线粒体功能障碍在心血管疾病中作用机制的研究进展

王丽艳，徐哲龙

近年来，全球范围内心血管疾病，如急性心肌梗死、动脉粥样硬化、高血压、心肌肥厚和心力衰竭等疾病的患病率和死亡率日益增加，是人类疾病死亡和残疾的主要原因。线粒体是具有双层膜结构的细胞器，其通过氧化磷酸化产能以满足心脏代谢的高能量需求［1］。线粒体对所处环境的变化极其敏感，当外界环境，如营养、氧气供应发生改变时，线粒体会作出相应的代谢适应；然而，在心血管疾病中，线粒体的适应性被破坏，并伴随着呼吸链功能异常、三磷酸腺苷（ATP）合成障碍、氧化应激增加以及线粒体结构的完整性丧失等，最终导致线粒体功能进行性下降［2］。在功能障碍的线粒体中，电子传递链的解耦联导致活性氧（ROS）的大量产生、ATP耗竭，引起心肌细胞广泛受损并诱导细胞凋亡或坏死，加重心肌组织损伤［3］。目前，线粒体功能障碍与心血管疾病的关系已经得到证实，其中线粒体功能障碍、线粒体生物合成和动力学受损以及ROS产生失控引起的细胞蛋白质、脂质和DNA的氧化损伤是多种心血管疾病的病理生理基础［1］。本文旨在对线粒体功能障碍在心血管疾病中的作用机制以及一些新型的治疗措施展开综述。

1 线粒体及其功能障碍概述

1.1 线粒体概述 线粒体是细胞的动力源，利用脂肪酸、葡萄糖和氨基酸的代谢产物，经三羧酸循环和氧化磷酸化途径合成ATP，以满足机体各组织器官的能量需求；此外，线粒体在钙稳态、血红蛋白合成、脂肪酸氧化、ROS的产生和清除、调控细胞生长和凋亡等方面发挥重要作用［2，4］。线粒体内膜上的多亚基复合体即电子传递链是产生ATP 的重要场所，电子传递链的主要组分包括复合体Ⅰ（NADH 脱氢酶）、Ⅱ（琥珀酸脱氢酶）、Ⅲ（细胞色素C还原酶）、Ⅳ（细胞色素C氧化酶）和Ⅴ（ATP合成酶），这5个复合体由76 个蛋白亚基构成，其中13 个亚基由线粒体DNA（mtDNA）编码，其余均由核DNA 编码［5］。心肌组织中线粒体产生的ATP 主要负责心肌收缩、细胞兴奋性和钙稳态的维持等。因此，线粒体正常结构和功能在满足机体重要生命活动的能量需求、维持细胞内环境稳态和调控细胞生长等方面起重要作用。

1.2 线粒体功能障碍与氧化应激 线粒体功能障碍是指在各种损伤因素，如缺血、缺氧的刺激下，细胞中ROS 的积累使线粒体发生结构和功能异常，包括膜电位降低、线粒体生物合成减少、ATP合成障碍以及呼吸链功能异常等；线粒体呼吸链功能异常，不能进行正常的氧化磷酸化，此时会产生大量的ROS，造成细胞和线粒体蛋白质、脂质以及DNA的氧化损伤，加重线粒体功能障碍，形成损伤线粒体的恶性循环［6-7］。

当线粒体发生功能障碍时，ROS 的大量产生超过机体抗氧化系统的清除能力，会引起氧化应激，造成组织损伤。心脏中大多数ROS由线粒体呼吸链解耦联产生，其他如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NADPH 氧化酶，NOX）、黄嘌呤氧化酶及一氧化氮合酶（NOS）也是ROS 的来源之一［8］。ROS 通过诱导线粒体膜通透性转换孔（mPTP）的开放、激活各种酶及转录因子、刺激炎症反应以及损伤线粒体DNA（mtDNA），触发细胞凋亡并加重组织损伤［7］。因此，ROS造成的氧化应激性损伤在线粒体功能障碍引起的心肌组织损伤中发挥重要作用。综上，线粒体功能障碍和氧化应激参与许多心血管疾病的发生与发展。因此，及早纠正线粒体功能障碍并减少氧化应激是临床上治疗心血管疾病的新靶点。

