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線粒體功能的研究背景

線粒體除了作為細(xì)胞內(nèi)能量生成的關(guān)鍵細(xì)胞器，還參與細(xì)胞凋亡、自由基生產(chǎn)、脂質(zhì)代謝等代謝過程。一些研究報道指出，線粒體功能異常會導(dǎo)致許多常見疾病的病理，包括神經(jīng)退化、代謝疾病,心臟衰竭，缺血再灌注損傷和原生動物的感染等。因此，線粒體是這些高度流行疾病的一個重要藥物靶點(diǎn)。一些旨在治療性恢復(fù)線粒體功能的策略正在出現(xiàn)，少數(shù)藥物已進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

線粒體與疾病的關(guān)系

再灌注損傷當(dāng)流向器官的血液被打斷時，就會發(fā)生缺血，使器官失去氧氣和外部代謝物的供應(yīng)，導(dǎo)致乳酸、琥珀酸的堆積。此時含氧血液再灌注入器官，會導(dǎo)致琥珀酸氧化，產(chǎn)生ROS，致使氧化損傷。且同時ROS與線粒體內(nèi)富集的Ca2+共同作用于MTPTP，會致使線粒體腫脹，細(xì)胞死亡，從而引發(fā)炎癥（如下圖）。

因此，減緩再灌注損傷有以下方案：在缺血時，預(yù)防琥珀酸積累；在再灌注時，避免琥珀酸氧化，減少ROS生成，或添加氧化劑，避免氧化損傷；及再灌注后，注射阻斷MPTP通路相關(guān)藥物，避免細(xì)胞死亡，或直接注射抗炎藥物等方式，防治再灌注損傷。但是應(yīng)用于臨床結(jié)果令人失望，分析其原因可能是動物實(shí)驗(yàn)使用的模型過于年輕，缺乏老年人，不健康患者的相關(guān)共性?；蚴腔颊咄瑫r服用多種藥物，與被檢測藥物可能效果相似，導(dǎo)致無法正確評估藥效。還有可能是治療前缺血時間太長或太短，影響判斷結(jié)果。另外，CSA藥物進(jìn)入線粒體速度太慢，無法阻止細(xì)胞損傷，需要迅速給藥。

1、肥胖

減肥是一個相當(dāng)熱門的話題，通過線粒體，促進(jìn)脂肪代謝來提供能量，能夠有效的治療肥胖。細(xì)胞的線粒體中會產(chǎn)生三磷酸腺苷（ATP）分子，它能夠?yàn)樯眢w提供能量。20世紀(jì)30年代曾經(jīng)流行過一種減肥藥——2,4-二硝基苯酚（DNP），它會阻斷這一過程，導(dǎo)致線粒體產(chǎn)生熱量而非ATP，并促使細(xì)胞代謝碳水化合物和脂肪。后來多人由于過熱死亡，DNP在1938年被廢止使用。近來有研究發(fā)現(xiàn)，DNP甲基醚能在肝臟中被代謝為DNP，從而減少脂肪肝與高血脂的癥狀。

2、胰島素耐受

即不能正常降低血糖?？梢酝ㄟ^線粒體為靶點(diǎn)的治療手段有：使用二甲雙胍，抑制氧化磷酸化過程中的復(fù)合物I，使ADP:ATP的比值上調(diào)，從而激活AMPK，延緩肝臟糖異生的反應(yīng)；通過NMN，使NAD+水平上調(diào)，改善II型糖尿??；通過減少線粒體ROS的生成，或使用抗氧化劑，恢復(fù)胰島素，且減少糖尿病并發(fā)癥。

3、高血壓

線粒體內(nèi)的超氧化物與血管舒張劑NO反應(yīng)，導(dǎo)致血管收縮，造成高血壓；或ROS導(dǎo)致細(xì)胞外彈性蛋白酶被氧化損傷，從而會導(dǎo)致高血壓。有研究表明，利用抗氧化劑MitoQ有望通過阻止ROS損傷來治療高血壓。

