线粒体损伤与慢性阻塞性肺疾病骨骼肌功能障碍及中医药治疗进展

赵高远,苗玉芳,侯润苏,李康沉,田燕歌,3∗

(1.河南中医药大学呼吸疾病中医药防治省部共建协同创新中心,郑州 450046;2.河南省中医药防治呼吸病重点实验室,郑州 450046;3.河南中医药大学中医药科学院,郑州 450046)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一种不可逆性老年呼吸系统疾病,以持续进行性加重的气流受限为特征,发病率和致死率均高[1]。我国有近1亿COPD患者,其中40岁以上人群患病率为13.7%[2]。COPD居我国疾病负担第二位,随着我国人口老龄化的加重,COPD患病率呈上升态势,已成为严重危害公众健康的重大疾病之一[3]。骨骼肌功能障碍(skeletal muscle dysfunction,SMD)是COPD患者活动受限的主要原因及常见的肺外并发症,也是促进疾病发展的关键因素。在COPD早期有30%～40%患者已经存在骨骼肌萎缩和体重下降,COPD患者股四头肌最大自主等长收缩(maximal isometric voluntary contraction,MVC)比健康人降低20%～30%,股四头肌肌力较健康人平均降低25%,故COPD患者的下肢肌肉更加容易发生萎缩[4-5]。目前认为,COPD合并SMD的潜在机制可能与营养不良、氧化应激、炎症反应、蛋白合成/分解失衡、线粒体损伤等有关[6-7]。在COPD进展过程中,患者骨骼肌中线粒体破裂信号呈递增趋势,严重影响骨骼肌能量的生成[8]。此外,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的异常升高是线粒体氧化应激的直接诱因,较高浓度的ROS又可触发线粒体自噬,进而导致线粒体活性降低甚至凋亡[9-10]。因此,防止线粒体损伤是改善COPD合并SMD的关键。现就线粒体损伤与COPD合并SMD及中医药治疗进展做一综述,为进一步科学研究提供依据。

1 线粒体损伤导致COPD患者SMD的发生机制

线粒体损伤是导致COPD患者SMD的重要原因之一,骨骼肌线粒体氧化应激、能量代谢障碍、自噬异常等均为其损伤的重要机制。

1.1 氧化应激

氧化应激是机体抗氧化系统无法清除过量的ROS时,体内氧化与抗氧化作用失衡所表现出的应激反应[11]。ROS分为外源性ROS和内源性ROS。外源性ROS主要来源于吸入的有毒气体或环境污染物,内源性ROS的来源包括线粒体呼吸、过氧化物酶体、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶系统和炎症细胞,而线粒体的氧化磷酸化过程是内源性ROS的主要来源之一[12]。线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)结构开放,缺乏修复途径,而异常升高的线粒体活性氧(mitochondrial reactive oxygen species,mtROS)所引发的氧化应激易损伤mtDNA,并且会引起电子传输链和氧化磷酸化异常,导致线粒体内蛋白质、DNA受损和炎症加重,从而导致线粒体生物合成减少和线粒体呼吸功能(RCR评估)下降[13-15]。Konokhova等[16]观察到COPD患者骨骼肌中mtDNA缺失的发生率很高(74% vs15%),且mtDNA缺失患者的核DNA氧化水平是无mtDNA缺失患者的2倍,极易导致SMD的发生。Gifford等[17]研究发现,氧化应激易导致COPD患者骨骼肌线粒体密度降低。总之,mtROS的过量生成是COPD患者SMD的主要原因之一。

mtROS的生成增多和氧化应激的增强是促进肌丝蛋白降解进而发展成肌肉萎缩的重要因素,在萎缩的四肢肌肉固定模型中,给予线粒体靶向抗氧化肽SS-31可显著减轻肌肉氧化应激和蛋白质降解,并防止肌纤维萎缩[18]。患有肌肉萎缩和II型肌纤维萎缩的COPD患者股外侧肌活检组织中线粒体超氧阴离子产生相对较高[19]。此外,对于ROS敏感的核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)转录因子也参与了COPD患者肌肉蛋白质的分解代谢,促进患者肌肉萎缩[20]。过氧化物酶增殖物激活受体α(peroxisome proliferators-activated receptor,PPAR-α)可直接抑制ROS的生成,PPAR-α激动剂可阻抑氧化应激,并可通过调节解偶联蛋白3(uncoupling protein3,UCP3)基因改变ROS的生成和脂肪酸的氧化[21-22]。PPAR mRNA表达水平的降低可能是线粒体呼吸功能和体密度降低的原因之一,在COPD患者外周骨骼肌中PPAR的mRNA表达水平与线粒体体积密度呈正相关[23]。因此,PPAR通路可能代表了一类新的潜在药物靶点,有助于COPD合并SMD中线粒体损伤的治疗。

