线粒体自噬在脓毒症中的研究进展

张欣桐 刘景卓 李 盼 马德胜 马 莉

1.兰州大学第二临床医学院，甘肃兰州 730030；2.兰州大学第二医院重症医学科三病区，甘肃兰州 730030

脓毒症是机体对感染的炎症反应失调而导致的危及生命的器官功能障碍，常由创伤、手术、重症胰腺炎等病因引起[1]。世界卫生组织报告：每年全球至少3000万人罹患脓毒症，死亡率高达20%[2]，脓毒症时细胞线粒体膜电位下降、促炎性细胞因子和活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量释放，电镜下可见线粒体发生肿胀、畸形甚至功能障碍，并引起线粒体DNA受损，最终导致器官发生急性损伤甚至衰竭，进而加速脓毒症病情进展[3]。近年来大量研究证实，线粒体自噬在脓毒症的病程中起重要作用，并通过多种途径参与脓毒症的治疗[4-6]。本文就线粒体自噬在脓毒症中的作用机制和治疗作一综述，以期提高对线粒体自噬的认识，为脓毒症的治疗提供新方法。

1 线粒体自噬的概述

自噬是一个依赖溶酶体进行降解实现自我保护的细胞代谢过程，包括微自噬、伴侣介导自噬和巨自噬[7]。目前研究最为广泛的是巨自噬，即普遍意义的自噬。自噬的标志性蛋白包括p62、微管相关蛋白1轻链3B-Ⅱ（light chain 3B-Ⅱ，LC3B-Ⅱ）等，其含量可反映是否存在自噬以及自噬的程度高低。自噬可通过特定自噬小体选择性地清除功能失调的亚细胞结构，同时不影响正常运行的细胞器，从而维持细胞稳态，该过程被称为选择性自噬，内质网、线粒体、高尔基体等多种亚细胞结构均可发生选择性自噬[8]。

线粒体，是细胞内发生氧化磷酸化、产生ATP的主要场所，提供细胞生命活动所需的95%的能量。当氧化应激、缺氧等因素造成线粒体损伤和破坏时，ATP生成减少，同时释放大量ROS和凋亡因子触发细胞坏死和凋亡过程[9]。2005年，Lemestars第一次提出“线粒体自噬”的概念[10]，即线粒体在ROS、缺乏营养、炎症因子等刺激下可发生去极化和损伤，这些受损、老化和发生功能障碍的线粒体可被特定的自噬小体识别后选择性地运输到溶酶体完成降解[11]。该过程不仅是细胞对抗线粒体应激或损伤的一种机制，而且有助于线粒体生长发育和代谢过程的持续更新，因此也被称为“程序性线粒体自噬”[12]，在控制线粒体质量和维持线粒体动态平衡中起着至关重要的作用。

2 线粒体自噬与脓毒症的作用机制

既往研究证实，线粒体自噬过程与炎症反应密切相关，该过程可抑制白细胞介素-1β、NLRP3炎症小体等炎症因子产生，减轻ROS对细胞的破坏，有效避免各种刺激引起的不必要的细胞损伤，减少细胞死亡和器官损伤[13-14]。而脓毒症时机体炎症因子大量释放，氧化应激反应增强，全身重要器官心、肺、肝等均可发生急性损伤，由此推测脓毒症时可诱发线粒体自噬过程，清除受损的线粒体，在一定程度上抑制过度的炎症反应，有利于感染局限化、减轻器官损伤程度。为了验证这一假设，Dai等[15]在电镜下发现脓毒症急性肾损伤时，肾小管上皮细胞中线粒体发生明显肿胀和畸形，可见多个自噬小体，溶酶体与线粒体自噬体融合，完成线粒体自噬过程。该研究证实脓毒症时线粒体自噬过程有利于清除功能障碍的线粒体，避免细胞过度损伤。事实上，线粒体自噬主要通过Parkin依赖性途径和Parkin非依赖性途径在脓毒症中发挥作用，分述如下：

