張鵬 王天兵,—2

線粒體是一種普遍存在于除哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞以外的所有真核細(xì)胞中的由兩層膜包被的細(xì)胞器，是細(xì)胞進(jìn)行生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場(chǎng)所。大多數(shù)細(xì)胞的ATP是通過氧化磷酸化在線粒體中產(chǎn)生的［1］，線粒體提供了細(xì)胞生命活動(dòng)所需的80%的能量，因此線粒體又被稱為“power house”。此外，除了為細(xì)胞提供能量，線粒體還參與如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡，以及細(xì)胞生長和細(xì)胞周期的調(diào)控［2］。線粒體功能障礙與許多種人類疾病有關(guān)，包括線粒體疾病、心功能不全和心力衰竭等［3-5］。周圍神經(jīng)損傷后神經(jīng)纖維出現(xiàn)炎癥反應(yīng)、組織腫脹等變化，在這些損傷變化中也伴隨線粒體的損傷［6］。線粒體是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要部位。生理情況下，細(xì)胞內(nèi)低水平的ROS可作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子，對(duì)細(xì)胞的正常生理功能進(jìn)行調(diào)節(jié)；但在組織損傷時(shí)，線粒體內(nèi)ROS快速大量產(chǎn)生，ROS的大量出現(xiàn)對(duì)線粒體本身也是一種損傷。抗氧化劑可以阻止ROS引起的損害，通過降低線粒體的氧化損傷來達(dá)到改善損傷狀態(tài)的目的［7］。因此，關(guān)于抗氧化劑的研究也越來越受到關(guān)注。常規(guī)抗氧化劑的效果常常不理想或?qū)е缕渌弊饔茫?］，可能是由于其未能特異性抑制線粒體內(nèi)過量產(chǎn)生的ROS，為了解決這個(gè)問題，很多的研究把重點(diǎn)放到了線粒體靶向的抗氧化劑上面，以期待解決線粒體損傷導(dǎo)致的疾病等問題。

一、內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生

ROS在化學(xué)本質(zhì)上是含氧的反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)，例如，過氧化物、超氧化物、羥自由基、單線態(tài)氧等［9］。在生物活動(dòng)中，ROS是氧正常代謝的副產(chǎn)物，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。然而，在某些損傷因素存在的情況下，ROS水平急劇增加［10］。這對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成重大傷害，被稱為氧化應(yīng)激。分子氧被還原產(chǎn)生超氧陰離子，而超氧陰離子是大多數(shù)ROS的前身和氧化反應(yīng)過程中的介質(zhì)，超氧化物自發(fā)的歧化作用或通過超氧化物歧化酶催化產(chǎn)生過氧化氫，部分過氧化氫可還原為羥自由基或者全部還原為水［11］。

ROS通過多種機(jī)制在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生，不同類型ROS的產(chǎn)生取決于不同類型的組織細(xì)胞。ROS主要來源于細(xì)胞膜、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的NADPH氧化酶復(fù)合物（有7個(gè)不同的亞型）［12-13］。線粒體把能量轉(zhuǎn)化為細(xì)胞可以利用的形式（ATP）。產(chǎn)生ATP的過程叫做氧化磷酸化。在正常情況下，氧氣被還原生成水，但是有0.1%～2.0%的電子在通過轉(zhuǎn)運(yùn)鏈的時(shí)候（該數(shù)據(jù)來自被分離出的線粒體，在活體組織上的比例尚未達(dá)成共識(shí)），氧氣被過早地且不完全地還原成超氧陰離子（一般認(rèn)為是NADPH氧化酶復(fù)合物I和III）［7］（圖1）。超氧化物不僅僅發(fā)生自身反應(yīng)，而且可以抑制特殊的酶或者在其羥自由基形式時(shí)進(jìn)行脂質(zhì)的過氧化反應(yīng)。羥自由基的pKa為4.8，因此在正常生理狀態(tài)的pH值下，大多數(shù)的ROS以超氧陰離子的形式存在。

