引用本文： 袁剛, 張一凡, 龔建平. 線粒體在膿毒癥期間的代謝特點. 中國普外基礎與臨床雜志, 2022, 29(9): 1240-1245. doi: 10.7507/1007-9424.202203024 復制
膿毒癥是因宿主免疫系統對感染的異常反應而導致的全身炎癥反應綜合征，可導致致命的多器官功能障礙。Lancet雜志報道了1990–2017年期間膿毒癥的流行病學特點，2017年全球共記錄約4 890萬膿毒癥病例，膿毒癥相關死亡病例約1 100萬，其病死率達到了19.7%[1]。多年來，研究者們一直試圖從炎癥方面治療膿毒癥，如抗菌治療和器官支持治療[2]。近年來，由于膿毒癥被重新定義以及來自臨床的需求，使得膿毒癥的治療方式有創新性改變，如目前的機體代謝、微生物群和晝夜節律研究正在成為熱點。在膿毒癥期間，患者的物質代謝會發生改變，其中線粒體可通過調節細胞代謝而影響疾病的發展。早期研究[3-4]已表明，線粒體的功能障礙與膿毒癥的病程進展有關且會影響患者的預后[5]，而且其在維持細胞完整性、啟動程序性細胞死亡以及應激反應中也擔任著重要的角色[3]。因此，線粒體在細胞內維持穩態的這種功能很可能與敗血癥導致的相關代謝紊亂及器官功能障礙之間有很大的聯系。基于上述設想，本綜述著重分析了線粒體在膿毒癥期間的代謝特點以及膿毒癥環境下對線粒體功能產生的影響。
1 膿毒癥期間的代謝變化
膿毒癥是重癥監護病房患者死亡的主要原因，可由多種病原體引起，病原體可進入血液釋放內毒素，引起不良反應。根據膿毒癥新的定義，即膿毒癥是由于機體對感染的反應失調而導致的危及生命的多器官功能障礙[1]。與以前的定義相比，新的定義不僅關注其炎癥反應，更強調膿毒癥所導致的全身代謝紊亂。在膿毒癥環境下，機體的合成與分解代謝會受到干擾，二者間維持的平衡被打破，即發生代謝紊亂。
膿毒癥涉及多種病理過程，包括病原體入侵、持續過度炎癥、免疫抑制及多器官功能障礙[4]。感染一旦發生，宿主首先激活炎癥細胞以對抗病原體，若病原體數量過多則會導致宿主免疫反應失調，從而造成內環境紊亂。膿毒癥期間發生的全身性炎癥反應則是先天性免疫系統過度激活導致的，在此過程中，巨噬細胞被大量激活，可產生大量促炎因子，如白細胞介素（interleukin，IL）-6、-10、-1β和腫瘤壞死因子-α，同時伴隨一些相關的炎癥信號通路的激活。膿毒癥也會導致晚期感染和病程伴隨的細胞死亡現象。在使用盲腸結扎穿孔誘導的膿毒癥小鼠模型[6]中觀察到淋巴細胞出現廣泛的凋亡現象并伴有免疫功能抑制，提示細胞凋亡可能是膿毒癥期間發生免疫抑制的一個關鍵機制；此外，當膿毒癥患者的抗原提呈能力喪失時，其抗原特異性的抗體反應會受到抑制，這是膿毒癥期間發生免疫抑制的另一個主要因素[7]。另外，器官損傷是膿毒癥導致死亡的主要原因，其中過度的炎癥反應和免疫抑制現象最終會引起心臟、腎、肺等重要器官受到嚴重的損傷。
2 線粒體的生理功能
2.1 線粒體的基本功能
線粒體是真核生物的細胞能量工廠，通過三羧酸循環和呼吸電子傳遞鏈氧化丙酮酸、谷氨酰胺、脂肪酸等營養素，由此生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）；除產生ATP外，線粒體也參與生物大分子（如蛋白質等）以及信號蛋白翻譯后修飾（如磷酸化、乙酰化等）所需中間產物的合成；線粒體還參與了先天性免疫和適應性免疫的過程，可通過供給能量、調整細胞代謝來參與激活免疫細胞的功能。線粒體的基本功能主要表現在其呼吸電子傳遞鏈上，該鏈主要由復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ以及FoF1-ATP酶組成[8]。在脂肪酸進行β氧化產生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸后，它們分別通過復合體Ⅰ和Ⅱ進行電子傳遞，在電子通過復合體Ⅲ傳遞到復合體Ⅳ之后，氧被利用還原成水，而位于線粒體內膜上的FoF1-ATP酶則進行ATP的生成；此外，線粒體的呼吸電子傳遞鏈也是活性氧生成的重要場所，并控制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的比率，此二者也是調控細胞活動的重要因素。
