线粒体功能失调与肥胖型哮喘发病机制的研究进展

陈丹，齐咏

(郑州大学人民医院 河南省人民医院呼吸与危重症医学科，郑州 450003)

支气管哮喘(简称哮喘)是影响全球数百万人的重大公共卫生问题。流行病学调查显示，肥胖和超重导致哮喘发生风险升高，并使哮喘症状加重[1-2]。目前认为，肥胖型哮喘是一种难治性哮喘表型。与单纯性哮喘相比，肥胖型哮喘的呼吸道症状更严重、更频繁。肥胖可导致一系列代谢改变，如胰岛素抵抗导致炎症、氧化应激、内质网应激、脂毒性和线粒体障碍等系统性和组织特异性代谢缺陷[3]。同时，肥胖的代谢改变(如糖尿病及胰岛素抵抗)与哮喘的发病机制相关[4-5]。肥胖型哮喘患者往往存在糖脂代谢异常、胰岛素抵抗，具有代谢综合征的特征[6]，但目前肥胖与哮喘之间的具体机制仍不明确。越来越多的证据表明，线粒体数量及功能的改变在肥胖型哮喘发病机制中起重要作用[7-8]，而线粒体靶向抗氧化剂对于瘦素引起的人支气管上皮细胞活性氧类(reactive oxygen species，ROS)增多具有保护作用[9]。探究肥胖型哮喘的发病机制可为肥胖型哮喘的治疗提供新思路。现就线粒体功能失调与肥胖型哮喘发病机制的研究进展予以综述。

1 线粒体功能失调

线粒体在生物能量和生物合成中发挥重要作用。研究表明，线粒体参与多种复杂细胞信号的传递，包括能量代谢、细胞增殖、细胞分化、细胞修复和细胞死亡等[10]。线粒体功能失调主要包括：①线粒体中维持细胞正常生命活动所需的ATP产生不足；②线粒体代谢紊乱，如线粒体钙缓冲、离子转运障碍；③线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)突变；④线粒体动力学改变；⑤ROS产生异常增多；⑥细胞凋亡增加等[11]。线粒体数量不足、功能退化及线粒体基质转运的不协调均可导致疾病过程中生物能量障碍。线粒体功能障碍既是许多疾病的结果，也参与肥胖或代谢综合征合并气道疾病等的发病机制[12]。

2 线粒体功能失调与肥胖

2.1线粒体生物合成异常与肥胖 肥胖是最常见的代谢综合征表现之一，可导致机体发生多种变化，并通过多种方式引起线粒体功能障碍。线粒体生物合成指形成新的线粒体及生成ATP的能力。线粒体是高度动态的细胞器，通过不断的融合、裂变、生物发生维持其稳定的数量和质量。线粒体生物合成是线粒体质量控制的重要组成部分，线粒体通过内外膜融合形成管网，以进行信息交换和线粒体mtDNA损伤修复。有证据表明，代谢综合征中mtDNA与核DNA的比值显著降低，主要与mtDNA损害和清除增加以及线粒体生物合成降低有关[13]。

此外，线粒体生物合成的下降与肥胖状态下的线粒体功能障碍有关。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ co-activator-1α，PGC-1α)是线粒体生物合成的主要调节因子，通过刺激核呼吸因子和线粒体转录因子A表达，使线粒体生物合成增加。内皮型一氧化氮合酶是刺激PGC-1α表达的重要因子。肥胖状态下脂肪细胞释放促炎介质(如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β)，降低内皮型一氧化氮合酶的表达，通过抑制PGC-1α减少一氧化氮的产生和线粒体生物合成。研究证实，肥胖的人和小鼠的脂肪、心肌、骨骼肌等组织中线粒体的生物合成和线粒体氧化能力下降[14-15]。

