MitoQ对神经系统保护作用的研究进展

郑　铎，高　柏(综述)，佡剑非(审校)

(中国医科大学附属盛京医院神经内科，沈阳 110004)

MitoQ对神经系统保护作用的研究进展

郑铎△，高柏(综述)，佡剑非※(审校)

(中国医科大学附属盛京医院神经内科，沈阳 110004)

摘要：线粒体靶向抗氧化剂MitoQ是泛癸利酮的一种合成类似物，能靶向聚集于线粒体中清除过度生成的氧自由基，也能抑制脂质过氧化反应，保护线粒体膜免受氧化应激损伤，从而改善线粒体功能。MitoQ在以线粒体功能障碍和氧化应激损伤为主要病理表现的神经系统疾病(如脑缺血、阿尔茨海默病、帕金森病、弗里德赖希共济失调、多发性硬化)中均具有一定的作用。

关键词：MitoQ；泛癸利酮；线粒体靶向抗氧化剂；神经系统疾病

众多证据表明，氧化应激引起的线粒体功能障碍在多种神经系统疾病的发生、发展中起重要作用[1]。线粒体通过呼吸链电子漏路径和链式反应生成大量活性氧类(reactive oxygen species，ROS)，造成线粒体膜脂质过氧化、蛋白质结构异常，损伤线粒体DNA，导致线粒体功能紊乱，引起细胞凋亡[2-3]。新型线粒体靶向抗氧化剂——MitoQ(mitoquinone)是在泛癸利酮的基础上结合亲脂阳离子三苯基磷离子，使其能靶向聚集于线粒体中。近年来，许多动物实验已经证实MitoQ对抗氧化应激损伤的有效性，例如糖尿病肾病[4]、肾细胞和肾脏的冷藏[5]、心肌缺血[6]、内毒素引起的心功能不全[7]等，另外，也被证实可对抗β淀粉样蛋白对海马突触可塑性的损伤[8]。现就MitoQ的作用机制及其对神经系统的保护作用进行综述。

1MitoQ分子学结构

泛癸利酮是电子传递链(electron transfer chain，ETC)中的关键辅因子，也是一种重要的细胞膜抗氧化剂[9]。MitoQ是泛癸利酮的衍生物，分子式为C37H46O4PBr，分子质量为665.65[10]。在腺苷三磷酸合成过程中，会在线粒体内膜产生一个-150～-180 mV的电位，这个负电位梯度可促进亲脂的阳离子进入线粒体，并在线粒体中聚集[11]。MitoQ的合成就是基于这个原理，它将三苯基磷离子与泛癸利酮相结合，使MitoQ顺电压梯度进入线粒体[12]。研究表明，MitoQ在线粒体内膜两侧分布的浓度是不均匀的，在180 mV的电势下，MitoQ在线粒体内浓度是其在线粒体外浓度的1000倍[13]。MitoQ的这一特殊结构可提高其生物利用度，更好地发挥其生物活性。

2MitoQ的作用机制

泛癸利酮是人体内唯一的内源性脂溶性抗氧化剂，存在于血液及细胞膜中，在细胞代谢中起重要作用[14]。泛癸利酮作为重要的生物辅因子，接受来自复合体Ⅰ和复合体Ⅱ的电子，并将其传递给复合体Ⅲ；在此过程中，泛醌被还原为泛醇，泛醇可减少线粒体脂质内膜的氧化应激，也可作为一个重要的亲脂抗氧化剂，通过激活解偶联蛋白，减少自由基的生成，阻止自由基对蛋白质、脂质、DNA的氧化修饰[15]。作为泛癸利酮的结构类似物，MitoQ同样具有清除ROS和保护生物膜的作用。Wani等[16]证实，MitoQ可通过减少ROS产物，增加锰-超氧化物歧化酶活性及谷胱甘肽水平来抑制氧化应激反应，MitoQ还可抑制脂质过氧化反应，减少蛋白和DNA的氧化；另外，MitoQ还可抑制DNA断裂、细胞色素C释放和胱天蛋白酶(caspase)3的活性；电镜下观察发现，MitoQ可有效改善线粒体膨胀和染色质凝聚状态。以上试验证明，MitoQ可靶向聚集于线粒体中，清除过度生成的氧自由基，抑制氧化应激反应，减少线粒体膜蛋白氧化损伤，维持线粒体功能，从而抑制细胞凋亡。

