引用本文： 繆鑫, 林俊卿, 鄭憲友. 線粒體功能障礙在脊髓損傷中的作用及相關治療研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2022, 36(7): 902-907. doi: 10.7507/1002-1892.202203081 復制
脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種由創傷、炎癥、腫瘤等多種因素引起的中樞神經系統病變，可導致損傷平面以下感覺、運動及自主神經功能不同程度受損[1-2]，給患者和社會帶來巨大負擔[3]。目前SCI的治療策略包括手術、藥物、細胞療法等，但療效并不滿意[4-5]，因此迫切需要開發更有效的治療方式。線粒體是一種雙層膜細胞器，在三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成、Ca2+ 穩態、凋亡以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的調控等多種生理功能中扮演重要角色[6]，其功能障礙對SCI繼發性病理改變以及神經元死亡至關重要[7]。越來越多SCI模型相關研究表明線粒體功能障礙在SCI后多種細胞反應中發揮著主導作用，包括細胞死亡、免疫反應和軸突再生等[8]，給SCI修復帶來極大困難。鑒于線粒體功能障礙在SCI中的重要性，靶向SCI后線粒體功能障礙成為一種潛在治療手段。多種通過不同機制增強線粒體功能的藥物治療SCI有效。我們結合近年相關研究報道，圍繞線粒體功能障礙作為SCI的潛在治療靶點總結SCI的治療策略，為未來SCI治療藥物的開發提供思路和依據。
1 SCI后線粒體的功能改變
SCI的病理過程包括原發性損傷和繼發性損傷兩個階段[9]。原發性損傷主要是脊髓瞬間受到機械外力打擊，神經元和膠質細胞受損，微血管遭到破壞[10]。而繼發性損傷是在原發性損傷基礎上發生一系列級聯反應，最終導致神經元死亡、炎癥、膠質瘢痕形成和線粒體功能障礙等改變[11]。其中，線粒體功能障礙被認為是影響SCI后功能障礙的重要原因。在SCI繼發性損傷階段，缺血、灌注不足造成損傷區域缺乏充足的氧氣和葡萄糖供應，引起線粒體電子傳遞鏈破壞，導致線粒體功能受損，進而一方面引起線粒體ATP合成減少，另一方面引起電子從傳遞鏈中泄漏，與線粒體基質中的O2結合形成ROS，超過內源性抗氧化系統處理能力，加重SCI[12]。此外，SCI后機械介導的去極化和電壓依賴性離子通道的開放引起細胞外興奮性神經遞質谷氨酸釋放增加，進而過度激活谷氨酸受體，引起興奮性毒性[5]。谷氨酸受體的過度激活使得大量Ca2+ 涌入神經元，增加Ca2+ 膜通透性，激活磷脂酶，誘發線粒體功能障礙[8]，進而導致細胞質基質和線粒體內Ca2+ 不斷累積，觸發線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放[13]。mPTP 的開放一方面會引起線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）顯著降低抑制ATP的合成，另一方面允許H2O和其他分子進入線粒體，導致線粒體膨脹直至外膜破裂，釋放線粒體內累積的Ca2+、ROS和促凋亡蛋白（如細胞色素C）進入細胞質基質，促進細胞死亡[14]。綜上，SCI發生后，缺血、興奮性毒性、Ca2+ 超載均會引起線粒體功能障礙，進而導致ATP減少、ROS產生增加、mPTP開放，進一步促進SCI發展。
2 線粒體功能障礙在SCI中的作用及相關治療
線粒體功能障礙會引起ATP生成不足、ATP依賴性離子泵失活以及興奮性神經遞質谷氨酸重吸收，最終導致興奮性毒性、Ca2+ 超載，觸發細胞死亡級聯反應[15]。線粒體功能障礙主要表現在線粒體能量代謝、線粒體氧化應激、線粒體介導的凋亡、線粒體自噬、線粒體通透性轉換以及線粒體生物合成等方面異常。SCI后繼發性損傷階段增強線粒體功能是一種潛在的治療策略，以下將圍繞線粒體功能障礙各種機制在SCI中的作用及相關治療做一總結（圖1）。
圖1
線粒體功能障礙各種機制在SCI中的作用及相關治療
Figure1.