2.2 線粒體的自我修復功能
在生理條件下，線粒體的融合和有絲分裂在細胞能量代謝中起著關鍵作用。當線粒體受到損傷時，受損的線粒體可通過有絲分裂作用變成2個子線粒體，再與正常的線粒體融合，以減少損傷反應，此為融合過程。線粒體的有絲分裂可使受損的線粒體與正常線粒體分開，以保證正常的線粒體功能。若分裂出來的線粒體受損嚴重，則會經歷線粒體的有絲分裂吞噬過程，即對受損的線粒體進行選擇性降解并將降解的成分進行回收利用，以改善細胞狀態[9]。
線粒體自噬也是線粒體重要的自我修復方式之一。自噬是一個高度保守的生理過程，無論是在生理還是病理環境下，自噬對于維持細胞內環境穩態都具有重要作用。自噬的過程主要包括自噬體的形成、自噬體運送至溶酶體、溶酶體與自噬體結合以及自噬體中底物的降解[10]，該過程可以清除受損的線粒體，這對維持其正常結構和功能十分重要。另外，線粒體內容物被包被并形成了自噬小體，隨后被運送至溶酶體處進行降解，此過程避免了氧化應激反應的發生，因此并不會引起細胞的凋亡和焦亡。
3 膿毒癥期間線粒體形態與功能發生的改變
3.1 線粒體超微結構的損傷
膿毒癥期間，線粒體會因為多種原因受到不同程度的損害。以膿毒癥誘導的心肌病為例，有研究[11]發現，患者心肌細胞中線粒體的超微結構發生了異常，包括線粒體腫脹、嵴消失、基質減少、內囊泡破裂、內外膜損傷等，這些超微結構與線粒體的正常生理活動密切相關。也有研究[12]表明，在膿毒癥期間，因線粒體超微結構的改變可能導致線粒體呼吸電子傳遞鏈的中斷，進而引起氧化磷酸過程被中斷，使ATP的合成受到抑制，而為了維持線粒體的膜電位、防止因膜電位失衡導致的離子代謝紊亂而引發的惡性循環，線粒體會在一定程度上負性調節FoF1-ATP酶的活性，從而使殘余的ATP能得到利用。膿毒癥造成線粒體超微結構的損傷，使受損的線粒體不僅失去了正常的功能，而且還會對細胞造成嚴重的損害。
3.2 線粒體通過選擇性自噬（有絲分裂吞噬）維持細胞功能
當膿毒癥發生時，及時保證機體內正常線粒體的功能并清除受損的線粒體十分重要。在膿毒癥中，自噬被認為是減少細胞損傷和細胞凋亡的重要機制，維持機體的自噬過程會有助于限制膿毒癥誘導的器官損傷[13]。有研究結果[14]表明，當自噬反應減弱時，半胱天冬酶-1的激活增強、IL-1β的生成和分泌會增加，從而導致過度炎癥反應，這也是膿毒癥的主要誘因。
選擇性自噬可以專門識別和降解某種特定物質，使得細胞能夠適應不斷變化的環境并消除受損的細胞器[15]。當受到不同刺激時，線粒體可能會出現形態障礙和功能異常，此時則需通過選擇性自噬清除受損線粒體，保證細胞內線粒體質量。有絲分裂吞噬是目前研究最多的細胞器選擇性自噬類型之一，其在維持線粒體質量過程中起著重要作用[16]。以膿毒癥導致的腎臟損傷為例，研究者們[17]觀察到大鼠模型的腎小管上皮細胞中有大量線粒體發生斷裂的現象，提示線粒體的有絲分裂作用在此病理過程中十分重要，同時在體內外的膿毒癥腎損傷模型研究中采用線粒體動力相關蛋白1的蛋白抑制劑Mdivi-1可以抑制線粒體的有絲分裂過程，使炎癥相關蛋白NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3的表達量降低，改善線粒體功能，減少細胞焦亡，結果提示了在膿毒癥中線粒體過度的有絲分裂也可能對細胞產生負面影響。
在膿毒癥的發展過程中，有絲分裂吞噬在對抗氧化應激方面至關重要。有研究[18]發現，在氧化應激下，線粒體膜的通透性增加，膜電位降低，使蛋白激酶磷酸酶及張力蛋白同源物誘導的激酶1可以在線粒體外膜上穩定存在；當其進一步招募Parkin蛋白則會導致線粒體外膜的泛素化和磷酸化，并最終使泛素化的線粒體與自噬相關蛋白LC3結合形成自噬小體；該研究還發現，B細胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）家族的兩種重組蛋白Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3及Bcl-2腺病毒E1B19 kD蛋白相互作用蛋白3類似物位于受損線粒體外，直接與自噬相關蛋白LC3作用啟動自噬過程。另有研究[19]報道，當抑制了大鼠腎小管上皮細胞的磷酸酶及張力蛋白同源物誘導的激酶1/Parkin通路后，線粒體自噬過程受到影響，細胞凋亡過程以及腎功能均受到損害。因此，有絲分裂吞噬可能成為膿毒癥的一個新的治療靶點。
