线粒体质量控制在缺血再灌注损伤发生、发展及治疗中的作用研究进展

武汉大学人民医院麻醉科，武汉 430060

国家自然科学基金（82172155）；

中央高校基本科研业务费专项资金（2042022kf1082）；

湖北省重点实验室开放项目（2021KEY032）

【综述】

动脉血流受阻会引发缺血，导致组织供血、供氧不足，最终造成组织损伤。血液供应重新建立后，氧气和其他血液成分的运输反而加剧了缺血引起的损伤，导致缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury, IRI）。急性心肌梗死、胰腺炎、肠缺血、间歇性跛行、急性肾小管坏死、休克后肝功能衰竭和多系统器官衰竭都与IRI密切相关。IRI是治疗临床相关疾病的难题，也是长期以来的研究热点。尽管IRI相关机制尚未完全阐明，但近十年的研究表明，线粒体在IRI病理过程中起着至关重要的作用。

线粒体损伤是IRI的关键触发因素。在生理状态下，线粒体再生和降解处于平衡状态；当细胞器中的蛋白质、脂质和DNA受损时，细胞通过分裂、融合和自噬等途径维持线粒体稳态，以确保线粒体结构和功能的完整，这一过程称为线粒体质量控制（mitochondria quality control, MQC）。MQC是一种细胞内源性保护机制，作为监测线粒体质量的综合网络，对于维持线粒体稳态和功能至关重要。MQC的主要作用是迅速清除有缺陷的线粒体，并及时补充线粒体网络，以维持细胞内稳态和细胞存活，从而保护线粒体免受进一步损伤。然而，到目前为止，关于MQC在IRI中的机制尚未阐明。本文主要综述MQC系统在IRI中的分子机制，并探讨MQC在IRI防治中的潜在治疗价值。

MQC对于维持线粒体稳态和细胞的正常生理功能至关重要，在应激条件下，线粒体通过激活MQC系统来保护线粒体的结构和功能。当线粒体功能受损时，线粒体开始分裂，而线粒体融合受到抑制，导致线粒体碎片化，随后启动线粒体自噬，清除受损、老化和功能障碍的线粒体。通过自噬降解受损线粒体，细胞能够生成新的线粒体，以满足细胞的能量需求。

1.1　线粒体分裂

线粒体分裂是指线粒体分裂成多个独立线粒体的过程，主要由动力相关蛋白1（dynamin‑related protein1, DRP1）、线粒体分裂蛋白1（fission protein 1, Fis1）、线粒体动态蛋白等调节。在生理条件下，DRP1主要以非活性形式存在于细胞质中，因此线粒体分裂水平相对较低。

随着研究的深入，研究人员发现线粒体分裂可分为3个步骤：① 在应激条件下，DRP1通过转录后修饰发生构象变化，使其从胞质易位至线粒体表面；② 内质网和肌动蛋白相互协作，驱动DRP1收缩；③ DRP1进一步收缩，直至完成线粒体裂变，去除功能失调的线粒体。由此可见，线粒体分裂通过从细胞中去除受损线粒体，从而维持线粒体稳态。

1.2　线粒体融合

线粒体融合是指相邻线粒体通过外膜和内膜的融合整合为一个纤维状延伸或网络状结构的过程。线粒体融合可分为两步：线粒体外膜融合和线粒体内膜融合。线粒体融合蛋白（mitofusin, MFN）1和MFN2通过鸟苷三磷酸酶结构域的二聚化来介导线粒体外膜融合，视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1, OPA1）则调控线粒体内膜融合。OPA1还调节线粒体嵴的完整性，并且通过嵴内可溶性细胞色素C的区域化来调节细胞凋亡。

研究表明，在应激期间，线粒体融合通过两种独立机制保护细胞：首先，融合可以抵消线粒体过度分裂的影响；其次，融合有助于在线粒体网络中产生电化学电势，增强对受损线粒体部分的检测能力，从而缓解局部应激反应，恢复线粒体稳态。

