脓毒症心肌细胞凋亡的线粒体机制研究进展

思 飞 张 玲 李 盼 马 莉

1.兰州大学第二临床医学院，甘肃兰州 730030；2.兰州大学第二医院急诊ICU，甘肃兰州 730030

脓毒症是指由感染导致宿主免疫反应失调的一种可引起器官功能障碍、甚至死亡的系统性疾病[1]。其核心为感染和器官功能障碍，脓毒性休克提示病情危重。一般脓毒症患者的死亡率约为10%，而脓毒性休克患者的病死率则高达甚至超过40%[2]。在美国，每年有70 余万例脓毒症患者，总死亡率接近30%，随着美国人口的老龄化的进程，预计脓毒症的发病率和死亡率也会逐渐上升[3]。脓毒症发生的过程中，某个器官功能衰竭常常会诱发其他器官功能障碍或衰竭，其中心功能不全是脓毒症相关多器官功能衰竭的重要组成部分。全球每年脓毒症患者超过数百万，且超过1/4 的患者死亡[4]。脓毒性心肌病具有多种不同的表现形式，主要包括收缩期或舒张期左心室和/或右心室功能障碍、心输出量不足、供氧不足或原发性心肌细胞损伤。心功能衰竭会导致血流动力学障碍进而加重组织功能障碍、线粒体功能障碍和组织代谢紊乱。关于其发生发展机制的研究非常之多。线粒体的主要功能有为细胞生命活动提供能量，生成活性氧参与细胞内信号转导，调节细胞内Ca2+平衡，介导线粒体凋亡途径等[5-6]。目前，有研究提示在细胞凋亡的过程中线粒体起重要作用，甚至认为起决定性作用[7-8]。近年来认为线粒体在脓毒症性心力衰竭中的作用机制为线粒体通透性转换孔（mPTP）异常开放导致线粒体膜肿胀，通透性增加，膜电位崩溃，随之导致代谢受损、能量生成障碍、活性氧（ROS）生成增加、线粒体释放相关凋亡蛋白等[9-11]。因心肌细胞极大的耗能耗氧量，线粒体在心肌细胞中含量丰富，线粒体功能障碍的程度往往与脓毒症的结局转归密切相关。

1 脓毒症诱导的心功能障碍机制概述

在脓毒性心肌病中，脓毒症引起的炎性反应失调与心功能障碍直接相关。动物实验的原始观察对特定“心肌抑制因子”的研究[12-13]证实细胞因子[包括白细胞介素（IL）-1b、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-6 和p38 丝裂原活化蛋白激酶途径]、补体系统与一氧化氮调节失调、心肌细胞氧化应激、交感神经高张与脓毒性心肌病发生的关系，且在细胞水平上，蛋白质分解增加、线粒体损伤、一氧化氮失调、持续高儿茶酚胺的细胞毒性作用、β-肾上腺素能受体下调以及Ca2+失衡均会在脓毒症期间诱发心功能障碍[14-16]。上述绝大多数机制最终可诱导细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD），PCD 分为内源性和外源性凋亡，自噬、坏死性凋亡等[17-18]。线粒体参与内外源性凋亡途径，而内外源性凋亡途径密切相关，因为死亡受体诱导的外源性途径的凋亡信号相对较弱，需要通过内源性线粒体途径的放大效应来实现[19]。

2 脓毒症心肌细胞凋亡的线粒体机制

2.1 mPTP 的开放与线粒体氧化/亚硝化应激

相关研究显示[20]，线粒体是ROS 产生的主要来源之一，TNF-α 通过结合细胞膜表面的TNF 受体1（TNFR-1），经膜受体介导的信号转导途径激活鞘磷脂酶。鞘磷脂经鞘磷脂酶分解生成神经酰胺和磷酸胆碱，在神经酰胺的作用下mPTP 异常开放。外部或病理原因导致mPTP 异常开放时，细胞中ROS、活性氮（RNS）和丙二醛（MDA）大量产生。此外，神经酰胺还可通过抑制线粒体能量生成，进一步加速ROS 的产生。有研究显示[21]，脓毒症早期线粒体出现氧化/亚硝化应激，大量ROS、RNS 的产生与释放造成线粒体损害。大量ROS、无机磷酸盐、RNS 可能导致mPTP 上结构蛋白构象改变，mPTP 病理性开放，线粒体通透性增加，激活下游途径，导致心肌细胞凋亡[22]。目前，mPTP 开放被认为是细胞损伤后凋亡或坏死的共同通路[23]。所以，ROS 的产生和mPTP 的开放是相互促进的恶性循环。

2.2 线粒体损伤与半胱天冬酶（caspase）家族的激活

TNF-α 介导的细胞凋亡部分是通过死亡结构域（外源性途径）实现的。caspase-8 作为caspase 家族凋亡的启动分子，先进行前体自我激活，再切割、活化下游效应分子caspase-3，随后活化的caspase-3 切割底物，诱导凋亡[24]，故caspase-3 被称作是凋亡的执行者。此外，NF-κB 和c-Jun 氨基端激酶（JNK）等也可通过外源性途径调节凋亡。

