線粒體功能障礙與帕金森病治療

柯姝安 陸金立 張 琦

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是常見的神經(jīng)退行性疾病之一，其發(fā)病機制尚不明確，最主要的治療手段是藥物治療。左旋多巴制劑是治療PD最有效的藥物，但臨床的治療目的主要是改善癥狀，不能阻止病情進展。近年來，線粒體功能障礙被認(rèn)為是PD的主要發(fā)病機制之一[1-2]。線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為過量活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成、線粒體電子傳遞復(fù)合物酶活性的缺陷、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的耗竭、半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)的釋放和線粒體脫氧核糖核酸(mitochondrial deoxyribo nucleic acid, mtDNA)的耗竭等。以線粒體為靶向的藥物治療主要通過抗氧化、誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生、促進線粒體自噬、調(diào)節(jié)代謝等機制發(fā)揮作用，已成為PD預(yù)防或治療的研究熱點[3-4]。本文將從PD發(fā)病中的線粒體功能障礙及病理機制、以線粒體為靶向的PD治療策略等方面開展綜述。

1 PD中的線粒體功能障礙

PD是常見的神經(jīng)退行性疾病，其病理學(xué)的關(guān)鍵特征是黑質(zhì)紋狀體-多巴胺能通路的變性，這是大腦中最重要的多巴胺(dopamine，DA)通路之一。目前，PD尚無有效的治療措施，僅有對癥治療。線粒體作為新的藥物靶點，在PD的治療中具有潛在的研究和應(yīng)用價值，開發(fā)具有線粒體保護功能的藥物并深入探討其作用機制成為PD治療研究的迫切需要。

臨床研究[5-6]發(fā)現(xiàn)，線粒體損傷在PD患者發(fā)病中起重要作用。在PD患者的黑質(zhì)、血小板和淋巴細(xì)胞中均有線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物I活性的輕度缺失，表明PD患者的復(fù)合物I活性受到抑制[7]。線粒體功能障礙可導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)增加，在衰老過程中可能存在線粒體功能障礙和ROS損傷的積累，需要達到細(xì)胞功能障礙和變性的臨界閾值才能引起疾病的發(fā)生。

PD動物模型中線粒體損傷引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)增加也被認(rèn)為是多巴胺能神經(jīng)元變性的原因之一。線粒體復(fù)合物I抑制劑，如魚藤酮(rotenone)、1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)等被廣泛用于PD動物模型的制備，制備的模型中能檢測到mtDNA的缺失、ROS的產(chǎn)生和氧化應(yīng)激反應(yīng)的增加。這些化合物通過引起線粒體功能障礙導(dǎo)致PD的發(fā)生，但線粒體功能或氧化損傷的系統(tǒng)性失調(diào)如何導(dǎo)致組織或細(xì)胞類型的特異性損傷仍有待闡明。

2 線粒體功能障礙的病理機制

2.1 線粒體動力學(xué)紊亂 線粒體組織在一個高度動態(tài)的管狀網(wǎng)絡(luò)中，通過融合和分裂的相反過程不斷重塑，在融合和分裂之間保持著動態(tài)平衡，以確保線粒體的正常功能[8]。融合過程對于線粒體的相互作用和通訊是至關(guān)重要的，分裂促進了線粒體分離并增強了線粒體沿著細(xì)胞骨架軌跡的更新和分布。融合和分裂使線粒體膜和內(nèi)容物能夠正確地交換和混合，這種動態(tài)過程不僅控制著線粒體的形態(tài)，還控制著線粒體的亞細(xì)胞定位和功能[9]。融合或分裂缺陷限制了線粒體運動、減少能量產(chǎn)生并且增加氧化應(yīng)激，從而導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙和死亡[10]。在哺乳動物細(xì)胞中，線粒體融合受線粒體融合蛋白1/2(mitofusin 1/2, Mfn1/2)和視神經(jīng)萎縮蛋白1(optic atrophy 1, Opa1)的調(diào)控，而線粒體分裂受發(fā)動蛋白1相關(guān)蛋白(dynamin-related protein 1, Drp1)、線粒體分裂蛋白1(mitochondrial fission 1 protein, Fis1)、線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor, Mff)和線粒體動力蛋白(mitochondrial dynamics protein of 49/51, Mid49/51)的調(diào)控。

