▲ 为防失联点击上方“离床医学”，再点击右上角的“···”，选择设为星标，文章每天自动推送

失血性休克导致器官功能障碍的新研究方向——线粒体质量控制机制

失血性休克（hemorrhagic shock，HS）是由于血容量减少，引起心脏泵衰竭和血管舒缩张力降低导致细胞氧供需不平衡引起的危及生命的循环衰竭 ^[ 1 ]。HS是创伤和军事冲突死亡的主要原因，全球每年因HS死亡的人数约180万 ^{[ 2 , 3 ]}。HS时，人体组织器官中氧气输送和能量储存不能满足细胞的能量需求，出现内环境紊乱，引起组织细胞和器官功能障碍 ^{[ 1 , 4 , 5 ]}。在大多数哺乳动物中，细胞线粒体稳态对于器官功能具有重要作用，而线粒体质量控制（mitochondrial quality control，MQC）作为一种细胞内源性保护程序，可通过线粒体生物发生、融合和裂变、受损的线粒体自噬等维持线粒体稳态 ^[ 6 ]。现从HS线粒体功能障碍、MQC机制及其与HS导致器官功能障碍的关系等方面进行综述。

1　HS线粒体功能障碍导致器官功能障碍的作用

线粒体是亚细胞水平上具有双层膜结构的细胞器，位于细胞核周围 ^[ 7 ]。线粒体不仅可以产生三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP），还参与多种机制调节内环境稳态，如启动信号转导、钙稳态、细胞基质代谢和细胞凋亡等 ^{[ 6 , 7 ]}。然而，HS时氧气快速耗尽，线粒体无法有效地传输电子，导致线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）显著增加 ^[ 6 ]。过量的ROS会氧化线粒体蛋白质和膜磷脂，并影响线粒体基因的复制，引起线粒体肿胀和破裂、细胞色素C释放、线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）损伤和突变，引起进行性呼吸链功能障碍等，是导致线粒体功能障碍的主要原因之一 ^{[ 6 , 8 ]}。钙紊乱也是影响线粒体功能的重要因素。线粒体损伤破坏钙稳态，导致钙超载或分布异常，进而影响能量合成并引发细胞死亡 ^[ 9 ]。线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）开放也会损伤线粒体功能。mPTP开放后，线粒体结构破坏，释放线粒体中的凋亡蛋白，诱导细胞凋亡 ^[ 9 ]。刺激mPTP开放的因素有很多，包括缺血缺氧、ATP产生减少和凋亡诱导因子释放等，其中钙稳态和ROS生成增多是主要的影响因素。

HS可导致心肌、大脑皮质、肾脏和肝脏细胞等多种组织细胞线粒体结构损伤，进而引起器官功能障碍。动物实验结果表明，HS时ATP耗竭、线粒体呼吸链复合物被抑制，引起线粒体功能障碍，诱发ROS生成增加、电子传递链活性改变、mPTP开放和细胞色素C释放等，进而造成细胞死亡 ^{[ 10 , 11 , 12 , 13 ]}。持续的线粒体功能障碍会导致多器官功能障碍，进而影响患者预后 ^[ 3 ]。MQC的缺陷造成线粒体功能障碍，导致细胞凋亡，加重器官功能损伤 ^[ 5 ]。因此，调节MQC以改善线粒体功能可减少细胞凋亡，改善器官功能 ^[ 10 ]。Xiong等 ^[ 14 ]研究发现，在大鼠HS模型中，通过低温复苏改善线粒体功能可减轻休克引起的肠道损伤。Sims等 ^[ 15 ]研究发现，给予HS大鼠烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）的直接生物合成前体可以预防HS引起的线粒体功能障碍，提高大鼠存活率。此外，使用内源性自由基清除剂如白藜芦醇和褪黑激素也可减少线粒体氧化应激，并改善HS引起的器官损伤 ^[ 16 ]。在HS小鼠模型中发现，使用七氟醚增加沉默信息调节因子1（silent information regulator 1，SIRT1）的表达可以有效保护MQC机制，进而改善线粒体功能障碍、氧化损伤和自噬缺陷，从而改善小鼠的大脑功能 ^[ 11 ]。因此，调节MQC机制以改善线粒体功能是治疗HS并改善预后的一个重要策略。

