脓毒症线粒体功能障碍研究进展_骆祖骞

实 用 医 学 杂 志 2011 年 第 27 卷 第 8 期
激素在脓毒症时的表达活性会有所下调， 有研究显示运用 褪 黑 激 素 治 疗 脓 毒 症 时 的 线 粒 体 损 伤 是 有 效 的 。 ［12］ 褪 黑 激 素有助于促成氧化损伤在膜和细胞内水平下降。 实验观察 表明，褪黑激素能保护细胞膜的脂质，胞质溶胶中的蛋白质 和 清 除 自 由 基 以 免 核 及 线 粒 体 中 DNA 遭 受 自 由 基 的 损 害 。 自由基包括羟自由基，过氧化氢，过氧自由基，单态氧，一氧 化氮和过氧化亚硝酸盐阴离子。 褪黑激素能加载自由基，经 过代谢最终通过肾排出，从而保留了其他诸如谷胱甘肽，维 生素 C，维生素 E 这些内源性抗氧化剂的作用。 因此褪黑激 素或许能减少氧自由基的危害程度。 最近的研究也表明褪 黑 激 素 除 了 能 清 除 NO 和 过 氧 化 亚 硝 酸 盐 外 ，还 能 限 制 NO 合 酶 的 活 性 。 ［13］ 为 何 褪 黑 激 素 在 某 些 条 件 下 如 脓 毒 症 时 有 用 ， 似 乎 是 NO 扮 演 了 一 个 重 要 的 病 理 生 理 角 色 。 ［14］ 但 目 前 仍缺乏褪黑激素应用于危重患者的临床试验。 1．5 氢 气 （hydrogen gas，H2） 最 近 有 人 提 议 H2 能 够 通 过 选 择 性 的 减 少 羟 基 （OH，最 大 的 细 胞 毒 性 的 氧 自 由 基 ）来 发 挥 抗 氧 化 剂 的 作 用 。 目 前 有 研 究 发 现 吸 入 H2 可 以 显 著 改 善 中度或重度盲肠结扎穿百度文库的脓毒症小鼠的生存率和减轻脏 器 损 伤 。 ［15］ 这 个 研 究 探 讨 了 2％的 H2 对 酵 母 多 糖 诱 导 的 全 身性炎症模型在生存率和脏器损伤的影响， 发现在酵母多 糖 注 射 后 第 1 和 第 6 小 时 后 吸 入 2％的 H2 60 min， 可 使 酵 母 多 糖 诱 导 的 炎 症 模 型 小 鼠 的 14 d 存 活 率 从 10％ 提 高 到 70％。 此 外 ，2％ H2 吸 入 治 疗 可 以 显 著 减 弱 小 鼠 血 清 生 化 指 标 （AST，ALT，BUN 和 Cr） 的 增 长 ， 这 些 指 标 为 多 脏 器 损 伤 的 特 征 之 一 ； 降 低 酵 母 多 糖 注 射 24 h 后 的 肺 ， 肝 和 肾 的 组 织病理学评分；减少氧化产物，增加抗氧化物酶的活性，除 此之外还能减少早期和晚期血清和组织中的致炎细胞因 子 。 这 个 研 究 提 供 了 H2 在 治 疗 酵 母 多 糖 诱 导 的 全 身 性 炎 症 模 型 引 起 多 器 官 损 伤 的 证 据 ， 提 示 了 H2 在 炎 症 相 关 的 MODS 的 中 的 潜 在 治 疗 作 用 。 ［16］ 但 是 H2 对 重 要 器 官 线 粒 体 的功能是一个怎样的影响文章并未阐明， 需要在以后的研 究中进一步探讨。 2 抗氧化辅助治疗 2．1 去甲肾上腺素 血管活性药如去甲肾上腺素常被用作 在脓毒性休克患者中维持某一平均动脉压水平。 然而去甲 肾上腺素在脓毒症时对局部血液动力学和代谢的影响还不 是 很 清 楚 。 Guerin 和 他 同 事 发 ［17］ 现 予 去 甲 肾 上 腺 素 治 疗 的 患者展现出更高的肝乳酸摄取和更低的乳酸－丙酮酸比值， 因此建议用去甲肾上腺素改善肝脏能量平衡。 实验发现，去 甲肾上腺素治疗的脓毒症猪肝线粒体呼吸效率明显提高。 而对照组（没有使用去甲肾上腺素治疗的脓毒性猪）肝线粒 体呼吸效率降低。 本研究提示去甲肾上腺素或许可以提高 呼 吸 效 率 。 有 临 床 研 究 提 示 ， ［18］ 脓 毒 症 患 者 给 予 临 床 上 常 规 应用的去甲肾上腺素的剂量， 可以控制血压并提高线粒体 复合体Ⅰ和复合体Ⅱ的呼吸效率。 所以，去甲肾上腺素能提 升肝脏线粒体呼吸功能， 进而或许能提升线粒体抗氧化应 激的能力。 2．2 外源性细胞色素 C 线粒体细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase，CcOX）， 呼 吸 链 的 末 端 氧 化 酶 ， 对 线 粒 体 内 ATP 的 合 成 至 关 重 要 。 盲 肠 结 扎 穿 孔 （cecal ligation and puncture， CLP）脓 毒 症 鼠 模 型 心 肌 的 CcOX 受 到 抑 制 ， 这 种 抑 制 作 用 在早期盲肠结扎穿孔过程中是可逆的， 在脓毒症的晚期变
