线粒体损伤与心血管疾病关系的研究进展

金杰妮 蔡兆斌

自发现线粒体疾病以来，人们便意识到其会成为多系统疾病，影响各种器官或组织，引发多种疾病包括心血管疾病。线粒体作为细胞新陈代谢调控的中心角色，似乎构成了一个潜在治疗靶点。随着DNA测序方法的发展，线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突变成为深入研究的对象。现已证明许多突变导致线粒体功能障碍、氧化应激、能量产生不足，导致细胞功能障碍和死亡。线粒体在心血管疾病中的作用也受到越来越多的关注。本文讨论线粒体损伤与心血管疾病关系的新进展，包括mtDNA突变作为潜在诊断标志物的意义，以及线粒体作为治疗靶点的潜在用途，现作一综述。

1 线粒体损伤概述

线粒体是细胞能量的动力源，其可通过氧化磷酸化产生腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），在此期间还可形成还原当量（例如还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和还原型黄素二核苷酸），及额外的副产物活性氧（reactive oxygen species，ROS）。除了细胞核，线粒体也是细胞内DNA的来源。线粒体可进行复制、裂变和融合，在细胞内从一个位置移动到另一个位置；并与其他线粒体或细胞结构形成网络，以提高ATP产生的效率，并提供细胞内信号以响应生理和病理刺激。在生理条件下，融合和裂变保持平衡，融合增加或裂变减少会促进细长线粒体网络形成，而裂变增加或融合减少导致线粒体断裂[1]。过度的线粒体裂变会导致mtDNA损伤，减弱mtDNA的复制和转录。线粒体的生物产生和复制过程确保线粒体在分裂细胞之间的正确分布和细胞内线粒体种类的维持，与能量需求相对应。在线粒体经历分裂和融合的循环期间，细胞器的功能障碍部分可被切割成小的球形碎片，随后被有丝分裂降解。线粒体分裂的主要蛋白是动力相关蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）和线粒体分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，Fis1）。线粒体融合由丝裂融合蛋白1和2（mitofusins 1 and 2，Mfn1、Mfn2）和视神经萎缩相关蛋白1（optic atrophy 1，Opa1）介导。已有研究证实，在心血管疾病中，如动脉粥样硬化、再灌注损伤、心肌病和心肌肥厚，这些蛋白活性之间的不平衡会导致线粒体缺乏或过度碎裂，并损害有丝分裂能力[2]。

人类mtDNA以16 569 bp的环状存在，编码13个呼吸链多肽、转运体和核糖体RNA。mtDNA可能是ROS的来源，并且缺乏保护性的组蛋白，容易积累氧化损伤。在促进疾病的环境因素中，如高血糖、有吸烟史的动脉粥样硬化患者中，不仅mtDNA损伤增加，ROS的产生也会增加[3]。mtDNA缺陷也可能由复制错误引起，突变可能导致克隆性扩展。足够的mtDNA损伤可引发细胞功能障碍，最终导致健康受损或加速衰老[4]。

线粒体可通过改变炎性细胞因子的表达以及触发翻译后修饰和激活来调节炎性细胞因子。氧化的mtDNA激活核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3（nucleotide-binding oligomerization doma-in-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小体[5]。NLRP3炎性小体对危险刺激发生反应，包括产生病毒、细菌毒素和胆固醇结晶。一旦激活，NLRP3可定位于核周空间的内质网-线粒体簇[6]。然后，活性caspase1组装将pro-IL-1β切割成其活性形式。而且，线粒体对炎症的刺激与炎症引起的线粒体损伤可以相互影响，形成恶性循环[7]。