2　MQC机制

MQC机制包括线粒体生物发生、线粒体动力学、线粒体自噬、线粒体衍生囊泡（mitochondria-derived vesicles，MDVS）和线粒体蛋白稳态等。HS时，MQC机制失调可导致线粒体损伤，进而引起多器官功能障碍。因此，研究MQC机制对于治疗HS导致的多器官功能障碍具有重要意义。

2.1　线粒体生物发生：

线粒体生物发生是指新线粒体的产生，其机制十分复杂，取决于细胞核基因组 ^[ 17 ]。线粒体生物发生受多种DNA结合转录因子的调节，包括过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活剂-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）、线粒体转录因子（mitochondrial transcription factors，TFAM、TFBM）及核呼吸因子（nuclear respiratory factors，NRF1、NRF2）。这些分子信号通过调节线粒体生物发生满足机体能量需求，帮助线粒体进行质量控制 ^[ 18 ]。PGC-1α是线粒体生物发生中最重要的调节因子，其上游信号调控因子主要包括AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）和SIRT，下游信号调控因子主要包括NRF1和NRF2。在线粒体生物发生过程中，AMPK和SIRT通过去乙酰化及磷酸化作用活化PGC-1α，并通过蛋白质相互作用提高NRF1和NRF2的表达及活性。PGC-1α与NRF1共同激活TFAM和TFBM的表达，结合到呼吸链复合体亚基的启动区域，进而调节mtDNA的转录和复制。最终，这些调节过程刺激线粒体生物发生，维持线粒体稳态 ^{[ 17 , 19 ]}。

HS时组织缺血缺氧可减少线粒体生物发生，加重器官功能障碍。研究表明，机体缺血时，由于营养和氧气不足，导致线粒体生物发生减少，线粒体膜电位崩溃、线粒体动力学受损，mPTP通透性升高，造成线粒体肿胀和去极化，最终引起细胞凋亡和坏死，导致器官功能障碍 ^[ 20 ]。在血流灌注不足时，肝脏线粒体生物发生严重降低，其关键因子PGC-1α下调；通过PGC-1α过表达来增加线粒体生物发生有助于器官损伤恢复 ^[ 21 ]。Tran等 ^[ 22 ]研究发现，急性肾损伤小鼠PGC-1α表达下降与器官功能障碍程度一致，并随着器官功能恢复正常而回升到损伤前水平；而PGC-1α基因敲除小鼠肾功能很难恢复，提示PGC-1α在急性肾损伤恢复过程中起到重要作用。Rasbach和Schnellmann ^[ 23 ]研究发现，增加线粒体生物发生有助于减轻缺血性损伤。小檗碱预处理缺血动物模型线粒体生物发生相关蛋白表达增加，如PGC-1α、SIRT1和SIRT3 ^[ 24 ]，激活SIRT1-AMPK信号通路，刺激线粒体生物发生，进而预防和逆转线粒体功能障碍 ^[ 25 ]。此外，在缺血小鼠模型中通过提前激活血红素加氧酶-1可增加线粒体生物发生，改善线粒体功能，减轻缺血引起的器官损伤 ^[ 26 ]。综上所述，增加线粒体生物发生可能有助于治疗HS导致的多器官功能障碍，而PGC-1α是调控线粒体生物发生的重要靶点。

