Mitochondrial Quality Control in Doxorubicin Cardiotoxicity

WANG Xinyu1，WANG Yuqi1，LUO Haowen1，CHANG Pan ，ZHAO Xiaohong1 （1.DepartmentofAnesthesia，Second Clinical Medical Colege，Xi’an Medical University，Xi’an7O38，Shaanxi，hina； 2. Department of Basic Medical Sciences，Air Force Medical University，Xi’ an 71Oo36，Shaanxi，China）

【Abstract】Doxorubicinisabroad-spectrumantitumordrugwithcleareficacyagainstavarietyofmalignancies，butsevere cardiotoxicityliislcalplicatioprspeoftug.iocodaualityoroltaischdalomeosasislate mitochondrialfunction，andparticipatesimyocadialijuryandepairtoughmitohondrialbogensis，itohondrialaic mitophagySeveaudieshvesotatiochodrialaltyontrolplasaniporatoleinteardiotoxicfectsofdoxobicinut theunderlyingmolecuarmechanismsstllrequirefurtherivestigation.Tisartcleeviesteoleandmechansmofmitochondialuality controlindoxobicinadiotoxicitdsovedinentyars.Iucidateolefitchdialualityotrolindooicin cardiotoxitypovideirectionfoprevetionfdoxorubicin-relatedadotoicidtodentifotetialtapeticaetsfor cardiotoxicity.

【Keywords】 Doxorubicin；Mitochondrial quality control；Cardiotoxicity

阿霉素（doxorubicin，DOX）作為一種療效明確的蒽環(huán)類藥物，被廣泛應用于各種惡性腫瘤的治療，如乳腺癌、白血病、霍奇金淋巴瘤等[1]，但1/4的患者出現(xiàn)累積性和劑量依賴性心臟毒性，使該藥物的臨床應用受到極大限制[2]。心功能不全的早期發(fā)現(xiàn)對預防化學治療（化療）患者發(fā)生心臟毒性至關重要[2]，但由于對DOX心臟毒性機制的了解有限，尚無預防DOX相關心臟毒性的標準指南。目前研究發(fā)現(xiàn)，DOX治療的患者產生心臟毒性的機制包括氧化應激[3]、DNA損傷[3]、線粒體動力學失衡[4]、自噬失調[3-4]和線粒體功能障礙4等，這些發(fā)現(xiàn)提示線粒體質量控制在DOX誘導的心臟毒性中發(fā)揮著重要作用。因此，探究線粒體質量控制在DOX心臟毒性中的作用機制，對監(jiān)測和預防化療患者的心臟功能損傷具有重要的臨床意義，也為探索DOX心臟毒性的治療提供新的方向。本文對近年來關于線粒體質量控制在DOX心臟毒性中的研究進展做一綜述。

1線粒體質量控制在DOX心臟毒性中的作用機制

線粒體是心臟中最主要的供能場所，其結構和功能的改變對心臟功能穩(wěn)態(tài)的維持發(fā)揮著非常重要的作用。線粒體質量控制是通過線粒體生物發(fā)生、線粒體動力學和線粒體自噬等途徑，以維持線粒體穩(wěn)態(tài)，進一步調控線粒體功能的一種內源性保護程序[5]。線粒體質量控制受損在多種疾病中具有重要的生物學意義，是潛在的治療靶點。研究發(fā)現(xiàn)，DOX化療患者的心肌細胞出現(xiàn)了線粒體結構異常和活性氧產生增加，這些與心臟功能障礙密切相關[，預示了線粒體質量控制受損在其發(fā)病機制中的重要性。越來越多的證據(jù)表明，線粒體質量控制受損是DOX心臟毒性發(fā)病機制的中心環(huán)節(jié)，其與各個途徑之間存在協(xié)同作用，但具體的分子通路尚不清楚，仍需進一步探索與研究。

1.1線粒體生物發(fā)生與DOX心臟毒性

線粒體生物發(fā)生是一個生成新的功能性線粒體并恢復正常線粒體功能的過程，而DOX會造成線粒體生物發(fā)生受損。過氧化物酶體增殖物激活受體 ΨΨ 共激活因子（peroxisome proliferator-activated receptor- ？γ coactivator，PGC）是線粒體生物發(fā)生中主要的調節(jié)因子[7]。研究[8]發(fā)現(xiàn)，DOX攻擊的心肌細胞中沉默信息調節(jié)因子（silent information regulator，SIRT）1 和 PGC-1α 的表達和結合降低，其下游因子受到顯著下調，如核呼吸因子、線粒體轉錄因子A等。研究發(fā)現(xiàn)SIRT6過表達增強線粒體生物發(fā)生，減輕了DOX誘導的心臟毒性，提示激活SIRT6的表達并增強其活性是DOX誘導的心臟毒性新的治療靶點，但其如何作用于線粒體電子傳遞鏈來增強線粒體生物發(fā)生仍不清楚。DOX攻擊Ppargcla和Ppargc1b導致小鼠心臟中電子傳遞鏈的基因下調，直接或間接促進拓撲異構酶Ⅱβ（ topoisomerase I（β，Top2β） 與Ppargcla和Ppargc1b啟動子結合，這可能阻斷了基因的轉錄[9]。在DOX的作用下，心肌細胞活性氧增加引起的線粒體DNA損傷和端粒功能障礙可以激活 p53 ，活化的 p53 結合并抑制 和PGC- 1β ，導致線粒體生物發(fā)生受損[，該研究提示DOX通過 p53/PGC-1α 通路誘導心臟毒性。DOX攻擊下的線粒體生物發(fā)生受損與電子傳遞鏈受損、活性氧的產生和線粒體DNA的損傷密切相關，它們相互作用加重了心臟損傷。上述發(fā)現(xiàn)表明，DOX化療患者可能存在線粒體生物發(fā)生受損，從而導致線粒體功能障礙和心力衰竭。

