線粒體ROS與心房顫動

線粒體ROS與心房顫動鄭安財;李菊香【摘要】Atrialfibrillation(AF)isthemostcommonarrhythmiainclinicalpractice.Mitochondrialoxidativestressissupposedtocontributetodevelopment,progressionandself-perpetuationofAF.Reactiveoxygenspecies(ROS)isthemajormoleculemediatingmitochondrialoxidativestressdamage.ROScanaltertheredoxstatusofvariousmoleculartargets,whichquitespecificallyleadstofunctionalalterationsofionchannelactivityoractivationofavarietyofredoxsensi-tivesignaltransductionpathways.Eventually,itleadstoatrialelectricalremodelingandpromotesthedevelopmentofAF.Therefore,mitochondrialoxidativestresspathwaysmaybeanewtargetforthetherapyofatrialfibrillation.【期刊名稱】《中國病理生理雜志》【年(卷)，期】2017(033)010【總頁數(shù)】4頁(P1917-1920)【關(guān)鍵詞】線粒體;活性氧簇;離子通道;心房顫動【作者】鄭安財;李菊香【作者單位】南昌大學第二附屬醫(yī)院心內(nèi)科，江西南昌330006浦昌大學第二附屬醫(yī)院心內(nèi)科，江西南昌330006【正文語種】中文【中圖分類】R541;R363心房顫動(atrialfibrillation,AF)是臨床上最為常見的快速性心律失常之一。在過去的幾十年中，AF的患病率隨年齡的增長而穩(wěn)步增加。AF可以引起心房內(nèi)血栓、腦栓塞等嚴重并發(fā)癥，是患者死亡的重要原因。最近有報道稱，線粒體氧化應激參與AF的心電重構(gòu)過程和氧化還原反應的調(diào)控［1］。本文將探討線粒體氧化應激的形成及其通過活性氧簇(reactiveoxygenspecies，ROS)影響重要的離子通道、促進心房電生理與結(jié)構(gòu)重構(gòu)，從而最終導致房顫發(fā)生的機制。1線粒體與ROSROS在線粒體中的生成線粒體是細胞內(nèi)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP的主要場所。此外，它還是調(diào)控細胞凋亡、氧化還原狀態(tài)和ROS產(chǎn)生的主要細胞器。ATP的合成涉及電子從呼吸鏈復合體I到復合體IV的傳遞，最終將質(zhì)子泵入線粒體膜間隙。在氧化磷酸化過程中，線粒體電子傳遞鏈會泄漏出少量的電子與氧結(jié)合形成超氧自由基和過氧化氫(H2O2)，其中復合體I和復合體III是產(chǎn)生電子漏的主要位點［2］。在水溶液中可通過其自身的歧化反應生成H2O2，H2O2與又可在Fe2+的催化下，通過Haber-Weiss反應形成羥自由基(OH?)；在金屬離子的催化下，H2O2也可通過Fenton反應裂解形成羥自由基［3］。此外，a-酮戊二酸脫氫酶復合體和參與脂肪酸B-氧化的酶類也會產(chǎn)生部分ROS。Ponav等［4］發(fā)現(xiàn)，相比于NADH的正向電子流傳遞，依賴琥珀酸的電子流逆向傳遞(reverseelectrontransfer,RET)能更有效地產(chǎn)生ROS。在高血壓等許多病理條件下，這種電子流逆向傳遞的過程是產(chǎn)生ROS的重要機制［5］。ROS對線粒體結(jié)構(gòu)和功能的影響生理狀態(tài)下，線粒體內(nèi)的ROS可作為信號分子，通過氧化還原反應激活氧化還原信號分子，從而參與細胞內(nèi)的信號傳導調(diào)控。病理狀態(tài)下，ROS通過下述2種途徑影響線粒體。(1)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrialpermeabilitytransitionpore,mPTP)是線粒體上的非選擇性復合通道，生理條件下，其短暫的可逆開放能傳遞電信號，參與線粒體跨膜電位(mitochondrialmembranepotential,A^m)的調(diào)控。mPTP的短暫可逆開放與ROS的形成有關(guān)。研究表明，線粒體內(nèi)超氧炫形成的同時，伴隨著mPTP的瞬時可逆開放［6］。心臟在某些病理狀態(tài)下如心肌缺血/再灌注時，產(chǎn)生的大量ROS將導致mPTP不可逆性開放［7］。