1.3　线粒体自噬

线粒体自噬是一种通过特异性清除细胞质中功能失调的线粒体，维持线粒体功能的完整性和细胞稳态的选择性自噬。线粒体自噬通过细胞自噬体靶向吞噬和破坏受损线粒体，防止异常线粒体的积聚，是组织损伤的潜在治疗靶标。线粒体自噬机制可分为两种：经典的同源性磷酸酶张力蛋白诱导激酶1（phosphatase and tensin homologue‑induced putative kinase 1, PINK1）/帕金森基因（Parkin）介导的线粒体自噬；PINK1/Parkin非依赖性途径，包括Fun14结构域的蛋白‑1（FUN14 domaincontaining protein‑1, FUNDC1）和B淋巴细胞瘤‑2（B cell lymphoma 2, Bcl‑2）/腺病毒E1B相互作用蛋白3（adenovirus E1B protein‑interacting protein 3, BNIP3）/Nip3样蛋白X介导的线粒体自噬。

生理条件下，PINK1进入线粒体内膜，并通过蛋白酶水解。然而，当线粒体膜电位丧失时， PINK1无法进入线粒体内膜，反而在线粒体外膜积累，激活并招募Parkin。Parkin通过泛素化线粒体底物，诱导其产物被招募至自噬体，并最终与自噬溶酶体融合以降解线粒体。有缺陷的线粒体经FUNDC1、Bcl‑2和BNIP3/Nip3样蛋白X途径形成自噬体，将受损的线粒体从健康的线粒体网络中分离并封闭在自噬体内，最终通过溶酶体降解自噬体以恢复细胞内平衡。

1.4　线粒体依赖性细胞死亡

线粒体依赖性细胞死亡是指受线粒体调控的一种细胞死亡形式，主要包括两种途径。第一种途径是细胞凋亡，其机制为通过线粒体外膜通透性增加，导致细胞色素C释放，进而激活胱天蛋白酶（caspase）‑9和caspase‑3，这种经典的线粒体诱导的凋亡途径以线粒体膜电位降低、活性氧（reactive oxygen species, ROS）过载、凋亡蛋白表达增加以及抗凋亡蛋白表达降低为特征。第二种途径则是由于电压依赖性阴离子通道多聚化、亲环素D磷酸化和腺嘌呤核苷酸转运蛋白上调，导致线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore, mPTP）的开放。mPTP通过形成非特异性孔道诱导线粒体内膜开放，导致线粒体电子传输链功能障碍和三羧酸循环停止；随后，由于ATP耗竭，细胞质肿胀、膜破裂和细胞器分解，最终导致细胞坏死。与细胞凋亡不同，坏死性细胞死亡不消耗能量，表现为细胞器肿胀、破坏、起泡以及不可逆的质膜崩解等特征。

2.1　线粒体分裂与IRI

在脑IRI中，DRP1磷酸化水平升高，转移至线粒体与Fis1相互作用，导致线粒体过度分裂，进而诱导ROS产生，导致线粒体损伤并促进细胞死亡。心脏IRI研究中，Drp1引起的分裂增加可引发其他病理变化，如ATP水平降低、细胞色素C从线粒体释放至胞质、mPTP开放以及线粒体膜电位下降，这些变化最终导致caspase‑3的激活和细胞凋亡。在大鼠海马神经的氧糖剥夺模型中，发现Drp1和Fis1水平增加，而Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白‑1/核因子E2相关因子2/抗氧化反应元件信号通路调控线粒体分裂可减轻脑损伤。因此，抑制线粒体过度分裂是减轻IRI的潜在机制。