4、脂肪肝

非酒精性脂肪肝（NAFLD）是與肥胖相關(guān)的疾病，NAFLD的治療選擇有限，肝移植是肝硬化的唯一可能。但脂肪在肝臟的積累是NAFLD的關(guān)鍵驅(qū)動因素，這可以通過DNP衍生物誘導(dǎo)肝內(nèi)線粒體選擇性解耦從而增強(qiáng)線粒體脂肪氧化從而解決。此外，線粒體損傷與NAFLD的發(fā)展密切相關(guān)，氧化應(yīng)激升高，NAD+耗竭?？赏ㄟ^抗氧化劑MitoQ及NMN補(bǔ)充NAD+，作為一種治療手段。

5、神經(jīng)衰退型疾病

亨廷頓病、家族性帕金森病、阿爾茨海默病、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等疾病被認(rèn)為是與線粒體損傷相關(guān)的疾病。許多類型的線粒體功能障礙與神經(jīng)退行性變有關(guān)，包括氧化損傷、ATP合成缺陷、NAD+耗盡、線粒體動力學(xué)和質(zhì)量控制受限、鈣穩(wěn)態(tài)紊亂?？梢酝ㄟ^對這些方面的調(diào)節(jié)作為一種治療手段。

已有大量的動物和人類數(shù)據(jù)表明，靶向線粒體是一種減緩神經(jīng)退行性疾病進(jìn)展的良好策略。但運(yùn)用于臨床是失敗的，導(dǎo)致治療失敗的一個可能因素是，當(dāng)神經(jīng)退行性疾病的患者被招募參加臨床試驗(yàn)時，已經(jīng)是晚期，無法治療。而在許多動物研究中，治療是在臨床出現(xiàn)明顯癥狀之前進(jìn)行的。并且與此相關(guān)的許多神經(jīng)退行性疾病過程可能構(gòu)成一個惡性循環(huán)，一旦細(xì)胞損傷開始，其他因素，如炎癥和血管損傷，都會導(dǎo)致一系列的反應(yīng)。因此，當(dāng)疾病出現(xiàn)癥狀時，在線粒體水平進(jìn)行干預(yù)可能已經(jīng)太晚了。

6、視網(wǎng)膜功能性障礙

視網(wǎng)膜感光細(xì)胞(RPCs)受損或喪失是西方國家最常見的視力喪失原因，依賴于氧化磷酸化和高水平的氧化應(yīng)激使視網(wǎng)膜非常容易受到線粒體功能障礙的影響，這表明專注于這個細(xì)胞器的治療是有益于視網(wǎng)膜功能性障礙的改善的。動物模型的研究結(jié)果支持了這一觀點(diǎn)，即RPC死亡與NAD+耗竭有關(guān)，導(dǎo)致SIRT3活性下降，通過NMN補(bǔ)充NAD+能減少這種細(xì)胞的損失。

7、心力衰竭（HF）

心臟供血需要能量，它依靠線粒體ATP的產(chǎn)生來驅(qū)動心肌細(xì)胞收縮，并重新分配釋放的鈣來啟動這一過程。因此，線粒體功能障礙是心衰的一個關(guān)鍵組成部分。導(dǎo)致心力衰竭與線粒體功能障礙相關(guān)的因素有多種，但ROS的產(chǎn)生升高、氧化損傷、線粒體生物發(fā)生缺陷是最為常見的，機(jī)制尚不清楚，且通過抗氧化劑的臨床效果不佳。寄希望于保護(hù)線粒體或增加線粒體作為目標(biāo)的治療，是未來發(fā)展的領(lǐng)域。

8、寄生蟲

原生動物感染導(dǎo)致了許多醫(yī)學(xué)、社會和經(jīng)濟(jì)上的重要疾病，包括瘧疾、布魯氏錐蟲和查加斯病(克魯茲錐蟲)。由于缺乏疫苗、藥物毒性和出現(xiàn)耐藥性，研制治療這類寄生蟲病的新療法是一個迫切需要得到滿足的領(lǐng)域。原生動物線粒體是一個有吸引力的藥物靶點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊木€粒體不僅對生存至關(guān)重要，而且與哺乳動物宿主的線粒體也有很大的不同。

