線粒體：急性腎損傷的治療靶點
線粒體：急性腎損傷的治療靶點
翻譯：安勝校對：曾振華
摘要：急性腎損傷（AKI）是與高發病率和死亡率相關的常見臨床疾病，也是慢性腎臟疾病發生和進展的危險因素。目前尚無有效的AKI治療措施，迫切需要新方法的引進。越來越多的證據表明，線粒體功能障礙是AKI發病的重要因素。我們對涉及線粒體生物發生、融合/裂變、線粒體自噬及其病理生理學作用的分子機制的最新進展的回顧，將引導靶向線粒體治療用於治療各種疾病（包括AKI）的藥物發展。這篇綜述中，我們總結了目前有關線粒體病理生理學在AKI中的作用以及針對AKI的線粒體靶向治療方法的潛在獲益的知識。
關鍵詞：急性腎損傷、線粒體生物發生、線粒體融合/裂變、線粒體自噬、腎小管損傷
介紹：
急性腎損傷（AKI）是腎功能的突然喪失，導致尿毒症和細胞外容量和電解質的失調。AKI可能由多種致損傷因素引起，包括缺血再灌注損傷、心血管手術、放射對比劑和膿毒症。AKI是一種不但在急性期影響腎功能，而且可對腎功能造成長期影響的嚴重疾病。最近的研究支持可逆性AKI是慢性腎病和終末期腎病的獨立危險因素的觀點，並且嚴重的AKI可伴隨腎功能的不可逆下降[1，2]。AKI的患病率在全球所有住院成人中佔21.6％[3]，然而卻沒有有效的治療方法，最好的治療方法仍是預防。
線粒體不僅為細胞產生能量，而且調節多種細胞功能，包括增殖和細胞內鈣穩態。線粒體功能障礙誘導細胞凋亡和活性氧（ROS）的產生，這兩者都有助於各種疾病的發生和發展。鑒於腎臟依靠氧化磷酸化（OXPHOS）來為腎小管重吸收提供大量ATP [4]，因此並不奇怪線粒體穩態對於正常腎功能的維持是至關重要的。AKI的主要病理表現為腎小管損傷，包括凋亡[5]。AKI已被廣泛描述為腎小管ATP耗竭的狀態[6]。因此，目前的共識是線粒體在AKI的發病機制中起重要作用。事實上，線粒體功能障礙是AKI發病機制的一個確定的組成部分，特別是作為腎小管功能障礙和細胞死亡的原因[7]。在誘導AKI的應激條件下，線粒體碎裂和通透性轉換對腎小管細胞死亡有重要作用。
最近的研究證據支持線粒體的病理生理學作用，以及靶向線粒體的治療策略的益處不僅用於線粒體疾病而且包括神經退行性疾病、心臟疾病、癌症和糖尿病在內的其他疾病的治療。本綜述總結了線粒體在AKI腎小管損傷中的病理生理學作用和靶向線粒體治療AKI可能的新型治療方法的最新數據。
線粒體功能及其病理生理學意義：
線粒體是負責哺乳動物細胞中生物氧化的細胞內細胞器。它們具有雙層膜結構，其摺疊式的內膜包含的基質中有數百種蛋白質和2-10個拷貝的線粒體DNA（mtDNA）。線粒體的主要功能是通過電子傳遞和OXPHOS合成ATP，同時通過三羧酸循環進行代謝產物的氧化和β-氧化進行脂肪酸的分解代謝。
線粒體穩態受線粒體生物發生緊密調控，包括對mtDNA複製、線粒體的裂變和線粒體自噬（受損線粒體的自噬清除）等線粒體動力學的調控。這種機制起著維持線粒體結構和功能的作用，其調節紊亂導致線粒體損傷，並通常與誘導線粒體ROS產生、細胞凋亡和線粒體通透性轉換（MPT）孔開放有關。這些變化反過來導致與線粒體功能障礙有關的疾病的發生和進展。
本部分總結了最近更新的關於維持線粒體穩態的機制及其對線粒體疾病的病理生理學意義的發現。
線粒體生物發生：
