血管性痴呆认知功能障碍与海马线粒体功能异常的机制研究进展

张鑫，黎萍，王钰涵，郑彩平，邓小艳，齐路明，李涓*，江一静，夏丽娜 *

随着人口老龄化进程的加快，全球老年痴呆患者人数不断增加。由心脑血管疾病损伤脑血管引发的血管性痴呆（vascular dementia，VaD）成为继阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）后第二大常见的痴呆类型，约占老年痴呆患者的16%［1］。据统计，中国是世界上痴呆患者最多的国家，其中 VaD 患病率占 1.1% ～3.0%［2］。

VaD是指由急性或慢性脑组织缺血、缺氧引发的脑损伤，主要表现出认知功能障碍、记忆障碍和行为改变的一种综合病症，是目前可预防且预后较好的痴呆类型。有研究表明，海马线粒体功能异常时，可严重影响大脑能量供应，对认知功能产生消极影响［3］。海马作为承载人类认知功能的重要脑区，在记忆方面尤为重要。线粒体对脑缺血、缺氧极为敏感，其功能异常可造成脑能量供应不足，导致脑神经元凋亡与坏死。因此，线粒体功能异常是VaD发病的重要病理特征，也是加重脑血管损伤和认知功能障碍的首要环节。研究表明，线粒体是缺血性疾病的治疗靶点之一，而通过线粒体功能调节能量代谢改善VaD认知功能的关注度尚且不足［4］。本文将从不同角度深入分析海马线粒体功能异常与VaD认知功能障碍的内在机制，以期为VaD认知功能的防治提供新思路，进而提升患者生存质量。

本文采用主题词及其自由词相结合的方式确定检索策略，以中文关键词“线粒体”“血管性痴呆”“认知”“海马”检索中国知网、万方数据知识服务平台、中国生物医学文献服务系统；以英文关键词“Mitochondria”“vascular de mentia”“cognition”“hippocampus”检索PubMed、Web of Science。检索时间为建库至2021年12月，语种限定为中文和英文。检索目标限定为符合海马线粒体功能与血管性痴呆的临床及综述文献。

1 线粒体膜异常

线粒体渗透性转换孔（mitochondrial permeablity transition pore，MPTP）是目前发现治疗线粒体功能障碍的新靶点。研究发现，当细胞处于应激或损伤时，在内膜与外膜之间会形成1.0 ～1.3 nm的非选择性通道即为MPTP。MPTP对在细胞内信号转导系统具有重要作用的Ca2+浓度变化极为敏感。当细胞内钙超载时，通过诱导线粒体膜蛋白构象可形成并开启MPTP对钙超载进行调节。细胞内Ca2+失调也与VaD的形成密切相关。当脑组织缺血、缺氧时，脑组织中三磷酸腺苷（ATP）酶活性下降，Na+-K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性降低，使细胞内Na+、Ca2+浓度增加，造成钙超载，使脑神经元不同程度地受损或丢失，引起认知功能障碍，形成VaD［5］。适度开放MPTP可促进线粒体清除有害分子物质，持久开放则会导致不可逆恢复，如造成线粒体基质肿胀、内膜去极化、ATP水解等，导致细胞坏死或凋亡［6］。

此外，线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）是产生ATP的驱动因素。ZOROVA 等［7］研究发现，细胞内ATP和MMP保持稳定水平，这种稳定水平被认为是细胞发挥正常功能的必要条件。MMP异常是损伤VaD认知功能的重要机制之一。MMP的形成和维持受ATP含量的影响，当脑组织缺血、缺氧时，ATP需求间接依赖于细胞线粒体内膜质子渗漏，导致线粒体膜电位不可逆地下降，使ATP生产效率降低［8］。缺氧时线粒体还将受到氧化损伤并启动细胞凋亡程序，分泌凋亡蛋白和凋亡诱发因子，引起一系列级联反应导致细胞凋亡［9］。因此，选择性调节MMP是治疗MMP相关疾病的有效方法。

