线粒体在急性脊髓损伤中的作用研究进展

沈娟，赵琳，郝琴，杨彦玲

(延安大学医学院，陕西 延安 716000)

脊髓损伤(spinal cord injury，SCI)是中枢神经系统的严重创伤，因较高的致残率和病死率，及高额的治疗、护理和康复费用，给患者和社会带来沉重负担，因此一直成为医学领域的热门课题[1-3]，其病因最常见的是交通事故，且伤者多为青壮年。SCI后患者可出现失眠、抑郁等精神障碍也可发生膀胱、胃肠功能紊乱和呼吸、心血管等系统的疾病。但到目前为止，临床上尚无行之有效的方法帮助患者进行神经功能恢复[4]。因此，寻找和开发新的治疗策略成为SCI治疗的首要任务。

1 线粒体与急性SCI的关系

1.1 急性SCI后线粒体的改变

1.1.1线粒体膜电位及形态的改变 急性SCI后可引起线粒体功能障碍。贾志强等[5]研究发现SCI后4 h神经细胞线粒体膜电位开始下降，造成线粒体通透性转运孔(mtPTP)处于失活状态，电子传递和氧化磷酸化功能受阻，使三磷酸腺苷合成减少，ATP酶活性降低导致线粒体内外离子平衡紊乱，Ca2+超载；同时，电镜观察发现SCI后急性期线粒体形态发生改变，在损伤后4～8 h，线粒体的体积和内部结构均产生明显改变，如线粒体水肿，嵴变平或消失。随损伤时间的延长，最终造成线粒体膜破裂、线粒体空泡化等严重损伤，这与国外学者[6]的报道一致。

1.1.2造成线粒体功能障碍 脊髓缺血时氧供应中断，部分线粒体的电子传递链没有足够的氧供应，使ATP分解成次黄嘌呤、ADP和AMP，导致线粒体能量代谢障碍。由于细胞内ATP、磷酸肌酸产生严重减少，使离子泵的功能受限，Na+-K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶和Mg2+-ATP酶的活性显著下降，导致细胞内Na+滞留，Ca2+超载，羟自由基(-OH)和活性氧(ROS)堆积。而ROS能抑制线粒体电子传递链中复合酶的活性，因而呼吸功能显著受到抑制。已有研究证实，SCI后线粒体呼吸控制率(RCR)、线粒体的膜电位(ΔΨm)显著降低，电子传递功能减弱及氧化磷酸化水平降低，ATP酶活性减低，最终线粒体内Ca2+超载，这进一步抑制氧化磷酸化反应[7]。

1.2 线粒体在急性SCI中的作用

1.2.1提供能量代谢 线粒体为真核细胞最大的细胞器，也是唯一能产生能量的细胞器，在急性损伤和创伤中对细胞周围环境变化极为敏感，其主要作用是通过氧化磷酸化生成ATP，为细胞正常生命活动提供能量。如上所述，SCI后急性期线粒体在结构和形态上发生明显改变，能量代谢功能明显受损。

1.2.2参与氧化应激反应 氧化应激是氧自由基及其代谢产物过度积累，损害机体抗氧化防御系统的病理状态。活性氧(ROS)是引发氧化应激的主要因素，包括过氧化氢(H2O2)、超氧阴离子(O2-)，羟自由基(-OH)等。生理情况下，细胞内ROS处于低水平，对细胞没有伤害，当药物刺激、营养缺乏时，细胞内ROS增加。

急性SCI后，线粒体内Ca2+急剧升高，自由基生成明显增多而清除能力下降，导致ROS大量堆积。而过量的ROS损伤蛋白质、脂质、DNA以及刺激产生炎性反应。除此，ROS的快速增加可导致mtPTP开放，使细胞由可逆性损伤转化为不可逆性损伤，进一步加重继发性损害。同时，线粒体能量代谢异常还使自由基等一系列活性氧增加，诱发线粒体氧化损伤[8]，使线粒体内外膜受损，这又会加剧线粒体的功能障碍，如此形成一个恶性损伤循环[9]。

1.2.3介导神经细胞凋亡 目前，真核细胞主要由四种途径诱导凋亡：死亡受体、线粒体、B粒酶和内质网应激。当细胞受到DNA损伤、氧化应激等细胞凋亡刺激因子刺激时，可激活线粒体凋亡途径，诱导细胞凋亡。在内源性线粒体凋亡途径中，线粒体外膜的通透性增强引起细胞色素C向胞质释放，激活白细胞介素-2(Bcl-2)，诱导凋亡发生。大量研究已表明，急性SCI后线粒体损伤导致细胞色素C等凋亡分子的释放是细胞凋亡的关键[10]。而细胞色素C是嵌入在线粒体内膜上的蛋白，在线粒体呼吸链中起传递电子的作用。急性SCI导致线粒体氧化应激，引起多种促凋亡因子的释放，激活caspase-3，最终导致细胞凋亡[11]。

2 线粒体自噬对SCI的保护作用

线粒体自噬是在ROS堆积、营养缺乏和细胞衰老等刺激下，细胞将受损和多余的线粒体特异性包裹进自噬体中，选择性地进行降解和清除的过程。线粒体自噬在红细胞的分化成熟、神经退行性疾病、缺氧中也发挥重要的调控作用。急性SCI后，造成损伤区脊髓组织线粒体不同程度的受损,而增强线粒体自噬作用则可以清除过量的ROS和受损的线粒体。于大堂[12]的研究揭示，急性SCI后线粒体自噬相关蛋白BNIP3、NIX在SCI后表达增高，并且神经元自噬以及线粒体自噬被诱导激活，这与Yu等[13]研究结果一致，说明短时间内增强线粒体自噬对SCI修复具有促进作用。

