Mitochondrial permeability transition pore and myocardial ischemia-reperfusion injury

杨新征1，于　飞2　(1.解放军第222医院病理科，吉林 吉林 132011；2.解放军第222医院特诊科，吉林 吉林 132011)

线粒体通透性转换孔与心肌缺血再灌注损伤

Mitochondrial permeability transition pore and myocardial ischemia-reperfusion injury

杨新征1，于飞2(1.解放军第222医院病理科，吉林 吉林 132011；2.解放军第222医院特诊科，吉林 吉林 132011)

[关键词]线粒体通透性转换孔；心肌；缺血再灌注

线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)是位于线粒体内、外膜之间的非特异性孔道，是由多种线粒体蛋白构成的复合体。目前，国内外研究已经证实，MPTP开放所引起的线粒体通透性变化在细胞凋亡过程中发挥了重要作用[1]。随着研究的深入，人们发现缺血、缺氧、氧化应激等刺激因素都可能引起MPTP开放，使线粒体通透性发生改变，从而对多种疾病的发生、发展过程产生影响[2]。本文就MPTP及其与心肌缺血再灌注损伤的关系进展情况作一综述。

1MPTP的结构与功能

1.1MPTP的结构

迄今为止，研究人员仍未能完全阐明MPTP的具体结构。目前通常认为MPTP是由多种蛋白组合而成的复合体，其成分主要包括电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)、腺嘌呤核苷酸转位酶(adenine nucleotide translocase，ANT)、亲环蛋白D(cyclophilin D，Cyp D)等。

1.1.1VDAC电压依赖性阴离子通道(VDAC)位于线粒体外膜，具有阴离子选择性和电压依赖性。VDAC能够形成亲水性的电压依赖通道，调控细胞浆和线粒体间的物质交换和能量代谢，在细胞的生长及凋亡过程中发挥着重要作用[3]。通常情况下，VDAC处于稳定开放状态，对带负电荷的阴离子具有优先选择性。VDAC的电压依赖性表现为低电压时的高通透性和高电压时的低通透性。当跨膜电压突然大幅度升高或降低时，VDAC开放被抑制，对阴离子的通透性明显降低。VDAC结构和功能的变化直接影响了细胞的物质交换，从而损伤线粒体的呼吸功能，引起能量代谢异常。因此，VDAC又被称为线粒体功能的调控者。

1.1.2ANT腺苷酸转位酶(ANT)是线粒体内膜上含量最多的蛋白，其功能是将线粒体内合成的ATP运送至细胞浆，同时将细胞浆中的ADP运送至线粒体内，完成胞浆与线粒体的ADP与ATP交换[4]。进入线粒体基质的ADP不仅参与线粒体的磷酸化作用，也对线粒体的氧化呼吸功能起到刺激作用。ANT存在多种异构体，其分布具有明显的组织特异性，ANT的不同表型在组织中的特异性表达可能与不同组织的能量需求有关。人类主要有ANT1、ANT2、ANT3，大鼠只有ANT1、ANT2两种。

1.1.3Cyp D亲环蛋白D(Cyp D)位于线粒体基质，是具有MPTP关闭作用的环孢素A(CsA)的结合位点。当发生缺血再灌注时，Cyp D的构型产生变化，从而影响线粒体转换孔的形成。研究显示，在心肌细胞中，Cyp D和线粒体通透性改变是Ca2+超载和氧化损伤引起细胞死亡的关键因素[5]。Tsujimoto等[6]报道，敲除Cyp D基因后，Ca2+超载诱导MPTP开放的作用受到明显的抑制，证明了Cyp D是MPTP的重要组成部分或影响MPTP开放的重要因素。

1.1.4其他成分除了VDAC、ANT、Cyp D之外，参与构成MPTP的重要组成还包括外周型苯二氮卓类受体和Bcl-2家族蛋白、己糖激酶以及肌酸激酶等。外周型苯二氮卓类受体(peripheral benzodiazepine receptor，PBR)主要位于线粒体外膜，其结构中含有蛋白激酶作用的序列和磷酸化位点，具有信号传导功能。PBR能够与VDAC和ANT联合，并通过改变相邻蛋白的构象来影响MPTP的功能状态[7]，是MPTP的重要调节蛋白。

