線粒體與缺血性腦卒中的關(guān)系及針刺干預(yù)研究*

寧文華,劉伊瀅,李瑩瑩

1.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院,河南 鄭州 450000; 2.河南中醫(yī)藥大學(xué)國際教育學(xué)院,河南 鄭州 450046

缺血性腦卒中是世界范圍內(nèi)死亡和致殘的主要原因[1]。通過探索其病理機(jī)制,尋找適宜治療靶標(biāo)一直是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。線粒體作為細(xì)胞的能量工廠,在細(xì)胞能量平衡中起著關(guān)鍵作用。線粒體功能障礙是腦缺血再灌注誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡的標(biāo)志之一[2]。維持線粒體功能對于促進(jìn)神經(jīng)元存活和神經(jīng)系統(tǒng)改善至關(guān)重要,以線粒體為靶點(diǎn)可作為治療缺血性腦卒中的一種有前途的神經(jīng)保護(hù)策略[3]。針刺治療缺血性腦卒中療效確切并受到廣泛關(guān)注[4-5],而關(guān)于其具體機(jī)制尚未完全闡明。研究表示,針刺對腦的保護(hù)作用,與調(diào)控線粒體功能密切相關(guān),線粒體可能是針刺作用發(fā)揮的關(guān)鍵效應(yīng)器[6]。本文通過檢索并總結(jié)線粒體在缺血性腦卒中的作用機(jī)制以及針刺干預(yù)相關(guān)文獻(xiàn)報道,以期為未來的研究提供更多參考與借鑒。

1 線粒體與缺血性腦卒中

1.1 線粒體生物發(fā)生線粒體生物發(fā)生是指通過原有線粒體的生長和分裂形成新線粒體的過程[7]。這是一個觸發(fā)線粒體質(zhì)量增加的過程,可增加細(xì)胞中線粒體的數(shù)量和質(zhì)量,滿足細(xì)胞對能量的需求,促進(jìn)腦缺血損傷后神經(jīng)功能恢復(fù)[8]。線粒體的生物發(fā)生受到多種細(xì)胞信號通路的嚴(yán)格調(diào)控。沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent information regulator 2 homolog 1,SIRT1)/過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α,PGC-1α)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)/PGC-1α軸是調(diào)節(jié)線粒體生物發(fā)生的兩條關(guān)鍵途徑[9]。

1.2 線粒體動力學(xué)線粒體是高度動態(tài)的管狀網(wǎng)絡(luò)細(xì)胞器,通過不斷地分裂、融合調(diào)節(jié)線粒體功能,影響能量代謝和卒中后神經(jīng)元功能,即線粒體動力學(xué)[8]。線粒體動力蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)和分裂蛋白1(fission 1,Fis1)調(diào)控線粒體分裂過程,線粒體融合則主要由線粒體融合蛋白1/2(mitofusion1/2,Mfn1/2)、視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy protein-1,OPA1)等相關(guān)蛋白所控制。抑制線粒體過度分裂,適當(dāng)促進(jìn)線粒體融合,恢復(fù)線粒體動力學(xué)平衡,有利于缺血性卒中后的恢復(fù)[10]。

1.3 線粒體鈣穩(wěn)態(tài)線粒體通過儲存和釋放Ca2+,充當(dāng)細(xì)胞Ca2+的重要調(diào)節(jié)器,參與調(diào)節(jié)線粒體代謝、三磷腺苷(adenosine triphosphate,ATP)生成和細(xì)胞死亡過程[11]。在缺血等病理條件下,線粒體Ca2+攝取過度或線粒體外流失常,線粒體內(nèi)Ca2+水平持續(xù)升高,線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放,細(xì)胞色素C(cytochrome C,Cyt C)釋放,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[12]。線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體(mitochondrial calcium uniporter,MCU)是線粒體Ca2+內(nèi)流的主要途徑,線粒體鈉鈣交換體(mitochondrial Na+/Ca2+,NCLX)是線粒體鈣外排的主要通道,參與線粒體鈣穩(wěn)態(tài)失衡,與腦缺血損傷密切相關(guān)[13]。線粒體Ca2+穩(wěn)態(tài)的維持與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫的相互作用及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體接觸位點(diǎn)的形成密不可分[14]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體之間存在緊密串?dāng)_,高通量的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)將會導(dǎo)致線粒體Ca2+超載,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[15]。