mPTP的不可逆性開放可使線粒體內(nèi)膜的通透性非特異性增大，內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度消失，線粒體跨膜電位降低，ATP合成障礙，ROS大量爆發(fā)，這一現(xiàn)象稱之為ROS誘導的ROS類釋放(ROS-inducedROSrelease,RIRR)［8］。ROS被釋放入胞質(zhì)后將觸發(fā)一系列復雜的信號轉(zhuǎn)導反應，并激活鄰近線粒體的RIRR。ROS在線粒體間的傳遞構(gòu)成一個正反饋機制，導致活性氧大量增加，傳播到整個細胞，弓I起明顯的線粒體和細胞損傷。(2)內(nèi)膜陰離子通道(innermembraneanionchannel,IMAC)可在線粒體產(chǎn)生過量的后被激活，引起AWm去極化，釋放更多的同時，損耗NADH和NADPH。一個線粒體的釋放將激活相鄰線粒體的IMAC，最終導致細胞內(nèi)所有線粒體的AWm同時消失，隨后ATP合成受阻，升高的ADP水平誘導細胞膜KATP通道開放，導致細胞膜超極化，使細胞不易興奮［9］。2ROS與心房顫動近年來，在AF的基礎及臨床研究中發(fā)現(xiàn)，AF可引起心房動作電位(actionpotentialduration,APD)、有效不應期(effectiverefractoryperiod,ERP)S^交攵不應期頻率適應性(effectiverefractoryperiod-rateadaptation,ERP-RA)和心房傳導速度的變化，即心房電重構(gòu)，后者反過來又促進AF的發(fā)作和維持。線粒體氧化應激可促進AF時的心房重構(gòu)，但其分子機制目前尚未明確。正常情況下，線粒體產(chǎn)生的ATP被細胞膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)離子通道及轉(zhuǎn)運蛋白所利用，以保證心肌細胞電活動所必需的能量。線粒體功能障礙則減少心肌細胞離子通道和轉(zhuǎn)運體的能量供應，從而導致心律紊亂。最新研究表明，過多的線粒體ROS可通過胱氨酸轉(zhuǎn)錄后的氧化還原修飾(如蛋白質(zhì)谷胱甘肽化)或酪氨酸殘基的硝化反應，直接影響各種離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白，減弱心肌興奮性［10］，從而導致心房APD延長，引起早期后除極(earlyafterdepolarizations，EADs)和延遲后除極(delayedafterdepolarizations，DADs)，三者共同促進異位活動及折返心律的形成，而異位活動及折返已被確切地認為是AF的主要電生理機制。3ROS調(diào)節(jié)離子通道及轉(zhuǎn)運蛋白已證明對氧化還原敏感的Na+、Ca2+及K+離子調(diào)控蛋白能夠影響心肌興奮-收縮耦聯(lián)的過程，因此，調(diào)控蛋白的異?？捎绊懶呐K功能并導致心律失常，特別是AF。在心肌細胞的動作電位形成中，電壓門控Na+通道引起膜去極化，激活L型Ca2+通道(L-typecalciumchannel，LTCCs)產(chǎn)生跨膜Ca2+內(nèi)流(ICa，L)，ICa，L通過觸發(fā)心臟肌漿網(wǎng)Ca2+釋放通道蘭尼堿受體2(ryanodinereceptor2,RyR2),使肌漿網(wǎng)(sarcoplasmicreticulum,SR)儲存的大量Ca2+釋放，成為Ca2+誘導的Ca2+釋放。Ca2+與肌鈣蛋白C結(jié)合，導致肌球蛋白ATP酶激活，形成收縮。當Ca2+通過Na+-Ca2+交換和細胞膜Ca2+-ATP酶自細胞內(nèi)向外轉(zhuǎn)運以及肌漿/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶2a(sarcoplasmic/endoplasmicreticulumCa2+-ATPase2a,SERCA2a)再次儲存于肌漿網(wǎng)后，心房肌細胞舒張。這些離子調(diào)控蛋白主要受磷酸化作用的調(diào)節(jié)，因此，氧化還原敏感性蛋白激酶，如鈣離子/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶II(Ca2+/calmodulin-dependentproteinkinaseII,CaMKII)、蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)、蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)等的激活將極大地影響心肌細胞內(nèi)的離子平衡和功能。3.1ROS與Ca2+調(diào)控Ca2+調(diào)控異常是心房電重構(gòu)的主要表現(xiàn)之一。胞內(nèi)Ca2+水平的變化有助于AF的誘發(fā)和維持，且是AF從陣發(fā)性轉(zhuǎn)為持續(xù)性的必不可少的機制［11］。