2 线粒体功能障碍与心血管疾病

2.1 线粒体功能障碍与心肌缺血及缺血再灌注损伤

2.1.1 线粒体功能障碍在心肌缺血性损伤中的作用 心肌缺血性损伤发生于冠脉血流减弱或停止时心肌的氧供不足，无法满足心肌收缩和维持正常细胞功能所需要的氧，导致心肌组织损伤和心功能降低。缺血性心肌损伤常常开始于冠脉阻塞20 min左右，冠脉血流中断3～4 h则会发生不可逆的透壁性心肌梗死。缺血性心肌损伤在临床上常造成急性心肌梗死，且治疗时间窗较短，严重可导致病人昏迷甚至死亡。

不可逆性心肌缺血性损伤的发生与线粒体功能障碍有关。McCully等［9］研究发现，心肌缺血后线粒体复合体Ⅰ和复合体Ⅱ呼吸态3（State3）的耗氧量和呼吸控制指数均明显降低，这些指标的下降均伴随着高能磷酸物质，如ATP储存率的降低，这些结果表明心肌缺血缺氧导致线粒体呼吸链功能下降、呼吸功能受损以及ATP合成障碍。而ATP合成障碍又会引起心肌细胞多种生化和超微结构的改变，如胞质、线粒体和细胞核内钙离子堆积和酸中毒等，导致线粒体功能进行性下降以及心肌细胞活性的降低。

冠脉血流阻断后，缺血心肌随着氧气的耗尽，心肌细胞开始进行无氧糖酵解，导致乳酸堆积和细胞pH值降低，胞质H+浓度增加并通过Na+/H+交换体和Na+/Ca2+交换体，导致细胞质钙超载，进而造成线粒体钙超载，为了将多余的Ca2+转移出去，线粒体会消耗大量用于维持生命活动所必须的ATP，造成ATP的过度消耗；线粒体钙超载还会引起线粒体膜电位降低、线粒体肿胀等，进一步损伤线粒体结构和功能［10-11］。研究发现，心肌缺血20～30 min后线粒体呈半透明状，膜间隙增大、线粒体嵴扩大、基质破坏；由于线粒体膜间距的增大，ATP 的有效转移和合成受阻，导致心肌细胞活性和心功能降低［9］。因此，线粒体功能障碍与心肌缺血性损伤有着密切的关系，是心肌缺血性损伤过程中心肌细胞死亡和组织损伤的重要线粒体机制。

2.1.2 线粒体功能障碍在心肌缺血再灌注损伤（I/RI）中的作用 心肌I/RI在临床上非常常见，其是指缺血心肌组织恢复血液供应后反而加重其结构损伤和功能障碍的病理生理过程。心肌I/RI 与氧化应激、钙超载、细胞自噬与凋亡以及线粒体功能障碍等因素有关，其中功能受损的线粒体ATP 合成障碍和呼吸链功能异常是心肌I/RI 的重要线粒体机制［12-13］。

线粒体膜通透性转换孔（mPTP）是一种非特异性通道，在心肌I/RI 过程中发挥重要作用：mPTP 在正常状态下或心肌缺血时处于关闭状态，再灌注时mPTP开放，分子质量小于1.5 ku的物质可自由通过线粒体膜，导致线粒体肿胀、膜电位降低以及电子传递链解耦联，最终线粒体膜破裂、线粒体裂解并释放细胞色素C至胞质中，激活凋亡信号级联反应，介导心肌细胞死亡［14-15］。缺血再灌注心肌线粒体呼吸链功能受损，会产生大量的ROS，ROS 是诱导mPTP 开放的主要因素之一，mPTP的开放可加重线粒体结构损伤和功能障碍［16-17］。再灌注时，机体抗氧化系统难以清除大量产生的ROS，导致mtDNA 氧化损伤、线粒体复合体活性改变，并促进炎症反应和细胞凋亡的发生，这些因素都将加重再灌注心肌组织的损伤［8］。研究发现，再灌注期线粒体ROS 的产生与缺血期琥珀酸盐的堆积有关；缺血期间，复合体Ⅱ的逆向作用使延胡索酸转变为琥珀酸，从而导致琥珀酸的堆积；再灌注时，缺血期积累的琥珀酸迅速被复合体Ⅱ氧化，其氧化速率超过ATP合成的最大速率，此时会产生过量的电子池，驱动反向电子传递（RET）将电子传递至复合体Ⅰ，当电子强行通过复合体Ⅰ时，NADH脱氢酶的逆反应会产生大量的超氧化物，造成细胞氧化损伤，加重再灌注心肌组织的损伤［5，18］。