1.4 線粒體與氧化應(yīng)激氧自由基的產(chǎn)生和釋放是引起神經(jīng)元死亡的關(guān)鍵步驟。線粒體損傷是導(dǎo)致活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)增加、氧自由基大量產(chǎn)生,誘發(fā)或加重氧化應(yīng)激損傷的重要原因。正常情況下,線粒體產(chǎn)生的自由基及其清除處于動態(tài)平衡,在缺血等應(yīng)激條件下,ROS生成過多,氧化還原平衡受損,線粒體膜脂質(zhì)過氧化和結(jié)構(gòu)破壞,造成線粒體功能紊亂和氧化應(yīng)激損傷[16]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)與谷胱甘肽過氧化物酶(glutathioneperoxidase,GSH-Px)是機(jī)體抗氧化酶系統(tǒng)內(nèi)的重要物質(zhì),通過清除線粒體ROS,減輕氧化應(yīng)激損傷。

1.5 線粒體自噬線粒體自噬是指細(xì)胞內(nèi)受損線粒體的“自我清除”過程,是線粒體質(zhì)量控制及維持細(xì)胞正常功能的重要機(jī)制。研究表示,激活線粒體自噬,清除過度聚集和受損的線粒體,可以減輕腦缺血再灌注引起的神經(jīng)元損傷。PTEN誘導(dǎo)假定激酶1(PTEN-induced putativekinase1,PINK1)/E3泛素連接酶(E3ubiquitin protein ligase,Parkin)介導(dǎo)的線粒體自噬對大鼠海馬神經(jīng)元具有神經(jīng)保護(hù)作用[17]。體內(nèi)外研究證實(shí),雷帕霉素可通過激活線粒體自噬,改善線粒體功能障礙,保護(hù)腦缺血再灌注損傷,自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可逆轉(zhuǎn)這一過程[17-18]。BCL2/腺病毒E1B-19kDa相互作用蛋白3樣(BCL2/adenovirus E1B 19-kDa-interacting protein 3-like,Bnip3L)參與了腦缺血再灌注誘導(dǎo)的線粒體自噬過程,敲除線粒體自噬相關(guān)基因BNIP3L可加重腦缺血再灌注損傷,而過表達(dá)BNIP3L則可發(fā)揮保護(hù)作用[19]。FUN14域蛋白1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)是一種新型線粒體自噬受體,在缺氧狀態(tài)下結(jié)合LC3調(diào)節(jié)線粒體的程序性清除。調(diào)控FUNDC1介導(dǎo)的線粒體自噬可改善線粒體功能并減少神經(jīng)元凋亡[20]。然而,仍有研究表明抑制線粒體自噬可以對腦缺血再灌注損傷發(fā)揮保護(hù)作用[21]。適度的線粒體自噬有利于細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)元存活。而線粒體自噬過度激活將導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡[22]。這一差異可能是由不同缺血或再灌注時間、不同細(xì)胞類型,甚至不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境所造成的。

