乙酰左旋肉碱对脊髓损伤后线粒体的保护作用研究进展

崔 佳，刘敏丽

(延安大学医学院神经生物学实验室，陕西 延安 716000)

脊髓损伤是由短时间内机械力直接破坏的原发性原因或原发性损伤基础上启动的多种生化反应和多细胞参与的应激反应的继发性原因所造成的脊髓形态破坏、感觉丧失、所支配的肌肉运动障碍等功能异常的疾病。流行病学研究显示，2012年美国急性创伤性脊髓损伤的年发病率约54/100万且在过去10年间保持稳定状态，其中年轻男性(16～44岁)的发病率呈下降趋势，而65岁以上老年人的发病率出现了明显增长[1]。不同于发达国家，中国脊髓损伤年患病率约37/100万，年龄多在34.7～54.4岁且男性多于女性，主要原因是汽车碰撞和高空坠落[2]。

在脊髓损伤的最初急性期之后，细胞和炎症反应的级联作用将导致原发损伤部位周围神经组织的进行性继发性损伤，表现为电解质异常、自由基形成、血管缺血、水肿、创伤后炎症反应、细胞凋亡或遗传细胞程序性死亡等[3]。作为机制复杂而预后不良的神经系统疾病，脊髓损伤经常出现损伤平面以下感觉、运动及自主神经等功能障碍，给患者带来极大痛苦。脊髓损伤的修复重点在于对继发性损伤的调控和治疗[4]，临床上有很多方案，如手术治疗、药物治疗(如甲基强的松龙[5])、高压氧治疗[6]、干细胞治疗[7]、针刺治疗[8]等。目前公认线粒体氧化损伤和诱导细胞凋亡是急性脊髓损伤的重要致病机制，因此保护急性脊髓损伤后受损组织的线粒体成为治疗脊髓损伤的关键。乙酰左旋肉碱(Acetyl L-carnitine，ALC)是生物体内含量最丰富的左旋肉碱衍生物，其抗炎症、抗氧化、抗凋亡及促进脂肪代谢等生物学作用可能对脊髓损伤的治疗有重要意义。

1 脊髓损伤对线粒体的影响

随着脊髓损伤时间延长，透射电镜观察损伤区域线粒体逐渐出现嵴排列紊乱、嵴肿胀、膜破裂和空泡化，伤后24 h视野内线粒体大小不一，形态不规则，破坏严重。脊髓损伤后线粒体膜Na+-K+-ATP酶活性降低，生成ATP逐渐减少，产能受阻，供能不足。脊髓损伤2 h后Caspase-3表达即逐渐增多，介导细胞凋亡，几乎同时细胞色素C释放逐渐增加，调控能量代谢和细胞凋亡。脊髓损伤后脊髓组织丙二醛(MDA)水平增高，谷胱甘肽(GSH)和超氧化物歧化酶(SOD)水平降低，表明线粒体抗氧化水平下降，自由基氧化反应增强，氧化损伤加重。贾志强[9]研究发现，与对照组相比，急性脊髓损伤后线粒体膜电位水平明显降低。

2 ALC对脊髓损伤后线粒体的保护作用

ALC是生物体内含量最丰富的左旋肉碱乙酰化衍生物，天然存在于机体，主要合成于哺乳动物的肝脏、肾脏和脑组织中，主要储存于哺乳动物的肌肉、心脏和骨骼中[10-11]。ALC合成和转化过程如下：在线粒体内膜上，乙酰辅酶A和左旋肉碱在肉碱乙酰转移酶的催化下合成ALC，后者通过肉碱/乙酰肉碱酰基转位酶进入线粒体基质并转化为肉碱和乙酰辅酶A，肉碱穿线粒体基质进入线粒体内膜，乙酰辅酶A和胆碱在胆碱乙酰转移酶催化下生成乙酰胆碱[12]。ALC具有多种生理活性，包括营养作用、神经保护、周围神经系统止痛、脂肪酸β氧化调节、机体抗氧化调节等。ALC因对治疗男性生育能力低下有很好的效果而广泛应用于临床，其机制包括促进精子成熟、增加精子运动性、加快精子新陈代谢、促进附睾成熟等[13]。近年来，ALC也开始应用于阿尔茨海默病[14]、帕金森病[15]、抑郁症[16]以及糖尿病周围神经病变[17]等疾病，并取得了良好效果。其对线粒体的保护作用主要体现在抑制线粒体介导的氧化应激和细胞凋亡、改善线粒体能量代谢、稳定线粒体膜电位(MMP)、增强线粒体自噬几个方面。

