线粒体在脓毒症肝损伤发病机制及治疗中的作用

苏晨林，于 锋

中国药科大学 基础医学与临床药学学院，南京211100

脓毒症是由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍[1]，其发病除内稳态紊乱、免疫抑制、凝血功能障碍、自噬和细胞代谢过程失衡外[2，3]，线粒体损伤机制的研究也日益受到关注。线粒体是能量代谢的中心，其生理功能包括产生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、维持细胞内钙稳态、参与体温调节和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生和解毒，这些生理功能中任何一个出现异常称为线粒体功能障碍[4]；当线粒体功能出现障碍时，一系列维持体内内环境平衡的信号通路密切调控线粒体的功能修复过程，包括线粒体生物发生、线粒体融合、裂变和线粒体自噬，这些过程的不充分激活将导致线粒体损伤的积累、器官衰竭的持续存在和危重疾病等不良后果[5]。脓毒症期间受损线粒体的积累，将导致多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的发生[6]。肝脏作为脓毒症相关器官损伤的靶点，其在脓毒症期间有助于循环病原体及其产物的清除。由于能量供应与促进新陈代谢和脓毒症中受损器官功能的恢复密切相关[7]，肝脏细胞中存在的丰富线粒体，是维持肝脏代谢稳态、肝细胞灵活性以及存活的关键代谢和信号传导枢纽[8]，对肝脏中线粒体的研究有助于加深对脓毒症诱导肝损伤发病机制的了解。以线粒体为脓毒症诱导肝损伤的生物标志物进行研究，有助于了解恢复线粒体稳态对于缓解脓毒症诱导肝损伤的重要意义，本文旨在总结脓毒症肝损伤中线粒体的作用，以期为脓毒症肝损伤的治疗提供参考。

1 脓毒症诱导肝损伤中线粒体的动态调节

1.1 脓毒症肝损伤中能量稳态紊乱

线粒体的主要生理功能是通过氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）为细胞提供所需的ATP，当线粒体出现损伤时，能量稳态紊乱。在脓毒症小鼠模型的肝脏中，线粒体呼吸链的复合物Ⅳ，即细胞色素C 氧化酶复合体活性显著降低，线粒体超微结构破坏，肝细胞能量衰竭[9]。此外，脓毒症期间ATP 水平降低，而体内AMP/ATP 比例的升高能激活腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine 5‘-monophosphate（AMP）-activated protein kinase，AMPK）。AMPK 是生物能量调节，如保持葡萄糖平衡的关键分子，其催化各种代谢相关的关键蛋白质磷酸化，以应对脓毒症状态下将代谢重新定向，包括抑制脂肪酸和胆固醇合成，抑制糖异生，通过沉默信息调节因子2 相关酶1（silent information regulator factor 2-related enzyme 1，SIRT1）激活葡萄糖摄取、脂肪酸摄取和氧化[10]。

1.2 脓毒症肝损伤中活性氧的生成

巨噬细胞和免疫细胞中肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白细胞介素（interleukin,IL）-1β 和IL-6 等细胞因子在脓毒症期间产生增加，当促炎细胞因子募集至中性粒细胞并渗入肝实质，肝脏线粒体中ROS 诱导生成，ROS累积将导致肝细胞损伤。但一定浓度ROS 的产生会刺激过氧化物酶体增殖物激活受体-γ 共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α，PGC-1α）的表达和线粒体解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP）的激活。其中，PGC-1α 在线粒体的生物合成功能中发挥重要作用，它通过红细胞衍生核因子2 样蛋白2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，NFE2L2）介导，诱导线粒体抗氧化酶超氧化物歧化酶-2（superoxide dismutase-2，SOD-2）在肝脏中的表达，从而对抗线粒体氧化应激，降低肝细胞死亡比例[11]；而激活的线粒体UCP 可通过降低线粒体质子动力，减少线粒体ROS 的产生[12]。

