线粒体与缺血性脑卒中的关系及针刺干预研究*

宁文华,刘伊滢,李莹莹

1.郑州大学第一附属医院,河南 郑州 450000; 2.河南中医药大学国际教育学院,河南 郑州 450046

缺血性脑卒中是世界范围内死亡和致残的主要原因[1]。通过探索其病理机制,寻找适宜治疗靶标一直是神经科学领域的研究重点。线粒体作为细胞的能量工厂,在细胞能量平衡中起着关键作用。线粒体功能障碍是脑缺血再灌注诱导神经元死亡的标志之一[2]。维持线粒体功能对于促进神经元存活和神经系统改善至关重要,以线粒体为靶点可作为治疗缺血性脑卒中的一种有前途的神经保护策略[3]。针刺治疗缺血性脑卒中疗效确切并受到广泛关注[4-5],而关于其具体机制尚未完全阐明。研究表示,针刺对脑的保护作用,与调控线粒体功能密切相关,线粒体可能是针刺作用发挥的关键效应器[6]。本文通过检索并总结线粒体在缺血性脑卒中的作用机制以及针刺干预相关文献报道,以期为未来的研究提供更多参考与借鉴。

1 线粒体与缺血性脑卒中

1.1 线粒体生物发生线粒体生物发生是指通过原有线粒体的生长和分裂形成新线粒体的过程[7]。这是一个触发线粒体质量增加的过程,可增加细胞中线粒体的数量和质量,满足细胞对能量的需求,促进脑缺血损伤后神经功能恢复[8]。线粒体的生物发生受到多种细胞信号通路的严格调控。沉默信息调节因子2相关酶1(silent information regulator 2 homolog 1,SIRT1)/过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α(peroxlsome proliferator-activated receptor-γ coactlvator-1α,PGC-1α)和腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)/PGC-1α轴是调节线粒体生物发生的两条关键途径[9]。

1.2 线粒体动力学线粒体是高度动态的管状网络细胞器,通过不断地分裂、融合调节线粒体功能,影响能量代谢和卒中后神经元功能,即线粒体动力学[8]。线粒体动力蛋白(dynamin-related protein 1,Drp1)和分裂蛋白1(fission 1,Fis1)调控线粒体分裂过程,线粒体融合则主要由线粒体融合蛋白1/2(mitofusion1/2,Mfn1/2)、视神经萎缩蛋白1(optic atrophy protein-1,OPA1)等相关蛋白所控制。抑制线粒体过度分裂,适当促进线粒体融合,恢复线粒体动力学平衡,有利于缺血性卒中后的恢复[10]。

1.3 线粒体钙稳态线粒体通过储存和释放Ca2+,充当细胞Ca2+的重要调节器,参与调节线粒体代谢、三磷腺苷(adenosine triphosphate,ATP)生成和细胞死亡过程[11]。在缺血等病理条件下,线粒体Ca2+摄取过度或线粒体外流失常,线粒体内Ca2+水平持续升高,线粒体通透性转换孔开放,细胞色素C(cytochrome C,Cyt C)释放,导致细胞凋亡[12]。线粒体钙单向转运体(mitochondrial calcium uniporter,MCU)是线粒体Ca2+内流的主要途径,线粒体钠钙交换体(mitochondrial Na+/Ca2+,NCLX)是线粒体钙外排的主要通道,参与线粒体钙稳态失衡,与脑缺血损伤密切相关[13]。线粒体Ca2+稳态的维持与内质网钙库的相互作用及内质网-线粒体接触位点的形成密不可分[14]。内质网-线粒体之间存在紧密串扰,高通量的内质网-线粒体Ca2+转运将会导致线粒体Ca2+超载,导致细胞凋亡[15]。

1.4 线粒体与氧化应激氧自由基的产生和释放是引起神经元死亡的关键步骤。线粒体损伤是导致活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)增加、氧自由基大量产生,诱发或加重氧化应激损伤的重要原因。正常情况下,线粒体产生的自由基及其清除处于动态平衡,在缺血等应激条件下,ROS生成过多,氧化还原平衡受损,线粒体膜脂质过氧化和结构破坏,造成线粒体功能紊乱和氧化应激损伤[16]。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)与谷胱甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxidase,GSH-Px)是机体抗氧化酶系统内的重要物质,通过清除线粒体ROS,减轻氧化应激损伤。