3.3 氧化應激狀態下的線粒體
當組織和細胞中的活性氧因某種因素增加后，可能導致線粒體生物發生減少、膜電位改變、線粒體數量下降等后果，進而破壞細胞穩態，最終導致細胞死亡；在產生過量的活性氧之后，細胞處于氧化應激狀態，DNA、蛋白質、脂質等物質發生大量的氧化修飾，導致細胞代謝紊亂；此外，過量的活性氧還會直接破壞線粒體的結構，進一步加劇活性氧的生物合成，形成惡性循環[20]。有研究[15]發現，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶氧化酶家族（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX）的細胞內水平也會影響活性氧的產生，已觀察到，在膿毒癥期間，小鼠內皮細胞中NOX1、NOX2和NOX4的水平上升，在用siRNA干擾NOX1和NOX4之后，活性氧的生成顯著降低；另有研究[21]報道，用脂多糖刺激后，NOX4的激活得到增強，導致細胞中的氧化損傷。
此外，在低氧條件下，葡萄糖氧化呼吸類型發生改變，有氧糖酵解水平增加，同時丙酮酸在酶的作用下轉化為乳酸，葡萄糖氧化磷酸化和電子呼吸傳遞鏈被阻斷，大量的丙酮酸積聚在線粒體中生成琥珀酸，而當組織突然恢復供氧時，琥珀酸被迅速氧化，導致過量的超氧陰離子的形成；另外，在正常情況下，位于線粒體內膜上的三種酶復合體Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ產生的超氧陰離子可被超氧化物歧化酶轉化為過氧化氫，后者又被過氧化氫酶分解為水[22]，在此過程中，超氧化物歧化酶/過氧化氫酶活性比值對維持細胞內氧化應激水平非常重要；還有研究結果[23]表明，在脂多糖刺激或膿毒癥情況下，多個器官和組織的超氧化物歧化酶/過氧化氫酶比值顯著增加，同時還伴隨著谷胱甘肽等還原物質和酶水平的下降。
炎癥和氧化應激引起的線粒體功能障礙進一步導致細胞的凋亡、壞死。有研究[24]表明，氧化應激反應可攻擊線粒體外膜上的脂質成分，將其氧化并與細胞色素C解偶聯，當線粒體膜脂質被破壞后，細胞色素C被釋放到胞質中并激活caspase家族，誘導細胞凋亡。另有研究[25]表明，活性氧還可通過JNK/p38絲裂原活化蛋白激酶信號通路或直接磷酸化激活Bcl-2相關X蛋白，后者以二聚體的形式轉移到線粒體，導致細胞色素C的釋放，誘導細胞凋亡。此外，活性氧也可以通過激活p53，抑制線粒體保護蛋白Bcl-2并進一步激活Bcl-2相關X蛋白復合物，在線粒體外膜上形成膜孔，釋放線粒體的細胞色素C，從而導致細胞凋亡[18]。同時線粒體內的其他物質，包括受損的膜脂質、ATP以及線粒體DNA的氧化形態也均被釋放到細胞質中，這些物質均可以與NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（該蛋白是一種重要的細胞內受體，在細胞焦亡中起到了關鍵作用）進行結合，進而導致細胞凋亡或焦亡[26]。
3.4 亞硝化應激狀態下的線粒體
亞硝化應激是一種重要的氧代謝紊亂的形式，常與心肌缺血再灌注損傷、心力衰竭、高血壓等心血管疾病密切相關。亞硝化應激是指當體內出現氧代謝紊亂時，一氧化氮和超氧化物之間發生的一種聯合生化反應，在這一過程中生成的過氧亞硝酸根陰離子可以使如蛋白質、脂質、DNA等多種物質硝酸化，進而生成3-硝基酪氨酸并最終導致細胞死亡。亞硝化的應激源一氧化氮是由一氧化氮合酶合成的，已有研究[27]證明，在膿毒癥期間，所有一氧化氮合酶亞型的生成均會增加并通過上述過程對細胞造成損害；此外，過氧亞硝酸鹽還會直接損傷線粒體膜并抑制呼吸鏈復合體，從而導致線粒體功能障礙[28]。已有研究[29]證明，通過使用一氧化氮合酶抑制劑可有效減輕膿毒癥誘導的腎功能不全，提高患者的存活率。
3.5 膿毒癥引起的鈣超載現象與線粒體膜通透性的改變
