脓毒症相关线粒体功能障碍：从基础走向临床

作者：闫百灵

单位：吉林大学第一医院呼吸与危重症医学科

线粒体是真核细胞中由两层膜包被的细胞器，其独特的结构为功能的实现提供了基础。外膜上镶嵌着孔蛋白，形成直径1～3 nm的通道，允许小分子物质自由通过；内膜高度折叠形成嵴，折叠程度直接反映了细胞的能量需求，内膜上分布着大量与有氧呼吸相关的酶。外膜与内膜之间为膜间隙，内膜包裹的空间为基质，基质中含有线粒体DNA（mtDNA）、核糖体等重要物质。

线粒体的核心功能是进行有氧呼吸并产生能量，是细胞的主要能量供应站。此外，它还参与多种细胞过程，如钙离子缓冲、信息传递，同时对细胞生长、细胞周期调控以及细胞凋亡的启动起着关键作用。

线粒体DNA（mtDNA）存在于线粒体基质中，哺乳动物的mtDNA为16.6 kb的环状双链DNA分子，它能编码11个信使RNA（mRNAs）、2个核糖体RNA（12S和16SrRNA）及22个转运RNA（tRNAs），进而合成参与氧化磷酸化的13种关键蛋白。值得注意的是，呼吸链中其余80%以上的蛋白由核基因编码，在细胞质中合成后再转运至线粒体发挥作用。

1. 对全身多器官的损伤

脓毒症会导致全身多个器官的线粒体损伤，且不同器官的损伤表现和时间存在差异。心脏在脓毒症发生24小时后，线粒体数量和体积减少，内部出现囊泡，结构破坏，内嵴丢失，氧化磷酸化（OXPHOS）相关基因表达降低；肾脏在脓毒症发生18小时，出现线粒体肿胀，内嵴减少，细胞色素C氧化酶蛋白水平和活性下降，线粒体基因表达受抑；肝脏在脓毒症发生0～48小时内，mtDNA水平和完整性、复合体Ⅰ活性以及ATP水平均降低，线粒体活性氧（mtROS）增加；骨骼肌在脓毒症发生28天时线粒体呼吸功能下降，复合体IV活性降低，线粒体分裂增加；大脑在24小时出现氧化磷酸化解偶联，膜电位（△Ym）消散，复合体Ⅰ活性降低，而复合体Ⅱ活性无明显变化。

电镜观察显示，脓毒症状态下靶器官细胞中的线粒体体积异常增大，内嵴消失，基质中出现空泡，甚至发生破裂。研究发现，脓毒症患者外周血单个核细胞（PBMCs）中线粒体呼吸链复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的活性及耗氧量显著降低，同时血浆中游离线粒体DNA水平明显增加。将脓毒症患者的血清与正常线粒体共同培养，会抑制正常线粒体的功能，进一步证实了脓毒症对线粒体功能的损害作用。

2. 与患者预后的关联

线粒体功能障碍与脓毒症休克的严重程度及预后密切相关。对28例危重脓毒症患者在24小时内进行骨骼肌活检，并与9例择期髋关节手术的对照患者进行比较，分析发现，死亡的脓毒症患者其肌肉线粒体含量显著低于健康人群，12例最终死亡的脓毒症患者骨骼肌ATP浓度也显著低于16例存活患者（P=0.0003）和对照组人群（P=0.05），存活患者的骨骼肌ATP水平不仅显著高于非存活患者，甚至略高于对照组。这一现象可通过病理生理机制解释：脓毒症引发的强烈应激反应会驱动机体代偿性增加线粒体合成与ATP生成，以满足高代谢需求。因此，线粒体的ATP合成能力可作为预测脓毒症患者预后的重要指标——线粒体功能越完整，ATP生成量越高，患者的预后可能越好。

1. 活性氧（ROS）和活性氮（RNS）爆发

脓毒症时，胞质和线粒体内的诱导型一氧化氮合酶（iNOS）活性异常增强，产生大量一氧化氮（NO），NO可进一步转化为其他RNS。同时，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NOXs）和线粒体电子传递链（ETC）过量产生ROS。NO与超氧化物反应形成剧毒的过氧亚硝酸盐（ONOO^-），这些活性物质积累会对线粒体的脂质、蛋白质和核酸造成损伤，进而破坏线粒体呼吸功能与结构完整性。

2. 线粒体自噬异常

线粒体自噬主要通过两种通路实现：PINK1-Parkin通路和非泛素依赖通路。在脓毒症状态下，受损线粒体的PINK1蛋白稳定于线粒体外膜（OMM），募集并激活Parkin蛋白，Parkin对线粒体表面蛋白进行泛素化修饰，发出自噬信号，通过衔接蛋白（p62、OPTN、NDP52、TAX1BP1、NBR1）将泛素链连接至自噬前体（phagophore）的LC3蛋白，从而启动自噬；非泛素依赖通路则是通过线粒体受体蛋白/脂质（如FUNDC1、PHB、BNIP3、NIX、心磷脂、STX17）直接募集自噬前体膜，不依赖泛素化过程。

