线粒体功能障碍与帕金森病治疗

柯姝安 陆金立 张 琦

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是常见的神经退行性疾病之一，其发病机制尚不明确，最主要的治疗手段是药物治疗。左旋多巴制剂是治疗PD最有效的药物，但临床的治疗目的主要是改善症状，不能阻止病情进展。近年来，线粒体功能障碍被认为是PD的主要发病机制之一[1-2]。线粒体功能障碍主要表现为过量活性氧(reactive oxygen species, ROS)的生成、线粒体电子传递复合物酶活性的缺陷、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)的耗竭、半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)的释放和线粒体脱氧核糖核酸(mitochondrial deoxyribo nucleic acid, mtDNA)的耗竭等。以线粒体为靶向的药物治疗主要通过抗氧化、诱导线粒体生物发生、促进线粒体自噬、调节代谢等机制发挥作用，已成为PD预防或治疗的研究热点[3-4]。本文将从PD发病中的线粒体功能障碍及病理机制、以线粒体为靶向的PD治疗策略等方面开展综述。

1 PD中的线粒体功能障碍

PD是常见的神经退行性疾病，其病理学的关键特征是黑质纹状体-多巴胺能通路的变性，这是大脑中最重要的多巴胺(dopamine，DA)通路之一。目前，PD尚无有效的治疗措施，仅有对症治疗。线粒体作为新的药物靶点，在PD的治疗中具有潜在的研究和应用价值，开发具有线粒体保护功能的药物并深入探讨其作用机制成为PD治疗研究的迫切需要。

临床研究[5-6]发现，线粒体损伤在PD患者发病中起重要作用。在PD患者的黑质、血小板和淋巴细胞中均有线粒体电子传递链复合物I活性的轻度缺失，表明PD患者的复合物I活性受到抑制[7]。线粒体功能障碍可导致氧化应激反应增加，在衰老过程中可能存在线粒体功能障碍和ROS损伤的积累，需要达到细胞功能障碍和变性的临界阈值才能引起疾病的发生。

PD动物模型中线粒体损伤引起的氧化应激反应增加也被认为是多巴胺能神经元变性的原因之一。线粒体复合物I抑制剂，如鱼藤酮(rotenone)、1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)等被广泛用于PD动物模型的制备，制备的模型中能检测到mtDNA的缺失、ROS的产生和氧化应激反应的增加。这些化合物通过引起线粒体功能障碍导致PD的发生，但线粒体功能或氧化损伤的系统性失调如何导致组织或细胞类型的特异性损伤仍有待阐明。

2 线粒体功能障碍的病理机制

2.1 线粒体动力学紊乱 线粒体组织在一个高度动态的管状网络中，通过融合和分裂的相反过程不断重塑，在融合和分裂之间保持着动态平衡，以确保线粒体的正常功能[8]。融合过程对于线粒体的相互作用和通讯是至关重要的，分裂促进了线粒体分离并增强了线粒体沿着细胞骨架轨迹的更新和分布。融合和分裂使线粒体膜和内容物能够正确地交换和混合，这种动态过程不仅控制着线粒体的形态，还控制着线粒体的亚细胞定位和功能[9]。融合或分裂缺陷限制了线粒体运动、减少能量产生并且增加氧化应激，从而导致细胞功能障碍和死亡[10]。在哺乳动物细胞中，线粒体融合受线粒体融合蛋白1/2(mitofusin 1/2, Mfn1/2)和视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1, Opa1)的调控，而线粒体分裂受发动蛋白1相关蛋白(dynamin-related protein 1, Drp1)、线粒体分裂蛋白1(mitochondrial fission 1 protein, Fis1)、线粒体分裂因子(mitochondrial fission factor, Mff)和线粒体动力蛋白(mitochondrial dynamics protein of 49/51, Mid49/51)的调控。

