线粒体功能障碍与ARDS发生机制的关系研究

Research on the Relationship between Mitochondrial Dysfunction and the Pathogenesis of Acute Respiratory Distress Syndrome

摘要: 急性呼吸窘迫综合症(ARDS)已成为一种严重的全球性健康问题，其病理生理机制仍然未被完全阐明，现有的治疗手段也十分有限。在ARDS的发展过程中，炎症瀑布的形成与线粒体功能障碍密切相关。多个因素可导致线粒体功能的紊乱，包括线粒体的质量控制失衡、活性氧的过度积累、钙离子超载及线粒体DNA的损伤等。这些损伤不仅会引起细胞死亡，还会促使炎症因子的释放，进一步加剧细胞及组织的炎症反应。然而，针对线粒体在ARDS发病机制中发挥的作用，系统性和深入的研究仍然较为稀缺。因此，深入探讨ARDS的发病机制，特别是线粒体相关的病理过程，将有助于发现新的治疗途径和策略，从而为改善ARDS患者的预后提供有效的干预措施。这项研究不仅能启发新的治疗思路，也有助于推动对ARDS的整体理解和管理。

Abstract: Acute respiratory distress syndrome (ARDS) has emerged as a significant global health concern, with its pathophysiological mechanisms still not fully elucidated and current therapeutic options being quite limited. Within the progression of ARDS, the formation of an inflammatory cascade is closely linked to mitochondrial dysfunction. Several factors can disrupt mitochondrial function, including imbalances in mitochondrial quality control, excessive accumulation of reactive oxygen species, calcium overload, and damage to mitochondrial DNA. These impairments not only lead to cellular apoptosis but also trigger the release of pro-inflammatory cytokines, further exacerbating the inflammatory response in both cells and tissues. Despite this, systematic and in-depth research exploring the role of mitochondria in the pathogenesis of ARDS remains relatively scarce. Therefore, a thorough investigation into the mechanisms underlying ARDS, particularly the mitochondrial-related pathological processes, could unveil novel therapeutic avenues and strategies aimed at improving patient outcomes. Such research would not only inspire new treatment concepts but also enhance the overall understanding and management of ARDS.

1. 前言

急性呼吸窘迫综合症(ARDS)是一种严重的呼吸系统疾病，主要特点是肺泡损伤、通气/灌注不匹配和低氧血症导致的重症肺功能衰竭。感染、自身免疫性疾病、创伤、吸入有害物质等因素均能引起ARDS的发生。尽管在诊断和支持治疗方面取得了进展，但ARDS的死亡率依然居高不下，通常在30%至50%之间[1]。因此，深入理解ARDS的病理生理机制，寻找有效的治疗策略，对于提高患者的生存率和生活质量至关重要。近年来，越来越多的研究关注线粒体在ARDS中的作用。线粒体是细胞的能量工厂，除了参与细胞呼吸和能量代谢外，还在调节细胞凋亡、氧化应激和炎症反应中发挥重要作用。这些功能使得线粒体成为许多疾病，特别是炎症和组织损伤相关疾病的重要研究对象。在ARDS的病理过程中，线粒体的功能障碍表现为能量生成能力的下降、氧化应激增加、线粒体自噬等改变[2]。这些变化不仅影响肺泡上皮细胞和内皮细胞的完整性，还进一步加重了炎症反应，形成一个恶性循环。因此针对线粒体的干预策略逐渐受到关注。包括抗氧化剂等药物[3]、新型纳米平台技术、细胞治疗的研究均旨在改善线粒体功能，进而提高ARDS患者的预后。本文将重点探讨线粒体功能障碍与ARDS之间的关系，分析线粒体自噬、线粒体DNA (mtDNA)、氧化应激及钙稳态在ARDS中的作用，探讨未来的研究方向及临床应用的潜力，期望为ARDS的治疗提供新的思路。希望通过系统性的综述与实证研究，为临床医生和科研人员提供更全面的认识，进而推动ARDS的预防和治疗发展。