2.1 Parkin依赖性途径

Parkin依赖性途径即PTEN诱导的假定激酶（PTEN-induced putative kinase-1，PINK1）-Parkin途径，在线粒体自噬过程中最为常见。PINK1属于丝氨酸/苏氨酸激酶，Parkin/Park2是E3泛素连接酶。生理情况下Parkin位于细胞质内，其泛素连接酶活性受到抑制，PINK1进入线粒体内膜并发生裂解。当细胞发生炎症、氧化应激等反应时线粒体发生去极化，线粒体膜电位下降，触发Parkin发生泛素化，导致PINK1转移至去极化的线粒体外膜上，然后通过泛素磷酸化过程将Parkin从细胞质转运至线粒体，参与线粒体自噬过程，而受损线粒体外膜上PINK1聚集和活化被认为是清除功能障碍线粒体的必要过程[16]。Zhang等[17]对脓毒症细胞模型中线粒体和细胞质内Parkin含量进行检测，发现Parkin在线粒体中显著增加，在细胞质中减少。由此证明：脓毒症时Parkin从细胞质转运至线粒体，诱发线粒体自噬过程的发生。

为了进一步研究该途径与脓毒症的关系，有研究采用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）建立脓毒症体外模型，在敲除PINK1后，下游蛋白Parkin和自噬标志蛋白表达被显著抑制，而过表达PINK1后，结果恰恰相反[15]。体内实验可得到类似的结果，在脓毒症小鼠模型中PINK1、Parkin基因敲除小鼠较野生型CLP小鼠的器官衰竭程度更重，死亡率更高[5,18]。上述结果表明：脓毒症时PINK1-Parkin途径被抑制会加重脓毒症引起的器官损伤程度。

2.2 Parkin非依赖性途径

在脓毒症的病程中，Parkin非依赖性途径也被广泛研究，该途径主要涉及3种蛋白：Fun14结构相关蛋白1（Fun14 domain-containing protein 1，FUNDC1）、Bcl-2相互作用蛋白3（Bcl-2 interacting protein 3，BNIP3）、线粒体动力学相关蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）等，均可通过不同机制介导线粒体自噬过程。

2.2.1 FUNDC1系一种新型的线粒体膜蛋白，位于线粒体外膜上，其外膜区域含有3个关键残基即丝氨酸13、丝氨酸17和酪氨酸18。生理情况下，FUNDC1的酪氨酸18残基发生磷酸化，削弱其与LC3B-Ⅱ的结合力，抑制细胞中线粒体自噬过程。当缺氧、氧化应激等刺激因素存在时：一方面，线粒体丝氨酸13残基去磷酸化诱导FUNDC1蛋白发生去磷酸化，其与LC3B-Ⅱ的相互作用增强并形成隔离膜，该隔离膜可加速受损的线粒体被清除[19]。另一方面，在缺氧或线粒体解偶联剂的刺激下，FUNDC1的丝氨酸17残基发生磷酸化，可增加对LC3B-Ⅱ的亲和力，促进线粒体自噬过程[20]。闫梦莹等[21]检测脓毒症大鼠肝组织FUNDC1蛋白、自噬标志蛋白表达水平和线粒体呼吸功能，发现FUNDC1蛋白表达水平下调而自噬标志蛋白水平上调，线粒体呼吸功能下降，表明脓毒症肝损伤时，FUNDC1蛋白可激活线粒体自噬过程。为了验证FUNDC1是线粒体自噬的关键蛋白，Yan等[22]应用FUNDC1抑制剂对脓毒症小鼠进行干预，发现FUNDC1抑制剂能够下调自噬相关蛋白的表达水平，抑制脓毒症中线粒体自噬过程，进一步表明FUNDC1途径与线粒体自噬过程密切相关。

