中药对心肌细胞线粒体功能障碍的调节作用*

杨冬梨，李玉红，张文将，李鑫，段丽芳

1.陕西中医药大学，陕西 咸阳 712046；2.天津中医药大学中医药研究院，天津 301617

据全球大数据分析显示，心血管疾病已成为发达国家居民死亡的主要原因，严重威胁着人们的健康[1]。随着我国人口老龄化的加重和心血管危险因素的不断增加，心血管疾病已成为我国居民过早发病和死亡的主要原因，占全国人口死亡原因的40%[2-3]。预计未来20年内，急性心肌梗死和中风患者人数将增加至2 100万以上[4]。

线粒体是高度动态的双膜细胞器，是真核细胞主要的能量来源，在信号转导、钙稳态、氧化还原、细胞凋亡等方面亦发挥着重要作用[5]。心脏是人体主要的供能器官，其能量来源高度依赖于线粒体的能量生成[6]。研究人员已在包括心血管疾病在内的多种疾病中发现了线粒体功能障碍的存在，认为线粒体结构和功能的缺陷与心血管疾病密切相关，如扩张型/肥厚型心肌病、缺血性/酒精性心肌病、心力衰竭、动脉粥样硬化、心肌炎等心血管疾病均伴有不同程度的心肌细胞线粒体结构和功能障碍[6-7]。

中医药在我国已有2 500多年的历史，中药在心血管疾病的治疗中亦发挥了非常重要的作用，但目前中药通过线粒体途径治疗心血管疾病的机制尚未明确。本研究综述了中药对心肌细胞线粒体功能障碍的调节作用，以期为临床应用提供理论依据和潜在的治疗思路。

1 中药对心肌细胞线粒体超微结构的调节作用

正常心肌细胞胞浆中富含圆形或卵圆形的线粒体，这些线粒体排列密集、整齐，充满整个管腔，线粒体肿胀或空泡变性非常少见[8]。早期研究发现，缺血60 min后，缺血大鼠心肌细胞线粒体出现了明显肿胀和断裂，而活血化瘀药物三七有效成分三亚油酸甘油酯预处理组，缺血大鼠心肌细胞线粒体结构完整性良好[9]。此后，多项研究也发现中药对心肌细胞线粒体超微结构有保护作用，如具有益气温阳作用的淫羊藿甙能显著改善充血性心力衰竭大鼠心肌组织线粒体超微结构损伤[10]；具有益气养阴、活血通络功效的参松养心胶囊能剂量依赖性地发挥保护肥厚心肌细胞线粒体密度的作用[11]。最近的研究发现，心肌缺血再灌注损伤(myocardial ischemia/reperfusion injury，MIRI)可导致线粒体结构紊乱，如出现肿胀、断裂、排列紊乱或空泡，而具有抗肿瘤、抗血栓作用的二氢杨梅素可明显减轻MIRI心肌细胞的线粒体结构紊乱[12]。Gao等[13]也观察到心力衰竭模型大鼠出现了线粒体排列分散、肿胀变大、嵴疏松、基质颗粒模糊等异常表现，而益气养血的芪参颗粒可显著改善心衰大鼠的线粒体结构异常。中医学认为“气为血之帅，血为气之母”，气虚则无力推动血液运行而使血行瘀滞。研究表明，益气类药物能够通过改善线粒体超微结构损伤发挥治疗心血管疾病的作用，而活血类药物基于“气滞血瘀”理论亦表现出了良好的治疗效果。

