线粒体因子——心血管疾病治疗的潜在新靶点*

端家豪， 杨 春， 杨 玲△

1苏州大学附属第三医院心血管内科，常州 2130032南京医科大学附属第一医院麻醉及围术期医学科，南京 210029

线粒体功能障碍是心血管疾病重要的病理机制之一[1]。线粒体因子(mitokines)为细胞应激时由细胞核或线粒体以细胞非自主效应产生或激活的一类细胞因子、肽类或信号通路。除作为线粒体与细胞核信息交流的信号分子外，线粒体因子还可释放至远端组织，发挥系统性调节作用。本文概述了线粒体功能对心脏功能维持的重要性，总结了线粒体因子在心血管疾病(cardiovascular diseases，CVDs)中发挥的关键调节作用，并探讨了线粒体因子作为新的CVDs诊治靶点的可能与挑战。

1 线粒体与心脏功能

线粒体约占心肌细胞体积的25%～30%，广泛分布于肌膜下、核周及膜内[2]。哺乳动物的线粒体编码37个基因，其中13个编码氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)的蛋白多肽亚单位。线粒体通过OXPHOS满足了95%以上心肌对于三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的需求[3]。此外，线粒体亦能广泛地参与心肌细胞各种生理活动，如炎症反应、细胞凋亡、代谢调节等[4]。值得注意的是，线粒体结构并非一成不变，而是处于一种动态平衡中。线粒体通过融合、裂变及自噬等方式进行线粒体质量调控，维持自身功能相对稳定[5]。线粒体稳态的维持对于心脏功能具有重要意义。

2 线粒体功能障碍与CVDs

线粒体脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)表达异常与心肌病、心律失常或心功能不全密切相关[6]，心肌缺血-再灌注损伤等心血管事件可诱导氧化应激(oxidative stress，OS)，释放过多的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，从而引起线粒体及细胞损伤[7]。此外，衰老的线粒体维持自身稳态的能力下降，引起线粒体稳态失衡或线粒体自噬障碍，从而诱发CVDs[8]。

2.1 线粒体DNA异常

线粒体DNA由于缺乏组蛋白保护且修复机制不完善，更易受到ROS等自由基损伤，因此线粒体DNA较核DNA更易发生缺失或突变。线粒体DNA突变所致的线粒体能量代谢障碍是线粒体心肌病的重要病理生理机制之一[9]。研究显示，线粒体DNA突变与肥厚型心肌病、扩张型心肌病及糖尿病心肌病高度相关[10]。此外，线粒体DNA相关心肌病常伴有心律失常，易进展为心力衰竭(heart failure，HF)[11]。目前线粒体心肌病的治疗主要针对线粒体DNA及细胞核编码的蛋白，包括替换卵母细胞中有缺陷的线粒体DNA、补充含有外源性线粒体的组织、基因治疗以纠正或降解有缺陷的线粒体DNA等[12]。

2.2 线粒体功能不全

2.2.1 线粒体能量代谢障碍 心肌的收缩和舒张是一个主动耗能的过程，ATP是心肌唯一可利用的能量形式。生理条件下，心肌细胞95%的ATP来源于线粒体的有氧氧化，5%来源于糖酵解等途径[13]。病理状态下，线粒体以代谢重塑响应心肌的缺血缺氧状态[14]。线粒体产能从以脂肪酸为主的OXPHOS向以糖酵解为主的模式转化，主要表现为ATP的生成减少和ROS的生成增加。较少的ATP无法供应心肌正常舒缩所需，而过多的ROS蓄积又会破坏线粒体结构，大大降低了线粒体氧化呼吸链的功能，由此形成恶性循环。研究显示，晚期HF患者存在严重的心肌ATP含量不足[2]。同时，动物实验表明改善衰竭心肌的能量代谢可恢复部分心肌功能[15]。此外，经临床试验证明，抗心绞痛药物曲美他嗪有改善心肌糖脂比例的作用，从而达到补充ATP、改善HF预后的效果。

