线粒体对创面修复的作用研究

陈丽 吉琳 刘沐琳

[摘要]线粒体作为能量的提供者，是目前研究的热门话题。在创面修复过程中，从线粒体角度去解决实际问题，为临床治疗创伤提供一个新的思路。线粒体作为细胞有氧代谢的重要部位，在创面修复早期，其损伤会影响炎症反应，在后期线粒体能促进新生毛细血管的生成以及多潜能干细胞分化，同时提供能量。本文在线粒体结构功能的基础上，对线粒体在创面修复的炎癥期、增殖期及塑形期的作用作一综述。

[关键词]线粒体；结构功能；创面修复；炎症反应；能量

[中图分类号]R641 [文献标志码]A [文章编号]1008-6455（2018）11-0166-03

Abstract： Mitochondria， as an energy provider， is a hot topic in current research. In the process of wound repair， the practical problems are solved from the point of view of mitochondria， which provides a new direction for clinical treatment of trauma. Mitochondria， as an important part of cell aerobic metabolism， may affect inflammatory response in the early stage of wound repair. At the later stage， mitochondria can promote the formation of new capillaries and differentiation of multipotential stem cells， and provide energy at the same time. Based on the structure and function of mitochondria， this paper reviews the role of mitochondria in the inflammatory stage， proliferative stage and shaping stage of wound repair.

Key words： mitochondria； structure and function； wound repair； inflammatory reaction； energy

随着临床疾病多样性的发展和人口老龄化速度的加快，各种创面问题逐渐增多[1]，无疑给家庭和社会增加了一定的经济负担。目前，创面修复传统的治疗方法包括创面清洁换药、抗生素局部或全身应用、各种物理疗法、植皮或皮瓣移植修复等，但疗效均欠佳[2]，仍需要去发现与开拓新的治疗作用靶点。线粒体作为机体的“能量工厂”，在机体生命活动过程中起着重要的作用，创面修复过程中的损伤会引发线粒体结构与功能的改变，同时线粒体通过调节自身功能也会促进创面修复，现将线粒体在创面修复中的作用与研究进展综述如下。

1 线粒体结构

线粒体是真核细胞细胞浆内的重要细胞器之一，在电镜下，线粒体呈长椭圆形，具有一层高度折叠的内膜和一层相对简单的外膜，其中，内膜向内突出成嵴。外膜与内膜间的空腔称为外室，由内膜围成的腔称为内室或线粒体基质，内室包含线粒体DNA和氧化呼吸链的各元件[3]—四个大型复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ以及介于Ⅰ/Ⅱ与Ⅲ之间的泛醌 UQ 和介于Ⅲ与Ⅳ之间的细胞色素C（cytochromeC， Cyt C），内膜折叠形成的线粒体嵴， 内含氧化磷酸化酶复合体（OXPHOS）和电子呼吸链[4-5]，其中外膜具有通透性，含有孔蛋白，如线粒体融合蛋白2（Mfn2）[6]，便于胞浆和内膜之间的物质转运。

2 线粒体功能

线粒体在真核生物体内是进行氧化代谢的部位，以及糖类、脂肪和氨基酸氧化释放能量的场所。线粒体通过细胞质基质中完成的糖酵解和在线粒体基质中完成的三羧酸循环产生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinarnide adenine dinucleotide，NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenosine dinucleotide，FADH2）等高能分子，继而通过氧化磷酸化这一步骤利用这些高能分子还原氧气释放能量，最终合成ATP。组成线粒体的结构除了参与合成ATP的过程，为生物细胞提供的能量外，还分别承担着很多重要的生理功能。近年来，有研究发现线粒体外膜上的跨膜蛋白融合蛋白2（Mfn2）在细胞增殖、凋亡和自噬方面起重要调节作用[6]，而线粒体内膜上的一种蛋白复合体线粒体膜通透性转换孔（MPTP）在细胞凋亡或坏死中也具有重要作用[7]，线粒体嵴则通过其上的线粒体基粒中存在的ATP合酶合成ATP，同时其重构可调控其内部多种蛋白如线粒体超复合物蛋白的组装[8]，线粒体这些结构的功能证实了线粒体与细胞生命息息相关，并在机体皮肤损伤后的修复中发挥着重要作用[9]。近年来，对线粒体的大量研究还发现了其特有的生理功能。线粒体的氧化磷酸化过程会产生有毒副产物活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS会引起细胞损伤和细胞生理功能障碍，其慢性释放及其氧化损伤与许多疾病的发病相关[10]，并在上皮间质转化过程中具有重要的调控作用从而影响到表皮修复[11]，因此，调节线粒体结构功能可影响机体炎症的发生发展进程[12]，提示大家线粒体功能与创面修复高度相关。还有研究表明，线粒体在诱导和维持多潜能干细胞多能性、细胞分化和重编等方面发挥了重要作用[13]，因此考虑线粒体此功能与创面修复中体细胞的分化迁移增殖相关。

