線粒體相關(guān)的慢性阻塞性肺疾病氧化應(yīng)激機制和抗氧化治療的研究進展

麻恒，傅攀峰，鄧在春，呂丹

慢性阻塞性肺疾?。–OPD）是一種常見的、可防可治的慢性氣道疾病，是最常見的慢性疾病之一，也是最常見的致殘和致死病因之一，以持續(xù)性呼吸道癥狀和氣流受限為特征，通常是由于吸煙或大量接觸有毒顆粒或氣體引起的氣道和肺泡異常造成[1]，常呈進行性加重。與癌癥、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病相比，COPD 不僅在很大程度上被忽視，而且仍然沒有任何治療被證明能夠延緩其進展，也沒有對降低死亡率或合并癥有明顯療效的藥物[2]。近些年來線粒體與COPD的關(guān)系成為了該疾病研究的新方向及熱點。本文主要從COPD 的發(fā)病機制，疾病與線粒體的相關(guān)性及抗氧化治療最新成果進行分析，以期為未來COPD更科學(xué)、更有效的治療提供參考。

1 COPD 發(fā)病機制

COPD 的發(fā)病機制尚不完全明確，在最新的COPD 診療指南中指出，吸入煙草煙霧等有害顆粒或氣體可引起氣道氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)及蛋白酶/抗蛋白酶失衡等，其多種途徑參與COPD發(fā)病，多種炎癥細胞參與COPD 的氣道炎癥。激活的炎癥細胞釋放多種炎性介質(zhì)作用于氣道上皮細胞，誘導(dǎo)上皮細胞杯狀化生和氣道黏液高分泌；慢性炎癥刺激氣道上皮細胞釋放生長因子，促進氣道周圍平滑肌和成纖維細胞增生，導(dǎo)致小氣道重塑；巨噬細胞基質(zhì)金屬蛋白酶和中性粒細胞彈性蛋白酶等引起肺結(jié)締組織中的彈性蛋白破壞，Tc1 淋巴細胞釋放顆粒酶穿孔素損傷肺泡上皮，導(dǎo)致不可逆性肺損傷，引發(fā)肺氣腫。此外，自身免疫調(diào)控機制、遺傳危險因素及肺發(fā)育相關(guān)因素也可能在COPD的發(fā)生發(fā)展中起到重要作用。上述機制的共同作用導(dǎo)致COPD 的形成[2]。

2 肺部細胞與線粒體

不同亞型的氣道上皮細胞，包括纖毛細胞、分泌杯狀細胞、細支氣管外分泌細胞和祖細胞基底細胞，以及I 型肺泡上皮細胞和II 型肺泡上皮細胞，都含有不同數(shù)量的線粒體，它們具有不同的細胞內(nèi)組織，以最大限度地滿足能量需求，促進細胞功能。線粒體的特異性分布影響ATP 和代謝物水平，這些代謝產(chǎn)物隨后被用于這些不同細胞類型的特定功能（分化的氣道上皮細胞的纖毛擺動或黏液分泌和II型肺泡上皮細胞的表面活性物質(zhì)產(chǎn)生）[3]。這些細胞中線粒體功能受損可能會嚴重損傷細胞功能或造成死亡，包括氣道上皮纖毛細胞和II 型肺泡上皮細胞，它們分別需要大量ATP 來進行纖毛搏動和產(chǎn)生表面活性物質(zhì)[4]。此外，不同的上皮細胞亞群對線粒體損傷的敏感性也不同[3]。

3 COPD 氧化應(yīng)激機制與線粒體

3.1 氧化應(yīng)激機制與活性氧（ROS）吸煙是COPD 發(fā)病的重要因素，與COPD發(fā)病密不可分。在大部分研究中，香煙煙霧暴露模型被用于替代COPD發(fā)病。氧化應(yīng)激是COPD 發(fā)病的主要驅(qū)動機制，由于香煙煙霧和空氣污染中的外源性氧化劑，以及肺內(nèi)炎癥細胞和結(jié)構(gòu)細胞內(nèi)源性產(chǎn)生ROS，COPD 患者肺內(nèi)氧化應(yīng)激增加[5]。ROS 是一種含氧的化學(xué)反應(yīng)分子，可以在生物系統(tǒng)內(nèi)生成，主要類型包括過氧化物（O2—）、過氧化氫（H2O2）和羥自由基（·OH）[6]。ROS 一方面能夠?qū)ι锓肿釉斐裳趸瘬p傷，阻礙細胞正常功能；另一方面能夠激活氧化還原敏感的促炎轉(zhuǎn)錄因子的表達，以維持一種慢性促炎狀態(tài)，從而增加細胞源性ROS 的產(chǎn)生[7]。