3MitoQ的临床应用

3.1阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)AD是以记忆和认知功能进行性减退、行为和性格改变为主要特点的迟发性进展性神经系统退行性疾病，其主要病理改变为β淀粉样蛋白的生成及沉积形成老年斑、神经元纤维缠结、突触损伤及神经元缺失等。β淀粉样蛋白是AD患者脑内老年斑的主要成分，具有神经细胞毒性，可能通过以下机制增加神经细胞氧化应激反应：①直接导致ROS过度生成及清除障碍；②通过提高还原型辅酶Ⅱ氧化酶活性，促进ROS生成；③抑制ETC复合体Ⅳ(细胞色素C氧化酶)，降低跨线粒体膜电化学势能差，间接导致ROS过度聚集；④引起线粒体ETC电子渗漏，导致超氧阴离子自由基生成增加[17-20]。在AD患者的尸检脑组织标本及血细胞(血小板及淋巴细胞)中发现，线粒体ETC复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的活性降低[21]。另外，在AD患者的尸检脑组织标本及成纤维细胞中发现3种三羧酸循环关键酶(丙酮酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶)复合体活性障碍[22]。ETC链及三羧酸循环功能障碍均可导致超氧阴离子过度生成及清除障碍，致使线粒体氧化应激和细胞凋亡。由此可见，线粒体介导的氧化应激可能参与了AD的发病机制[23]。McManus等[24]研究表明，小剂量(1～100 nmol/L)MitoQ可减少β淀粉样蛋白在脑内聚集，抑制氧化应激反应，减少突触损伤，从而阻止caspase-3/7激活的细胞凋亡，改善认知功能。另有学者通过研究MitoQ对β淀粉样蛋白转基因秀丽隐杆线虫的作用，发现MitoQ可保护ETC复合体Ⅰ和Ⅳ，减少线粒体脂质双磷脂酰甘油的消耗，减少β淀粉样蛋白所致的麻痹；该研究同时发现，MitoQ并不减少线粒体DNA的氧化损伤，进而猜测MitoQ的保护作用可能仅针对线粒体膜[25]。

3.2帕金森病(Parkinson disease，PD)病理学及遗传学认为，氧化应激和线粒体功能障碍在PD患者黑质多巴胺能神经元变性死亡中起着重要作用[26]。尸检结果显示，散发型PD患者的黑质致密部存在较高水平的脂质、蛋白和核酸的氧化[27]。除了线粒体，ROS在多巴胺能神经元细胞质基质中聚集可导致多巴胺自体氧化，生成超氧化物、过氧化氢和活性多巴胺醌，PD患者多巴胺能神经元选择性损伤可能正是通过这个多巴胺依赖的氧化应激反应实现的[28]。自从1-甲基-4苯基1，2，3，6-四氢吡啶被发现可诱发典型的PD后，其他选择性抑制ETC复合体Ⅰ的化学物质(鱼藤酮、三氯乙烯等)也被证实可导致黑质多巴胺能神经元丢失及PD的临床表现[29-30]。研究发现，部分PD患者黑质、血小板、骨骼肌的线粒体中存在ETC复合体Ⅰ的损伤[31-32]。ETC复合体Ⅰ活性被抑制，直接导致腺苷三磷酸生成减少，并促进自由基产生和氧化应激反应，导致多巴胺能神经元变性丢失。Ghosh等[33]发现，MitoQ可逆转1-甲基-4-苯基吡啶或1-甲基-4苯基1，2，3，6-四氢吡啶导致的caspase-3凋亡的增加和多巴胺神经元的丢失，同时增强MitoQ治疗组鼠的行为活动能力；电子顺磁共振波谱分析显示，MitoQ还可抑制1-甲基-4苯基1，2，3，6-四氢吡啶导致的线粒体顺乌头酸酶失活，维持正常的三羧酸循环，减少线粒体氧化应激发生。以上离体实验和动物模型实验均证实，MitoQ可抑制氧化应激的发生，缓解甚至逆转PD的病理生理学改变。但MitoQ治疗在现有的临床试验并未表现出其优势。在一项多中心双盲安慰剂对照试验中，将128例未经诊治的PD患者分为安慰剂组、40 mg MitoQ组和80 mg MitoQ组，对所有PD患者治疗1、2、3、6、9、12个月和治疗结束后28 d的各项指标进行PD综合评分量表评估，结果显示，MitoQ治疗并没有延缓PD的进展；分析认为，阴性结果的出现是因为当PD诊断时，已经有大约50%的多巴胺能神经元和80%的纹状体多巴胺丢失，此时应用药物MitoQ可能已经无法缓解其临床症状[34]。MitoQ对PD的临床价值尚需更多的多中心随机对照试验考证。