由于惡性瘧原蟲缺乏嘧啶挽救途徑，它們依賴于線粒體DHODH途徑生產(chǎn)嘧啶，因此，DHODH本身就是一個潛在的藥物靶點(diǎn)。然而另外一個藥物靶點(diǎn)，Atovaquone在細(xì)胞色素bc1復(fù)合物上的結(jié)合位點(diǎn)，位于線粒體DNA上，因此容易發(fā)生氧化損傷和基因突變，從而使寄生蟲容易獲得抗性。所以通過抑制ND2，位于核基因組上的編碼蛋白，作為靶點(diǎn)治療效果更好。

錐蟲的線粒體是一個很有吸引力的藥物靶點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冇胁煌拇x模式，這取決于宿主和生命周期的階段，并且與人類線粒體不同。寄生蟲感染的人血液的階段是依賴糖酵解產(chǎn)生ATP，它包含一個線粒體，該線粒體具有一個非常規(guī)的呼吸鏈，對于從NADH再生NAD+以維持糖酵解至關(guān)重要，而人體內(nèi)AOX的缺乏使其成為一個有吸引力的藥物靶點(diǎn)（如下圖）。

線粒體的功能介紹

1、能量轉(zhuǎn)化

線粒體是真核生物進(jìn)行氧化代謝的部位，是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負(fù)責(zé)的最終氧化的共同途徑是三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化，分別對應(yīng)有氧呼吸的第二、三階段。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中完成的糖酵解和在線粒體基質(zhì)中完成的三羧酸循環(huán)在會產(chǎn)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinarnide adenine dinucleotide，NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenosine dinucleotide，F(xiàn)ADH2）等高能分子，而氧化磷酸化這一步驟的作用則是利用這些物質(zhì)還原氧氣釋放能量合成ATP。在有氧呼吸過程中，1分子葡萄糖經(jīng)過糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化將能量釋放后，可產(chǎn)生30-32分子ATP（考慮到將NADH運(yùn)入線粒體可能需消耗2分子ATP）。如果細(xì)胞所在環(huán)境缺氧，則會轉(zhuǎn)而進(jìn)行無氧呼吸。此時，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸便不再進(jìn)入線粒體內(nèi)的三羧酸循環(huán)，而是繼續(xù)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中反應(yīng)（被NADH還原成乙醇或乳酸等發(fā)酵產(chǎn)物），但不產(chǎn)生ATP。所以在無氧呼吸過程中，1分子葡萄糖只能在第一階段產(chǎn)生2分子ATP。

2、三羧酸循環(huán)

糖酵解中生成的每分子丙酮酸會被主動運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)穿過線粒體膜。進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，丙酮酸會被氧化，并與輔酶A結(jié)合生成CO2、還原型輔酶Ⅰ和乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是三羧酸循環(huán)（也稱為“檸檬酸循環(huán)”或“Krebs循環(huán)”）的初級底物。參與該循環(huán)的酶除位于線粒體內(nèi)膜的琥珀酸脫氫酶外都游離于線粒體基質(zhì)中。在三羧酸循環(huán)中，每分子乙酰輔酶A被氧化的同時會產(chǎn)生起始電子傳遞鏈的還原型輔因子（包括3分子NADH和1分子FADH2）以及1分子三磷酸鳥苷（GTP）。

3、氧化磷酸化

NADH和FADH2等具有還原性的分子在電子傳遞鏈里面經(jīng)過幾步反應(yīng)最終將氧氣還原并釋放能量，其中一部分能量用于生成ATP，其余則作為熱能散失。在線粒體內(nèi)膜上的酶復(fù)合物（NADH-泛醌還原酶、泛醌-細(xì)胞色素c還原酶、細(xì)胞色素c氧化酶）利用過程中釋放的能量將質(zhì)子逆濃度梯度泵入線粒體膜間隙。雖然這一過程是高效的，但仍有少量電子會過早地還原氧氣，形成超氧化物等活性氧（ROS），這些物質(zhì)能引起氧化應(yīng)激反應(yīng)使線粒體性能發(fā)生衰退。在此過程中產(chǎn)生的ROS和一些中間代謝物可作為線粒體的信號，調(diào)節(jié)相關(guān)下游反應(yīng)；ROS也可能會對線粒體造成氧化損傷；ROS與線粒體內(nèi)富集的Ca2+共同作用于MTPTP,會致使線粒體腫脹，細(xì)胞死亡。