3 线粒体相关蛋白对神经细胞的保护作用

3.1 线粒体膜蛋白

3.1.1线粒体CB1(mtCB1) 大麻素受体属于G 蛋白偶联受体超家族。以往的研究认为，大麻素CB1受体最主要表达于CB1，主要分布在中枢神经系统的脑和脊髓中的神经元细胞膜上，分布于突触前GABA能中间神经元和谷氨酸能神经元。一项研究发现，小鼠神经元线粒体外膜上同样存在CB1受体，即mtCB1受体，在生理状态下激活后可直接调节线粒体的呼吸作用和能量代谢过程[14]。通过激活mtCB1，外源性和内源性大麻素可降低神经元线粒体环磷酸腺苷的浓度、蛋白激酶A活性及神经元内线粒体复合体V的酶活性和呼吸功能。因此，mtCB1能够直接调节神经系统线粒体功能，表明mtCB1对神经元具有神经保护作用[15]。

3.1.2线粒体融合蛋白-2(Mfn2) Mfn2是一种具有三磷酸鸟苷酶(GT-Pase)活性的动力相关蛋白，广泛分布于线粒体外膜和线粒体-内质网链接网的网膜上。Mfn2主要通过调节线粒体呼吸链复合物亚基的表达和氧化磷酸化过程来影响线粒体能量生产与代谢，下调Mfn2可引起线粒体膜电位下降、氧化磷酸化过程减弱等现象。其次，Mfn2也可通过促进自噬体的形成、活化及成熟来参与线粒体自噬过程的发生，Mfn2表达水平的降低会导致细胞自噬体不能被溶酶体及时降解，诱发线粒体结构破坏，能量合成受阻[16]。也有研究发现，在细胞凋亡中发挥重要作用的可溶性蛋白Bax，通过与线粒体表面的Mfn2选择性相互作用，引起Mfn2构象变化进而促进线粒体融合[17]。大量研究证实，Mfn2除介导线粒体融合外，还参与细胞能量代谢、信号转导、增殖及凋亡等细胞生物学过程。张帆[18]最新研究表明，Mfn2过表达可以抑制谷氨酸受体介导的线粒体损害和神经细胞死亡，揭示Mfn2活化对神经细胞具有保护作用。

3.2 线粒体基质和间隙蛋白

3.2.1沉默信息调节转录因子3(SIRT3) SIRT3是Sirtuins蛋白家族的成员之一，进化过程中高度保守并依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)，具有去乙酰化酶特性，主要定位于线粒体，在能量生成、代谢和抗氧化应激中发挥重要作用。研究表明，SIRT3蛋白也可通过调控线粒体内相关的乙酰化蛋白脱乙酰基水平参与线粒体蛋白的翻译后修饰调节，影响线粒体的能量代谢、底物氧化、炎症趋化和细胞凋亡等活动[19]，其次，SIRT3在线粒体能量生成与代谢[20]、氧化应激反应、细胞凋亡和细胞内信号控制功能方面发挥重要作用[21-22]。除此，SIRT3也是氧化物活性物质(ROS)的抑制剂，能激活许多氧化路径，在氧化应激损伤调节中起重要作用[23-34]。在研究氧化应激调节机制过程中发现，SIRT3能对线粒体内相关的靶蛋白脱乙酰基，通过增加活性氧自由基清除酶活性和稳定线粒体功能来抑制线粒体内ROS的堆积，其高表达有抗氧化应激的作用。一些体内实验也证明，SIRT3通过依赖猛超氧化物歧化酶的机制参与多种病理过程。SIRT3作为一种调节能量平衡的关键性保护性因子，已成为研究氧化损伤和缺血性损伤的重要靶点之一。

3.2.2DJ-1 DJ-1是一种在体内广泛分布、高度保守的多功能蛋白，主要以同源二聚体的形式存在于胞质，此外线粒体、胞核等部位也存在少量分布。DJ-1广泛分布于神经元、神经胶质细胞和外周组织，尤其是脑、睾丸和肝脏。正常情况下，DJ-1主要位于细胞质和膜间隙中[25]，只有很少存在于细胞核与线粒体中。在氧化应激刺激下，DJ-1蛋白会向线粒体转位[26]，以保持线粒体复合物I活性，发挥其抗氧化作用。近年来，大量的研究已经表明，DJ-1是一种多功能蛋白，具有多种生物学功能，如抗氧化应激、调节线粒体功能、调控自噬、基因转录调控、抗凋亡等[27-30]。研究发现，DJ-1蛋白表达异常可引起线粒体形态的变化[31]，在DJ-1基因敲除小鼠细胞中观察到断裂的线粒体，表明DJ-1对线粒体具有调节作用。除此，研究还发现，DJ-1蛋白可作为活性氧清除剂，体外细胞实验证实DJ-1可通过自身氧化清除H2O2，保护线粒体免受损害[30]。另外，也有研究发现在氧化应激刺激下，DJ-1与p53结合的数量增加，发挥抗氧化应激、阻止细胞凋亡途径的激活[32]。

4 小结

由此可见，线粒体不仅是“动力工厂”，而且还在维持细胞内钙稳态、细胞内信号传导、细胞器之间的联系、氧自由基的生成以及介导细胞凋亡中起重要作用。大量研究证实，线粒体参与了脊髓继发性损伤的病理过程，并且在损伤后急性期就有明显变化，这提示我们在损伤未达到级联反应前给予有效的治疗的必要性。线粒体氧化损伤和诱发细胞凋亡是急性SCI的重要致病机制，如何对受损组织线粒体进行干预，减缓其损伤过程成为调控继发性损伤的重要转折点。因此，线粒体已成为治疗急性SCI的一个潜在的新靶点，但仍缺乏安全有效的干预受损线粒体的药物和措施。

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