葉芃，程帆

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院泌尿外科，武漢 430060)

腎臟除凈化血液外還具有維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)的多種重要功能，如調(diào)節(jié)酸堿及電解質(zhì)平衡、血壓、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重吸收和激素分泌[1]。在靜息狀態(tài)下腎臟每分鐘需濾過(guò)1 000～1 200 ml血液以維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)，因此腎臟是機(jī)體耗能量最大的臟器，其耗氧量占人體總耗氧量的10%，其線粒體含量也是人體各臟器中最高的[2]。因此，線粒體與腎臟的正常生理功能密切相關(guān)，線粒體損傷及功能障礙被認(rèn)為是多種急性和慢性腎臟病的主要致病因素，如糖尿病腎病、高血壓腎病、梗阻性腎病、缺血性腎損傷、藥物性腎損傷、感染性腎損傷、腎腫瘤和部分遺傳性腎病的發(fā)病和進(jìn)展[3-4]。

腎臟缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury，IRI)是導(dǎo)致急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)的主要原因之一[5]，外傷、休克、心血管手術(shù)、敗血癥及腎移植等因素均是腎臟IRI發(fā)生的誘因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，AKI在所有住院患者中的發(fā)病率為2%～7%，而在重癥監(jiān)護(hù)病房中AKI的發(fā)病率甚至超過(guò)10%，病死率高達(dá)50%，對(duì)患者生命安全造成極大威脅[6]。而在腎移植過(guò)程中，IRI可導(dǎo)致移植腎功能恢復(fù)延遲，誘導(dǎo)急性排斥反應(yīng)甚至進(jìn)展為慢性移植腎腎病[7-8]。IRI導(dǎo)致的AKI常因伴隨炎癥、異常修復(fù)及纖維化等一系列復(fù)雜的病理生理過(guò)程而成為慢性腎臟病進(jìn)展的重要危險(xiǎn)因素。近年來(lái)，隨著對(duì)線粒體研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)線粒體功能在腎臟IRI中起決定性調(diào)控作用。現(xiàn)就線粒體在腎臟IRI中的作用與機(jī)制予以綜述。

1 線粒體功能與腎臟IRI

作為細(xì)胞中ATP的主要來(lái)源，線粒體是由具有真核細(xì)胞特征的細(xì)菌與機(jī)體內(nèi)共生進(jìn)化而來(lái)的半自主細(xì)胞器，其通過(guò)線粒體氧化磷酸化及三羧酸循環(huán)為細(xì)胞代謝提供了90%以上的ATP，因此也被稱為“生命的發(fā)電廠”。除為機(jī)體提供必要的能量外，線粒體還具有維持細(xì)胞鈣離子平衡穩(wěn)態(tài)、參與嘧啶和血紅蛋白生物合成、介導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)、維持機(jī)體氧化還原狀態(tài)、參與細(xì)胞增殖和凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等一系列重要功能。線粒體參與急慢性腎損傷、腫瘤、神經(jīng)退行性病變、心血管疾病、糖尿病等疾病的發(fā)病與進(jìn)展[9-10]。腎臟IRI的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，包括線粒體功能障礙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、缺氧損傷、活性氧類(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生、炎癥、凋亡和壞死等因素[11]。腎臟近端小管及髓質(zhì)中線粒體含量極高，近年來(lái)多項(xiàng)研究證實(shí)線粒體功能在IRI的發(fā)生與進(jìn)展中起重要調(diào)控作用[12-15]。生理狀態(tài)下，線粒體通過(guò)復(fù)雜的調(diào)控維持細(xì)胞、生物內(nèi)穩(wěn)態(tài)。而IRI的發(fā)生可導(dǎo)致線粒體功能障礙及結(jié)構(gòu)損傷，造成大量ROS產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體能量代謝異常、自噬、凋亡的發(fā)生。