The role of various mechanisms of mitochondrial dysfunction in SCI and its relevant treatments
2.1 線粒體能量代謝異常
線粒體功能障礙引起的能量代謝異常在SCI中扮演重要角色。線粒體基質中丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）是線粒體呼吸過程中的關鍵酶[12]。SCI后，PDH活性明顯被抑制，丙酮酸轉化生成乙酰輔酶A過程受阻。乙酰輔酶A在三羧酸循環以及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavine adenine dinucleotide，FADH2）的生成中至關重要。NADH和FADH2在線粒體電子傳遞鏈中被氧化的同時為ATP合成提供電子，乙酰輔酶A生成受阻進一步引起ATP產生減少[12-13]。ATP的缺乏會導致由離子通道失活介導的興奮性毒性、ROS形成以及炎癥反應的激活[13]。
鑒于SCI后乙酰輔酶A產生減少，基于能量代謝途徑治療SCI需要引入一種可以作為能量來源的替代底物。乙酰左旋肉堿可以有效繞過PDH，通過線粒體中肉堿乙酰轉移酶將乙酰基團轉移至輔酶A形成乙酰輔酶A，增加乙酰輔酶A水平[16]，為三羧酸循環提供足夠乙酰輔酶A以產生足夠的NADH和FADH2，維持線粒體功能，改善SCI后的功能恢復，并保護脊髓內的白質和灰質免受進一步損傷[17]，可以作為急性SCI 后能量代謝的替代底物。雖然酮類、脂肪酸等其他底物也可以代謝成三羧酸循環的中間體，但這些物質能否作為替代能源底物尚未在SCI中得到驗證。
2.2 線粒體氧化應激異常
氧化應激是指生物體內氧化與抗氧化系統失衡，從而引起過多自由基累積的一種異常代謝狀態[3]。SCI發生后，損傷區域處于缺血缺氧狀態，線粒體功能障礙會導致自由基的產生超過超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）等內源性抗氧化劑的中和能力[18]，一方面引起脂質過氧化，嚴重損傷蛋白質和DNA，導致損傷部位神經纖維變性、脫髓鞘，甚至神經元凋亡[19]；另一方面容易擴散至損傷部位鄰近區域，擴大損傷范圍，加重繼發性損傷[20]。
針對SCI后氧化應激所引起的過多自由基累積，可以通過外源性抗氧化劑干預或者增強內源性抗氧化能力來治療SCI。α-生育酚可以清除脂質過氧自由基，改善氧化應激水平，促進SCI后運動和感覺功能恢復[12]。N-乙酰半胱氨酸酰胺是GSH前體N-乙酰半胱氨酸的一種含硫醇變體，可以提高GSH含量，改善線粒體功能障礙，促進SCI后大鼠運動感覺功能恢復[17]。體內外模型均發現GSK872 ［受體相互作用蛋白激酶3（receptor interacting protein kinase 3，RIP3）特異性抑制劑］ 能夠抑制RIP3，調節GSH和SOD，改善線粒體抗氧化能力，進而改善運動功能以及脊髓水腫[21]。此外，阻斷氧化應激相關信號通路傳導也可以作為經氧化應激途徑治療SCI的一種思路。二甲雙胍可以通過Akt/Nrf2/ARE信號通路，抑制過度氧化應激降低ROS水平，恢復線粒體功能，穩定微管，進而在SCI后起保護作用[18]。
2.3 線粒體介導的凋亡異常
