线粒体ROS与抗氧化剂在神经相关疾病中的应用

张鹏 王天兵,—2

线粒体是一种普遍存在于除哺乳动物成熟红细胞以外的所有真核细胞中的由两层膜包被的细胞器，是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所。大多数细胞的ATP是通过氧化磷酸化在线粒体中产生的［1］，线粒体提供了细胞生命活动所需的80%的能量，因此线粒体又被称为“power house”。此外，除了为细胞提供能量，线粒体还参与如信号转导、细胞分化、细胞凋亡，以及细胞生长和细胞周期的调控［2］。线粒体功能障碍与许多种人类疾病有关，包括线粒体疾病、心功能不全和心力衰竭等［3-5］。周围神经损伤后神经纤维出现炎症反应、组织肿胀等变化，在这些损伤变化中也伴随线粒体的损伤［6］。线粒体是细胞内产生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要部位。生理情况下，细胞内低水平的ROS可作为细胞内信号分子，对细胞的正常生理功能进行调节；但在组织损伤时，线粒体内ROS快速大量产生，ROS的大量出现对线粒体本身也是一种损伤。抗氧化剂可以阻止ROS引起的损害，通过降低线粒体的氧化损伤来达到改善损伤状态的目的［7］。因此，关于抗氧化剂的研究也越来越受到关注。常规抗氧化剂的效果常常不理想或导致其他副作用［8］，可能是由于其未能特异性抑制线粒体内过量产生的ROS，为了解决这个问题，很多的研究把重点放到了线粒体靶向的抗氧化剂上面，以期待解决线粒体损伤导致的疾病等问题。

一、内源性ROS的产生

ROS在化学本质上是含氧的反应性化学物质，例如，过氧化物、超氧化物、羟自由基、单线态氧等［9］。在生物活动中，ROS是氧正常代谢的副产物，在细胞信号转导和稳态中起着重要作用。然而，在某些损伤因素存在的情况下，ROS水平急剧增加［10］。这对细胞结构造成重大伤害，被称为氧化应激。分子氧被还原产生超氧阴离子，而超氧阴离子是大多数ROS的前身和氧化反应过程中的介质，超氧化物自发的歧化作用或通过超氧化物歧化酶催化产生过氧化氢，部分过氧化氢可还原为羟自由基或者全部还原为水［11］。

ROS通过多种机制在细胞内产生，不同类型ROS的产生取决于不同类型的组织细胞。ROS主要来源于细胞膜、线粒体、过氧化物酶体和内质网的NADPH氧化酶复合物（有7个不同的亚型）［12-13］。线粒体把能量转化为细胞可以利用的形式（ATP）。产生ATP的过程叫做氧化磷酸化。在正常情况下，氧气被还原生成水，但是有0.1%～2.0%的电子在通过转运链的时候（该数据来自被分离出的线粒体，在活体组织上的比例尚未达成共识），氧气被过早地且不完全地还原成超氧阴离子（一般认为是NADPH氧化酶复合物I和III）［7］（图1）。超氧化物不仅仅发生自身反应，而且可以抑制特殊的酶或者在其羟自由基形式时进行脂质的过氧化反应。羟自由基的pKa为4.8，因此在正常生理状态的pH值下，大多数的ROS以超氧阴离子的形式存在。

图1 ROS生成示意图

二、ROS的损伤作用与疾病

ROS对许多物种的细胞代谢都有影响，不仅包括在细胞凋亡中的作用，还包括一些积极的作用，例如宿主防御基因的诱导和离子转运系统的动员［8,14］。这表明ROS对细胞功能的调控起到一定的作用。例如，血小板参与伤口修复，血液系统释放ROS来招募更多的血小板到损伤部位。ROS也可以通过招募白细胞来调节免疫系统。在细胞活动中ROS与多种炎症反应有关，包括心血管疾病、高音量导致的耳蜗损伤。对于人和动物来说，药物的耳毒性（如顺铂）和先天性耳聋也可能与ROS的作用有关。ROS还与细胞凋亡和缺血性损伤有关，例如卒中和心肌梗死。一般来讲，ROS对于细胞的损伤作用更为常见：DNA或RNA的损伤，脂质过氧化，氨基酸的氧化，辅助因子的氧化导致特定酶的氧化失活［15］。