圖1 ROS生成示意圖

二、ROS的損傷作用與疾病

ROS對(duì)許多物種的細(xì)胞代謝都有影響，不僅包括在細(xì)胞凋亡中的作用，還包括一些積極的作用，例如宿主防御基因的誘導(dǎo)和離子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的動(dòng)員［8,14］。這表明ROS對(duì)細(xì)胞功能的調(diào)控起到一定的作用。例如，血小板參與傷口修復(fù)，血液系統(tǒng)釋放ROS來招募更多的血小板到損傷部位。ROS也可以通過招募白細(xì)胞來調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。在細(xì)胞活動(dòng)中ROS與多種炎癥反應(yīng)有關(guān)，包括心血管疾病、高音量導(dǎo)致的耳蝸損傷。對(duì)于人和動(dòng)物來說，藥物的耳毒性（如順鉑）和先天性耳聾也可能與ROS的作用有關(guān)。ROS還與細(xì)胞凋亡和缺血性損傷有關(guān)，例如卒中和心肌梗死。一般來講，ROS對(duì)于細(xì)胞的損傷作用更為常見：DNA或RNA的損傷，脂質(zhì)過氧化，氨基酸的氧化，輔助因子的氧化導(dǎo)致特定酶的氧化失活［15］。

三、ROS與神經(jīng)病變

線粒體DNA編碼氧化磷酸化相關(guān)的基因。受損傷的線粒體DNA與許多神經(jīng)退行性疾病密切相關(guān)。真正的線粒體疾病患者通常都有神經(jīng)損傷。許多病理性損傷可導(dǎo)致線粒體DNA的損傷，但是線粒體ROS產(chǎn)生的氧化損傷更為常見。ROS可以引起細(xì)胞損傷，ROS的升高與神經(jīng)退行性疾病的氧化損傷具有相關(guān)性。一些細(xì)胞培養(yǎng)研究表明，一些線粒體DNA突變與較高水平的ROS相關(guān)，而另一些研究結(jié)果則不同［16-17］。在老年人或神經(jīng)退行性疾病患者的大腦尸檢報(bào)告中可以看到，線粒體DNA損傷的程度較低，然而這些低水平的線粒體DNA突變程度與ROS的升高沒有直接關(guān)系［18］。目前有一些線粒體DNA損傷影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的小鼠動(dòng)物模型，這將有助于更好的了解線粒體DNA損傷、ROS與神經(jīng)退行性病變之間的關(guān)系。大腦與其他大多數(shù)器官一樣，對(duì)氧化損傷的反應(yīng)并不一致［19］。雖然有許多神經(jīng)元亞型能夠處理氧化應(yīng)激的升高，但是有一些神經(jīng)元非常容易受到升高的ROS的損害［20］。金屬含量較高的神經(jīng)元和接受多巴胺代謝的神經(jīng)元更容易受到ROS誘導(dǎo)的損傷［21］。由于L型鈣離子通道的參與，多巴胺能神經(jīng)元的特異性氧化應(yīng)激導(dǎo)致輕度的線粒體解偶聯(lián)，引起線粒體功能障礙［22］。

帕金森病是非常常見的神經(jīng)退行性疾病，60歲以上的人群發(fā)病比例可達(dá)1%［23］。人類 α-突觸核蛋白的A53T錯(cuò)義突變與家族性帕金森病相關(guān)，并且可以損傷多巴胺的存儲(chǔ)，引起細(xì)胞內(nèi)的多巴胺增多，與鐵相互作用，產(chǎn)生ROS［24-25］。雖然帕金森病的病因尚不明確，但是有的研究提出線粒體和復(fù)合物I的功能障礙是一個(gè)影響因素［26］。在帕金森患者的不同組織中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了復(fù)合物I的缺陷［27］。在老年患者和帕金森患者的黑質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了較高水平的線粒體DNA缺失。這些較高水平的線粒體DNA缺失與單個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞色素C氧化酶缺乏有關(guān)［28-29］。這些研究已經(jīng)在動(dòng)物模型上證實(shí)［30-32］。據(jù)報(bào)道，帕金森病患者線粒體DNA的水平也有所下降［33］。