脓毒症时线粒体自噬具有双重意义：一方面，它能清除损伤线粒体，维持细胞稳态和功能；另一方面，若自噬功能失调或过度激活，则会参与并加剧脓毒症的病理损伤。

3. 线粒体动力学调控异常

线粒体持续经历融合与分裂过程，融合促进线粒体内容物交换，有助于维持线粒体基因组和蛋白质组的完整性；分裂则将线粒体碎片化，便于清除功能失调的部分。脓毒症期间，多种组织中出现过度的线粒体分裂、碎片化，直接影响氧化磷酸化效率，导致ATP生成显著减少，进而损害线粒体功能。

4. 线粒体膜孔形成

脓毒症中线粒体膜孔形成主要涉及三种机制：

（1）线粒体外膜通透化（MOMP）：由Bcl-2家族蛋白Bax/Bak及调控蛋白tBid介导，BAK/BAX形成大孔道，使线粒体内膜（IMM）凸向胞质，导致基质内容物外泄。

（2）线粒体通透性转换孔（MPTP）：关键组分包括F₀F₁-ATP合酶、腺苷酸转运蛋白（ANT）、亲环蛋白D（Cyp-D），其开孔机制尚未完全阐明。

（3）Gasdermin（GSDM）孔道：通过强效结合心磷脂靶向线粒体内外膜，ROS促进心磷脂从IMM外翻至OMM，正反馈调控GSDM成孔。

这些膜孔的形成会导致线粒体基质内容物（如mtDNA、ROS等）外泄，引发一系列病理反应。

5. 线粒体调控炎症反应过度

受损线粒体释放的mtDNA、心磷脂等损伤相关分子模式（DAMPs），可激活模式识别受体（PRRs），通过信号级联反应，使NF-κB、干扰素调节因子（IRF）和其他转录因子核转位，启动促炎细胞因子、趋化因子、Ⅰ型干扰素（IFNs）等的产生。此外，受损线粒体还可通过NLRP3、TLR9和cGAS通路调节炎症反应。在脓毒症背景下，过度或持续的炎症会导致体内致命的炎症失衡，最终造成组织和器官损伤。

1. 线粒体移植

线粒体移植是一种直接修复线粒体功能的潜在治疗策略。2013年Am J Physiol Heart Circ Physiol 杂志发表的一项研究表明，线粒体移植可以减轻心肌梗死后的炎症反应。该研究通过暂时性套扎左前降支冠状动脉30分钟性缺血（RI）模型，将自体来源的线粒体直接注射到缺血区域，移植的线粒体在2～8小时见于心肌间质，并被心肌细胞内化，显著缩小了心肌梗死范围，降低了心肌坏死相关标志物水平，提高了ATP含量，减少了炎性因子释放。

间充质干细胞具有多元的分化潜能，可以分化为各种的细胞，在治疗脓毒症中发挥作用。动物实验发现，把具有多元分化潜能的干细胞中的线粒体提取出来，用于盲肠结扎穿孔术（CLP）诱发的脓毒症小鼠模型，结果显示小鼠存活率明显改善，细菌负荷降低，肺损伤和炎症反应减轻。进一步研究发现，线粒体移植后，促炎因子[如白介素-1β（IL-1β）、角质形成细胞趋化因子（KC）、程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）、吲哚胺2,3-双加氧酶-2（IDO2）]水平下降，抑炎因子[如角质形成细胞生长因子（KGF）、白介素-10（IL-10）]水平升高，表明线粒体移植可通过调节炎症反应发挥治疗作用。

2. 抗氧化剂治疗

鉴于ROS和RNS在脓毒症线粒体损伤中的关键作用，抗氧化治疗成为重要的干预方向。线粒体靶向抗氧化剂由于能精准作用于线粒体，在减轻炎症方面显示出更好的效果。这类抗氧化剂（如MitoQ、MitoVitE、MitoTempol等）通过与亲脂性阳离子癸基三苯基膦（TPP⁺）结合，利用线粒体膜内外的电位差被主动摄取到线粒体内，从而高效清除ROS，保护线粒体功能。临床研究证实，MitoQ可在脓毒症期间保护线粒体，并抑制促炎细胞因子的释放，从而减少急性肝肾功能障碍的发生。

此外，NAD⁺前体（如烟酰胺单核苷酸—NMN）也具有良好的治疗效果。研究表明，NMN可以减轻脓毒症相关的线粒体功能障碍、氧化应激、炎症反应和多器官损伤。

3. 非抗氧化剂治疗

（1）尿石素A（urolithin A，UA）：作为一种天然的抗衰老化合物，尿石素A可诱导线粒体自噬，调节炎症反应，为脓毒症线粒体损伤的治疗提供了新的选择。

（2）Mdivi-1：2008年被鉴定为线粒体分裂抑制剂，能够抑制线粒体过度分裂，保护细胞免受应激损伤，在脓毒症模型中展现出一定的保护作用。

（3）环孢素A（CsA）：CsA通过与亲环蛋白D（Cyp-D）相互作用，抑制线粒体通透性转换孔（MPTP）的开放，减少线粒体释放损伤相关分子模式（DAMPs）。研究发现，在LPS诱导的脓毒症模型中，CsA可以显著降低血浆中mtDNA水平，并且抑制TNF-α、IL-6释放，发挥保护作用，但具有剂量依赖性。

作者介绍

闫百灵

吉林大学第一医院呼吸与危重症医学科，主任医师，副教授，硕士研究生导师；中国医师协会呼吸医师分会危重症工作委员会青年委员；主要研究方向：脓毒症与ARDS；以第一作者和通讯作者发表SCI论文多篇，参加国家级课题一项，主持横向课题一项。