线粒体在心力衰竭发展过程中的作用

【摘要】作为心肌细胞的主要能量来源，线粒体与心功能密切相关。在心脏代偿性肥大以及失代偿期间线粒体功能发生变化，受损的线粒体反过来通过异常的能量代谢、氧化应激以及介导细胞死亡加重心力衰竭的进程。本研究就心力衰竭发展过程中线粒体功能的改变及其交互作用做一综述。

【关键词】心力衰竭；线粒体；能量代谢；氧化应激；细胞死亡

心脏是高耗能器官，而心肌细胞内ATP(adenosine triphosphate)的浓度很低且水解速率较高，不能满足心脏长时间活动所需，因此需要心肌细胞不断合成ATP以维持其正常的收缩舒张功能。线粒体是心肌细胞合成ATP的主要场所，约90%的ATP在线粒体中生成。研究发现，心肌肥大和心力衰竭阶段线粒体结构与功能均出现不同程度的改变，影响心肌细胞的正常生理活动和病理变化。本文就心力衰竭发展过程中线粒体功能的改变，包括能量代谢异常、氧化应激以及与之相关的细胞死亡进行综述。

1 能量代谢异常

心肌细胞维持正常生理活动所需的能量除少部分来自于胞质糖酵解外，大部分由线粒体提供，其中70%的ATP由脂肪酸β氧化产生，其余部分由葡萄糖氧化提供[1]。研究认为,心力衰竭阶段脂肪酸氧化代谢率降低，心肌细胞更加依赖于葡萄糖供能[2]。不仅如此，Doenst等[4]对不同时间点心脏的脂肪酸氧化代谢率进行测定，证实在心力衰竭发生前的代偿阶段脂肪酸氧化代谢率就有所下降，可见线粒体代谢底物的改变并非心力衰竭发生后的伴随效应。由于β受体拮抗剂和肉毒碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyl transferase 1, CPT-1)抑制剂等药物等能够通过减少脂肪酸的利用并增强葡萄糖的利用来改善患者的心功能[3-5]，推测这种转为依赖糖类供能的代谢变化可能是心肌细胞的一种保护性改变。但葡萄糖的供能并不能代偿脂肪酸产能的减少，一方面ATP生成减少，另一方面心肌肥大期间ATP的利用率降低，心肌细胞供能需求得不到满足，最终促成了心力衰竭的发生。

除底物利用的改变外，线粒体氧化磷酸化以及ATP的转移和利用等多个参与能量代谢的环节发生改变，进一步影响ATP的产生与利用，加重心力衰竭的发展。可通过改善线粒体能量代谢，增加其产能及利用以达到延缓心力衰竭发展的治疗目的。目前已有针对能量代谢治疗心力衰竭的药物，如曲美他嗪、磷酸肌酸等。

2 氧化应激

正常生理状态下，电子传递过程中形成的超氧阴离子可被过氧化氢酶、锰超氧化物歧化酶(manganese-containing superoxide dismutase, MnSOD)等降解清除。当心肌细胞中活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成增多或是抗氧化系统受损时，氧化与抗氧化平衡遭到破坏，心肌出现纤维化、肥厚增生等相应的病理变化。

由于ROS难以通过线粒体内膜且半衰期极短，限制了其可扩散的范围，作为ROS主要来源的线粒体成为了ROS的主要攻击目标。首先，氧化应激易对线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)造成损伤，主要因为： (1) mtDNA毗邻呼吸链；(2) mtDNA缺乏具有保护作用的组蛋白；(3) mtDNA组排列紧密无内含子，任何一点突变都可能影响基因和相关蛋白的功能。其次，ROS可直接氧化线粒体膜脂质，从而诱导线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition Pore, mPTP)开放。mPTP开放后，一方面导致线粒体跨膜电位耗散，影响线粒体能量代谢；另一方面促进细胞色素c(cytochrome c, Cyt c)的释放及细胞凋亡的发生。再次，过多的ROS会对细胞内钙信号和钙离子稳态造成影响。心力衰竭时，ROS可降低心肌细胞内钙的瞬变幅度，增加肌质网的钙释放并抑制钙回收，引起心肌细胞收缩和舒张功能紊乱，最终导致心脏功能失调。