先天免疫反应能提供对危险信号的快速监测和保护，Toll样受体（toll-like receptors，TLRs）是监测的关键部分，可识别相关的病原体（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）和损伤相关的分子 模 式（damage-associat-ed molecular patterns，DAMPs）[8]。线粒体的内膜含有心磷脂，为原核生物所独有[9]。因此，功能异常的线粒体通过暴露mtDNA和心磷脂成为重要的DAMPs来源，并在病理情况下被先天免疫系统识别为病原体。就像其原生细菌前身的DNA一样，mtDNA以非甲基化的CpG位点的形式持有阻尼。这些炎性mtDNA基序刺激TLR9，导致核因子κB（nuclearfactor kappa-B，NFκB）活化和炎性细胞因子转录。自噬通常会降解受损的线粒体，但mtDNA可逃脱这一过程并刺激炎症，也可能释放到循环中，导致全身炎症反应[10]。

除了激活TLR9，mtDNA还能引起抗病毒免疫反应。在没有线粒体转录因子A（the mitochondrial transcription factor A，TFAM）的情况下，mtDNA被释放至细胞质，与DNA传感器环状GMP-AMP合成酶（the cyclic GMP-AMP synthase，CGAS）结合，促进下游干扰素基因刺激物（stimulator of interferon genes，STING）信号，增加1型干扰素和其他干扰素刺激基因的表达[11]。然而，凋亡激活的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶可减弱这一信号通路[12]，表明线粒体调节细胞死亡和炎症是相互交叉的。

2 线粒体损伤与心血管疾病的关系

2.1 动脉粥样硬化 动脉粥样硬化斑块形成在内皮功能障碍的部位，通常在血流紊乱和剪切应力改变的地方[13]。循环的脂质通过酶和ROS进行氧化修饰，从而促进内皮功能障碍。内皮黏附分子的表达募集单核细胞，使其变成巨噬细胞，吞噬脂质形成泡沫细胞。清除氧化脂质起初是起保护性的作用，但会引发炎症反应，导致细胞死亡和斑块核心的坏死。血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）增殖和（或）迁移到内膜，于内膜分泌形成保护性纤维帽的胶原蛋白和细胞外基质[14]。然而，炎症、降解酶和细胞死亡会损害纤维帽，导致斑块破裂[15]。斑块核心暴露后，会形成血栓，堵塞血管或栓塞，导致缺血性并发症。因此，氧化应激、炎症和细胞死亡显著促进动脉粥样硬化的形成，可能均由mtDNA损伤和功能障碍引起[16-17]。

早期研究已发现动脉粥样硬化患者的主动脉、心脏和血液中的白细胞中存在mtDNA损伤，且mtDNA损伤发生在动脉粥样硬化的初期，虽然mtDNA损伤可导致动脉粥样硬化，但临床对于mtDNA损伤和细胞核DNA损伤的不同影响仍不能区分[18]。一项研究表明，mtDNA突变与单核细胞激活程度有关[19]。在该研究中，从无症状动脉粥样硬化患者血液中分离的单核细胞的促炎激活与动脉粥样硬化相关的mtDNA突变相关，特别是同质m.1811A＞G和m.9477G＞A[19]。此外，至少另外3个异质突变m.14459G＞A、m.1555A＞G和m.12315G＞A也与单核细胞的促炎激活有关。以上研究提示在动脉粥样硬化中，某些突变可能改变了单核细胞来源的巨噬细胞的活化，也说明携带有mtDNA突变基因的患者可能会发生原发性线粒体动脉粥样硬化。即使没有经典的动脉粥样硬化危险因素，线粒体疾病中的动脉粥样硬化也可能发生，这说明动脉粥样硬化可能是代谢缺陷的主要表现。虽然线粒体疾病中的原发性动脉粥样硬化尚未得到系统研究，但试验数据表明线粒体功能障碍可能是原发性线粒体动脉粥样硬化发展的一种机制。因此这些患者除了需要抗血栓药物外，还需要抗氧化剂和辅助因子药物协同治疗[20]。