1.2腎臟IRI中的線粒體自噬 線粒體自噬是一種特殊形式的自噬，其激活可起到消除多余或受損線粒體的作用。近年的研究表明，線粒體自噬在腎臟IRI導(dǎo)致的AKI中高度活躍且在AKI的進(jìn)展和隨后的腎臟修復(fù)中起重要作用[13,31]。線粒體自噬過(guò)程大致可分為4個(gè)步驟：①檢測(cè)功能障礙的受損線粒體；②受損線粒體從健康線粒體網(wǎng)絡(luò)中分離；③吞噬細(xì)胞的募集；④通過(guò)自噬程序降解受損線粒體。目前機(jī)制比較清晰的線粒體自噬由兩大類共4種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路介導(dǎo)。①泛素依賴的PTEN誘導(dǎo)假定激酶(PTEN-induced putative kinase,PINK)1-PARK2途徑：在線粒體去極化的條件下，PINK1在線粒體外膜上聚集、磷酸化并將PARK2 E3連接酶招募至線粒體并在線粒體外膜蛋白上構(gòu)建泛素鏈。泛素化蛋白招募p62/Sequestosome-1等受體蛋白，將泛素標(biāo)記的線粒體與自噬體膜中的微管相關(guān)蛋白輕鏈3連接，導(dǎo)致線粒體自噬體的形成和降解[13]。②非泛素依賴的Bcl-2/腺病毒E1B 19 kDa相互作用蛋白3(Bcl-2/adenovirus E1B 19 kDa interacting protein 3，BNIP3)/Nip樣蛋白介導(dǎo)途徑、FUN14域蛋白1介導(dǎo)途徑以及心磷脂介導(dǎo)途徑：BNIP3/Nip樣蛋白以及FUN14域蛋白1均是線粒體外膜蛋白，它們可直接將線粒體與自噬體膜中的微管相關(guān)蛋白輕鏈3橋接從而形成線粒體自噬體并導(dǎo)致線粒體降解[32-33]。而心磷脂則是一種定位于線粒體內(nèi)膜的脂質(zhì)蛋白，通常情況下參與線粒體的代謝，當(dāng)機(jī)體處于氧化狀態(tài)時(shí)，心磷脂則會(huì)重新分布于受損的線粒體外膜表面并與微管相關(guān)蛋白輕鏈3進(jìn)行橋接形成自噬體[34]。線粒體自噬的吞噬作用與線粒體生物發(fā)生的再生作用相互協(xié)同，進(jìn)而維持機(jī)體內(nèi)線粒體網(wǎng)絡(luò)的健康運(yùn)行。這種機(jī)體的“自我清潔”和“自我再生”機(jī)制有效地限制了ROS及凋亡對(duì)機(jī)體造成的損傷，并且在清除有害突變線粒體的過(guò)程中起重要作用。由此可見(jiàn)，線粒體自噬是一種具有高選擇性的自我保護(hù)機(jī)制，在維持機(jī)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用。

1.3腎臟IRI中的線粒體途徑凋亡 線粒體功能障礙是介導(dǎo)腎臟IRI后腎小管及細(xì)胞壞死和凋亡的重要因素[11]。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，凋亡主要通過(guò)死亡受體和線粒體兩條相互聯(lián)系的途徑所引發(fā)。線粒體途徑凋亡的主要特點(diǎn)為線粒體外膜通透性受Bcl-2家族蛋白水平失衡的影響而升高，導(dǎo)致細(xì)胞色素C等促凋亡因子由線粒體內(nèi)外流進(jìn)入胞質(zhì)。細(xì)胞色素C及其他促凋亡因子外流可導(dǎo)致由細(xì)胞色素C、凋亡蛋白酶激活因子1和胱天蛋白酶9組成的凋亡小體形成，進(jìn)而激活胱天蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[12,35]。除缺血再灌注誘導(dǎo)Bcl-2家族蛋白表達(dá)水平失衡而引發(fā)線粒體途徑凋亡外，ROS也是導(dǎo)致IRI中線粒體途徑凋亡激活的重要因素之一。如前文所述，ROS可通過(guò)增加線粒體膜通透性促進(jìn)線粒體內(nèi)細(xì)胞色素C外溢，間接激活胱天蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)[29]。因此，線粒體途徑凋亡是ROS對(duì)機(jī)體造成損傷的方式之一，線粒體途徑凋亡與ROS密切相關(guān)[36-37]。同時(shí)，線粒體途徑凋亡也受線粒體自噬水平調(diào)控，缺血再灌注導(dǎo)致的線粒體自噬過(guò)度也可激活線粒體途徑凋亡，加重IRI[38]。可見(jiàn)，IRI中的線粒體途徑凋亡受多種因素的影響與調(diào)控，并最終促進(jìn)IRI的進(jìn)展。