2 中药对心肌细胞线粒体动力学平衡紊乱的调节作用

线粒体功能与其形态紧密相关，而线粒体形态和功能的变化又与人类的健康密切相关[14-15]。有研究表明，线粒体形态和功能的正常维持依赖于线粒体融合和分裂的动态平衡[16]。线粒体分裂可导致细胞色素C的释放和caspases的激活，最终导致细胞死亡[17]。动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)是哺乳动物中线粒体分裂的主要执行者，其中线粒体外膜上Drp1Ser616的磷酸化可以引发线粒体分裂；Drp1Ser637的磷酸化，可使Drp1远离线粒体，从而抑制线粒体的分裂[18]。研究发现，生脉散提取物可抑制Drp1Ser616的磷酸化，促进Drp1Ser637的磷酸化，从而抑制缺血损伤心肌细胞的线粒体分裂[19]；芪苈强心胶囊可通过促进过氧化氢诱导的H9c2心肌细胞Drp1Ser637磷酸化而抑制线粒体分裂[20]。线粒体内、外膜的融合是独立进行的，分别由视神经萎缩蛋白1(optic atrophy protein-1，OPA1)和融合蛋白1/2(mitofusin-1/2，Mfn1/2)介导完成。Zhang等[21]发现，益气复脉注射液能增强Mfn2的表达，抑制Drp1Ser616的磷酸化，从而改善线粒体动力学指标，延缓心力衰竭的发生发展。此外，有研究报道，参麦注射液预处理后缺氧/复氧损伤心肌细胞Mfn1、Mfn2和OPA1的表达显著增加，Drp1和线粒体裂变1蛋白的表达显著降低，表明参麦注射液通过调节线粒体融合和分裂对缺氧/复氧损伤心肌细胞具有保护作用[22]。最近的研究亦发现，山楂提取物牡荆素能够通过增加Mfn2表达，减少线粒体Drp1的募集，改善H9c2心肌细胞缺氧/复氧诱导的线粒体功能障碍[23]。可见，生脉散、参麦注射液、芪苈强心胶囊等益气类药物能够通过改善心肌细胞线粒体动力学紊乱，维持线粒体动力学平衡，发挥治疗心血管疾病的作用。

3 中药对心肌细胞线粒体能量代谢障碍的调节作用

线粒体是细胞有氧呼吸和能量代谢的主要场所，供应细胞生命活动95%的能量[24]。心脏高度依赖线粒体氧化磷酸化产生的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)供能。ATP酶和ATP合酶是调节能量代谢的重要酶。ATP合酶可在线粒体呼吸链中利用腺苷二磷酸和磷酸催化，合成ATP[25]。有研究报道，灯盏花素能提高心肌细胞线粒体内Na+-K+-ATPase、Mg2+-ATPase、Ca2+-ATPase的活性[26]。另一项研究发现，ATP 5D(ATP合酶亚单位之一)紊乱可能与心肌细胞缺血再灌注期间ATP的消耗有关，而芪参益气滴丸预处理可预防这种紊乱[27]。氧化磷酸化复合物是呼吸链中电子转移和氧化磷酸化偶联的重要位点。Tian等[28]发现生脉散通过增强氧化磷酸化复合物Ⅰ和复合物Ⅳ的活性对糖尿病心肌病有改善作用。有研究表明，粉防己碱可通过增加ATP的形成和降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)+/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)比值，促进缺氧/复氧心肌细胞的能量代谢[29]。此外，黄芪甲苷IV能够通过增加ATP的产生、提高线粒体基础呼吸速率及最大呼吸速率调节心肌细胞的能量代谢[30]。参麦方对缺氧时线粒体最大呼吸、ATP偶联呼吸和线粒体储备呼吸量具有促进作用[31]。进一步研究发现，参麦注射液能显著提高缺氧状态下线粒体呼吸参数，如基础呼吸、ATP偶联呼吸、最大呼吸、泄漏呼吸、储备呼吸和无线粒体呼吸，表明参麦注射液能够改善缺氧/复氧损伤心肌细胞的线粒体呼吸功能障碍[22]。中医认为，气运行不息，推动和调控着人体内的新陈代谢，维系着人体的生命进程，这与能量之于人体的重要性不谋而合。以上研究表明，芪参益气滴丸、参麦注射液、黄芪等益气类药物能够通过改善线粒体呼吸功能、增加ATP的合成等作用调节心肌细胞线粒体的能量代谢障碍。