针对线粒体膜治疗方面，国内外学者做了很多研究。目前，已知具有抗氧化和抗炎活性的天然产物对MPTP的形成有益。蛋白亲环素D（Cyclophilin D，CypD）是唯一被遗传学证实的MPTP开放的正调节因子，通过CypD抑制剂可预防因MPTP过度开放导致的细胞凋亡［10］。CHEN等［11］研究发现，B细胞淋巴瘤2（B cell lymphoma 2，Bcl-2）不仅可以直接阻止Bcl-2蛋白相关X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）促进MPTP持续开放的作用，还可以与Bax竞争性结合MPTP，发挥抗凋亡作用。天然抗氧化剂α-硫辛酸和针刺干预可通过降低活性氧（reactive oxygen species，ROS）产生，上调超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）水平，缓解线粒体膜电位下降，保护线粒体功能，减轻大脑能量供应不足和细胞凋亡造成的认知功能障碍［12］。

2 线粒体自噬异常

研究发现，PINK1蛋白与Parkin蛋白协同调控线粒体自噬，在线粒体自噬过程中起到“感受器”与“适配器”的关键作用［13］。PINK1蛋白是主要位于线粒体外膜上的一种蛋白激酶，当神经元因缺血、缺氧受损时，线粒体膜电位下降，使PINK1蛋白不能跨膜运输到线粒体内而大量聚集在线粒体外膜，PINK1蛋白召集并活化细胞质中E3泛素化酶Parkin与MAP1LC3（LC3）结合，形成自噬小体，清除受损细胞，起到保护细胞的作用［14］。UZDENSKY等［15］研究发现，在大鼠脑梗死模型建立4 h后即可观察到缺血半暗带PINK1、Parkin蛋白表达上调，提示其在脑缺血时可起到调节作用。在大脑中动脉闭塞导致认知功能障碍的病理过程中显示，海马区神经元线粒体外膜中PINK1蛋白大量积累，Parkin/p62线粒体易位显著增加，线粒体自噬被激活［16］。当腹腔注射三甲基腺嘌呤，抑制脑损伤模型鼠脑皮质PINK1/Parkin信号时，脑内线粒体自噬活性降低，认知功能损伤减轻［17］。此外，Beclin-1可介导自噬蛋白定位于吞噬泡，调节自噬体的形成与成熟，是一种在自噬体形成中起核心作用的因子［18］。在重度或长期脑缺血、缺氧时，大量ROS和自由基的释放引起氧化应激，通过上调Beclin-1表达诱导细胞启动自噬机制清除受损线粒体以保护细胞［19］。但有研究发现，通过注射抑制剂西地那非显著降低大鼠Beclin1表达，可改善多微梗死慢性低灌注血管性认知功能障碍大鼠的认知功能，反之可提高线粒体自噬活性，加重大鼠认知功能障碍［20］。因此，线粒体自噬在缺血性脑损伤疾病中起到“双刃剑”的作用，对于激活或抑制线粒体自噬治疗缺血性疾病的机制仍需进一步研究。

关于通过调节线粒体自噬以改善VaD认知功能的研究表明，雷帕霉素（rapamycin，RAPA）可通过磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（PI3K/AKT/mTOR）途径抑制神经元凋亡和上调线粒体自噬相关蛋白增加自噬体数量，缓解神经元损伤和线粒体功能障碍［21］。中药当归、川芎中有效成分阿魏酸（ferulic acid，FA）可通过诱导线粒体自噬，保护因糖氧剥夺（oxygen-glucose deprivation，OGD）引起的脑微血管内皮细胞损伤，减轻VaD［22］。此外，成熟的番茄、胡萝卜、西瓜、番木瓜等果实中含有的番茄红素可通过清除过氧化自由基，降低细胞ROS水平，缓解线粒体膜电位，降低MPTP过度开放引发线粒体自噬与凋亡，预防VaD［23］。

3 线粒体氧自由基稳态异常

脑组织可消耗供应机体总氧量的20%。与其他器官相比，由于脑组织具备高耗氧量和较低水平的内源性抗氧化清除酶，使得脑组织中枢神经系统更加容易受到氧化应激的影响。在脑组织缺血、缺氧时，通过各种机制产生大量氧自由基，而线粒体是细胞能量代谢的主要细胞器，因其膜上含有丰富的不饱和脂肪酸，使得脑组织线粒体成为自由基攻击的主要部位。此外，自由基消除减少也是引发自由基稳态失衡的原因之一。自由基消除通过体内抗氧化防御系统完成，其中SOD为抗氧化防御系统中抗氧化酶的主要类型。研究发现，VaD患者血清中抗氧化分子SOD水平较正常健康者明显降低，并且总抗氧化能力（total antioxidant capacity，TAC）水平明显下降，提示自由基清除减少是造成VaD认知功能障碍的可能原因之一［24］。