2.1 抑制线粒体介导的氧化应激 氧化应激反应是机体在受到各种有害刺激时，氧化和抗氧化机制失衡，活性氧类自由基(ROS)和活性氮类自由基等产生明显增多，造成细胞代谢紊乱和功能异常、蛋白质损伤和脂质过氧化等的过程。ROS产生的主要途径包括NADPH氧化酶、线粒体、黄嘌呤氧化酶、解偶联的内皮型NO合酶、环氧合酶和脂氧合酶等[18]。当脊髓损伤导致氧化和抗氧化机制失衡时，线粒体产生的ROS将明显增多并大量堆积，诱发线粒体氧化损伤，导致线粒体功能障碍。作为抗氧化剂、神经调节剂和神经保护剂，ALC显示出极好的安全性和耐受性。早在20世纪末，就有很多学者发现了ALC抑制氧化应激的潜在价值。ALC可显著减弱蛋白质氧化、脂质过氧化和细胞凋亡，其部分可能是通过升高细胞内GSH和热休克蛋白水平来完成的。赵兴长等[19]实验发现，用ALC处理脊髓损伤的大鼠后，大鼠的 MDA水平明显降低，SOD活性明显增加，Caspase-3表达量明显下降，证实ALC可以通过减轻氧化应激反应来减少神经细胞凋亡，发挥神经保护作用。Wang等[20]研究也支持这一结论。

2.2 抑制线粒体介导的细胞凋亡 细胞凋亡是在凋亡相关基因的调控下，由基因、酶和多种信号转导通路共同作用的细胞主动有序的死亡过程。凋亡相关基因包括Bcl-2家族、Caspase家族、癌基因如C-myc、抑癌基因如p53等，其中Caspase-3是诱导细胞凋亡的重要蛋白酶，是细胞凋亡的重要标志分子。真核细胞主要通过死亡受体、线粒体、穿孔素/颗粒酶和细胞内质网四种通路诱导细胞凋亡[21]。邵海永[22]研究发现大鼠脊髓损伤后6 h即发生细胞凋亡现象并随时间逐渐增强，还发现脊髓损伤局部细胞大量死亡是由细胞凋亡所致，因此抑制细胞凋亡是保护神经元和修复脊髓损伤的关键。Patel等[23]研究发现，ALC可明显恢复脊髓损伤导致的线粒体功能异常，其机制可能是增强受损线粒体中某些酶的作用，如提高琥珀酸脱氢酶、乙酰辅酶A等的活性。孟庆峰等[24]研究显示，ALC可增强大鼠脊髓损伤后细胞自噬作用，也能明显抑制细胞凋亡。总之，ALC可有效防止线粒体途径的细胞凋亡，改善线粒体功能，减轻神经损伤，促进运动功能恢复。

2.3 改善线粒体能量代谢 线粒体作为机体的动力工厂，产生能量供给机体正常生命活动。ALC作为乙酰胆碱的前体，不仅可以调控脂肪酸β氧化释放能量，也能自身参与三羧酸循环生成ATP。Xu等[25]研究发现，ALC的乙酰基部分可通过大鼠前脑星形胶质细胞和神经元的三羧酸循环代谢为能量，也可与三羧酸循环形成的谷氨酸、谷氨酰胺和γ-氨基丁酸结合，表明发育中的大脑能使用外源性ALC进行能量代谢，ALC作为能量底物在损伤后早期给药可以提供神经保护，促进脑的氧化供能，减少无氧糖酵解。Ferreira等[12]的研究也得出了类似结论，在成人、新生儿和儿童脑损伤模型中，ALC可以改善机体能量状态，降低应激反应，并防止后续细胞死亡。有研究进一步发现，ALC可以作用于初级代谢、能量产生，通过氧化和尿素循环促进氨消除，而氨蓄积和能量耗竭似乎是大多数神经毒性事件的基础，由此证实ALC对中枢神经系统产生了积极影响。