3.2 線粒體活性氧（mtROS）的產(chǎn)生和信號 線粒體是ROS的主要來源，它們通過線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，并產(chǎn)生副產(chǎn)品ROS，且活性氧幾乎全部由氧化磷酸化產(chǎn)生（約90%）[8]。線粒體產(chǎn)生的ROS 稱為mtROS。線粒體氧化磷酸化與呼吸鏈偶聯(lián)，電子由呼吸鏈復(fù)合物I、II傳遞到輔酶Q（CoQ），再傳遞到復(fù)合物III，最后傳遞到復(fù)合物IV，此為正向電子傳輸（FET）。健康的線粒體由于電子從呼吸鏈逃逸到氧氣而不斷產(chǎn)生超氧化物。另一種電子傳輸途徑與正向電子傳輸相反，從CoQ 反向?qū)㈦娮舆\輸至復(fù)合物I，并產(chǎn)生大量ROS。這種電子傳輸被稱為反向電子傳輸（RET），最初是在離體線粒體琥珀酸呼吸條件下被觀察到[9]。曾有體外實驗使用復(fù)合物I 和復(fù)合物III抑制劑來中斷電子流動，促進電子逃逸到氧氣和產(chǎn)生ROS，證明復(fù)合物I 和復(fù)合物III 對線粒體ROS 產(chǎn)生有重要作用[10]，但線粒體的ROS 產(chǎn)生位點也不僅于此。不同的mtROS 產(chǎn)生位點具有不同的信號作用，在不同的生理條件下，初級產(chǎn)生位點可能發(fā)生變化。線粒體中產(chǎn)生的過氧化物并不穩(wěn)定，容易通過線粒體過氧化物歧化酶（MnSOD 或SOD2）分解成H2O2。由于過氧化物的化學(xué)性質(zhì)，ROS 相關(guān)性信號通路主要指H2O2介導(dǎo)的信號通路。然而，ROS 有其自身的信號，能通過電壓依賴性陰離子通路從膜間隙釋放入細胞質(zhì)[11]。過氧化物能通過與一氧化氮在細胞質(zhì)中偶聯(lián)來擴展它的信號傳遞，并產(chǎn)生過氧亞硝酸鹽，一種用于蛋白質(zhì)硝化的化學(xué)物質(zhì)。許多蛋白質(zhì)上的半胱氨酸殘基可以進行氧化修飾，包括順序氧化（次磺酸、亞磺酸、磺酸）、谷硫醇化和S-硝基化。這些翻譯后修飾能改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，為mtROS 信號提供了一種機制。結(jié)構(gòu)上，線粒體以雙膜系統(tǒng)為特征。線粒體膜由磷脂、膽固醇及鞘磷脂組成，膜磷脂的多不飽和脂肪酸易受ROS 介導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化的影響。然而，脂質(zhì)過氧化物被過渡金屬進一步分解，形成高度反應(yīng)性的羰基，它們是強親電分子，與細胞大分子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致細胞功能障礙和損傷。

4 抗氧化治療

通過抗氧化劑或通過增強內(nèi)源性抗氧化劑來減少氧化應(yīng)激可能是一種有用的治療方法，治療的目的是在不減少氧化劑信號益處的情況下，恢復(fù)肺部正常的氧化還原平衡，目前還缺乏有用的生物標志物來確定哪些患者將從抗氧化治療中獲益最多，或者指出需要多少劑量才能恢復(fù)COPD 患者的氧化還原平衡[5]。找到安全有效的抗氧化劑是未來COPD 治療的重要研究方向，而對于ROS 的主要產(chǎn)生細胞器—線粒體，線粒體靶向的抗氧化治療可能達到更好的治療效果。

4.1 交替氧化酶（AOX）AOX是一種原本表達于除哺乳動物以外的低等生物及植物內(nèi)的蛋白質(zhì)，可以進行交替呼吸。它是一種存在于線粒體膜內(nèi)的單一蛋白質(zhì)，可以將電子從CoQ 傳輸?shù)窖鯕?，并且在?fù)合物III 及其下游電子傳遞鏈通暢時并不發(fā)揮作用，僅在復(fù)合物III和復(fù)合物IV功能失調(diào)時起作用，減少mtROS的產(chǎn)生[12]。有研究人員用表達AOX 的小鼠與野生小鼠作為對照，同時長期暴露在香煙煙霧（CS）中，發(fā)現(xiàn)肺氣腫要比后者輕，并且在后續(xù)體外永生化的小鼠胚胎成纖維細胞中發(fā)現(xiàn)AOX 的表達減少了CS冷凝物誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生和細胞死亡[13]。另一組研究以異源性表達于小鼠線粒體的玻璃海鞘AOX 作為研究對象發(fā)現(xiàn)，AOX 增強了復(fù)合物II 的FET，從而降低了RET 和ROS[14]。由于倫理問題，該基因無法被轉(zhuǎn)移至人類基因而表達，而相關(guān)制劑能否進入線粒體亦不可預(yù)測，故關(guān)于該物質(zhì)抗氧化的治療尚缺乏充足依據(jù)，但探究其可行性仍不失為一個新的方向。