1.2 线粒体能量代谢障碍

线粒体由于具有吸收和释放Ca2+的能力,通过氧化磷酸化和细胞钙离子动力学在ATP的产生中起着核心作用,而ATP作为骨骼肌运动的能量来源,在维系能量的平衡中起重要作用。线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential,MMP)的稳定是维持细胞正常生理功能的重要条件,而在COPD中线粒体MMP呈降低趋势[24]。MMP为线粒体能量产生的重要条件,膜电位的降低可导致ATP合成障碍,引起细胞质内的ATP快速水解,从而致使ATP损耗严重,钙离子内流,触发细胞凋亡[25]。当线粒体积累高浓度的Ca2+时,特别是在氧化应激情况下,会刺激线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)的开放,导致线粒体肿胀,以及MMP的减少和ATP合成酶中断[26]。骨骼肌线粒体ATP酶的活性在COPD合并SMD患者中下降,导致线粒体钠泵功能及氧化磷酸化功能障碍,影响三磷酸循环,ATP合成不足,进而阻碍能量供应,不能维系骨骼肌运动的正常能量消耗,进一步加剧COPD患者骨骼肌肌力及耐力的减退[27]。与正常人相比,COPD患者骨骼肌线粒体产生一定量的ATP需要消耗更多的氧气,而在COPD患者的线粒体中又存在氧气供应不足的问题,由此形成恶性循环,加剧SMD的进展[28]。因此,线粒体能量代谢障碍对COPD患者骨骼肌运动具有显著影响。

1.3 线粒体自噬异常

自噬是一种进化高度保守的蛋白质降解过程,由双层膜组成的自噬泡将细胞中损坏的蛋白或细胞器等物质包裹后运送到溶酶体进行降解,受损或功能障碍的线粒体通过线粒体自噬从细胞中被清除[29]。正常的骨骼肌细胞存在一定的线粒体自噬,可去除蛋白质聚合物和功能失调的线粒体,在维持肌肉的动态平衡方面起着积极的作用[30]。线粒体自噬可以维持健康的线粒体群体,在疾病发病机制中发挥细胞保护作用[31]。研究表明,生理水平的mtROS促进骨骼肌细胞正常范围内的自噬,而mtROS的异常增高会导致氧化应激,触发过度自噬,这反过来又会加重肌纤维萎缩[32-33]。COPD患者骨骼肌自噬的程度与肌肉萎缩和肺功能损害的严重程度有关[34]。而肺部炎症诱导的全身炎症会引起骨骼肌线粒体过度自噬,导致线粒体生物生成减少[35]。通过对COPD患者股外侧肌线粒体研究发现,在氧化应激状态下,骨骼肌自噬水平的增加,会促进股外侧肌线粒体的降解[36]。临床研究表明,COPD患者自噬增加与肌肉萎缩及肺功能下降程度呈正相关,表现为大腿横截面积减少,FEV1/FVC比值下降[35]。

COPD中的线粒体自噬可能受PTEN诱导激酶1(PTEN-induced putative kinase1,PINK1)/帕金蛋白(PARKIN)通路介导。一旦线粒体电位急剧下降,PINK1就从线粒体内膜移位到线粒体外膜,然后将PARKIN从胞浆引导到去极化的线粒体,触发自噬。简而言之,PINK1和PARKIN协同作用检测线粒体去极化,标记受损的线粒体,并触发线粒体自噬[37]。电压依赖型阴离子孔道蛋白(voltagedependent anion channel1,VDAC1)的磷酸化在PARKIN介导的线粒体自噬起重要作用,在此过程中,自噬接头蛋白P62/SQSTM1在清除受损的线粒体中发挥关键作用,因为PARKIN依赖的线粒体自噬需要P62重新聚集到线粒体中进行清除[38]。因此,COPD患者骨骼肌线粒体的异常自噬,直接导致线粒体生物合成减少,引起骨骼肌功能障碍。