2 腎臟IRI中的線粒體功能調(diào)控

2.1腎臟IRI中的線粒體ROS調(diào)控 基于線粒體ROS導(dǎo)致IRI的機(jī)制，可通過(guò)多個(gè)靶點(diǎn)對(duì)腎臟IRI中的線粒體ROS進(jìn)行調(diào)控。多項(xiàng)研究證實(shí)，脂溶性醌類化合物及其衍生物對(duì)緩解線粒體ROS造成的損傷有良好療效[15,39-40]?；衔颩itoQ的主要抗氧化成分泛醌進(jìn)入線粒體后，通過(guò)與ETC復(fù)合物Ⅱ相互作用而變性為可清除ROS的活性抗氧化劑泛醇。泛醇與ROS相互作用后被還原為泛醌，并再次與ETC復(fù)合物Ⅱ發(fā)生相互作用而被激活為泛醇。這一過(guò)程使MitoQ能有效清除機(jī)體內(nèi)過(guò)量的ROS[41]。有研究表明，在局部缺血發(fā)作前給予MitoQ可以有效降低氧化損傷和腎臟IRI的程度，起到保護(hù)腎功能的作用[42]。Skulachev等[43]則合成了醌類化合物SkQ1，其主要成分為質(zhì)體醌基-癸基-三苯基膦，在體外實(shí)驗(yàn)中，SkQ1可提高腎小管上皮細(xì)胞的存活率，并減少缺氧/復(fù)氧誘導(dǎo)的線粒體分裂。在單側(cè)腎缺血再灌注的大鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，在腎缺血前1 d對(duì)大鼠注射SkQ1可顯著提高其存活率[43]。Plotnikov等[44]研究發(fā)現(xiàn)，醌類化合物SkQR1可使腎缺血再灌注大鼠的腎臟線粒體ROS及脂質(zhì)過(guò)氧化水平恢復(fù)正常，并有效降低大鼠的血尿素氮、血清肌酐水平，提高大鼠的存活率。此外，SkQR1還可誘導(dǎo)促紅細(xì)胞生成素的生成和糖原合成酶激酶-3β的磷酸化。促紅細(xì)胞生成素對(duì)組織的缺血性損傷有一定的保護(hù)作用，而糖原合成酶激酶-3β的磷酸化與促生存基因活性相關(guān)，糖原合成酶激酶-3β的磷酸化可阻止線粒體膜通透性改變，恢復(fù)線粒體膜電位，并減少ROS的產(chǎn)生[44]。

mPTP作為IRI藥物干預(yù)的另一個(gè)潛在靶點(diǎn)已在心肌缺血領(lǐng)域得到應(yīng)用[45]。阻斷mPTP開(kāi)放在再灌注早期可保護(hù)線粒體結(jié)構(gòu)和代謝，促進(jìn)ATP的恢復(fù)。親環(huán)蛋白D是mPTP的組成部分，研究表明敲除親環(huán)蛋白D基因或應(yīng)用親環(huán)蛋白D抑制劑環(huán)孢素A可減輕IRI大鼠的腎損傷[46]。雖然環(huán)孢素A的腎毒性特征不適用于腎臟IRI的治療，但其中的抗IRI機(jī)制仍極具研究?jī)r(jià)值。由于氧化應(yīng)激程度既取決于ROS的產(chǎn)生水平，也取決于SOD對(duì)ROS的清除作用，在缺血再灌注過(guò)程中使用SOD模擬物拮抗ROS可能會(huì)減輕腎臟IRI。錳(Ⅲ)-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉是一種具有清除過(guò)氧亞硝酸鹽作用的SOD模擬物，可通過(guò)減少缺血再灌注后腎小管近端區(qū)域組織的脂質(zhì)過(guò)氧化，降低硝基酪氨酸水平、胱天蛋白酶3活化程度和減輕腎小管上皮細(xì)胞損傷而發(fā)揮腎臟保護(hù)作用；此外，錳(Ⅲ)-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉還可通過(guò)降低促凋亡基因Bax和FasL的表達(dá)而抑制死亡受體和線粒體途徑凋亡[47]。