在TNF-α 等炎性因子、线粒体氧化应激、DNA 损伤等情况下，线粒体通透性变化，释放细胞色素C（Cyt C），激活caspase 蛋白酶级联反应，这是经典的内源性凋亡途径（线粒体途径）中最关键的步骤之一[25]。研究显示[26]，mPTP 抑制剂环孢菌素A 促进释放凋亡诱导线粒体Cyt C、抑制caspase 家族活化和肝细胞凋亡。Cyt C 属于核基因编码的水溶性蛋白，是细胞凋亡最主要的调节因子，是线粒体呼吸链中复合物Ⅲ和Ⅳ的主要构成部分，可传导和扩大凋亡信号[27]。细胞凋亡不仅抑制线粒体呼吸链氧化磷酸化产能过程，而且可激活由mPTP 调控及Cyt C 控制的线粒体凋亡途。Cyt C 可以在ATP/dATP 存在下与蛋白酶活化因子结合形成多聚体结构，进而激活另一凋亡的启动分子caspase-9，caspase-9 收到信号后便以自剪和接合的方式自我激活。caspase-9 不具备降解细胞功能蛋白的能力，通过caspase 级联反应激活下游无法自我激活的casepase-3；同样，细胞凋亡的外源性途径介导激活启动分子caspase-8，继而激活下游caspase-3；被激活的caspase-3 则作为内外源性凋亡的最后共同通路，执行凋亡，直接破坏受损心肌细胞中许多重要的结构和功能蛋白，进一步将其降解为凋亡小体，诱导心肌细胞凋亡[28]。细胞凋亡初期，caspase-3 还可与线粒体形成正反馈环，相互促进放大凋亡信号，最终导致mPTP 持续不可逆开放。

2.3 Bax/Bcl-2 的表达与细胞凋亡

TNF-α 作为凋亡的启动介质，通过激活线粒体膜上Bax 促凋亡蛋白家族，导致心肌细胞凋亡[29]。Chopra 等[30]发现，在脓毒症发生的后期（第3、7 天），炎性因子、心肌损伤标志物的升高以及心功能障碍的发生与TNFR 相关的死亡结构域有关，同时发现caspase-3 被激活、Bax/Bcl-2 比值升高、Cyt C 释放增加，心肌细胞凋亡指数进行性增加。细胞凋亡过程中，外源性途径主要由TNFR 相关的死亡结构域介导，Bcl-2 家族主要介导内源性途径，而caspase-3 的激活则是心肌细胞内外源性凋亡途径最后的共同通路。这些凋亡相关蛋白在mPTP 的开放中也起重要作用，促凋亡蛋白Bax 作为Bcl-2 家族蛋白的关键成员之一，直接调控mPTP 的开放，Bax 高表达引起mPTP 开放，而抗凋亡蛋白Bcl-2 抑制其开放[31]。Bcl-2 家族对mPTP 开放的调控机制最终导致粒体膜通透性改变。在接收到凋亡信号后，其家族促凋亡蛋白成员经过磷酸化、裂解等一系列蛋白质修饰、加工及相互作用，改变细胞内定位，易位至线粒体外膜后转变为二聚体或多聚体活性分子，与mPTP 相互作用后最终使线粒体膜通透性增大，激发下游Cyt C 释放，诱导细胞凋亡。所以，Bax、Bcl-2 的表达及Bax/Bcl-2 调控mPTP的开放，诱导细胞的程序性死亡。

2.4 mPTP 开放后不依赖Caspase 的细胞凋亡机制

异常开放的mPTP 也会促进线粒体自噬及线粒体膜两侧质子电化学梯度变化。活性氧家族的过量产生可直接损伤线粒体的相关蛋白，抑制线粒体呼吸，mPTP 的异常开放使线粒体中Cl-浓度增加，细胞内Ca2+过载明显，导致线粒体膜电位崩溃，无法维持氧化磷酸化及ATP 产生，导致氧化磷酸化解偶联、能量生成障碍。细胞损伤的时间和mPTP 的开放程度决定了细胞凋亡的模式。mPTP 异常打开后，不依赖caspase的细胞凋亡与线粒体跨膜电位消失、线粒体外膜破裂、呼吸链ATP 合成受阻以及细胞能量耗尽有关。

3 总结与展望

心脏是脓毒症发生发展过程中最易受累的器官，而心功能障碍后血流动力学的紊乱是多脏器功能衰竭的启动环节。脓毒症时心肌细胞线粒体功能障碍是导致心肌细胞凋亡的重要原因，而心肌细胞凋亡势必诱发心功能障碍。线粒体损伤后mPTP 的异常开放，膜电位崩溃、氧化磷酸化解偶联、活性氧家族的产生及凋亡蛋白的释放，各个环节相互影响、相互促进、错综复杂，最终导致心肌细胞凋亡，进而造成脓毒症心功能障碍。因此，对于脓毒症心肌细胞凋亡的线粒体机制，亟待更多、更深入层次的研究，而对于脓毒症心功能障碍的治疗也需要进一步多层次、多靶点的探索。