2.2.2 线粒体钙离子稳态失衡 心肌收缩依赖于胞外钙离子内流触发的钙诱导钙释放效应(calcium-induced calcium release，CICR)，而线粒体在调节胞内外钙离子动态平衡方面发挥着重要作用。胞内外钙离子浓度的动态变化不仅影响着骨骼肌、心肌的收缩过程，还可作为第二信使调节突触中神经递质的释放以及内分泌细胞中激素的释放。Luongo等[16]证实了线粒体钠钙交换体(Na+/Ca2+exchanger，NCLX)能影响心脏的正常功能，缺失NCLX可诱导死亡。此外，检查死亡小鼠的心肌细胞发现线粒体肿胀、功能障碍，并且线粒体膜通透性转化孔(mitochondrial permeability transition pore，mTPT)被激活，该指标曾被证实是钙离子超载导致细胞死亡的指标。以上研究表明，针对线粒体钙离子通道的治疗可能具有缓解心脏功能不可逆性进展的潜在方向。

2.2.3 线粒体自噬异常 线粒体自噬(mitophagy)的概念首次由Lemasters等[17]提出，指细胞选择性清除受损、衰老的线粒体，从而发挥线粒体质量控制(mitochondrial quality control，MQC)作用并维持细胞内环境稳定的一种高度选择性的自噬。磷酸酶及张力蛋白同源物诱导的蛋白激酶1(PTEN-induced putative protein kinase1，PINK1)/Parkin为线粒体自噬最主要的调控机制。线粒体受损后，PINK1在线粒体外膜上聚集，激活Parkin，并将其募集到受损的线粒体上，促进线粒体的降解[18]。研究显示，线粒体自噬与高血压、冠状动脉粥样硬化、病毒性心肌炎及HF等CVDs均高度相关。例如，Dorn等[19]发现PINK1可使位于线粒体表面的线粒体融合蛋白(Mitofusin2，Mfn2)磷酸化，与周围的Parkin分子结合并诱导线粒体凋亡，从而导致HF的发生。

2.3 OS

传统认为OS引起的ROS异常释放是细胞衰老和凋亡的主要原因[20]。然而，近来研究表明线粒体衰老理论似乎被高估了[21]，衰老与线粒体过表达ROS并没有必然的联系[22]。有趣的是，适量的ROS被证明有一定的心脏保护作用[23]。如心脏缺血预处理(ischemic preconditioning，IPC)过程中ROS介导的心脏保护作用[24]，其机制可能是通过线粒体调控的前自噬旁路和线粒体兴奋作用(mitohormesis)来实现[25]。尽管如此，过量的ROS在缺血再灌注损伤中仍然可能是有害的[26]。长期暴露于ROS可诱导心肌细胞凋亡、坏死和纤维化，从而促进心肌肥厚[27]。总之，ROS对心脏的影响仍值得进一步讨论。

3 线粒体因子与CVDs

3.1 线粒体因子的定义及来源

线粒体因子为细胞应激时由细胞核或线粒体以细胞非自主效应产生或激活的一类细胞因子、肽类或信号通路。除作为线粒体与细胞核信息交流的信号分子外，mitokines还可释放至远端组织，发挥系统性调节作用。其中，成纤维细胞因子21(fibroblast growth factor 21，FGF21)、生长分化因子15(growth differentiation factor 15，GDF15)、Adropin和鸢尾素(Irisin)由细胞核编码释放，调节细胞和组织代谢[28]；而线粒体衍生肽(mitochondria-derived peptides，MDPs)和线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response，UPRmt)则由线粒体基因组编码，以逆行信号上调分子伴侣、蛋白酶及抗氧化基因表达并增加线粒体生物发生[29]。