1.2線粒體動力學與DOX心臟毒性

線粒體動力學是維持線粒體裂變和融合動態(tài)平衡的過程。DOX誘導的線粒體動力學失調主要表現(xiàn)在裂變增加和融合減少，包括動力相關蛋白1（dynamin-relatedprotein1，Drp1）上調，線粒體融合蛋白（mitofusins，Mfn）1、Mfn2和視神經萎縮蛋白1（opticatrophy1，OPA1）下調，出現(xiàn)線粒體片段化[11]

DOX暴露下的心臟增加了 Drp1 絲氨酸616的磷酸化，引起線粒體裂變，而Drp1雜合敲除可以預防DOX誘導的心臟毒性，這一發(fā)現(xiàn)證實了 Drp1 介導的線粒體片段化在DOX心臟毒性中的作用[12]。實驗研究[13]發(fā)現(xiàn)，通過下調線粒體分裂蛋白1（mitochondrialfission protein 1，Mtfp1 ）可以減少DOX誘導的線粒體裂變，阻止Drp1異位至線粒體，從而減少線粒體中Drp1的積累來抑制DOX誘導的細胞凋亡。這說明Mtfp1可能成為DOX心臟毒性的潛在治療靶點，但還需要更多基礎和臨床研究來證實。研究4顯示，DOX暴露的大鼠心肌細胞中miR-140上調，并靶向負調控Mfn1對線粒體裂變和細胞凋亡發(fā)揮作用。非編碼RNA通過調節(jié)Mfn和 Drp1 的表達來影響線粒體裂變和融合的平衡，提示非編碼RNA可能是DOX誘導的心臟毒性的重要調節(jié)因子[15]

Mfn2過表達可以恢復線粒體融合，并減少DOX誘導的氧化應激、細胞凋亡和心臟功能障礙，而DOX處理的小鼠心肌中抑制Mfn2介導的線粒體融合受到叉頭框（forkhead box，F(xiàn)OX）O1 的轉錄調控[16]。SIRT3使OPA1在線粒體賴氨酸926和931殘基處去乙?；?，增加了鳥苷三磷酸酶的活性，促進線粒體融合[17]因此，SIRT3在心肌細胞中過表達有助于維持線粒體穩(wěn)態(tài)和保護心肌細胞免受DOX介導的細胞死亡。綜上所述，DOX通過上調線粒體裂變、下調線粒體融合導致線粒體動力學失衡，但目前干預線粒體裂變和融合治療DOX誘導的心臟毒性的研究仍然缺乏相關的臨床試驗支持，因此抑制線粒體裂變和促進線粒體融合有望成為治療DOX心臟毒性的重要思路。

1.3線粒體自噬與DOX心臟毒性

線粒體自噬是通過溶酶體降解自噬體中衰老或受損的線粒體，維持線粒體質量控制的一種選擇性自噬形式[18]。線粒體自噬可分為PINK1/Parkin信號通路依賴性和受體依賴性[19]，DOX誘導的線粒體自噬失調可導致ATP合成受阻、線粒體通透性轉換孔打開和細胞死亡[20]。多項研究發(fā)現(xiàn)，DOX攻擊的心肌細胞存在自噬失調，而線粒體自噬在DOX誘導的心臟毒性中發(fā)揮作用的具體機制尚不清楚。

PINK1/Parkin依賴性線粒體自噬是去除受損線粒體的主要機制[21]。研究[22]表明，Parkin敲除小鼠出現(xiàn)線粒體自噬受損，并加重了DOX誘導的線粒體損傷和心臟毒性，即在DOX誘導的小鼠心臟中，線粒體內PINK1、Parkin 和p62下調，而p53抑制PINK1/Parkin依賴性線粒體自噬導致受損線粒體積累。巨噬細胞在DOX的刺激下釋放兒茶酚胺，誘導p53影響線粒體自噬從而進一步損害心肌細胞[23]。Parkin 過表達通過促進TANK結合激酶1磷酸化來增強線粒體自噬，從而激活TBK63保護受損的心肌細胞[24]。研究[25]證明，使用DOX的心肌細胞中NF- 信號通路受損，線粒體通透性轉換孔開放和細胞死亡顯著增加，出現(xiàn)線粒體功能障礙和心臟毒性。應激誘導蛋白Sestrin2與Parkin和p62相互作用，促進PINK1/Parkin依賴性線粒體自噬，其過表達可以防止DOX誘導的線粒體功能障礙和心臟毒性[26]。激活或抑制PINK1/Parkin依賴性線粒體自噬通路，來減輕DOX誘導的心臟毒性的機制仍存在爭議。