1.5 线粒体自噬线粒体自噬是指细胞内受损线粒体的“自我清除”过程,是线粒体质量控制及维持细胞正常功能的重要机制。研究表示,激活线粒体自噬,清除过度聚集和受损的线粒体,可以减轻脑缺血再灌注引起的神经元损伤。PTEN诱导假定激酶1(PTEN-induced putativekinase1,PINK1)/E3泛素连接酶(E3ubiquitin protein ligase,Parkin)介导的线粒体自噬对大鼠海马神经元具有神经保护作用[17]。体内外研究证实,雷帕霉素可通过激活线粒体自噬,改善线粒体功能障碍,保护脑缺血再灌注损伤,自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤可逆转这一过程[17-18]。BCL2/腺病毒E1B-19kDa相互作用蛋白3样(BCL2/adenovirus E1B 19-kDa-interacting protein 3-like,Bnip3L)参与了脑缺血再灌注诱导的线粒体自噬过程,敲除线粒体自噬相关基因BNIP3L可加重脑缺血再灌注损伤,而过表达BNIP3L则可发挥保护作用[19]。FUN14域蛋白1(FUN14 domain containing 1,FUNDC1)是一种新型线粒体自噬受体,在缺氧状态下结合LC3调节线粒体的程序性清除。调控FUNDC1介导的线粒体自噬可改善线粒体功能并减少神经元凋亡[20]。然而,仍有研究表明抑制线粒体自噬可以对脑缺血再灌注损伤发挥保护作用[21]。适度的线粒体自噬有利于细胞内稳态和神经元存活。而线粒体自噬过度激活将导致细胞损伤或死亡[22]。这一差异可能是由不同缺血或再灌注时间、不同细胞类型,甚至不同实验环境所造成的。

1.6 线粒体跨细胞转移缺血等病理条件下,线粒体自身可通过“help-me”信号,招募邻近细胞线粒体保护受损细胞[23]。不同细胞类型之间的细胞间线粒体转移备受关注,通过加速神经元释放或星形胶质细胞吞噬,促进细胞间线粒体转移,可能是未来治疗缺血性中风的一种有吸引力的治疗策略[23]。星形胶质细胞可直接为受损神经元提供功能性线粒体,增强细胞存活信号,有助于保护或修复受损神经元[24]。然而,有观点认为,这种内源性转移通常是短暂的,不足以诱导强而稳定的神经保护作用。因此,以干细胞为基础的线粒体转移成为提供正常线粒体的有效策略[25]。在脑缺血模型中,静脉注射间充质干细胞可缩小脑梗死体积,改善神经功能,过表达Miro1可增强间充质干细胞向神经元转移线粒体的能力而促进神经功能恢复[26]。研究报道,将外源性线粒体转移至脑缺血大鼠体内可以缩小脑梗死体积,减少神经细胞死亡[27]。侧脑室进行肌源性自体线粒体移植可降低氧化应激,抑制反应性星形胶质细胞增生,促进神经发生,改善脑缺血大鼠神经功能缺损程度[28]。

1.7 铁死亡线粒体依赖性铁死亡机制受到广泛关注。线粒体是铁利用、分解代谢和合成的主要细胞器,在铁代谢以及物质能量代谢中起着重要作用。线粒体结构的改变是铁死亡的主要形态特征,线粒体形态的改变,线粒体膜密度增加、体积缩小,线粒体嵴减少或消失,线粒体外膜增厚、甚至破裂[29]。铁超载通过增加线粒体氧化损伤,引发铁死亡[30]。有研究报道,线粒体铁蛋白(mitochondrial ferritin,FtMt)在铁稳态中起着关键作用,通过抑制铁死亡,减轻脑缺血再灌注损伤[31]。靶向线粒体抗氧化剂可有效抑制铁死亡[32]。因此,挽救线粒体完整性和功能可能对预防神经细胞铁死亡具有重要意义。值得注意的是,线粒体功能障碍本身是否会引发铁死亡,以及铁死亡中线粒体功能的具体改变,目前仍需继续探索[33]。

2 基于线粒体角度探讨针刺治疗缺血性脑卒中机制

2.1 改善线粒体形态结构神经元存活的关键取决于线粒体的完整性和功能性。针刺减轻脑缺血再灌注损伤的机制与改善线粒体超微结构有关。脑缺血再灌注后神经细胞线粒体通透性转换孔过度开放,线粒体肿胀明显,线粒体嵴断裂,空泡结构明显,针刺可抑制脑线粒体通透性转换孔的开放[34],减轻线粒体肿胀、嵴断裂及空泡化[35],发挥保护神经作用。

