功能；小鼠口服山柰酚可縮小腦缺血后的梗死面積，山柰酚可通過激活蛋白激酶B抑制線粒體分裂，維持己糖激酶Ⅱ的正常功能并增強(qiáng)自噬，從而保護(hù)神經(jīng)元免受琥珀酸鹽介導(dǎo)的神經(jīng)元缺血性損傷。腎臟血流豐富，也是易受IR損傷的器官之一，琥珀酸鹽濃度在腎臟缺血期顯著升高[25]。由此可見，琥珀酸鹽是組織器官缺血期間的終末代謝產(chǎn)物，可作為缺血的代謝標(biāo)志物。抑制缺血期琥珀酸的異常蓄積，可能是減輕IR損傷的有效手段。

2 再灌注期琥珀酸鹽促進(jìn)ROS生成

線粒體產(chǎn)生大量ROS是IR損傷的關(guān)鍵早期驅(qū)動因素，而琥珀酸鹽代謝異常則是IR期間促進(jìn)線粒體產(chǎn)生ROS的重要環(huán)節(jié)。再灌注過程中，由于細(xì)胞重新獲得氧供，線粒體內(nèi)的琥珀酸鹽被SDH迅速氧化，導(dǎo)致輔酶Q顯著減少，而線粒體膜電位顯著升高，這些條件驅(qū)使電子通過線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ反向傳遞，導(dǎo)致泄露的電子與氧結(jié)合產(chǎn)生大量ROS[16,26]。增加的ROS可誘導(dǎo)線粒體膜通透孔開放，引起線粒體膜電位完全崩潰和細(xì)胞色素C釋放，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡級聯(lián)信號的激活，從而引起細(xì)胞死亡[27-28]。ROS引起的線粒體破壞還可釋放損傷相關(guān)模式分子，引發(fā)無菌性炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致IR損傷[29]。此外，過量的ROS還可通過脂質(zhì)過氧化、DNA的氧化和基質(zhì)金屬蛋白酶的活化直接誘導(dǎo)組織氧化性損傷[30]。在再灌注過程中使用丙二酸二甲酯抑制SDH活性、減慢琥珀酸鹽的氧化速度，可減少ROS的產(chǎn)生，從而減輕組織器官的氧化性損傷[16]，這可能是治療IR損傷的新方法。

在小鼠心肌缺血模型中發(fā)現(xiàn)，缺血期心肌細(xì)胞無氧代謝增強(qiáng)，琥珀酸鹽大量蓄積，再灌注期通過SDH的氧化作用驅(qū)動產(chǎn)生大量ROS，引起心肌IR損傷[16,26]。抑制再灌注過程中琥珀酸鹽的快速氧化是減少ROS產(chǎn)生、減輕心肌氧化損傷的有效途徑[31-32]。外源性給予煙酰胺腺嘌呤二核苷酸可通過促進(jìn)沉默調(diào)節(jié)蛋白5途徑介導(dǎo)的SDH-a脫琥珀?；约敖档蚐DH-a活性，減少缺血期琥珀酸鹽的積累和ROS的生成，從而減輕離體大鼠心臟IR誘導(dǎo)的氧化損傷[33]。大量研究表明，再灌注后琥珀酸鹽蓄積所引起的線粒體ROS爆發(fā)生成是肝臟IR損傷的關(guān)鍵機(jī)制，ROS誘導(dǎo)的線粒體氧化損傷可破壞ATP產(chǎn)生，導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死[34-35]。一項體外研究發(fā)現(xiàn)，使用SDH競爭性抑制劑丙二酸二甲酯能夠促進(jìn)心搏驟停后大鼠的神經(jīng)功能恢復(fù)，減輕腦損傷程度，主要機(jī)制為抑制線粒體膜電位的過度極化，減少線粒體ROS的產(chǎn)生，從而減少神經(jīng)元凋亡[36]。另有研究發(fā)現(xiàn)，丙泊酚可通過抑制SDH活性顯著抑制再灌注期琥珀酸鹽的氧化，減少ROS的爆發(fā)生成，從而減輕神經(jīng)元氧化應(yīng)激損傷[37]。在腎臟內(nèi)，琥珀酸鹽在小鼠腎臟缺血過程中逐漸積累，并通過線粒體復(fù)合體Ⅰ驅(qū)動再灌注相關(guān)ROS生成引起IR損傷[16]。但在腎移植的情況下，移植物獲取期間不會發(fā)生琥珀酸鹽的蓄積及其驅(qū)動的ROS形成[25]。因此，通過抑制SDH的活性，減少琥珀酸鹽氧化驅(qū)動的ROS生成，可能是治療組織器官IR損傷的新策略。

