线粒体在偏头痛发病机制中的研究进展

楚宝,张继杰综述 王贺波审校

世界卫生组织2016年全球疾病负担调查结果表明，偏头痛在人类疾病谱中排第二名[1]。在我国，偏头痛是一种常见的原发性头痛[2]。偏头痛平均患病率为9.3%，女性是男性的3倍[3]。偏头痛发病机制复杂多样，尚不明确。经典的偏头痛发病机制包括血管源学说、神经学说和三叉神经血管学说，当前研究多集中于5-羟色胺、降钙素基因相关肽、一氧化氮、β-内啡肽、内皮素和氧化应激等方面[4-5]。最近研究表明，偏头痛发病机制可能与线粒体有关[6]。线粒体功能众多，基础研究证实，增强线粒体功能可改善大鼠肾功能及肝功能，增加脑保护等[7-8]。本文就线粒体在偏头痛发病机制中的研究进展综述如下。

1 线粒体功能

线粒体功能众多，主要功能是通过有氧氧化产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)。此外，线粒体还是活性氧自由基产生和损伤的主要场所，且与细胞凋亡有关。

1.1 ATP产生 脂肪酸和葡萄糖是2种主要的能源物质，可进入线粒体内氧化供能。葡萄糖经过糖酵解、脂肪酸经过β-氧化后共同生成乙酰辅酶A。乙酰辅酶A进入三羧酸循环氧化产生电子供体，然后被转移至电子传递链(electron-transport chain，ETC)，使得线粒体膜内外产生电化学梯度，即线粒体膜电位。膜电位中储存的能量在酶作用下使得ADP磷酸化成为ATP[9]。

1.2 线粒体源性活性氧信号调控 电子沿着线粒体ETC传递过程中，会形成过氧化物及其他活性氧族，统称为线粒体源性活性氧(mitochondria-derived reactive oxygen species，mROS)。mROS调节细胞膜氧化—还原敏感性的电压门控钾通道[10]。mROS产生过量后会对线粒体造成损伤，引起线粒体DNA氧化损伤和突变，线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial transition pore，MTP)通透性增加，线粒体凋亡加速，从而导致细胞凋亡[11]。mROS产生过多会引起线粒体去极化，进一步激活E3泛素蛋白连接酶，引起线粒体自噬反应，从而清除mROS以防线粒体受损[12]。

1.3 细胞凋亡 细胞凋亡机制复杂，包括外源性激活(非线粒体依赖)和内源性激活(线粒体依赖)途径。内源性激活途径通过凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor，AIF)和细胞色素C(cytochrome C，CytC)引发胱天蛋白酶(caspases)级联反应，最终导致细胞凋亡。目前研究认为，MTP开放会使得促凋亡因子(AIF和CytC)释放到胞浆中引起细胞凋亡[13]。

2 线粒体在偏头痛发病机制中的作用

越来越多的证据表明，线粒体功能障碍在偏头痛的发病机制中发挥着重要作用[14]。偏头痛是多种遗传因素和环境因素共同作用的结果[15]。脑组织细胞需要连续和充足的能量供应，能量产生过程中的任何差错都可能导致神经元功能障碍并降低偏头痛发作阈值。人体的大部分能量供应是通过氧化磷酸化途径或线粒体电子传递链产生的[16]。大脑和肌肉是线粒体疾病中最易受损的组织。生物化学、组织学、遗传学和线粒体甲基化等研究提供了线粒体功能障碍在偏头痛易感性中发挥作用的相关证据[17]。

2.1 生物化学改变 有证据表明偏头痛发作会诱发氧化应激。氧化应激可通过TRPA1通道向脑膜疼痛受体发放信号，从而引起神经源性炎性反应。相关研究指出，偏头痛发作过程中存在多种机制减少活性氧物质产生[18]。这些机制包括血小板活化，血浆蛋白外溢，内皮NO合成，抗氧化酶物质生成，P物质、血清素及降钙素基因相关肽释放。这些机制的启动会促进神经元生长，阻止细胞凋亡，释放神经元生长因子。在偏头痛大鼠模型中，偏头痛发作会促进线粒体分裂，增加线粒体分裂蛋白Drp1，减少线粒体融合蛋白Mfn1，减少神经线粒体DNA的复制数量，调控线粒体生长因子PGC-1的变化[14]。