受體依賴性線粒體自噬中，來自線粒體外膜的Bcl2/腺病毒E1B-19kDa相互作用蛋白3（Bcl-2/E1B-19kDa interactingprotein3，BNIP3）與微管相關蛋白1輕鏈3氮末端的LIR序列結合促進磷酸化，從而啟動線粒體自噬，此外Fundc1也在線粒體自噬中發(fā)揮重要作用[27]。周期蛋白依賴性激酶9（cyclin-dependentkinase9，CDK9）通過激活SIRT1和增強SIRT1介導的FOXO3去乙?；瘉泶龠MPINK1蛋白的穩(wěn)定，繼而增加FOXO3蛋白的穩(wěn)定性和FOXO3調節(jié)的BNIP3轉錄[28]。CDK9 抑制劑使 SIRT1-FOXO1-BNIP3 軸失活并直接抑制BNIP3轉錄，誘導PINK1蛋白降解并減少線粒體的募集來阻斷PINK1/Parkin介導的線粒體自噬啟動。這些研究表明，BNIP3的激活和線粒體自噬的失調在DOX心臟毒性的發(fā)病機制中具有重要作用。

2治療

研究發(fā)現(xiàn)，一些化合物和中藥的活性成分對DOX誘導的心臟毒性具有治療作用，蓮心堿、天然多酚、異藥草昔等通過調控線粒體質量控制拮抗DOX心臟毒性，但這些藥物的治療效果需進一步臨床試驗確定。因此，迫切需要一種新的心臟保護劑用于治療DOX誘導的心臟毒性。右雷佐生是唯一獲得FDA批準的治療DOX誘導的心臟毒性的藥物[29]，與 Top2β 結合減輕DOX對心臟的損傷，但其在臨床應用中還存在一定的局限性。Yang等[30]通過實驗發(fā)現(xiàn)，抗增殖蛋白2（prohibitin2，

PHB2）直接與線粒體呼吸復合物I核心亞基NADH-泛醌氧化還原酶核心亞基V2相互作用以維持其表達，從而促進線粒體氧化磷酸化和能量產生，并且PHB2的過表達有效減輕了DOX的心臟毒性，改善了線粒體功能。PHB2缺乏在體內和體外都會加劇DOX造成的心臟收縮功能障礙和線粒體損傷，而其過表達有效地減輕了DOX的心臟毒性并改善了線粒體功能，證明提高PHB2水平可能是對抗DOX心臟毒性的一種新治療途徑，但其臨床價值仍需進一步研究。天然多酚上調SIRT1，同時促進SIRT1介導的PGC- 1α 脫乙酰化，增強線粒體生物發(fā)生，發(fā)揮心臟保護作用[8]。蓮心堿是植物來源的異喹啉生物堿，作為一種線粒體自噬抑制劑，它可以抑制Drp1介導的過量線粒體裂變以保護心臟[31]。異藥草苷抑制胱天蛋白酶依賴性細胞凋亡途徑，和DOX聯(lián)合化療能減少DOX對心肌細胞的損害，協(xié)同增強DOX的抗腫瘤作用[32]。這一研究表明其可能成為有前景的心臟保護劑。研究[33]表明，二甲雙胍和褪黑素通過改善線粒體動力學平衡和線粒體生物發(fā)生來對DOX誘導的心臟毒性發(fā)揮心臟保護作用。乙酰膽堿酯酶抑制劑多奈哌齊促進線粒體融合、抑制線粒體裂變并增加線粒體自噬，從而改善DOX暴露下大鼠的左心室功能[34]。神經氨酸酶1抑制劑如奧司他韋，被證實可以抑制Drp1介導的線粒體裂變和PINK1/Parkin依賴性線粒體自噬，減輕DOX誘導的心臟毒性[35]。Drp1 特異性抑制劑通過抑制Drp1在絲氨酸616位點的磷酸化減少線粒體裂變，從而減輕DOX心臟毒性（圖1），然而其特異性存在質疑[36]

注：AMPK，AMP活化的蛋白質激酶；caspase，胱天蛋白酶。

綜上所述，目前已經發(fā)現(xiàn)許多藥物具有治療DOX心臟毒性的潛力，但如何確保這些藥物在DOX化療中的安全性以及如何讓這些藥物發(fā)揮合理的臨床療效仍然需要進一步研究。

3總結與展望

線粒體質量控制是維持線粒體形態(tài)和功能的重要機制，其在DOX導致的心臟毒性中的重要作用日益突顯。研究線粒體質量控制中各種途徑的具體分子機制，有助于為尋找DOX心臟毒性的潛在治療靶點提供新的思路。這些研究也為推進創(chuàng)新性使用線粒體靶向治療方法治療DOX心臟毒性提供了臨床應用基礎。目前，關于線粒體質量控制在DOX心臟毒性中的作用機制的研究雖然取得了一定的進展，但具體的分子機制及臨床轉化尚未完全闡明。

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