細胞內(nèi)Ca2+濃度受到各種Ca2+調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié)，包括L型Ca2+通道、肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶、肌漿網(wǎng)Ca2+釋放通道、Na+-Ca2+交換體(Na+/Ca2+exchanger,NCX)和多種信號分子如CaMKII、PKC和PKA。這些Ca2+調(diào)控蛋白的蛋氨酸殘基及硫醇易受ROS或還原劑的直接調(diào)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，應用H2O2或增加線粒體ROS能增大ICa，L，溶血卵磷脂(lysophosphatidylcholine，LPC)誘導增加的線粒體ROS能氧化低密度脂蛋白(low-densitylipoprotein，LDL)，氧化的LDL能提高ICa，L［12］。CaMKI【也能被ROS激活，激活的CaMKII能磷酸化Cav1.2通道亞基，并增加其開放幾率，從而增大ICa，L。最近研究報道，胞質(zhì)內(nèi)NADH/NAD+氧化還原反應對在調(diào)節(jié)NCX活性中扮演重要角色，鈉鈣交換電流(so-dium-calciumexchangecurrent，INCX)可被NADH抑制，而且這種抑制狀態(tài)可被過氧化氫酶解除［13］。ROS亦能激活反向型NCX，增加Ca2+內(nèi)流，產(chǎn)生短暫INCX，導致復極4期膜去極化，即DADs；此外，大量ROS造成的線粒體ATP合成障礙，使SERCA2a活性下降，從而導致SR的Ca2+儲存減少［14］。RyR2功能紊亂引起的舒張期肌漿網(wǎng)Ca2+滲漏是導致AF時鈣調(diào)控紊亂的一個重要因素。在小鼠的AF模型以及持續(xù)性AF患者中，RyR2的開放幾率顯著增加，過量的ROS增加RyR2通道的開放幾率，從而增加Ca2+從SR上滲漏，形成鈣火花［15］。Shan等［16］發(fā)現(xiàn)RyR2被氧化后，能夠增強PKA介導的穩(wěn)鈣蛋白FKBP12.6從RyR2復合體上解離，使RyR2結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，促進Ca2+滲漏。ROS激活的CaMKII也能磷酸化RyR2的Ser2814位點，增加SR的Ca2+滲漏，促進胞質(zhì)Ca2+超載及DADs［17］。另外，Ca2+過載不僅造成線粒體ATP合成障礙，還能影響線粒體膜電位，促進線粒體內(nèi)NO和ROS產(chǎn)生，進一步誘導ROS的堆積［18］。因此，在ROS誘導Ca2+過載和Ca2+過載誘導ROS堆積間，將形成一個惡性循環(huán)。這個正反饋回路將壓倒體內(nèi)對ROS和Ca2+的清除能力，造成細胞損傷和折返電位，促進房顫的發(fā)生。總之，胞內(nèi)過量ROS對Ca2+調(diào)控蛋白的影響將使細胞內(nèi)Ca2+過載及SR的Ca2+儲存減少，導致DADs和收縮功能障礙，促進AF的發(fā)生。ROS與K+調(diào)控多種鉀電流受到氧化還原反應的調(diào)節(jié)。ROS不僅可抑制電壓門控鉀離子通道(voltage-gatedpotassiumchannel，Kv)的mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白表達，還能通過PKC、PKA途徑磷酸化Kv通道的亞基，從而調(diào)節(jié)Kv電流。研究指出S-亞硝基化(S-nitrosylaton，SNO)可以通過修飾KCNQ1(Kv7.1)通道亞基的Cys445位點而增強緩慢激活延遲整流鉀電流(slowlyactivateddelayedrectifierpotassuimcurrent，IKs)，IKs增強會縮短APD，形成觸發(fā)活動，從而增加AF的易感性［19］。Kv通道也能被調(diào)節(jié)一方面可抑制Kv4.3通道，影響復極化過程，從而延長APD；另一方面，也可以通過S-亞硝基化和cGMP/PKG介導途徑來阻斷Kv1.5通道，繼而抑制超快速延遲整流鉀電流(ultrarapidlyactivateddelayedrectifierpotassiumcurrent，IKur)，弓I起APD和ERP的延長，促使心房復極離散度增加，進而導致微小多子波的形成，引發(fā)并維持房顫［20］。此外，ROS誘導的ROS釋放使線粒體內(nèi)ROS堆積，導致線粒體功能障礙，ATP合成減少，促進ATP敏感性鉀離子通道(ATP-sensitivepotassiumchannel,KATP)激活，后者激活引起APD縮短，K+外流，并減少Ca2+內(nèi)流，從而抑制EADs和折返激動，對心肌有一定的保護作用，但KATP持續(xù)開放可導致過度的K+外流，引起APD縮短，可促進折返性心律失常。