1.3 脓毒症肝损伤中的线粒体生物发生

线粒体生物发生是细胞响应线粒体损伤和能量需求的增加，从已经存在的线粒体中产生新线粒体的过程，以维持线粒体质量和功能稳态[13]。线粒体生物发生的主要转录调节基因有PGC-1α、激活核呼吸因子-1（nuclear respiratory factor-1，NRF-1）和核呼吸因子-2（NRF-2）。PGC-1α 和NRF-1共同激活线粒体转录因子-A（mitochondrial transcription factor A，TFAM），并结合到线粒体电子运输链中5 个复合物亚基的启动子区域，影响表达，从而促进线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）复制和转录。PGC-1α 的表达受多种因素的调节，如ROS 的生成、AMPK 和血红素氧合酶1（heme oxygenase-1，HO-1）的激活。脓毒症期间，炎症诱导生成的HO-1 将保护肝脏免受持续性炎症攻击与激活线粒体生物发生联系起来，激活的HO-1 上调PGC-1α，并通过NFE2L2 转录因子，刺激抗炎细胞因子的合成[14]。其他刺激线粒体生物发生的途径还有一氧化氮（nitric oxide，NO）的生成。如白藜芦醇可通过刺激NO 生成，促进环鸟苷酸（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）的产生，进而前馈激活HO-1[15]。

1.4 脓毒症肝损伤中的线粒体自噬

线粒体自噬是指对受损线粒体的选择性自噬，是一种重要的线粒体质量控制机制，线粒体自噬不足将导致功能失调的线粒体的积累和炎症小体的激活[16]。在PTEN 诱导的激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）-Parkin 介导的线粒体自噬过程中，PINK1 在受损线粒体外膜上积累，PINK1 自磷酸化使Parkin 向受损线粒体募集，从而诱导受损线粒体的自噬[17]。此外，转录因子EB（transcription factor EB，TFEB）激活可通过上调Parkin 向受损线粒体募集，促进线粒体自噬[18]。除PINK1-Parkin 依赖性的线粒体自噬外，还包括受体介导的线粒体自噬途径。在哺乳动物的生理和病理条件下介导线粒体清除的两种主要类型的受体包括：B 淋巴细胞瘤-2-腺病毒E1B 相互作用蛋白3（B-cell lymphoma-2-adenovirus E1B 19-kDa interacting protein 3，BNIP3）和FUN14 结构域包含蛋白-1（FUN14 domain-containing protein 1，FUNDC1）[19]。BNIP3 可通过与PINK1 相互作用，抑制PINK1 蛋白水解加工，从而促进Parkin 募集和PINK1-Parkin 介导的线粒体自噬[20]。在脓毒症期间，肝脏中PINK1 蛋白表达水平上调，但Parkin 和BNIP3 的蛋白表达水平降低，血红素可下调PINK1蛋白表达并上调Parkin 和BNIP3 蛋白表达，说明HO-1 可增强Parkin 和BNIP3 介导的线粒体自噬[21]。FUNDC1 是另一线粒体自噬受体，调节其LC3 结合区域（LC3-interacting region，LIR）基序附近的Ser 13、Ser 17 和Tyr 18 残基的磷酸化和去磷酸化，可实现不同条件下线粒体自噬通量的变化[19]。脓毒症期间低水平ATP 激活的AMPK 可直接激活UNC-51样激酶1（UNC-51-like kinase 1，ULK1），而在线粒体中，ULK1 与FUNDC1 相互作用，可使FUNDC1 在Ser 17 处磷酸化，从而增强FUNDC1 与LC3 的结合，促进自噬[22]。

