线粒体损伤在慢性阻塞性肺疾病发病机制中的研究进展

金洁，黄敏轩，马红映，徐倩

线粒体损伤在慢性阻塞性肺疾病发病机制中的研究进展

金洁1，黄敏轩1，马红映1，徐倩2

1.宁波大学医学院附属医院呼吸与危重症医学科，浙江宁波 315000；2.宁波大学医学院附属医院护理部，浙江宁波 315000

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种慢性呼吸系统疾病，目前已成为全球第三大死亡原因。线粒体是体内主要的产能细胞器和细胞氧化应激感受器，在能量代谢和细胞信号传导等方面发挥重要作用。线粒体损伤可致线粒体活性氧生成、线粒体DNA损伤及线粒体自噬异常，通过调节氧化应激、炎症、细胞凋亡及衰老，参与COPD的发病机制与进展。本文就线粒体损伤在COPD发生中的作用机制做一综述，以期以线粒体为新靶点，为COPD的治疗及预后提供新的研究方向。

慢性阻塞性肺疾病；线粒体损伤；氧化应激；线粒体自噬；线粒体DNA突变

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种常见的、可预防、可治疗的气道炎症性疾病，以进行性、不可逆的气流受限为特征，已成为全球第三大死亡原因[1]。据《中国成人肺部健康研究》显示，我国40岁以上成人COPD患病率达13.7%，60岁以上成人患病率已超过27%，全国总患病人数约为9990万[2]。随着全世界人口寿命的延长，预计到2050年，全球60岁以上人口比例将增加近一倍[3]。既往研究证实，COPD发病率随着年龄的增长而上升[4]，预计在不久的未来，COPD可能对现有的医疗体系构成巨大挑战。

线粒体是存在于所有真核生物中的细胞器，具有产生细胞能量的作用。除此之外，线粒体有独自的转录机制、蛋白质组和DNA，使其成为半自主细胞器，通过自噬、融合和裂变调节稳态[5]。线粒体功能障碍是COPD发病机制中的关键事件。研究证明，香烟烟雾（cigarette smoke，CS）会导致线粒体功能障碍，线粒体功能的恢复在COPD模型中被证明是有益的[6]；但线粒体损伤在COPD进展过程中发挥的作用仍难以确定。本文将从线粒体氧化应激、线粒体自噬、线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）突变、端粒缩短等方面讨论线粒体在COPD发生机制中的作用。

1 线粒体损伤致慢性阻塞性肺疾病的发生机制

线粒体是主要的产能细胞器，为细胞提供能量以维持正常的细胞功能；线粒体也是主要的氧化应激感受器，与活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生、细胞凋亡、细胞周期代谢等有关[7]。线粒体数量改变与线粒体融合和裂变有关，并受到线粒体生物发生的调节。维持线粒体功能及其在生物体内的平衡对于健康的细胞功能和生存至关重要[8]。正常线粒体稳态通过线粒体膜电位的稳定、mtDNA的完整性及线粒体自噬及时清除受损的线粒体来维持。线粒体稳态一旦被破坏，会导致线粒体功能障碍，进而扰乱氧化磷酸化进程，诱导ROS的产生和积累、mtDNA突变增加及三磷酸腺苷（triphosadenine，ATP）产生减少[9]。

研究表明线粒体功能障碍在COPD的发病机制中起着至关重要的作用[10]。在暴露于CS后，可观察到人气道上皮细胞中线粒体质量增加、线粒体膜电位降低和E3泛素蛋白连接酶易位减少[11]。因此，线粒体参与CS暴露导致的COPD发生，其机制可能包括氧化磷酸化、线粒体自噬、mtNDA突变，并与线粒体的功能形态密切相关。

1.1 氧化磷酸化与应激机制

氧化磷酸化系统由电子传递链（electron transport chain，ETC）组成，执行细胞呼吸中的氧化还原反应。其组成成分中任一环节的缺陷都会导致线粒体功能障碍[12]。同时，越来越多的证据表明，氧化应激参与COPD及其进展的多个致病机制。研究发现，COPD患者呼出气中H2O2、丙二醛、4-羟基壬烯醛、8-异前列腺素等氧化应激标志物的浓度增加，且在病情恶化期间进一步增加，而调节多种抗氧化剂基因的核转录因子红系2相关因子2、FOXO3a蛋白在肺中表达降低，COPD患者肺部的肺泡巨噬细胞、活化中性粒细胞数量增加并释放大量ROS[13]。反映COPD患者肺部抗氧化防御机制的抑制及氧化应激的增加，当内源性抗氧化防御机制因ROS的增加而失调时，氧化应激就会产生[14]。