目前，针对氧自由基治疗VaD的方法有药物疗法、针刺疗法、饮食疗法等。如依达拉奉注射液、葛根素等可通过提高海马组织中SOD的表达、降低丙二醛（MDA）水平，保护VaD患者神经元细胞，改善认知功能［25-26］。头皮电针联合美金刚通过增加SOD降低过氧化脂（local purchase order，LPO），改善VaD患者认知功能和日常生活能力［27］；电针百会、大椎、膈俞、后三里穴同样可提高机体清除自由基的能力，减轻自由基对神经系统的损伤。此外，日常生活中常见的天然蜂蜜能够提高血浆抗氧化能力和改善组织中的氧化应激，进而增强认知能力［28］。

线粒体氧自由基在人体内保持动态平衡，氧自由基的产生和消除与体内外多种因素相关。因此，氧自由基的干预方式及干预程度对线粒体氧自由基稳态的影响需进一步研究。

4 线粒体动力学稳态异常

线粒体的分裂与融合均对线粒体的修复有重要作用。通过将两个相邻的线粒体合为一个新的线粒体，可维持线粒体自身的遗传特性和生理功能；通过线粒体的分裂，可清除受损线粒体，保持细胞内环境稳态。线粒体的融合与视神经萎缩蛋白1（Opa1），线粒体融合蛋白Mfn1、Mfn2密切相关，若Opa1或Mfn1、Mfn2缺失或下降将导致细胞内线粒体碎片化聚集及线粒体自噬［29］。线粒体的分裂与Drp1、线粒体分裂相关蛋白Fis1相关，当Drp1和Fis1下调或缺失，将抑制线粒体自噬导致功能紊乱的线粒体大量聚集。ISHIKAWA等［30］通过观察发现，异常的线粒体动力学可引发神经元变性，认为可通过调节线粒体动力学来预防神经变性进展。KISLIN等［31］通过双光子显微镜发现，轻、中度脑缺血性损伤后，神经元线粒体可逆性断裂，线粒体由长形转变为片段，提示调控线粒体形态动力学稳态是缺血性疾病治疗的重要靶点。

目前，光生物调节疗法已成为一种治疗脑损伤的新疗法。通过调节线粒体外膜上的线粒体分裂因子MFF和Fis1平衡线粒体靶向裂变和融合蛋白水平，保持线粒体动力学正常，抑制海马CA1区神经元大量线粒体分裂，改善认知功能。其次，通过药物左旋丁基苯肽或“益肾调督”法针刺百会穴、肾俞穴，调节线粒体分裂与融合蛋白表达，在一定程度上改善线粒体动力学失衡，促进空间学习记忆功能恢复［32］。

线粒体是人体内高度可移动的细胞器之一，其通过不断地分裂与融合影响机体细胞功能，然而脑组织作为耗能较大的组织，其线粒体质量控制更为复杂。因此，改善线粒体动力学对线粒体质量控制将产生何种影响是后续需要探索的。

5 线粒体Ca2+稳态异常

在神经系统中，Ca2+稳态紊乱是导致多数神经损伤机制的关键环节之一。SCHANNE等［33］曾提出，Ca2+中毒是许多原因引起细胞损害的共同机制。近年来，研究发现脑缺血、缺氧导致神经元细胞凋亡的途径包括内源性和外源性［34］。其中，内源性主要由Ca2+内流增加介导，以损伤线粒体为核心，进而导致细胞凋亡。线粒体Ca2+紊乱可导致线粒体动力学失衡，ROS增加，MPTP开放，MMP降低等，造成线粒体功能障碍以及细胞凋亡。可见，调节线粒体Ca2+稳态在脑神经元发育与记忆等功能中具有重要地位。BELOSLUDTSEV等［35］研究发现线粒体内膜上含有线粒体钙统一转运蛋白复合体（mitochondrial calcium uniporter complexus，MCUC），可借助内膜驱动力使Ca2+从胞质转运到基质。线粒体在钠钙交换蛋白（NCX）的介导下可排出Ca2+，维持细胞内Ca2+稳态。细胞Ca2+稳态与线粒体形态和动力学相关，人工高灌流线粒体Ca2+摄取能力更强，而线粒体分裂可使Ca2+摄取速度和摄取能力极大下降［36］。PIGNATARO等［37］研究发现，增强钙钠交换体NCX1和NCX3的表达和活性，可能是减少缺血后梗死面积扩大的一种合理方案。