ROS在心脏由代偿转变为失代偿状态中的作用目前还不是很明确，部分临床研究显示在心力衰竭的预防和治疗中抗氧化剂(维生素E)无明显效果[6-7]。相反，过表达以线粒体基质为靶标的过氧化氢酶能够阻止血管紧张素II(angiotensin II, Ang II)诱导的心力衰竭的发生[8]，间接说明ROS参与了心力衰竭的发生过程。在上述试验中，过表达野生型过氧化氢酶并没有类似的效应，说明抗氧化剂的作用范围对其效果有显著影响，这为解释临床试验中抗氧化剂治疗效果不明显提供了一种可能性。目前已合成一系列以亲脂阳离子三苯膦为载体以及以氨基酸和肽链为基础的线粒体靶向抗氧化剂，有望在心力衰竭的治疗中发挥关键作用[9]

3 心肌细胞死亡

细胞通过自噬选择性地清除受损或不需要的线粒体，这一过程称为线粒体自噬。正常生理状态下线粒体自噬对于维持细胞内线粒体功能的稳定性，确保心肌细胞的正常运作具有重要意义。而在心力衰竭的发展过程中，自噬的作用仍然存在较大的争议。研究发现利用Ang II建立心肥模型后，自噬相关蛋白Atg5(autophagy-related genes)缺失小鼠，即Atg5(+/-)小鼠体内ROS以及炎症因子的增加显著高于野生型小鼠，其心肌纤维化及心肌炎症反应也更为明显[10]。说明线粒体自噬能够通过清除受损的线粒体阻止其有害效应，在一定程度上起到保护心肌细胞的作用。而在压力负荷诱导的心力衰竭以及缺血再灌注动物模型中，自噬也可通过介导细胞死亡加重病情发展[11]。目前普遍认为： (1) 正常水平的线粒体自噬对心肌细胞具有保护作用，自噬不足或过度均加重心力衰竭的发展；(2) 自噬在心力衰竭早期是一种保护性机制，在晚期则促进疾病发展。

线粒体凋亡通路是指细胞受到凋亡刺激后线粒体膜通透性发生改变，引起膜间隙内促凋亡分子的释放，致使细胞发生凋亡。

线粒体膜通透性的改变包括mPTP的开放以及Bcl-2(B-cell lymphoma-2)家族引起的线粒体外膜透化作用[12]。影响mPTP通透性的因素有很多，主要包括: (1) 线粒体钙超载。线粒体内游离钙浓度过高时，通过结合mPTP上的结合位点，诱导mPTP开放。(2) 氧化应激。氧自由基可损伤线粒体膜脂质进而引起mPTP的开放，还可通过改变凋亡相关蛋白的表达和胞内钙平衡激活细胞凋亡的信号传导。(3) Bcl-2家族。Bcl-2家族被认为是细胞凋亡的关键调节分子，分为抗凋亡蛋白如Bcl-2，Bcl-xl和促凋亡蛋白Bax，Bak，Bid，Bad。目前认为Bcl-2/Bax的比值决定了细胞凋亡的发生与否。Bax能够与Bcl-2形成异源二聚体抑制其活性，并与电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channels, VDAC)或腺嘌呤核苷酸转运体(adenine nucleotide translator, ANT)结合介导mPTP开放。此外，能量代谢异常、缺氧等均对mPTP的开放有影响。线粒体外膜的透化作用不同于mPTP的开放，是指Bax/Bak寡聚体在线粒体外膜形成可供Cyt c通过的孔道，激活凋亡通路。正常情况下Bax/Bak的寡聚化被Bcl-2，Bcl-xl抑制。凋亡发生时，Bcl-2和Bcl-xl被激活的Bad抑制，同时Bid介导线粒体膜上Bax/Bak发生寡聚化，促进线粒体外膜透化作用及凋亡的发生。

