全脑缺血/再灌注致线粒体损伤的研究进展

杨 晴（综述），李新宇（审校）

（1．石河子大学医学院，新疆石河子 832002;2．兰州军区乌鲁木齐总医院ICU，乌鲁木齐 830000）

心脏骤停是常见的心脏急症。发达国家每年院外心脏骤停的发生率为（36～128）/10万［1］，尽管心肺脑复苏技术的普及和急救体系的完善有助于提高心脏骤停患者的早期复苏成功率，但其神经系统完好率迄今仍仅有1．4%［2］。越来越多的证据表明，脑缺血/再灌注后神经元的死亡与线粒体功能障碍直接相关。

1 全脑缺血/再灌注损伤的病理、生理变化

全脑缺血/再灌注是心肺脑复苏必然经历的过程，因此，全脑缺血/再灌注损伤亦在所难免。脑组织只能通过葡萄糖氧化供能并在心跳骤停5 min发生能量耗竭这一特点，使脑成为最易发生缺血/再灌注损伤的器官。研究表明［3］，脑缺血/再灌注损伤的始动因素是脑组织的缺血、缺氧。在缺血期，缺血、缺氧导致ATP合成减少，嘌呤碱和细胞内酸性代谢产物增多，细胞内钙离子浓度升高。再灌注后由于恢复供氧产生自由基和炎性反应等原因引发再灌注损伤，最终导致神经细胞损伤，甚至凋亡、坏死。其中，线粒体是缺血/再灌注损伤的最关键环节，自由基连锁反应是脑缺血/再灌注损伤的核心环节，而细胞内钙超载则可能是导致神经元死亡的最后通路［4］。

2 脑缺血/再灌注引起线粒体功能障碍的机制

线粒体是一种半自主性细胞器，除产生ATP供给细胞所需能量外，在细胞氧化还原状态和渗透压调节、钙稳态和pH维持以及细胞信号转导中起重要作用［5］。脑缺血/再灌注后细胞能量代谢的恢复是细胞其他功能恢复的基础，若细胞能量代谢障碍持续存在，则必然导致细胞凋亡或坏死［6，7］，而线粒体途径在细胞凋亡过程中起重要作用［8］。脑缺血/再灌注线粒体功能障碍的机制涉及氧自由基损伤、钙超载、线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）的异常开放、线粒体结构损伤等。

3 脑缺血/再灌注后线粒体的变化

3．1 线粒体超微结构改变 线粒体超微结构的改变可影响线粒体功能的改变。脑缺血过程，能量供应急剧减少，随缺血时间延长，MPTP开放，氧自由基，钙超载可引起线粒体内膜结构及线粒体嵴结构的改变，且呈时间依赖性。Solenski等［9］发现再灌注可加重缺血引起的线粒体肿胀、分解、消失、胞质密度增加。上述改变是线粒体功能障碍的形态学基础，脑缺血/再灌注后大量神经元线粒体的损伤可直接引起该损伤区域脑组织的功能障碍。

3．2 线粒体磷脂和游离脂肪酸的变化 脑线粒体含有大量的磷脂。磷脂是线粒体膜的主要组成部分，故磷脂与膜的流动性密切相关。心磷脂是细胞色素C氧化酶及ATP合成酶的重要组成部分，故磷脂与线粒体ATP合成也密切相关。脑缺血和低糖低氧损伤时主要磷脂（卵磷脂、心磷脂）水平下降［9］，脑磷脂酶A2被激活，使膜磷脂降解，磷脂含量降低，多不饱和脂肪酸丢失，生物膜上脂肪酸链缩短，导致线粒体膜流动性下降。脑缺血后再灌注1 h，主要磷脂可降至最低［10］，说明脑缺血/再灌注可引起脑线粒体脂类分解，膜蜕变，而膜的改变可影响呼吸链酶的活性。在磷脂降解的同时，游离脂肪酸含量增加，后者是一种脱耦联剂，使磷氧比（P/O）值减少，减少线粒体ATP生成，脑水肿加重。

3．3 线粒体呼吸链酶活性的变化 线粒体内膜有按一定顺序排列的酶和辅酶，其中酶复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成呼吸链。呼吸链中的酶活性直接影响了ATP的生成。

呼吸链中的酶复合体易受到缺氧影响。实验发现［11］，缺血时直接需氧的呼吸链酶复合体Ⅳ活性显著降低，发生再灌注后，复合体Ⅳ的活性迅速提高，而缺血对酶复合体Ⅰ～Ⅲ的影响相对较小。脑缺血/再灌注时呼吸链上出现“电子漏”，形成超氧游离基和其他活性氧簇，引起呼吸链本身的酶复合体Ⅰ和Ⅱ活性明显下降。此外，再灌注过程还可使呼吸链上的关键酶琥珀酸脱氢酶、细胞色素C氧化酶的活性明显降低，导致氧化磷酸化效率降低，影响了ATP生成［12］。因此，直接导致了神经细胞的功能障碍。