3 线粒体对创伤炎症反应的影响

创伤伤口局部的早期变化中有不同程度的组织坏死和血管断裂出血，数小时之内便会出现炎症反应，表现为充血、浆液渗出及白细胞游出，出现局部红肿[14]。其中游出的白细胞早期以中性粒细胞为主，3d后以巨噬细胞为主[15]。大量证据表明，线粒体在机体炎症的发生和发展过程中起重要作用[16]。正常情况下线粒体是动态变化的细胞器，其数目、结构和功能受到多种机制调控。该平衡被破坏会导致线粒体结构的改变，从而引发其功能的改变[17]。创伤炎症是机体对异体物质入侵的一种基本的生物学反应，可以促进损伤细胞和组织的修复，并阻止其进一步损伤。在炎症反应过程中，血浆和细胞可以产生多种炎症介质和炎性细胞因子，这些介质和因子的释放不仅可以影响线粒体的各种功能，还会改变线粒体的融合、分裂运动[18]。线粒体通过氧化呼吸链产生的ROS，是由一分子O2接受一个电子形成超氧阴离子自由基，这些自由基又可以通过酶或者金属的裂解作用形成其它种类的自由基[19-20]。在生理条件下只有1%～3%的氧分子可以在线粒体的氧化还原过程中转化为ROS，这些自由基可被体内的抗自由基反应体系清除。但当线粒体受损或者功能失调时，ROS的产生-消除平衡就会被打破，同时，线粒体的融合蛋白也对ROS的生成具有一定的促进作用，最终导致创伤处大量的ROS聚集[21]。炎症过程中线粒体既是ROS的重要来源，又是其损伤靶点，两者交互作用，形成恶性循环，共同调控机体炎症反应[22]。近来研究发现，线粒体代谢、稳态改变、自噬、凋亡等都与NLRP3炎性体的激活相关。NLRP3在刺激物作用下聚集组装并最终形成具有活性的炎性体，参与包括炎症反应在内的多种反应[23]。线粒体复合物I抑制剂鱼藤酮能增加mt ROS的产生而促进NLRP3炎性体的激活，而ROS抑制剂清除ROS会导致炎性体活性抑制，均显示mt ROS在NLRP3炎性体激活中起作用[24-25]。Zhou等[26]发现ROS的产生和NLRP3炎性复合体激活之间的联系，但一些研究却发现[27]仅mt ROS并不足以促发NLRP3激活，这很可能还与胞内微环境复杂变化相关。线粒体DNA（mt DNA）是一种新发现的内源性致炎因子：机体发生创伤后释放入血，能引起典型的全身炎症反应[28-29]。致炎因子刺激作用下，释放的ROS和炎症介质可诱导线粒体结构功能损伤以及自身代偿性修复。糖酵解增强、VDAC活化、mtROS和mtDNA释放能够促进机体炎症信号转录和NLRP3炎症小体的直接激活。而线粒体自噬、分裂融合等过程可清除损伤的线粒体，促进健康线粒体增殖等过程，从而改善线粒体稳态和功能，发挥抗炎效应。当创面细胞过度损伤时，线粒体遭到严重破坏，炎症反应就会加重，使创面愈合延迟，因此，我们认为线粒体在机体创伤炎症中发挥核心作用，改善线粒体功能对于创面炎症过度的治疗具有重要意义。