随着神经元的衰老，线粒体融合和分裂的速率下降，线粒体融合与分裂失衡可能导致了多巴胺能神经元选择性死亡，是PD发生的早期病理机制之一[11-12]。虽然在PD患者中尚未发现典型的线粒体分裂和融合基因的突变，但越来越多来自毒素或者基因突变PD动物模型的证据支持了线粒体动态紊乱参与PD的假说。神经毒素，包括6-羟基多巴胺(6-hydroxydopamine, 6-OHDA)、鱼藤酮和1-甲基-4-苯基吡啶离子(1-methyl-4-pehnyl-pyridine, MPP+)等均能诱导线粒体片段化，导致多巴胺能细胞死亡[13-15]。Drp1是突触形成所必需的，对于线粒体靶向运输至多巴胺能神经元末端至关重要，缺乏Drp1会导致小鼠中脑神经元的退化[16]。Mfn2的缺失或神经元Mfn2的条件性敲除导致小鼠年龄依赖性的运动缺陷，伴随着纹状体中多巴胺能末端的缺失[17-18]，过表达Mfn2则可以防止神经毒素诱导的线粒体分裂和神经元细胞死亡[19]。由此可见，维持细胞中线粒体融合和分裂动力学平衡可能有助于PD的治疗。

2.2 线粒体自噬障碍 自噬是一种细胞降解过程，其包裹的内容物被与溶酶体融合的自噬体所降解。正常情况下，通过自噬作用可以选择性清除细胞内多余或受损线粒体，以保证线粒体的正常数量和功能，此过程称为线粒体自噬。在PD等神经退行性疾病中，线粒体自噬功能紊乱起着关键作用。暴露于6-OHDA、鱼藤酮或MPP+等神经毒素的细胞，表现出自噬体和相关的神经细胞死亡数量的增加[20-22]。磷酸酶及张力蛋白同源物诱导的蛋白激酶1(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)和Parkin突变是目前公认的PD致病基因[23]，在哺乳动物细胞中，PINK1依赖的Parkin蛋白激活通路是线粒体自噬的主要途径[24-25]。PINK1/Parkin介导的线粒体自噬过程障碍会导致受损线粒体的积累，从而引起ROS生成和细胞死亡的增加[26]。另一个PD相关基因DJ-1的表达降低也会导致线粒体膜电位降低、ROS增加、线粒体过度片段化和自噬受损[27]。而PINK1和Parkin的过表达可以挽救由DJ-1缺失诱导的线粒体片段化和功能障碍[28]，因此PINK1、Parkin和DJ-1可能在线粒体自噬途径中发挥相互影响的作用。

富含亮氨酸重复激酶2(Leucine-rich repeat kinase 2,LRRK2)也是PD的致病基因之一，在多种PD动物模型和来源于PD患者的诱导性多能干细胞中均发现了LRRK2介导的线粒体自噬[29-30]。LRRK2基因敲降或者LRRK2激酶抑制剂均能导致培养的人神经母细胞瘤(SH-SY5Y)细胞的自噬流增加，过表达突变形式的LRRK2则可抑制自噬，其作用机制可能与破坏溶酶体相关的钙储存和内含物降解相关[31]。

3 靶向线粒体的PD治疗策略

鉴于线粒体功能障碍在PD发病机制中的重要性，以线粒体为靶向的药物治疗已成为PD预防或治疗的研究热点。虽然神经毒素诱导的PD模型和基因突变相关的PD模型的细胞表型和病理表型不完全相同，但是线粒体功能障碍是其共同结果。目前，以线粒体为靶向的药物治疗主要通过以下几种机制发挥作用。

3.1 抗氧化 一系列临床前研究[32-34]表明，抗氧化剂可以减缓PD中的线粒体功能障碍，虽然这些研究尚未在临床试验中转化成功，但在PD的治疗中具有潜在的应用前景。

辅酶Q10(Coenzyme Q10, CoQ10)是一种能保护线粒体功能的抗氧化剂，在细胞和动物PD模型中均具有保护作用[35]。但大型临床试验[36]发现，虽然CoQ10安全性和患者耐受性良好，但以PD评定量表(unified Parkinson’s disease rating scale, UPDRS)评分的变化作为主要的最终指标，CoQ10对PD的进展并无显著影响，未达到预期的临床效果。线粒体靶向抗氧化剂(Mitoquinone Q, MitoQ)可以减少6-OHDA诱导的PD模型中的多巴胺能神经元死亡，其机制可能与激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α, PGC-1α)、增强Mfn2依赖的线粒体融合相关[37]。吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)是一种氧化还原辅助因子，能够显著减少鱼藤酮诱导的SH-SY5Y细胞和中脑神经元中过量ROS的生成；通过对氧化应激标志物谷胱甘肽(glutathione, GSH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和丙二醛(malondialdehyde, MDA)的检测，发现PQQ能够增加PD模型中大鼠的抗氧化能力，在PD模型中发挥保护作用[38-39]。