在其他年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病中，疾病的進(jìn)展與ROS的升高、線粒體功能障礙均有相關(guān)性。然而，線粒體DNA受損或突變與疾病的發(fā)病機(jī)制并沒有相關(guān)性。阿爾茨海默病是最常見的晚發(fā)性進(jìn)行性的神經(jīng)退行性疾病，細(xì)胞色素C氧化酶的缺乏與疾病的進(jìn)展有關(guān)［18］。β-淀粉樣蛋白碎片形成細(xì)胞毒性斑塊，這種斑塊在大腦皮層和海馬區(qū)更常見［34-35］。β-淀粉樣蛋白碎片對(duì)線粒體功能產(chǎn)生負(fù)面影響，這表明線粒體功能障礙是β-淀粉樣蛋白毒性作用的結(jié)果［36-38］?！鞍柎暮Ｄ〉木€粒體級(jí)聯(lián)假說”認(rèn)為，構(gòu)成呼吸鏈的蛋白基因決定了內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生，產(chǎn)生的ROS決定了氧化損傷的嚴(yán)重程度。有研究進(jìn)一步表明，線粒體DNA的損傷反過來使ATP水平降低，增加氧化應(yīng)激，隨著線粒體DNA的氧化損傷的累積，β-淀粉樣蛋白的毒性也隨之增強(qiáng)，最終導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變［39］。

在周圍神經(jīng)損傷的模型中，也有相關(guān)研究表明線粒體的生物生成發(fā)生了改變。黃偉等通過建立大鼠坐骨神經(jīng)損傷模型，進(jìn)行了損傷坐骨神經(jīng)的近端和相應(yīng)節(jié)段脊髓前角的線粒體生物生成的檢測(cè)和電鏡觀察。結(jié)果表明，坐骨神經(jīng)損傷后3～28 d，近端坐骨神經(jīng)線粒體的生物生成明顯增加，ATP含量增加，電鏡下可見神經(jīng)纖維內(nèi)的線粒體數(shù)目增加；脊髓前角中的線粒體生物生成和ATP含量均出現(xiàn)下降，電鏡顯示線粒體腫脹、變性［6］。但是周圍神經(jīng)損傷后線粒體功能的變化是否和ROS的生成有關(guān)，ROS水平的改變是否對(duì)神經(jīng)的修復(fù)產(chǎn)生影響，該研究并沒有涉及。所以周圍神經(jīng)損傷與線粒體的氧化損傷之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

四、抗氧化劑

抗氧化劑是一種抑制其他分子氧化的物質(zhì)。氧化是一種化學(xué)反應(yīng)，它可以產(chǎn)生自由基，導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，損傷細(xì)胞?？寡趸瘎?，例如硫醇類、抗壞血酸等，可以終止這些鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為了平衡氧化狀態(tài)，植物和動(dòng)物都存在復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)，例如谷胱甘肽、抗氧化酶和維生素類等，這些都可以在體內(nèi)產(chǎn)生或從外界攝取。盡管已經(jīng)有很多研究表明，從膳食中攝取抗氧化劑對(duì)神經(jīng)退行性疾?。ɡ缗两鹕?、阿爾茨海默病等）的有一定的作用，但是這些結(jié)論仍然存在一定爭(zhēng)議［40-41］。

（一）常規(guī)抗氧化劑

替拉扎特是一種類固醇衍生物抗氧化劑，可以抑制脂質(zhì)的過氧化，這種過氧化損傷在卒中和頭外傷引起的神經(jīng)元死亡過程中起到非常重要的作用。在動(dòng)物卒中模型中替拉扎特有一定的作用［42］，但是在臨床的試驗(yàn)中對(duì)于蛛網(wǎng)膜下腔出血患者的病死率等并沒有影響［43］，甚至還加重了缺血性卒中的病情［44］。同樣，NXY-059抗氧化劑在動(dòng)物模型中有效，但在臨床試驗(yàn)中未能改善卒中的病情［45］?？寡趸瘎╇m被廣泛應(yīng)用于治療癌癥的病情，但抗氧化劑也可能干擾癌癥的治療［46］，因?yàn)榘┘?xì)胞的生長環(huán)境產(chǎn)生了較強(qiáng)的氧化應(yīng)激，治療容易引起這些細(xì)胞進(jìn)一步氧化應(yīng)激反應(yīng)。結(jié)果，減少癌細(xì)胞的氧化還原應(yīng)激可能降低放療和化療的效果［47-49］。

