线粒体相关的慢性阻塞性肺疾病氧化应激机制和抗氧化治疗的研究进展

麻恒，傅攀峰，邓在春，吕丹

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一种常见的、可防可治的慢性气道疾病，是最常见的慢性疾病之一，也是最常见的致残和致死病因之一，以持续性呼吸道症状和气流受限为特征，通常是由于吸烟或大量接触有毒颗粒或气体引起的气道和肺泡异常造成[1]，常呈进行性加重。与癌症、心血管疾病和神经系统疾病相比，COPD 不仅在很大程度上被忽视，而且仍然没有任何治疗被证明能够延缓其进展，也没有对降低死亡率或合并症有明显疗效的药物[2]。近些年来线粒体与COPD的关系成为了该疾病研究的新方向及热点。本文主要从COPD 的发病机制，疾病与线粒体的相关性及抗氧化治疗最新成果进行分析，以期为未来COPD更科学、更有效的治疗提供参考。

1 COPD 发病机制

COPD 的发病机制尚不完全明确，在最新的COPD 诊疗指南中指出，吸入烟草烟雾等有害颗粒或气体可引起气道氧化应激、炎症反应及蛋白酶/抗蛋白酶失衡等，其多种途径参与COPD发病，多种炎症细胞参与COPD 的气道炎症。激活的炎症细胞释放多种炎性介质作用于气道上皮细胞，诱导上皮细胞杯状化生和气道黏液高分泌；慢性炎症刺激气道上皮细胞释放生长因子，促进气道周围平滑肌和成纤维细胞增生，导致小气道重塑；巨噬细胞基质金属蛋白酶和中性粒细胞弹性蛋白酶等引起肺结缔组织中的弹性蛋白破坏，Tc1 淋巴细胞释放颗粒酶穿孔素损伤肺泡上皮，导致不可逆性肺损伤，引发肺气肿。此外，自身免疫调控机制、遗传危险因素及肺发育相关因素也可能在COPD的发生发展中起到重要作用。上述机制的共同作用导致COPD 的形成[2]。

2 肺部细胞与线粒体

不同亚型的气道上皮细胞，包括纤毛细胞、分泌杯状细胞、细支气管外分泌细胞和祖细胞基底细胞，以及I 型肺泡上皮细胞和II 型肺泡上皮细胞，都含有不同数量的线粒体，它们具有不同的细胞内组织，以最大限度地满足能量需求，促进细胞功能。线粒体的特异性分布影响ATP 和代谢物水平，这些代谢产物随后被用于这些不同细胞类型的特定功能（分化的气道上皮细胞的纤毛摆动或黏液分泌和II型肺泡上皮细胞的表面活性物质产生）[3]。这些细胞中线粒体功能受损可能会严重损伤细胞功能或造成死亡，包括气道上皮纤毛细胞和II 型肺泡上皮细胞，它们分别需要大量ATP 来进行纤毛搏动和产生表面活性物质[4]。此外，不同的上皮细胞亚群对线粒体损伤的敏感性也不同[3]。

3 COPD 氧化应激机制与线粒体

3.1 氧化应激机制与活性氧（ROS）吸烟是COPD 发病的重要因素，与COPD发病密不可分。在大部分研究中，香烟烟雾暴露模型被用于替代COPD发病。氧化应激是COPD 发病的主要驱动机制，由于香烟烟雾和空气污染中的外源性氧化剂，以及肺内炎症细胞和结构细胞内源性产生ROS，COPD 患者肺内氧化应激增加[5]。ROS 是一种含氧的化学反应分子，可以在生物系统内生成，主要类型包括过氧化物（O2—）、过氧化氢（H2O2）和羟自由基（·OH）[6]。ROS 一方面能够对生物分子造成氧化损伤，阻碍细胞正常功能；另一方面能够激活氧化还原敏感的促炎转录因子的表达，以维持一种慢性促炎状态，从而增加细胞源性ROS 的产生[7]。