4 中药对心肌细胞线粒体氧化应激的调节作用

线粒体是活性氧产生的主要场所[32]。在线粒体氧化磷酸化过程中，随着ATP的产生，线粒体所消耗氧气的1%～2%会被线粒体电子传递链所泄漏的电子转化为活性氧[33]。在正常生理条件下，活性氧不断被强大的自由基清除系统清除，以维持动态平衡。当这种平衡被破坏，活性氧积累，线粒体的功能域将暴露于高浓度的活性氧中，从而诱导氧化应激发生[34]。当活性氧大量渗漏时，线粒体内膜阴离子通道被激活，促使线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开放，削弱线粒体膜两侧的质子梯度，导致线粒体膜电位降低，进而释放大量细胞色素C，最终触发细胞凋亡[35]。而中药一方面可以直接降低活性氧的过量生成，如益气复脉注射液可显著降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)的亚单位NADPH氧化酶2、p67phox和NADPH氧化酶4亚型表达，从而减少线粒体活性氧的生成[21]。另一方面，中药能够通过调节氧化酶和抗氧化酶的平衡，抑制活性氧的过量生成和积累，如木犀草素能显著降低糖尿病大鼠心脏线粒体活性氧水平，提高线粒体超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性[36]；芪参益气滴丸可通过减少心肌细胞线粒体活性氧生成和提高血清SOD水平减轻缺血再灌注损伤SD大鼠的氧化应激水平[27]。

5 中药对心肌细胞线粒体钙超载的调节作用

线粒体可通过膜上协同转运体将钙离子摄入基质，然后以磷酸钙的形式储存在一些较大的致密颗粒中，而积累的钙离子又可以通过钠-钙交换系统和膜转运孔道再次释放到胞质中，这对于维持线粒体钙缓冲能力和线粒体膜电位非常重要[37]。钙离子是心脏的第二信使，它将心脏周期性的肌肉收缩和舒张与线粒体的能量产生相联系[38-39]。在心血管疾病中，心肌细胞中钙离子节律性的释放和再摄取以及钙离子稳态的破坏导致心肌兴奋-收缩偶联障碍，心肌收缩力受损，即线粒体钙超载引起线粒体结构和功能的改变[40]。体外研究发现，黄芪甲苷IV可通过适度增加氧消耗和线粒体钙离子摄取能力，从而增强线粒体功能[30]。Lin等[27]发现，芪参益气滴丸可通过改善多种线粒体功能紊乱发挥抗MIRI的作用。此外，有研究报道，木犀草素可通过抑制心肌细胞钙循环、线粒体钙离子和钙调素的重要蛋白和酶在心脏冷藏过程中的积累，从而改善大鼠心肌细胞的钙离子超载，发挥心脏保护作用[41]。钙离子转运与ATP的消耗密切相关，钙离子转运和分布障碍在心血管疾病的发生发展中具有重要作用。研究证实，益气类药物对心肌细胞线粒体钙超载的调节作用较为突出。

