琥珀酸盐代谢异常在缺血再灌注损伤中的作用

李成龙，彭晓伟，戚思华

(哈尔滨医科大学附属第四医院麻醉科，哈尔滨 150001)

缺血再灌注(ischemia-reperfusion，IR)损伤是指缺血组织器官恢复血流灌注后不仅不能恢复正常功能，反而出现严重功能障碍的病理状态。IR损伤是多种严重疾病的共同病理生理学基础，包括心肌梗死、缺血性脑卒中、肺栓塞等，也是器官移植、心胸外科、血管和普通外科手术中的主要挑战之一[1]。由IR损伤所致的器官功能障碍往往导致患者预后不良，给全球的医疗保健系统带来沉重负担[2-3]。IR损伤的确切机制目前尚不明确，可能包括线粒体产生活性氧类(reactive oxygen species，ROS)引发氧化损伤、IR导致无菌性炎症反应、钙超载引起细胞凋亡以及微血管功能障碍等[4-7]。因此，可显著改善患者预后的治疗手段或药物十分有限[8]。琥珀酸盐是三羧酸循环的中间产物，在代谢过程中占据关键位置，是三羧酸循环与线粒体呼吸链之间的唯一直接联系[9]。人体血浆琥珀酸盐的平均浓度为1～20 mmol/L，在缺血缺氧状态下其浓度显著升高，而其他三羧酸循环中间产物的浓度则降低[10-11]，琥珀酸盐是缺血的通用代谢标志物和信号分子。琥珀酸盐可蓄积在线粒体内，也可被交换到细胞质或排出细胞外，分别通过不同途径介导IR损伤的病理过程。琥珀酸盐代谢异常介导的ROS生成及相关炎症反应是器官IR损伤的新机制。现就琥珀酸盐代谢异常在IR损伤中的作用予以综述。

1 缺血期琥珀酸盐异常蓄积

在哺乳动物组织中，琥珀酸盐来自三羧酸循环对葡萄糖等能源物质的氧化过程，琥珀酸盐进一步被琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase，SDH)氧化为富马酸，进行后续的产能反应。但在组织器官缺血期，细胞无氧代谢增强，高比例的还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/氧化态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸通过苹果酸-天冬氨酸穿梭途径驱动苹果酸盐生成增加，进一步转化为富马酸；同时，无氧代谢期间嘌呤核苷酸循环的腺苷单磷酸依赖性激活同样导致富马酸的生成增加[12-13]。增加的富马酸被SDH的反向作用还原为琥珀酸盐，随着线粒体中鸟苷三磷酸和辅酶A的消耗，琥珀酸盐向琥珀酰辅酶A的转化受到抑制，从而造成琥珀酸盐的异常蓄积[14]。此外，缺血期经典的三羧酸循环还可能通过将谷氨酰胺分解为α-酮戊二酸，促进琥珀酸盐的积累[15]。