4 线粒体对创伤愈合增殖期的影响

增殖期开始于创面形成后的2～24d，主要包括上皮再生和肉芽组织形成两个阶段，其中肉芽组织形成是创面修复的关键[30]。研究表明，新生毛细血管量与肉芽组织的生长速度呈正相关，与创面愈合时间呈负相关，与其能有效改善创面微循环，提供足量的氧气与营养，促进肉芽形成，修复创面缺损，清除坏死组织等有关[31]。另有研究发现，NO能够诱导成纤维细胞、内皮细胞等增殖，重建基质结构和促进血管生成，且其代谢平衡与一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）有关，而线粒体内储存的Ca2+能上调NOS的活性，促进血管新生，加速组织重塑[32]。新生毛细血管网形成前，创面微环境处于缺血缺氧状态而能量供给不足难以修复，当血管网初步形成后，线粒体通过氧化磷酸化三大营养物质为ATP提供大量能量，进一步为血管再生提供物质基础，同时生长因子的释放如血管内皮细胞生长因子（VFGF）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）等也能有效刺激血管内皮分裂，诱发血管再生，加速肉芽形成，激化坏死组织，保护创面，促进创面修复[33-34]。

5 线粒体对创伤愈合塑形期的影响

创面修复的最后一个时期为塑形期，这一过程主要包括以下两个方面：上皮细胞持续分裂促进表皮层增厚以及胶原纤维重排和血管重分布促进肉芽组织内部转型，这个过程相对来说持续时间较长，往往超过一年[35]。在创伤愈合过程中，创面底部的皮肤干细胞由静止期开始大量增殖并向创面迁移，迁移的干细胞以不对称分裂的方式增殖为大量短暂扩增细胞，短暂扩增细胞进一步分裂分化为成纤维细胞和血管内皮細胞等[36]。近年来研究表明，在多潜能干细胞中线粒体融合分裂的动态平衡在调控干细胞的多能性及生存方面发挥出独有的作用，即在多能性状态下，多潜能干细胞主要依靠糖酵解提供能量，产能效率低；在其分化期间主要通过氧化磷酸化为基础的有氧代谢提供能量，而线粒体氧化磷酸化代谢能力在多潜能干细胞分化期间逐渐增强。因此，皮肤干细胞在增殖塑形期迅速进一步分裂分化促进创面修复[37]。成纤维细胞是创伤愈合后期中发挥重要作用的细胞，由胚胎时期的间充质细胞分化而来，在不同的时期有着不同的功能活动状态，主要负责合成和分泌胶原蛋白，纤维蛋白等物质，促进创面肉芽组织的生成和创面修复[38]。研究发现线粒体膜电位能一定程度上反映人皮肤成纤维细胞状态[39]，当线粒体发生功能障碍时，线粒体膜电位发生去极化，成纤维细胞中ATP水平显著增高，导致成纤维细胞功能过度活跃，产生过量的胶原纤维等纤维蛋白，从而引起创面瘢痕异常增生，影响创面修复[40]。

6 展望

创伤对机体皮肤、结缔组织及肌肉组织等造成损伤时，细胞中的线粒体也会发生结构破坏和功能障碍。在创伤愈合的过程中，炎症期、增殖期和塑形期又是重要的阶段，线粒体损伤在炎症阶段产生过多ROS，以及一些炎症激活体，减慢伤口愈合，又在创伤愈合期促进新生毛细血管的生成，提供细胞生长所需的ATP，愈合后期激发多潜能干细胞促进伤口愈合。因而这三个时期中线粒体的损伤和修复更能影响机体病情的转归。以线粒体作为靶点，了解创伤后线粒体自身的变化和对机体的作用及其机制，从线粒体的角度，为寻找加快创伤愈合速度和提高创伤愈合质量提供新的思路和突破，为临床治疗创伤提供一个新方向。但是不同创伤类型和机体基本情况与线粒体的相互作用必须具体分析[32]，因此，尽管线粒体在创伤愈合的过程中处于核心地位，但如何发挥其在不同情况下潜在的促愈功能成为当下的研究重点。

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[收稿日期]2018-05-28 [修回日期]2018-07-01

编辑/李阳利