2. 线粒体动力学与自噬在ARDS中发挥的作用

2.1. 线粒体质量控制与线粒体

线粒体是细胞内的能量细胞器。线粒体通过分裂与融合的动态特性，在维持细胞代谢稳态、调节细胞能量供应、应对氧化应激以及参与细胞死亡等多个方面发挥着重要作用。生理情况下，线粒体通过融合保留较好的线粒体，并通过裂变及线粒体自噬去除质量差的线粒体。线粒体质量控制缺陷被证明与多种人类疾病有关，如：帕金森病[4]、急性缺血性中风[5]、糖尿病心肌病[6]等。Li N等研究人员在脂多糖(LPS)诱导的肺损伤疾病中发现，HDAC3缺陷能通过降低LC3II/LC3I、Parkin和PINK1蛋白水平减少自噬，降低DRP1表达，从而减少线粒体裂变，保持线粒体动态平衡，维持上皮屏障完整性，证明肺损伤时肺泡上皮细胞中存在线粒体质量控制缺陷[7]。Shi J等研究人员通过脓毒症诱发肺损伤的疾病中发现在巨噬细胞中PI3K/Akt通路激活HO-1维持线粒体质量平衡，表现为血红素预处理能升高HO-1、P-Akt、Mfn2和OPA1表达，降低DRP1表达，增加线粒体融合，减少线粒体裂变，通过平衡免疫细胞线粒体质量保护肺免受氧化损伤[8]。这些研究共同揭示了线粒体质量控制在ALI中的复杂作用机制及其潜在的治疗靶点。

2.2. 线粒体自噬与ARDS

线粒体自噬是由于细胞为维持自身稳态，消除功能失调线粒体，维持线粒体环境平衡的重要途径，是机体的一种保护机制。已有大量研究表明，线粒体自噬受损难以维持线粒体的功能和活性时会导致一些疾病的发生。线粒体自噬主要通过两种机制即：泛素依赖途径及非泛素化依赖途径。顾名思义泛素化途径即为依靠线粒体表面蛋白的广泛泛素化来促进线粒体自噬，PINK1/Parkin通路是目前研究最广泛的自噬通路。当炎症发生时，损伤因素作用于肺部，肺内细胞发生线粒体损失，随后线粒体膜电位(MMP)被破坏，PINK1进入线粒体内膜的路径被阻断积聚在线粒体外膜。Parkin空间构象发生改变，PINK1与Parkin相互作用，共同调节线粒体自噬过程，PINK1也通过泛素磷酸化直接将自噬受体OPTN和NDP52募集到线粒体，进而促进自噬的生物发生。这些途径共同维持线粒体质量，保护细胞。在急性肺损伤(ALI)的研究中，线粒体自噬调控是一个关键领域。Wu D等研究人员通过腹腔注射白藜芦醇治疗肺损伤，通过降低NLRP3炎性小体激活、caspase-1的表达抑制巨噬细胞焦亡，同时上调了Pink1、Parkin、Beclin-1、自噬相关5 (Atg5)和微管相关蛋白1 A/1B轻链3B (LC3B-II)，从而增强线粒体自噬改善小鼠的肺损伤[9]。并发现巨噬细胞线粒体自噬中Sesn2介导的Pink1/Parkin信号维持线粒体稳态，最终保护肺免受LPS诱导的急性损伤[10]。Mai J等研究人员研究表明，HYP通过调节自噬来减轻脓毒症引起的ALI，从而增加生存率、减少炎症并恢复血管生成[11]。非泛素依赖自噬途径是在线粒体外膜上有许多含有LIR区域的蛋白如：NIX受体、BNIP3受体、含FUN14结构域1 (FUNDC1)受体可直接与LC3结合，从而启动自噬[12]。虽然ARDS的研究中缺乏非泛素化途径启动线粒体自噬相关方面研究，但在缺氧条件下发生的帕金森、心脏缺血/再灌注损伤模型等相关研究中均有证明线粒体外膜蛋白FUNDC1与LC3相互作用启动线粒体自噬。综上所述，这些研究共同表明，线粒体自噬在ALI的病理过程中扮演了重要角色，通过调节自噬途径可以显著影响疾病的进展和治疗效果。