線粒體轉換是一個維持線粒體質量不可或缺的部分。在這個過程中，功能失調的線粒體被選擇性地消除，並通過預先存在的線粒體（生物發生）的數量增加而被替換。儘管線粒體具有自己的基因組，但是大多數存在於線粒體膜中的蛋白質和酶是核基因產物。線粒體生物發生需要核和線粒體基因組的協調作用。核呼吸因子1和2（NRF1和NRF2）是核編碼的轉錄因子，其作用於核基因編碼的OXPHOS系統的組成亞基。另外，NRF1和NRF2也調節許多涉及mtDNA複製基因的表達[8，9]（圖1）。NRF1突變在對人胰島素降解酶的轉錄活性和2型糖尿病[10]以及阿爾茨海默病[11]相關發病機制中具有正性調控作用，而在多發性硬化症中，腦內NRF2是減少的[12]。
過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）輔激活因子1α（PGC-1α）是核編碼的轉錄輔助激活因子，其調節包括NRF1和NRF2在內的核編碼的線粒體蛋白表達[13]。PGC-1α的過表達使培養的近端腎小管細胞的線粒體數量、呼吸能力和胞內ATP濃度增加，並可促進氧化損傷後的修復和癒合[14]。
圖1. PGC-1α-NRF1 / NRF2相關途徑的線粒體生物發生和能量生成。PGC-1α活化需要AMPK的磷酸化和SIRT1或SIRT3的去乙醯化。NRF1和NRF2是關鍵轉錄因子，是PGC-1α的兩個靶點。活化的PGC-1α與NRF1 / NRF2協同作用，促進多種核編碼基因的表達，調控mtDNA轉錄/複製和呼吸鏈。PGC-1α：過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）輔激活因子-1α；AMPK：AMP活化的蛋白激酶；SIRT1 / 3：sirtuin 1/3；NRF1：核呼吸因子1；NRF2：核呼吸因子2；nDNA：核DNA；mtDNA：線粒體DNA；P：磷酸基團；Ac：乙醯基。
線粒體動力學：
線粒體是高度動態變化的細胞器，通過協調融合和裂變在管網狀和片段狀之間轉換。這種結構重塑直到最近才被認識[15]。在生理條件下，融合和裂變的頻率被精細調節和平衡以維持線粒體穩態。線粒體動力學在線粒體的質量保證中也起著重要的作用[16]。線粒體動力學的分子機制由發動蛋白相關蛋白1（Drp1）等裂變介質和線粒體融合蛋白1（mitofusin 1，Mfn1）、線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）和opticatropy 1（OPA1）等融合蛋白決定（圖2）。
這些蛋白質的缺陷導致線粒體形態嚴重改變和功能受損，並引起人類疾病。例如，Mfn2突變的功能喪失與Charcot-Marie-Tooth病2型有關，而OPA1突變與視神經萎縮有關[17]。類似地，Drp1功能的改變，即線粒體融合功能障礙，與AKI中的腎小管損傷有關（見下文）。
圖2.線粒體動力學和AKI腎小管損傷。在正常情況下（上圖），線粒體融合和分裂的頻率被精細地調整和平衡以維持線粒體內穩態。通過線粒體自噬來清除對腎小管細胞有毒的功能異常的線粒體。在疾病狀態下（下圖），線粒體變成碎片。這種病理碎片是裂變激活和融合抑制的結果。已經證實線粒體碎裂引起線粒體損傷，並導致ROS和細胞死亡的增加。在某些病理條件下（如Ca2 +超載和氧化應激）誘導MPT，引起線粒體腫脹。線粒體自噬在疾病狀態是有缺陷的。Drp1：發動蛋白相關蛋白1；Mfn1 / 2：融合蛋白1和2；OPA1：optic atropy 1；ROS：活性氧；MPT：線粒體通透性轉換。