目前研究发现，通脑活络针刺法可调节细胞内Ca2+浓度，保护线粒体功能，促进神经元细胞恢复［38］。中药双黄连可激活线粒体Ca2+单向转运体，增强线粒体Ca2+摄取；黄芪甲苷、双黄连、甜菊苷、栀子苷和罗望子种皮提取物可促进内质网Ca2+-ATP酶活性，抑制线粒体钙超载，保护线粒体功能和脑神经元细胞［39］。

尽管目前关于调节线粒体Ca2+稳态有利于保护神经元，但由于Ca2+变化与多种神经损伤机制相关，因此，调节线粒体Ca2+稳态改善VaD的影响机制目前尚未完全阐明，有待后续进一步研究。

6 线粒体生物合成功能异常

众多研究表明，线粒体功能缺陷是许多神经系统疾病的病理基础。闵晶晶等［40］研究发现，长期暴露于低O2、高CO2环境中的大鼠学习记忆能力呈现下降趋势，且大鼠海马区线粒体生物合成水平降低。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1（PGC-1）α是调控线粒体生物合成的关键转录因子。PGC-1可通过两条途径促进线粒体合成，其一是促进核呼吸因子（recombinant nuclear respiratory factor 1，NRF1）表达启动细胞核DNA编码的线粒体组件蛋白表达，其二是通过促进线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）表达启动线粒体DNA编码的线粒体组件蛋白表达。YOU等［41］发现，缺血初期海马组织PGC-1α代偿性升高，而持续性缺血可导致PGC-1α表达降低。GU等［42］发现，新生大鼠脑缺血、缺氧性损伤后脑皮质核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）表达异常升高。荆翠翠等［43］发现，新生大鼠脑组织缺血、缺氧性损伤后脑皮质PGC-1α、NRF1和线粒体转录因子A（TFAM）表达均明显降低。由上可知，缺血、缺氧性损伤诱导PGC-1α、NF-κB和TFAM的表达降低，可能是造成线粒体生物合成障碍的机制之一，同时也是改善线粒体生物合成功能的有效靶点。

目前，研究发现中药苷类（如黄芪甲苷、人参皂苷、三七总皂苷、红景天苷）和醇类（如白藜芦醇、槲皮素、姜黄素）以及黄芩素、川芎嗪等均可通过不同途径调节PGC-1α、NF-κB和TFAM的表达通路，促进线粒体生物合成发挥脑保护作用［44］。除药物治疗外，运动疗法，如间歇性高强度训练、常氧环境运动预适应训练、低氧训练等，均已证明能通过促进线粒体合成，有效改善患者认知功能［45］。

已知，线粒体生物合成与细胞代谢密切相关，通过调节细胞代谢参与多种疾病的发生发展。但是，为了更好地防治疾病，线粒体能否在疾病发生前主动察觉自身代谢异常进而及时调节合成速率减缓疾病发展的机制目前尚未完全清楚。

7 线粒体呼吸功能异常

已有研究表明，当脑缺血性损伤时可导致线粒体呼吸链的电子传递能力下降，降低线粒体复合物Ⅰ ～Ⅳ在大鼠大脑皮质中的活性，造成线粒体呼吸功能异常进而导致ATP生成障碍［46］。余敏等［47］观察采用2-VO方法建立的VaD模型大鼠发现，线粒体呼吸链复合酶活性较正常组明显降低。袁野等［48］采用抽取并回输约40%总血量加双侧颈总动脉夹闭20 min建立雌性NIH小鼠VaD模型，观察发现在术后5 min模型组线粒体复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ活性显著降低，其中复合体Ⅲ、Ⅳ在术后60 d仍在下降。可见，线粒体呼吸链复合酶活性是VaD发生、发展的重要因素。

