基于线粒体功能障碍探讨气虚的生物学基础

李国栋 李改杰 李丽 焦扬

整体观念和辨证论治是中医的精髓,而随着现代医学的发展,辨病与辨证相结合则成为中医诊疗的一大特色,它是中医学辨证思维与现代医学科学唯物论的结合以及中医学整体观念与现代医学微观局部的结合的体现。利用现代医学的理论及技术手段阐释中医理论的科学内涵,探究中医证型的生物学基础,将中医辨证与西医辨病有机结合,有利于中医理论的进一步传承与推广。本文将从线粒体功能障碍的角度探讨中医气虚的生物学基础,量化中医证型标准,为证的诊断客观化、规范化和病证分型治疗提供有力依据。

1 生理功能相似性:线粒体与中医“气”的相似性

现代医学认为,线粒体是活细胞有氧呼吸的场所,通过一系列氧化及磷酸化反应把人体消化吸收的食物和呼吸摄入的氧气结合从而产生能量,它能够为机体提供90%以上的能量。而中医上认为,营气源于脾胃,生于水谷,由脾胃运化所得水谷之精而化生,宗气是由肺吸入的清气与脾胃化生的水谷之气结合而成。宗气的主要功能是推动肺的呼吸和心血的运行,并与能量的供应、寒温的调节、机体的运动均有重大关系[1]。笔者认为现代医学线粒体功能与中医“气”有着极高的相似性,具体表现在以下四个方面。

1.1 线粒体功能与气的推动作用相似

线粒体呼吸链的功能以及参与氧化还原反应产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),为机体生命活动提供能量,这与中医学所说气的推动作用相似。ATP是机体绝大多数生理活动的直接能源,而线粒体则是细胞的“电力站”,为有机体生成90%的ATP。同样,在中医上,人体脏腑经络的生理功能、机体的生长发育、全身血液的循环、津液的输布,都依靠气的激发和推动作用。

1.2 线粒体功能与气的气化功能相似

线粒体是生物氧化的场所,参与氨基酸、脂类、核苷酸的合成,这与中医学所说气的气化功能相类似。线粒体是糖类、脂肪以及氨基酸最终氧化并释放能量的场所,三羧酸循环和呼吸链的氧化磷酸化是上述生物过程的共同途径[2],参与物质转化及能量合成等一系列生物过程。而中医学上,气化就是通过气的运动产生各种变化,也就是体内物质转化和能量转化的过程,表现在精、血、津液各自的代谢及相互转化。

1.3 线粒体功能与气的防御作用相似

线粒体参与固有免疫反应,能够调节抗病毒、细菌免疫性,这与中医学所说气的防御作用相似。研究表明,线粒体相关病毒传感器可以诱导干扰素-γ的分泌而介导抗病毒反应的发生,并能调控固有免疫反应[3]。此外,线粒体活性氧参与炎症因子的分泌,通过多种信号途径调控机体的固有免疫反应。而中医学上,气能够固护肌表、抵御外邪、祛邪外出。

1.4 线粒体功能与气的温煦作用相似

线粒体参与体温调节,维持体温恒定,这与中医学所说气的温煦作用类似。线粒体产生ATP,除供给生命活动之需以外,其余以热能形式释放,维持体温。在中医上,气的温煦作用指的就是气具有产生热量、祛除寒冷,令人体温暖的功能。

由此来说,从生理功能上看,现代医学线粒体与中医学所说“气”均参与精微物质之间相互转化并供能,可以祛邪防御,维持机体体温恒定,共同推动并促进机体的生长发育,两者高度契合。

2 病理机制相关性:气虚证出现不同程度线粒体功能障碍

线粒体功能障碍是指由于线粒体膜受破坏、呼吸链受抑制、酶活性降低、线粒体DNA损伤等引起能量代谢障碍,进而导致一系列相互作用的损伤过程[4]。线粒体功能障碍的具体机制可能与线粒体生物合成减少、氧化应激、老化等环境因素以及线粒体DNA突变的遗传因素有关[5]。其表现形式也是多样的,如能量代谢异常、氧化应激亢进、自噬功能障碍、内质网应激、凋亡的激活和线粒体DNA突变等[6],进而影响多种疾病的发生与发展。