3.3弗里德赖希共济失调(friedreich ataxia，FA)FA是一种常见的常染色体隐性遗传性共济失调。研究表明，FA致病突变为共济蛋白基因首个内含子中GAA三核苷酸重复序列扩增，造成基因产物线粒体蛋白质共济蛋白浓度降低[35]。共济蛋白缺乏会降低ETC复合体和铁硫簇包含酶活性降低，从而导致铁离子在线粒体中聚集以及自由基产生增加，引起氧化应激[36]。因此，组织细胞氧化应激损伤和线粒体功能障碍可能是FA的发病机制之一。泛癸利酮的非线粒体靶向类似物艾地苯醌已被证实可部分延缓FA发生，减慢FA进展[37]。然而，口服艾地苯醌仅有一小部分聚集在线粒体中，限制其作用效果。考虑到艾地苯醌这一缺陷，研究人员猜测MitoQ可能会弥补这一不足。为了证实这一假设，Jauslin等[38]利用谷胱甘肽合成酶抑制剂丁硫氨酸-亚砜亚胺处理的FA患者的纤维母细胞，对比MitoQ和艾地苯醌抑制细胞凋亡的能力，结果表明，艾地苯醌和MitoQ均可保护FA细胞，但MitoQ的作用效果是艾地苯醌的800倍[MitoQ EC50：(0.51±0.50) nmol/L；艾地苯醌 EC50：(426±102) nmol/L]；该研究者还用解偶联剂碳酰氰-4-三氟甲氧基苯腙破坏线粒体膜电位，发现MitoQ的作用效果与癸基苯醌(一种非靶向抗氧化剂)相似，证实线粒体膜电位促进MitoQ成百倍的聚集在线粒体中，这一特性使低浓度的MitoQ也能发挥抗氧化应激作用。MitoQ对FA患者细胞氧化应激的抑制作用尚需要更多动物实验及临床试验证实。

3.4多发性硬化(multiple sclerosis，MS)MS是常见的以中枢神经系统慢性炎症性白质脱髓鞘为主要特点的自身免疫性疾病，以髓鞘脱失、轴索损伤、神经胶质细胞增生和进行性神经功能缺损为主要病变特征[39]。MS发病的确切机制尚不明确。研究表明，MS存在着细胞质基质和线粒体钙离子超载、病理性ROS堆积、脂质和DNA过氧化反应以及线粒体功能障碍，这些均可导致髓鞘脱失、轴索变性[40]。考虑到线粒体功能障碍和氧化应激可能参与MS的发病过程，Mao等[41]利用实验性自身免疫性脑脊髓炎鼠研究MitoQ在MS的发生、发展中的作用以及潜在机制，研究表明，MitoQ可减弱自身免疫性脑脊髓炎鼠中枢神经系统炎症反应；对抗脑白质神经变性；减弱脂多糖活化的小胶质细胞损伤；改善其神经功能缺损症状。这些保护作用可能涉及到多种机制。在不久的将来，MitoQ也许作为一种新型药物应用于MS的治疗中。

3.5肌萎缩侧索硬化研究者发现，线粒体功能障碍和氧化应激导致运动神经元退化是肌萎缩侧索硬化的主要致病过程[42]。Miquel等[43]将MitoQ经口给予SOD1G93A转基因小鼠，发现其能减慢小鼠脊髓和肌肉细胞中线粒体功能下降的速度；减少小鼠脊髓运动神经元丢失和星形胶质细胞聚集；减少小鼠神经肌接头轴索变性；改善小鼠的临床症状，延长寿命。

4小结

除对神经系统变性疾病发挥神经保护作用外，MitoQ对缺血/再灌注损伤[44]、出血后炎症反应[45]、代谢综合征[46]等疾病的治疗也具有一定的效果。MitoQ作为一种新型线粒体靶向抗氧化剂，其具体作用机制还需更广泛而深入的研究。此外，目前对MitoQ治疗AD、PD、肌萎缩侧索硬化等神经系统变性疾病的有效药物浓度、不良反应等尚无明确的定论，有必要对其进行一系列动物实验及大规模临床试验研究。

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Research Progress in Neuroprotection of MitoQZHENGDuo,GAOBai,NAOJian-fei.(DepartmentofNeurology,ShengjingHospitalofChinaMedicalUniversity,Shenyang110004,China)

Abstract:MitoQ is a synthetic analogue of coenzyme Q10.As a mitochondrial targeted antioxidant,MitoQ could directionally accumulate in mitochondrial to remove excessive oxygen free radicals.Simultaneously,it also can inhibit lipid peroxidation,protect mitochondria and cell membranes from oxidative stress damage,and improve the mitochondrial function.Rencently,many studies have shown that MitoQ has certain effects in treating nervous system diseases with mitochondrial dysfunction and oxidative stress damage as main pathological manifestations,such as cerebral ischemia,Alzheimer disease,Parkinson disease,Friedreich ataxia,and multiple sclerosis.

Key words:MitoQ； Coenzyme Q10； Mitochondrial targeted antioxidant； Nervous system disease

收稿日期：2015-03-06修回日期：2015-05-16编辑：郑雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.24.014

中图分类号：R741

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)24-4457-04