研究表明，在心肌、肝脏、肾脏、脑等器官缺血期间，组织内的琥珀酸盐浓度均显著升高[16]。Kohlhauer等[17]对急性ST段抬高型心肌梗死患者的静脉血进行代谢组学分析发现，患者心肌琥珀酸盐释放水平与心肌细胞急性缺血性损伤的程度相关，琥珀酸盐可作为心肌IR损伤的早期标志物和潜在的治疗靶点。保持心肌从缺血期至再灌注期处于亚低温状态(32～34 ℃)，可显著降低琥珀酸盐积累的程度，减轻再灌注时小鼠的心肌损伤[18]。肝脏IR损伤通常发生在肝移植、部分肝切除和肝脏创伤期间[19]。在缺血状态下，琥珀酸盐在大鼠离体灌流肝脏中的浓度急剧上升，可超过基础值的10～14倍[20]。Park等[21]通过持续4周每天给小鼠腹膜内注射100 mg/kg琥珀酸盐，发现琥珀酸盐可诱导静息状态下肝星状细胞(hepatic stellate cell，HSC)的活化、增殖和迁移，并减少HSC的凋亡，推测抑制琥珀酸盐积累可能是控制HSC活化的有效方法。HSC是参与肝脏IR损伤的主要细胞，HSC活化产生大量细胞外基质成分修复受损的肝细胞是IR后肝纤维化形成的核心机制[22-23]。缺血诱导的琥珀酸盐积累同样在神经元损伤中起关键作用。Wu等[24]研究发现，由于SDH激活的逆转，缺血期氧-葡萄糖剥夺诱导神经元内琥珀酸盐积累，蓄积的琥珀酸盐通过诱导线粒体分裂和线粒体己糖激酶Ⅱ受损，破坏线粒体功能；小鼠口服山柰酚可缩小脑缺血后的梗死面积，山柰酚可通过激活蛋白激酶B抑制线粒体分裂，维持己糖激酶Ⅱ的正常功能并增强自噬，从而保护神经元免受琥珀酸盐介导的神经元缺血性损伤。肾脏血流丰富，也是易受IR损伤的器官之一，琥珀酸盐浓度在肾脏缺血期显著升高[25]。由此可见，琥珀酸盐是组织器官缺血期间的终末代谢产物，可作为缺血的代谢标志物。抑制缺血期琥珀酸的异常蓄积，可能是减轻IR损伤的有效手段。

2 再灌注期琥珀酸盐促进ROS生成

线粒体产生大量ROS是IR损伤的关键早期驱动因素，而琥珀酸盐代谢异常则是IR期间促进线粒体产生ROS的重要环节。再灌注过程中，由于细胞重新获得氧供，线粒体内的琥珀酸盐被SDH迅速氧化，导致辅酶Q显著减少，而线粒体膜电位显著升高，这些条件驱使电子通过线粒体呼吸链复合体Ⅰ反向传递，导致泄露的电子与氧结合产生大量ROS[16,26]。增加的ROS可诱导线粒体膜通透孔开放，引起线粒体膜电位完全崩溃和细胞色素C释放，导致细胞凋亡级联信号的激活，从而引起细胞死亡[27-28]。ROS引起的线粒体破坏还可释放损伤相关模式分子，引发无菌性炎症反应，导致IR损伤[29]。此外，过量的ROS还可通过脂质过氧化、DNA的氧化和基质金属蛋白酶的活化直接诱导组织氧化性损伤[30]。在再灌注过程中使用丙二酸二甲酯抑制SDH活性、减慢琥珀酸盐的氧化速度，可减少ROS的产生，从而减轻组织器官的氧化性损伤[16]，这可能是治疗IR损伤的新方法。

在小鼠心肌缺血模型中发现，缺血期心肌细胞无氧代谢增强，琥珀酸盐大量蓄积，再灌注期通过SDH的氧化作用驱动产生大量ROS，引起心肌IR损伤[16,26]。抑制再灌注过程中琥珀酸盐的快速氧化是减少ROS产生、减轻心肌氧化损伤的有效途径[31-32]。外源性给予烟酰胺腺嘌呤二核苷酸可通过促进沉默调节蛋白5途径介导的SDH-a脱琥珀酰化以及降低SDH-a活性，减少缺血期琥珀酸盐的积累和ROS的生成，从而减轻离体大鼠心脏IR诱导的氧化损伤[33]。大量研究表明，再灌注后琥珀酸盐蓄积所引起的线粒体ROS爆发生成是肝脏IR损伤的关键机制，ROS诱导的线粒体氧化损伤可破坏ATP产生，导致肝细胞坏死[34-35]。一项体外研究发现，使用SDH竞争性抑制剂丙二酸二甲酯能够促进心搏骤停后大鼠的神经功能恢复，减轻脑损伤程度，主要机制为抑制线粒体膜电位的过度极化，减少线粒体ROS的产生，从而减少神经元凋亡[36]。另有研究发现，丙泊酚可通过抑制SDH活性显著抑制再灌注期琥珀酸盐的氧化，减少ROS的爆发生成，从而减轻神经元氧化应激损伤[37]。在肾脏内，琥珀酸盐在小鼠肾脏缺血过程中逐渐积累，并通过线粒体复合体Ⅰ驱动再灌注相关ROS生成引起IR损伤[16]。但在肾移植的情况下，移植物获取期间不会发生琥珀酸盐的蓄积及其驱动的ROS形成[25]。因此，通过抑制SDH的活性，减少琥珀酸盐氧化驱动的ROS生成，可能是治疗组织器官IR损伤的新策略。