2 中医药治疗COPD患者骨骼肌线粒体损伤现状

中医药在患者的运动能力及生活质量等方面的改善优势明显。COPD在中医学中属于“喘病”、“肺胀”等范畴[39],COPD由肺虚渐及脾肾,脾肾之虚又累及于肺,虚损积久而成诸脏俱虚,故正虚积损是COPD的主要病机[40]。肺病日久,必盗母气,肺病及脾,脾失健运,因脾主肌肉四肢,则可致肌肉瘦消、软弱无力,甚至萎弱不用,故肺脾气虚证是COPD合并SMD的主要病机之一。前期临床研究表明,补肺健脾方(ZL.201110205234.6)具有健脾补肺、化痰止咳、降气平喘等功效,其通过补肺益气、健脾生肌的作用,能显著改善患者肺功能、减少急性加重次数和持续时间、延长6min步行距离和生活质量,长期随访仍具有较好疗效[41]。实验研究表明,补肺健脾方可改善COPD稳定期大鼠肺功能,明显提高股四头肌的线粒体体密度,改善线粒体数量、形态和功能,其作用与抑制线粒体氧化和凋亡有关,可提高Na+-K+ATP酶活性,降低线粒体琥珀酸脱氢酶(succinate dehydro genase,SDH)活性,降低BCL2相互作用蛋白3(BCL2interacting protein3,BNIP3)、细胞色素-C(cytochrome C,CYTO-C)等凋亡因子,抑制骨骼肌线粒体损伤,改善骨骼肌功能[42-45]。

其他学者也发现中医药对骨骼肌线粒体损伤具有修复作用。琚星萌等[46]研究发现,四君子汤(人参,白术,茯苓,甘草)具有益气健脾作用可以提高大鼠骨骼肌琥珀酸脱氢酶(SDH)活性,改善骨骼肌线粒体呼吸功能,提高线粒体能量代谢,修复线粒体损伤。健脾益气中药(人参,白术等)通过增强骨骼肌线粒体能量的合成和代谢,对骨骼肌线粒体损伤有明显的修复作用[47]。川芎嗪在改善骨骼肌活性、维持骨骼肌细胞线粒体完整性及抗氧化作用等方面具有显著效果,能减少骨骼肌细胞凋亡,延缓失神经骨骼肌细胞的萎缩[48]。Zhang等[49]研究指出,姜黄素通过上调线粒体过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α,PGC-1α)/沉默信息调节因子3(sirtuin3,SIRT3)信号通路,显著降低氧化应激和炎症反应,可明显改善COPD大鼠骨骼肌肌纤维萎缩、肌原纤维结构紊乱、间质纤维化和线粒体结构损伤。

3 结语

线粒体损伤是COPD合并SMD的主要机制之一,而氧化应激、线粒体能量代谢障碍、线粒体自噬是已知的引起线粒体损伤的重要原因。以线粒体生物发生为靶点的疗法可能会使COPD骨骼肌功能得到改善,因骨骼肌具有极强的可塑性,所以针对它的治疗对提高COPD患者的运动功能和生命健康具有重要的临床意义。并且伴随近年来中医药的长足发展,中医药能从一定程度上修复线粒体损伤,改善COPD患者SMD,并取得了良好效果。中医药的有效参与,从一定程度上弥补了西医治疗的疗效欠缺,为中西医结合的良性发展勾勒理想蓝图。但目前该方面的研究存在一些不足:(1)线粒体损伤致SMD机制尚不十分清楚,导致其作用靶点不明,缺乏靶向性治疗药物;(2)中医药治疗COPD合并骨骼肌线粒体损伤的研究较少,导致确切疗效机制不明;(3)因“脾主肌肉四肢”,目前中医药治疗COPD合并SMD的研究多集中于肺脾气虚证,偏重于健脾,虽然肺脾气虚证是稳定期的主要证型之一,但也是疾病发展的一个过程,随着疾病进展可能发展成肺肾气虚、肺肾气阴两虚证,但因为患者活动能力的持续降低,必定有SMD的存在并伴随始终,故今后的治疗和研究也要注重益肾、滋阴等。因此,进一步研究应深入探讨线粒体损伤机制,探索有效作用靶点,加强中医药相关研究,为临床应用提供依据。