線粒體自噬：
在蛋白質和整個細胞器水平均能調控線粒體的質量。在蛋白質水平上，線粒體含有的許多蛋白酶優先降解特定的蛋白，並與線粒體未摺疊蛋白反應（一種特定的應激反應）一同調控線粒體蛋白酶和調節未摺疊蛋白的分子伴侶的水平。但是，這些方式不足以快速清除整個功能失調或大量受損的線粒體。細胞器水平的調控被認為是通過線粒體自噬實現的，這是一種特殊類型的大自噬（macroautophagy）[18]，這樣單個線粒體或線粒體簇被單獨的膜包裹形成自噬體（mitophagosome）。自噬體最終與溶酶體融合，導致自噬體內容物的完全降解。受損的線粒體通過ROS生成、MPT，或兩者兼有而引起細胞損傷，並因此被線粒體自噬選擇性的清除。該過程可能會阻斷線粒體氧化應激和促凋亡蛋白釋放引起的細胞死亡。目前，已確立了兩個主要的線粒體自噬機制。首先是PINK1（PTEN-induced putative kinase 1）和E3泛素連接酶Parkin依賴的途徑，而且這些位點突變會破壞線粒體自噬從而導致帕金森病[19]。其次是BCL2 /腺病毒E1B19-kDa蛋白相互作用蛋白質3（BNIP3）和Nip3樣蛋白X（NIX）途徑[20]。
線粒體損傷與AKI：
mtDNA的遺傳繼承性導致部分腎臟疾病常以腎小管病變為特徵[21]。這些發現強烈表明線粒體缺陷是腎功能不全發生和進展的構成因素。事實上，越來越多的證據強調線粒體功能障礙對AKI腎小管損傷進展的影響。此外，線粒體功能障礙被認為是膿毒性AKI（AKI的常見原因）發病最主要的因素（圖3）。在本節中，我們根據與線粒體穩態相關的分子對線粒體損傷類型進行分類，並總結其在AKI線粒體損傷中的病理生理作用。
圖3.膿毒症AKI的發病機制。膿毒症是AKI最常見的原因。來自基礎研究的證據表明，膿毒症AKI的發病機制由三個主要組成部分組成：（i）炎症（過度免疫反應）；（ii）缺血和微血管病；（iii）誘導細胞損傷和死亡。線粒體損傷促進每一部分發展，並在膿毒症AKI的病理生理中發揮中心作用。TLR：toll樣受體；HMGB-1：高遷移率族蛋白1；ROS：活性氧；WBC：白細胞。
PGC-1α相關線粒體生物發生：
如上所述，PGC-1α是線粒體生物發生的主要調節因子。腎臟內PGC-1α主要在近端小管中表達，表明PGC-1α在近端小管穩態中的有效性[22]，並且在培養的近端腎小管細胞中的過表達PGC-1α增加了線粒體數量、呼吸能力和線粒體蛋白[23]。Tran等人證明腎小管上皮細胞中PGC-1α的表達正向抑制膿毒症模型腎臟受損程度，並且PGC-1α基因敲除小鼠在這些模型中表現出尿素氮（BUN）和血清肌酐升高[24]。這些發現反過來表明，PGC-1α可能通過腎小管線粒體生物合成而在膿毒症AKI的恢復中起重要作用。
Drp1和Mfn2相關線粒體裂變：