三、ROS与神经病变

线粒体DNA编码氧化磷酸化相关的基因。受损伤的线粒体DNA与许多神经退行性疾病密切相关。真正的线粒体疾病患者通常都有神经损伤。许多病理性损伤可导致线粒体DNA的损伤，但是线粒体ROS产生的氧化损伤更为常见。ROS可以引起细胞损伤，ROS的升高与神经退行性疾病的氧化损伤具有相关性。一些细胞培养研究表明，一些线粒体DNA突变与较高水平的ROS相关，而另一些研究结果则不同［16-17］。在老年人或神经退行性疾病患者的大脑尸检报告中可以看到，线粒体DNA损伤的程度较低，然而这些低水平的线粒体DNA突变程度与ROS的升高没有直接关系［18］。目前有一些线粒体DNA损伤影响中枢神经系统的小鼠动物模型，这将有助于更好的了解线粒体DNA损伤、ROS与神经退行性病变之间的关系。大脑与其他大多数器官一样，对氧化损伤的反应并不一致［19］。虽然有许多神经元亚型能够处理氧化应激的升高，但是有一些神经元非常容易受到升高的ROS的损害［20］。金属含量较高的神经元和接受多巴胺代谢的神经元更容易受到ROS诱导的损伤［21］。由于L型钙离子通道的参与，多巴胺能神经元的特异性氧化应激导致轻度的线粒体解偶联，引起线粒体功能障碍［22］。

帕金森病是非常常见的神经退行性疾病，60岁以上的人群发病比例可达1%［23］。人类 α-突触核蛋白的A53T错义突变与家族性帕金森病相关，并且可以损伤多巴胺的存储，引起细胞内的多巴胺增多，与铁相互作用，产生ROS［24-25］。虽然帕金森病的病因尚不明确，但是有的研究提出线粒体和复合物I的功能障碍是一个影响因素［26］。在帕金森患者的不同组织中已经发现了复合物I的缺陷［27］。在老年患者和帕金森患者的黑质中发现了较高水平的线粒体DNA缺失。这些较高水平的线粒体DNA缺失与单个神经元的细胞色素C氧化酶缺乏有关［28-29］。这些研究已经在动物模型上证实［30-32］。据报道，帕金森病患者线粒体DNA的水平也有所下降［33］。

在其他年龄相关的神经退行性疾病中，疾病的进展与ROS的升高、线粒体功能障碍均有相关性。然而，线粒体DNA受损或突变与疾病的发病机制并没有相关性。阿尔茨海默病是最常见的晚发性进行性的神经退行性疾病，细胞色素C氧化酶的缺乏与疾病的进展有关［18］。β-淀粉样蛋白碎片形成细胞毒性斑块，这种斑块在大脑皮层和海马区更常见［34-35］。β-淀粉样蛋白碎片对线粒体功能产生负面影响，这表明线粒体功能障碍是β-淀粉样蛋白毒性作用的结果［36-38］。“阿尔茨海默病的线粒体级联假说”认为，构成呼吸链的蛋白基因决定了内源性ROS的产生，产生的ROS决定了氧化损伤的严重程度。有研究进一步表明，线粒体DNA的损伤反过来使ATP水平降低，增加氧化应激，随着线粒体DNA的氧化损伤的累积，β-淀粉样蛋白的毒性也随之增强，最终导致神经退行性病变［39］。

在周围神经损伤的模型中，也有相关研究表明线粒体的生物生成发生了改变。黄伟等通过建立大鼠坐骨神经损伤模型，进行了损伤坐骨神经的近端和相应节段脊髓前角的线粒体生物生成的检测和电镜观察。结果表明，坐骨神经损伤后3～28 d，近端坐骨神经线粒体的生物生成明显增加，ATP含量增加，电镜下可见神经纤维内的线粒体数目增加；脊髓前角中的线粒体生物生成和ATP含量均出现下降，电镜显示线粒体肿胀、变性［6］。但是周围神经损伤后线粒体功能的变化是否和ROS的生成有关，ROS水平的改变是否对神经的修复产生影响，该研究并没有涉及。所以周围神经损伤与线粒体的氧化损伤之间的关系还需要进一步研究。