3.2 线粒体活性氧（mtROS）的产生和信号 线粒体是ROS的主要来源，它们通过线粒体氧化磷酸化产生ATP，并产生副产品ROS，且活性氧几乎全部由氧化磷酸化产生（约90%）[8]。线粒体产生的ROS 称为mtROS。线粒体氧化磷酸化与呼吸链偶联，电子由呼吸链复合物I、II传递到辅酶Q（CoQ），再传递到复合物III，最后传递到复合物IV，此为正向电子传输（FET）。健康的线粒体由于电子从呼吸链逃逸到氧气而不断产生超氧化物。另一种电子传输途径与正向电子传输相反，从CoQ 反向将电子运输至复合物I，并产生大量ROS。这种电子传输被称为反向电子传输（RET），最初是在离体线粒体琥珀酸呼吸条件下被观察到[9]。曾有体外实验使用复合物I 和复合物III抑制剂来中断电子流动，促进电子逃逸到氧气和产生ROS，证明复合物I 和复合物III 对线粒体ROS 产生有重要作用[10]，但线粒体的ROS 产生位点也不仅于此。不同的mtROS 产生位点具有不同的信号作用，在不同的生理条件下，初级产生位点可能发生变化。线粒体中产生的过氧化物并不稳定，容易通过线粒体过氧化物歧化酶（MnSOD 或SOD2）分解成H2O2。由于过氧化物的化学性质，ROS 相关性信号通路主要指H2O2介导的信号通路。然而，ROS 有其自身的信号，能通过电压依赖性阴离子通路从膜间隙释放入细胞质[11]。过氧化物能通过与一氧化氮在细胞质中偶联来扩展它的信号传递，并产生过氧亚硝酸盐，一种用于蛋白质硝化的化学物质。许多蛋白质上的半胱氨酸残基可以进行氧化修饰，包括顺序氧化（次磺酸、亚磺酸、磺酸）、谷硫醇化和S-硝基化。这些翻译后修饰能改变蛋白质的结构和功能，为mtROS 信号提供了一种机制。结构上，线粒体以双膜系统为特征。线粒体膜由磷脂、胆固醇及鞘磷脂组成，膜磷脂的多不饱和脂肪酸易受ROS 介导的脂质过氧化的影响。然而，脂质过氧化物被过渡金属进一步分解，形成高度反应性的羰基，它们是强亲电分子，与细胞大分子发生反应，导致细胞功能障碍和损伤。

4 抗氧化治疗

通过抗氧化剂或通过增强内源性抗氧化剂来减少氧化应激可能是一种有用的治疗方法，治疗的目的是在不减少氧化剂信号益处的情况下，恢复肺部正常的氧化还原平衡，目前还缺乏有用的生物标志物来确定哪些患者将从抗氧化治疗中获益最多，或者指出需要多少剂量才能恢复COPD 患者的氧化还原平衡[5]。找到安全有效的抗氧化剂是未来COPD 治疗的重要研究方向，而对于ROS 的主要产生细胞器—线粒体，线粒体靶向的抗氧化治疗可能达到更好的治疗效果。

4.1 交替氧化酶（AOX）AOX是一种原本表达于除哺乳动物以外的低等生物及植物内的蛋白质，可以进行交替呼吸。它是一种存在于线粒体膜内的单一蛋白质，可以将电子从CoQ 传输到氧气，并且在复合物III 及其下游电子传递链通畅时并不发挥作用，仅在复合物III和复合物IV功能失调时起作用，减少mtROS的产生[12]。有研究人员用表达AOX 的小鼠与野生小鼠作为对照，同时长期暴露在香烟烟雾（CS）中，发现肺气肿要比后者轻，并且在后续体外永生化的小鼠胚胎成纤维细胞中发现AOX 的表达减少了CS冷凝物诱导的ROS产生和细胞死亡[13]。另一组研究以异源性表达于小鼠线粒体的玻璃海鞘AOX 作为研究对象发现，AOX 增强了复合物II 的FET，从而降低了RET 和ROS[14]。由于伦理问题，该基因无法被转移至人类基因而表达，而相关制剂能否进入线粒体亦不可预测，故关于该物质抗氧化的治疗尚缺乏充足依据，但探究其可行性仍不失为一个新的方向。