6 中药对心肌细胞线粒体依赖性凋亡的调节作用

细胞凋亡包括外源性途径和内源性途径。在内源性途径中，细胞色素C从线粒体膜间释放，与凋亡蛋白酶激活因子1(apoptotic protease activating factor-1，Apaf-1)和前半胱氨酸蛋白酶-9(cysteine protease-9，caspase-9)结合形成凋亡体，caspase-3和其他caspase被激活，最终导致DNA断裂[42]。在活性氧积累或钙离子超载的情况下，相对分子质量<1.5 kDa的分子通过线粒体膜导致线粒体外膜损伤、mPTP开放、细胞色素C释放、线粒体膜电位去极化，这些变化最终导致细胞凋亡[43-44]。此外，B细胞淋巴瘤2(B cell lymphoma 2，Bcl-2)蛋白家族成员亦参与线粒体依赖性细胞凋亡过程，它们可以直接与线粒体相互作用或通过Bax(Bcl-2-associated X proten)和Bak(Bcl-2 homologous antago-nist/killer)控制线粒体外膜的通透性[45-46]。多项研究表明，中药对心肌细胞线粒体依赖性凋亡具有良好的调节作用，如益心舒胶囊通过抑制线粒体肿胀、细胞色素C释放和caspase-9活性及调节Bcl-2、Bax水平，从而抑制线粒体介导的细胞凋亡途径[47]。益气复脉注射液[21]、生脉散[28]、速效救心丸[48]等均能升高心肌细胞的线粒体膜电位。黄芪多糖对糖尿病心肌病细胞凋亡具有剂量依赖性抑制作用[49]。芪苈强心胶囊能够抑制心肌细胞mPTP开放和线粒体膜电位下降，上调 Bcl-2 的表达，下调Bax、细胞色素C、Apaf-1、caspase-9、caspase-3的表达，从而改善氧化应激诱导的心肌细胞线粒体依赖性凋亡[20]。可见，现有研究以益气类药物居多，且此类药物可较好地抑制心肌细胞线粒体依赖性凋亡。

7 小结与展望

综上所述，中药可以通过减轻线粒体超微结构紊乱、改善线粒体动力学平衡紊乱、促进线粒体能量生成、抑制氧化应激状态下线粒体内活性氧的产生和积累、减轻线粒体钙超载、抑制线粒体介导的细胞凋亡等多种途径调节心肌细胞线粒体功能障碍。中医认为，气是构成人体和维持人体生命活动的基本物质之一，气运行不息，推动和调控着人体内的新陈代谢，维系着人体的生命进程。故《难经·八难》言：“气者，人之根本也。”《类经·摄生类》载：“人之有生，全赖此气。”《素问·刺法论(遗篇)》言：“正气存内，邪不可干。”《素问·评热病论》言：“邪之所凑，其气必虚。”气既能护卫肌表，防御外邪入侵，同时也能祛除侵入人体内的病邪，气的防御功能决定着疾病的发生、发展和转归。气既能统摄固护人体内血、津液、精等液态物质，又是生命信息的载体，是脏腑形体官窍之间相互联系的中介。张茂林等[50]认为，线粒体是中医学概念中的“气”，亦有医家将其翻译为“生命力或能量”[51]。许多医家认为，线粒体是人体气的重要组成部分。心血管疾病属于中医“心悸”“怔忡”“胸痹”等的范畴。《伤寒杂病论》载：“伤寒，脉结代，心动悸，炙甘草汤主之。”《医学正传》言：“怔忡者，心中惕惕然动摇而不得安静。”张仲景在《金匮要略》中提出：“夫脉当取太过不及，阳微阴弦，即胸痹而痛，所以然者，责其极虚也。今阳虚知在上焦，所以胸痹、心痛者，以其阴弦故也。”大量证型研究结果显示，心力衰竭、冠心病、心肌炎等心血管疾病患者多伴有心气虚症状[52-54]，心血管疾病诊疗相关指南中，也多将心气虚证作为主要证型[55]。大量研究已证实，益气类中药在调节心肌细胞线粒体功能障碍方面具有良好的优势。

因此，基于线粒体在细胞中的重要地位，探究中药尤其是益气类中药通过调节心肌细胞线粒体功能障碍治疗心血管疾病的新方向具有重要意义。目前，研究仍存在一些问题，如心血管疾病线粒体功能障碍机制尚未明确；多数研究只关注线粒体功能障碍的一两个方面，缺乏基于线粒体整体功能障碍的研究；此外，复方制剂在心血管疾病临床应用十分广泛，但目前的研究多局限于单体和成药的分析研究。因此，深入研究血府逐瘀汤等临床常用方剂改善心血管疾病线粒体功能障碍的机制，对于明确经方的治疗机制、阐释中医理论的科学内涵具有重要意义。