當一些有害因素引起鈣平衡系統功能失調而導致鈣濃度的異常升高，稱為鈣超載現象。有研究[11]發現，膿毒癥誘導的心肌病中，其心肌細胞的細胞質中鈣離子通過單向轉運通道進入線粒體，導致線粒體內出現鈣超載。此外，線粒體和內質網之間的“鈣離子濃度振蕩”現象也會導致線粒體的鈣超載，進而啟動線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）的開放[30]。線粒體外膜具有較高的通透性，可允許相對分子質量 <1 500×103的物質通過，而線粒體內膜的通透性相對較低，只允許相對分子質量 <1.5×103的物質通過。線粒體內膜中的質子泵將質子從線粒體基質泵到線粒體外，從而形成線粒體膜電位。mPTP在生理狀態下呈間歇性開啟狀態，使線粒體外的質子或陽離子在電位差的驅動下進入線粒體內，防止陽離子在線粒體外過度積聚[31]，但隨著膿毒癥引起的如鈣超載、持續氧化應激、腺苷缺失、線粒體去極化等一系列現象出現，使mPTP處于不可逆的開放狀態[32]，其結果便是線粒體膜電位迅速減少，進而導致離子平衡被打破，引起線粒體腫脹和ATP的耗竭[33]，最終使細胞死亡；此外，細胞色素C也能通過mPTP的開放被釋放到細胞質中并與凋亡酶激活因子-1和caspase-9的前體蛋白結合，形成自噬小體。自噬小體在脫氧ATP的促進下激活caspas-9蛋白，后者再將caspase-3蛋白進行酶切并將其激活，進而誘導后續的凋亡級聯反應，最終導致細胞凋亡[34]。
3.6 長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）對線粒體功能的調節
線粒體結構和功能的完整性對維持細胞內環境的穩定具有重要意義。有研究[35]表明，線粒體具有獨立于細胞核的遺傳系統且線粒體基因組也具有完整的表達機制，但線粒體基因組規模較小，其生物學功能不僅取決于其自身的基因組，還依賴于細胞核編碼的蛋白質，這些蛋白質在細胞質中合成且通過特定機制運輸到線粒體中。換言之，線粒體的能量代謝和細胞環境的穩定取決于核基因組和線粒體基因組的協調調控和表達。lncRNA目前被認為是一種關鍵的表觀遺傳調節因子，可以充當細胞核和線粒體間的信使并參與多種途徑的調節[36]，如在脂多糖誘導的膿毒癥小鼠的線粒體損傷中，過度表達線粒體RNA處理核糖核酸內切酶RNA組分基因可顯著減緩線粒體膜電位的下降程度，同時降低細胞內活性氧水平以及減弱細胞質中細胞色素C、caspase-9和caspase-3的表達，從而減少膿毒癥期間細胞的凋亡[37]；有研究[38]發現，在脂多糖誘導過的細胞中過度表達lncRNA H19基因，可發現腫瘤壞死因子-α、IL-1β、IL-6等炎性相關因子的水平顯著降低，細胞色素C在線粒體中的表達增加而在細胞質中的表達降低，提示H19基因的過度表達減輕了脂多糖誘導的細胞中的炎癥和線粒體凋亡。此外，在膿毒癥性心肌病模型小鼠中，特異性敲除SOX20T基因可顯著增強小鼠的心臟功能并減緩線粒體膜電位的下降，減少線粒體活性氧的產生；反之，過表達SOX20T基因則可產生相反的結果[37]。盡管已有相當數量的研究證明了lncRNA可以通過調節線粒體功能和細胞的凋亡參與膿毒癥的病理過程，但是目前尚不清楚是否還有其他lncRNA參與到調節線粒體的活動中，也不清楚其具體的調節機制。但就已有的這些研究結果為進一步研究lncRNA在膿毒癥時線粒體功能障礙中的作用奠定了基礎。
4 小結與展望
線粒體在細胞代謝過程中的重要功能提示了其在膿毒癥發病期間的關鍵作用。由于氧化應激等諸多原因，線粒體在膿毒癥環境下極易受損，而受損的線粒體又可以通過一些途徑導致膿毒癥期間發生器官衰竭等嚴重結果。研究者們觀察到，在膿毒癥期間能量和代謝會發生變化，通過自噬等方式可以減少疾病帶來的相關損害；還發現，自噬過程中線粒體與溶酶體、鈣超載現象中線粒體與內質網、基因調控中線粒體與細胞核之間的聯系等提示了多個細胞器、細胞器與細胞核之間的“交流”過程，這些發現將有助于進一步了解細胞中的自噬、基因調控等重要過程，為膿毒癥的治療方式提供新思路。
重要聲明
利益沖突聲明：本研究中的全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：袁剛負責本綜述的構思、寫作和文獻收集；張一凡負責本綜述的寫作；龔建平負責本綜述的構思及修改補充。
