從線粒體動力學探討中醫藥治療心力衰竭相關機制研究

楊凱晶 修一萍 薛一濤

(1 上海中醫藥大學，上海，201203；2 山東中醫藥大學，濟南，250014；3 山東省中醫院，濟南，250014)

心力衰竭(Heart Failure，HF)一種復雜的臨床綜合征，是最常見的晚期心血管病的并發癥，主要表現為各種心臟結構或功能性疾病導致心室充盈和(或)射血功能受損，心排血量不能滿足機體組織代謝需要，肺循環和(或)體循環淤血，器官、組織血液灌注不足等。臨床上，慢性心力衰竭(Chronic Heart Failure,CFH)是心血管疾病的主要死亡原因，嚴重威脅人類生命健康。

CHF病理生理改變機制十分復雜，涉及血流動力學、神經體液、心肌重構、能量代謝等方面的異常。心肌細胞能量代謝異常是導致心肌收縮功能障礙的重要因素，以致發展為CHF。同時，CHF引起的氧化應激導致線粒體功能下降，然而，線粒體的形態結構和功能是由線粒體動力學決定的，可以一定程度上反映心肌細胞能量代謝情況[1]。本文旨在從線粒體動力學的角度探討中醫藥治療CHF的相關機制，為日后中醫藥治療CHF機制研究及防治提供新的方法與思路。

1 線粒體動力學研究

1.1 線粒體動力學概述 線粒體在細胞中不斷地進行分裂與融合，從而維持其形態及網絡結構穩定的動態變化過程統稱為線粒體動力學[2]。線粒體動力學的穩態與能量代謝、活性氧、多種信號轉導、Ca2+的穩態及細胞凋亡的過程息息相關[3]。細胞中的線粒體需要相關的蛋白質來調節線粒體動力學，動力相關蛋白(Dynamin-related Protein 1，DRP1)、分裂蛋白1(Fission1，FIS1)、線粒體分裂因子(Mitochondrial Fission Factor，Mff)和線粒體動力蛋白49/51(Mitochondrial Dynamics Proteins of 49 and 51，MiD49/51)是分裂機制的核心組成部分，線粒體融合蛋白(mitofusin，MFN)1、MFN2和視神經萎縮蛋白(Optic Atrophy1，OPA1)是促進線粒體融合的核心機制[4-5]。

1.2 線粒體分裂 線粒體分裂是由幾種蛋白質介導的，僅發生在線粒體外膜，DRP1是最核心的部分[6]。相關研究表明，在哺乳動物細胞中，線粒體分裂需要通過內質網和肌動蛋白協同產生適合DRP1組裝的收縮、DRP1進一步收縮膜直到裂變發生這2個連續的收縮步驟來完成[7]。

1.3 線粒體融合 線粒體融合的過程需要線粒體內或外膜鳥苷三磷酸酶，MFN1、MFN2是線粒體外膜融合的主要調控蛋白，其缺失可阻斷線粒體外膜和線粒體內膜融合，而OPA1是線粒體內膜融合的主要調節蛋白，位于線粒體的膜間間隙，主要功能是維持線粒體嵴的穩定性，重塑線粒體內膜，維持呼吸鏈的完整性，其缺失可阻斷線粒體內膜融合，而線粒體外膜融合不能被阻斷[6，8-9]。

2 線粒體動力學對CHF的影響

2.1 線粒體動力學在心肌細胞中的作用 心臟中的高容量線粒體系統以動態方式進行調節，產生和消耗大量的ATP，從而在不斷變化的能量需求中支持恒定的電機械活動[10]。在成熟的心肌細胞中，線粒體作為最主要的胞內細胞器占據了細胞體積的40%，介導線粒體融合和分裂的蛋白質在心臟中過表達[11-12]。MFN1、MFN2消融誘導的線粒體碎裂提示可能存在線粒體核分裂，下調引起的線粒體延長也提示可能存在線粒體融合[11]。

2.2 線粒體動力學在CHF發病機制的研究 線粒體是心臟功能正常與否的關鍵，其結構和功能的異常會導致常見的心血管疾病,包括HF。線粒體動力學決定了這些多功能細胞器的數量、形態和活性。在高能量需求的心肌細胞中，融合和分裂之間動態平衡是至關重要的。越來越多的證據表明，心肌細胞中的融合、分裂因子在心臟發育中起著重要的作用，其損傷會導致心肌細胞功能障礙和死亡，引起心臟損傷，最終發展為CHF[4]。

線粒體形態的改變與CHF的病理生理學息息相關，有證據表明，在HF心肌細胞中，心肌細胞受到不可逆的損傷，線粒體分裂很明顯，線粒體融合蛋白減少和(或)分裂蛋白增加，心肌線粒體融合-分變不平衡，從而導致線粒體功能下降，線粒體自噬，最終導致心肌細胞死亡[13]。