血小板功能障碍会导致血流动力学改变。例如，血小板功能障碍会造成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADH)-脱氢酶、环氧化酶和柠檬酸合成酶缺陷。有关研究评估伴或不伴先兆偏头痛患者血小板内线粒体酶活性，发现偏头痛患者中存在NADH脱氢酶、柠檬酸合成酶和环氧化酶的损伤[19]。在另一项研究中，先兆偏头痛患者的血小板超氧化物歧化酶(一种线粒体衍生酶)水平较对照组患者低，这表明血小板内线粒体酶易受氧化应激的影响[20]。

神经递质更新和神经细胞膜稳定都是能量密集过程。在能量衰竭期间，酪氨酸转变为脱羧酶过程中，随着去甲肾上腺素减少会产生大量的神经调节物质：酪胺、章胺和脱氧肾上腺素[21]。在偏头痛患者的血小板中可以发现酪胺、章胺和脱氧肾上腺素含量增加[22]，这表明偏头痛的发作是能量消耗的过程。此外，依赖于线粒体的自由基循环也与偏头痛有关。现已证明，偏头痛患者的脑干中存在铁离子蓄积。在每日头痛发作的慢性偏头痛患者脑干中铁离子的蓄积更加明显[23]。

随着神经元能量的减少，细胞最终会失去控制而凋亡。在亚急性坏死性脑脊髓病患者中可以清楚地看到脑干坏死细胞中功能障碍的线粒体。N-乙酰天冬氨酸(N acetyl aspartic acid，NAA)被认为是神经细胞完整性的标志，且已被证明与偏头痛有关。NAA在神经元线粒体中产生，进入血液，通过肾脏代谢排出。有关研究发现，低NAA水平与大脑中的神经元损伤有关[24]。质子磁共振波谱可以测量出大脑的NAA水平及丘脑内NAA-胆碱水平。最近研究显示，运用上述方法可发现，偏头痛患者大脑NAA水平较正常对照组显著降低[25]。此外有报道称，偏头痛患者丘脑内NAA-胆碱水平较健康对照组也有所下降[26]。

磷磁共振波谱(MRS)常用来评估脑能量代谢的完整性，其主要是通过测量细胞内磷酸肌酸、无机磷酸盐和二磷酸腺苷浓度来间接测量。磷酸肌酸的无机磷酸盐通常会在线粒体氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)过程中去除，然后将其转移到二磷酸腺苷中生成三磷酸腺苷。磷MRS会计算出细胞内这些化合物的浓度。此外，还可以监测细胞内pH值，当线粒体呼吸链或ETC功能障碍时，细胞会乳酸酸中毒，此时pH值会降低。在偏头痛患者中，磷酸肌酸—无机磷酸盐比值降低，二磷酸腺苷水平升高，这表明自由能的利用率降低[27]。这些发现与已知线粒体缺陷患者的结果相似[28]。

2.2 组织学改变 线粒体结构异常的疾病主要影响骨骼肌和神经元等非主动分裂组织。偏头痛患者中也发现了线粒体的类似改变。直接观察患者的肌肉组织，最典型的异常是可见破碎的红纤维。破碎的红纤维是肌膜下线粒体功能失调后的蓄积物。在一些先兆偏头痛患者和家族性偏瘫型偏头痛的案例研究中也有报道[29-30]。偏头痛患者肌肉活检的电镜研究显示，偏头痛患者肌纤维内可见许多含有晶格状包涵体的巨大线粒体[17]。其研究还描述了线粒体超微结构变化，线粒体这种结构变化可能是OXPHOS受损导致。此外，偏头痛患者的肌纤维中也发现了肌膜下线粒体的蓄积[31]。