4.2 輔酶Q10（CoQ10）CoQ 是線粒體電子傳遞鏈中的重要組成部分，CoQ10 是人類及哺乳動物體內(nèi)的CoQ亞型，是另一個重要的抗氧化劑研究方向。CoQ10 最突出和最相關(guān)的功能是它的抗氧化能力。作為一種抗氧化劑，CoQ10已被證明有可能用于治療那些以氧化應(yīng)激為標志的疾病，并且在治療慢性病方面的有益作用已有報道[15]。一項隨機研究表明，在2 個月內(nèi)補充QTer?（合成CoQ10 需要的物質(zhì)）和肌酸可顯著改善COPD患者的癥狀及活動能力，并且長期氧療患者的血漿代謝物改變也印證了病情的改善[16]。但在臨床上，外源性CoQ10 吸收度較低，且不易透過線粒體雙膜進入線粒體，故如何使外源性CoQ10更容易進入線粒體可能是一個有價值的研究方向，解決這一問題可能會使服用該藥物的COPD 患者病情進一步改善。

4.3 mitoQ 與CoQ10 相比，另一種包含CoQ10 的物質(zhì)似乎更值得關(guān)注。mitoQ 由CoQ10 和一種三苯基磷陽離子（TPP+）組成，后者可以很容易地在線粒體內(nèi)積累100倍濃度，從而使其在防止線粒體氧化損傷方面比非靶向抗氧化劑更有效，并且研究者發(fā)現(xiàn)，壓迫髓核細胞促進氧化應(yīng)激，在髓核細胞中，mtROS的產(chǎn)生被mitoQ 抑制[17]。另一項以CS 提取物暴露下的人臍靜脈內(nèi)皮細胞為模型的研究中，研究者加入mitoQ得出了相似的結(jié)果[18]。在臨床上，mitoQ 已被證明與其他一些疾病相關(guān)，但與COPD相關(guān)的mitoQ實驗卻是空白。與CoQ10 相比，mitoQ 很好地解決了不容易進入線粒體這個問題，但由于相關(guān)研究的缺乏，目前對于COPD的治療效果尚不可知，但可能擁有比CoQ10 更大的潛力。

4.4 mito-Tempo mito-Tempo 是一種線粒體靶向的超氧化物模擬物，含有哌啶氮氧化物Tempol，與帶正電的三苯基膦離子結(jié)合，可在線粒體基質(zhì)中積聚，是一種可以靶向和中和線粒體氧化應(yīng)激的有效抗氧化劑[19]。有研究以N-亞硝基二乙胺誘導(dǎo)的肝癌小鼠為模型，發(fā)現(xiàn)給予mito-Tempo 對N-亞硝基二乙胺誘導(dǎo)的肝癌有保護作用，可能是通過抑制mtROS 進而調(diào)節(jié)疾病的進程[20]。另一項研究發(fā)現(xiàn)，mito-Tempo 可以顯著降低抗霉素A 誘導(dǎo)的線粒體氧化應(yīng)激，從而有效保護人類間充質(zhì)干細胞[19]。目前該物質(zhì)也缺乏與COPD 的相關(guān)性研究。作為一種線粒體靶向抗氧化劑，對COPD 的治療效果值得深入發(fā)掘。

5 小結(jié)與展望

為更好地控制COPD，深入了解該疾病的發(fā)病機制，開辟新的認知和治療研究途徑是必要的。以線粒體為載體的一系列COPD發(fā)病機制及治療研究作為新的熱點，為該疾病的研究提供了一條全新的方向，但目前的研究證據(jù)尚不充足。在發(fā)病機制上，作為ROS 主要產(chǎn)生地的線粒體內(nèi)仍存在許多值得探索的領(lǐng)域。三羧酸循環(huán)在線粒體代謝中與產(chǎn)生ROS的呼吸鏈通過琥珀酸脫氫酶（SDH）耦聯(lián)，其中存在諸多產(chǎn)物。研究三羧酸循環(huán)產(chǎn)物與COPD的關(guān)系可能會成為一個全新的研究方向，如琥珀酸已被證明可以通過RET 產(chǎn)生大量ROS。筆者設(shè)計了一個實驗，選取年齡及性別匹配的健康人及COPD 患者，獲取其痰液標本行質(zhì)譜分析，測定線粒體代謝物，其中包括三羧酸循環(huán)產(chǎn)物。在已進行的研究中發(fā)現(xiàn)，COPD 患者的蘋果酸、檸檬酸、烏頭酸及異檸檬酸較健康人明顯增高，后續(xù)實驗中可能會有進一步進展。在治療上，多種線粒體靶向抗氧化治療的研究成果令人振奮，但多停留在動物及細胞實驗，與COPD 相關(guān)的臨床研究較為匱乏，甚至空白，包括未被上文提及的吡咯喹啉醌、SkQ1 及其他可能出現(xiàn)的線粒體靶向抗氧化劑，未來的廣闊研究前景需要大量的臨床研究來填補空白，獲取真正對治療有益的產(chǎn)物。