Zhang 等［19］在大鼠离体心脏 I/RI 模型的研究中发现，锌离子通过激活ERK/ STAT3 通路诱导心肌STAT3 蛋白727 位点丝氨酸残基的磷酸化，并促进p-STAT3（Ser727）的线粒体转位，改善心肌线粒体呼吸功能，从而发挥抗I/RI 的心肌保护作用。这些结果进一步证实了线粒体功能障碍是心肌I/RI的机制之一，减少线粒体功能障碍对于减轻再灌注心肌组织损伤有重要意义。

心肌缺血性损伤及再灌注损伤均与线粒体功能障碍有关。线粒体损伤发生于缺血期，再灌注进一步加重线粒体损伤，而受损的线粒体是ROS的主要来源，大量产生的ROS诱导心肌细胞凋亡或坏死，导致心肌组织损伤和心功能障碍。

2.2 线粒体功能障碍与动脉粥样硬化（AS）

2.2.1 AS 概述 冠心病是心血管疾病的主要死亡原因之一，以冠状动脉急性或慢性缺血导致心肌供氧不足为特点。AS是冠心病的发病基础，以血管平滑肌细胞（VSMCs）凋亡增加和血管壁重构为特征。研究证实，AS 是一种慢性炎症和自身免疫性疾病，其发生过程包括：低密度脂蛋白（LDL）的氧化、炎症、细胞黏附、血管壁纤维化和钙化［20］。AS 斑块通常形成于内皮损伤和循环脂质聚集部位，当斑块受损破裂进入血液循环，阻塞动脉血管造成急性脑梗死、脑出血和急性心肌梗死等急症的发生，严重可危及病人生命。

2.2.2 线粒体功能障碍在AS 中的作用 线粒体参与脂肪酸氧化、类固醇合成等脂质代谢过程，因此线粒体功能障碍在AS 的发病过程中起重要作用。线粒体发生功能障碍时，三酰甘油的分解加速，血清中游离脂肪酸和甘油随之增加，促进AS的形成。受损的线粒体产生的大量ROS 造成细胞蛋白、脂质和线粒体DNA的氧化损伤；线粒体DNA处于持续复制状态且修复能力较弱，极易受到氧化损伤，mtDNA 受损会进一步刺激ROS的生成，形成一种恶性循环，加重AS血管的损伤［21-22］。

炎症贯穿于AS的各个阶段，在AS早期，炎症反应主要通过吞噬细胞的吞噬作用增加ROS 的产生，ROS 促进平滑肌细胞的增殖和炎症反应，导致血管壁重构。浸润的单核/巨噬细胞、功能失调的内皮细胞和平滑肌细胞均为ROS 的产生源，这些细胞产生的ROS 氧化LDL 形成氧化型低密度脂蛋白（ox-LDL），巨噬细胞吞噬ox-LDL 形成富含脂质和细胞碎片的泡沫细胞，泡沫细胞的形成是AS 发生的关键；泡沫细胞释放多种炎性介质，如黏附分子和细胞因子等，通过趋化作用将炎细胞吸引到受损的血管壁，刺激VSMCs的增殖、迁移和分化，促进新内膜的形成和血管壁重构［8］。此外，ox-LDL 还通过下调细胞抗凋亡蛋白的表达、促进线粒体源性凋亡因子的释放以及mPTP 的开放，最终激活线粒体凋亡通路，促进细胞坏死和凋亡［1］。

研究发现，超氧化物产生蛋白NADPH 氧化酶（Nox蛋白家族）在吞噬细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞中表达，是AS过程中ROS的主要来源之一；其中 Nox1、Nox2、Nox5 的激活促进 ROS 的生成，引起内皮细胞功能障碍、炎症和细胞凋亡，表明ROS信号通路的激活在AS中起关键作用［8］。

线粒体功能障碍通过影响脂质的正常代谢、增加ROS 的生成、刺激炎症反应和血管壁重构，在AS过程中发挥重要的作用。因此，改善线粒体功能障碍并减少ROS的生成为冠心病的临床治疗提供了新策略和新思路。