1.6 線粒體跨細(xì)胞轉(zhuǎn)移缺血等病理條件下,線粒體自身可通過“help-me”信號,招募鄰近細(xì)胞線粒體保護(hù)受損細(xì)胞[23]。不同細(xì)胞類型之間的細(xì)胞間線粒體轉(zhuǎn)移備受關(guān)注,通過加速神經(jīng)元釋放或星形膠質(zhì)細(xì)胞吞噬,促進(jìn)細(xì)胞間線粒體轉(zhuǎn)移,可能是未來治療缺血性中風(fēng)的一種有吸引力的治療策略[23]。星形膠質(zhì)細(xì)胞可直接為受損神經(jīng)元提供功能性線粒體,增強(qiáng)細(xì)胞存活信號,有助于保護(hù)或修復(fù)受損神經(jīng)元[24]。然而,有觀點(diǎn)認(rèn)為,這種內(nèi)源性轉(zhuǎn)移通常是短暫的,不足以誘導(dǎo)強(qiáng)而穩(wěn)定的神經(jīng)保護(hù)作用。因此,以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的線粒體轉(zhuǎn)移成為提供正常線粒體的有效策略[25]。在腦缺血模型中,靜脈注射間充質(zhì)干細(xì)胞可縮小腦梗死體積,改善神經(jīng)功能,過表達(dá)Miro1可增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞向神經(jīng)元轉(zhuǎn)移線粒體的能力而促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)[26]。研究報道,將外源性線粒體轉(zhuǎn)移至腦缺血大鼠體內(nèi)可以縮小腦梗死體積,減少神經(jīng)細(xì)胞死亡[27]。側(cè)腦室進(jìn)行肌源性自體線粒體移植可降低氧化應(yīng)激,抑制反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生,促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生,改善腦缺血大鼠神經(jīng)功能缺損程度[28]。

1.7 鐵死亡線粒體依賴性鐵死亡機(jī)制受到廣泛關(guān)注。線粒體是鐵利用、分解代謝和合成的主要細(xì)胞器,在鐵代謝以及物質(zhì)能量代謝中起著重要作用。線粒體結(jié)構(gòu)的改變是鐵死亡的主要形態(tài)特征,線粒體形態(tài)的改變,線粒體膜密度增加、體積縮小,線粒體嵴減少或消失,線粒體外膜增厚、甚至破裂[29]。鐵超載通過增加線粒體氧化損傷,引發(fā)鐵死亡[30]。有研究報道,線粒體鐵蛋白(mitochondrial ferritin,FtMt)在鐵穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用,通過抑制鐵死亡,減輕腦缺血再灌注損傷[31]。靶向線粒體抗氧化劑可有效抑制鐵死亡[32]。因此,挽救線粒體完整性和功能可能對預(yù)防神經(jīng)細(xì)胞鐵死亡具有重要意義。值得注意的是,線粒體功能障礙本身是否會引發(fā)鐵死亡,以及鐵死亡中線粒體功能的具體改變,目前仍需繼續(xù)探索[33]。

2 基于線粒體角度探討針刺治療缺血性腦卒中機(jī)制

2.1 改善線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)神經(jīng)元存活的關(guān)鍵取決于線粒體的完整性和功能性。針刺減輕腦缺血再灌注損傷的機(jī)制與改善線粒體超微結(jié)構(gòu)有關(guān)。腦缺血再灌注后神經(jīng)細(xì)胞線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔過度開放,線粒體腫脹明顯,線粒體嵴斷裂,空泡結(jié)構(gòu)明顯,針刺可抑制腦線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放[34],減輕線粒體腫脹、嵴斷裂及空泡化[35],發(fā)揮保護(hù)神經(jīng)作用。

2.2 促進(jìn)線粒體生物發(fā)生電針預(yù)處理通過激活大麻素受體1(cannabinoid receptor type 1,CB1R)/PGC-1α保護(hù)線粒體并促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生。電針預(yù)處理可以改善腦缺血再灌注損傷小鼠線粒體功能,上調(diào)PGC-1α和線粒體生物發(fā)生標(biāo)志蛋白表達(dá),增加mtDNA水平和線粒體體積及數(shù)量,而靶向注射CB1R拮抗劑則逆轉(zhuǎn)了電針預(yù)處理促進(jìn)線粒體生物發(fā)生及神經(jīng)保護(hù)作用,這為電針預(yù)處理誘導(dǎo)缺血耐受提供了一種新的機(jī)制。