2.1 心气虚与线粒体功能障碍

心力衰竭时氧自由基产生是典型的线粒体功能障碍的表现形式,心气虚是心衰初期的根本病机所在。氧自由基是在缺血缺氧的心气虚的状态下产生的“邪”。心气虚则正气亏损,邪气内生,氧自由基生成。反之,氧自由基大量生成又可助长邪气,使心气虚更加严重,这与氧化应激反应损伤线粒体后,ATP生成持续减少,能量代谢紊乱的恶性循环不谋而合[7]。当心脏前阻力增加,心肌能量被消耗,心肌能量代谢底物合成减少,加剧氧化应激损伤,与心肌缺血再灌注引起的心气虚血瘀的病机类似[8]。

2.2 肺气虚与线粒体功能障碍

研究表明,线粒体相关蛋白Drp1、Mfn1蛋白表达和ATP含量变化极有可能是导致慢性阻塞性肺疾病大鼠出现气虚证症状的内部机制因素[9]。用纤维支气管镜、扫描电镜观察了肺气虚证患者支气管粘膜超微结构,发现肺气虚证患者的气管底层的结缔组织中可见较多数量的白细胞,胞质中线粒体数目减少并且有损伤[10]。慢性阻塞性肺疾病肺气虚证患者外周血有核细胞线粒体膜电位、细胞内活性氧有明显的变化,表明肺气虚与线粒体功能障碍有一定相关性[11]。

2.3 脾气虚与线粒体功能障碍

用透射电镜观察脾气虚大鼠肝细胞超微结构发现,其肝细胞及空肠细胞线粒体肿胀、基质变浅、空泡变淡、嵴断裂及排列紊乱等随病程延长而逐渐加重[12]。除线粒体结构发生变化之外,有研究表明脾气虚证大鼠回肠组织中谷胱甘肽过氧化物酶活性及丙二醛含量发生变化,通过影响线粒体膜脂代谢、抗氧化能力、抗自由基及线粒体膜酶活性等方面共同调控,这可能是脾气虚证病理机制之一[13]。

2.4 其他脏腑气虚与线粒体功能障碍

“气虚浊留”是糖尿病肾病重要的病机,气虚和浊留贯穿疾病始终,而现代医学中肾脏内线粒体能量代谢障碍所致的肾小管重吸收功能降低和肾小球滤过屏障受损却恰似中医(肾)气虚不固的病机[14]。线粒体自噬过度[15]、线粒体能量代谢[16]及线粒体氧化应激[17]等是脑梗死或脑缺血再灌注损伤过程中重要的发病机制,而线粒体自噬过度,就相当于中医学的荣气气化无力,气、血、精、津等精微物质耗损过度而无以化生,脑髓无所充养,此即脑梗死气虚之病机所在[18]。

从病理机制来看,不同脏腑气虚证可出现不同类型及不同程度的线粒体功能障碍,气虚证患者或动物模型均有线粒体结构直接损伤、能量代谢失常、自噬功能障碍等不同类型的表现,而这些不同的表现形式统称为线粒体功能障碍,两者在致病的病理机制方面是相关联的。

3 异病同治可行性:从气虚论治可促进不同疾病线粒体功能修复

线粒体功能障碍是导致多种疾病的重要病理环节,在中医上从气虚论治均能够收到良好效果。慢性心力衰竭时心肌线粒体形态和呼吸功能损伤,ATP含量减少,能量供应不足,而芪参益气方可以显著改善线粒体结构和呼吸功能,增加ATP的产生[19]。四君子汤是治疗脾胃气虚的经典名方,研究表明四君子汤加减治疗可以提高餐后不适综合征患者外周血线粒体拷贝数含量[20],还可以通过提高细胞内线粒体琥珀酸脱氢酶和细胞膜Na+-K+-ATP酶活性、消除自由基而达到保护胃肠细胞作用,从而改善功能性消化不良的各种症状。脾气虚能够使心肌细胞线粒体发生突变、缺失,进而导致呼吸链酶复合物活性下降,而益气健脾中药则能调节心肌组织线粒体呼吸链酶复合物Ⅱ和复合物Ⅳ活性[21]。脾气虚大鼠存在线粒体肿胀变圆,大量线粒体空泡化的现象,而通过电针“足三里”穴可以纠正脾气虚模型大鼠骨骼肌线粒体分裂融合的失衡状态,进而改善线粒体结构和功能的破坏,提高能量代谢水平[22]。此外,补肾益元中药能够保护运动性疲劳大鼠的睾丸间质细胞及细胞内线粒体结构,而这种对睾丸组织结构的保护作用可能是延缓运动性疲劳肾气虚的机理[23]。