線粒體動力學還在心血管系統的穩態中起基礎性的作用，線粒體融合和分裂之間的平衡還與線粒體能量的產生有關，線粒體分裂的增加與ATP生成的減少密切相關，若心肌細胞線粒體結構和功能發生變化，能量代謝不平衡，ATP含量減少，則會進一步加速CHF的發生[14]。因此維持線粒體融合和分裂的平衡對正常細胞存活至關重要，特別是在高耗能的心肌細胞中。

2.3 治療CHF最新線粒體動力學相關研究 線粒體動力學有2組相反的過程調節：線粒體融合和分裂，線粒體生物發生和降解(包括線粒體自噬)，以及細胞內運輸等過程[9]。有研究顯示，線粒體蛋白的活性受翻譯后修飾(Posttranslational Modifications,PTMs)的調控，PTMs在線粒體蛋白上維持線粒體融合和分裂的平衡，可觸發線粒體動力學的改變并進行線粒體自噬去除老化的線粒體，以維持細胞內環境的穩定[15-16]。

線粒體分裂需要DRP1，其是降解線粒體分裂的關鍵，DRP1可能通過其對線粒體吞噬、凋亡和呼吸的非分裂作用，影響心肌細胞的生存和死亡[17]。相關研究顯示，小鼠升主動脈環扎后產生心力衰竭，用DRP1抑制劑mdivi-1治療可改善左室功能不全，其通過改變基質金屬蛋白酶/組織金屬蛋白酶抑制物軸調控心室重構異常、抑制抗血管生成因子的表達、促進血管生成、抑制CHF時增加的線粒體分裂等途徑來改善HF，與自噬標記輕鏈3和P62表達減少有關[18]。

相關研究表明，鈉葡萄糖協同轉運蛋白2(Sodium-glucose Cotransporter2,SGLT2)抑制劑可通過調節線粒體相關機制，包括酮體代謝、鈉代謝和線粒體動力學等，對CHF發揮保護作用，緩解心功能障礙[19]。越來越多的證據表明，在各種疾病模型中，線粒體動力學的損傷會限制能量的產生，增加活性氧的生成并發出凋亡信號，最終導致心肌損傷和心臟疾病進一步加劇[20]。這些發現表明，調節線粒體動力學可能是一種有效的心血管疾病治療策略。

Sabbah等[21]研究發現，CHF心肌線粒體動力學受損、生物發生受損、分裂和融合機制失調，線粒體分裂調節蛋白，即FIS1和DRP1明顯增加，而融合調節蛋白即MFN2、OPA1明顯減少，長期用Elamipretide(ELAM)(1種線粒體靶向肽)治療后，顯著增加MFN2和OPA1，并降低FIS1和DRP1，線粒體超微結構正?；?，改善心功能。

3 從線粒體動力學探討中醫藥治療CHF相關研究

3.1 單味中藥治療 馬瑩[22]經過研究發現紅景天可通過增加OPA1蛋白的表達，抑制DRP1蛋白的表達，改善缺血缺氧引起的心肌細胞線粒體動力學失衡，對缺血缺氧心肌細胞產生保護作用。Wang等[23]研究發現，金盞花苷E可以通過激活AMP活化蛋白激酶信號通路來增強OPA1相關的線粒體融合，從而減輕心肌缺血再灌注損傷誘導的線粒體功能障礙和線粒體動態失衡，具有顯著的心臟保護作用，改善心臟功能，增加心肌細胞活力并抑制心肌細胞凋亡。Cheng等[24]發現天麻可顯著改善H2O2誘導的MFN2、OPA1和FIS1表達水平的變化，但不影響MFN1和DRP1的表達水平。其可以通過調節線粒體動力學，維持線粒體的結構和功能，從而保護心肌細胞免受氧化損傷。

3.2 中藥注射劑治療 劉曉丹[25]實驗表明大株紅景天注射液可抑制Ser616位點DRP1的磷酸化,上調線粒體融合蛋白OPA1的表達,促使線粒體動力學恢復平衡，維持其管網狀結構的完整性，進而發揮保護心肌細胞的作用。Li等[26]實驗發現阿霉素誘導的線粒體降低了DRP1 Ser637的磷酸化和AMPK的磷酸化，經過生脈注射液治療后，很大程度上得以恢復，表明生脈注射液可以通過激活AMP活化蛋白激酶并促進DRP1 Ser637磷酸化抑制了過度斷裂和線粒體融合不足，調節損傷心肌中的線粒體穩態，達到保護心肌的目的。