細胞凋亡是一種細胞程序性死亡，可發生在神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞中[22]。由線粒體功能障礙引起的線粒體介導的凋亡，是導致SCI后持續性細胞丟失的關鍵因素[23]。在線粒體介導的凋亡中，B細胞淋巴瘤2（B cell lymphoma 2，Bcl-2）蛋白通常位于線粒體外膜上，可封閉Bcl-2相關X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）形成的孔道，阻斷細胞色素C釋放，調控細胞凋亡[24]。SCI發生后，DNA損傷、缺血和氧化應激等刺激促進線粒體介導的凋亡啟動，Bcl-2表達下降，細胞色素C從線粒體釋放進入細胞質基質中[25]，結合凋亡蛋白酶激活因子1，隨后結合半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶9（cysteinyl aspartate specific proteinase 9，Caspase-9）前體形成凋亡小體，激活Caspase-9觸發Caspase級聯反應，最終導致細胞凋亡[26]。
針對SCI后線粒體介導的凋亡，可以通過靶向線粒體介導凋亡的上游通路來治療SCI。MK801（又稱地佐環平/地卓西平，是一種中樞神經系統/抗癲癇/腦保護/精神類藥物）能靶向拮抗凋亡通路上游N-甲基-D-天冬氨酸受體，減少神經元凋亡，改善SCI后的運動功能[25]。山楂葉總黃酮可以促進Bcl-2表達，降低Bax表達水平，減少線粒體介導的凋亡，并發揮神經保護作用，促進SCI大鼠運動功能恢復[27]。此外，黃苓苷可以通過PI3K/Akt信號通路，來抑制SCI后的血脊髓屏障通透性并減少神經元凋亡[28]，表明線粒體介導的凋亡信號通路也可以作為SCI的潛在治療靶點。
2.4 線粒體自噬異常
線粒體自噬是通過自噬降解受損線粒體釋放細胞中潛在的損傷蛋白過程，對線粒體質量以及細胞穩態的維持具有重要生理作用[25]。SCI發生后，線粒體功能障礙會引起MMP下降，抑制人第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源基因誘導的假定激酶1（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten gene-induced putative kinase 1，PINK1）進入線粒體內，導致PINK1不斷聚集在線粒體外膜上，進而招募并激活Parkin（一種E3泛素連接酶）。活化的Parkin會進一步泛素化Nip3樣蛋白X（Nip3-like protein X，NIX）等自噬相關受體，促進自噬體形成，介導線粒體自噬的發生，在SCI后神經元凋亡中起重要作用[29]。
多項研究結果表明，通過外加干預增強線粒體自噬可以改善線粒體功能，減輕神經元凋亡，有利于SCI修復[30]。樺木酸能夠提高NIX、Parkin表達，恢復自噬通量激活線粒體自噬，清除聚集的ROS，顯著促進SCI后的功能恢復[31]。Liu等[32]在脊髓缺血-再灌注損傷體內模型中發現，下調miRNA-124表達具有神經保護作用，這種保護作用被證明與誘導線粒體自噬有關。有研究顯示，雷帕霉素在小鼠SCI模型中促進p62和Parkin向損傷線粒體易位增強線粒體自噬，同時抑制細胞凋亡，進而促進運動功能的恢復[33]。然而，目前關于線粒體功能障礙介導的線粒體自噬對于SCI后的修復作用尚存在一定爭議，其自噬可能是SCI潛在的治療靶點，但誘導線粒體自噬能否促進SCI修復有待進一步研究闡明。
2.5 線粒體通透性轉換異常
線粒體通透性轉換是由于多種因素引起mPTP開放，導致線粒體內膜通透性急劇增加的現象[34]。SCI發生后，細胞質Ca2+ 緩沖能力下降，大量Ca2+ 通過谷氨酸受體進入細胞質，線粒體功能障礙會導致線粒體中Ca2+ 累積，觸發mPTP開放[13]，一方面引起MMP顯著降低和質子梯度丟失，ATP產生減少，進而破壞細胞的正常代謝并最終導致細胞凋亡[34]；另一方面增加H2O和其他分子進入線粒體，導致線粒體基質在與細胞質基質平衡過程中不斷膨脹，直至外膜破裂，Ca2+、ROS和促凋亡蛋白（如細胞色素C）釋放到細胞質基質促進細胞凋亡[12]。
