冠状动脉内皮细胞线粒体损伤在心肌梗死中的研究进展

张国贤 彭瑜 张钲,

(1.兰州大学第一临床医学院,甘肃 兰州 730000;2.兰州大学第一医院 甘肃省心血管疾病重点实验室,甘肃 兰州 730000)

随着饮食及生活方式的改变,心血管疾病已成为当今世界高发病率的疾病,其中心肌梗死(myocardial infarction,MI)是心血管疾病的急危重症。对于MI患者,梗死面积是影响预后的决定因素。经皮冠状动脉介入治疗和冠状动脉旁路移植术是MI的主要治疗方法,旨在开通血流、减少梗死面积[1]。尽管再通血管的手术使用率和成功率越来越高,但MI的再发病率和死亡率仍然很高。其原因是再灌注后MI患者冠状动脉开通,但微循环和内皮细胞(endothelial cell,EC)出现损伤,出现了无复流现象,这提示可能出现了心肌缺血再灌注损伤(ischemia reperfusion injury,IRI)[2]。而EC线粒体在EC损伤中扮演了重要角色。比较而言,MI中心肌细胞线粒体的损伤机制在以往得到了广泛研究,但冠状动脉EC线粒体损伤的机制还未得到很好的研究。现就冠状动脉EC线粒体的结构及其损伤在氧化应激、炎症、动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)和MI后IRI方面的研究进展和治疗进行综述,以期为MI的相关研究及治疗提供参考。

EC衬于血管内表面,具有维持表面物理结构、控制血管运动张力、调节血管生成、维持微循环功能的作用[3]。线粒体是EC中重要的细胞器,由线粒体外膜、线粒体内膜、膜间隙和基质组成。虽然EC线粒体占总细胞质相对质量的2%～6%,但EC的数量至少是心肌细胞的3倍,所以EC中线粒体作用不可忽视。在EC线粒体中,线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)是一种多拷贝、环状、双链DNA分子,分为编码区和非编码区。编码区主要编码转运RNA、核糖体RNA和13个线粒体呼吸链中的蛋白。非编码区也称D环区,调节mtDNA的复制和转录。由于mtDNA无核膜的包裹,所以mtDNA的突变频率是核DNA突变频率的5～15倍[4-5]。既往研究[6]发现,EC更依赖糖酵解作为能量来源,并通过糖酵解产生超过80%的腺苷三磷酸,但还通过氧化磷酸化产生15%的腺苷三磷酸。氧化磷酸化过程中会产生代谢副产物活性氧(reactive oxygen species,ROS),包括过氧化氢和超氧阴离子。ROS作为传递生理信号的第二信使,在最佳浓度时激活细胞内多种信号转导途径,影响细胞的增殖、存活或死亡。因此,维持EC线粒体的mtDNA和能量产生方式的正常极为重要。

1 冠状动脉EC线粒体质量控制

线粒体质量控制(mitochondrial quality control,MQC) 是调节线粒体结构、功能和质量的重要机制,包括线粒体融合、分裂、生物发生和自噬(机制见图1)。因此,线粒体是一个动态变化的细胞器。EC线粒体的融合是指两个单独的线粒体在线粒体融合蛋白和视神经萎缩蛋白1两种调节因子的介导下将内容物(包括mtDNA、代谢物和线粒体识别蛋白)混合。在此过程中,线粒体融合蛋白位于线粒体外膜促进外膜的融合,视神经萎缩蛋白1在线粒体内膜促进线粒体内膜的融合。线粒体的融合可修复受损的mtDNA、恢复受损的膜结构,并使蛋白质和代谢产物更好地分布,被认为是组织修复的重要步骤。EC线粒体的分裂是指线粒体在受到刺激(如缺血/缺氧)时分裂为两个,缺乏膜锚定结构域的细胞质蛋白——动力相关蛋白1在线粒体周围寡聚后,会与其他相关蛋白结合到线粒体表面,共同促进多步骤的线粒体分裂,其他蛋白包括分裂蛋白1和线粒体分裂因子等。分裂后的低膜电位线粒体会通过自身上的Parkin结构域与溶酶体上的LC3区域相互作用,形成自噬体,导致线粒体分解为多个囊泡。线粒体自噬促进受损线粒体的降解,以维持线粒体内稳态。分裂后正常的线粒体会在过氧化物酶体增殖物活化受体γ协同刺激因子-1α(peroxisome proliferators-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)的作用下进行生物发生,形成多个功能正常的线粒体。一般来说,动力相关蛋白1介导的线粒体分裂增强会促进线粒体自噬和线粒体生物发生,而线粒体自噬作用较强时也会促进线粒体的生物发生。MQC机制在生理情况下维持EC线粒体正常功能,在病理情况下可能开启线粒体的凋亡途径[7-10]。