四、抗氧化剂

抗氧化剂是一种抑制其他分子氧化的物质。氧化是一种化学反应，它可以产生自由基，导致链式反应，损伤细胞。抗氧化剂，例如硫醇类、抗坏血酸等，可以终止这些链式反应。为了平衡氧化状态，植物和动物都存在复杂的抗氧化系统，例如谷胱甘肽、抗氧化酶和维生素类等，这些都可以在体内产生或从外界摄取。尽管已经有很多研究表明，从膳食中摄取抗氧化剂对神经退行性疾病（例如帕金森病、阿尔茨海默病等）的有一定的作用，但是这些结论仍然存在一定争议［40-41］。

（一）常规抗氧化剂

替拉扎特是一种类固醇衍生物抗氧化剂，可以抑制脂质的过氧化，这种过氧化损伤在卒中和头外伤引起的神经元死亡过程中起到非常重要的作用。在动物卒中模型中替拉扎特有一定的作用［42］，但是在临床的试验中对于蛛网膜下腔出血患者的病死率等并没有影响［43］，甚至还加重了缺血性卒中的病情［44］。同样，NXY-059抗氧化剂在动物模型中有效，但在临床试验中未能改善卒中的病情［45］。抗氧化剂虽被广泛应用于治疗癌症的病情，但抗氧化剂也可能干扰癌症的治疗［46］，因为癌细胞的生长环境产生了较强的氧化应激，治疗容易引起这些细胞进一步氧化应激反应。结果，减少癌细胞的氧化还原应激可能降低放疗和化疗的效果［47-49］。

（二）线粒体靶向的抗氧化剂

常规的抗氧化剂通常达不到满意的效果，可能是因为抗氧化剂很难进入到线粒体内部，无法到达ROS产生的主要部位和其他氧化应激的部位。线粒体内膜富含心磷脂，具有高度的不通透性。为了克服这些问题，线粒体靶向抗氧化剂已经研制出来，可以穿透线粒体内膜进入到线粒体内部。线粒体靶向抗氧化剂通常是三苯基阳离子与抗氧化成分（例如辅酶Q10、质体醌）的嵌合分子［50-51］。线粒体内膜的质子驱动力维持着较大的线粒体膜电位，亲脂阳离子的正电荷驱使这些具有阳离子的抗氧化剂进入线粒体。摄取到线粒体基质的药物浓度可以达到细胞质药物浓度的10 000倍［52］。除了三苯基外，罗丹明-123也是适合与线粒体嵌合的亲脂阳离子。但是亲脂阳离子有一定的缺陷，由于电荷聚集到基质中导致线粒体膜去极化，在＞10 μM浓度时，亲脂阳离子即可产生毒性作用［53］。近些年，出现了具有特殊理化性质的短肽序列，它可以把化合物输送至线粒体内［54］。Szeto-Schiller肽（简称SS肽）具有明显的抗氧化性，它可以清除ROS，抑制亚油酸氧化［55-56］。SS肽由基础结构和一个交替的芳香结构组成。由于具有芳香阳离子氨基酸序列，SS肽可以自由穿过线粒体内膜。SS肽结构中的酪氨酸和二甲基酪氨酸可能与清除ROS的能力有关［57］，而二甲基酪氨酸对于ROS的抑制和清除作用更强。SS肽对于μ阿片类受体具有高度亲和性与选择性（与酪氨酸N端有关），可导致便秘、呼吸抑制、药物耐受性及依赖性等副反应。随着SS肽系列的药物的不断研发，它的有效性得到了很大的改善，副作用越来越少，目前在心脏、肾脏、脑神经、内分泌系统、眼部和衰老相关的疾病方面有很多关于SS肽应用的研究。

五、结语

综上所述，线粒体损伤和ROS的产生对神经病变具有一定的影响，周围神经损伤也会引起氧化应激反应。神经系统含有复杂的抗氧化酶的系统，可以防止细胞内的DNA、蛋白和脂质等受到氧化损伤。在一般情况下，抗氧化系统可以抑制ROS的生成或者在细胞的重要成分受到损伤之前清除ROS。但是ROS也具有一些重要的细胞功能，例如氧化还原信号的传递功能等。因此，抗氧化剂的功能不是完全的清除ROS，而是使ROS保持在一个稳定水平，可以使线粒体处于最佳的状态，改善细胞功能，在此基础上进一步探索促进神经恢复和机体功能康复的方法。