2 以线粒体为靶点缓解脓毒症肝损伤的治疗策略（见表1）

表1 以线粒体为靶点缓解脓毒症肝损伤的治疗策略

2.1 恢复脓毒症期间能量稳态

脓毒症中肝细胞能量衰竭与肝功能障碍的发生相关，恢复肝脏中的能量稳态将有助于减轻肝脏损伤。液体复苏可以改善脓毒症期间肝脏线粒体超微结构的破坏，恢复线粒体呼吸链复合物Ⅳ活性[9]。结合液体复苏，他汀类药物的预处理有助于脂肪酸代谢相关基因表达的恢复[23]。犬尿氨酸（kynurenine，KYNA）的合成类似物SZR-72 可直接调节线粒体呼吸，改善ADP 向ATP 的转换[24]。其他针对脓毒症期间能量途径的治疗还包括丙酮酸脱氢酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）抑制剂二氯乙酸（dichloroacetic acid，DCA）和Rho 激酶（Rho-associated protein kinase，ROCK）抑制剂Y-27632，通过增加线粒体呼吸链复合物的活性，刺激OXPHOS的发生[25，26]。此外，AMP 类似物5-氨基-4-咪唑甲酰胺核糖核苷-1-β-d-呋喃糖苷（5-amino-4-imidazolecarboxamide riboside-1-β-d-ribofuranoside，AICAR）激活AMPK，在脓毒症中保护肝脏[27]。

2.2 减轻线粒体氧化损伤

线粒体靶向抗氧化剂MitoQ 可降低线粒体中ROS 水平[28]。线粒体靶向的超氧化物歧化酶Mito-TEMPO 增加线粒体锰超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）活性，上调mtDNA 编码基因的表达[25]。从植物中提取的活性成分人参皂苷Rg3 和丹皮酚也可以减少ROS 的产生，同时增加SOD 水平[29，30]。此外，持续高水平的NO 将导致ROS 的加剧生成，脓毒症期间NO 的生成主要由诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）诱导。褪黑激素作为iNOS 的选择性抑制剂，可减少组织中NO 的生成，进而减少ROS 的生成[31]。

2.3 增加线粒体生物发生

在脓毒症期间，线粒体生物发生障碍会导致肝脏损伤。AICAR 激活AMPK，上调线粒体生物发生转录调节剂的表达，增加线粒体生物发生[32]。血红素以及白藜芦醇通过激活HO-1，增加线粒体生物发生[15，21]。此外，一种肌因子鸢尾素的外源性补充可抑制脓毒症诱导的肝脏中的炎症反应，减少ROS 产生，恢复异常的线粒体形态并上调TFAM 表达，促进线粒体生物发生[33]。

2.4 增加线粒体自噬

AMPK 信号通路和HO-1 的下游靶标基因包括了线粒体自噬相关基因，所以AICAR、血红素和白藜芦醇等靶向AMPK 和HO-1 的治疗策略可以调节线粒体自噬对受损线粒体的清除。针对气体吸入缓解脓毒症肝脏损伤的治疗方案的研究发现，吸入氢气可以通过上调FUNDC1 表达，增强FUNDC1 依赖性线粒体自噬[34]，吸入一氧化碳可诱导TFEB活化，从而促进PINK1-Parkin 介导的线粒体自噬[18]。

3 总结与展望

线粒体在脓毒症诱导多种器官损伤的病理生理中作用的相关研究日渐深入，线粒体修复过程的动态平衡与线粒体的形态、数量和生理功能的维持，以及正常细胞功能和细胞存活密切相关。目前，以线粒体为靶点缓解脓毒症肝损伤的治疗策略已取得了初步进展。结合液体复苏，他汀类药物的预处理通过恢复肝脏中的能量稳态，减轻脓毒症相关肝功能紊乱；抗氧化剂通过降低线粒体ROS 的水平，缓解肝脏线粒体氧化损伤；以及针对线粒体生物发生和线粒体自噬途径的治疗策略，通过产生新的线粒体和清除受损线粒体，维持线粒体质量和功能稳态：这些都将为临床改善脓毒症相关肝损伤患者的预后提供新的治疗参考。