线粒体现在被认为是通过基因表达和翻译后修饰来调节致动脉粥样硬化的炎症信号。在动脉粥样硬化形成中，代谢应激源，如脂肪酸和胆固醇晶体，可聚集在线粒体上，并与mtDNA损伤结合来刺激炎症。因此与心血管疾病相关的mtDNA突变和损伤的存在可作为亚临床动脉粥样硬化的预测因子，并可能有助于在亚临床进行早期追踪。此外，建立mtDNA突变和功能障碍与动脉粥样硬化病理生理特征之间的功能联系可能有助于开发新的疾病治疗方法。

2.2心肌损伤 缺血性心脏病是指冠状动脉血流量和心肌需求不平衡造成的心肌损伤。然而，血液供应的恢复有一个不可逆转的不良影响，称为缺血/再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤。线粒体作为心肌细胞的供能细胞器，是I/R损伤的主要靶点。I/R损伤或内皮氧化应激可能会改变线粒体形状、运动和细胞之间的相互作用，I/R损伤导致线粒体嵴丢失，降低线粒体膜电位，开放线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP），随着MPTP打开，线粒体不再能够产生足够的ATP，离子泵停止运作，心肌细胞坏死，这些效应均可导致线粒体损伤和线粒体自噬失衡（过度抑制或促进）的加剧[21]。线粒体自噬在I/R损伤过程中对心肌细胞具有保护作用。I/R损伤减少心肌细胞的有丝分裂并刺激细胞凋亡[22]。适当增加自噬可能减轻I/R损伤诱导的心肌细胞凋亡。在心肌I/R损伤过程中，坏死性凋亡也是细胞死亡的重要调节模式，已在各种心脏病理学中得到证实，研究表明在线粒体内膜中，MPTP的重要调节成分亲环素D可能由于促进MPTP开放而参与坏死性凋亡信号，研究还表明促进线粒体自噬，可通过清除产生ROS的不健康线粒体来预防坏死性凋亡。细胞焦亡作为一种促炎细胞死亡程序，在I/R损伤的心肌细胞中会被启动，但线粒体参与心肌细胞或其他细胞类型坏死性凋亡以及细胞焦亡的具体机制仍不清楚[21]。

糖尿病性心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是糖尿病并发症之一。线粒体功能障碍是DCM的重要病因[23]。在DCM中，受损的线粒体会产生大量ROS，加剧线粒体损伤，并引发心肌细胞死亡的恶性循环。活体动物进行的试验分析显示，抗氧化疗法可预防DCM[24]。然而，临床抗氧化治疗并未发挥同样效果，可能为ROS从受损的线粒体中持续释放的缘故。

2.3 高血压 高血压是一种发病率较高的全身性疾病。由线粒体突变引起的能量供应不足、动力失衡、氧化损伤、信号转导异常和线粒体功能障碍均是高血压的形成机制[25-26]。线粒体损伤产生的ROS可调节血管结构和张力重塑，ROS含量的增加或滞留可能导致血管收缩，降低血管舒张功能，损伤平滑肌细胞，促进血管炎症和重塑，增加外周血管阻力，并加重高血压[27]。在高血压大鼠心脏模型中发现，与线粒体动力学相关的Mfn1、Mfn2和Opa1的mRNA水平降低[28]，由此高血压被认为可改变心肌细胞的线粒体功能、能量代谢和线粒体动力学[29]。此外，在线粒体COXⅡ、ATP8、ATP6、ND1、tRNA-Lys和tRNA-Gln基因上发现的一些异质和同质基因突变，显示了与母系遗传性原发性高血压风险的统计学关联。在已鉴定的mtDNA突变中，m.3970C＞T、m.4048G＞A、m.4071C＞T、m.4086C＞T、m.4164A＞G、m.4248T＞C、m.4386T＞C、m.4394C＞T、m.8414C＞T、m.8701A＞G以及m.8584G＞A、m.4164A＞G、m.4248T＞C、m.8414C＞T、m.8701A＞G、m.8584G＞A、m.4164A＞G、m.8273_8281缺失频率最高，其中影响较大的似乎是ND1和ATP6基因[30]。