3.3 中藥復方治療 Yang等[27]發現，生脈散可以通過恢復細胞內Ca2+，下調鈣調神經磷酸酶A的表達，抑制Ser616上的DRP1的磷酸化，并增加Ser637上的DRP1的磷酸化，以防止心肌細胞線粒體分裂，從而抑制線粒體介導的細胞凋亡，從而減輕HF。Li等[28]亦發現生脈散相關提取物可以抑制線粒體介導的細胞凋亡，可有效防止心肌細胞線粒體分裂并上調AMP活化蛋白激酶，AMP活化蛋白激酶激活可防止缺氧誘導的心肌線粒體分裂，有效減輕心肌細胞的損傷，為將來的臨床應用提供了依據。AMP活化蛋白激酶ɑ2是AMP活化蛋白激酶的主要亞型，主要具有促進線粒體代謝的功能[29]。相關研究證實，AMP活化蛋白激酶ɑ2通過激活沉默信息調節因子3/過氧化物酶體增殖物激活受體輔激活物-1ɑ途徑減輕線粒體異常分裂并可以改善線粒體融合，有助于維持正常的線粒體動力學，消除線粒體動力學障礙，起到保護心臟的作用[30]。

有研究表明，桃紅四物湯可以激活PI3K/AKT信號通路以及降低線粒體FIS1的表達，減少線粒體分裂，減少細胞凋亡，從而對心臟功能產生有益作用，為治療HF提供了有效的輔助治療方法[31]。邱志凌[32]研究表明心復康口服液可能增加線粒體融合蛋白MFN1、MFN2、OPA1的表達,下調線粒體分裂蛋白DRP1、FIS1、MFN的表達，抑制線粒體向分裂方向發展，通過調控線粒體動力學，使其恢復平衡狀態，起到保護HF大鼠心臟功能的作用。相關研究表明，益氣活血方(黃芪、人參、當歸、川芎、三七)可以通過上調MFN2、下調DRP1的表達，抑制線粒體分裂，減少生成無功能作用的線粒體的數量，調節線粒體動力學來改善心肌細胞線粒體的結構及功能，以促進心肌代謝能量的供應[33]。養心2號方能上調CHF大鼠心肌組織中融合蛋白OPA1、MFN2的表達，分別觸發線粒體內外膜融合，從而改善線粒體動力學以及心肌細胞的能量代謝[34]。

4 討論

線粒體是能量代謝的重要場所，是高度動態的細胞器，經歷分裂和融合的協調循環，維持線粒體形狀、功能、遺傳和質量控制等對細胞的存亡至關重要[35]。由于心肌是高度耗氧的組織，線粒體在維持心臟的正常生理活動中起核心作用，故線粒體的結構和功能受損跟CHF的發生密不可分。線粒體動力學與代謝相互聯系，相互調節，使線粒體更有效地產生能量[36]。目前的各種研究結果表明，在應對各種細胞應激或損傷的狀態下，中醫藥能夠有效地幫助其線粒體在分裂、融合的周期中保持一定程度上的平衡，以恢復線粒體的結構及其功能的完整性，使細胞維持正常運轉。Liu等[35]實驗表明，黃芪丹參湯可恢復DRP1、線粒體動力蛋白49/51(Mitochondrial Dynamics Proteins of 49 and 51，Mid 49/51)豐度，減少DRP1向線粒體的易位，恢復被下調的MFN2，抑制OPA1蛋白水解，促使慢性腎臟病大鼠的線粒體分裂與融合之間的平衡。線粒體融合，分裂和線粒體共同作用以維持線粒體和細胞的體內平衡,如果改變任一方向的分裂與融合之間的正常平衡，可能導致其受損和低效的細胞器積聚，損害細胞的代謝能力[37]。Jieensinue等[38]研究發現丹參酮ⅡA可以通過c-Jun氨基端激酶-Mff途徑，激活線粒體裂變誘導大腸癌細胞凋亡，是治療大腸癌的有效藥物。Huang等[39]實驗發現，氧化應激狀態下，黃芪多糖可以上調融合相關基因線粒體融合蛋白(Mitofusin,Mfn)1、Mfn2和Opa1的mRNA表達，降低裂變相關基因Drp1的表達，改善線粒體功能障礙，對線粒體起保護作用。

總之，線粒體功能障礙在HF發生發展的病理生理過程中起重要作用。目前，對HF患者學的相關研究尚處于起步階段，一些研究結果存在爭議。因此，需要進一步的中藥方劑研究來闡明HF學相關作用機制，研究相關中藥是否能通過調節學，促進線粒體修復改善HF癥狀，為科研創新提供新的方向，為臨床用藥提供理論支持。