2.2　线粒体融合与IRI

再灌注损伤等病理过程会引发ROS爆发，导致OPA1表达减少，破坏线粒体内膜嵴完整性，促使细胞色素C和其他促凋亡因子释放到胞质中，激活细胞凋亡。多项研究表明，在IRI期间，线粒体分裂上调，而融合下调。此外，来自脑IRI的证据表明，MFN2在再灌注阶段的下调会加剧损伤。IRI显著抑制了OPA1、线粒体融合和线粒体自噬，伴有梗死面积扩大、心功能障碍、炎症加剧以及心肌细胞减少。然而，使用促进线粒体融合的药物或基因干预可以改善代谢物、蛋白质和线粒体DNA的分布，稳定线粒体膜电位，最终减轻再灌注引起的损伤。因此，促进融合的药物或基因干预可以保护器官免受IRI的损害。

2.3　线粒体自噬与IRI

线粒体自噬是把双刃剑。适度增加的线粒体自噬对细胞具有保护作用，而过度自噬则可能加剧细胞死亡。在心脏IRI模型中，Parkin诱导的线粒体自噬导致线粒体过度清除和ATP供应不足，传递促死亡信号。然而在脑和肾IRI中，研究发现通过促进Parkin向受损线粒体的募集并增强线粒体自噬，可以保护细胞免受损伤。此外，BNIP3诱导的线粒体自噬在心脏IRI中具有致命性，抑制BNIP3活性不仅能防止线粒体自噬，还可以抑制心肌细胞坏死。但在脑、肾IRI的模型中，BNIP3敲除减少了线粒体自噬，反而加重了损伤。

尽管普遍认为PINK1/Parkin和BNIP3介导的线粒体自噬具有保护作用，但并非所有研究都支持线粒体自噬的上调是有益的。由于线粒体自噬是一个动态的过程，仅在静态或单一时间点评估可能会产生误导。和大多数平衡机制一样，细胞健康依赖于适度的线粒体自噬水平，以清除功能失调的线粒体并维持最佳状态。

2.4　线粒体依赖性细胞死亡与IRI

线粒体依赖性细胞死亡是MQC的最后一步。在肝IRI中，线粒体外膜通透性增加，线粒体膜电位降低，导致细胞质中B淋巴细胞瘤‑2相关X蛋白（B‑cell lymphoma‑2 related X protein, Bax）的增加，并促使其形成同源二聚体。随后，Bax二聚体迁移并插入线粒体外膜，促进细胞凋亡。IRI中丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶3（serine/threonine protein kinase 3, RIPK3）通过激活钙调素依赖性蛋白激酶促进mPTP的开放。此外，RIPK3的上调增强了亲环素D磷酸化，进一步增加了mPTP的开放。因此，RIPK3表达和mPTP开放是调控线粒体介导坏死的潜在治疗靶点。

虽然临床上针对IRI的药物治疗层出不穷，但IRI发生时，仍缺乏理想的治疗手段。MQC的各个方面都具有药物开发潜力。

3.1　调控线粒体分裂与IRI的治疗

抑制线粒体过度分裂是保护IRI的潜在机制。线粒体分裂抑制剂1（mitochondrial division inhibitor‑1, Mdivi‑1）是一种可以穿越细胞膜的喹唑酮类化合物，通过抑制DRP1与其受体结合，抑制线粒体分裂，并且高效、可逆地诱导线粒体融合。在心脏IRI前给小鼠服用Mdivi‑1，可显著抑制DRP1向线粒体外膜的转移，减少线粒体碎片化，改善线粒体动力学，并通过阻断mPTP开放和稳定线粒体膜电位改善线粒体功能。Ding等观察到，Mdivi‑1处理增加了超氧化物歧化酶的活性，降低了丙二醛的含量，显示出其与氧化还原状态有关。抗氧化剂富马酸二甲酯在糖尿病大鼠心肌IRI中通过激动核因子E2相关因子2调控Drp1相关的线粒体分裂，从而发挥其保护作用。P110则通过选择性抑制DRP1/Fis1相互作用并直接结合DRP1，显著改善线粒体功能。