注:MFN,线粒体融合蛋白;OPA1,视神经萎缩蛋白1;Drp1,动力相关蛋白1;Fis1,分裂蛋白1;Mff,线粒体分裂因子。图1 EC MQC机制示意图

2 EC线粒体损伤在MI中的作用机制

2.1 EC线粒体损伤与氧化应激

ROS是氧化应激过程中的关键信号分子。缺血/缺氧时会刺激EC中的NADPH氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,Nox),此酶是产生线粒体ROS(mitochondrial-derived ROS,mROS)的主要酶。Nox上调导致mROS增多,刺激具有易突变性的mtDNA突变,造成EC线粒体损伤[5]。在mtDNA突变后,氧化呼吸链蛋白合成受阻,又继续增加mROS生成。EC线粒体损伤会加速EC衰老,增加细胞质内的ROS生成,造成胞内高ROS环境[11]。既往研究发现EC中的一氧化氮(nitric oxide,NO)不但可直接清除超氧化物降低ROS水平[12],还可通过NO-sGC-cGMP通路增加环磷酸鸟苷(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)浓度扩张血管,但mROS将NO氧化为过氧亚硝酸盐[10],这将明显降低NO的生物利用度,导致血管收缩。其他研究[11]发现,高低密度脂蛋白水平会上调Nox活性,产生更多的mROS以加速EC的衰老。而EC中Nox下调可恢复EC线粒体的活性,减少mROS的产生[13]。Amruta等[14]的研究发现,减少小鼠EC线粒体超氧化物自由基可抑制线粒体去极化,减少线粒体损伤。有研究[15]发现在MQC机制中,抑制EC线粒体的融合会破坏线粒体内稳态,导致氧化应激损伤。线粒体自噬受到抑制时会导致线粒体功能障碍,使得EC内超氧化物阴离子聚集[16]。García-Quintans等[17]的研究发现,敲除小鼠EC中引起线粒体生物发生的主要调节因子PGC-1α基因后,EC表现出更高的ROS水平,提示线粒体生物发生降低与氧化应激有关。这些研究可证明EC线粒体损伤和氧化应激密切相关。

2.2 冠状动脉EC线粒体损伤与炎症及AS

既往研究[1]已表明,炎症是AS的重要发生机制。缺血等外界刺激使得EC线粒体产生大量的mROS,接着EC中的线粒体钠钙交换蛋白活力下降,向外排出Ca2+能力下降,导致膜内的Ca2+超载,继而促进了线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,mPTP)开放,导致线粒体通透性增加[18]。Ca2+超载会导致Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ的上调,Rusciano等[19]的研究发现Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ上调能触发炎性小体,激活炎症反应。大量ROS、Ca2+超载、mPTP开放三者相互影响,形成恶性循环,最终引起内皮炎症。受损的EC还上调黏附分子以刺激促炎细胞分泌促炎细胞因子[20],如白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α和单核细胞趋化蛋白1,并诱导EC中环氧合酶的表达以放大炎症反应[10]。上述机制不断进行,最终形成炎症的恶性循环。除此之外,损伤的EC线粒体引起应激反应,会激活衔接蛋白p66Shc,该蛋白为线粒体功能障碍过程中的关键调节因子,可使mPTP进一步开放,最终导致线粒体肿胀,膜电位降低[21]。Zhao等[22]的研究发现,p66Shc的高表达可明显促进线粒体ROS的产生和NLRP3炎性小体的激活,而p66Shc的低表达则产生相反的效果。Puhm等[23]的研究发现,用线粒体应激抑制剂或mROS生成抑制剂处理后的细胞线粒体促炎性降低,继而减轻EC炎症反应。在一项AS的研究[24]中也发现,抗炎细胞因子可逆转mROS介导的急性炎症反应。在人主动脉内膜的研究[25]中,mtDNA发生突变使EC线粒体损伤,会导致血管内皮炎症,且mtDNA突变的数量和EC损伤严重程度之间具有相关性。Mao等[26]在一项肥胖和内皮炎症的研究中发现,使用干扰素基因刺激剂使线粒体损伤和mtDNA泄漏到细胞质中,会激活细胞质DNA传感器环鸟苷酸-腺苷酸合成酶,后者介导内皮炎症发生。而在缺乏干扰素基因刺激因子的小鼠中,肥胖对内皮炎症的影响得到了缓解。此外,EC线粒体生物损伤后,MQC机制中的线粒体自噬作用减弱,这将导致冠状动脉EC中的白细胞介素-8、基质金属蛋白酶-9、单核细胞趋化蛋白1等促炎因子表达增加,脂类物质聚集,血管壁的局部炎症逐渐加重,平滑肌及巨噬细胞发生迁移并不断吞噬脂质,最终形成AS[10]。线粒体生物发生关键调节因子PGC-1α还可降低炎症因子的活性,并阻止氧化低密度脂蛋白进入EC,保护EC并抑制AS的形成[27]。上述研究表明,EC线粒体损伤会促进EC的炎症,加速AS的形成。

