从线粒体动力学探讨中医药治疗心力衰竭相关机制研究

杨凯晶 修一萍 薛一涛

(1 上海中医药大学，上海，201203；2 山东中医药大学，济南，250014；3 山东省中医院，济南，250014)

心力衰竭(Heart Failure，HF)一种复杂的临床综合征，是最常见的晚期心血管病的并发症，主要表现为各种心脏结构或功能性疾病导致心室充盈和(或)射血功能受损，心排血量不能满足机体组织代谢需要，肺循环和(或)体循环淤血，器官、组织血液灌注不足等。临床上，慢性心力衰竭(Chronic Heart Failure,CFH)是心血管疾病的主要死亡原因，严重威胁人类生命健康。

CHF病理生理改变机制十分复杂，涉及血流动力学、神经体液、心肌重构、能量代谢等方面的异常。心肌细胞能量代谢异常是导致心肌收缩功能障碍的重要因素，以致发展为CHF。同时，CHF引起的氧化应激导致线粒体功能下降，然而，线粒体的形态结构和功能是由线粒体动力学决定的，可以一定程度上反映心肌细胞能量代谢情况[1]。本文旨在从线粒体动力学的角度探讨中医药治疗CHF的相关机制，为日后中医药治疗CHF机制研究及防治提供新的方法与思路。

1 线粒体动力学研究

1.1 线粒体动力学概述 线粒体在细胞中不断地进行分裂与融合，从而维持其形态及网络结构稳定的动态变化过程统称为线粒体动力学[2]。线粒体动力学的稳态与能量代谢、活性氧、多种信号转导、Ca2+的稳态及细胞凋亡的过程息息相关[3]。细胞中的线粒体需要相关的蛋白质来调节线粒体动力学，动力相关蛋白(Dynamin-related Protein 1，DRP1)、分裂蛋白1(Fission1，FIS1)、线粒体分裂因子(Mitochondrial Fission Factor，Mff)和线粒体动力蛋白49/51(Mitochondrial Dynamics Proteins of 49 and 51，MiD49/51)是分裂机制的核心组成部分，线粒体融合蛋白(mitofusin，MFN)1、MFN2和视神经萎缩蛋白(Optic Atrophy1，OPA1)是促进线粒体融合的核心机制[4-5]。

1.2 线粒体分裂 线粒体分裂是由几种蛋白质介导的，仅发生在线粒体外膜，DRP1是最核心的部分[6]。相关研究表明，在哺乳动物细胞中，线粒体分裂需要通过内质网和肌动蛋白协同产生适合DRP1组装的收缩、DRP1进一步收缩膜直到裂变发生这2个连续的收缩步骤来完成[7]。

1.3 线粒体融合 线粒体融合的过程需要线粒体内或外膜鸟苷三磷酸酶，MFN1、MFN2是线粒体外膜融合的主要调控蛋白，其缺失可阻断线粒体外膜和线粒体内膜融合，而OPA1是线粒体内膜融合的主要调节蛋白，位于线粒体的膜间间隙，主要功能是维持线粒体嵴的稳定性，重塑线粒体内膜，维持呼吸链的完整性，其缺失可阻断线粒体内膜融合，而线粒体外膜融合不能被阻断[6，8-9]。

2 线粒体动力学对CHF的影响

2.1 线粒体动力学在心肌细胞中的作用 心脏中的高容量线粒体系统以动态方式进行调节，产生和消耗大量的ATP，从而在不断变化的能量需求中支持恒定的电机械活动[10]。在成熟的心肌细胞中，线粒体作为最主要的胞内细胞器占据了细胞体积的40%，介导线粒体融合和分裂的蛋白质在心脏中过表达[11-12]。MFN1、MFN2消融诱导的线粒体碎裂提示可能存在线粒体核分裂，下调引起的线粒体延长也提示可能存在线粒体融合[11]。

2.2 线粒体动力学在CHF发病机制的研究 线粒体是心脏功能正常与否的关键，其结构和功能的异常会导致常见的心血管疾病,包括HF。线粒体动力学决定了这些多功能细胞器的数量、形态和活性。在高能量需求的心肌细胞中，融合和分裂之间动态平衡是至关重要的。越来越多的证据表明，心肌细胞中的融合、分裂因子在心脏发育中起着重要的作用，其损伤会导致心肌细胞功能障碍和死亡，引起心脏损伤，最终发展为CHF[4]。

线粒体形态的改变与CHF的病理生理学息息相关，有证据表明，在HF心肌细胞中，心肌细胞受到不可逆的损伤，线粒体分裂很明显，线粒体融合蛋白减少和(或)分裂蛋白增加，心肌线粒体融合-分变不平衡，从而导致线粒体功能下降，线粒体自噬，最终导致心肌细胞死亡[13]。