3.2 细胞核源性的线粒体因子

3.2.1 FGF21 FGF21作为成纤维细胞生长因子家族(fibroblast growth factors，FGFs)新成员，由Nishimura等[30]首次从鼠胚胎中分离获得。近来，心脏和微血管中也发现有FGF21分布。胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)被认为有促动脉粥样斑块形成、升高血压等作用。而FGF21可增加体内能量代谢，降低血浆三酰甘油和低密度脂蛋白水平。此外，FGF21还有类胰岛素作用，可增加脂肪细胞摄取葡萄糖、降低血糖水平并抑制胰高血糖素分泌[31]。研究显示，动脉粥样硬化患者或动脉粥样硬化的高危人群中循环FGF21水平升高[32]，且应用外源性FGF21可显著改善小鼠的脂质代谢紊乱，并减少动脉粥样硬化斑块面积[33]。而缺乏FGF21的小鼠更容易发生高胆固醇血症和动脉粥样硬化[34]。值得注意的是，有研究提示循环FGF21升高与高血压独立相关，且肥胖女性血清中FGF21浓度升高与血管僵硬度增加及血压升高相关[35-36]。究其机制，FGF21可能通过激活相关信号蛋白，参与中枢血压调节[37]。在心肌肥厚条件下，线粒体解偶联蛋白3(uncoupling protein 3，UCP3)通过激活FGF21发挥心脏抗OS作用[38]；此外，FGF21在去乙酰化酶1(SIRT1)过表达的基础上，通过胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)旁路激活超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD2)，抑制ROS的生成[39]。上述表明FGF21可作为CVDs血清检测指标之一，且外源性FGF21有起到CVDs治疗作用的潜力。

3.2.2 GDF15 GDF15首次被鉴定为巨噬细胞抑制因子1(macrophage inhibitory cytokine 1，MIC-1)，属转化生长因子(transforming growth factor，TGF)-β超家族，以大约40 kD前肽形式存在[40]。目前GDF15的功能仍未完全阐明，可能在调节炎症通路中发挥作用，并参与调节细胞凋亡、细胞修复和细胞生长[41]。与FGF21相似，GDF15也被认为是线粒体呼吸链缺陷的标志物[42]。激活的GDF15与胶质细胞源性神经营养因子(glial cell-derived neurotrophic factor，GDNF)家族受体α样(α-like)(GFRAL)受体结合[43]，通过影响线粒体的生物发生、热量生成和脂肪酸代谢来调节食欲和能量代谢。Lok等[44]首次报道GDF-15可作为预后指标来衡量对左心室辅助装置(left ventricular assist device，LVAD)植入等治疗干预措施的反应；另有临床研究表明GDF15和N末端B型利尿钠肽(N-terminal prohormone of brain natriuretic peptide，NT-proBNP)均为慢性射血分数降低的心衰(HFrEF)患者的核心生物标志物[45]。然而，GDF15的表达与多种病理状态有关，推测GDF15可能作为一种普遍的应激因子发挥作用[46]。

3.3 线粒体源性的线粒体因子

3.3.1 UPRmtUPRmt最早在秀丽隐杆线虫中被证实为线粒体蛋白稳态和质量控制的关键调节通路。正常生理条件下，细胞核编码的蛋白由核糖体转运到线粒体，在线粒体内被正确折叠和组装[47]。线粒体应激时，细胞内较低的ATP水平或跨膜电位将减缓前体蛋白质进入线粒体的速度，导致大量错误折叠的蛋白质或蛋白前体在胞质内大量积聚[48]。此时线粒体相应的蛋白酶体激活，并启动UPRmt，上调分子伴侣、蛋白酶和抗氧化基因的表达，恢复线粒体功能[29]。在增殖细胞中，持续的UPRmt可在促进糖酵解的同时维持线粒体功能的稳定[49]。而在有丝分裂或分裂后的细胞，如肌细胞中，UPRmt抑制三羧酸循环和OXPHOS相关基因的表达，减轻代谢负荷和次级产物ROS对细胞的损伤，同时增加糖酵解和氨基酸分解基因的表达以满足细胞对ATP的需求[50]。值得注意的是，Smyrnias等[51]通过体外心肌细胞实验、小鼠心脏超负荷模型及对主动脉狭窄患者的血浆标志物分析得出结论，药理性增强心肌UPRmt可以改善小鼠超负荷心脏的线粒体和收缩功能障碍。他们还证实了UPRmt的激活与主动脉狭窄患者血浆中较低的超敏肌钙蛋白T(hs-cTnT)和NT-pro BNP相关[52]。此外，研究证实胆碱可通过调节UPRmt来改善心肌肥厚[53]。然而，过度延长或缺乏调节的UPRmt可能是有害的，比如有助于有缺陷的线粒体的积累和神经退行性表型的形成[54]。