通過抑制mPTP形成，阻斷線粒體通透性轉換，進而保護線粒體功能，可能對SCI的治療有顯著益處。免疫抑制劑環孢菌素A（cyclosporin，CsA）通過結合mPTP組成部分親環蛋白D（cyclo-philin D，Cyp-D）抑制mPTP，進而抑制線粒體通透性轉換，增強線粒體功能和減少中樞神經系統細胞凋亡[31]。然而，CsA在SCI中的神經保護作用仍然存在爭議，同時考慮到CsA毒性作用大[35]，因此將其作為治療劑不太理想。N-甲基異亮氨酸環孢菌素（N-methyl-isoleucine-cyclosporin，NIM811）是一種CsA衍生物，也通過結合Cyp-D抑制mPTP介導神經保護作用，并且毒性作用小，低劑量可顯著改善運動恢復，而較高劑量可增加脊髓組織保留和反射性膀胱控制[36]。目前關于NIM811治療SCI效果的研究有限，有待進一步研究。
2.6 線粒體生物合成異常
線粒體生物合成是指具有功能的線粒體合成的一個動態過程[37-38]。Ca2+ 和ATP水平是觸發線粒體生物合成的主要因素，其機制主要是受到過氧化酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome-proliferator-activated γ co-activator-1α，PGC-1α）/核呼吸因子1和2（nuclear respiration factors 1 and 2，NRF-1/2）/線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）通路調控。SCI發生后，線粒體功能障礙會引起ATP減少以及細胞內Ca2+ 水平增加，PGC-1α表達下降，PGC-1α/NRF-1/2/TFAM通路受到抑制，線粒體生物合成減少[39]。Hu等[40-41]發現大鼠SCI模型中PGC-1α表達下降，通過維持或者過表達PGC-1α 可減少神經元凋亡，改善大鼠運動功能恢復，表明SCI后通過增加PGC-1α表達和促進線粒體生物合成具有潛在的治療獲益。
線粒體生物合成的藥理激活可以通過激活β2-腎上腺素能受體和5-羥色胺1F（5-hydroxytryptamine 1F，5-HT1F）受體來啟動。β2-腎上腺素能受體激動劑福莫特羅可以促進SCI大鼠模型線粒體生物合成，增加腓腸肌和受損脊髓的線粒體數量，顯著改善SCI后運動功能的恢復，這種作用被證明與福莫特羅阻止SCI后PGC-1α表達減少相關[42-43]。5-HT1F受體激動劑LY344864和lasmiditan也能夠誘導SCI后線粒體生物合成，改善線粒體穩態、血腦屏障完整性和運動功能[37，44]。盡管目前仍然處于探索狀態，但通過誘導線粒體生物合成減輕線粒體功能障礙以促進SCI恢復，可以作為未來藥物開發的新思路。
3 小結與展望
線粒體功能障礙是SCI繼發性損傷階段的重要特點，涉及線粒體能量代謝、線粒體氧化應激、線粒體介導的凋亡、線粒體自噬、線粒體通透性轉換以及線粒體生物合成等方面異常，在SCI發展中起著重要作用。其中，線粒體能量代謝、線粒體氧化應激和線粒體通透性轉換異常同時也是引起線粒體自噬異常、線粒體介導的凋亡和線粒體生物合成障礙的重要原因，及時糾正線粒體能量代謝異常、抑制線粒體氧化應激以及線粒體通透性轉換，可能是比較關鍵的線粒體功能保護策略。
多種通過增強線粒體功能的藥物經研究證明治療SCI有效，但目前研究主要局限于SCI動物模型，這些藥物對人體SCI是否有效以及藥物的用量和安全性，還需要更多基礎研究和臨床試驗驗證。此外，SCI病理過程復雜涉及多種機制，單一增強線粒體功能的治療策略可能無法在SCI后提供全面保護，可能需要聯合多靶點治療，比如增強線粒體功能的藥物與抗炎藥物聯合使用。因此需要更詳細地了解兩者作用靶點以及它們之間的相互作用，以確定更為安全有效的治療方式。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