（二）線粒體靶向的抗氧化劑

常規(guī)的抗氧化劑通常達(dá)不到滿意的效果，可能是因?yàn)榭寡趸瘎┖茈y進(jìn)入到線粒體內(nèi)部，無法到達(dá)ROS產(chǎn)生的主要部位和其他氧化應(yīng)激的部位。線粒體內(nèi)膜富含心磷脂，具有高度的不通透性。為了克服這些問題，線粒體靶向抗氧化劑已經(jīng)研制出來，可以穿透線粒體內(nèi)膜進(jìn)入到線粒體內(nèi)部。線粒體靶向抗氧化劑通常是三苯基陽離子與抗氧化成分（例如輔酶Q10、質(zhì)體醌）的嵌合分子［50-51］。線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力維持著較大的線粒體膜電位，親脂陽離子的正電荷驅(qū)使這些具有陽離子的抗氧化劑進(jìn)入線粒體。攝取到線粒體基質(zhì)的藥物濃度可以達(dá)到細(xì)胞質(zhì)藥物濃度的10 000倍［52］。除了三苯基外，羅丹明-123也是適合與線粒體嵌合的親脂陽離子。但是親脂陽離子有一定的缺陷，由于電荷聚集到基質(zhì)中導(dǎo)致線粒體膜去極化，在＞10 μM濃度時(shí)，親脂陽離子即可產(chǎn)生毒性作用［53］。近些年，出現(xiàn)了具有特殊理化性質(zhì)的短肽序列，它可以把化合物輸送至線粒體內(nèi)［54］。Szeto-Schiller肽（簡稱SS肽）具有明顯的抗氧化性，它可以清除ROS，抑制亞油酸氧化［55-56］。SS肽由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和一個(gè)交替的芳香結(jié)構(gòu)組成。由于具有芳香陽離子氨基酸序列，SS肽可以自由穿過線粒體內(nèi)膜。SS肽結(jié)構(gòu)中的酪氨酸和二甲基酪氨酸可能與清除ROS的能力有關(guān)［57］，而二甲基酪氨酸對(duì)于ROS的抑制和清除作用更強(qiáng)。SS肽對(duì)于μ阿片類受體具有高度親和性與選擇性（與酪氨酸N端有關(guān)），可導(dǎo)致便秘、呼吸抑制、藥物耐受性及依賴性等副反應(yīng)。隨著SS肽系列的藥物的不斷研發(fā)，它的有效性得到了很大的改善，副作用越來越少，目前在心臟、腎臟、腦神經(jīng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、眼部和衰老相關(guān)的疾病方面有很多關(guān)于SS肽應(yīng)用的研究。

五、結(jié)語

綜上所述，線粒體損傷和ROS的產(chǎn)生對(duì)神經(jīng)病變具有一定的影響，周圍神經(jīng)損傷也會(huì)引起氧化應(yīng)激反應(yīng)。神經(jīng)系統(tǒng)含有復(fù)雜的抗氧化酶的系統(tǒng)，可以防止細(xì)胞內(nèi)的DNA、蛋白和脂質(zhì)等受到氧化損傷。在一般情況下，抗氧化系統(tǒng)可以抑制ROS的生成或者在細(xì)胞的重要成分受到損傷之前清除ROS。但是ROS也具有一些重要的細(xì)胞功能，例如氧化還原信號(hào)的傳遞功能等。因此，抗氧化劑的功能不是完全的清除ROS，而是使ROS保持在一個(gè)穩(wěn)定水平，可以使線粒體處于最佳的狀態(tài)，改善細(xì)胞功能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)和機(jī)體功能康復(fù)的方法。