詹成创，刘广忠，李为民

综述

线粒体代谢异常与心律失常的研究新进展

詹成创1，刘广忠1，李为民1

线粒体是人体心脏能量的主要来源，广泛存在于各种组织细胞中。心脏是一个高耗能，高耗氧的器官，心脏的正常收缩及电信号的正常传导依赖线粒体充足的能量供应。研究表明，线粒体代谢异常会导致ATP合成减少，进而引起一系列依赖ATP的离子通道状态的改变，导致心律失常，心力衰竭。线粒体代谢异常还导致心肌细胞超微结构的改变，导致电信号传导异常。最新研究表明，线粒体脂肪酸β氧化障碍与顽固室性心律失常，心房纤颤（房颤）及心力衰竭（心衰）密切相关。

1 心肌细胞兴奋和收缩的离子基础

心肌细胞动作电位的产生需要介导去极化的钠离子、钙离子通道及介导复极的钾离子通道顺序的活化及失活。在动作电位时期，钙离子通过电压门控性钙通道内流，引起肌浆网钙离子通过Ryanodine受体2（RyR2）释放至胞浆，钙离子与肌钙蛋白结合，导致心肌细胞纵向缩短，心脏收缩射血。随后膜电位复极以及钙离子从肌原纤维释放，心肌细胞舒张。心肌细胞动作电位复极取决于复杂的钾离子外流，主要通过电压-门控性钾通道及内向整流钾通道。肌节钙离子的回收取决于肌浆网的Ca2+-ATP酶（SERCA），和Na+-Ca2+交换体（NCX），其能够将细胞质内的Ca2+回收到肌浆网，并能将Ca2+转运出细胞外[1]。干扰上述通道功能的因素可能会损害心脏兴奋性和导致心律失常。

2 线粒体代谢与心律失常

2.1 线粒体代谢中能量、活性氧产生异常与心律失常 在病理条件下，呼吸链的效率受到影响，导致电子泄漏，线粒体活性氧生成增加。高水平的活性氧可使线粒体渗透转换孔（PTP）开放，触发线粒体通道和内膜离子通道（IMAC），导致线粒体膜电位（ΔΨm）去极化，进一步增加电子传递链活性氧的产生。大量活性氧与细胞内脂质及蛋白质发生反应，导致心肌细胞受损，功能失调甚至死亡。受损的线粒体还可导致有害的代谢产物蓄积和抗氧化剂谷胱甘肽的耗竭，二者均可增加氧化应激引起细胞损伤，导致兴奋性改变。

活性氧的升高可减少ATP的合成。此外，高水平的活性氧能够氧化损伤电子传递链，导致ATP合成障碍，电子泄漏及活性氧的生成增加。病理状态下，增加的活性氧可通过抑制电子传递链而抑制ATP合成。线粒体活性氧能够通过活性氧介导的信号转导及氧化损伤途径抑制细胞电活动，此外还可间接通过减少离子通道及各种转运体发挥功能所必须的ATP合成，间接影响细胞电活动，导致心律失常。

2.2 线粒体代谢异常与离子通道 现已证实，Na+通道功能异常与遗传性心脏病，心肌缺血及心衰有关。在线粒体氧化应激情况下，Na电流构成的慢失活电流部分（lateINa）在心肌细胞增加，导致动作电位时程（APD）延长；在去极化早期，Na+-Ca2+交换增加，导致细胞内Ca2+超载，以上改变均可导致心律失常。心衰导致传导速率下降，主要是与INa减少有关，且可通过NAD+治疗得到改善[2]。代谢异常产生的活性氧能够促进NCX的活性，活性氧对Ca2+转运调控蛋白的净作用是胞浆Ca2+超载，耗尽肌浆网的Ca2+存储，导致动作电位延长，延迟后除极（DADs），收缩功能障碍及Ca2+依赖的信号转导激活障碍等[3]。新近研究表明，用耗竭去极化线粒体膜电位和ATP的方法能够诱发心律失常，提示心律失常与线粒体代谢障碍密切相关[4]。氧化应激能够通过调节线粒体Na+-Ca2+交换体功能或调节细胞内Ca2+水平来改变线粒体Ca2+浓度，影响细胞内Ca2+稳态从而导致心律失常[5]。Ca2+超载导致的活性氧升高能够进一步促进线粒体Ca2+的升高及活性氧的产生[6]。这种正反馈回路使Ca2+及活性氧的产生超过细胞自身的清除能力，导致细胞损伤、死亡及心律失常发生。增加的活性氧能够减少心室肌细胞Kv的表达，降低心室复极Kv电流，导致复极延迟以及动作电位时程延长，诱发室性心律失常[7]。线粒体还能够通过调控ATP敏感性K+通道来调节细胞膜的兴奋性。在氧化应激及ATP耗竭时，ATP敏感性K+通道被激活开放，产生内向整流复极电流。ATP敏感性K+通道的开放可能根本上防止ATP的耗竭。动作电位时程缩短能够减少Ca2+内流，从而减少Ca2+介导的心肌能量消耗及预防Ca2+超载诱导的细胞死亡。然而足够的K+通道维持开放状态，心肌细胞会处于超极化状态，且兴奋性降低。该变化可延缓或阻滞电信号转导，促使心律失常发生[8]。