2.3 线粒体功能障碍与心力衰竭（HF）

2.3.1 HF 概述 HF 是一种慢性进行性疾病，在临床上是多种心脏疾病的共同转归结果。HF 时会出现心肌纤维化和心室壁重构，功能上表现为心肌收缩/舒张功能障碍和心输出量的减少。缺血性心脏病、高血压、糖尿病、肥胖以及高脂血症等代谢综合征为HF发病的主要危险因素［23］。据调查，在全球范围内2%～17%的心衰患者于首诊入院时死亡，17%～45%的患者于入院后1 年内死亡，50%的患者于入院后5 年内死亡［24］。HF 的不良后果已严重威胁到病人的生命，给临床治疗带来了巨大的压力。因此，探讨HF 的潜在发病机制并探索有效的治疗策略具有重要意义。

2.3.2 线粒体功能障碍在HF中的作用 在HF患者和动物模型中均存在心肌细胞线粒体形态和结构的异常。研究发现，心衰犬模型的心肌细胞线粒体存在基质耗竭、髓鞘化和线粒体膜的破坏，而正常对照组很少出现以上线粒体结构的异常［25］。HF 心脏的线粒体功能障碍表现为线粒体膜电位降低、mPTP开放、呼吸链复合体活性降低、ATP合成减少以及ROS的过量产生。线粒体ROS的过量产生以及心肌细胞抗氧化系统受损与心室肥厚和室壁重构有关，最终导致HF 的发生［26］。线粒体功能障碍主要通过ROS的过量产生和ATP 合成不足两方面对HF 心脏的结构和功能产生不良影响：ROS造成细胞蛋白质、脂质和mtDNA的氧化损伤，诱导细胞损伤和凋亡；此外，ROS还损伤肌动蛋白和兴奋-收缩耦联蛋白，造成心肌收缩/舒张功能障碍。ATP 合成不足导致心肌细胞能量供应的缺失，对心肌细胞存活和正常心功能的发挥均产生严重的不良影响。

研究表明，衰竭心脏心肌线粒体存在生物合成和动力学异常：在心衰患者心肌中，线粒体生物发生相关蛋白过氧化物酶体增殖物激活受体-γ 共激活因子-1α（PGC-1α）明显下调且磷酸化水平降低、融合蛋白水平降低以及分裂蛋白水平升高，提示HF心肌线粒体分裂增加且生物合成减少［27］。在PGC-1α基因敲除小鼠的心脏中，线粒体超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的表达均明显降低，提示PGC-1α 在机体抗氧化系统中起重要作用［1］。因此，线粒体功能障碍、线粒体生物合成减少以及动力学异常是导致HF发生的重要线粒体机制。

目前，临床上大多数的心衰治疗可改善患者的心衰症状，提高患者的存活率，却不能提高患者整体的生存质量。线粒体功能障碍参与HF 的发生与发展，因此纠正HF患者心肌线粒体功能障碍有助于改善患者的心功能，以达到提高患者生存质量的治疗目的。

2.4 线粒体功能障碍与高血压 高血压是一种以体循环动脉血压增高为特征的临床综合征，是冠心病、HF等心血管疾病发病的主要危险因素之一。沉默信息调节因子（SIRT）蛋白家族是一类组蛋白去乙酰化酶，具有很强的抗炎和抗氧化特性，与高血压的发病有着密切的关系。研究报道，老年人高血压与SIRT3 蛋白活性降低和线粒体代谢受损有关，过表达SIRT1 可减轻高血压患者肾素血管紧张素系统（RAS 系统）中血管紧张素Ⅱ（Angiotensin Ⅱ，AngⅡ）诱导的高血压和血管重构［28］。RAS 系统在高血压的病生理过程中起重要作用：Ang Ⅱ激活NOX，引起细胞氧化损伤、ATP合成酶和肌酸激酶活性降低、细胞色素C和凋亡蛋白酶Caspase-3释放增加，激活细胞凋亡途径［1］。高血压患者线粒体代谢受损、ATP合成减少，导致心肌细胞能量供应不足，直接造成心肌收缩功能障碍、降低患者的心功能。

Dengjel 等［29］在高血压大鼠模型中发现，线粒体融合蛋白和OPA1蛋白（调节线粒体分裂与融合）明显下调，导致线粒体分裂和氧化应激增加，表明高血压可影响线粒体动力学和生物合成。还有研究发现，高血压患者线粒体心磷脂（维持线粒体功能的重要磷脂）明显减少，心磷脂的减少可促进细胞色素C释放至胞质中，触发细胞凋亡［1］。线粒体功能障碍在高血压患者中普遍存在，疾病早期及时纠正线粒体功能障碍、改善能量产生的不足成为高血压心脏病治疗的关键。