隨著神經(jīng)元的衰老，線粒體融合和分裂的速率下降，線粒體融合與分裂失衡可能導(dǎo)致了多巴胺能神經(jīng)元選擇性死亡，是PD發(fā)生的早期病理機制之一[11-12]。雖然在PD患者中尚未發(fā)現(xiàn)典型的線粒體分裂和融合基因的突變，但越來越多來自毒素或者基因突變PD動物模型的證據(jù)支持了線粒體動態(tài)紊亂參與PD的假說。神經(jīng)毒素，包括6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine, 6-OHDA)、魚藤酮和1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-pehnyl-pyridine, MPP+)等均能誘導(dǎo)線粒體片段化，導(dǎo)致多巴胺能細(xì)胞死亡[13-15]。Drp1是突觸形成所必需的，對于線粒體靶向運輸至多巴胺能神經(jīng)元末端至關(guān)重要，缺乏Drp1會導(dǎo)致小鼠中腦神經(jīng)元的退化[16]。Mfn2的缺失或神經(jīng)元Mfn2的條件性敲除導(dǎo)致小鼠年齡依賴性的運動缺陷，伴隨著紋狀體中多巴胺能末端的缺失[17-18]，過表達Mfn2則可以防止神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的線粒體分裂和神經(jīng)元細(xì)胞死亡[19]。由此可見，維持細(xì)胞中線粒體融合和分裂動力學(xué)平衡可能有助于PD的治療。

2.2 線粒體自噬障礙 自噬是一種細(xì)胞降解過程，其包裹的內(nèi)容物被與溶酶體融合的自噬體所降解。正常情況下，通過自噬作用可以選擇性清除細(xì)胞內(nèi)多余或受損線粒體，以保證線粒體的正常數(shù)量和功能，此過程稱為線粒體自噬。在PD等神經(jīng)退行性疾病中，線粒體自噬功能紊亂起著關(guān)鍵作用。暴露于6-OHDA、魚藤酮或MPP+等神經(jīng)毒素的細(xì)胞，表現(xiàn)出自噬體和相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞死亡數(shù)量的增加[20-22]。磷酸酶及張力蛋白同源物誘導(dǎo)的蛋白激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)和Parkin突變是目前公認(rèn)的PD致病基因[23]，在哺乳動物細(xì)胞中，PINK1依賴的Parkin蛋白激活通路是線粒體自噬的主要途徑[24-25]。PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬過程障礙會導(dǎo)致受損線粒體的積累，從而引起ROS生成和細(xì)胞死亡的增加[26]。另一個PD相關(guān)基因DJ-1的表達降低也會導(dǎo)致線粒體膜電位降低、ROS增加、線粒體過度片段化和自噬受損[27]。而PINK1和Parkin的過表達可以挽救由DJ-1缺失誘導(dǎo)的線粒體片段化和功能障礙[28]，因此PINK1、Parkin和DJ-1可能在線粒體自噬途徑中發(fā)揮相互影響的作用。

富含亮氨酸重復(fù)激酶2(Leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)也是PD的致病基因之一，在多種PD動物模型和來源于PD患者的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞中均發(fā)現(xiàn)了LRRK2介導(dǎo)的線粒體自噬[29-30]。LRRK2基因敲降或者LRRK2激酶抑制劑均能導(dǎo)致培養(yǎng)的人神經(jīng)母細(xì)胞瘤(SH-SY5Y)細(xì)胞的自噬流增加，過表達突變形式的LRRK2則可抑制自噬，其作用機制可能與破壞溶酶體相關(guān)的鈣儲存和內(nèi)含物降解相關(guān)[31]。

3 靶向線粒體的PD治療策略

鑒于線粒體功能障礙在PD發(fā)病機制中的重要性，以線粒體為靶向的藥物治療已成為PD預(yù)防或治療的研究熱點。雖然神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的PD模型和基因突變相關(guān)的PD模型的細(xì)胞表型和病理表型不完全相同，但是線粒體功能障礙是其共同結(jié)果。目前，以線粒體為靶向的藥物治療主要通過以下幾種機制發(fā)揮作用。

3.1 抗氧化 一系列臨床前研究[32-34]表明，抗氧化劑可以減緩PD中的線粒體功能障礙，雖然這些研究尚未在臨床試驗中轉(zhuǎn)化成功，但在PD的治療中具有潛在的應(yīng)用前景。

輔酶Q10(Coenzyme Q10, CoQ10)是一種能保護線粒體功能的抗氧化劑，在細(xì)胞和動物PD模型中均具有保護作用[35]。但大型臨床試驗[36]發(fā)現(xiàn)，雖然CoQ10安全性和患者耐受性良好，但以PD評定量表(unified Parkinson’s disease rating scale, UPDRS)評分的變化作為主要的最終指標(biāo)，CoQ10對PD的進展并無顯著影響，未達到預(yù)期的臨床效果。線粒體靶向抗氧化劑(Mitoquinone Q, MitoQ)可以減少6-OHDA誘導(dǎo)的PD模型中的多巴胺能神經(jīng)元死亡，其機制可能與激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α, PGC-1α)、增強Mfn2依賴的線粒體融合相關(guān)[37]。吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)是一種氧化還原輔助因子，能夠顯著減少魚藤酮誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞和中腦神經(jīng)元中過量ROS的生成；通過對氧化應(yīng)激標(biāo)志物谷胱甘肽(glutathione, GSH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和丙二醛(malondialdehyde, MDA)的檢測，發(fā)現(xiàn)PQQ能夠增加PD模型中大鼠的抗氧化能力，在PD模型中發(fā)揮保護作用[38-39]。