膿毒癥是因宿主免疫系統對感染的異常反應而導致的全身炎癥反應綜合征，可導致致命的多器官功能障礙。Lancet雜志報道了1990–2017年期間膿毒癥的流行病學特點，2017年全球共記錄約4 890萬膿毒癥病例，膿毒癥相關死亡病例約1 100萬，其病死率達到了19.7%[1]。多年來，研究者們一直試圖從炎癥方面治療膿毒癥，如抗菌治療和器官支持治療[2]。近年來，由于膿毒癥被重新定義以及來自臨床的需求，使得膿毒癥的治療方式有創新性改變，如目前的機體代謝、微生物群和晝夜節律研究正在成為熱點。在膿毒癥期間，患者的物質代謝會發生改變，其中線粒體可通過調節細胞代謝而影響疾病的發展。早期研究[3-4]已表明，線粒體的功能障礙與膿毒癥的病程進展有關且會影響患者的預后[5]，而且其在維持細胞完整性、啟動程序性細胞死亡以及應激反應中也擔任著重要的角色[3]。因此，線粒體在細胞內維持穩態的這種功能很可能與敗血癥導致的相關代謝紊亂及器官功能障礙之間有很大的聯系。基于上述設想，本綜述著重分析了線粒體在膿毒癥期間的代謝特點以及膿毒癥環境下對線粒體功能產生的影響。
1 膿毒癥期間的代謝變化
膿毒癥是重癥監護病房患者死亡的主要原因，可由多種病原體引起，病原體可進入血液釋放內毒素，引起不良反應。根據膿毒癥新的定義，即膿毒癥是由于機體對感染的反應失調而導致的危及生命的多器官功能障礙[1]。與以前的定義相比，新的定義不僅關注其炎癥反應，更強調膿毒癥所導致的全身代謝紊亂。在膿毒癥環境下，機體的合成與分解代謝會受到干擾，二者間維持的平衡被打破，即發生代謝紊亂。
膿毒癥涉及多種病理過程，包括病原體入侵、持續過度炎癥、免疫抑制及多器官功能障礙[4]。感染一旦發生，宿主首先激活炎癥細胞以對抗病原體，若病原體數量過多則會導致宿主免疫反應失調，從而造成內環境紊亂。膿毒癥期間發生的全身性炎癥反應則是先天性免疫系統過度激活導致的，在此過程中，巨噬細胞被大量激活，可產生大量促炎因子，如白細胞介素（interleukin，IL）-6、-10、-1β和腫瘤壞死因子-α，同時伴隨一些相關的炎癥信號通路的激活。膿毒癥也會導致晚期感染和病程伴隨的細胞死亡現象。在使用盲腸結扎穿孔誘導的膿毒癥小鼠模型[6]中觀察到淋巴細胞出現廣泛的凋亡現象并伴有免疫功能抑制，提示細胞凋亡可能是膿毒癥期間發生免疫抑制的一個關鍵機制；此外，當膿毒癥患者的抗原提呈能力喪失時，其抗原特異性的抗體反應會受到抑制，這是膿毒癥期間發生免疫抑制的另一個主要因素[7]。另外，器官損傷是膿毒癥導致死亡的主要原因，其中過度的炎癥反應和免疫抑制現象最終會引起心臟、腎、肺等重要器官受到嚴重的損傷。
2 線粒體的生理功能
2.1 線粒體的基本功能
線粒體是真核生物的細胞能量工廠，通過三羧酸循環和呼吸電子傳遞鏈氧化丙酮酸、谷氨酰胺、脂肪酸等營養素，由此生成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）；除產生ATP外，線粒體也參與生物大分子（如蛋白質等）以及信號蛋白翻譯后修飾（如磷酸化、乙酰化等）所需中間產物的合成；線粒體還參與了先天性免疫和適應性免疫的過程，可通過供給能量、調整細胞代謝來參與激活免疫細胞的功能。線粒體的基本功能主要表現在其呼吸電子傳遞鏈上，該鏈主要由復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ以及FoF1-ATP酶組成[8]。在脂肪酸進行β氧化產生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸后，它們分別通過復合體Ⅰ和Ⅱ進行電子傳遞，在電子通過復合體Ⅲ傳遞到復合體Ⅳ之后，氧被利用還原成水，而位于線粒體內膜上的FoF1-ATP酶則進行ATP的生成；此外，線粒體的呼吸電子傳遞鏈也是活性氧生成的重要場所，并控制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的比率，此二者也是調控細胞活動的重要因素。
2.2 線粒體的自我修復功能