3.3.2 MDPs MDPs即为一类由线粒体DNA编码基因表达的肽，主要包括humanin(HN)、12S rRNA-c线粒体开放阅读框架(mitochondrial open reading frame of the 12S rRNA-c，MOTS-c)和小humanin-样肽(small humanin-like peptides，SHLPs)[55]。humanin是Hashimoto等[56]首次发现的一种阿尔兹海默症的特异性神经元保护肽。近来研究表明humanin在心脏应激中也发挥着重要的保护作用。在缺血再灌注模型中，humanin通过促进线粒体发生和内皮细胞一氧化氮合酶(endothelial NO synthase，eNOS)的表达发挥抗OS效应，保护左室功能[57]。此外，[Gly14]-humanin(HNG)可减少巨噬细胞衍生的泡沫细胞对氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein，ox-LDL)的摄取并增加胆固醇流出，从而发挥对早期动脉粥样硬化患者的保护作用[58]。SHLPs也是一类编码于线粒体16S rRNA区域的多肽，目前已经鉴定出6个肽段(SHLP1～6)[59]。SHLP2在抗凋亡、胰岛素增敏和维持葡萄糖稳态方面表现出与humanin相似的作用[59]。MOTS-c由线粒体12S rRNA编码，受代谢应激转移至细胞核，调节适应性核基因表达[60]。MOTS-c可通过抑制丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)活性，减少下游信号活化NF-κB诱导的炎症因子表达，保护血管内皮功能[61]。因此，较低的内源性MOTS-c水平被认为与冠状动脉内皮功能受损有关[62]。

4 线粒体因子治疗CVDs的可能与挑战

一直以来，如何无创性评估患者线粒体功能一直是未解决的难题。临床迫切需要特异性高、短期内敏感的、具有临床意义的生物标志物。FGF21[63]和GDF15[42]已经在小鼠模型和患者群体中得以验证，可作为线粒体疾病的生物标志物。然而，这些方法的一个普遍问题是难以推断组织损伤的位置。值得注意的是，相比于执着于区别线粒体因子的来源，关注线粒体因子对心脏的保护作用似乎更具意义。其他组织分泌的线粒体因子通过改善线粒体功能，调节糖脂代谢降低CVDs危险因素[64]；而受损心肌或内皮细胞亦可分泌线粒体因子进入体循环，影响细胞表面受体调节脂质代谢，减轻OS或炎症损伤，从而改善动脉粥样硬化，保护缺血心肌和减少缺血再灌注损伤[65]。以上机制体现了线粒体对于心脏功能的系统性调节作用。

5 展望

线粒体功能障碍与CVDs之间的相互作用一直受到关注。如何无创性检测线粒体功能，实现靶向给药并降低药物毒性为研究难点。线粒体因子的研究进展代表了线粒体治疗的新前景。破译这些过程的细节，并进一步识别相关的基因和肽类，在CVDs的诊断和治疗方面具有巨大潜力。当然，我们只探讨了线粒体因子作为CVDs诊治靶点可能性的一部分。例如，FGF21的分泌受昼夜节律和营养因素的影响，这可能降低其作为心肌功能障碍生物标志物的特异性。然而，考虑到现有线粒体因子的研究进展，我们仍鼓励临床医生在现有的、适当的患者群体中探索这种可能性。总之，我们希望以线粒体因子为靶点建立一类有效的生物标志物及预测算法，在临床症状出来前筛查患者CVDs的高危因素，以协助后续的治疗。