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实 用 医 学 杂 志 2011 年 第 27 卷 第 8 期
脓毒症线粒体功能障碍研究进展
骆祖骞 钱传云
脓毒症是机体对感染的一种全身性炎症反应， 进一步 发 展 可 导 致 感 染 性 休 克 和 多 器 官 功 能 障 碍 综 合 征 （multiPleo organ dysfunction syndrome，MODS）［1］。 线 粒 体 是 直 接 利 用 氧 气 制 造 能 量 的 部 位 ，90％以 上 的 氧 气 被 线 粒 体 消 耗 掉 。 线 粒 体能为细胞的生命活动提供场所，有细胞的“动力工厂”之 称 。 其 损 伤 与 脓 毒 症 的 发 病 机 制 有 关 。 Spronk 等［2］认 为 脓 毒 症是一种与微循环和线粒体的功能密切相关的综合征，从 而提出微循环和线粒体窘迫综合征的概念。 脓毒症时线粒 体的损伤，最终会导致多器官功能衰竭。 因此探讨脓毒症时 线粒体功能障碍的发病机制， 对脓毒症的治疗具有新的重 要意义。 本文将主要综述目前脓毒症线粒体功能障碍的抗 氧化剂治疗。
doi：10．3969 ／ j．issn．1006-5725.2011.08.003 作 者 单 位 ：650032 昆 明 医 学 院 第 一 附 属 医 院 急 诊 ICU 通信作者：钱传云 E-mail： qianchuanyun＠yahoo．com．cn
的巨噬细胞中减少细胞因子的释放， 上皮细胞中减少炎症 应答和氧化应激。 有研究发现在实验性腹膜炎引起的脓毒 症 中 一 氧 化 碳 释 放 羰 基 化 合 物 （CO-releasing metal carbonylbased compound，CORM-3） 恢 复 了 心 肌 线 粒 体 膜 电 位 ， 呼 吸 控 制 率 和 细 胞 能 量 代 谢 ［6］。 Steve 等 ［6］的 实 验 数 据 也 强 调 了 CORM-3 对 心 肌 线 粒 体 的 能 量 保 护 作 用 ，CORM-3 能 提 高 脓 毒 症 大 鼠 的 存 活 率 。 在 活 体 模 型 ，CO 诱 导 了 ROS 的 产 生 ， 使线粒体活动增强。 这似乎对防止多器官功能障碍很重要。 这 些 发 现 提 示 CO-RMs 或 许 能 应 用 于 临 床 ， 防 治 脓 毒 症 器 官损伤和死亡。 1．2 α－ 硫 辛 酸 （a-lipoic acid，LA） LA 是 辛 酸 的 二 硫 化 物 衍生物，目前已用来减轻炎症反应，在线粒体能量代谢有重 要的作用，可以清除活性氧族，再生抗氧化剂，螯合金属离 子 ，预 防 和 治 疗 氧 化 应 激 ［7］。 Virginia Vanasco 等 ［8］认 为 ，LA 的 治 疗 涉 及 以 下 三 个 方 面 ：（1）在 感 染 状 况 下 明 显 减 少 氧 化 应 激 的 产 生 。 （2）线 粒 体 NO 的 生 成 同 对 照 组 没 有 显 著 的 差 异 。 （3）改 善 线 粒 体 的 功 能 。 虽 然 Virginia Vanasco 等 的 实 验 旨在研究线粒体中硫辛酸的影响， 但是不能排除这种复合 物通过其他机制产生的预防作用。 目前病理学和大量氧化 损伤的证据，提升了硫辛酸抗氧化疗法的前景。 1．3 MitoQ MitoQ 是 一 类 典 型 的 定 位 线 粒 体 的 抗 氧 化 剂 ， 它 包 括 与 辅 酶 Q 抗 氧 化 剂 部 分— —— 内 源 性 抗 氧 化 剂 辅 酶 Q10 相 结 合 的 脂 溶 性 三 苯 基 （TPP）阳 离 子 基 团 。 脂 溶 性 三 苯 基 阳 离 子 能 让 MitoQ 迅 速 通 过 血 浆 和 线 粒 体 膜 而 不 必 须 要 有 载 体 ；MitoQ 能 在 线 粒 体 内 膜 巨 大 膜 电 位 的 作 用 下 在 线 粒 体 内 几 百 倍 的 蓄 积 ［9］。 线 粒 体 内 的 MitoQ 吸 附 到 内 膜 基 质 的 表面，通过呼吸链被再利用到活性的抗氧化剂辅酶 Q。 这些 特 性 意 味 着 在 细 胞 内 MitoQ 在 预 防 线 粒 体 氧 化 损 伤 方 面 比 没 有 定 位 的 抗 氧 化 剂 强 几 百 倍 。 