2.3 EC线粒体损伤与IRI

EC作为冠状动脉微循环的主要结构,其损伤和死亡都会导致IRI[28]。EC主要为厌氧代谢,因此可耐受缺氧的时间较长,但对缺氧后的再灌注特别敏感[29]。再灌注后由于炎症反应和其他炎性物质增加,导致EC线粒体中的mROS增多,高mROS直接诱导线粒体内膜中心磷脂的氧化,降低了线粒体膜电位和完整性,同时损害内膜与细胞色素c结合,导致细胞色素c泄漏到细胞质中,激活胱天蛋白酶-9诱导的线粒体凋亡,引起EC损伤,最终导致微循环IRI[30]。而Wu等[31]的研究则观察到IRI显著下调了EC中的抗氧化分子,如谷胱甘肽、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶。同时mROS增多将导致mPTP通道开放和Ca2+超载,EC线粒体膜电位降低,发生肿胀并丧失功能,激发线粒体自噬,使得剩余有正常生理功能的EC线粒体减少,EC进一步损伤,最终形成恶性循环,加重IRI[11]。有研究[14]证明,清除过量的mROS则可减轻炎症和IRI。除此之外,Lai等[15]在研究脑IRI时发现,mtDNA含量和线粒体生物发生因子表达的增加会显著改善脑IRI,提示增加线粒体生物发生因子的表达可能是防止IRI的重要途经。在线粒体MQC机制中,轻度受损的线粒体可通过线粒体的融合恢复受损的DNA、膜或蛋白质,保护EC免受IRI[32]。长时间缺血后,EC线粒体严重受损,Parkin转移到EC中的线粒体,线粒体自噬激活。然而,长时间缺氧后的复氧会抑制线粒体自噬,受损线粒体不断积累,最终导致EC线粒体的凋亡[31],Zhou等[33]的研究也证明线粒体自噬的抑制会导致IRI。

3 基于EC线粒体损伤的MI治疗策略

在体外细胞研究中,Jankauskas等[34]发现线粒体靶向抗氧化剂可能是保护EC线粒体并减轻EC氧化应激损伤的药物。Zhai等[35]发现EC线粒体损伤时胰高血糖素样肽-1激动剂减轻内皮IRI的机制是调节受到抑制的NO-cGMP通路。银杏叶提取物761以剂量依赖的方式抑制影响mtDNA修复系统的氨基甲基转移酶通路,稳定mtDNA并降低mROS水平以保护EC功能[10]。在动物研究中,Tyrrell等[36]发现,口服一种天然的自噬激活剂亚精胺可降低Parkin诱导的线粒体自噬,减轻白细胞介素-6介导的炎症,最终减轻线粒体损伤并抑制AS生成。Zou等[37]发现临床上广泛用于调节血糖和心功能的钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂恩格列净可抑制分裂蛋白1磷酸化和线粒体裂变,维持EC线粒体稳态,保护心脏微循环,避免IRI。Fu等[38]的研究发现,表儿茶素没食子酸酯能减少mROS生成并抑制线粒体自噬,于此同时,它也能促进微循环EC的迁移和新生血管的生成。褪黑素作为抗氧化剂可抑制线粒体功能障碍,防止IRI[39]。最近的研究[10]发现,抑制过氧化氢酶的过表达也能减轻氧化应激,减少mtDNA损伤,干细胞通过隧道纳米管状结构介导的线粒体转移和运动都可能是EC线粒体损伤的治疗方式。但上述方法通常不具有细胞类型特异性,除了作用于EC线粒体外,更多时候会作用于心肌细胞线粒体。且针对EC线粒体损伤的治疗多处于体外试验或动物实验中,还需在人体临床试验中进一步验证。

4 总结与展望

心血管疾病中的MI一直是医学科研工作者和临床医师关注的重点。冠状动脉EC在MI中的作用极其重要。EC线粒体的结构以及MQC机制异常都可影响氧化应激、炎症反应和MI后的IRI。然而体外试验或动物实验中对EC线粒体损伤的治疗策略却未能转化为临床治疗。虽然既往对MI中EC线粒体的结构异常进行了许多研究,但对EC线粒体的功能异常却研究较少,将来还需进一步探索。期待未来有更多学者去研究EC线粒体功能异常相关分子调控机制和探索EC线粒体损伤的靶向治疗方法,并将其应用于临床。