3 再灌注期琥珀酸鹽引發(fā)炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)是組織器官IR損傷發(fā)病機(jī)制中的重要組成部分，琥珀酸鹽作為一種促炎信號分子參與炎癥反應(yīng)的病理過程。缺血組織器官再灌注期間，琥珀酸鹽可通過穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)和激活琥珀酸受體1(succinate receptor 1，SUCNR1)兩種途徑促進(jìn)炎癥因子產(chǎn)生，加劇組織無菌性炎癥損傷。

3.1琥珀酸鹽穩(wěn)定HIF-1α 促炎型巨噬細(xì)胞是IR損傷過程中促炎因子的主要來源[38]。缺血期由于組織器官內(nèi)細(xì)胞氧糖供應(yīng)中斷，巨噬細(xì)胞能量代謝由氧化磷酸化向糖酵解轉(zhuǎn)變，這是巨噬細(xì)胞向促炎表型轉(zhuǎn)化的重要標(biāo)志[39]。HIF-1α是細(xì)胞向糖酵解轉(zhuǎn)變的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，已被證明是琥珀酸鹽的重要靶標(biāo)，且HIF-1α受脯氨酰羥化酶的嚴(yán)格調(diào)控[40]。再灌注期間，異常蓄積的大量琥珀酸鹽從線粒體交換到細(xì)胞質(zhì)中，琥珀酸鹽通過直接抑制巨噬細(xì)胞胞質(zhì)中的脯氨酰羥化酶的活性，提高HIF-1α的穩(wěn)定性[41]。另一方面，琥珀酸鹽通過SDH的氧化作用促進(jìn)大量ROS產(chǎn)生，ROS通過將脯氨酰羥化酶的重要輔助因子二價鐵離子氧化為三價鐵離子而抑制脯氨酰羥化酶活性，從而間接穩(wěn)定HIF-1α的活性[39,42]。在降解被抑制的情況下，HIF-1α可以被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核并促進(jìn)許多促炎基因的轉(zhuǎn)錄，從而驅(qū)動促炎因子(如白細(xì)胞介素-1β)的產(chǎn)生，并抑制抗炎因子(白細(xì)胞介素-10等)的生成[14,31]，導(dǎo)致組織器官出現(xiàn)無菌性炎癥反應(yīng)。琥珀酸鹽通過上述途徑增強(qiáng)HIF-1α的穩(wěn)定性，是組織器官IR后炎癥性損傷的重要環(huán)節(jié)。

心肌在缺氧狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)蓄積的琥珀酸鹽可通過上調(diào)丙酮酸脫氫酶激酶4水平誘導(dǎo)HIF-1α表達(dá)和丙酮酸脫氫酶活性受損，從而導(dǎo)致線粒體能量代謝效率降低，致促炎因子產(chǎn)生增加[43]。在肝臟IR損傷模型中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄激活因子3的缺失可通過激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白/HIF-1α途徑加劇肝臟炎癥性損傷[44]，而琥珀酸鹽代謝異?？赡苁瞧渲械闹匾h(huán)節(jié)之一。另外，姜黃素可對抗脂肪酸氧化，減少琥珀酸鹽積累，同時通過阻斷琥珀酸鹽/HIF-1α信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，阻止HSC活化，減輕IR后肝臟的炎癥反應(yīng)[45]。在缺血缺氧時，大腦通過其特有的γ-氨基丁酸分流途徑產(chǎn)生大量琥珀酸鹽，而琥珀酸鹽通過穩(wěn)定HIF-1α的活性引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)[46]。下調(diào)HIF-1α/T細(xì)胞免疫球蛋白黏蛋白-3炎癥途徑可促進(jìn)局灶性IR損傷大鼠海馬Caveolin-1的表達(dá)，從而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[47]。然而，在腎臟的研究中發(fā)現(xiàn)，缺血期異常蓄積的琥珀酸鹽可通過抑制脯氨酰羥化酶2的活性激活HIF-1α信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而抑制腎臟缺血性炎癥反應(yīng)[25,48]。因此，抑制琥珀酸鹽對HIF-1α的穩(wěn)定作用能夠減輕IR后的炎癥反應(yīng)，但目前在不同器官中的研究結(jié)果仍存在分歧，還需進(jìn)一步研究。