慢性心力衰竭、功能性消化不良、餐后不适综合征、运动性疲劳等不同系统疾病出现线粒体功能障碍,根据症状从中医角度可以辨证为气虚证,从气虚论治后疗效确切,线粒体功能也得到恢复,这是中医学异病同治思想的高度体现。

4 综合分析可靠性:多组学检测及生物信息学分析揭示气虚的生物学基础

生物信息学能够解析中药及复方的多成分、多途径、多靶点,预测中药及复方的物质基础及作用机制。代谢组学是通过对代谢产物进行定量和定性分析,探寻生物标记物并解释作用机制。蛋白质组学从分子生物学角度研究机体在蛋白质水平上的定量、动态及整体性。通过生物信息学、代谢组学及蛋白质组学探究中医气虚证的生物学基础,可以实现中医证候的量化及标准化,其核心思想与多靶点的研究方法同中医证候的“整体观”“动态观”特征具有高度的一致性。

4.1 线粒体膜蛋白酶系

利用生物信息学分析益气健脾经典名方四君子汤的生物学基础,发现其有效成分对应的分子靶标所富集的信号通路主要属于亚油酸和脂质分解调节通路[24],通过代谢组学分析表明心肌梗死恢复期气虚血瘀证患者亚油酸、花生四烯酸等脂肪酸物质下调[25],而亚油酸作为人体必需脂肪酸在线粒体外膜参与磷脂的合成,并以磷脂的形式存在于线粒体和细胞膜中。通过蛋白质组学探寻气虚大鼠的生物学基础,研究发现气虚证大鼠细胞色素C、ATP合成酶显著降低,通过人参干预后其水平显著上调[26]。细胞色素C作为线粒体内膜固有蛋白,是线粒体启动凋亡程序的关键物质,还可以通过干扰呼吸链电子传递的运输、促进活性氧自由基的产生、阻断能量合成等方式间接参与细胞凋亡过程[27];ATP合成酶是线粒体内膜上的蛋白酶,ATP生成的催化剂,在线粒体氧化磷酸化过程中有重要作用,当机体在缺氧及疲劳等状态下,ATP合成酶受到损伤,活力下降,与气虚证倦怠乏力的表现相吻合。由此推测,气虚证时线粒体膜蛋白酶系表达降低,而补气药可以作用于线粒体膜蛋白酶促进线粒体功能的发挥,以调节物质和能量代谢。

4.2 线粒体呼吸链复合物

线粒体是供能场所,主要通过氧化磷酸化与细胞呼吸的耦合产生ATP,而此过程是由线粒体呼吸链来完成的。线粒体呼吸链包含五种酶复合物,即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶Q还原酶(复合物Ⅰ)、琥珀酸辅酶Q还原酶(复合物Ⅱ)、泛醌细胞色素C还原酶(复合物Ⅲ)、细胞色素C氧化酶(复合物Ⅳ)和F1F0-ATP合成酶(复合物Ⅴ)。线粒体呼吸链复合物活性的改变,造成电子传递和ATP合成障碍。研究表明,芪参益气滴丸及其主要补气成分黄芪甲苷可以抑制线粒体复合物V的亚基ATP5D低表达,改善因呼吸链复合物功能下降所致的能量代谢异常[8]。另有研究发现,与治疗组比较,气虚组大鼠的线粒体呼吸链酶复合物Ⅱ和复合物Ⅳ活性降低,说明大鼠在脾气虚状态下呼吸链酶复合物活性下降,线粒体功能出现异常,同时表明益气健脾中药能够逆转脾虚大鼠的线粒体功能损伤[21]。脾气虚组大鼠脾脏组织的线粒体呼吸链四种复合物(复合物Ⅰ～Ⅳ)活性显著低于正常对照组,提示脾气虚证中脾脏线粒体ATP合成障碍可能是由于氧化磷酸化中的呼吸链复合物活性改变而造成的[28]。