綜上所述，通過(guò)減少線粒體ROS來(lái)減輕腎臟IRI的治療方式具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)促進(jìn)泛醇類抗氧化物生成、調(diào)節(jié)線粒體膜通透性及補(bǔ)充外源性SOD等方式均可起到減少線粒體ROS生成并保護(hù)腎臟的作用。雖然上述研究成果大多尚未實(shí)際應(yīng)用于腎臟IRI的治療，但已在心臟IRI等領(lǐng)域臨床應(yīng)用并取得了良好的療效。相信隨著臨床試驗(yàn)的不斷完善，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)更多基于調(diào)控線粒體ROS機(jī)制的腎臟IRI治療方案。

2.2腎臟IRI中的線粒體自噬調(diào)控 腎臟缺血再灌注可導(dǎo)致腎小管細(xì)胞中的線粒體自噬顯著增加，在腎臟近端小管細(xì)胞中尤為明顯。Ishihara等[48]研究表明，在腎臟IRI期間BNIP3以缺氧誘導(dǎo)因子-1α依賴途徑上調(diào)，同時(shí)過(guò)表達(dá)BNIP3可增加線粒體自噬水平，而敲低BNIP3則對(duì)線粒體自噬起到抑制作用，表明腎臟IRI過(guò)程中存在BNIP3依賴的線粒體自噬途徑。Fu等[49]則進(jìn)一步證明在腎臟IRI模型中敲低缺氧誘導(dǎo)因子-1α可通過(guò)BNIP3途徑減少腎臟中線粒體的自噬通量從而加重ROS和細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致腎臟IRI加劇。Tang等[50]從另一方面證實(shí)，BNIP3表達(dá)水平在缺氧/復(fù)氧培養(yǎng)的腎小管細(xì)胞及腎臟IRI小鼠模型中均顯著升高，而B(niǎo)NIP3缺乏會(huì)抑制線粒體自噬水平，導(dǎo)致受損線粒體累積、ROS增多、炎癥反應(yīng)增強(qiáng)以及腎小管細(xì)胞死亡，從而加重腎臟IRI。PINK1-PARK2途徑依賴的線粒體自噬在腎臟IRI過(guò)程中同樣發(fā)揮保護(hù)作用。有研究揭示了PINK1和PARK2表達(dá)水平升高可激活A(yù)TP耗竭-充盈損傷腎小管細(xì)胞和缺血性AKI小鼠模型腎小管中的線粒體自噬，敲除PINK1或PARK2可部分抑制損傷腎小管細(xì)胞中的線粒體自噬活性，并加重細(xì)胞凋亡；而腎臟IRI誘導(dǎo)的線粒體自噬在PINK1和PARK2單基因或雙基因敲除的腎小管中被部分消除[51]。此外，PINK1和PARK2的單基因或雙基因敲除均會(huì)加劇腎小管細(xì)胞中受損線粒體的積累、ROS的產(chǎn)生和炎癥，導(dǎo)致更嚴(yán)重的腎損傷[52]。

除以上途徑外，線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白活性也與線粒體自噬水平密切相關(guān)。動(dòng)力相關(guān)蛋白1和視神經(jīng)萎縮蛋白1是調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)的重要因子，均參與調(diào)控線粒體的裂變和融合過(guò)程[53]。Li等[54]研究顯示，使用抑制劑降低動(dòng)力相關(guān)蛋白1磷酸化水平后可在不影響一般自噬水平的前提下顯著下調(diào)由腎臟IRI誘導(dǎo)的線粒體自噬，同時(shí)加劇細(xì)胞凋亡程度，加重腎功能不全，表明腎臟IRI過(guò)程中的線粒體自噬可通過(guò)動(dòng)力相關(guān)蛋白1途徑激活，而線粒體自噬可通過(guò)清除受損線粒體的方式保護(hù)細(xì)胞免受IRI所致的細(xì)胞凋亡損傷。Feng等[55]的研究則證實(shí)，視神經(jīng)萎縮蛋白1的正常表達(dá)在IRI中可激活線粒體自噬、中斷線粒體損傷信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)并降解受損的線粒體，降低視神經(jīng)萎縮蛋白1表達(dá)水平則會(huì)加重缺血再灌注導(dǎo)致的腎損傷。