2.3 线粒体异常与心肌缝隙连接重构 缝隙连接是介导小分子代谢产物和离子在细胞间交流，并且参与心脏冲动传导的关键结构。心脏上主要表达3种连接蛋白亚型，Cx40，Cx43和Cx45。现已证实，在各种器质性心脏疾病中Cx43的表达下调。Cx43的表达下调能够减慢传导速度，增加心室肌异质性，促进室性心律失常的发生和维持。

肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）激活是心力衰竭的一个标志，能够促进心肌细胞氧化应激并下调心室Cx43，小鼠实验表明，激活心脏RASS系统，可减少心脏Cx43的表达，导致传导阻滞、室性心律失常及猝死的发生率明显升高[9]。在血管紧张素酶过表达小鼠模型中，激活RASS可导致Cx43减少，影响缝隙连接导致室性心律失常及心脏性猝死的发生率增加。在小鼠模型中下调的Cx43和高心律失常风险可通过RASS和氧化还原敏感酪氨酸激酶（cSrc）的抑制剂来改善。增加心肌活化的氧化还原敏感酪氨酸激酶（p-cSrc），通过p-cSrc和Cx43位点的竞争作用导致Cx43的下调，Cx43不稳定和降解[10]。增加cSrc磷酸化水平还能够通过Cx43酪氨酸磷酸化途径损伤缝隙连接，导致电活动的不稳定性[11]。在小鼠模型中，用线粒体特异性抗氧化剂mito-TEMPO，能够减少cSrc氧化磷酸化，恢复Cx43的表达和缝隙连接的传导功能，改善室性心律失常及心脏性猝死。综上所述，线粒体氧化应激在血管紧张素Ⅱ介导的缝隙连接重构和心律失常过程中作用明显。在心肌缺血及心衰等心脏疾病中线粒体活性氧生成增加，该活性氧增加与RASS激活，心室Cx43下调及心律失常风险增加有关。线粒体靶向抗氧化剂可恢复Cx43的表达，可能为防治心律失常新的靶点。

3 线粒体代谢障碍与房颤

最新研究证实，线粒体功能障碍与房颤的发生与维持密切相关[12]。线粒体功能障碍与房颤的关系主要表现在以下几个方面：①线粒体能量产生障碍与房颤的关系。线粒体产生的能量约1/3用于维持各种离子通道和转运体的正常功能，sarcK-ATP对线粒体能量代谢高敏感，其开放程度与ΔΨm有关。线粒体功能障碍，导致ATP生成减少，ΔΨm降低及sarcK-ATP通道开放增加，该变化导致心肌局部电信号传导减慢，异质性增强，为折返性心律失常及房颤的发生提供条件[13]，此外线粒体功能障碍导致的ATP合成不足还影响Na+-K+泵，ATP依赖性的Ca2+泵，导致细胞内Ca2+超载，促进房颤的发生于维持。②线粒体ROS对心房肌的损伤。ROS可损害酶活性，阻碍电子传递，降低ΔΨm，抑制ATP合成，还可损伤线粒体DNA、蛋白质及脂质功能。由于ROS可诱导ROS释放和线粒体Ca2+超载，Ca2+超载又可促进ROS的产生，氧化应激时大量的ROS对心房肌的损伤改变了心房肌兴奋性，并且ROS的正反馈作用所致的Ca2+超载可促进房颤的发生与维持。动物实验表明，快速起搏的心房肌组织线粒体明显肿胀，ROS水平升高。氧化的RyR2受体在慢性房颤患者体内表达较窦律升高，引起Ca2+渗漏，进而促进房颤的发生与维持，而抑制ROS产生及RyR2受体Ca2+渗漏可降低房颤发生率[14]。③线粒体Ca2+失衡对房颤的影响。线粒体功能障碍除了导致ΔΨm降低，ATP减少以外，还可破坏Ca2+平衡，导致心律失常。研究发现Ca2+阻滞剂对快速起搏的心房肌线粒体形态及功能具有保护作用。另外，线粒体DNA，即mtDNA突变与房颤关系密切，慢性房颤与心房肌mtDNA突变有关。mtDNA4977缺失会干扰线粒体有氧代谢，房颤患者mtDNA氧化应激产生的有害产物较非房颤患者明显升高[15]。有研究表明，mtDNA4977的缺失突变在非瓣膜性房颤患者的比率较正常人明显增加，并且该突变可能与心房肌结构重构及电重构有关[16]。来自Emelyanova等[17]对62例开胸手术患者的临床研究表明，房颤患者的较非房颤患者心房肌组织的电子传递链活性及NADH：O2氧化还原酶活性减少30%，还发现房颤患者复合体Ⅰ及复合体Ⅱ选择性减少，复合体Ⅳ表达较非房颤患者明显增加。提示房颤患者线粒体可能存在不同程度物质代谢紊乱。证实房颤可能与线粒体电子传递链活性选择性下调及氧化应激增强有关。Chen等研究表明，长链非编码RNA AK055347在房颤患者心房组织中表达上调。敲除AK055347可以抑制H9C2心肌细胞的活力，同时出现Cyp450及ATP合酶的表达下调。该研究显示MSS51可能为AK055347的作用靶点，敲除AK055347基因可抑制H9C2细胞MSS51的表达。提示AK055347可能通过Cyp450，ATP合酶和MSS51途径导致线粒体能量生成失调参与房颤的发病机制[18]。来自Raman等[19]最新临床研究表明，房颤患者电复律4周后，全血SLC25A20和PDK4基因表达下降，而这两个基因均与物质代谢有关。