在生理條件下，線粒體的融合和有絲分裂在細胞能量代謝中起著關鍵作用。當線粒體受到損傷時，受損的線粒體可通過有絲分裂作用變成2個子線粒體，再與正常的線粒體融合，以減少損傷反應，此為融合過程。線粒體的有絲分裂可使受損的線粒體與正常線粒體分開，以保證正常的線粒體功能。若分裂出來的線粒體受損嚴重，則會經歷線粒體的有絲分裂吞噬過程，即對受損的線粒體進行選擇性降解并將降解的成分進行回收利用，以改善細胞狀態[9]。
線粒體自噬也是線粒體重要的自我修復方式之一。自噬是一個高度保守的生理過程，無論是在生理還是病理環境下，自噬對于維持細胞內環境穩態都具有重要作用。自噬的過程主要包括自噬體的形成、自噬體運送至溶酶體、溶酶體與自噬體結合以及自噬體中底物的降解[10]，該過程可以清除受損的線粒體，這對維持其正常結構和功能十分重要。另外，線粒體內容物被包被并形成了自噬小體，隨后被運送至溶酶體處進行降解，此過程避免了氧化應激反應的發生，因此并不會引起細胞的凋亡和焦亡。
3 膿毒癥期間線粒體形態與功能發生的改變
3.1 線粒體超微結構的損傷
膿毒癥期間，線粒體會因為多種原因受到不同程度的損害。以膿毒癥誘導的心肌病為例，有研究[11]發現，患者心肌細胞中線粒體的超微結構發生了異常，包括線粒體腫脹、嵴消失、基質減少、內囊泡破裂、內外膜損傷等，這些超微結構與線粒體的正常生理活動密切相關。也有研究[12]表明，在膿毒癥期間，因線粒體超微結構的改變可能導致線粒體呼吸電子傳遞鏈的中斷，進而引起氧化磷酸過程被中斷，使ATP的合成受到抑制，而為了維持線粒體的膜電位、防止因膜電位失衡導致的離子代謝紊亂而引發的惡性循環，線粒體會在一定程度上負性調節FoF1-ATP酶的活性，從而使殘余的ATP能得到利用。膿毒癥造成線粒體超微結構的損傷，使受損的線粒體不僅失去了正常的功能，而且還會對細胞造成嚴重的損害。
3.2 線粒體通過選擇性自噬（有絲分裂吞噬）維持細胞功能
當膿毒癥發生時，及時保證機體內正常線粒體的功能并清除受損的線粒體十分重要。在膿毒癥中，自噬被認為是減少細胞損傷和細胞凋亡的重要機制，維持機體的自噬過程會有助于限制膿毒癥誘導的器官損傷[13]。有研究結果[14]表明，當自噬反應減弱時，半胱天冬酶-1的激活增強、IL-1β的生成和分泌會增加，從而導致過度炎癥反應，這也是膿毒癥的主要誘因。
選擇性自噬可以專門識別和降解某種特定物質，使得細胞能夠適應不斷變化的環境并消除受損的細胞器[15]。當受到不同刺激時，線粒體可能會出現形態障礙和功能異常，此時則需通過選擇性自噬清除受損線粒體，保證細胞內線粒體質量。有絲分裂吞噬是目前研究最多的細胞器選擇性自噬類型之一，其在維持線粒體質量過程中起著重要作用[16]。以膿毒癥導致的腎臟損傷為例，研究者們[17]觀察到大鼠模型的腎小管上皮細胞中有大量線粒體發生斷裂的現象，提示線粒體的有絲分裂作用在此病理過程中十分重要，同時在體內外的膿毒癥腎損傷模型研究中采用線粒體動力相關蛋白1的蛋白抑制劑Mdivi-1可以抑制線粒體的有絲分裂過程，使炎癥相關蛋白NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3的表達量降低，改善線粒體功能，減少細胞焦亡，結果提示了在膿毒癥中線粒體過度的有絲分裂也可能對細胞產生負面影響。
在膿毒癥的發展過程中，有絲分裂吞噬在對抗氧化應激方面至關重要。有研究[18]發現，在氧化應激下，線粒體膜的通透性增加，膜電位降低，使蛋白激酶磷酸酶及張力蛋白同源物誘導的激酶1可以在線粒體外膜上穩定存在；當其進一步招募Parkin蛋白則會導致線粒體外膜的泛素化和磷酸化，并最終使泛素化的線粒體與自噬相關蛋白LC3結合形成自噬小體；該研究還發現，B細胞淋巴瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）家族的兩種重組蛋白Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3及Bcl-2腺病毒E1B19 kD蛋白相互作用蛋白3類似物位于受損線粒體外，直接與自噬相關蛋白LC3作用啟動自噬過程。另有研究[19]報道，當抑制了大鼠腎小管上皮細胞的磷酸酶及張力蛋白同源物誘導的激酶1/Parkin通路后，線粒體自噬過程受到影響，細胞凋亡過程以及腎功能均受到損害。因此，有絲分裂吞噬可能成為膿毒癥的一個新的治療靶點。