线粒体外膜透化作用以及mPTP开放导致线粒体膜电位耗散，线粒体肿胀破坏并释放出位于膜间隙的促凋亡因子Cyt c、凋亡诱导因子(apoptosis-inducing factor, AIF)、Smac(second mitochondria-derived activator of caspase)、核酸内切酶(endon-uclease G, Endo G)以及HtrA2/Omi(high tempera-ture requirement A)，引发半胱天冬酶(caspase)依赖和非caspase依赖的凋亡。Cyt c由线粒体释放入胞质后与凋亡蛋白酶活化因子(apoptosis protease activating factor-1, Apaf-1)、ATP/dATP及caspase-9结合形成凋亡体，激活下游的caspase-3。与此同时，Smac和HtrA2/Omi通过结合或降解凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis proteins, IAPs)间接增高caspase的活性激发凋亡。而从线粒体释放出的AIF和Endo G可移位至细胞核，引起核DNA(nuclear DNA, nDNA)片段化及染色体凝聚，激发不依赖于caspase的凋亡。

凋亡对心力衰竭的影响可能与心肌细胞持续缺失，能量代谢不足相关。现已针对心血管疾病研制了多种caspase-3抑制剂[13]，有望给临床治疗带来新的突破。Bae[14]等的一项研究发现，心肌特异性表达CrmA(cytokine response modifier A,一种caspase抑制剂)的小鼠在注射阿霉素后的6d生存率显著高于野生型，给药后12d由于AIF激发的非caspase依赖的凋亡增加，两组老鼠的生存率变为无显著性差异。给予药物抑制AIF诱导的凋亡后，野生型和CrmA小鼠的心功能均得到改善，生存率增高。说明尽管激发时间有先后差异，但caspase依赖和非依赖的凋亡均参与了心力衰竭过程，单一使用caspase抑制剂可能不足以改善患者的心功能，还需结合非caspase依赖的凋亡通路加以考虑。

与凋亡不同，焦亡主要是由caspase-1介导的以质膜孔径形成，核浓缩和细胞肿胀为特点的细胞死亡，并伴有大量炎性细胞因子及炎性内容物的释放。核苷酸结合寡聚化结构域样受体(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor, NLRs)能够识别多种危险信号，组装炎性体活化caspase-1。caspase-1活化后使质膜完整性遭到破坏形成孔径，造成细胞的渗透性崩解，同时还能够将细胞因子前体转变为成熟的促炎性细胞因子IL-1β和IL-18(interleukin)，引起局部炎症反应。

焦亡在心血管疾病中的作用日渐受到关注，Bracey[15]等利用过表达钙调磷酸酶转基因的小鼠(CNTg)建立心肥模型，发现CNTg小鼠体内NLRP3的mRNA、caspase-1前体的活化、以及IL-1β明显高于对照组，阻断IL-1β或NLRP3后CNTg小鼠心肌炎症反应明显减少，心脏收缩能力得到改善。在该试验中，caspase-1主要通过激活caspase-9和caspase-3介导的凋亡引起心力衰竭，炎性细胞因子并没有发挥作用。Caspase-1在急性心肌梗死、动脉粥样硬化等心血管疾病中的作用也已得到证实[16-17]，但影响疾病发展的究竟是caspase-1介导的凋亡还是caspase-1诱导的焦亡伴炎性介质释放还需进一步研究确认。

尽管焦亡的发生并不直接依赖于线粒体，但研究提示ROS可能是NLRP3的刺激信号[18]，且caspase-1与线粒体凋亡通路中caspase-9和 caspase-3的活化相关，焦亡与线粒体是否具有相互作用及其作用机制还需进一步研究。

综上所述，在心力衰竭的发展过程中线粒体功能受损，受损的线粒体又能通过异常的能量代谢、氧化应激以及介导细胞死亡反过来加重心力衰竭的进程。这些方面并非孤立存在的，它们之间交互作用形成网状。探究各功能间的相互作用以及线粒体在心功能由代偿转变为失代偿过程中的具体作用机制，对于特异性线粒体靶向防治心力衰竭具有重要意义。

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(Dept. of Preventive Medicine, School of Medicine, Tongji University, Shanghai 200092, China)

【Abstract】Mitochondria are a main energy source of myocardial cells, and closely related to cardiac function. Alterations of mitochondrial function, involved both in compensated and decompensated myocardial hypertrophy, may conversely aggravate the progression of heart failure through impaired energy metabolism, oxidative stress and cell death. This review illustrates the metabolic changes of heart failure and interaction of mitochondria with the disease progress.

【Key words】heart failure; mitochondria; energy metabolism; oxidative stress; cell death

基金项目：国家自然科学基金青年基金(81001252)；国家自然科学基金(81170325)