由以上研究可知，線粒體自噬與腎臟IRI密切相關(guān)且受多種復(fù)雜的分子機(jī)制調(diào)控，雖然目前多項(xiàng)研究認(rèn)為適當(dāng)?shù)木€粒體自噬對(duì)腎臟IRI可起到保護(hù)作用，但仍有部分研究認(rèn)為線粒體自噬水平升高會(huì)損傷腎功能。因此，基于線粒體自噬機(jī)制的臨床治療手段仍需進(jìn)一步研究論證。

2.3腎臟IRI中的線粒體途徑凋亡調(diào)控 腎臟IRI中的線粒體途徑凋亡受多種復(fù)雜機(jī)制的調(diào)控，除上述通過(guò)調(diào)節(jié)ROS或線粒體自噬水平調(diào)控凋亡外，還存在諸多調(diào)控靶點(diǎn)。據(jù)Liu等[14]的研究，一種名為JQ1的含溴結(jié)合域蛋白4蛋白抑制劑可在腎臟IRI小鼠及HK-2細(xì)胞系中通過(guò)調(diào)控磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號(hào)通路對(duì)線粒體途徑凋亡起到抑制作用，同時(shí)還可減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激程度，降低腎損傷小鼠的血清肌酐、尿素氮水平。多項(xiàng)研究指出，使用外源性藥物調(diào)控線粒體凋亡途徑的關(guān)鍵啟動(dòng)因子Bcl-2家族蛋白可調(diào)控凋亡水平，如朱敏杰[56]研究指出，大蒜素可以通過(guò)調(diào)控Bcl-2/Bcl-2相關(guān)X蛋白水平抑制腎臟IRI大鼠體內(nèi)線粒體途徑凋亡。而王穎等[57]的研究表明，缺血預(yù)處理可以通過(guò)降低Bcl-2家族蛋白表達(dá)水平來(lái)減輕大鼠IRI中的線粒體途徑凋亡。通過(guò)多種手段抑制線粒體膜通透性升高而減少線粒體細(xì)胞色素C外流也可降低線粒體途徑凋亡水平。有研究顯示，環(huán)孢素A預(yù)處理可以減少大鼠缺血再灌注后細(xì)胞色素C的外流并減輕線粒體凋亡所導(dǎo)致的腎小管細(xì)胞損傷[58]。而在腎臟缺血前對(duì)大鼠進(jìn)行臭氧氧化預(yù)處理可通過(guò)降低細(xì)胞色素C水平減少下游促凋亡因子的釋放，起到抑制線粒體途徑凋亡的作用[59]。他莫克司和褪黑素也可通過(guò)減少線粒體中細(xì)胞色素C外流減輕缺血再灌注造成的腎損傷[60]。總之，線粒體途徑凋亡在腎臟IRI中扮演重要角色，相信未來(lái)將會(huì)有更多抗凋亡藥物應(yīng)用于臨床腎臟IRI的治療。

3 小 結(jié)

線粒體在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮維持各項(xiàng)功能穩(wěn)態(tài)的重要作用，功能正常的線粒體可維持機(jī)體供能、參與細(xì)胞生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)導(dǎo)生理信號(hào)。而線粒體功能障礙則會(huì)導(dǎo)致ROS、凋亡、自噬等生理/病理狀態(tài)的失衡。缺血再灌注造成的線粒體損傷及其相關(guān)功能紊亂可導(dǎo)致機(jī)體受損。因此，維持正常的線粒體功能對(duì)腎臟IRI的治療與預(yù)后有重要意義。各種圍繞線粒體ROS產(chǎn)生、線粒體途徑凋亡及線粒體自噬的基礎(chǔ)理論研究為腎臟IRI的線粒體調(diào)控治療提供了諸多潛在靶點(diǎn)。雖然目前這些研究的成果大多仍局限于細(xì)胞及動(dòng)物模型，但其中涉及的基礎(chǔ)理論仍為未來(lái)腎臟IRI的靶向治療提供了重要的指導(dǎo)性意見(jiàn)。