2.2　线粒体动力学：

线粒体是高度动态的细胞器，可对外界环境的变化作出迅速而灵敏的反应。线粒体动力学即不断发生裂变和融合以维持细胞稳态，是MQC的主要调节方式。线粒体动力学稳态决定线粒体的形态、大小、数量及细胞的功能稳态 ^{[ 27 , 28 , 29 ]}。线粒体动力学分离受损的线粒体，维持蛋白质、DNA和代谢物等线粒体成分相对平衡 ^[ 9 ]。线粒体裂变和融合受进化保守的动力蛋白相关GTP酶调控，包括动力蛋白相关蛋白1（dynamin-related protein 1，DRP1）及其受体线粒体裂变蛋白1（mitochondrial fission protein 1，FIS1）、线粒体裂变因子（mitochondrial fission factor，MFF）、线粒体动力学蛋白（mitochondrial dynamics proteins，MID49、MID51）、线粒体融合蛋白（mitofusins，MFN1、MFN2）、视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1） ^{[ 9 , 30 ]}。线粒体开始裂变时，细胞质中的DRP1移位到线粒体外膜（outer mitochondrial membrane，OMM），与OMM受体FIS1和MFF相互作用形成复合物，就会发生裂变并收缩线粒体，进而产生两个独立的细胞器 ^[ 30 ]。线粒体开始融合时，OPA1激活线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM）和嵴的融合及重塑 ^[ 30 ]；MFN1和MFN2参与外膜的融合，通过其盘绕的环状结构域形成同源和（或）异源二聚体，将线粒体连接在一起，同时对OMM进行整合 ^[ 31 ]。

线粒体动力学的信号转导机制十分复杂，深入研究这些机制有助于进一步改善线粒体功能，进而改善HS引起的器官功能障碍。HS可导致DRP1活性增加，进而引起线粒体裂变增加，过度裂变在内源性细胞凋亡期间可促进多种凋亡蛋白的释放 ^{[ 28 , 32 ]}。Bax是促凋亡Bcl-2家族蛋白之一，在细胞凋亡过程中从细胞质移位到线粒体，并作用于OMM。线粒体裂变产生的线粒体碎片使OMM对Bax的插入和激活敏感，增加OMM通透性可引发细胞死亡；而减少线粒体裂变及DRP1K38A突变可阻断Bax在线粒体中的激活、插入和寡聚化，提高细胞存活率 ^[ 32 ]。线粒体裂变还可导致线粒体ATP产生不足、去极化、细胞色素C释放、自由基产生增加和细胞死亡 ^{[ 27 , 28 , 29 ]}。作为调节线粒体动力学的重要因子，DRP1在调节缺血缺氧后的线粒体稳态中发挥重要作用 ^{[ 28 , 33 ]}。细胞ATP产生不足会使线粒体通过增加FIS1和DRP1的表达诱导线粒体分裂来维持线粒体的数量，而过量表达可导致线粒体断裂和细胞主动凋亡 ^{[ 29 , 34 ]}。Perry等 ^[ 27 ]研究发现，在缺血诱导的近端小管特异性DRP1敲除小鼠肾损伤模型中，DRP1缺失可减轻肾损伤，表明HS导致器官功能障碍可能与DRP1的高表达有关。Lei等 ^[ 28 ]研究发现，在大鼠创伤HS模型中，DRP1和FIS1的表达显著增加，MFN1的表达则明显减少；而使用钙敏感受体负调节剂Calhex-231降低DRP1和FIS1的表达可抑制线粒体裂变，并保留线粒体形态，进而改善氧化应激和重要器官血流灌注，证明HS时通过改善线粒体动力学可以减轻器官功能损伤。鸢尾素作为DRP1的抑制剂，可减少HS诱导的线粒体裂变。在Bi等 ^[ 29 ]的研究中，外源性应用鸢尾素可显著抑制HS肝脏中DRP1和FIS的表达，促进线粒体生物发生并减轻氧化应激，进而对缺血引起的肝脏损伤起到保护作用。除此之外，鸢尾素在缺血引起的心脏、大脑和肾脏损伤中都可以通过改善线粒体功能来减轻缺血引起的器官功能障碍 ^[ 35 ]。目前，鸢尾素对HS时MQC和器官功能的保护作用及机制尚未完全阐明，有待进一步证实。