4.3 三羧酸循环中间产物

通过对气虚质用药组前后代谢组学分析,差异代谢物主要包括蛋氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等多种氨基酸组分,而这些组分可通过不同途径变成α-酮戊二酸和草酰乙酸,参与三羧酸循环[29]。脾气虚体质患者与健康人的代谢组学分析表明,左旋肉碱和十六烷二酸单左旋肉碱酯在两种人群中存在差异,这两种物质首先在细胞质中活化成脂酰辅酶A,入线粒体内进行β-氧化,脂肪酸氧化分解为乙酰辅酶A进入三羧酸循环彻底氧化分解,为机体供能[30]。利用代谢组学探索气虚证大鼠生物学基础,研究发现吲哚乙酸是气虚大鼠血浆差异代谢物,而吲哚乙酸是色氨酸代谢产物,主要通过犬尿酸原代谢途径产生乙酰辅酶A,进入三羧酸循环进行彻底氧化供能,气虚大鼠乙酰辅酶A含量显著减少,供能减少,导致能量代谢紊乱[31]。利用肺组织蛋白质组学对肺气虚证大鼠和正常大鼠作为对照进行差异分析,与气虚大鼠比较,正常大鼠肺组织苹果酸脱氢酶高表达[32],与陈银芳等[26]研究一致,而苹果酸脱氢酶在线粒体内主要催化苹果酸氧化,是三羧酸循环中的重要酶之一,对体内营养物质的彻底氧化或相互转变均起重要作用,是彻底氧化产能的重要酶类。

利用生物信息学分析、代谢组学、蛋白质组学等现代技术手段实现对中医气虚证的客观化分析,为解析气虚证的生物学基础提供可靠的数据支持。通过综合分析,不同的实验发现气虚证的差异代谢物及差异蛋白为线粒体膜蛋白酶系、线粒体呼吸链复合物及三羧酸循环中间产物,但是这些差异物质或者蛋白相关的通路集中体现在物质和能量合成、转化、代谢方面及三羧酸循环,而这些差异物质或蛋白恰与线粒体功能密切相关,并且补气中药/复方能通过调节这些物质和(或)能量代谢蛋白/产物发挥作用,由此说明,气虚证的生物学基础可能是线粒体相关物质和/或能量代谢产物/蛋白及其相关调控通路。

5 总结与展望

线粒体功能障碍是线粒体自身出现问题引发的能量代谢障碍,继而又可引发一系列病理损伤过程,涉及病理类型较广、疾病种类较多,如心血管系统、呼吸系统、神经系统、内分泌肾病系统、肌肉组织等疾病过程,涉及中医学心、肾、肺、肝胆、脾胃、气血津液以及肢体经络的相关病证。通过理论研究发现,在生理上,现代医学线粒体的功能与中医气的功能有极高的吻合度;在病理机制上,线粒体功能障碍的临床表现涉及中医病证虽多,探究其核心证候,皆与气虚证表现类似,与气虚证关系密切;在治疗方面,从气虚论治可以促进线粒体功能修复,改善线粒体功能障碍引发的一系列各个系统的问题,是中医学异病同治理论的良好体现。由此看来,无论在生理、病理、临床治疗方面,线粒体与中医气关系密切,通过取象比类,用现代医学线粒体功能障碍类比中医学气虚,是病证结合诊疗模式的充分体现。通过生物信息学分析、代谢组学及蛋白质组学分析的现代技术手段综合分析,发现气虚证的生物学基础可能是线粒体相关物质和/或能量代谢产物/蛋白及其相关调控通路。

但是,目前的研究同样存在一些不足之处:(1)动物实验研究居多,临床试验偏少:气虚证动物模型虽能在一定程度模拟人类气虚证表现,但两者尚不能完全拟合;(2)临床试验样本量较小:样本量较小的临床试验发现的问题及得出的结论能否值得推广及应用尚需要大规模的乃至真实世界研究进一步验证;(3)研究片段化:大多研究从一个角度发现问题,比如单从代谢组学或单从蛋白质组学进行研究分析,缺乏整体研究策略。

因此,今后可首先通过生物信息学数据挖掘探寻某一补气中药/复方的成分基础及作用靶标,再利用气虚证动物模型对作用靶标进行筛选验证,最后开展此中药/复方的大规模多中心临床试验,通过转录组学、代谢组学及蛋白质组学多种现代技术手段加以分析,增加研究可信度,为气虚证生物学基础研究提供可靠的数据支撑,从而为中医证候的标准化和定量化奠定坚实基础,丰富发展中医理论,这将更有利于中医理论的传承与推广。