CS是COPD最重要的病因，可改变气道上皮功能，导致线粒体损伤并增加氧化应激，促进上皮细胞衰老和促炎通路激活[15-16]。CS可抑制线粒体复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的电子转移，致使呼吸链受抑制，促进电子泄漏，从而产生超氧阴离子并衍生为额外的ROS[17]。在正常生理条件下，线粒体释放的ROS充当第二信使，以维持细胞稳态，而当线粒体受损时会产生过量的ROS[10]。过量的ROS导致线粒体自身氧化-抗氧化失衡，通过线粒体外膜透化作用，增加细胞色素C等膜间空隙蛋白在细胞质的释放，并激活caspase-9和caspase-3导致细胞凋亡[18]。ROS诱导的线粒体功能障碍可进一步增加ROS，导致线粒体持续氧化损伤，形成恶性循环[19]。研究发现，线粒体ROS还能激活调节各种促炎细胞因子转录的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）及p38丝裂原激活的蛋白激酶（mitogen activation protein kinase，MAPK），其通过募集中性粒细胞和巨噬细胞增强COPD患者肺部的炎症和氧化应激，导致COPD进展加速[20-21]。

线粒体结构和功能完整性受损伴随着过量的ROS产生。研究发现，在COPD患者中，过量的ROS水平会通过激活肿瘤抑制蛋白p53途径，导致细胞周期停滞和细胞衰老[22]。衰老细胞激活NF-κB、p38 MAPK和JAK激酶，导致分泌多种炎症蛋白，被称为衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）[23]。衰老细胞通过SASP增加对相邻细胞的损伤并导致慢性炎症[24]。当生理性抗炎、抗氧化机制无法保护机体免受持续性炎症和ROS增加造成的损害时，会导致细胞和（或）组织损伤，进而导致COPD的发生。

健康线粒体不断经历融合和分裂过程，以满足新陈代谢的需要，并清除功能损伤的线粒体以维持动态平衡，而CS会改变线粒体的结构，从而导致线粒体功能障碍[19]。Wang等[25]研究发现，氧化应激水平与CS诱导的线粒体状态相关。CS通过诱导视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）和融合蛋白（mitofusin 1，Mfn1）等肺上皮细胞融合促进蛋白表达，导致线粒体过度融合、应激抵抗受损和肺上皮细胞衰老；也可通过将线粒体裂变蛋白1、动力相关蛋白1（dynamin related protein 1，Drp1）转移至线粒体以诱导线粒体分裂，导致碎裂的线粒体堆积，增加ROS的产生，诱导氧化应激并加速细胞衰老[8]。研究发现，Drp1可通过介导增强的线粒体分裂促进细胞凋亡并影响细胞能量代谢，参与COPD患者骨骼肌功能障碍的发展[19]。

1.2 线粒体自噬

线粒体自噬在消除受损线粒体中起着至关重要的作用，被认为与COPD发病机制密切相关[22]。损伤诱导的线粒体自噬主要由编码PTEN诱导假定激酶（PINK1）和作为E3泛素蛋白连接酶的Parkin途径控制：线粒体去极化促使PINK1稳定在外膜上，PINK1通过其激酶活性募集PARK2易位到线粒体，随后形成自噬小体，捕获和降解受损的线粒体[26]。

既往研究证实，支气管上皮细胞中有受损线粒体的积累，且发现增强和受损的线粒体自噬都与COPD发病机制有关。PINK1过表达诱导的线粒体自噬过度增强可导致程序性细胞死亡，特别是支气管上皮细胞的坏死性凋亡；PARK2水平降低与线粒体自噬不足有关，并导致细胞衰老加速[27]。研究发现，在原代人支气管上皮细胞中，PINK1和PARK2敲减后香烟烟雾提取物（cigarette smoke extract，CSE）诱导的线粒体自噬被抑制，线粒体损伤同时伴随着细胞衰老增强。蛋白质水平的评估表明，与非COPD肺相比，COPD肺中的PARK2降低[28]。最新研究发现，CS暴露后，PARK2敲除小鼠表现出气道壁的增厚和肺气肿变化，其气道上皮细胞显示出线粒体嵴的破坏及受损线粒体的积累，且这一过程伴随氧化修饰的增加与细胞衰老的加速[29]。这些结果表明，PINK/PARK2通路可通过调节CS诱导的线粒体自噬在COPD发病机制中发挥关键作用。

1.3 mtDNA的突变

mtDNA主要编码ETC复合体蛋白及其相关组分，与线粒体的功能密切相关。因其结构开放、缺乏修复途径，极易发生突变，也易受到ROS的影响产生损伤[30]。过量的ROS会损害DNA，并诱导mtDNA发生突变。突变的mtDNA在线粒体内的积累激活DNA损伤应答（DNA damage response，DDR），造成细胞周期阻滞及ROS生成增加，损伤线粒体并加剧细胞衰老，甚至导致细胞凋亡[31]。mtDNA已被证明可诱导促炎状态，mtDNA的损伤和释放可通过Toll样受体9（Toll-like receptor 9，TLR9）和干扰素基因的环状GMP-AMP合酶刺激物引发炎症反应。TLR9与mtDNA的相互作用激活NF-κB并增加其他促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素（interleukin，IL）-6、IL-1β的表达。同时，受损的mtDNA可通过p38MAPK和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）途径增强前蛋白转化酶枯草溶菌素9/kexin9型（proprotein convertase subtilisin/kexin type 9，PCSK9）的释放，升高的PCSK9通过刺激caspase-3诱导细胞凋亡[32]。综上，mtDNA可通过导致炎症介质的表达增加、细胞周期失调和细胞凋亡参与COPD的进展。