3 再灌注期琥珀酸盐引发炎症反应

炎症反应是组织器官IR损伤发病机制中的重要组成部分，琥珀酸盐作为一种促炎信号分子参与炎症反应的病理过程。缺血组织器官再灌注期间，琥珀酸盐可通过稳定缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)和激活琥珀酸受体1(succinate receptor 1，SUCNR1)两种途径促进炎症因子产生，加剧组织无菌性炎症损伤。

3.1琥珀酸盐稳定HIF-1α 促炎型巨噬细胞是IR损伤过程中促炎因子的主要来源[38]。缺血期由于组织器官内细胞氧糖供应中断，巨噬细胞能量代谢由氧化磷酸化向糖酵解转变，这是巨噬细胞向促炎表型转化的重要标志[39]。HIF-1α是细胞向糖酵解转变的重要转录调节因子，已被证明是琥珀酸盐的重要靶标，且HIF-1α受脯氨酰羟化酶的严格调控[40]。再灌注期间，异常蓄积的大量琥珀酸盐从线粒体交换到细胞质中，琥珀酸盐通过直接抑制巨噬细胞胞质中的脯氨酰羟化酶的活性，提高HIF-1α的稳定性[41]。另一方面，琥珀酸盐通过SDH的氧化作用促进大量ROS产生，ROS通过将脯氨酰羟化酶的重要辅助因子二价铁离子氧化为三价铁离子而抑制脯氨酰羟化酶活性，从而间接稳定HIF-1α的活性[39,42]。在降解被抑制的情况下，HIF-1α可以被转运到细胞核并促进许多促炎基因的转录，从而驱动促炎因子(如白细胞介素-1β)的产生，并抑制抗炎因子(白细胞介素-10等)的生成[14,31]，导致组织器官出现无菌性炎症反应。琥珀酸盐通过上述途径增强HIF-1α的稳定性，是组织器官IR后炎症性损伤的重要环节。

心肌在缺氧状态下，细胞内蓄积的琥珀酸盐可通过上调丙酮酸脱氢酶激酶4水平诱导HIF-1α表达和丙酮酸脱氢酶活性受损，从而导致线粒体能量代谢效率降低，致促炎因子产生增加[43]。在肝脏IR损伤模型中发现，转录激活因子3的缺失可通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白/HIF-1α途径加剧肝脏炎症性损伤[44]，而琥珀酸盐代谢异常可能是其中的重要环节之一。另外，姜黄素可对抗脂肪酸氧化，减少琥珀酸盐积累，同时通过阻断琥珀酸盐/HIF-1α信号转导途径，阻止HSC活化，减轻IR后肝脏的炎症反应[45]。在缺血缺氧时，大脑通过其特有的γ-氨基丁酸分流途径产生大量琥珀酸盐，而琥珀酸盐通过稳定HIF-1α的活性引起中枢神经系统炎症反应[46]。下调HIF-1α/T细胞免疫球蛋白黏蛋白-3炎症途径可促进局灶性IR损伤大鼠海马Caveolin-1的表达，从而发挥神经保护作用[47]。然而，在肾脏的研究中发现，缺血期异常蓄积的琥珀酸盐可通过抑制脯氨酰羟化酶2的活性激活HIF-1α信号转导，从而抑制肾脏缺血性炎症反应[25,48]。因此，抑制琥珀酸盐对HIF-1α的稳定作用能够减轻IR后的炎症反应，但目前在不同器官中的研究结果仍存在分歧，还需进一步研究。