此外，通过药物直接抑制线粒体分裂可以减轻HS导致的多器官功能障碍。Wu等 ^[ 36 ]和Duan等 ^[ 8 ]研究发现，线粒体裂变抑制剂mdivi-1可以恢复HS大鼠线粒体结构损害和功能障碍，在低血压复苏1 h期间减轻了HS引起的器官功能障碍，将黄金治疗时间延长至2 h。此外，NAD可以减少HS小鼠ROS生成和线粒体蛋白乙酰化，并抑制线粒体裂变，改善缺血性脑损伤 ^[ 37 ]。由此可见，抑制线粒体裂变可改善HS线粒体结构及功能，进而改善器官功能。

2.3　线粒体自噬：

线粒体自噬是指通过细胞自噬将细胞内功能不正常的线粒体清除的过程，是一种选择性的细胞自噬 ^[ 9 ]。线粒体自噬在维持正常线粒体功能方面发挥着重要作用，可以清除细胞毒性线粒体副产物和受损的线粒体，是细胞在应激状态下的一种自我保护机制 ^[ 38 ]。线粒体自噬的调节途径主要有3种，分别是PTEN诱导假定激酶1（PTEN induced kinase 1 gene，PINK1）和E3泛素连接酶（Parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase，PARK2/PARKIN）途径，线粒体外膜蛋白1（Fun14 domain-containing protein 1，FUNDC1）途径，以及线粒体自噬受体促凋亡蛋白（NIP3-like protein X，NIX/BNIP3）途径。PINK1/PARK2通路是线粒体自噬的主要调节途径 ^{[ 39 , 40 ]}。在正常情况下，PINK1通过转位酶复合体转移到OMM上，然后插入到IMM上。在线粒体基质中，处理肽酶识别并切割PINK1，释放到细胞质中被蛋白酶体降解 ^[ 39 ]。受到应激刺激时，PINK1转运至线粒体内的过程受阻，在OMM累积，发生自身磷酸化或磷酸化修饰PARKIN，并促进PARKIN向线粒体转位 ^[ 39 ]。此时，PARKIN在OMM上通过E3连接酶构建多聚泛素链，并被泛素接头蛋白p62/SQSTM识别结合 ^[ 39 ]。随后，微管相关蛋白1轻链3（microtubule-associated protein 1 light chain 3，LC3）与自噬体膜结合，形成完整的自噬体。最终，自噬体与溶酶体融合后被降解 ^[ 39 ]。另一种途径是在稳态环境中，FUNDC1被氧化磷酸化，增强线粒体自噬受体促凋亡蛋白活性，并诱导自噬囊泡吞噬线粒体。第3种途径是在氧气不足时，低氧诱导因子激活NIX/BNIP3，促使其携带线粒体进入自噬小体 ^[ 40 ]。

自噬是高度依赖能量的过程。HS时，血流不足导致营养和ATP供给不足，进而引起线粒体自噬功能失调，使受损的线粒体积聚并刺激mPTP开放，最终引起细胞死亡 ^[ 11 ]。ATP生成不足会导致细胞质中钙的积累增加，激活钙蛋白酶，水解自噬体形成所需的基因，包括自噬蛋白Atg7和BECN1 ^[ 41 ]，这可能是HS时线粒体自噬被抑制的原因之一。Kang等 ^[ 42 ]研究发现，在大鼠模型中敲除PARKIN和NRF2基因会增加线粒体ROS的产生及细胞凋亡。此外，Sun等 ^[ 43 ]发现，在缺血大鼠模型中，缺血引起线粒体自噬受到抑制会增加ROS的产生，并诱导肝细胞坏死，进一步损害肝脏功能。以上研究结果表明，HS缺血缺氧可抑制线粒体自噬，进而引起氧化应激和细胞受损。