3.2　调控线粒体融合与IRI的治疗

增加线粒体融合的药物和基因修饰技术为IRI提供了新的治疗方向。研究发现，七氟醚通过上调OPA1和MFN2，促进线粒体融合，改善线粒体功能，减轻IRI。Xue等发现，迷走神经刺激通过提升OPA1和MFN2水平改善缺血心肌中的线粒体动力学。褪黑素则通过AMP活化的蛋白质激酶途径上调OPA1的表达，从而增加线粒体和细胞对IRI的抵抗力。通过激活MFN2或稳定OPA1来促进线粒体融合，为IRI提供了新的治疗方向。

3.3　调控线粒体自噬与IRI的治疗

在大多数情况下，线粒体自噬是一种保护或适应机制，因为它可清除IRI中受损的线粒体，而自噬缺陷会导致线粒体依赖性细胞凋亡。研究表明，七氟醚预处理和后处理对IRI具有保护作用。在心肌IRI模型中，与IRI组相比，七氟醚后处理组抑制IRI引起的OPA1下降和Parkin升高，并抑制了Beclin1的表达。此外，具有多种治疗效果的白藜芦醇增加Parkin和PINK1的线粒体易位，调节DRP1/Parkin/PINK1信号，清除不健康的线粒体，减轻肠道功能障碍。适度的线粒体自噬对维持ATP供应及细胞稳态至关重要，过多或不足的自噬均可能影响线粒体功能。

3.4　调控线粒体依赖性细胞死亡与IRI的治疗

尽管线粒体凋亡和坏死可由各种损伤刺激激活，实际上由线粒体控制。作为MQC维持细胞稳态的最后步骤，坏死与凋亡相互作用，为IRI治疗提供新的靶点。线粒体凋亡抑制剂（如凋亡抑制蛋白1和2）在肝IRI中通过诱导RIPK3泛素化防止坏死激活。在H9c2细胞复氧模型中，RIPK3和DRP1激活与线粒体膜电位降低有关。此外，RIPK3的缺失可逆转FUNDC1诱导的线粒体自噬，释放抗凋亡信号。这些研究表明，坏死和线粒体动力学之间存在相互作用。缺血后处理也是IRI治疗的关键靶点，它通过增加抗凋亡基因Bcl‑2的表达、降低促凋亡基因Bax的表达，从而减少细胞色素C的释放，减少细胞凋亡。虽然凋亡和坏死由不同的上游信号调控，但它们的下游事件存在显著的重叠。因此，在设计抗IRI药物时，应同时考虑抗凋亡和抗坏死作用。

不同治疗药物参与线粒体质量控制体系的作用见表1。

IRI是临床上发病率和病死率较高的疾病。本文综述了MQC在IRI中的作用机制及治疗靶点。MQC是一种适应性反应，可在IRI损伤期间调整线粒体的形态和功能。当前的临床治疗通常采用联合或单一治疗手段。根据最新研究，连续或同时激活MQC中不同过程或成分，以动态的方式协同促进线粒体网络的恢复，能够在IRI过程中针对不同的损伤机制，从而有助于优化IRI的治疗方法。MQC适应多种生理需求，调节应激反应，维持细胞内环境平衡，是细胞命运的关键调节者，也是未来研究IRI的潜在治疗靶点。

尽管近年来对MQC的研究取得了进展，但仍有一些关键问题亟待解决。首先，线粒体分裂和线粒体自噬具有双重作用：一方面，它们通过分离受损的线粒体起到保护作用；但另一方面，过度分裂和自噬可能导致细胞死亡。其次，线粒体介导的细胞自噬与线粒体依赖性细胞死亡之间存在复杂的网络关系，二者既对立又协同，维持细胞内环境的稳态。因此，开发能够选择性、有效、适度激活线粒体自噬并调控线粒体分裂的药物，对调节MQC至关重要。由此可见，深入探究MQC的分子调控机制，理解其在IRI中的作用及临床价值，将对IRI和防治具有重要意义。

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国际麻醉学与复苏杂志

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