3.3 氧化應激狀態下的線粒體
當組織和細胞中的活性氧因某種因素增加后，可能導致線粒體生物發生減少、膜電位改變、線粒體數量下降等后果，進而破壞細胞穩態，最終導致細胞死亡；在產生過量的活性氧之后，細胞處于氧化應激狀態，DNA、蛋白質、脂質等物質發生大量的氧化修飾，導致細胞代謝紊亂；此外，過量的活性氧還會直接破壞線粒體的結構，進一步加劇活性氧的生物合成，形成惡性循環[20]。有研究[15]發現，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶氧化酶家族（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX）的細胞內水平也會影響活性氧的產生，已觀察到，在膿毒癥期間，小鼠內皮細胞中NOX1、NOX2和NOX4的水平上升，在用siRNA干擾NOX1和NOX4之后，活性氧的生成顯著降低；另有研究[21]報道，用脂多糖刺激后，NOX4的激活得到增強，導致細胞中的氧化損傷。
此外，在低氧條件下，葡萄糖氧化呼吸類型發生改變，有氧糖酵解水平增加，同時丙酮酸在酶的作用下轉化為乳酸，葡萄糖氧化磷酸化和電子呼吸傳遞鏈被阻斷，大量的丙酮酸積聚在線粒體中生成琥珀酸，而當組織突然恢復供氧時，琥珀酸被迅速氧化，導致過量的超氧陰離子的形成；另外，在正常情況下，位于線粒體內膜上的三種酶復合體Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ產生的超氧陰離子可被超氧化物歧化酶轉化為過氧化氫，后者又被過氧化氫酶分解為水[22]，在此過程中，超氧化物歧化酶/過氧化氫酶活性比值對維持細胞內氧化應激水平非常重要；還有研究結果[23]表明，在脂多糖刺激或膿毒癥情況下，多個器官和組織的超氧化物歧化酶/過氧化氫酶比值顯著增加，同時還伴隨著谷胱甘肽等還原物質和酶水平的下降。
炎癥和氧化應激引起的線粒體功能障礙進一步導致細胞的凋亡、壞死。有研究[24]表明，氧化應激反應可攻擊線粒體外膜上的脂質成分，將其氧化并與細胞色素C解偶聯，當線粒體膜脂質被破壞后，細胞色素C被釋放到胞質中并激活caspase家族，誘導細胞凋亡。另有研究[25]表明，活性氧還可通過JNK/p38絲裂原活化蛋白激酶信號通路或直接磷酸化激活Bcl-2相關X蛋白，后者以二聚體的形式轉移到線粒體，導致細胞色素C的釋放，誘導細胞凋亡。此外，活性氧也可以通過激活p53，抑制線粒體保護蛋白Bcl-2并進一步激活Bcl-2相關X蛋白復合物，在線粒體外膜上形成膜孔，釋放線粒體的細胞色素C，從而導致細胞凋亡[18]。同時線粒體內的其他物質，包括受損的膜脂質、ATP以及線粒體DNA的氧化形態也均被釋放到細胞質中，這些物質均可以與NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（該蛋白是一種重要的細胞內受體，在細胞焦亡中起到了關鍵作用）進行結合，進而導致細胞凋亡或焦亡[26]。
3.4 亞硝化應激狀態下的線粒體
亞硝化應激是一種重要的氧代謝紊亂的形式，常與心肌缺血再灌注損傷、心力衰竭、高血壓等心血管疾病密切相關。亞硝化應激是指當體內出現氧代謝紊亂時，一氧化氮和超氧化物之間發生的一種聯合生化反應，在這一過程中生成的過氧亞硝酸根陰離子可以使如蛋白質、脂質、DNA等多種物質硝酸化，進而生成3-硝基酪氨酸并最終導致細胞死亡。亞硝化的應激源一氧化氮是由一氧化氮合酶合成的，已有研究[27]證明，在膿毒癥期間，所有一氧化氮合酶亞型的生成均會增加并通過上述過程對細胞造成損害；此外，過氧亞硝酸鹽還會直接損傷線粒體膜并抑制呼吸鏈復合體，從而導致線粒體功能障礙[28]。已有研究[29]證明，通過使用一氧化氮合酶抑制劑可有效減輕膿毒癥誘導的腎功能不全，提高患者的存活率。
3.5 膿毒癥引起的鈣超載現象與線粒體膜通透性的改變