2.3 調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)現(xiàn)有研究證實(shí),電針可通過抑制線粒體分裂,發(fā)揮腦保護(hù)作用。腦缺血再灌注損傷后Drp1表達(dá)上調(diào),Drp1磷酸化水平增加,Drp1與線粒體外膜結(jié)合增多,線粒體分裂增加,Cyt C釋放,誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡。電針預(yù)處理通過下調(diào)總Drp1表達(dá),抑制Drp1磷酸化水平,減少Drp1定位到線粒體外膜的情況發(fā)生,抑制線粒體過度分裂,從而減少Cyt C釋放入胞漿的水平,緩解神經(jīng)元凋亡[36]。

2.4 抑制氧化應(yīng)激電針對神經(jīng)元線粒體的保護(hù)作用可能來自增強(qiáng)其抗氧化能力。電針刺激通過提高血清還原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH)含量和GSH-Px活性[37],降低半暗帶腦梗死區(qū)SOD,降低MDA含量,改善線粒體DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)[38],拮抗活性氧過氧化損傷,保護(hù)大腦皮層神經(jīng)元線粒體免受腦缺血再灌注損傷。鐘淑波等[39]報道,電針通過減輕缺血半暗帶mtDNA的氧化性損傷,調(diào)整線粒體呼吸鏈關(guān)鍵酶功能,抑制腦細(xì)胞氧化應(yīng)激,從而發(fā)揮保護(hù)作用。

2.5 調(diào)節(jié)線粒體自噬線粒體自噬是針刺治療缺血性腦卒中的作用靶標(biāo)之一。腦缺血再灌注損傷后,線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)和ATP水平降低,線粒體功能受損。電針通過Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬,減少受損線粒體累積,減輕腦缺血再灌注損傷[40]。鐘曉勇等[41]研究表示,腦缺血再灌注后,皮質(zhì)梗死區(qū)線粒體自噬水平缺失,電針通過激活梗死區(qū)BNIP3L介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞線粒體自噬,減輕腦缺血再灌注損傷大鼠神經(jīng)缺損程度和細(xì)胞凋亡。

3 討論

綜上所述,線粒體功能障礙參與缺血性腦卒中疾病的發(fā)生發(fā)展,維持線粒體的完整性和功能性是影響神經(jīng)元存活的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究可證實(shí)針刺通過改善線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)線粒體生物發(fā)生、調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)、抑制氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)線粒體自噬多方面發(fā)揮腦保護(hù)作用。然而,結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀可見,基于此領(lǐng)域的針刺機(jī)制研究相對滯后且缺乏深入性:(1)研究較為薄弱并缺乏系統(tǒng)性,某些關(guān)鍵的病理環(huán)節(jié)尚未涉及,如鐵死亡作為細(xì)胞死亡的另一種形式,線粒體依賴性鐵死亡機(jī)制尚未涉及。此外,關(guān)于不同細(xì)胞類型的線粒體功能,如星形膠質(zhì)細(xì)胞作為神經(jīng)血管單元的重要組成,針刺是否參與其釋放并運(yùn)輸線粒體過程尚未可知。(2)針刺作用的整體性決定其作用的發(fā)揮并不依賴于某單一病理環(huán)節(jié),細(xì)胞器之間的功能存在緊密的串?dāng)_,線粒體與其他細(xì)胞器(內(nèi)質(zhì)網(wǎng))之間的交流同樣值得關(guān)注,同時各病理過程之間的相互影響,多病理環(huán)節(jié)之間的交互作用有待進(jìn)一步論證,未來的研究應(yīng)是整體的,這或許是闡明針刺作用機(jī)制的關(guān)鍵方向之一。(3)線粒體是缺血性腦卒中神經(jīng)細(xì)胞凋亡和壞死等級聯(lián)事件的早期階段,在缺血損傷后,線粒體功能首先被啟動并被迅速破壞,針刺預(yù)處理作為中醫(yī)治未病的主要形式,將針刺干預(yù)提前至損傷發(fā)生之前,那么,針刺是否可以激活線粒體功能,調(diào)動機(jī)體自身防御性機(jī)制,減輕隨后發(fā)生的腦缺血損傷?線粒體作為內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制的主要效應(yīng)器,在針刺預(yù)處理中的作用值得進(jìn)一步探索。