3.2 诱导线粒体生物发生 线粒体生物发生是在细胞中形成新线粒体的过程，通过诱导线粒体生物发生来减轻线粒体功能障碍是一种很有前景的治疗策略。研究[40]表明，核转录因子可以促进线粒体基因的表达，其中PGC-1α被认为是线粒体生物发生的主要调节因子，PGC-1α的水平降低可间接诱导α-突触核蛋白毒性和线粒体功能障碍。最近的几项研究[41-44]表明，通过增加线粒体生物发生来重建线粒体内稳态，可抑制多巴胺能神经元的丢失，促进神经功能恢复。三萜类化合物可激活PD小鼠模型中的核转录因子(nuclear factor erythroid-2 related factor 2,Nrf2)途径，从而促进线粒体生物发生和抗氧化基因的表达[45]。PGC-1α激动剂苯扎贝特(Bezafibrate)也能通过促进线粒体生物发生改善PD模型鼠的运动功能[46]。鱼藤酮暴露后，白藜芦醇可以改善鱼藤酮损伤细胞和动物模型中的线粒体稳态，通过线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)和PGC-1α促进线粒体生物发生[47]。线粒体生物制剂LY344864可通过增加PGC-1α表达，诱导不同脑区的线粒体生物发生，促进PD小鼠模型中mtDNA的表达，提高小鼠的运动能力[48]。抗氧化剂PQQ也能够促进鱼藤酮损伤细胞中的线粒体数量减少和形态改变，并且通过上调中脑组织中PGC-1α和TFAM的表达，增加线粒体的生物发生，从而促进PD模型鼠运动功能恢复[49-50]。以上研究表明，促进PGC-1α表达和诱导线粒体生物发生可能是开发PD治疗药物的新靶点。

3.3 促进线粒体自噬 虽然线粒体自噬紊乱在PD的发病机制中具有重要的作用，但由于缺乏选择性增强线粒体自噬的药理学试剂，这种策略目前在PD治疗中的应用受到限制。在体外可诱发线粒体自噬的化合物，例如三氟羰基氰化物苯腙和抗霉素/寡霉素组合，具有毒性和非特异性作用，可引发非生理水平的线粒体自噬，因此它们不适合用于PD的治疗[51]。最近有研究[52]发现，乳酸和丙酮酸能够在无毒浓度下降低细胞内pH值，并通过激活线粒体自噬在MPP+诱导的SH-SY5Y细胞损伤模型中发挥保护作用。大豆异黄酮具有多种有益的生物活性，也能通过激活自噬对阿特拉津诱导的线粒体功能障碍和神经毒性发挥保护作用[53]。但以上研究均在细胞水平，目前还缺乏相应的动物模型和临床前研究。

3.4 调节代谢 参与葡萄糖代谢的激素如生长激素释放多肽(ghrelin)和胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)也可以调节线粒体功能[54-55]。生长激素释放多肽能增加鱼藤酮和MPTP损伤细胞的细胞活力，改善线粒体功能，减少细胞损伤的发生[56-57]。新型糖依赖性胰岛素释放肽(glucose-dependent insulinotropic peptide, GIP)-1/GLP双重激动剂在MPTP小鼠模型中可以通过增强脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)的水平防止运动功能的损伤[58]。肌酸在细胞能量稳态中起着关键作用，口服肌酸补充剂能减少MPTP小鼠模型中黑质多巴胺能神经元的丢失[59]。由此可见，通过调节线粒体能量代谢对PD模型也具有保护作用。

4 小结与展望

线粒体功能障碍是PD发病机制中的研究热点，以线粒体为靶向的药物治疗研究具有潜在的临床应用价值。目前靶向线粒体功能障碍的药物多针对几个关键环节如抑制ROS生成、促进线粒体生成、防止mtDNA损伤、促进线粒体自噬等，但大部分研究仅在体外细胞水平验证了这些药物的神经保护作用，且多数药物仅能作用于线粒体功能障碍的某一个环节。由于PD患者中mtDNA、线粒体动力学和线粒体自噬等都受到损伤，如能开发在体内同时作用于线粒体功能障碍多个方面的治疗策略，将能更加有效的保护多巴胺能神经元，减少细胞死亡发生，促进PD患者功能恢复。