4.2 辅酶Q10（CoQ10）CoQ 是线粒体电子传递链中的重要组成部分，CoQ10 是人类及哺乳动物体内的CoQ亚型，是另一个重要的抗氧化剂研究方向。CoQ10 最突出和最相关的功能是它的抗氧化能力。作为一种抗氧化剂，CoQ10已被证明有可能用于治疗那些以氧化应激为标志的疾病，并且在治疗慢性病方面的有益作用已有报道[15]。一项随机研究表明，在2 个月内补充QTer®（合成CoQ10 需要的物质）和肌酸可显著改善COPD患者的症状及活动能力，并且长期氧疗患者的血浆代谢物改变也印证了病情的改善[16]。但在临床上，外源性CoQ10 吸收度较低，且不易透过线粒体双膜进入线粒体，故如何使外源性CoQ10更容易进入线粒体可能是一个有价值的研究方向，解决这一问题可能会使服用该药物的COPD 患者病情进一步改善。

4.3 mitoQ 与CoQ10 相比，另一种包含CoQ10 的物质似乎更值得关注。mitoQ 由CoQ10 和一种三苯基磷阳离子（TPP+）组成，后者可以很容易地在线粒体内积累100倍浓度，从而使其在防止线粒体氧化损伤方面比非靶向抗氧化剂更有效，并且研究者发现，压迫髓核细胞促进氧化应激，在髓核细胞中，mtROS的产生被mitoQ 抑制[17]。另一项以CS 提取物暴露下的人脐静脉内皮细胞为模型的研究中，研究者加入mitoQ得出了相似的结果[18]。在临床上，mitoQ 已被证明与其他一些疾病相关，但与COPD相关的mitoQ实验却是空白。与CoQ10 相比，mitoQ 很好地解决了不容易进入线粒体这个问题，但由于相关研究的缺乏，目前对于COPD的治疗效果尚不可知，但可能拥有比CoQ10 更大的潜力。

4.4 mito-Tempo mito-Tempo 是一种线粒体靶向的超氧化物模拟物，含有哌啶氮氧化物Tempol，与带正电的三苯基膦离子结合，可在线粒体基质中积聚，是一种可以靶向和中和线粒体氧化应激的有效抗氧化剂[19]。有研究以N-亚硝基二乙胺诱导的肝癌小鼠为模型，发现给予mito-Tempo 对N-亚硝基二乙胺诱导的肝癌有保护作用，可能是通过抑制mtROS 进而调节疾病的进程[20]。另一项研究发现，mito-Tempo 可以显著降低抗霉素A 诱导的线粒体氧化应激，从而有效保护人类间充质干细胞[19]。目前该物质也缺乏与COPD 的相关性研究。作为一种线粒体靶向抗氧化剂，对COPD 的治疗效果值得深入发掘。

5 小结与展望

为更好地控制COPD，深入了解该疾病的发病机制，开辟新的认知和治疗研究途径是必要的。以线粒体为载体的一系列COPD发病机制及治疗研究作为新的热点，为该疾病的研究提供了一条全新的方向，但目前的研究证据尚不充足。在发病机制上，作为ROS 主要产生地的线粒体内仍存在许多值得探索的领域。三羧酸循环在线粒体代谢中与产生ROS的呼吸链通过琥珀酸脱氢酶（SDH）耦联，其中存在诸多产物。研究三羧酸循环产物与COPD的关系可能会成为一个全新的研究方向，如琥珀酸已被证明可以通过RET 产生大量ROS。笔者设计了一个实验，选取年龄及性别匹配的健康人及COPD 患者，获取其痰液标本行质谱分析，测定线粒体代谢物，其中包括三羧酸循环产物。在已进行的研究中发现，COPD 患者的苹果酸、柠檬酸、乌头酸及异柠檬酸较健康人明显增高，后续实验中可能会有进一步进展。在治疗上，多种线粒体靶向抗氧化治疗的研究成果令人振奋，但多停留在动物及细胞实验，与COPD 相关的临床研究较为匮乏，甚至空白，包括未被上文提及的吡咯喹啉醌、SkQ1 及其他可能出现的线粒体靶向抗氧化剂，未来的广阔研究前景需要大量的临床研究来填补空白，获取真正对治疗有益的产物。