3．4 线粒体膜电位的变化 生理状态下线粒体内膜两侧质子梯度形成的线粒体膜内负外正的电位差，是ATP合成和释放的动力，也是调控线粒体ATP合成代谢的关键。线粒体膜电位既反映了线粒体功能的完整性，也是评价线粒体功能的敏感指标［13］。线粒体膜电位的改变，即膜电位下降可致线粒体内外物质不平衡，氧化磷酸化脱耦联，引起严重能量代谢障碍，终致神经功能障碍。

线粒体膜电位的调控机制是以MPTP的构象改变为基础的。缺血/再灌注时的各种有害刺激，如缺氧、线粒体内Ca2+增加，都可造成MPTP开放，从而引起线粒体膜电位下降，甚至消失，呼吸链断裂造成细胞死亡［14］。

3．5 MPTP MPTP是一种跨膜多蛋白孔，通常MPTP在生理状态下呈间断性开放，且具有可逆性。而位于线粒体内膜的MPTP的开放形成了线粒体通透性转变（mitochondrial permeability transition，MPT），MPT是细胞损伤引起凋亡或坏死的共同通路［15］。因此，MPT是触发线粒体功能障碍的关键，而触发MPT的则是线粒体自身钙超载。

MPT可发生在脑缺血/再灌注的各个阶段，缺血期、再灌注早期、再灌注晚期分别由钙超载、大量自由基、Bax、Bcl基因表达变化对MPT起主导作用，再灌注晚期Bcl-2家族蛋白Bcl-2/Bax的比值降低则决定了MPTP的开放［16］。脑缺血/再灌注后引起的钙超载可使MPTP病理性开放，使线粒体基质外流，膜电位崩溃，还原性谷胱甘肽耗竭，超氧阴离子大量产生，水分子大量进入线粒体内，导致线粒体肿胀以致崩解。线粒体亚显微结构的改变使线粒体ATP合成受阻，并进一步触发凋亡启动［17］。

MPT是缺血缺氧后各种损伤的汇聚点，参与了脑缺血/再灌注损伤的多种机制，防止MPT发生可有效预防脑缺血/再灌注引起的脑内神经结构损伤及功能损害，已逐渐成为目前关注的热点。

3．6 线粒体DNA及其表达的改变 线粒体有一套自身的DNA系统，即线粒体DNA（mtDNA）。mtDNA负责编码氧化磷酸化系统的多个亚单位及RNA，其中细胞色素C氧化酶13个亚单位中的3个亚型均由线粒体mtDNA编码。因此，mtDNA是氧化磷酸化系统重要酶系的前体物质。mtDNA的损伤则可引起氧化磷酸化酶功能的改变，还可加速细胞凋亡的发生［18］。

mtDNA易受到氧化损伤，这是由于线粒体内氧浓度很高，易产生氧自由基，mtDNA几乎不受组蛋白保护，且不能合成谷胱甘肽有效去除氧自由基［19］。Chen等［20］实验表明脑缺血/再灌注可引起 mtDNA损伤，﹤30 min的短暂脑缺血mtDNA可自身修复，然而随缺血时间延长，mtDNA的损伤则不可逆转。脑缺血/再灌注时，mtDNA受损可通过影响氧化磷酸化的相关酶系编码而影响相关酶功能的正常发挥。实验发现，脑再灌注过程mtDNA损伤可使电子传递链中复合体Ⅰ和Ⅳ活性显著下降，从而破坏了呼吸链复合体电子传递完整性。由此继发引起的黄素腺嘌呤二核苷酸依赖性复合体途径被过度利用，自由基生成进一步增加，这将导致mtDNA损伤的恶性循环。脑缺血/再灌注可因脑细胞线粒体mtDNA损伤而直接影响脑细胞能量代谢，加速脑细胞凋亡，进而影响脑部易损区的神经功能。

3．7 线粒体内细胞色素C的改变 线粒体内细胞色素C（cytochrome C，CytC）是核DNA编码的蛋白质，是线粒体电子传递中复合体Ⅲ和Ⅳ之间传递电子的载体。线粒体细胞色素C不仅在能量代谢中发挥着重要作用，且其由线粒体内释放入胞质也是启动依赖 CytC和 caspase途径细胞凋亡的重要步骤［21］。实验表明，脑缺血/再灌注后可因MPTP开放引起CytC的转移，约5 h出现CytC早期转移，约48 h后出现晚期转移［22］。

脑长时间缺血/再灌注引起的线粒体内CytC改变不仅能够影响电子在复合体Ⅲ和Ⅳ之间的传递，因而干扰脑内神经细胞的能量合成，还可因缺血/再灌注时CytC的位置改变，加速神经细胞的凋亡进程，影响脑功能区的神经功能。

4 展望

线粒体是结构和功能复杂细胞器。脑缺血/再灌注可通过各种途径造成线粒体结构和功能异常，进而导致能量衰竭，最终诱发细胞凋亡或坏死。因此，线粒体是脑缺血/再灌注损伤的重要靶细胞器，其损伤是缺血/再灌注损伤的最关键环节。探究全脑缺血/再灌注后线粒体损伤的变化，进一步研究如何从线粒体方面来复苏脑细胞，将为缺血/再灌注后脑损伤的治疗开辟一条捷径。

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