在細胞損傷或應激時，線粒體融合與裂變之間的平衡向線粒體分裂轉變。這導致線粒體碎裂和隨後的線粒體結構改變[25]。大量證據表明，線粒體融合和裂變相關分子活性變化引起的線粒體碎裂在AKI中具有致病作用，具體如下。線粒體裂變介質Drp1在AKI（如在缺血再灌注和順鉑誘導的腎毒性）後迅速激活，並誘導線粒體碎裂和隨後的腎小管細胞凋亡[26]。與此同時，在條件性敲除Mfn2（一種線粒體融合介質）的小鼠原代培養的近端腎小管細胞顯示出對Bax活化和細胞色素C釋放的高度敏感，這導致ATP消耗後凋亡[27]。這些結果表明Drp1增加和Mfn2減少中的一者或兩者通過線粒體裂變和融合的失衡加劇了腎小管損傷，接著增強線粒體碎裂，並可能因此導致包括AKI在內的腎臟疾病。
線粒體自噬改變：
線粒體自噬已在一些疾病模型被證實具有不可或缺的保護作用，如缺血再灌注損傷模型[28]。在順鉑誘導的小鼠AKI模型中，線粒體自噬狀態的改變顯著地加劇了AKI。例如，與野生型相比，應用氯喹或敲除自噬基因相關7（Atg7）抑制近端小管自噬加劇了腎功能變差、組織損傷和細胞凋亡。相比之下，應用雷帕黴素治療激活線粒體自噬途徑能減輕順鉑誘導的AKI腎小管損傷[29]。此外，在膿毒症患者的腎臟組織中，腎小管細胞表現出自噬體增加，並伴有線粒體水腫和嵴損傷。這意味著線粒體自噬清除受損的線粒體[30]。最近發現，p53與Parkin結合併干擾小鼠心臟Parkin轉位引起線粒體損傷並抑制線粒體自噬[31]。腎臟中線粒體自噬的分子機制尚不十分清楚，但已有報道在幾種AKI模型中p53的激活，並且p53介導的線粒體自噬抑制促進了AKI病理生理。
綜上所述，這些發現表明腎小管細胞的穩定與線粒體穩態密切相關。在此基礎上，線粒體結構和功能的各種表型變化促進AKI中腎小管細胞損傷的表型改變。與線粒體生物發生、裂變和線粒體自噬相關的分子在AKI進展和恢復過程中都起著重要的作用，這對於理解AKI的病理生理機制以及AKI與慢性腎臟疾病進展的聯繫機制是重要的。
靶向線粒體針對AKI的新型治療方法：以上證據顯示了線粒體對AKI發生或進展的病理生理學作用。除此以外，研究人員還達成一項共識，即靶向線粒體的治療方法可能有助於保護AKI中的腎小管細胞。本節總結了靶向線粒體分子的干預研究的最新進展，如下所示。
線粒體生物發生的激活因子：
PGC-1α在線粒體生物發生中的功能活性受到乙醯化、磷酸化、甲基化和小泛素樣修飾子等多種翻譯後修飾的調控[32]。PGC-1α去乙醯化由sirtuin1或3（SIRT1，SIRT3）調節[33]。AMP激活的蛋白激酶（AMPK）可以通過SIRT1活化激活PGC-1α（PGC-1α去乙醯化），並利用這種機制調節小鼠骨骼肌的能量消耗[34]。有趣的是，最近的一篇文章強調了PGC-1α去乙醯化狀態在保護AKI腎小管細胞中的重要性。例如，Morigi等人報道，AMPK激動劑AICAR通過PGC-1α激活增加了SIRT3的表達及其活性，改善了腎小管細胞的線粒體生物發生，並減輕順鉑誘導的AKI模型小鼠的腎小管損傷[35]。
除了PGC-1α去乙醯化之外，還詳細研究了AMPK通過SIRT1激活磷酸化PGC-1α。值得注意的是，PGC-1α的磷酸化構成了後續SIRT1去乙醯化的啟動信號[34]，而SIRT1激動劑白藜蘆醇顯著恢復失血性休克後的腎臟細胞線粒體功能[36]。
綜上所述，這些發現提示調節PGC-1α活性的分子如AMPK可能通過維持腎小管細胞的線粒體生物發生的作用來防止AKI中的腎小管損傷。