2.2 促进线粒体生物发生电针预处理通过激活大麻素受体1(cannabinoid receptor type 1,CB1R)/PGC-1α保护线粒体并促进线粒体的生物发生。电针预处理可以改善脑缺血再灌注损伤小鼠线粒体功能,上调PGC-1α和线粒体生物发生标志蛋白表达,增加mtDNA水平和线粒体体积及数量,而靶向注射CB1R拮抗剂则逆转了电针预处理促进线粒体生物发生及神经保护作用,这为电针预处理诱导缺血耐受提供了一种新的机制。

2.3 调节线粒体动力学现有研究证实,电针可通过抑制线粒体分裂,发挥脑保护作用。脑缺血再灌注损伤后Drp1表达上调,Drp1磷酸化水平增加,Drp1与线粒体外膜结合增多,线粒体分裂增加,Cyt C释放,诱导神经元凋亡。电针预处理通过下调总Drp1表达,抑制Drp1磷酸化水平,减少Drp1定位到线粒体外膜的情况发生,抑制线粒体过度分裂,从而减少Cyt C释放入胞浆的水平,缓解神经元凋亡[36]。

2.4 抑制氧化应激电针对神经元线粒体的保护作用可能来自增强其抗氧化能力。电针刺激通过提高血清还原型谷胱甘肽(Glutathione,GSH)含量和GSH-Px活性[37],降低半暗带脑梗死区SOD,降低MDA含量,改善线粒体DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA)[38],拮抗活性氧过氧化损伤,保护大脑皮层神经元线粒体免受脑缺血再灌注损伤。钟淑波等[39]报道,电针通过减轻缺血半暗带mtDNA的氧化性损伤,调整线粒体呼吸链关键酶功能,抑制脑细胞氧化应激,从而发挥保护作用。

2.5 调节线粒体自噬线粒体自噬是针刺治疗缺血性脑卒中的作用靶标之一。脑缺血再灌注损伤后,线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential,MMP)和ATP水平降低,线粒体功能受损。电针通过Pink1/Parkin介导的线粒体自噬,减少受损线粒体累积,减轻脑缺血再灌注损伤[40]。钟晓勇等[41]研究表示,脑缺血再灌注后,皮质梗死区线粒体自噬水平缺失,电针通过激活梗死区BNIP3L介导的神经细胞线粒体自噬,减轻脑缺血再灌注损伤大鼠神经缺损程度和细胞凋亡。

3 讨论

综上所述,线粒体功能障碍参与缺血性脑卒中疾病的发生发展,维持线粒体的完整性和功能性是影响神经元存活的关键。现有研究可证实针刺通过改善线粒体形态结构、促进线粒体生物发生、调节线粒体动力学、抑制氧化应激、调节线粒体自噬多方面发挥脑保护作用。然而,结合当前研究现状可见,基于此领域的针刺机制研究相对滞后且缺乏深入性:(1)研究较为薄弱并缺乏系统性,某些关键的病理环节尚未涉及,如铁死亡作为细胞死亡的另一种形式,线粒体依赖性铁死亡机制尚未涉及。此外,关于不同细胞类型的线粒体功能,如星形胶质细胞作为神经血管单元的重要组成,针刺是否参与其释放并运输线粒体过程尚未可知。(2)针刺作用的整体性决定其作用的发挥并不依赖于某单一病理环节,细胞器之间的功能存在紧密的串扰,线粒体与其他细胞器(内质网)之间的交流同样值得关注,同时各病理过程之间的相互影响,多病理环节之间的交互作用有待进一步论证,未来的研究应是整体的,这或许是阐明针刺作用机制的关键方向之一。(3)线粒体是缺血性脑卒中神经细胞凋亡和坏死等级联事件的早期阶段,在缺血损伤后,线粒体功能首先被启动并被迅速破坏,针刺预处理作为中医治未病的主要形式,将针刺干预提前至损伤发生之前,那么,针刺是否可以激活线粒体功能,调动机体自身防御性机制,减轻随后发生的脑缺血损伤?线粒体作为内源性保护机制的主要效应器,在针刺预处理中的作用值得进一步探索。