2.2氧化应激与肥胖 氧化应激是指ROS的产生和细胞的抗氧化防御之间的不平衡。在肥胖状态下，炎症、氧化应激和线粒体功能障碍相互影响[16]。内源性ROS主要由线粒体产生。肥胖时机体的促炎状态可能导致ROS产生增加，而食物摄入过量、缺乏运动均会导致线粒体能量代谢的慢性失衡，继而造成ROS产生过多以及不完全氧化物堆积[17]。在肥胖和代谢综合征中，蛋白质更新增加、胰岛素敏感性降低，导致单甲基精氨酸、对称二甲基精氨酸、不对称二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)升高，使精氨酸生物利用度降低、内皮型一氧化氮合酶产生的一氧化氮减少，从而导致ROS产生增多。肥胖促进mtDNA片段化，而片段化的mtDNA与线粒体电压依赖性阴离子通道的相互作用导致电压依赖性阴离子通道聚集形成孔隙。mtDNA片段进入细胞质，并激活传感器环鸟苷-腺苷酸合成酶，导致Ⅰ型干扰素产生、中性粒细胞激活以及ROS增多[18-19]。此外，肥胖引起的脂肪因子失衡可引起支气管上皮细胞ROS生成增加，进而导致线粒体膜破裂，引起线粒体功能障碍[9]。

解偶联蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)是位于线粒体内膜的离子/阴离子转运蛋白，在调节氧化应激、细胞代谢、细胞增殖和细胞死亡中具有关键作用。UCP2作为调节葡萄糖/脂质代谢和能量稳态的线粒体转运蛋白，其多态性在肥胖的发生和发展中起重要作用。UCP2基因参与能量消耗和胰岛素分泌，其多态性与糖尿病和肥胖有关。与非肥胖人群相比，肥胖人群白色脂肪组织中的UCP2信使RNA水平通常降低[20]。UCP2-866G/A多态性与不同种族的肥胖有关，其中G基因型与肥胖风险增加有关。与A等位基因相比，G等位基因携带者的UCP2信使RNA/蛋白质表达水平较低，且胰岛素分泌和能量消耗减少，因此G等位基因个体体内脂肪积累增加且发生胰岛素抵抗，导致ROS生成增加[21]。

线粒体不仅是产生ROS的主要场所，过量的ROS也是引起线粒体功能障碍的机制之一。ROS产生和消除的不平衡导致氧化应激反应[22]。过多的内源性ROS导致mtDNA损伤以及脂质膜、蛋白质损伤，特别是线粒体呼吸链酶损伤，ROS本身可诱导线粒体产生更多的ROS，进而导致线粒体的进一步损伤，甚至触发其自噬功能，导致功能性线粒体数量减少。

3 线粒体功能失调与哮喘

3.1线粒体基因突变与哮喘 哮喘可能与线粒体基因组遗传变异相关。有证据表明，哮喘患者存在线粒体基因组变异[23]，且母代哮喘个体所育子代的哮喘患病风险更高，可能与缺陷线粒体通过母系遗传有关[24]。呼出气氧化应激标志物水平(mtDNA/核DNA比值)随哮喘严重程度加重而显著升高[25]。线粒体转运RNA突变引起线粒体功能障碍可能是哮喘的发生机制之一[26]。存在于转运RNA-亮氨酸基因中的A3243G突变可导致严重的组合呼吸链装配缺陷[27]。含卷曲螺旋卷曲螺旋结构域3基因是一种编码线粒体内膜支架蛋白的核基因，有助于维持线粒体嵴(线粒体内膜的折叠)的完整性，线粒体嵴具有线粒体的基本功能，包括耗氧和蛋白质输入。在透射电子显微镜下，哮喘小鼠气道上皮线粒体中的线粒体嵴减少，表明哮喘患者的含卷曲螺旋卷曲螺旋结构域3基因突变可能与线粒体结构变化和功能障碍有关，如ROS产生和炎症反应[28]。当发生变态反应性炎症时，气道上皮细胞中的胞质双链DNA积累。气道上皮环鸟苷酸-腺苷酸合成酶(胞质双链DNA的主要传感器)在哮喘发病中发挥重要作用，抑制环鸟苷酸-腺苷酸合成酶可降低气道炎症及气道高反应性[29]。