線粒體分裂抑製劑：
線粒體分裂抑製劑-1（Mdivi-1）是Drp1的藥理學抑製劑，阻斷線粒體分裂，減輕腎小管細胞凋亡，改善小鼠缺血再灌注、順鉑[26]以及橫紋肌溶解誘導的AKI [37]進展。此外，Mdivi-1還通過抑制心肌細胞凋亡來改善腎缺血再灌注引起的心臟功能障礙[38]。這些結果表明裂變不僅僅是線粒體損傷的結果，而其本身可能是線粒體損傷的近因或放大機制。
然而，Mdivi-1類似物尚未在人類腎損傷中試驗過。最近的一篇文章顯示條件性敲除近端腎小管Mfn2（線粒體融合分子），加速了腎臟缺血再灌注後的恢復並改善生存[39]。這個結果意味著腎小管細胞分裂和伴隨的線粒體裂變可能是AKI後恢復所需，反過來提示Mdivi-1隻能用於AKI的早期階段，而不是在恢復階段。進一步的研究是有必要的，它可以探討在不同腎小管損傷狀態（如急性/慢性進展期和恢復期）融合和裂變之間的平衡改變的機制。
線粒體活性氧（ROS）調節劑：
線粒體功能障礙涉及產生過量ROS，例如超氧化物（O2-）、過氧化亞硝酸鹽（ONOO-）和一氧化氮（NO）。在病理條件下，OXPHOS解耦聯和線粒體膜完整性破壞致呼吸鏈中誘導過量的ROS生成。氧化應激損傷導致線粒體功能障礙和破壞，引發MPT和/或促凋亡蛋白如細胞色素C釋放誘導細胞死亡[40]。另外，由於缺乏內含子和保護性組蛋白，mtDNA比核DNA（nDNA）更容易受到氧化損傷，人們普遍認為mtDNA對氧化損傷的易感性及隨後的突變是nDNA的10-20倍[41]。
鑒於線粒體ROS引發的氧化應激在順鉑誘導的AKI進程中的重要作用[42]，Morigi等人報道，調節線粒體抗氧化活性的抗氧化劑乙醯左旋肉鹼減輕腎小管損傷並由此改善了順鉑誘導的AKI小鼠腎功能[35]。
一些化合物，如醌類似物（MitoQ、SkQ1和SkQR1）和超氧化物歧化酶（SOD）模擬物（Mito-CP），特異性靶向線粒體而不干擾線粒體外生理性ROS產生。這些帶正電荷的抗氧化劑選擇性地積聚在線粒體基質中。Mito-CP劑量依賴性地改善順鉑誘導的AKI [42]，以及SkQ1和SkQR1減輕缺血再灌注誘導的AKI [43]。特別是MitoQ可以保護順鉑[42]和缺血再灌注誘導的AKI [44]。腎特異性的MitoQ將可能很快應用應用到臨床。
MPT抑製劑：
MPT定義為線粒體膜對分子量
亞微摩爾濃度的免疫抑製劑環孢菌素A（CsA）及其一些結構類似物可抑制MPT和線粒體腫脹。我們知道，CsA用於腎移植並呈劑量依賴性的腎臟毒性。但CsA誘導的腎毒性作為慢性同種異體移植物功能障礙和喪失的原因可能被高度誇大[46]，並且由於缺乏假定其有害作用的確切證據，以及由於傳統上與其使用有關的病理損傷的非特異性而仍然存在爭議。已有臨床試驗研究低劑量CsA對急性心肌梗死再灌注損傷的作用[47]。CsA抑制Ca2 +激活的磷酸酶鈣調磷酸酶並結合親環蛋白D（CypD）（MPT孔主要組成部分），從而抑制MPT孔開放。Cho等人[48]證實CsA抑制離體腎近端腎小管細胞Drp1去磷酸化並防止線粒體分裂、Bax積聚、細胞色素C釋放和ATP耗竭後的細胞凋亡。在體敲除小鼠CypD基因顯示出對缺血性腎損傷的保護作用[49]，而CsA通過改善阿黴素誘導的足細胞損傷模型中的線粒體功能減輕了足細胞損傷[50]。在這些先前的研究的基礎上，已在進行一個檢測CsA對心臟手術保護作用的II期臨床試驗（表1）。