3.2 誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生 線粒體生物發(fā)生是在細(xì)胞中形成新線粒體的過程，通過誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生來減輕線粒體功能障礙是一種很有前景的治療策略。研究[40]表明，核轉(zhuǎn)錄因子可以促進線粒體基因的表達，其中PGC-1α被認(rèn)為是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，PGC-1α的水平降低可間接誘導(dǎo)α-突觸核蛋白毒性和線粒體功能障礙。最近的幾項研究[41-44]表明，通過增加線粒體生物發(fā)生來重建線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，可抑制多巴胺能神經(jīng)元的丟失，促進神經(jīng)功能恢復(fù)。三萜類化合物可激活PD小鼠模型中的核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,Nrf2)途徑，從而促進線粒體生物發(fā)生和抗氧化基因的表達[45]。PGC-1α激動劑苯扎貝特(Bezafibrate)也能通過促進線粒體生物發(fā)生改善PD模型鼠的運動功能[46]。魚藤酮暴露后，白藜蘆醇可以改善魚藤酮損傷細(xì)胞和動物模型中的線粒體穩(wěn)態(tài)，通過線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)和PGC-1α促進線粒體生物發(fā)生[47]。線粒體生物制劑LY344864可通過增加PGC-1α表達，誘導(dǎo)不同腦區(qū)的線粒體生物發(fā)生，促進PD小鼠模型中mtDNA的表達，提高小鼠的運動能力[48]。抗氧化劑PQQ也能夠促進魚藤酮損傷細(xì)胞中的線粒體數(shù)量減少和形態(tài)改變，并且通過上調(diào)中腦組織中PGC-1α和TFAM的表達，增加線粒體的生物發(fā)生，從而促進PD模型鼠運動功能恢復(fù)[49-50]。以上研究表明，促進PGC-1α表達和誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生可能是開發(fā)PD治療藥物的新靶點。

3.3 促進線粒體自噬 雖然線粒體自噬紊亂在PD的發(fā)病機制中具有重要的作用，但由于缺乏選擇性增強線粒體自噬的藥理學(xué)試劑，這種策略目前在PD治療中的應(yīng)用受到限制。在體外可誘發(fā)線粒體自噬的化合物，例如三氟羰基氰化物苯腙和抗霉素/寡霉素組合，具有毒性和非特異性作用，可引發(fā)非生理水平的線粒體自噬，因此它們不適合用于PD的治療[51]。最近有研究[52]發(fā)現(xiàn)，乳酸和丙酮酸能夠在無毒濃度下降低細(xì)胞內(nèi)pH值，并通過激活線粒體自噬在MPP+誘導(dǎo)的SH-SY5Y細(xì)胞損傷模型中發(fā)揮保護作用。大豆異黃酮具有多種有益的生物活性，也能通過激活自噬對阿特拉津誘導(dǎo)的線粒體功能障礙和神經(jīng)毒性發(fā)揮保護作用[53]。但以上研究均在細(xì)胞水平，目前還缺乏相應(yīng)的動物模型和臨床前研究。

3.4 調(diào)節(jié)代謝 參與葡萄糖代謝的激素如生長激素釋放多肽(ghrelin)和胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)也可以調(diào)節(jié)線粒體功能[54-55]。生長激素釋放多肽能增加魚藤酮和MPTP損傷細(xì)胞的細(xì)胞活力，改善線粒體功能，減少細(xì)胞損傷的發(fā)生[56-57]。新型糖依賴性胰島素釋放肽(glucose-dependent insulinotropic peptide, GIP)-1/GLP雙重激動劑在MPTP小鼠模型中可以通過增強腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的水平防止運動功能的損傷[58]。肌酸在細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用，口服肌酸補充劑能減少MPTP小鼠模型中黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的丟失[59]。由此可見，通過調(diào)節(jié)線粒體能量代謝對PD模型也具有保護作用。

4 小結(jié)與展望

線粒體功能障礙是PD發(fā)病機制中的研究熱點，以線粒體為靶向的藥物治療研究具有潛在的臨床應(yīng)用價值。目前靶向線粒體功能障礙的藥物多針對幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)如抑制ROS生成、促進線粒體生成、防止mtDNA損傷、促進線粒體自噬等，但大部分研究僅在體外細(xì)胞水平驗證了這些藥物的神經(jīng)保護作用，且多數(shù)藥物僅能作用于線粒體功能障礙的某一個環(huán)節(jié)。由于PD患者中mtDNA、線粒體動力學(xué)和線粒體自噬等都受到損傷，如能開發(fā)在體內(nèi)同時作用于線粒體功能障礙多個方面的治療策略，將能更加有效的保護多巴胺能神經(jīng)元，減少細(xì)胞死亡發(fā)生，促進PD患者功能恢復(fù)。