Bcl-2家族既参与MPTP的构成，也是线粒体介导的细胞凋亡途径的主要调节因子之一。Bcl-2家族可以分为两大类，一类促进细胞凋亡，包括Bax、Bak和Bok等；另一类则抑制细胞凋亡，包括Bcl-2、Bcl-xl等。Bax和Bcl-2主要作用于线粒体外膜，可以引起线粒体的通透性发生改变，促进或抑制细胞凋亡促进因子的释放，如细胞色素C、凋亡诱导因子等[8]。

1.2MPTP的功能

MPTP是线粒体进行氧化应激、细胞呼吸、合成ATP等生命活动的必要条件，是线粒体与细胞质之间进行物质交换和信号传导的重要通道，也是影响线粒体稳定性和细胞功能的关键因素[9]。在正常生理情况下，MPTP通常处于关闭或低通透性状态，只允许一些小分子物质通过。当发生损伤应激或受到不良刺激后，例如缺血缺氧、氧化应激、酸中毒等，MPTP大量开放，线粒体膜通透性增高，从而引起基质蛋白的渗透压升高，线粒体膜电位下降，细胞色素C等促细胞凋亡物质释放，进而引起细胞死亡。MPTP的开放程度与细胞死亡的方式密切相关。外界刺激较弱且短暂时，MPTP少量、短暂开放，ATP含量维持在较高水平，可能引起细胞凋亡；刺激较强且持续时间较长时，MPTP发生不可逆的广泛开放，能量产生发生严重障碍，则可引起细胞坏死[10]。细胞凋亡与细胞坏死常常同时存在。

2MPTP的调节因素

MPTP的调节因素主要包括Ca2+、无机磷酸盐(inorganic phosphate，Pi)、活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)、pH和膜电压及核苷酸等。

2.1Ca2+

Ca2+是十分重要的第二信使，与细胞的信号传导密切相关。线粒体基质中的Ca2+水平对MPTP的开闭起着重要的调节作用[11]，是引起线粒体通透性变化的关键因素之一。相关文献报道，线粒体基质或者细胞质中的Ca2+浓度改变都可能引起线粒体通透性随之发生变化[11]。线粒体基质中的Ca2+浓度增加可引起MPTP的短暂开放，其他二价阳离子，如Sr2+、Mn2+、Ba2+和Mg2+则可能通过与Ca2+竞争性与ANT结合，或者影响基质内的Ca2+浓度，从而抑制MPTP的开放。

2.2无机磷酸盐

在MPTP开放的调节过程中，无机磷酸盐可能发挥着双向作用，一方面，它可以和Ca2+形成非晶体的基质沉淀物，降低MPTP的开放能力；另一方面，它也可以成为维持pH的良好缓冲剂，刺激MPTP开放[12]。Siemen等[13]认为，Pi对MPTP的激活作用可以拮抗MPTP关闭剂的抑制作用。Varanyuwatana等[14]的研究显示，当MPTP关闭剂抑制了通道开放后，Pi仍可激活MPTP开放。

2.3活性氧簇

活性氧簇既可作为MPTP开放的诱导剂，也可作为关闭剂抑制MPTP开放，其作用取决于所处的代谢环境。活性氧簇可以通过氧化不同位点而调节MPTP开放，例如ANT的Cys 160和Cys 56。另外，活性氧簇可以增加Ca2+浓度水平，Ca2+又可以通过氧化磷酸化促进活性氧簇生成，当达到阈值时，Ca2+即可引起MPTP的短暂开放，诱导线粒体中活性氧簇产生，通过级联反应启动程序性细胞死亡[15]。