當一些有害因素引起鈣平衡系統功能失調而導致鈣濃度的異常升高，稱為鈣超載現象。有研究[11]發現，膿毒癥誘導的心肌病中，其心肌細胞的細胞質中鈣離子通過單向轉運通道進入線粒體，導致線粒體內出現鈣超載。此外，線粒體和內質網之間的“鈣離子濃度振蕩”現象也會導致線粒體的鈣超載，進而啟動線粒體通透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）的開放[30]。線粒體外膜具有較高的通透性，可允許相對分子質量 <1 500×103的物質通過，而線粒體內膜的通透性相對較低，只允許相對分子質量 <1.5×103的物質通過。線粒體內膜中的質子泵將質子從線粒體基質泵到線粒體外，從而形成線粒體膜電位。mPTP在生理狀態下呈間歇性開啟狀態，使線粒體外的質子或陽離子在電位差的驅動下進入線粒體內，防止陽離子在線粒體外過度積聚[31]，但隨著膿毒癥引起的如鈣超載、持續氧化應激、腺苷缺失、線粒體去極化等一系列現象出現，使mPTP處于不可逆的開放狀態[32]，其結果便是線粒體膜電位迅速減少，進而導致離子平衡被打破，引起線粒體腫脹和ATP的耗竭[33]，最終使細胞死亡；此外，細胞色素C也能通過mPTP的開放被釋放到細胞質中并與凋亡酶激活因子-1和caspase-9的前體蛋白結合，形成自噬小體。自噬小體在脫氧ATP的促進下激活caspas-9蛋白，后者再將caspase-3蛋白進行酶切并將其激活，進而誘導后續的凋亡級聯反應，最終導致細胞凋亡[34]。
3.6 長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）對線粒體功能的調節
線粒體結構和功能的完整性對維持細胞內環境的穩定具有重要意義。有研究[35]表明，線粒體具有獨立于細胞核的遺傳系統且線粒體基因組也具有完整的表達機制，但線粒體基因組規模較小，其生物學功能不僅取決于其自身的基因組，還依賴于細胞核編碼的蛋白質，這些蛋白質在細胞質中合成且通過特定機制運輸到線粒體中。換言之，線粒體的能量代謝和細胞環境的穩定取決于核基因組和線粒體基因組的協調調控和表達。lncRNA目前被認為是一種關鍵的表觀遺傳調節因子，可以充當細胞核和線粒體間的信使并參與多種途徑的調節[36]，如在脂多糖誘導的膿毒癥小鼠的線粒體損傷中，過度表達線粒體RNA處理核糖核酸內切酶RNA組分基因可顯著減緩線粒體膜電位的下降程度，同時降低細胞內活性氧水平以及減弱細胞質中細胞色素C、caspase-9和caspase-3的表達，從而減少膿毒癥期間細胞的凋亡[37]；有研究[38]發現，在脂多糖誘導過的細胞中過度表達lncRNA H19基因，可發現腫瘤壞死因子-α、IL-1β、IL-6等炎性相關因子的水平顯著降低，細胞色素C在線粒體中的表達增加而在細胞質中的表達降低，提示H19基因的過度表達減輕了脂多糖誘導的細胞中的炎癥和線粒體凋亡。此外，在膿毒癥性心肌病模型小鼠中，特異性敲除SOX20T基因可顯著增強小鼠的心臟功能并減緩線粒體膜電位的下降，減少線粒體活性氧的產生；反之，過表達SOX20T基因則可產生相反的結果[37]。盡管已有相當數量的研究證明了lncRNA可以通過調節線粒體功能和細胞的凋亡參與膿毒癥的病理過程，但是目前尚不清楚是否還有其他lncRNA參與到調節線粒體的活動中，也不清楚其具體的調節機制。但就已有的這些研究結果為進一步研究lncRNA在膿毒癥時線粒體功能障礙中的作用奠定了基礎。
4 小結與展望
線粒體在細胞代謝過程中的重要功能提示了其在膿毒癥發病期間的關鍵作用。由于氧化應激等諸多原因，線粒體在膿毒癥環境下極易受損，而受損的線粒體又可以通過一些途徑導致膿毒癥期間發生器官衰竭等嚴重結果。研究者們觀察到，在膿毒癥期間能量和代謝會發生變化，通過自噬等方式可以減少疾病帶來的相關損害；還發現，自噬過程中線粒體與溶酶體、鈣超載現象中線粒體與內質網、基因調控中線粒體與細胞核之間的聯系等提示了多個細胞器、細胞器與細胞核之間的“交流”過程，這些發現將有助于進一步了解細胞中的自噬、基因調控等重要過程，為膿毒癥的治療方式提供新思路。
重要聲明
利益沖突聲明：本研究中的全體作者閱讀并理解了《中國普外基礎與臨床雜志》的政策聲明，我們沒有相互競爭的利益。
作者貢獻聲明：袁剛負責本綜述的構思、寫作和文獻收集；張一凡負責本綜述的寫作；龔建平負責本綜述的構思及修改補充。