3.2琥珀酸鹽激活SUCNR1 SUCNR1是一種G蛋白偶聯(lián)受體，目前已在心肌、肝臟、腎臟、腦、腸道和脾臟等器官中發(fā)現(xiàn)SUCNR1的存在[49-50]。缺血期異常蓄積的琥珀酸鹽可輸出到胞外進(jìn)入血液循環(huán)，并通過與SUCNR1特異性結(jié)合誘導(dǎo)促炎信號通路激活。研究表明，琥珀酸鹽與SUCNR1結(jié)合后觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)三磷酸肌醇積累、鈣動員以及胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2磷酸化，從而促進(jìn)巨噬細(xì)胞遷移和促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生[51-52]。同時，SUCNR1被激活后通過蛋白激酶A途徑磷酸化激活核因子κB的p65亞基和環(huán)腺苷酸反應(yīng)元件結(jié)合蛋白，導(dǎo)致下游一系列炎癥因子的釋放[40]。SUCNR1激活后還可與Toll樣受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路協(xié)同作用，提高促炎因子腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-1β的表達(dá)水平[53]。此外，SUCNR1的激活增加了樹突狀細(xì)胞的抗原呈遞能力，從而誘導(dǎo)了適應(yīng)性免疫反應(yīng)，進(jìn)一步加劇了炎癥進(jìn)程；在體研究結(jié)果也支持SUCNR1在介導(dǎo)琥珀酸鹽依賴性炎癥反應(yīng)中的作用，與野生型小鼠相比，SUCNR1缺陷型小鼠的皮膚同種異體移植物具有更長的存活時間，這可能由于SUCNR1缺陷小鼠的樹突狀細(xì)胞遷移、炎癥介質(zhì)產(chǎn)生減少以及隨后的適應(yīng)性免疫反應(yīng)受損[51]。

盡管多個器官均發(fā)現(xiàn)SUCNR1的存在，但與其他器官相比SUCNR1在腎臟中的表達(dá)最多，在腎皮質(zhì)的各種腎單位段和腎小球旁器中均檢測到SUCNR1的存在[49,54]。當(dāng)腎臟發(fā)生缺血時，異常蓄積的琥珀酸鹽可通過激活腎小球旁器內(nèi)的SUCNR1引起腎素的釋放增加，導(dǎo)致腎素-血管緊張素系統(tǒng)的過度激活和腎臟的炎癥性損傷[54]。另有研究發(fā)現(xiàn)，肝臟中琥珀酸鹽特異性受體SUCNR1表達(dá)于HSC，當(dāng)HSC活化時，SUCNR1的表達(dá)水平迅速降低，表明SUCNR1可作為肝臟應(yīng)激或損傷的早期感受器[20,55]。用琥珀酸鹽處理后的HSC產(chǎn)生大量的Ⅰ型膠原蛋白和α-平滑肌肌動蛋白，表明琥珀酸鹽-SUCNR1信號通路可通過活化HSC發(fā)揮IR后肝臟組織修復(fù)或促進(jìn)纖維化形成的作用[56]。在大腦中，SUCNR1主要表達(dá)于神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞[57]，兩者均是腦IR損傷過程中的主要細(xì)胞。然而，對視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和大鼠腦星形膠質(zhì)細(xì)胞系的研究發(fā)現(xiàn)，SUCNR1可通過前列腺素E2和前列腺素E受體4的相互作用上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子；在體研究表明，IR后腦組織內(nèi)高水平的琥珀酸鹽通過激活SUCNR1誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)來增強(qiáng)腦血管生成和腦功能恢復(fù)[58]，這與以往SUCNR1激活后的效應(yīng)相反。因此，再灌注過程中琥珀酸鹽和SUCNR1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在適應(yīng)性免疫和炎癥反應(yīng)中具有重要作用。

4 小 結(jié)

琥珀酸鹽作為器官IR損傷過程中的關(guān)鍵代謝信號，可能為IR損傷的診斷和治療提供新思路。此外，琥珀酸鹽在炎癥疾病及腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中同樣具有重要作用。近年研究發(fā)現(xiàn)，除琥珀酸鹽外，線粒體代謝產(chǎn)物富馬酸、衣康酸可能成為缺血性疾病、免疫和炎癥反應(yīng)的重要信號[9,59]。然而，這一新興領(lǐng)域的發(fā)展目前還存在許多限制，如對這些代謝產(chǎn)物在體內(nèi)的作用不完全了解、與疾病的關(guān)系研究仍不深入等。如果線粒體代謝產(chǎn)物可作為線粒體和細(xì)胞間對話的重要信號分子，將幫助研究者們更好地了解細(xì)胞如何應(yīng)對外部有害刺激，從而為多種臨床疾病的診斷與治療提供新策略。