通过调节线粒体呼吸酶活性，改善线粒体呼吸功能，有利于ATP的产生并减轻因缺乏能量而造成的组织损伤。LI等［49］经过针灸治疗后发现，大鼠海马线粒体呼吸复合酶（复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ）活性和细胞色素C（cytochromec，Cyt-C）氧化酶Ⅳ的表达显著增加，线粒体呼吸控制率和膜电位丙酮脱氢酶A1（pyruvate dehydrogenase A1，PDHA1）的表达明显改善。ZHANG等［50］通过针刺治疗发现，缺血、缺氧痴呆大鼠的呼吸控制指数（rrespiratory control index，RCI）、P/O比值水平（每消耗一个氧原子所产生的ATP分子数）和线粒体呼吸酶活性均有提高，能明显改善大鼠的认知能力。刘垚君等［51］研究发现，中药栝楼桂枝颗粒可提高模型大鼠脑组织中线粒体呼吸链酶复合物Ⅰ的活力，改善线粒体代谢功能进而减轻缺血再灌注引起的脑神经损伤。杨若聪等［52］分析发现，益气解毒方能改善缺血导致的脑组织线粒体呼吸功能障碍，并且通过主成分分析（principal component analysis，PCA）和变量重要性指标（variable importance in projection，VIP）分析方法得出，人参皂苷和黄连素配伍改善效果最佳且黄连素贡献度最大，但其具体机制目前相关研究较少。

目前，改善线粒体呼吸功能主要是通过调节线粒体内膜上的5种呼吸链复合体活性，然而关于通过线粒体呼吸链复合体的特异性治疗方法及每种呼吸链复合体在改善认知方面的内在机制仍有待深入研究。

8 线粒体调控细胞凋亡途径异常

已知神经元大量凋亡是产生认知老化的原因之一，而线粒体是细胞凋亡的促成因素。线粒体作为内源性细胞凋亡的调控中心，当细胞受损处于应激状态时，可触发内源性通路，使线粒体肿胀或膜通透性增加并释放多种凋亡诱导因子，如Cyt-C、Smac、Omi/HtrA2等，其中Cyt-C的释放是线粒体凋亡途径的标志事件［53］。关于Cyt-C释放的机制，目前认为可能与Bcl-2家族中不同蛋白的调控和MPTP开放有关。分子研究表明，p53基因是细胞应激反应的关键调节剂［54］。在脑缺血后，p53可通过两条途径促进细胞凋亡，一是通过p53转录依赖的细胞核机制，调控Bcl-2家族促凋亡靶基因如p53上调的凋亡调节物（PUMA）的表达，发挥促凋亡功能；二是非转录依赖的线粒体机制，通过p53易位到线粒体，直接与Bcl-2家族蛋白家族成员形成抑制性复合物，改变线粒体外膜通透性引起Cyt-C的释放［55］。因此，调节凋亡诱导因子的表达，是保护线粒体功能的有效方法，也是预防脑组织细胞凋亡的关键。

已知某些激素如植物雌激素可通过激活腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）表达，上调Cyt-C促凋亡蛋白，清除癌细胞；又可增加抗凋亡蛋白Bcl-2表达诱导神经元存活，发挥神经保护作用来改善认知功能障碍［56］。低剂量或生理水平剂量的雄激素可能通过减少Bax与Cyt-C的表达、增强Bcl-2的表达，进而减少细胞凋亡，保护脑神经［57］。此外，外界刺激如三焦针法、头穴透刺法，可通过上调Bcl-2蛋白表达，下调缺血半暗带脑组织Cyt-C、Caspase-3表达水平，抑制神经元过度凋亡，改善痴呆小鼠的认知功能［58］。药物复智胶囊［59］以及中药山茱萸的主要活性成分莫诺苷［60］，可通过调节VaD大鼠海马线粒体凋亡通路，启动抗凋亡机制，达到对VaD的神经元保护作用。

综上所述，线粒体功能异常可通过多种机制参与并影响VaD认知功能障碍的发生与发展。本文探讨线粒体功能异常与脑组织缺血、缺氧所导致的认知功能障碍的研究进展，不仅更加明确了线粒体功能异常在VaD认知功能障碍中的重要地位，同时为通过改善线粒体功能防治VaD认知功能障碍提供了治疗新思路。

虽然线粒体功能与VaD认知功能的关系研究取得一定进展，但仍需进一步深入研究。例如，线粒体功能在其他疾病（如AD）的发病机制中也发挥重要作用，这增加了关系研究的难度。此外，随着医学的进步与发展，基因研究将可能是未来关注的焦点。最后，无论线粒体作为神经系统退行性疾病的诱因或是直接参与脑神经元的损伤，对线粒体的保护性干预将是疾病的潜在治疗靶点。

作者贡献：张鑫、黎萍和邓小艳确定文章的主要分析内容，参与文章的构思与设计；王钰涵和郑彩平进行相关文献的收集；齐路明参与论文的修订；张鑫撰写论文；李涓、江一静和夏丽娜负责文章质量和审校。

本文无利益冲突。