HS时，线粒体自噬加剧器官功能障碍，因此增强自噬或抑制自噬缺陷的方法可能改善HS引起的器官功能障碍。Naraiah Mukkala等 ^[ 44 ]研究发现，远程缺血预处理HS小鼠模型可以显著增加PARKIN依赖性线粒体自噬，进而保护肝细胞免受损伤；而在PARKIN基因敲除小鼠中未观察到线粒体自噬增加及保护作用消失。Livingston等 ^[ 13 ]研究表明，缺血引起的急性肾损伤小鼠模型预处理激活PINK1，可增强线粒体自噬，减少ROS生成，并减轻肾小管细胞凋亡和肾损伤。此外，Chu等 ^[ 45 ]研究发现，对HS大鼠联合使用促进线粒体自噬的药物，包括烟酸、二氯乙酸盐和白藜芦醇，可减少全身及器官特异性炎症反应，显著提高动物存活率，说明增强线粒体自噬可以改善HS引起的多器官功能障碍和预后。因此，调控线粒体自噬可能是改善HS患者预后的潜在治疗靶点，有必要对其机制进一步研究。

2.4　MDVS：

MDVS在生理条件下和轻度氧化应激时扮演着重要角色，将被破坏的OMM、IMM和线粒体蛋白运输至溶酶体及过氧化物酶体降解，是MQC的重要途径 ^{[ 46 , 47 ]}。然而，MDVS生成机制尚不清楚。据报道，MDVS可能由于氧化应激刺激导致线粒体膜附近受损蛋白的聚集而形成 ^[ 48 ]。此外，心磷脂被氧化后可以改变线粒体膜的曲率，并影响线粒体转运通道的功能 ^[ 48 ]。PINK1在OMM聚集并开始引发泛素化和PARKIN募集的过程，最终形成MDVS，并通过未知的蛋白质介导来释放囊泡 ^[ 48 ]。当线粒体受到刺激时，MDVS能够在线粒体自噬之前通过降解受损的线粒体蛋白来保护线粒体功能 ^[ 46 ]，提示MDVS可能是线粒体避免损伤的首要防线。此外，MDVS的产生可能与线粒体裂变、自噬无关，因为在缺乏DRP1或启动自噬蛋白（如Atg5、Rab9和BECLIN）的情况下，依然能够生成MDVS ^[ 48 ]。综上所述，MDVS在MQC中发挥重要作用，但其生成和释放机制尚未阐明，仍然需要进一步研究。

HS时，MDVS可能在早期阶段保护器官功能方面发挥关键作用。Li等 ^[ 46 ]研究发现，在HS大鼠模型中，MDVS在伤后1 h即达到高峰，直到12 h后消失，MDVS的产生与HS期间心肌凋亡比例成反比；而补充外源性MDVS可以减少缺氧诱导的心肌细胞凋亡。在缺血引起的急性脑损伤小鼠模型中进行缺血预处理可增加MDVS的产生，进而有利于维持线粒体结构并进一步减少细胞凋亡 ^[ 47 ]。这些发现揭示了MDVS对HS时器官功能的潜在保护作用，但是还需要更多的临床研究来验证。