MitoQ 在 许 多 疾 病 动 物 模 型 已 经 过 测 试 ：喂 养 MitoQ 能 减 少 心 脏 功 能 障 碍 和 细 胞 凋 亡 ， 减 少 离 体 心 脏 发 生 的 缺 血 再 灌 注 线 粒 体 损 伤 ， ［10］ 能 保 护 上 皮细胞功能，在氧化应激大鼠模型中减少线粒体酶的破坏。 Lowes 等 ［11］发 现 上 皮 细 胞 在 脂 多 糖 和 肽 聚 糖 G 的 干 预 下 ， ROS 产 生 增 加 最 终 导 致 线 粒 体 膜 电 位 降 低 ， 使 线 粒 体 功 能 降 低 。 而 用 MitoQ 处 理 上 皮 细 胞 ROS 的 产 生 减 少 ，线 粒 体 膜 电 位 得 以 维 持 。 此 外 ，经 MitoQ 处 理 的 细 胞 的 培 养 基 中 的 细 胞 水 平 发 生 了 改 变 ，致 炎 细 胞 因 子 白 介 素－1β、白 介 素－6 和 白 介 素－8 明 显 下 降 而 抗 炎 细 胞 因 子 白 介 素 －10 明 显 增 加 ， 这 些 细 胞 因 子 在 脓 毒 症 中 有 很 重 要 的 作 用 。 Lowes 等 的 研 究 表 明 ，MitoQ 能 增 加 抗 氧 化 剂 保 护 线 粒 体 的 作 用 ， 即 作 为 抗 氧 化 剂 是 可 行 的 。 进 一 步 的 工 作 需 要 确 定 MitoQ 确 切 的 作 用机制和是否在体内有相似的效应。 1．4 褪黑激素 褪黑激素是存在于线粒体内的一类抗氧化 剂，它能够减少脓毒症时线粒体内的谷胱甘肽的丢失，减轻 线 粒 体 蛋 白 损 伤 ，改 善 电 子 传 递 链 ，保 护 线 粒 体 DNA。 褪 黑
过 度 反 应 的 内 毒 素 （lipopolysaccharide，LPS） 导 致 脓 毒 症 、 脓 毒 性 休 克 和 全 身 炎 症 反 应 综 合 征 （systemic inflammatory response syndrome，SIRS），进 而 产 生 多 器 官 功 能 衰 竭 综 合 征 （multiple organ dysfunction syndrome，MOFS）。 MOFS是 细 菌 感 染 的 最 严 重 表 现 。 在 脓 毒 症 时 一 个 广 泛 复 杂 的 系 统 被 激 活 ， 包 括 补 体 系 统 、 血 小 板 活 化 因 子 （plateletactivating factor， PAF）、花 生 四 烯 酸 代 谢 、活 性 氧 族 （reactive oxygen species， ROS） 和 一 氧 化 氮 （nitric oxide，NO）， 进 而 发 生了炎症和凝血，局部缺血，细胞破坏，最后发生器官功能 障 碍 和 死 亡 。 在 脓 毒 症 时 ，氧 自 由 基 和 其 他 ROS 是 细 胞 信 号 转 导 和 基 因 活 化 的 信 使 。 在 生 理 条 件 下 ，ROS 的 形 成 与 内 源性抗氧化剂保持着平衡。 当这种平衡被打破，氧化应激就 发 生 了 ［3］。 因 此 ， 抗 氧 化 剂 治 疗 可 改 变 信 号 传 导 和 基 因 活 化 ，可 保 护 线 粒 体 对 抗 氧 化 损 伤 ，可 能 是 预 防 多 器 官 功 能 衰 竭的有效治疗手段，是一种潜在、可行的治疗手段。 1 抗氧化剂 1．1 一 氧 化 碳 （carbon monoxide，CO） 通 过 炎 症 、脓 毒 症 、 氧 化 应 激 和 缺 血 再 灌 注 损 伤 的 动 物 模 型 研 究 ，CO 应 用 于 临 床 是 可 行 的 ，应 用 低 浓 度 CO 后 可 以 有 效 的 保 护 组 织 。 有 证 据 表 明 低 浓 度 的 CO 能 保 护 ATP 的 产 生 和 细 胞 功 能 。 CO 的 保护机制只是部分被阐明， 目前认为是通过含血红素分子 和线粒体氧化酶介导， 激活丝裂原活化蛋白激酶及过氧化 物 酶 增 殖 活 化 受 体 ［4］。 此 外 ，越 来 越 多 的 证 据 表 明 适 度 增 加 细 胞 中 CO 的 浓 度 可 直 接 激 活 鸟 苷 酸 环 化 酶 和 磷 脂 酰 肌 醇 激酶 3，促进线粒体过 氧 化 氢 的 产 生 ，诱 导 血 红 素 加 氧 酶－1 的 分 子 反 应 ，或 许 可 以 激 活 线 粒 体 的 生 物 合 成 ［5］。 金 属 羰 基 化 合 物 （CO-releasing molecules，CO-RMs）能 够 以 一 种 可 控 的 方 式 输 送 少 量 CO 到 生 物 系 统 。 例 如 ，CO-RMs 在 LPS 刺 激