3.2琥珀酸盐激活SUCNR1 SUCNR1是一种G蛋白偶联受体，目前已在心肌、肝脏、肾脏、脑、肠道和脾脏等器官中发现SUCNR1的存在[49-50]。缺血期异常蓄积的琥珀酸盐可输出到胞外进入血液循环，并通过与SUCNR1特异性结合诱导促炎信号通路激活。研究表明，琥珀酸盐与SUCNR1结合后触发细胞内三磷酸肌醇积累、钙动员以及胞外信号调节激酶1/2磷酸化，从而促进巨噬细胞迁移和促炎细胞因子的产生[51-52]。同时，SUCNR1被激活后通过蛋白激酶A途径磷酸化激活核因子κB的p65亚基和环腺苷酸反应元件结合蛋白，导致下游一系列炎症因子的释放[40]。SUCNR1激活后还可与Toll样受体信号转导通路协同作用，提高促炎因子肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1β的表达水平[53]。此外，SUCNR1的激活增加了树突状细胞的抗原呈递能力，从而诱导了适应性免疫反应，进一步加剧了炎症进程；在体研究结果也支持SUCNR1在介导琥珀酸盐依赖性炎症反应中的作用，与野生型小鼠相比，SUCNR1缺陷型小鼠的皮肤同种异体移植物具有更长的存活时间，这可能由于SUCNR1缺陷小鼠的树突状细胞迁移、炎症介质产生减少以及随后的适应性免疫反应受损[51]。

尽管多个器官均发现SUCNR1的存在，但与其他器官相比SUCNR1在肾脏中的表达最多，在肾皮质的各种肾单位段和肾小球旁器中均检测到SUCNR1的存在[49,54]。当肾脏发生缺血时，异常蓄积的琥珀酸盐可通过激活肾小球旁器内的SUCNR1引起肾素的释放增加，导致肾素-血管紧张素系统的过度激活和肾脏的炎症性损伤[54]。另有研究发现，肝脏中琥珀酸盐特异性受体SUCNR1表达于HSC，当HSC活化时，SUCNR1的表达水平迅速降低，表明SUCNR1可作为肝脏应激或损伤的早期感受器[20,55]。用琥珀酸盐处理后的HSC产生大量的Ⅰ型胶原蛋白和α-平滑肌肌动蛋白，表明琥珀酸盐-SUCNR1信号通路可通过活化HSC发挥IR后肝脏组织修复或促进纤维化形成的作用[56]。在大脑中，SUCNR1主要表达于神经元和星形胶质细胞[57]，两者均是脑IR损伤过程中的主要细胞。然而，对视网膜神经节细胞和大鼠脑星形胶质细胞系的研究发现，SUCNR1可通过前列腺素E2和前列腺素E受体4的相互作用上调血管内皮生长因子；在体研究表明，IR后脑组织内高水平的琥珀酸盐通过激活SUCNR1诱导血管内皮生长因子的表达来增强脑血管生成和脑功能恢复[58]，这与以往SUCNR1激活后的效应相反。因此，再灌注过程中琥珀酸盐和SUCNR1信号转导在适应性免疫和炎症反应中具有重要作用。

4 小 结

琥珀酸盐作为器官IR损伤过程中的关键代谢信号，可能为IR损伤的诊断和治疗提供新思路。此外，琥珀酸盐在炎症疾病及肿瘤的发生、发展中同样具有重要作用。近年研究发现，除琥珀酸盐外，线粒体代谢产物富马酸、衣康酸可能成为缺血性疾病、免疫和炎症反应的重要信号[9,59]。然而，这一新兴领域的发展目前还存在许多限制，如对这些代谢产物在体内的作用不完全了解、与疾病的关系研究仍不深入等。如果线粒体代谢产物可作为线粒体和细胞间对话的重要信号分子，将帮助研究者们更好地了解细胞如何应对外部有害刺激，从而为多种临床疾病的诊断与治疗提供新策略。