氧化磷酸化代謝過程中的Cytochrome c與細(xì)胞凋亡相關(guān)。途徑大體為：細(xì)胞受到凋亡信息刺激后，BH-3 only 亞族蛋白和Bax亞族蛋白相互作用，促使Bax亞族蛋白寡聚化，并進(jìn)入線粒體，促使線粒體釋放Cytochrome c和Smac/DIABLO至胞質(zhì)中，其中Cytochrome c與胞質(zhì)中的Apaf-1、ATP/dATP、pro-caspase9結(jié)合，形成一個700~1400kDa，具有很強(qiáng)caspase酶激活活性的大分子蛋白復(fù)合物，稱為凋亡體，它激活caspase-9后，依次激活下游的caspase-3及其他效應(yīng)caspase，引起凋亡。凋亡不完全是一個線性通路，各凋亡信號分子間相互影響，相互作用，從而有效的調(diào)節(jié)整個凋亡過程。

4、儲存鈣離子

線粒體可以儲存鈣離子，可以和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞外基質(zhì)等結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，從而控制細(xì)胞中的鈣離子濃度的動態(tài)平衡。線粒體迅速吸收鈣離子的能力使其成為細(xì)胞中鈣離子的緩沖區(qū)。在線粒體內(nèi)膜膜電位的驅(qū)動下，鈣離子可由存在于線粒體內(nèi)膜中的單向運(yùn)送體輸送進(jìn)入線粒體基質(zhì)；排出線粒體基質(zhì)時則需要鈉-鈣交換蛋白的輔助或通過鈣誘導(dǎo)鈣釋放（calcium-induced-calcium-release，CICR）機(jī)制。在鈣離子釋放時會引起伴隨著較大膜電位變化的“鈣波”（calcium wave），能激活某些第二信使系統(tǒng)蛋白，協(xié)調(diào)諸如突觸中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放及內(nèi)分泌細(xì)胞中激素的分泌。線粒體也參與細(xì)胞凋亡時的鈣離子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

5、其他功能

除了合成ATP為細(xì)胞提供能量等主要功能外，線粒體還承擔(dān)了許多其他生理功能。調(diào)節(jié)膜電位并控制細(xì)胞程序性死亡：當(dāng)線粒體內(nèi)膜與外膜接觸位點(diǎn)處生成了由己糖激酶（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)蛋白）、外周苯并二氮受體和電壓依賴陰離子通道（線粒體外膜蛋白）、肌酸激酶（線粒體膜間隙蛋白）、ADP-ATP載體（線粒體內(nèi)膜蛋白）和親環(huán)蛋白D（線粒體基質(zhì)蛋白）等多種蛋白質(zhì)組成的通透性轉(zhuǎn)變孔道（PT孔道）后，會使線粒體內(nèi)膜通透性提高，引起線粒體跨膜電位的耗散，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。線粒體膜通透性增加也能使誘導(dǎo)凋亡因子（AIF）等分子釋放進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。細(xì)胞增殖與細(xì)胞代謝的調(diào)控；合成膽固醇及某些血紅素。

靶向線粒體的治療方案

線粒體能量代謝的紊亂會導(dǎo)致多種“繼發(fā)性”線粒體疾病，線粒體導(dǎo)致疾病的常見原因有:

