13 线粒体功能障碍在脓毒症器官损伤中的作用研究进展
线粒体是具有双层膜结构的细胞器，可以通过氧化磷酸化将碳水化合物和脂肪酸中的能量转化为ATP，在细胞能量产生过程中发挥关键作用。线粒体是一种高度动态的细胞器，频繁的出现融合/分裂、生物合成和自噬，这些过程维持线粒体的稳态，调节线粒体的形态、体积和功能，并且越来越被认为是细胞应激反应的重要组成部分。线粒体生物合成是线粒体通过生长分裂形成新的线粒体的过程，包括线粒体内外膜、相关蛋白和线粒体基因的合成。线粒体自噬是一种选择性清除受损线粒体的过程，在调节细胞内线粒体数量和维持线粒体正常功能等方面发挥重要作用。线粒体融分裂的动态过程被称为线粒体动力学，细胞线粒体网络的形成是线粒体不断进行融合分裂的结果。
脓毒症（sepsis）是由感染因素诱发，引起危及生命的多器官功能障碍，脓毒症和脓毒症休克伴有多器官功能衰竭是成人ICU死亡的主要原因。全世界每年约有1800万例脓毒症发生，而且发病率仍以每年1.5%～8%增加，在中国，外科ICU重症脓毒症的发生率为8.68%，住院死亡率为48.7%。脓毒症的发病机制复杂，以往研究表明失控的氧化应激和炎症反应是导致脓毒症患者死亡的关键原因。
线粒体功能障碍已被证明是导致重度脓毒症患者死亡的主要原因。在病理应激状态下，线粒体可以产生大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）并释放凋亡因子，造成细胞损伤和凋亡。脓毒症病理过程中，生成过量的自由基导致氧化应激和线粒体DNA损伤，进而导致线粒体蛋白质合成和呼吸功能受损，为应对上述损伤，受损线粒体通过自噬清除，线粒体生物合成将被激活。鉴于线粒体功能以及线粒体动态变化在脓毒症病理生理过程中的重要作用，对线粒体相关机制的研究可能成为治疗脓毒症研究的靶点。本文就线粒体功能及其在脓毒症发病机制中的作用进行综述。
一、线粒体功能障碍在脓毒症中的作用
通过动物实验发现，ROS的过度产生和抗氧化防御系统的失衡在脓毒症和多器官功能障碍的发病机制中起着重要作用。线粒体损伤时，功能失调的电子传递链处理电子出现异常，导致ROS的大量产生。ROS的增加超过了内源性抗氧化防御能力，导致大量Ca2+内流促使线粒体通透性转换孔（MPTP）打开，之后凋亡因子经MPTP释放到细胞质和细胞核，触发caspase依赖的或非caspase以来的细胞凋亡程序，引起细胞凋亡。另外，大量ROS释放到细胞质会导致蛋白质和脂质的氧化修饰，严重影响细胞的功能。因此，及早修复线粒体功能可恢复氧化还原平衡，对抗脓毒症时抗氧化防御系统的失衡，减轻细胞损伤保护脓毒症器官功能障碍。
二、线粒体的动态变化
线粒体作为细胞能量代谢的中心，通过氧化磷酸化产生ATP为细胞供能，线粒体能量的产生和线粒体数量密切相关，线粒体生物合成是维持线粒体数量的重要过程。已有研究表明，线粒体生物合成的激活在神经退行性病变、脓毒症等疾病治疗中发挥重要作用。由于线粒体基因组编码能力有限，大部分的线粒体蛋白质合成都是在核编码基因组的控制下进行的。虽然线粒体生物合成受大量的共激活因子和转录因子调控，但是过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（PGC-1α）在线粒体生物合成中起着重要的调节作用。PGC-1α可以激活其下游两个关键的核转录因子—核呼吸因子1和2（Nrf1和Nrf2），通过蛋白质相互作用提高Nrf1和Nrf2的表达和活性，Nrf1和Nrf2激活线粒体转录因子A（Tfam），并结合到线粒体电子运输链中5个复合物亚基的启动子区域，从而促进线粒体DNA的复制和转录。PGC-1α的表达和激活受多种途径调节，其中AMPK-PGC-1α通路和SIRT 1-PGC-1α通路是线粒体生物合成的主要途径。运动和饥饿可以增加AMP/ATP，激活AMPK，AMPK可直接使PGC-1α磷酸化，磷酸化的PGC-1α由细胞质进入细胞核启动线粒体生物合成；AMPK也可通过增加NAD+水平激活SIRT 1对PGC-1α进行调控。随着NAD+/NADH比值的增加，SIRT 1在thr-522残基处被磷酸化激活，激活的SIRT 1通过PGC-1α的去乙酰化激活PGC-1α使其进入细胞核。