2.2.2 BNIP3是具有非典型BH3结构域的Bcl-2家族蛋白，主要位于线粒体外膜上，几乎在所有动物和人类组织细胞中表达。BNIP3和PINK1的相互作用有利于Parkin募集到线粒体，促进Parkin介导的线粒体自噬过程[23]。在脓毒症大鼠骨骼肌中，BNIP3可加速线粒体自噬过程，从而导致受损的线粒体被清除，且这种诱导作用与Parkin是否过表达无关[24]。这意味着，BNIP3介导的线粒体自噬过程与PINK1-Parkin途径是互不干扰的。

2.2.3 Drp1是一个分子量大小为96 kD的三磷酸鸟苷酸酶，属于鸟苷酸结合蛋白的动力家族，多数位于细胞中，以多聚体的形式存在，参与线粒体的调节过程[25]。线粒体募集Drp1是启动线粒体自噬过程的关键步骤，陈祝桂等[26]通过不同浓度LPS建立脓毒症模型，并检测肺上皮细胞中Drp1、LC3B蛋白水平，发现随着脂多糖浓度升高，肺上皮细胞中上述蛋白表达水平均上调，线粒体膜电位降低，表明在脓毒症肺损伤中，Drp1蛋白可影响线粒体自噬过程。

3 线粒体自噬与脓毒症的治疗

线粒体自噬和脓毒症引起的炎症反应密切相关[27]，干预线粒体自噬过程可调节脓毒症引起的炎症反应，有利于降低死亡率、改善患者预后。普拉克索属于多巴胺受体激动剂，可抑制NLRP3炎症小体过度活化，清除受损线粒体，减少组织损伤，提高小鼠生存率[18]。右美托咪定[28]可提高线粒体中Parkin蛋白表达水平，从而减轻巨噬细胞凋亡和炎症反应。

在脓毒症引起的心肌功能障碍中，药物通过不同的作用方式改善心功能。例如：米诺环素通过增加线粒体自噬小体的数量促进线粒体自噬过程[29]，美洲大蠊提取物则通过促进Drp1蛋白的表达调节Parkin依赖性途径，保护心肌细胞[30]。此外，Essandoh等[31]发现：TSG101基因可增强Parkin介导的线粒体自噬过程，改善脓毒症小鼠心脏收缩功能，降低炎症因子水平，提高小鼠存活率，在脓毒症的治疗中扮演重要的角色。

线粒体自噬除了在心肌功能障碍中发挥作用外，李伟文等[32]通过检测人肺微血管内皮细胞损伤模型线粒体中自噬蛋白PINK1和Parkin表达水平，发现丹酚酸A可下调上述自噬蛋白表达水平，对人肺微血管内皮细胞具有保护作用。Yan等[22]发现：在脓毒症急性肝损伤中，吸入抗氧化剂-氢气后小鼠肝组织FUNDC1蛋白表达水平较模型组下降，而p62、LC3B-Ⅱ蛋白表达水平明显升高，加速了线粒体自噬过程，有效提高了小鼠生存率。脓毒症急性肾损伤时，线粒体中瞬时受体电位锚蛋白1可增强BNIP3蛋白表达，引起血清尿素和肌酐水平下降，保护肾功能[33]。

综上所述，线粒体自噬对脓毒症累及的心、肺、肝、肾等器官均有保护作用，活化线粒体自噬过程有利于减缓多器官功能障碍的发生，改善脓毒症预后。

4 展望

脓毒症是临床常见的急危重症，机体通过产生ROS和减少ATP释放引起线粒体功能障碍，加重脓毒症病情进展。而线粒体自噬作为一种保护性诱导过程，可通过Parkin依赖性途径或Parkin非依赖性途径抑制炎症反应，有效改善脓毒症引起的多器官功能障碍，为脓毒症的治疗提供新的思路。但现阶段线粒体自噬的研究大多局限于细胞、动物等基础实验层面，临床研究资料有限。未来，研究人员应致力于寻找、开发促进线粒体自噬的药物，减轻多器官功能障碍的发生率，从而极大地降低脓毒症患者的死亡率，为脓毒症的治疗提供新的理论依据。