2.3. 线粒体生物发生与ARDS

线粒体生物发生(mitochondrial biogenesis)是指线粒体的生成和增殖过程，在细胞代谢、能量产生、应对氧化应激和调节细胞存活等方面起着重要作用，并且受细胞类型、环境条件、激素水平、营养状态以及细胞的生理或病理状态等。PGC-1α、PGC-1β和相关共激活因子(PRC)都是线粒体生物发生和氧化代谢的强启动子，其中PGC-1α是调节线粒体生物发生的中心，在能量代谢和氧化应激反应中起到重要作用[13]。PGC-1α可以激活与线粒体生物发生和功能相关的其他转录因子，如NRF-1和NRF-2，转录因子负责上调多个与线粒体功能和ATP合成相关的基因，包括呼吸链复合体和线粒体脂肪酸氧化酶的基因[14]。ARDS常伴随严重的代谢紊乱，导致肺及其他组织的细胞能量不足。通过增强线粒体生物发生，可以提高ATP的合成，改善细胞的能量状态，从而维持细胞功能。Liu L等人发现线粒体生物发生关键因子PGC-1α和NRF1能直接调控线粒体自噬受体FUNDC1的表达该研究发现了线粒体生物发生和线粒体自噬协同调控线粒体稳态的分子机制，一方面线粒体生物发生过程中伴随着线粒体自噬，另一方面，线粒体自噬异常能反馈抑制线粒体生物发生[15]。

3. 线粒体ROS在ARDS中发挥的作用

活性氧(ROS)是线粒体在进行氧化磷酸化过程中产生的副产物，正常情况下，少量的ROS在细胞信号转导、免疫应答和细胞功能维持中发挥重要作用[16]。然而，在ARDS的病理环境中，由于多种因素的影响，线粒体产生的ROS显著增加，导致氧化应激的加重。ARDS常见的诱因如感染、创伤和全身性炎症反应，均会引发大量炎症细胞的浸润，这些炎症因子(如IL-1、IL-6、TNF-α等)刺激白细胞增多，使得超氧离子、过氧化氢、羟基自由基等ROS的生成不断增加。过量的ROS会损伤细胞膜、蛋白质和DNA，导致细胞功能异常和死亡，进而加剧肺损伤。在ARDS的发展过程中，ROS能够刺激内皮细胞(EC)通过NF-κB上调粘附分子的表面表达，例如ICAM1 (细胞间粘附分子1)与中性粒的β²整合素结合，通过Src依赖性机制诱导内皮NOX (NOX1, 2, 4, 5)的激活，从而激活内皮中氧化还原敏感的Ca²⁺通透性通道TRPM2，导致Ca²⁺进入EC并促进PKCα激活。PKCα能通过破坏贴壁连接(AJ)及肌动蛋白细胞骨架的整体重组等方式破坏内皮细胞屏障[17]，从而增加炎性细胞的迁移，促进炎症风暴的发生。同时还能通过激活炎症细胞的信号通路，促进炎症介质的释放，加重肺部损伤与炎症状态。Zheng L发现在ARDS疾病中肺泡巨噬细胞内ROS水平升高能减少褪黑素对HIF-1α/GLUT1通路的调节作用[18]。mitoQ，一种线粒体靶向抗氧化剂能改善LPS诱导人肺微血管内皮细胞(HPMEC)产生的ROS、线粒体功能障碍和细胞凋亡[3]。因此，有效调控ROS的生成与清除，对于改善ARDS患者的临床预后显得尤为重要。