1.ATP:ADP的比率下降，NAD+的量下降，導(dǎo)致信號通路改變；

2.代謝紊亂；

3.產(chǎn)生大量ROS，導(dǎo)致氧化損傷；

4.誘導(dǎo)MPTP通路，使細(xì)胞凋亡或死亡；

5.鈣離子通道異常（如下圖）。

其相對應(yīng)的靶向線粒體的治療方案：補(bǔ)充NAM、NMN等來補(bǔ)充NAD+；激活蛋白酶，伴侶蛋白，協(xié)助蛋白正確折疊；使用抗氧化劑（S1QELS/S3QELS分別與呼吸鏈復(fù)合酶I/復(fù)合酶II結(jié)合，抑制ROS生成）；使用CsA，阻止MPTP通道引起的細(xì)胞凋亡或死亡。以上幾個治療方案是機(jī)動聯(lián)合的，對其中一種進(jìn)行調(diào)節(jié)，其他情況均會有所改善。

研究線粒體功能的技術(shù)手段

1、增加線粒體數(shù)量的調(diào)節(jié)機(jī)制

非直接影響線粒體，而是通過增加線粒體數(shù)量與活性，進(jìn)而增加內(nèi)膜表面積，增加ATP的產(chǎn)生。利用PPCIα蛋白相關(guān)調(diào)控機(jī)制，來調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量。PGCIα能結(jié)合調(diào)控NRF1/NRF2、ERRS、CRER1、FOXO、PPAR等多種蛋白。其中NRF1/NRF2能夠調(diào)控表達(dá)多種多肽靶向線粒體，eg：POCG（DNA聚合酶）、DNA解旋酶，其對線粒體分裂生成十分關(guān)鍵。研究表明比格列酮、羅格列酮等抗糖尿病藥物，可激活PPAR從而增加PGCIα表達(dá)上調(diào)，致使線粒體數(shù)量增多。另外，使用SIRT1活化劑通過去乙酰化激活PGCIα，從而增多線粒體數(shù)量?；蛘咄ㄟ^抑制線粒體合成抑制通路，增加線粒體數(shù)量，如低氧誘導(dǎo)因子。

2、線粒體數(shù)量的動態(tài)平衡

為適應(yīng)不同生理功能，細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域能量需求不同，線粒體通過分裂和融合的方式，動態(tài)變化適應(yīng)機(jī)體需求。當(dāng)分裂速率>融合速率，則線粒體數(shù)量增加；融合速率>分裂速率,則線粒體數(shù)量減少，體積增大。其中Drp1、Fis1酶參與線粒體分裂過程，而Mfn1、Mfn2參與線粒體外膜融合，OPA1參與線粒體外膜融合?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)分裂融合相關(guān)蛋白，來調(diào)節(jié)線粒體的數(shù)量，作為一種治療手段。

3、加強(qiáng)對線粒體質(zhì)量的把控

加強(qiáng)對線粒體質(zhì)量的把控可通過增加線粒體自噬的手段來實(shí)現(xiàn)，研究表明增強(qiáng)線粒體分裂的藥物可能會增加受損細(xì)胞器的清除，增加自噬，減少炎癥的發(fā)生，一種較好的治療策略。本文介紹了兩種方式：AMPK活化，從而增加對Drp1招募，使線粒體分裂，自噬；尿素A刺激自噬的發(fā)生，增加肌肉的功能。

4、利用線粒體使細(xì)胞致死

線粒體是細(xì)胞凋亡與死亡調(diào)控過程中的核心部分，其很多特性使其可作為靶點(diǎn)，致死癌細(xì)胞、寄生蟲。其缺陷是可能導(dǎo)致無選擇性的殺死正常細(xì)胞。所以，要利用正常細(xì)胞與需致死細(xì)胞中線粒體之間的差異部分，作為靶點(diǎn)，結(jié)合抗癌藥物進(jìn)行治療；或者通過耗盡抗氧化劑、增加ROS產(chǎn)量，使細(xì)胞氧化損傷，從而致死。

5、線粒體作為信號中心

線粒體能向細(xì)胞其他部分發(fā)出信號，如ATP/ADP、ca2+、NAD+、ROS、代謝物等，如ROS是作為氧化還原反應(yīng)的信號，調(diào)節(jié)這些信號也可能成為一種治療手段。