2.4 冠状动脉疾病 一项对冠心病患者心肌组织的mtDNA进行平行测序，并与对照组进行比较的研究结果显示，冠心病患者的mtDNA异质性水平较对照组心肌组织高39.8%。研究还发现，冠状动脉疾病患者的异质mtDNA缺失总数较对照组高87%。研究还发现缺血性心脏病患者的组织中mtDNA变异体水平较对照组水平高41.4%，mtDNA异质性缺失增加率高达87.50%[31]。这些观察结果表明，与未受影响的组织比较，动脉粥样硬化斑块中体细胞突变和mtDNA突变明显增加。

另一项有关旨在早期（＜55岁）心肌梗死与冠状动脉粥样硬化之间的关系的研究发现，mtDNA突变与心肌梗死的早期发病有关，但仅限于男性吸烟者。这项工作证实了mtDNA多态性对动脉粥样硬化和缺血事件风险的相关[32]。

在非家族性扩张型、肥厚型心肌病、线粒体脑肌病伴高乳酸血症伴脑卒中样发作、线粒体肌病、母亲遗传性糖尿病和耳聋综合征等患者中也有mtDNA突变的发生[33]。

2.5 心律失常 心律失常在临床非常常见，其可能单独发生，也可能与其他心血管疾病同时发生。已有广泛证据表明线粒体在心律失常中起着功能性作用。线粒体可产生ATP和ROS，由此参与心律失常[34]。线粒体功能障碍可减少ATP的产生，影响心脏的电传导，继而通过ATP敏感钾通道改变肌膜K+流量。然而，过量的线粒体ROS产生会导致心脏动作电位的异质性。在线粒体功能障碍期间，线粒体膜电位可降低，从而导致ATP减少和ROS增加；此后，进一步诱导线粒体功能障碍，这种恶性循环导致电生理改变，最终导致心律失常[35]。

2.6心力衰竭 心力衰竭发病率、病死率均较高，预后差，是各种心脏病的终末期[36]。研究表明，线粒体功能障碍会过度启动细胞死亡，导致钙或ROS过载从而触发线粒体通透性转换孔开放，导致线粒体膜电位的丧失，继而导致不能产生ATP和线粒体蛋白质例如细胞色素C的释放，因此线粒体损伤引发的细胞死亡是心力衰竭的重要机制[37]。线粒体损伤还会打破氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化还原的平衡。许多研究表明，在衰竭的心脏中，提高氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸水平和使氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸比率正常化可增强线粒体应激耐受性，改善心肌能量，减少由压力超负荷或肾上腺素能刺激引起的收缩功能障碍，并改善线粒体心肌病小鼠模型的心脏功能，因此，氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化还原平衡的恢复是心力衰竭进展中线粒体代谢失衡恶性循环的一个有希望的突破点[38]。

另一项研究表明，心力衰竭患者中的心肌细胞线粒体具有结构和能量异常，且线粒体通过自噬选择性降解受损线粒体的能力会随着年龄或疾病的进展而下降[39]。因此，对受损线粒体的清除不充分，可导致ROS和过氧化物水平增加。心肌细胞线粒体蛋白、脂质和DNA遭受氧化损伤，引发心力衰竭。这些发现均证实了老年患者和终末期心脏病患者发生心力衰竭的临床表现[40-41]。

3 小结

线粒体在氧化应激、炎症、新陈代谢、线粒体吞噬功能缺陷和细胞凋亡的调节中起着关键作用。然而，mtDNA损伤和线粒体功能障碍可以破坏这些过程，从而推动斑块的发展和易损性。目前研究认为ROS和线粒体mtDNA突变是线粒体和mtDNA损伤的主要因素，而某些mtDNA突变与心血管疾病病理生理特征之间的联系仍未知。因此，继续寻找mtDNA损伤的来源将有助于理解心血管相关疾病的发病机制，为心血管疾病提供新的预防和治疗思路。