3.2线粒体生物合成异常与气道重构 以气道平滑肌增生和肥大为特征的支气管平滑肌质量增加是气道重构的关键特征，其机制是通过钙依赖性地增加线粒体生物合成和氧消耗来增加支气管平滑肌细胞的增殖[30-31]。线粒体生物合成异常参与了哮喘患者的支气管平滑肌细胞增殖。在重度哮喘患者中，钙稳态的改变通过刺激钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅳ激活PGC-1α、核呼吸因子1和线粒体转录因子A，最终促进支气管平滑肌的线粒体生物合成[32]，且钙通道阻滞剂可减少气道平滑肌重构并避免哮喘加重[33]。值得注意的是，仅哮喘气道平滑肌中出现线粒体生物合成增加，而肺部其他细胞线粒体生物合成却减少。氨茶碱是治疗哮喘和其他常见肺部疾病的安全药物，其中支气管扩张剂茶碱与乙二胺的比例为2∶1，氨茶碱通过诱导PGC-1α、核呼吸因子1和线粒体转录因子A的表达，促进人肺支气管上皮细胞的线粒体生物发生，从而治疗哮喘[34]。

3.3氧化应激与哮喘 氧化应激是哮喘气道炎症的关键原因。在正常生理条件下，线粒体产生少量的ROS，有助于细胞正常的信号转导。线粒体功能紊乱导致过量ROS产生，不仅损害mtDNA和关键的氧化磷酸化蛋白质以及氧化脂质膜，还影响内质网等细胞器，最终触发细胞凋亡[35]。Kobayashi[36]的研究显示，暴露于柴油废气可增强豚鼠重复抗原给药引起的鼻过敏反应。氧化应激是香烟和臭氧等强氧化剂诱导肺损伤的关键机制，臭氧暴露激活肺组织中的核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体，诱导气道炎症和支气管高反应性，且香烟烟雾和臭氧等强氧化剂通过激活Toll样受体激活核因子κB通路，引起肺部炎症、气道高反应性和气道重构[37-39]。

线粒体氧化磷酸化的电子传递链又称线粒体呼吸链，存在于线粒体内膜上，其中呼吸链复合体Ⅲ的关键亚基泛素-细胞色素C还原酶复合物核心蛋白2与ROS的产生相关。Lyer等[40]发现，变应原豚草可增强泛素-细胞色素C还原酶复合物核心蛋白2缺乏诱导的线粒体障碍小鼠的过敏反应，并加重其气道反应性和气道重构。选择性抑制剂VX-765(胱天蛋白酶1抑制剂)和MitoTEMPO(线粒体ROS抑制剂)可降低臭氧诱导的气道炎症和气道高反应性，同时，ROS抑制剂(如N-乙酰半胱氨酸和联苯二碘铵)可抑制卵清蛋白诱导的哮喘气道炎症反应，如肺部氧化应激减少、促炎因子核因子κB p65水平降低[41]。由此可见，线粒体功能障碍与哮喘的发生有关，针对线粒体功能障碍的药物治疗可减轻哮喘症状。