2.5　线粒体蛋白稳态：

线粒体蛋白稳态对于维持线粒体功能具有重要作用。具体而言，线粒体蛋白稳态的维持主要通过蛋白质的导入、折叠、加工和降解等过程实现。如果长时间存在蛋白质无法导入线粒体的情况，会损伤蛋白质稳态，造成线粒体受损 ^{[ 10 , 49 ]}。线粒体蛋白的导入依靠膜转位酶复合物，包括线粒体外膜转位酶（mitochondrial outer membrane translocase，TOM）和线粒体内膜转位酶（mitochondrial inner membrane translocase，TIM），将蛋白质分类运输至线粒体内，并根据蛋白质特殊靶向序列将其定位到适当的隔室 ^[ 7 ]。不同转运途径将导入蛋白质定位到不同的隔室，如载体途径选择将疏水蛋白插入IMM中 ^[ 7 ]。此外，当蛋白质折叠发生错误时，可能会导致蛋白质聚集，并引发线粒体未折叠蛋白反应（mitochondrial unfolded protein response，UPRmt）。在应激刺激下，线粒体还可以进行整合应激反应（integrated stress response，ISR），从而维持线粒体蛋白稳态 ^{[ 50 , 51 ]}。UPRmt和ISR激活都需要转录激活因子4、转录激活因子5和转录因子C/EBP同源蛋白（CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein，CHOP） ^[ 50 ]。UPRmt可以激活编码蛋白基因，而ISR可以根据损伤程度激活多种基因来处理蛋白质错误折叠和降解 ^[ 50 ]。此外，在线粒体蛋白加工和去除错误折叠蛋白的过程中，蛋白酶和分子伴侣，如热休克蛋白（heat shock protein，HSP）家族，也起着重要的作用 ^{[ 52 , 53 ]}。蛋白酶和分子伴侣的基因表达会在UPRmt激活过程中上调，进而维持线粒体蛋白稳态 ^[ 53 ]。Paraplegin和YMEL1蛋白酶主要负责降解错误折叠蛋白，而LON和ClpXP蛋白酶则主要溶解线粒体基质中受损的蛋白质 ^[ 53 ]。线粒体蛋白稳态的调节机制目前尚未阐明，有必要进一步明确。

HS时线粒体蛋白稳态紊乱可导致线粒体蛋白异常积累、结构和功能受损，进而损伤器官正常功能。Kozlov等 ^[ 12 ]研究发现，在HS大鼠模型中，CHOP表达升高诱导OMM通透性增加，促使细胞色素C释放，进而引发细胞凋亡，造成器官功能损伤。有研究者在缺血动物模型中观察到，TOM22、TOM70（TOM复合体的重要受体亚基）和TIM23（TIM的重要组成部分）水平下降，可导致线粒体蛋白导入障碍，进一步损伤线粒体功能并加重心肌损伤；而上调TOM70、TOM20和TIM23的表达可以改善线粒体功能，减少氧化应激损伤，进而改善心脏功能；但当敲除基因TOM70时，则不会产生保护作用 ^{[ 10 , 49 ]}。

Yu等 ^[ 52 ]研究发现，HS大鼠模型中，HSP32表达显著增加，HSP60、HSP90表达显著减少；使用雌激素可以防止HSP60、HSP90表达减少，并增加HSP32、HSP70表达，提示HS时雌激素可能通过激活维持线粒体蛋白稳态改善心脏功能。综上所述，维持线粒体蛋白稳态可以改善器官功能障碍，这可能是治疗HS时多器官功能障碍的潜在机制。目前关于HS时线粒体蛋白稳态的研究较少，线粒体蛋白稳态改善HS致多器官功能障碍的机制仍不明确，需进一步研究。

3　总结与展望

综上所述，通过MQC机制调节线粒体稳态可改善器官功能。HS时，由于血流减少，能量产生不足，会抑制线粒体生物发生和线粒体自噬，减少其自身的能量供给会进一步加重线粒体功能障碍，引起多器官功能障碍。因此，减少线粒体裂变、促进线粒体生物发生和自噬、促进线粒体囊泡的衍生及维持线粒体蛋白的稳态，成为改善缺血引起的线粒体和器官功能障碍的重要策略。这一新的视角为HS的救治并改善预后提供了可能性。因此，有必要深入探讨HS时MQC机制，从而为减轻线粒体功能障碍并改善患者预后提供理论指导，为寻找新的治疗靶点提供支持。

引用：张政,段红杰,柴家科,等. 失血性休克导致器官功能障碍的新研究方向[J]. 中华危重病急救医学,2024,36:(01)：93-97.