作者貢獻聲明 繆鑫：文獻查閱、文章撰寫；林俊卿：資料分析、文章修改；鄭憲友：選題設計、文章審核
脊髓損傷（spinal cord injury，SCI）是一種由創傷、炎癥、腫瘤等多種因素引起的中樞神經系統病變，可導致損傷平面以下感覺、運動及自主神經功能不同程度受損[1-2]，給患者和社會帶來巨大負擔[3]。目前SCI的治療策略包括手術、藥物、細胞療法等，但療效并不滿意[4-5]，因此迫切需要開發更有效的治療方式。線粒體是一種雙層膜細胞器，在三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）合成、Ca2+ 穩態、凋亡以及活性氧（reactive oxygen species，ROS）的調控等多種生理功能中扮演重要角色[6]，其功能障礙對SCI繼發性病理改變以及神經元死亡至關重要[7]。越來越多SCI模型相關研究表明線粒體功能障礙在SCI后多種細胞反應中發揮著主導作用，包括細胞死亡、免疫反應和軸突再生等[8]，給SCI修復帶來極大困難。鑒于線粒體功能障礙在SCI中的重要性，靶向SCI后線粒體功能障礙成為一種潛在治療手段。多種通過不同機制增強線粒體功能的藥物治療SCI有效。我們結合近年相關研究報道，圍繞線粒體功能障礙作為SCI的潛在治療靶點總結SCI的治療策略，為未來SCI治療藥物的開發提供思路和依據。
1 SCI后線粒體的功能改變
SCI的病理過程包括原發性損傷和繼發性損傷兩個階段[9]。原發性損傷主要是脊髓瞬間受到機械外力打擊，神經元和膠質細胞受損，微血管遭到破壞[10]。而繼發性損傷是在原發性損傷基礎上發生一系列級聯反應，最終導致神經元死亡、炎癥、膠質瘢痕形成和線粒體功能障礙等改變[11]。其中，線粒體功能障礙被認為是影響SCI后功能障礙的重要原因。在SCI繼發性損傷階段，缺血、灌注不足造成損傷區域缺乏充足的氧氣和葡萄糖供應，引起線粒體電子傳遞鏈破壞，導致線粒體功能受損，進而一方面引起線粒體ATP合成減少，另一方面引起電子從傳遞鏈中泄漏，與線粒體基質中的O2結合形成ROS，超過內源性抗氧化系統處理能力，加重SCI[12]。此外，SCI后機械介導的去極化和電壓依賴性離子通道的開放引起細胞外興奮性神經遞質谷氨酸釋放增加，進而過度激活谷氨酸受體，引起興奮性毒性[5]。谷氨酸受體的過度激活使得大量Ca2+ 涌入神經元，增加Ca2+ 膜通透性，激活磷脂酶，誘發線粒體功能障礙[8]，進而導致細胞質基質和線粒體內Ca2+ 不斷累積，觸發線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放[13]。mPTP 的開放一方面會引起線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）顯著降低抑制ATP的合成，另一方面允許H2O和其他分子進入線粒體，導致線粒體膨脹直至外膜破裂，釋放線粒體內累積的Ca2+、ROS和促凋亡蛋白（如細胞色素C）進入細胞質基質，促進細胞死亡[14]。綜上，SCI發生后，缺血、興奮性毒性、Ca2+ 超載均會引起線粒體功能障礙，進而導致ATP減少、ROS產生增加、mPTP開放，進一步促進SCI發展。
2 線粒體功能障礙在SCI中的作用及相關治療
線粒體功能障礙會引起ATP生成不足、ATP依賴性離子泵失活以及興奮性神經遞質谷氨酸重吸收，最終導致興奮性毒性、Ca2+ 超載，觸發細胞死亡級聯反應[15]。線粒體功能障礙主要表現在線粒體能量代謝、線粒體氧化應激、線粒體介導的凋亡、線粒體自噬、線粒體通透性轉換以及線粒體生物合成等方面異常。SCI后繼發性損傷階段增強線粒體功能是一種潛在的治療策略，以下將圍繞線粒體功能障礙各種機制在SCI中的作用及相關治療做一總結（圖1）。
圖1
線粒體功能障礙各種機制在SCI中的作用及相關治療
Figure1.