4. 线粒体DNA在急性肺损伤中的角色

4.1. 线粒体DNA加重炎症

mtDNA是真核细胞中核外DNA的唯一形式，mtDNA中的未甲基化CpG和甲酰化肽在离开线粒体后被细胞识别为外源物质。因此，mtDNA逐渐被认为是一种损伤相关分子模式(DAMP)，线粒体释放mtDNA通过上调小鼠cGAS、激活STING和激活NLRP3，结合TLR9后激活p38 MAPK，加重ALI [19]。Zhan X等研究人员通过使用小鼠巨噬细胞和敲除小鼠RAD50模型，研究了RAD50在DNA识别和炎症中的作用，发现胞质中LPS诱导的dsDNA几乎来源于线粒体mtDNA的合成与释放，还发现RAD50的增加能进一步激活STING、增加NF-κB p65磷酸化、及Cxcl1/Cxcl2表达，表明mtDNA促进了RAD50依赖的急性肺损伤[20]。Xiao Z的研究探讨了环孢素A(CsA)对LPS诱导的急性肺损伤的保护作用，发现CsA通过抑制mtDNA释放和Toll样受体来减轻LPS引起的炎症反应[21]。表明了mtDNA的动态变化在ALI/ARDS的发生和发展中具有重要意义。

4.2. 氧化线粒体DNA加重炎症

线粒体是细胞内氧化磷酸化的中心场所，在应激时线粒体发生紊乱，产生大量ROS，能将mtDNA氧化为ox-mtDNA，并通过mPTP和VDAC依赖性通道离开线粒体，启动胞质NLRP3炎性小体激活[22]。正常情况下，NLRP3与非氧化mt-DNA亲和力更高，但在NLRP3新生儿多系统炎症性疾病(NOMID)中NLRP3对ox-mtDNA的亲和力更高，但两者都能激活炎症小体NLRP3 [23]。其次ox-mtDNA片段还激活cGAS-STING信号传导并产生促炎细胞外DNA。各种研究表明氧化线粒体DNA通过激活NLRP3炎症小体及cGAS-STING信号对内皮细胞及免疫细胞产生损伤，并且在骨髓增生异常综合征(MDS) [24]、干眼症[25]、脓毒症等疾病中得到证实，但在ALI研究中，缺乏对于ox-mtDNA是否能通过NLRP3的激活加重炎症这一机制的验证。

5. 线粒体中钙稳态在急性肺损伤中发挥作用

细胞外钙浓度比细胞内钙浓度高10,000~20,000倍，生理情况下，为了维持浓度差，需要细胞膜上质膜钙ATP酶(PMCA)的作用来维持，当细胞发生刺激时，细胞膜受损，导致钙内流，细胞质钙离子增加，则会激活细胞内级联信号产生，同时刺激线粒体通过线粒体外膜蛋白VDAC摄取钙离子，到达钙离子缓冲池，并通过Ca²⁺单向转运蛋白(MCU)和Ca²⁺摄取的快速模式(RaM)从膜间隙转运穿过线粒体内膜进入线粒体基质[26]。钙离子在线粒体的浓度，影响ATP的生成速率，低水平的钙对于维持ATP的最佳生成速率至关重要，钙超载情况下线粒体ATP合成速率降低[27]。Islam MN等人在LPS诱导的急性肺损伤模型中观察到肺泡2型细胞(AT2)线粒体MCU的缺失通过损害了线粒体Ca²⁺缓冲和表面活性剂分泌，增加了死亡率，也表明MCU是ALI的潜在治疗靶点[28]。虽然线粒体钙稳态在其他疾病中发挥着重要的作用，但在急性肺损伤中的作用还缺乏进一步研究。