2.4pH和膜电压

MPTP开放对pH和膜电压的依赖性很早就已被证实[16]。高水平的内部负电位使MPTP处于关闭状态，而线粒体膜电位降低将使MPTP开放。有研究报道，促使MPTP开放的最适pH是7.4，pH升高或降低都将影响孔道的开放状态，当pH大于7时，质子可以通过与Ca2+竞争性结合调节位点来调节MPTP开放[17]。

2.5核苷酸

研究发现，MPTP开放能够被ATP、ADP抑制，但是不能被其他核苷酸(AMP、GDP、GTP)抑制。相关研究认为，腺苷酸发挥作用的靶点可能是ANT[16]。Varanyuwatana等[14]推测，核苷酸可能是通过作用于ANT的膜电位依赖性ADP结合位点来调节MPTP的开放。

3抑制MPTP开放在心肌缺血再灌注损伤中的作用

研究证实，在心肌急性缺血再灌注损伤中，Ca2+、无机磷酸盐、氧化应激等因素引起的MPTP开放是引起细胞死亡的关键环节[18]。因此，抑制MPTP开放已成为心肌缺血再灌注损伤研究中心肌保护的新靶点[19]。

3.1成人心肌缺血再灌注损伤

成人心肌缺血缺氧损伤常见于冠状动脉阻塞引起的心肌梗死，当心肌缺血后恢复供血时又可能发生再灌注损伤，缺血或再灌注损伤都可导致心肌细胞凋亡或坏死。若能有效缓解这些损伤，减轻心肌细胞凋亡或坏死程度，将对改善疾病的预后起到积极作用。Argaud等[20]将成年家兔的冠状动脉左旋支夹闭30 min后恢复供血4 h，并在缺血处理前10 min或恢复供血前1 min，通过静脉给予MPTP关闭剂，结果显示，给药组的心肌梗死面积明显小于未给药组，心肌细胞凋亡程度也轻于未给药组。Piot等[21]将MPTP关闭剂用于成人心肌梗死后的临床治疗，核磁共振成像结果提示患者的心肌梗死面积明显缩小。这些试验结果提示抑制MPTP开放可能成为成人冠状动脉性心脏病治疗的有效靶点。

3.2儿童心肌缺血再灌注损伤

儿童的心肌缺血再灌注损伤常见于先天性心脏畸形的外科手术中。在先天性心脏病外科手术中，实施心肺分流时，心脏停跳将导致全心缺血；当心肺分流结束，恢复心肌供血时，又可能发生缺血再灌注损伤。儿童心脏手术中的心肌损伤呈弥漫性，而成人心肌梗死时，心肌损伤只发生在与病变血管相关的局部区域。Oka等[22]，对14日龄的小猪实施心肺分流术时，在心脏停跳液中加用MPTP关闭剂有助于维持心肌细胞线粒体结构的完整性，改善线粒体功能。Leung等[23]对新生家兔进行了心脏停跳后复苏实验，结果也证实，在心脏手术中预先给予MPTP关闭剂可有效减轻手术过程中引起的心肌损伤。

新生儿作为一个特殊的群体，其心肌缺血再灌注损伤常发生于新生儿窒息的救治过程。新生儿窒息引起进行性低氧血症，血氧过低将导致全心缺血缺氧，而复苏治疗时又可能出现弥漫性的心肌再灌注损伤。有研究报道，约50%～80%的患儿有心功能异常的表现[24]。Gill等[25]采用新生小猪模型进行了急性窒息再复氧实验，结果表明在复氧起始阶段给予不同剂量的MPTP关闭剂，可以增加动物的心输出量，改善心功能。

由此可见，尽管心肌的发育成熟程度不同，引起心肌缺血再灌注损伤的原因亦不同，MPTP关闭剂对心肌缺血再灌注损伤都表现出了较好的保护效果。但是，在临床治疗中，关于MPTP关闭剂的适用范围、适宜剂量和使用时机等问题，还需要更深入的研究来验证。

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(编辑：魏源)

[中图分类号]R541

[文献标识码]A

[文章编号]1672-5042(2015)06-0668-03

[收稿日期]2015-07-28[修回日期] 2015-09-15

doi:10.11659/jjssx.01E015033