線粒體自噬激活劑：
如上所述，藥理學誘導線粒體自噬將是AKI治療的一種選擇，並且已知一些組分是線粒體自噬的誘導劑。抗黴素A或線粒體呼吸複合體抑製劑myxothiazol可以改善順鉑誘導的p53活化，並在培養的腎小管細胞中發揮細胞保護作用[51]，以及雷帕黴素誘導的線粒體自噬對慶大黴素誘導的豬AKI有保護作用[52]。最近的一項研究顯示，Ambra1與Parkin相互作用能夠誘導線粒體自噬，提示Ambra1可能會是誘導線粒體自噬的治療靶點[53]。
誘導線粒體自噬會改善AKI，然而誘導線粒體自噬的藥物本身誘導線粒體去極化。因此，這些藥物是一把雙刃劍。如果以適當的方式使用，不影響線粒體完整或特異性清除功能障礙的線粒體是可取的。
其他靶向線粒體治療腎臟疾病的方法：
靶向線粒體治療腎病和AKI具有前景的治療策略中，Szeto-Schiller（SS）肽（Bendavia）和左西孟旦引起了特別的關注。
來自Stealth Peptide（美國馬薩諸塞州牛頓中心的一家致力於開發新型的針對線粒體的療法的公司）發現了一種新的藥物Bendavia（一種新型化合這物），主要積聚在線粒體內膜心磷脂上。Bendavia/心磷脂複合物抑制細胞色素C過氧化物酶活性，該酶催化心磷脂過氧化並通過保護其血紅素鐵而導致缺血期間的線粒體損傷[54]。在一項大鼠缺血再灌注誘導的AKI模型中，Bendavia通過減少缺血期間近端小管的線粒體嵴破壞而改善了線粒體功能障礙，保護了線粒體結構和功能。此外，Bendavia還改善再灌注引起的氧化應激，從而加速線粒體結構和ATP的恢復，進而維持近端腎小管細胞結構，減少腎小管細胞凋亡和部分保留腎功能[54]。目前正在進行一項腎功能受損患者Benvavia（MTP-131）安全性和葯代動力學的I期研究（表1）。
左西孟旦是具有血管擴張性質和Ca2 +增敏性的正性肌力藥物，用於治療心力衰竭。它也調節心臟線粒體ATP敏感性K+通道的開放[55]。左西孟旦可保護在感染性休剋期間的骨骼肌[56]以及缺血性心臟病心肌細胞的線粒體[57]。左西孟旦保護作用的分子機制可能包括與線粒體能量守恆相互作用的線粒體ATP敏感的K+通道。最近有報道左西孟旦體外循環手術後的保護作用[58]。目前正在研究重症監護病房（ICU）AKI患者中左西孟旦的安全性和有效性（表1）。
表1.線粒體靶向藥物治療腎臟疾病的臨床試驗
總結：
線粒體功能障礙是AKI中腎小管損傷發展的關鍵問題。重要的是，線粒體功能障礙顯著影響其他細胞器功能（如內質網）[59]，它將成為AKI影響的複雜的細胞器網的主要參與者。
在疾病狀態下理解線粒體生理的最新進展已經揭示了用於預防實驗性AKI的幾種治療方法，並且一些方法現在正在用於治療腎損傷患者的臨床試驗中。明確本文所述的任何一種藥物在腎損傷患者中的安全有效性將開啟新的AKI治療策略。
腎臟病學的線粒體研究比其在心臟病學、神經病學和腫瘤學等其他領域的研究落後，許多靶向線粒體的藥物已經在其他領域應用。在本領域以線粒體為基礎的治療潛力值得繼續努力積累知識，並找到治癒AKI的方法。
參考文獻（略）
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