线粒体动力学还在心血管系统的稳态中起基础性的作用，线粒体融合和分裂之间的平衡还与线粒体能量的产生有关，线粒体分裂的增加与ATP生成的减少密切相关，若心肌细胞线粒体结构和功能发生变化，能量代谢不平衡，ATP含量减少，则会进一步加速CHF的发生[14]。因此维持线粒体融合和分裂的平衡对正常细胞存活至关重要，特别是在高耗能的心肌细胞中。

2.3 治疗CHF最新线粒体动力学相关研究 线粒体动力学有2组相反的过程调节：线粒体融合和分裂，线粒体生物发生和降解(包括线粒体自噬)，以及细胞内运输等过程[9]。有研究显示，线粒体蛋白的活性受翻译后修饰(Posttranslational Modifications,PTMs)的调控，PTMs在线粒体蛋白上维持线粒体融合和分裂的平衡，可触发线粒体动力学的改变并进行线粒体自噬去除老化的线粒体，以维持细胞内环境的稳定[15-16]。

线粒体分裂需要DRP1，其是降解线粒体分裂的关键，DRP1可能通过其对线粒体吞噬、凋亡和呼吸的非分裂作用，影响心肌细胞的生存和死亡[17]。相关研究显示，小鼠升主动脉环扎后产生心力衰竭，用DRP1抑制剂mdivi-1治疗可改善左室功能不全，其通过改变基质金属蛋白酶/组织金属蛋白酶抑制物轴调控心室重构异常、抑制抗血管生成因子的表达、促进血管生成、抑制CHF时增加的线粒体分裂等途径来改善HF，与自噬标记轻链3和P62表达减少有关[18]。

相关研究表明，钠葡萄糖协同转运蛋白2(Sodium-glucose Cotransporter2,SGLT2)抑制剂可通过调节线粒体相关机制，包括酮体代谢、钠代谢和线粒体动力学等，对CHF发挥保护作用，缓解心功能障碍[19]。越来越多的证据表明，在各种疾病模型中，线粒体动力学的损伤会限制能量的产生，增加活性氧的生成并发出凋亡信号，最终导致心肌损伤和心脏疾病进一步加剧[20]。这些发现表明，调节线粒体动力学可能是一种有效的心血管疾病治疗策略。

Sabbah等[21]研究发现，CHF心肌线粒体动力学受损、生物发生受损、分裂和融合机制失调，线粒体分裂调节蛋白，即FIS1和DRP1明显增加，而融合调节蛋白即MFN2、OPA1明显减少，长期用Elamipretide(ELAM)(1种线粒体靶向肽)治疗后，显著增加MFN2和OPA1，并降低FIS1和DRP1，线粒体超微结构正常化，改善心功能。

3 从线粒体动力学探讨中医药治疗CHF相关研究

3.1 单味中药治疗 马莹[22]经过研究发现红景天可通过增加OPA1蛋白的表达，抑制DRP1蛋白的表达，改善缺血缺氧引起的心肌细胞线粒体动力学失衡，对缺血缺氧心肌细胞产生保护作用。Wang等[23]研究发现，金盏花苷E可以通过激活AMP活化蛋白激酶信号通路来增强OPA1相关的线粒体融合，从而减轻心肌缺血再灌注损伤诱导的线粒体功能障碍和线粒体动态失衡，具有显著的心脏保护作用，改善心脏功能，增加心肌细胞活力并抑制心肌细胞凋亡。Cheng等[24]发现天麻可显著改善H2O2诱导的MFN2、OPA1和FIS1表达水平的变化，但不影响MFN1和DRP1的表达水平。其可以通过调节线粒体动力学，维持线粒体的结构和功能，从而保护心肌细胞免受氧化损伤。

3.2 中药注射剂治疗 刘晓丹[25]实验表明大株红景天注射液可抑制Ser616位点DRP1的磷酸化,上调线粒体融合蛋白OPA1的表达,促使线粒体动力学恢复平衡，维持其管网状结构的完整性，进而发挥保护心肌细胞的作用。Li等[26]实验发现阿霉素诱导的线粒体降低了DRP1 Ser637的磷酸化和AMPK的磷酸化，经过生脉注射液治疗后，很大程度上得以恢复，表明生脉注射液可以通过激活AMP活化蛋白激酶并促进DRP1 Ser637磷酸化抑制了过度断裂和线粒体融合不足，调节损伤心肌中的线粒体稳态，达到保护心肌的目的。