4 线粒体脂肪酸β氧化障碍与短Q-T间期综合征

线粒体脂代谢障碍与心律失常密切相关。肉碱参与脂肪酸的活化，长链脂肪酸需要与肉碱形成酰基肉碱穿过线粒体膜参与氧化供能。最新研究表明，肉碱缺乏会导致严重的心律失常，并且会导致Q-T间期缩短。原发性肉碱缺乏是一种遗传缺陷，由于缺乏肉碱的转运，线粒体脂肪酸β氧化障碍。很多患者在幼年时期均出现了持续进展的心衰和禁食后迅速低血糖的表现。在细胞水平，表现为游离脂肪酸堆积及线粒体数量增加。一项针对原发性肉碱缺乏的儿童研究表明，在形成器质性疾病之前，持续口服补充肉碱维持线粒体脂代谢，患儿长期预后是良好的，私自停药的患儿部分出现了反复低血糖和心律失常性猝死[20]。Roussel等[21]研究报道，在对3例来自不同家族的原发性肉碱缺乏的患者，口服肉碱干预后，短Q-T间期均恢复正常。用药物MET88（膜肉碱转运体抑制剂）干预小鼠形成短Q-T间期模型，并且在该小鼠模型上验证了口服肉碱治疗后Q-T间期的恢复。以上研究表明，在不能解释的短Q-T间期综合征或者顽固性心律失常情况下，线粒体脂肪酸氧化供能及肉碱缺乏应该被重视。即使在成年期，该缺乏也可能导致心脏性猝死，肉碱及其衍生物，尤其是长链肉碱在心脏离子通道上起到至关重要的作用，其缺乏很有可能导致心脏电生理紊乱[20]。研究还表明，脂质代谢异常不仅与某些后天性疾病有关，基因突变可致线粒体脂肪酸氧化障碍，该突变多为常染色体隐性遗传。目前已证实，很多基因突变均可引起线粒体脂肪酸β氧化障碍。不同基因突变所致脂肪酸β氧化障碍的临床典型表现不同。现已明确，SLC25A20，CPT2，ACADVL，HADHA，HADHB基因突变与心脏电信号传导障及心律失常有关[22]。以上基因突变，导致线粒体正常氧化供能途径被破坏，各种ATP及电压依赖性离子通道和细胞膜电位发生改变，促进心律失常的发生。

5 总结

在各种心脏性疾病中，线粒体代谢障碍引起的功能失调是非常常见的。与线粒体代谢障碍相关的ATP合成减少及活性氧生成增加，能够从多方面破坏细胞的正常电活动及离子稳态。线粒体功能失调能够减少峰值INa电流并且下调Cx43，代谢异常产生的活性氧增加同样能够导致延迟性INa增加并且减少复极Kv电流，增加心肌细胞的电异质性和心律失常的易感性。线粒体功能障碍还能够破坏心肌细胞内Ca2+稳态，导致细胞内Ca2+超载及心律失常。线粒体代谢障碍及功能异常可促进房颤的发生与维持，线粒体RNA相关房颤越来越受到重视。最新研究表明，线粒体脂肪酸代谢障碍与顽固性短Q-T间期综合征有关。房颤为临床上常见并且持续进展不易控制的疾病，以上研究将为房颤的病理生理机制及分子生物学角度提供新的证据。

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R541.7

A

1674-4055(2017)10-1263-03

国家自然科学基金(81270252)

1150000 哈尔滨,哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科

李为民,E-mail：liweimin_2009@163.com

10.3969/j.issn.1674-4055.2017.10.35

本文编辑：孙竹