3 线粒体功能障碍的治疗

3.1 线粒体移植 线粒体移植是近年来治疗缺血性心脏病等心血管疾病的一种新型治疗方法，是指从正常组织中，如非缺血区分离出活性线粒体，通过自体移植（直接注射或血管输送）的方式将功能正常的线粒体运送到受损的组织器官中，以替代受损的线粒体，从而恢复线粒体正常结构和功能，以达到减轻心肌组织损伤和改善心功能的治疗目的［30-31］。2009 年，线粒体移植在Langendorff 离体灌流兔心脏模型中被首次应用，并证实具有心肌保护作用；2016年，波士顿儿童医院对一名心肌I/RI 患者进行心肌线粒体移植，线粒体移植首次应用于临床，并取得良好的疗效［5］。

线粒体移植发挥心肌保护作用的机制目前尚未完全阐明，已被证实的有：（1）增加ATP的合成，提高心肌组织中ATP含量。（2）增加与细胞呼吸以及能量产生有关的前体代谢物的生成，以恢复受损的线粒体功能。（3）上调细胞因子和趋化因子，刺激心肌细胞生长、增殖和迁移，减少心肌细胞的凋亡，改善心功能和心肌组织重建。（4）修复受损的线粒体DNA，减少由线粒体DNA损伤导致的氧化应激、炎症反应和细胞凋亡，从而挽救受损的心肌细胞并减轻组织损伤。（5）线粒体移植后10 min～1 h，线粒体通过内吞作用增加心肌组织ATP 含量，修复受损的心肌细胞［32-33］。线粒体的多样性和可传递性，以及其在细胞分化和生存中的作用不容小觑，线粒体移植为心血管疾病尤其是缺血性心脏病的心肌保护治疗提供了有价值的策略，为人们深入探索线粒体功能和治疗潜力打开了大门。

3.2 生活方式干预 最近的一项研究发现，体育活动有助于增加线粒体的生物合成并改善线粒体呼吸功能，减少线粒体功能障碍的发生；运动通过激活AMPK-PGC 1α通路促进线粒体的生物合成［34］。此外，适当的热量限制也是一种有效的非药物性干预，通过减少ROS的生成和氧化损伤、增强线粒体功能，预防与年龄相关的代谢紊乱疾病并延长机体寿命［35］。

3.3 药物干预 ROS 在心血管疾病的发生发展中起重要作用，细胞内氧化应激的增加使线粒体结构和功能受损。因此，一些限制细胞内ROS 过量产生并减少氧化应激的药物是改善线粒体功能障碍的潜在治疗方案：（1）SIRT1 属于组蛋白去乙酰化酶家族，通过胰岛素信号通路调节葡萄糖和脂质代谢，SIRT1 还具有抗炎、抗氧化以及抗凋亡的作用［28，36］。SIRT1 的激活剂白藜芦醇通过激活SIRT1-PGC 1α信号通路，明显增加线粒体生物合成、减少ROS的产生并改善线粒体功能［1］。（2）研究证实，一些线粒体分裂抑制剂，如Mdivi1、P110、Dynasore 也具有减少线粒体氧化应激和改善线粒体功能的作用［37］。（3）维生素E 和维生素C 是常见的抗氧化物质，可减轻许多慢性疾病中组织器官的氧化损伤。（4）辅酶Q10（CoQ10）存在于线粒体内膜，对ATP 的产生起重要作用且具有抗氧化特性，通过减少线粒体氧化应激并增加ATP 的合成，改善高血压患者血管内皮功能并减少心肌肥厚的发生。CoQ10是目前治疗人类线粒体功能障碍的安全药物，临床上可单独使用，也可与其他抗高血压或心衰药物联合使用［38］。

4 总结与展望

线粒体通过氧化磷酸化产生能量以满足机体重要生命活动的能量需求，同时还是调控细胞生长和死亡的重要细胞器。许多心血管疾病，如心肌缺血再灌注损伤、AS、高血压和HF等均证实与线粒体功能障碍和氧化应激有关。目前，许多以线粒体功能障碍为靶点的新型干预性治疗，如线粒体移植、线粒体靶向抗氧化治疗等已经在实验和临床研究中取得进展。疾病早期有效的线粒体质量控制、减少线粒体功能障碍和氧化应激，已成为心血管疾病治疗中的新靶点。本文为心血管疾病的治疗提供有价值的策略，为人们深入探索线粒体功能和治疗潜力提供了新思路。