线粒体损伤产生的ROS和其他损伤相关分子可激活炎症小体，诱导炎症反应，而炎症反应失衡将导致各种器官损伤和一系列疾病，选择性的线粒体自噬能特异性地消除功能失调的线粒体，维持线粒体的稳态，并保护其免受ROS和其他损伤相关分子所致的炎症反应。线粒体自噬存在多种途径，在帕金森病中首次发现了PINK1和Parkin途径，这也是目前最清楚的途径。正常情况下，PINK1位于线粒体内膜上，并被线粒体蛋白酶迅速水解，当线粒体损伤时，PINK1以电压依赖性方式稳定的累积在受损线粒体上，并募集位于细胞质中的Parkin。Parkin聚集到线粒体膜促进P62，P62可与受损线粒体结合使线粒体向核周区转移并聚集，同时LC3和自噬小体也被招募到核周区；P62在核周与LC3结合，使自噬小体与受损线粒体结合并吞噬，最后被自噬溶酶体降解。
线粒体融合分裂是线粒体网络形成的基础，线粒体网络的形成有助于有氧代谢产生ATP，另外线粒体融合分裂对线粒体DNA完整性和线粒体在细胞内的分布具有重要作用。线粒体融合和分裂受到多种因素的调控，包括代谢状态和能量状态、线粒体膜电位、氧化还原状态和细胞应激。线粒体融合需要线粒体内膜、线粒体外膜和GTP酶的参与，视神经萎缩蛋白1（Opa1）促进内膜的融合，线粒体融合蛋白1和2（Mfn1和Mfn2）促进外膜的融合，另外，Mfn1和Mfn2的缺失导致线粒体内外膜均无法融合，而Opa1的缺失仅影响内膜融合，对外膜的融合并无影响。线粒体分裂受多种蛋白的影响，其中GTP酶动力相关蛋白1（Drp1）在哺乳动物中是最主要的，而在酵母细胞中线粒分裂主要蛋白是Fis1。
三、线粒体功能障碍与脓毒症器官损伤
脓毒症导致心肌损伤时其死亡率将大幅提高，其机制包括炎症浸润、细胞钙稳态破坏、线粒体结构和功能障碍等，其中线粒体损伤及能量代谢功能异常被认为是重要途径。Liang等发现脓毒症心肌损伤小鼠线粒体肿胀明显，ATP含量明显降低，线粒体生物合成增加，经过治疗后，线粒体肿胀减轻，ATP含量增加，线粒体生物合成进一步增加，证明线粒体生物合成能改善脓毒症引起的线粒体功能障碍，减轻脓毒症心肌损伤。Sánchez-Villamil等[20]使用盲肠结扎穿孔术（CLP）制作脓毒症心肌损伤小鼠模型，发现小鼠发生脓毒症心肌损伤时，Opa1、Mfn表达减少而Drp1表达增加，线粒体融合分裂平衡打破，线粒体嵴超微结构改变，线粒体生物合成和线粒体自噬均增加。线粒体功能在脓毒症心肌损伤中发挥重要作用，上述结果表明，线粒体动态改变对脓毒症心肌损伤具有重要意义，对线粒体动态变化的干预可能成为脓毒症心肌损伤的一个靶点。
脓毒症累及肺时可迅速发展为急性肺损伤（ALI）和急性呼吸窘迫综合征（ARDS）。此外，已有研究报道线粒体功能紊乱是ALI的主要病因之一，可能是ALI治疗的重要靶点之一。Dong等通过CLP建立脓毒症ALI模型，发现小鼠发生脓毒症ALI时，Mfn2表达减少而Drp1表达增加；Yu等通过脂多糖（LPS）分别建立动物和细胞脓毒症ALI模型，同样证实脓毒症ALI时，线粒体融合减少，分裂增加，动态平衡打破。董艾莉等发现脓毒症肺损伤时，肺组织线粒体自噬增强，线粒体功能下降，给予氢气治疗后线粒体功能改善，自噬进一步增强。周一鸣等发现脓毒症肺损伤时，肺组织线粒体生物合成增强，线粒体功能下降，给予氢气治疗后线粒体功能改善，生物合成进一步增强。
脓毒症急性肾损伤（AKI）在危重患者中的发生率接近65%，可加重脓毒性休克患者的病情。已有研究证实脓毒症AKI与线粒体氧化损伤密切相关，使用抗氧化剂来保持细胞色素c氧化酶的活性，防止线粒体膜电位的消散能有效减轻脓毒症AKI。Takasu等发现脓毒症患者肾小管上皮细胞自噬体增多，线粒体出现水化、嵴损伤，证实脓毒症可激活自噬，清除受损线粒体，提示自噬激活可能是阻止肾脏进一步损伤的重要保护机制。
发生脓毒症肝损伤时，蛋白质合成功能受到影响表现为凝血功能障碍和代谢紊乱以及胆红素代谢受损。Xing等通过细胞实验和动物实验证实，脓毒症肝损伤可通过AMPK同时激活线粒体生物合成和线粒体自噬。
脓毒症时大脑是最先被感染的器官之一，脓毒症相关性脑病发生率较高，在9%～71%的脓毒症患者中发现了不同程度的脑损伤，而这些患者往往具有更高的死亡率。脓毒症时，海马、皮层和纹状体组织中的线粒体呼吸链复合酶Ⅰ和琥珀酸脱氢酶活性降低，线粒体功能障碍与氧化磷酸化解偶联相关，其损害了组织的生物能量效率。
四、总结
线粒体不仅在脓毒症病理生理过程中发挥作用，在神经退行性变，各种炎症反应，药物毒物暴露和2型糖尿病等诸多疾病中发挥重要作用。综上所述，脓毒症病理过程与线粒体损伤和功能障碍密切相关，线粒体氧化、膜电位改变、线粒体呼吸功能障碍，线粒体自噬、生物合成、融合分裂等均参与脓毒症介导的多器官功能障碍的发展。对线粒体功能、线粒体生物合成、线粒体自噬和线粒体融合分裂进行早期干预，将会是脓毒症治疗的新靶点。
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