4 线粒体功能失调与肥胖型哮喘

肥胖型哮喘是一种独特的临床哮喘表型，包括早发性哮喘表型和迟发性非特应性哮喘表型两种亚型，而线粒体失调可能是肥胖导致哮喘的发病因素之一。

4.1氧化应激与肥胖型哮喘L-精氨酸在一氧化氮合酶诱导下产生一氧化氮，而ADMA是一种内源性一氧化氮合酶抑制剂，可促使一氧化氮合酶解偶联，导致一氧化氮生成减少以及ROS过量产生，从而引起线粒体功能失调[42]。研究发现，一氧化氮合酶解偶联以及一氧化氮生物利用度的降低可促进肥胖型哮喘患者ROS的产生，增强其最大呼吸能力[8]。而过敏性气道炎症也与ADMA水平升高相关。研究显示，迟发性哮喘患者血浆L-精氨酸/ADMA比值降低，且其呼出一氧化氮与体质指数成反比，呼出一氧化氮减少可影响气道正常扩张功能以及哮喘患者气道对吸入性糖皮质激素治疗的反应[43-45]。另有证据表明，参与哮喘的关键炎症因子与肥胖及线粒体功能失调显著相关[42]。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠以及卵清蛋白诱导的哮喘小鼠中，白细胞介素-4和ADMA水平均升高。Pattnaik等[43]发现，白细胞介素-4促进气道上皮细胞内ADMA聚集，并因ROS过量产生而引起线粒体功能障碍，导致气道上皮损伤和气道重构[46]。氧化应激可能是肥胖合并哮喘患者合并症增加及其对常规治疗不敏感的潜在机制之一[7]。

4.2脂质代谢与肥胖型哮喘 12/15-脂氧合酶是一种非血红素铁双加氧酶，可催化脂肪细胞中过多不饱和脂肪酸的氢化氧化。研究证实，高脂饮食诱导的肥胖C57BL/6(B6)小鼠体内12/15-脂氧合酶增加，葡萄糖和胰岛素耐受性下降，而高脂饮食能维持敲除12/15-脂氧合酶小鼠的正常葡萄糖水平以及胰岛素耐受性[47]。12/15-脂氧合酶可通过其代谢物(如13-S-羟基十八碳二烯酸和12-S-羟基二十碳四烯酸)激活瞬时受体电位香草酸亚型1，从而扰乱钙稳态，增加线粒体钙超载引起的气道上皮细胞线粒体功能障碍，引起严重哮喘[48]。与哮喘相关的关键炎症因子白细胞介素-4通过上调13-S-羟基十八碳二烯酸诱导线粒体功能失调[48-50]。此外，采用13-S-羟基十八碳二烯酸幼稚小鼠的中性粒细胞明显增多，并出现呼吸困难和气道损伤[51]，表明脂质代谢失衡可能是肥胖导致哮喘发生的机制，并可能是肥胖型哮喘使用传统治疗方法效果差的原因之一。

4.3线粒体靶向药物治疗肥胖型哮喘 脂肪因子包括瘦素、脂联素和抵抗素[52]。肥胖患者体内的脂肪因子水平往往失衡，瘦素和抵抗素水平升高，而脂联素水平降低。脂肪因子的不平衡可能引起促炎反应，进而导致炎症发生。MitoQ是一种口服活性线粒体靶向抗氧化剂，具有清除线粒体ROS的能力。Chong等[9]的体外实验证明，瘦素激活人支气管上皮细胞中的线粒体ROS-核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体，导致气道炎症。MitoQ可减少人支气管上皮细胞中瘦素诱导的线粒体ROS的产生，从而进一步抑制核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3和胱天蛋白酶1信使RNA的表达。辅酶Q可通过两种方式影响UCP2活性：①与脂肪酸共同介导氧化形式的质子转移；②产生ROS和4-羟基壬烯醛的还原形式[53]。综上，线粒体功能障碍在肥胖型哮喘中发挥重要作用，且针对线粒体功能障碍的靶向药物有望用于难治性哮喘的治疗。

5 小 结

肥胖和哮喘均存在线粒体功能失调。氧化应激和线粒体生物合成下降是肥胖和哮喘中线粒体失调机制的重要重叠特征，肥胖导致的线粒体功能失调与氧化应激可能是肥胖诱导哮喘发生的机制之一。线粒体功能损害与肥胖、哮喘显著相关，但三者之间的因果关系有待进一步研究。目前认为，肥胖通过增加13-S-羟基十八碳二烯酸和ROS，引起气道上皮细胞的线粒体功能障碍，从而导致哮喘。哮喘患者存在线粒体基因组缺陷，且存在与性别相关的遗传特征，但尚缺乏与肥胖型哮喘线粒体基因组遗传改变相关的研究证据。常规哮喘治疗方案用于肥胖型哮喘治疗的效果较差，探索肥胖与哮喘的线粒体功能失调相关机制可为肥胖型哮喘的治疗提供新思路。