2.4 稳定MMP 正常的MMP是线粒体发生氧化磷酸化、产生ATP的必要条件，一旦出现异常，线粒体就不能进行正常能量代谢和其他正常生命活动，会逐渐导致细胞死亡。MMP下降被认为是细胞凋亡的特征性标志，因此维持正常的MMP是减少细胞凋亡的重要途径之一[26]。贾志强[9]研究发现，急性脊髓损伤后线粒体膜电位处于下降趋势。邵海永[22]研究发现，大鼠脊髓损伤后局部会因细胞外液兴奋性氨基酸浓度升高而引起Ca2+内流。以上两种变化都可导致细胞凋亡：MMP下降会导致线粒体内兼有调控能量代谢和细胞凋亡双重功能的细胞色素C释放到胞浆中，再通过募集、活化等途径激活诱导细胞凋亡的重要蛋白酶Caspase-3，从而介导细胞凋亡；Ca2+内流会造成线粒体内Ca2+超载，目前一致认为线粒体Ca2+超载在内源性细胞凋亡途径中发挥重要的作用，可能与其造成线粒体膜电位消失并通过一系列反应介导线粒体途径的细胞凋亡有关。多个研究[27]证明ALC对不同方式诱导的线粒体损伤都有保护作用，其中一个方面即是稳定MMP，因此证实ALC可以通过稳定MMP来减少细胞凋亡，保护受损脊髓。

2.5 增强线粒体自噬 线粒体自噬是在自噬相关因子如NIX、ATG1/ULK1、LC3、ATG5、PINK1-Parkin信号通路等的作用下，由细胞形成双层膜的自噬小体，包裹衰老或损伤的线粒体并与溶酶体结合，再被酸性水解酶降解的过程[28]。标志蛋白LC3-Ⅱ/Ⅰ的值反映细胞自噬情况，是观察细胞自噬现象、研究自噬活性最可靠的指标。研究[29-30]显示，大鼠脊髓损伤后胞质内线粒体数目减少、嵴肿胀，粗面内质网松散、有空泡，产生的自噬溶酶体内可见受损的线粒体结构，说明脊髓损伤时的确发生了线粒体自噬。孟庆峰等[24]研究发现，大鼠脊髓损伤后ALC治疗组的LC3-Ⅱ表达明显增强，细胞凋亡较对照组明显减少，说明ALC不仅提高了大鼠脊髓损伤后细胞自噬水平，也抑制了细胞凋亡。因此，增强脊髓损伤后线粒体自噬水平是减少神经细胞凋亡的有效途径。也有学者认为，脊髓损伤发生过程中，可能是MMP降低或能量缺乏启动了线粒体自噬，清除胞浆中损伤的线粒体和其他异常分子，维持细胞内环境稳态。虽然具体机制还不清楚，但ALC确实可以通过促进大鼠急性脊髓损伤后细胞自噬和抑制细胞凋亡来减轻神经损伤，促进运动功能恢复。

3 结 语

脊髓损伤是中枢神经系统的一种严重创伤，已有大量研究表明保护线粒体是治疗脊髓损伤的中心环节。ALC通过抑制线粒体介导的氧化应激反应和细胞凋亡、改善线粒体能量代谢、稳定MMP、增强线粒体自噬等途径来保护线粒体。以上途径是相辅相成的，ALC多层次、多角度地作用于线粒体，保证线粒体的正常生命代谢活动和功能，但其最终通路都是通过抑制细胞凋亡来减轻神经损伤，维持内环境稳态。鉴于ALC优秀的线粒体保护作用，其可能会在未来脊髓损伤的临床治疗中发挥积极作用，但其具体机制和剂量应用等方面还有赖于更多的实验验证。