The role of various mechanisms of mitochondrial dysfunction in SCI and its relevant treatments
2.1 線粒體能量代謝異常
線粒體功能障礙引起的能量代謝異常在SCI中扮演重要角色。線粒體基質中丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）是線粒體呼吸過程中的關鍵酶[12]。SCI后，PDH活性明顯被抑制，丙酮酸轉化生成乙酰輔酶A過程受阻。乙酰輔酶A在三羧酸循環以及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavine adenine dinucleotide，FADH2）的生成中至關重要。NADH和FADH2在線粒體電子傳遞鏈中被氧化的同時為ATP合成提供電子，乙酰輔酶A生成受阻進一步引起ATP產生減少[12-13]。ATP的缺乏會導致由離子通道失活介導的興奮性毒性、ROS形成以及炎癥反應的激活[13]。
鑒于SCI后乙酰輔酶A產生減少，基于能量代謝途徑治療SCI需要引入一種可以作為能量來源的替代底物。乙酰左旋肉堿可以有效繞過PDH，通過線粒體中肉堿乙酰轉移酶將乙酰基團轉移至輔酶A形成乙酰輔酶A，增加乙酰輔酶A水平[16]，為三羧酸循環提供足夠乙酰輔酶A以產生足夠的NADH和FADH2，維持線粒體功能，改善SCI后的功能恢復，并保護脊髓內的白質和灰質免受進一步損傷[17]，可以作為急性SCI 后能量代謝的替代底物。雖然酮類、脂肪酸等其他底物也可以代謝成三羧酸循環的中間體，但這些物質能否作為替代能源底物尚未在SCI中得到驗證。
2.2 線粒體氧化應激異常
氧化應激是指生物體內氧化與抗氧化系統失衡，從而引起過多自由基累積的一種異常代謝狀態[3]。SCI發生后，損傷區域處于缺血缺氧狀態，線粒體功能障礙會導致自由基的產生超過超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）等內源性抗氧化劑的中和能力[18]，一方面引起脂質過氧化，嚴重損傷蛋白質和DNA，導致損傷部位神經纖維變性、脫髓鞘，甚至神經元凋亡[19]；另一方面容易擴散至損傷部位鄰近區域，擴大損傷范圍，加重繼發性損傷[20]。
針對SCI后氧化應激所引起的過多自由基累積，可以通過外源性抗氧化劑干預或者增強內源性抗氧化能力來治療SCI。α-生育酚可以清除脂質過氧自由基，改善氧化應激水平，促進SCI后運動和感覺功能恢復[12]。N-乙酰半胱氨酸酰胺是GSH前體N-乙酰半胱氨酸的一種含硫醇變體，可以提高GSH含量，改善線粒體功能障礙，促進SCI后大鼠運動感覺功能恢復[17]。體內外模型均發現GSK872 ［受體相互作用蛋白激酶3（receptor interacting protein kinase 3，RIP3）特異性抑制劑］ 能夠抑制RIP3，調節GSH和SOD，改善線粒體抗氧化能力，進而改善運動功能以及脊髓水腫[21]。此外，阻斷氧化應激相關信號通路傳導也可以作為經氧化應激途徑治療SCI的一種思路。二甲雙胍可以通過Akt/Nrf2/ARE信號通路，抑制過度氧化應激降低ROS水平，恢復線粒體功能，穩定微管，進而在SCI后起保護作用[18]。
2.3 線粒體介導的凋亡異常