6. 靶向干预

靶向线粒体的策略被认为是一种有前景的干预手段，被广泛应用在基础研究中，探索改善线粒体功能障碍能否减轻疾病的发生发展。研究者们探索了多种靶向线粒体的策略以减轻ARDS的病理状态。能直接有效改善线粒体功能障碍的药物有抗氧化剂线粒体醌(MitoQ) [29]、黄芩素[30]、右美托咪定[31]、Mdivi-1 [32]，首先MitoQ是一种线粒体靶向抗氧化剂，通过直接靶向线粒体并清除ROS，减轻线粒体功能障碍，有效降低肺部炎症和细胞损伤，提高肺功能。黄芩素通过减弱Drp1的表达来减轻线粒体缺陷。右美托咪定可激活PKC-ɑ/HO-1通路，增加Mfn1、Mfn2和OPA1的表达，同时降低Drp1和Fis1的表达，从而减少内毒素诱导的急性肺损伤。Mdivi-1是可以穿越细胞膜的喹唑酮类化合物，能够抑制Drp1的线粒体分裂的药物，能抑制Drp1在Ser616位点显着磷酸化[33]。在Ser637位点去磷酸化以及Drp1从细胞质转位到线粒体。此外，纳米技术近些年发展迅速，通过纳米治疗ARDS，已经取得了阶段性的成功。纳米技术通过增加药物生物相容性以及减少药物毒性，提高局部药物浓度等方式提高药物利用率。有机纳米颗粒及无机纳米颗粒已展现出治疗ARDS的潜力。膜仿生纳米技术是利用机体内的细胞，如血小板[34]、免疫细胞[35]、红细胞、癌细胞、干细胞等细胞获得细胞膜，包裹治疗ARDS的药物并进行表面修饰靶向目标细胞，将药物输送至肺部随后到达线粒体。药物递送系统的改进也为靶向线粒体的治疗提供了新的机会。利用纳米技术，将药物与线粒体靶向的载体结合，可以提高药物的局部浓度和治疗效果。例如，研究表明将抗炎药物装载至线粒体靶向载体中，能够有效降低肺部炎症，同时减少全身副作用，展示了新型治疗策略的潜力。尽管靶向线粒体的策略在基础研究中表现出令人鼓舞的结果，但在临床应用中仍存在诸多挑战。因个体差异导致的治疗反应的不同，以及长时间靶向药物对正常细胞代谢的潜在影响，都是未来研究需要解决的问题。还需值得关注的是细胞疗法，在各种基于细胞的治疗方案中，来自骨髓、脂肪组织和脐带的间充质干细胞/基质细胞(MSC)受到广泛关注。MSC通过释放旁分泌因子、微囊泡和线粒体转移发挥其有益作用，能使受伤的肺内皮和肺泡上皮具有抗炎和促消退作用，包括通过上调钠依赖性肺泡液清除来增强肺水肿的消退。MSC还具有通过释放抗菌因子和上调单核细胞/巨噬细胞吞噬作用介导的抗菌作用[36]。此外，目前围绕靶向线粒体OTC (若干药物的总循环时间)药物在不同病因导致的ARDS中的特异性及有效性方面的系统性临床研究尚显不足。因此，未来的探索方向包括开发新型线粒体靶向药物与现有治疗方案的联合应用，评估其在ARDS患者中的疗效与安全性。

7. 总结与展望

线粒体在ARDS中的作用机制复杂多样，涉及氧化应激、炎症反应、线粒体自噬与质量控制、钙稳态等多个方面。随着对线粒体生物学理解的深入，越来越多的证据表明线粒体功能障碍与ARDS的发生发展密切相关。线粒体是细胞的能量工厂，也参与细胞内的代谢调节和信号传递。当线粒体功能受到损害时，细胞将面临能量不足和氧化应激的挑战，这不仅会直接导致肺组织的损伤，还可能通过多种信号通路影响全身炎症反应和其他器官功能。因此，深入理解线粒体在ARDS中的具体作用机制对于开发新的治疗策略具有重要意义。未来的研究应进一步探索线粒体与其他细胞器之间的相互作用。例如，线粒体与内质网之间的相互作用被认为在细胞的应激反应中发挥关键作用，而这种相互作用的改变可能是ARDS发生的一个重要方面。同时，研究线粒体动态变化及其在急性肺损伤中的作用，将为我们提供重要的生物学基础。随着技术的进步，利用先进的基因编辑技术(如CRISPR/Cas9)和高通量筛选方法，有望揭示更多潜在的治疗靶点和机制。比如，可以通过基因编辑技术构建线粒体功能障碍相关的动物模型，以便于筛选新的药物组合，或者评估某些靶向药物的有效性和机制。此外，纳米平台技术的发展，为靶向改善线粒体功能障碍提供可能性，这些工具和方法的应用，将大大加快我们对线粒体生物学及其在ARDS中作用机制的深入研究，也为我们开发新的治疗手段和策略提供了可能的方向。有助于我们更好地理解和应对ARDS这一严重的临床问题。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。