研究发现，短期CS暴露会增加支气管肺泡灌洗液mtDNA水平，肺上皮内异常线粒体的数量随着烟雾暴露时间的延长而增加。SPIROMICS队列研究发现，轻度或中度COPD患者的血浆mtDNA水平较没有气流阻塞的吸烟者和重度COPD患者更高。提示mtDNA可能是双相释放的，在早期患者中达到峰值，但在进展到严重时下降，表示线粒体功能障碍可能在COPD从轻度向重度转变过程中发挥作用[33]。Giordano等[17]的研究表明，COPD吸烟患者的血浆、暴露于CS的肺气肿小鼠血清中游离mtDNA和游离核DNA的水平较无COPD的吸烟者、暴露于室内空气的小鼠升高。同时在细胞模型中发现，暴露于亚致死剂量的CSE会降低线粒体膜电位，并触发细胞外囊泡中的mtDNA释放，表明游离mtDNA可能是响应CS暴露和COPD的线粒体应激的标志物。因此，了解mtDNA释放的机制及其细胞外作用可能为吸烟者和COPD患者确定新的治疗靶点。

1.4 线粒体功能损伤的相关通路

多个信号分子及通路参与线粒体ROS的产生，其中包括氧化还原酶p66Shc、线粒体去乙酰化酶Sirtuin3、雷帕霉素/过氧化物酶体增殖物激活受体-γ复合物1α/β（mTOR/PGC-1α/β）轴等。

动物实验发现，CSE刺激的气道上皮细胞中p66Shc的信使RNA和蛋白表达呈浓度和时间依赖性增加，p66Shc沉默降低线粒体ROS的产生并提高线粒体膜电位和细胞内ATP水平[34]。在大鼠COPD模型中证实，气道上皮细胞中线粒体去乙酰化酶Sirtuin 3蛋白表达明显降低，且与气道上皮细胞线粒体损伤有关，其可能通过调节锰超氧化物歧化酶抑制气道上皮线粒体氧化应激[35]。Houssaini等[36]研究发现，mTOR通路的激活与COPD发生相关：在COPD患者的肺中发现mTOR水平升高，同时发现雷帕霉素对mTOR信号传导的抑制可阻止细胞衰老并抑制SASP；在小鼠模型中发现，mTOR的激活足以诱导肺细胞衰老并模拟COPD的肺部改变。表明mTOR激活是COPD患者肺细胞衰老的主要驱动力。最新研究也表明，暴露于CS的肺上皮线粒体功能障碍可通过上述通路在COPD的发病中发挥作用[10]。

1.5 端粒缩短

端粒由位于染色体末端的短DNA重复序列和相关蛋白组成，它们在维持基因组完整性和稳定性方面发挥重要作用[37]。线粒体和端粒虽是两个研究方向，但都与细胞衰老相关性疾病有关。线粒体产生的ROS直接影响端粒缩短的速度，并可加速细胞衰老；端粒损伤通过p53-PGC-1α信号通路影响线粒体功能，并与年龄相关的疾病有关[38]。近期研究还发现，端粒缩短与多个肺功能参数相关[39]。国内一项研究表明，肺功能分别与端粒长度和环境暴露呈正相关和负相关，外周血白细胞端粒长度缩短和COPD有关，且其中可能有烟雾暴露的影响[40]。

2 小结

线粒体对于能量代谢是必不可少的，且在调节细胞信号传导、维持细胞功能和组织稳态方面发挥重要作用。线粒体功能障碍通过氧化应激、线粒体ROS过度产生、mtDNA损伤和释放、线粒体自噬异常、端粒缩短及相关信号通路参与COPD发生发展。因此，研究功能失调的线粒体相关机制可能是预防或阻止COPD发展的一种有前途的方法。为寻求COPD治疗的新靶点，需进一步探索线粒体损伤在致COPD发病过程中的复杂机制。

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R563

A

10.3969/j.issn.1673-9701.2023.07.022

浙江省自然基金基础公益研究计划项目（LSY19H010001）；宁波市社会公益类科技计划项目（2021S163）；宁波市自然科学基金项目（2021J242）

马红映，电子信箱：fymahongying@nbu.edu.cn

（2022–09–14）

（2023–02–10）