細胞凋亡是一種細胞程序性死亡，可發生在神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞中[22]。由線粒體功能障礙引起的線粒體介導的凋亡，是導致SCI后持續性細胞丟失的關鍵因素[23]。在線粒體介導的凋亡中，B細胞淋巴瘤2（B cell lymphoma 2，Bcl-2）蛋白通常位于線粒體外膜上，可封閉Bcl-2相關X蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）形成的孔道，阻斷細胞色素C釋放，調控細胞凋亡[24]。SCI發生后，DNA損傷、缺血和氧化應激等刺激促進線粒體介導的凋亡啟動，Bcl-2表達下降，細胞色素C從線粒體釋放進入細胞質基質中[25]，結合凋亡蛋白酶激活因子1，隨后結合半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶9（cysteinyl aspartate specific proteinase 9，Caspase-9）前體形成凋亡小體，激活Caspase-9觸發Caspase級聯反應，最終導致細胞凋亡[26]。
針對SCI后線粒體介導的凋亡，可以通過靶向線粒體介導凋亡的上游通路來治療SCI。MK801（又稱地佐環平/地卓西平，是一種中樞神經系統/抗癲癇/腦保護/精神類藥物）能靶向拮抗凋亡通路上游N-甲基-D-天冬氨酸受體，減少神經元凋亡，改善SCI后的運動功能[25]。山楂葉總黃酮可以促進Bcl-2表達，降低Bax表達水平，減少線粒體介導的凋亡，并發揮神經保護作用，促進SCI大鼠運動功能恢復[27]。此外，黃苓苷可以通過PI3K/Akt信號通路，來抑制SCI后的血脊髓屏障通透性并減少神經元凋亡[28]，表明線粒體介導的凋亡信號通路也可以作為SCI的潛在治療靶點。
2.4 線粒體自噬異常
線粒體自噬是通過自噬降解受損線粒體釋放細胞中潛在的損傷蛋白過程，對線粒體質量以及細胞穩態的維持具有重要生理作用[25]。SCI發生后，線粒體功能障礙會引起MMP下降，抑制人第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源基因誘導的假定激酶1（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten gene-induced putative kinase 1，PINK1）進入線粒體內，導致PINK1不斷聚集在線粒體外膜上，進而招募并激活Parkin（一種E3泛素連接酶）。活化的Parkin會進一步泛素化Nip3樣蛋白X（Nip3-like protein X，NIX）等自噬相關受體，促進自噬體形成，介導線粒體自噬的發生，在SCI后神經元凋亡中起重要作用[29]。
多項研究結果表明，通過外加干預增強線粒體自噬可以改善線粒體功能，減輕神經元凋亡，有利于SCI修復[30]。樺木酸能夠提高NIX、Parkin表達，恢復自噬通量激活線粒體自噬，清除聚集的ROS，顯著促進SCI后的功能恢復[31]。Liu等[32]在脊髓缺血-再灌注損傷體內模型中發現，下調miRNA-124表達具有神經保護作用，這種保護作用被證明與誘導線粒體自噬有關。有研究顯示，雷帕霉素在小鼠SCI模型中促進p62和Parkin向損傷線粒體易位增強線粒體自噬，同時抑制細胞凋亡，進而促進運動功能的恢復[33]。然而，目前關于線粒體功能障礙介導的線粒體自噬對于SCI后的修復作用尚存在一定爭議，其自噬可能是SCI潛在的治療靶點，但誘導線粒體自噬能否促進SCI修復有待進一步研究闡明。
2.5 線粒體通透性轉換異常
線粒體通透性轉換是由于多種因素引起mPTP開放，導致線粒體內膜通透性急劇增加的現象[34]。SCI發生后，細胞質Ca2+ 緩沖能力下降，大量Ca2+ 通過谷氨酸受體進入細胞質，線粒體功能障礙會導致線粒體中Ca2+ 累積，觸發mPTP開放[13]，一方面引起MMP顯著降低和質子梯度丟失，ATP產生減少，進而破壞細胞的正常代謝并最終導致細胞凋亡[34]；另一方面增加H2O和其他分子進入線粒體，導致線粒體基質在與細胞質基質平衡過程中不斷膨脹，直至外膜破裂，Ca2+、ROS和促凋亡蛋白（如細胞色素C）釋放到細胞質基質促進細胞凋亡[12]。