2.3 遗传变异 线粒体DNA绝大多数不经历重组而沿母系谱系遗传。因此可以通过多代来追踪DNA序列中发生的变化。这种明确的遗传模式有助于通过家庭联系研究确定涉及线粒体疾病的因果变异[31]。女性偏头痛的发生率是男性的3倍，这表明偏头痛可能涉及X连锁的遗传形式，或者在某些家族中发生线粒体传播。偏头痛患者的女性优势为调查线粒体基因组提供了强有力的证据。

对于大多数偏头痛患者线粒体基因研究的阴性结果，目前存在以下假说:(1)突变的线粒体DNAs可能在血液样本中不存在，或数量过于微小以至于难以检测出来；(2)偏头痛可能与尚未识别的线粒体DNA突变有关；(3)偏头痛可能是由核基因突变引起的，这可能直接影响线粒体系统的能量产生。核DNA编码因子突变导致转录或者翻译的蛋白变异，进而影响线粒体DNA的表达[17]。

现有研究显示，2种常见的线粒体DNA多态性(16519C-T和3010G-A)与儿童周期性呕吐综合征和偏头痛有关[32]。核DNA中的POLG基因参与编码DNA聚合酶γ催化亚基，而DNA聚合酶γ催化亚基则在线粒体DNA复制和校对过程中发挥重要作用。核DNA中的POLG基因突变(例如，p.T851A，p.N468D，p.Y831C，p.G517V和p.P163S)可通过受损的线粒体DNA复制引起包括偏头痛在内的多种疾病[33]。

2.4 线粒体甲基化 表观遗传学是指影响基因表达部分可遗传的改变。其不是由于DNA序列的改变，而是由于更高的结构修饰导致的基因表达改变。表观遗传学在偏头痛等多种复杂疾病中的作用成为一个新的研究方向[34]。甲基化是表观遗传修饰的主要形式。表观遗传学在临床实践中主要用于癌症的诊断。外周血中的亚硫酸氢盐测序和甲基化DNA免疫沉淀证实线粒体DNA的D环中存在甲基化胞嘧啶。证明线粒体基因组是经过甲基化修饰的。在神经退行性疾病和年龄相关疾病中，健康对照组与疾病组之间的线粒体DNA表观遗传状态存在差异[35]。与健康对照者相比，肌萎缩侧索硬化患者的神经元线粒体中可检测到5-甲基胞嘧啶水平的变化[36]。虽然尚需证实，但有学者认为线粒体DNA甲基化可能在阿尔茨海默病、帕金森病和痴呆中发挥重要作用[35]。可以推测，偏头痛与线粒体甲基化是新的研究方向。

线粒体脑肌病的神经症状与偏头痛患者的症状有所重叠，包括听力障碍、偏头痛样头痛、癫痫发作和卒中样发作[37]，表明偏头痛和某些线粒体脑肌病可以共同存在显著的发病症状。上述发现提供了研究与偏头痛易感性相关的线粒体变异的理论依据。目前发现多种与线粒体功能障碍相关的疾病，如Leigh综合征、伴乳酸酸中毒和卒中样发作的线粒体脑肌病(MELAS)、肌阵挛性癫痫伴肌肉破碎红纤维综合征(MERRF)、Kearns-Sayre综合征、Leber 遗传性视神经病变等。这些疾病中的部分疾病具有与其表型相关的偏头痛[38]。分子遗传学研究了线粒体DNA突变的潜在作用，这些突变与线粒体脑脊髓病密切相关，MELAS中A3243G和T3271C发生突变，MERRF中 G8344A发生突变，Kearns-Sayre综合征可见4977 bp缺失，Leber遗传性视神经病也存在突变[39]。

3 小结与展望

偏头痛发作机制复杂多样，当前研究尚未完全阐明其发病机制。就目前研究而言，充足的能量储备对于降低偏头痛的发作非常重要。实验和临床证据表明，线粒体在偏头痛发病机制中发挥着重要作用。增加线粒体功能的药物如核黄素或托吡酯等[40]，也可以预防偏头痛发作。增强线粒体功能的治疗措施可以降低偏头痛发作的频率和程度。未来可以进一步研究线粒体功能障碍在偏头痛发病机制中的作用。