3.3 中药复方治疗 Yang等[27]发现，生脉散可以通过恢复细胞内Ca2+，下调钙调神经磷酸酶A的表达，抑制Ser616上的DRP1的磷酸化，并增加Ser637上的DRP1的磷酸化，以防止心肌细胞线粒体分裂，从而抑制线粒体介导的细胞凋亡，从而减轻HF。Li等[28]亦发现生脉散相关提取物可以抑制线粒体介导的细胞凋亡，可有效防止心肌细胞线粒体分裂并上调AMP活化蛋白激酶，AMP活化蛋白激酶激活可防止缺氧诱导的心肌线粒体分裂，有效减轻心肌细胞的损伤，为将来的临床应用提供了依据。AMP活化蛋白激酶ɑ2是AMP活化蛋白激酶的主要亚型，主要具有促进线粒体代谢的功能[29]。相关研究证实，AMP活化蛋白激酶ɑ2通过激活沉默信息调节因子3/过氧化物酶体增殖物激活受体辅激活物-1ɑ途径减轻线粒体异常分裂并可以改善线粒体融合，有助于维持正常的线粒体动力学，消除线粒体动力学障碍，起到保护心脏的作用[30]。

有研究表明，桃红四物汤可以激活PI3K/AKT信号通路以及降低线粒体FIS1的表达，减少线粒体分裂，减少细胞凋亡，从而对心脏功能产生有益作用，为治疗HF提供了有效的辅助治疗方法[31]。邱志凌[32]研究表明心复康口服液可能增加线粒体融合蛋白MFN1、MFN2、OPA1的表达,下调线粒体分裂蛋白DRP1、FIS1、MFN的表达，抑制线粒体向分裂方向发展，通过调控线粒体动力学，使其恢复平衡状态，起到保护HF大鼠心脏功能的作用。相关研究表明，益气活血方(黄芪、人参、当归、川芎、三七)可以通过上调MFN2、下调DRP1的表达，抑制线粒体分裂，减少生成无功能作用的线粒体的数量，调节线粒体动力学来改善心肌细胞线粒体的结构及功能，以促进心肌代谢能量的供应[33]。养心2号方能上调CHF大鼠心肌组织中融合蛋白OPA1、MFN2的表达，分别触发线粒体内外膜融合，从而改善线粒体动力学以及心肌细胞的能量代谢[34]。

4 讨论

线粒体是能量代谢的重要场所，是高度动态的细胞器，经历分裂和融合的协调循环，维持线粒体形状、功能、遗传和质量控制等对细胞的存亡至关重要[35]。由于心肌是高度耗氧的组织，线粒体在维持心脏的正常生理活动中起核心作用，故线粒体的结构和功能受损跟CHF的发生密不可分。线粒体动力学与代谢相互联系，相互调节，使线粒体更有效地产生能量[36]。目前的各种研究结果表明，在应对各种细胞应激或损伤的状态下，中医药能够有效地帮助其线粒体在分裂、融合的周期中保持一定程度上的平衡，以恢复线粒体的结构及其功能的完整性，使细胞维持正常运转。Liu等[35]实验表明，黄芪丹参汤可恢复DRP1、线粒体动力蛋白49/51(Mitochondrial Dynamics Proteins of 49 and 51，Mid 49/51)丰度，减少DRP1向线粒体的易位，恢复被下调的MFN2，抑制OPA1蛋白水解，促使慢性肾脏病大鼠的线粒体分裂与融合之间的平衡。线粒体融合，分裂和线粒体共同作用以维持线粒体和细胞的体内平衡,如果改变任一方向的分裂与融合之间的正常平衡，可能导致其受损和低效的细胞器积聚，损害细胞的代谢能力[37]。Jieensinue等[38]研究发现丹参酮ⅡA可以通过c-Jun氨基端激酶-Mff途径，激活线粒体裂变诱导大肠癌细胞凋亡，是治疗大肠癌的有效药物。Huang等[39]实验发现，氧化应激状态下，黄芪多糖可以上调融合相关基因线粒体融合蛋白(Mitofusin,Mfn)1、Mfn2和Opa1的mRNA表达，降低裂变相关基因Drp1的表达，改善线粒体功能障碍，对线粒体起保护作用。

总之，线粒体功能障碍在HF发生发展的病理生理过程中起重要作用。目前，对HF患者学的相关研究尚处于起步阶段，一些研究结果存在争议。因此，需要进一步的中药方剂研究来阐明HF学相关作用机制，研究相关中药是否能通过调节学，促进线粒体修复改善HF症状，为科研创新提供新的方向，为临床用药提供理论支持。