通過抑制mPTP形成，阻斷線粒體通透性轉換，進而保護線粒體功能，可能對SCI的治療有顯著益處。免疫抑制劑環孢菌素A（cyclosporin，CsA）通過結合mPTP組成部分親環蛋白D（cyclo-philin D，Cyp-D）抑制mPTP，進而抑制線粒體通透性轉換，增強線粒體功能和減少中樞神經系統細胞凋亡[31]。然而，CsA在SCI中的神經保護作用仍然存在爭議，同時考慮到CsA毒性作用大[35]，因此將其作為治療劑不太理想。N-甲基異亮氨酸環孢菌素（N-methyl-isoleucine-cyclosporin，NIM811）是一種CsA衍生物，也通過結合Cyp-D抑制mPTP介導神經保護作用，并且毒性作用小，低劑量可顯著改善運動恢復，而較高劑量可增加脊髓組織保留和反射性膀胱控制[36]。目前關于NIM811治療SCI效果的研究有限，有待進一步研究。
2.6 線粒體生物合成異常
線粒體生物合成是指具有功能的線粒體合成的一個動態過程[37-38]。Ca2+ 和ATP水平是觸發線粒體生物合成的主要因素，其機制主要是受到過氧化酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome-proliferator-activated γ co-activator-1α，PGC-1α）/核呼吸因子1和2（nuclear respiration factors 1 and 2，NRF-1/2）/線粒體轉錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）通路調控。SCI發生后，線粒體功能障礙會引起ATP減少以及細胞內Ca2+ 水平增加，PGC-1α表達下降，PGC-1α/NRF-1/2/TFAM通路受到抑制，線粒體生物合成減少[39]。Hu等[40-41]發現大鼠SCI模型中PGC-1α表達下降，通過維持或者過表達PGC-1α 可減少神經元凋亡，改善大鼠運動功能恢復，表明SCI后通過增加PGC-1α表達和促進線粒體生物合成具有潛在的治療獲益。
線粒體生物合成的藥理激活可以通過激活β2-腎上腺素能受體和5-羥色胺1F（5-hydroxytryptamine 1F，5-HT1F）受體來啟動。β2-腎上腺素能受體激動劑福莫特羅可以促進SCI大鼠模型線粒體生物合成，增加腓腸肌和受損脊髓的線粒體數量，顯著改善SCI后運動功能的恢復，這種作用被證明與福莫特羅阻止SCI后PGC-1α表達減少相關[42-43]。5-HT1F受體激動劑LY344864和lasmiditan也能夠誘導SCI后線粒體生物合成，改善線粒體穩態、血腦屏障完整性和運動功能[37，44]。盡管目前仍然處于探索狀態，但通過誘導線粒體生物合成減輕線粒體功能障礙以促進SCI恢復，可以作為未來藥物開發的新思路。
3 小結與展望
線粒體功能障礙是SCI繼發性損傷階段的重要特點，涉及線粒體能量代謝、線粒體氧化應激、線粒體介導的凋亡、線粒體自噬、線粒體通透性轉換以及線粒體生物合成等方面異常，在SCI發展中起著重要作用。其中，線粒體能量代謝、線粒體氧化應激和線粒體通透性轉換異常同時也是引起線粒體自噬異常、線粒體介導的凋亡和線粒體生物合成障礙的重要原因，及時糾正線粒體能量代謝異常、抑制線粒體氧化應激以及線粒體通透性轉換，可能是比較關鍵的線粒體功能保護策略。
多種通過增強線粒體功能的藥物經研究證明治療SCI有效，但目前研究主要局限于SCI動物模型，這些藥物對人體SCI是否有效以及藥物的用量和安全性，還需要更多基礎研究和臨床試驗驗證。此外，SCI病理過程復雜涉及多種機制，單一增強線粒體功能的治療策略可能無法在SCI后提供全面保護，可能需要聯合多靶點治療，比如增強線粒體功能的藥物與抗炎藥物聯合使用。因此需要更詳細地了解兩者作用靶點以及它們之間的相互作用，以確定更為安全有效的治療方式。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突
作者貢獻聲明 繆鑫：文獻查閱、文章撰寫；林俊卿：資料分析、文章修改；鄭憲友：選題設計、文章審核