ROS與Na+調(diào)控ROS已被證實可通過多種途徑調(diào)節(jié)Na+通道功能。轉(zhuǎn)錄水平上，ROS通過影響mRNA的轉(zhuǎn)錄，減少電壓門控鈉離子通道Nav1.5的表達；蛋白水平上，Nav1.5通道的甲硫氨酸殘基具有氧化敏感性，被ROS氧化后，將顯著減緩Nav1.5的失活，增強晚鈉電流，最終導致傳導阻滯，誘發(fā)折返性心律失常［21］。線粒體ROS增加一方面可在不改變細胞膜Nav1.5通道表達的前提下，通過調(diào)節(jié)Nav1.5通道的傳導性，降低峰鈉電流，導致傳導阻滯［22］;另一方面可激活PKC,后者可能通過影響Nav1.5通道的磷酸化，降低峰鈉電流［23］。ROS也可通過氧化激活CaMKII增強晚鈉電流，從而導致APD延遲，誘發(fā)EADs［24］。4針對線粒體的抗氧化治療防治心房顫動鑒于線粒體氧化應激與AF的密切關(guān)系，是否抗氧化治療可能替代傳統(tǒng)的離子通道阻斷劑并成為防治AF的新型手段呢？大部分的抗氧化劑僅限于幫助捕獲并中和已產(chǎn)生的自由基，而沒有針對具體的ROS來源。最近針對線粒體的抗氧化藥物受到廣泛關(guān)注，其中最主要的是與親脂性三苯基陽離子(TPP+)相偶聯(lián)的抗氧化劑，如MitoSNO和MitoQ。MitoQ是一種與TPP+共價耦合的泛醌衍生物，在線粒體膜電位的驅(qū)動下，它顯著地聚集在線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)內(nèi)，隨著Mito。插入到脂質(zhì)雙層中，不斷地清除過氧化氫和超氧化物，其后又可以在線粒體呼吸鏈復合物II的作用下不斷轉(zhuǎn)化成具有抗氧化活性的泛醇形式，后者可抑制線粒體脂質(zhì)過氧化，或是直接與氧化劑如過氧亞硝酸鹽反應，保護線粒體，防止氧化損傷［25］。MitoSNO是一種與TPP+共價耦合的亞硝基硫醇，能使線粒體產(chǎn)生和亞硝化蛋白。眾所周知能和氧氣競爭抑制呼吸，特別是在缺氧環(huán)境下，可減慢呼吸，從而防止缺氧，此外MitoSNO能使復合物I上的硫醇發(fā)生亞硝基化，從而抑制電子傳遞鏈上的電子流出；由于復合物I是缺血再灌注過程中產(chǎn)物的主要來源，因此，在缺血再灌注時，MitoSNO可通過阻止電子進入電子傳遞鏈而減少ROS的產(chǎn)生，降低線粒體氧化損傷［26］，但MitoSNO尚未在臨床中試驗。mPTP開放是導致線粒體氧化損傷的一大主要原因，那么，抑制mPTP開放能否起到抗氧化的作用呢？有研究者使用環(huán)孢霉素A抑制mPTP的開放能明顯地減弱ROS誘導的AWm去極化，從而避免線粒體內(nèi)膜振蕩、穩(wěn)定線粒體功能、減少ROS的產(chǎn)生，但其過程需要通過先激活Mito-KATP通道［7］?？傊?，抗氧化治療來防治心房顫動還需進一步的探索。5小結(jié)和展望線粒體ROS在房顫的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要的作用，當機體處于病理狀態(tài)時，線粒體功能受損導致ROS大量產(chǎn)生，進而通過氧化還原反應激活信號分子，改變心肌細胞內(nèi)多種離子通道和轉(zhuǎn)運蛋白功能，通過多種機制促進AF的發(fā)生發(fā)展。因此，對線粒體ROS及功能進行深入研究以創(chuàng)制出線粒體靶向抗氧化劑，可從源頭上減少ROS的產(chǎn)生，保護線粒體功能，從而減輕線粒體活性氧對心血管的損傷，將使更多的房顫患者獲益。盡管到目前為止，抗氧化治療的效果不理想，但針對線粒體的抗氧化治療仍是預防和治療AF的一個合理方向。對線粒體ROS進行深入研究并開展大量臨床實驗，將會為AF的防治提供新的思路和途徑。【相關(guān)文獻】YangKC,DudleySCJr.Oxidativestressandatrialfibrillation:findingamissingpiecetothepuzzle[J].Circulation,2013,128(16):1724-1726.BleierL,DroseS.SuperoxidegenerationbycomplexIII:frommechanisticrationalestofunctionalconsequences[J].BiochimBiophysActa,2013,1827(11-12):1320-1331.KrivoruchkoA,StoreyKB.Foreveryoung:mechanismsofnaturalanoxiatoleranceandpotentiallinkstolongevity[J].OxidMedCellLongev,2010,3(3):186-198.PanovA,DikalovS,ShalbuyevaN,etal.Species-andtissue-specificrelationshipsbetweenmitochondrialpermeabilitytransitionandgenerationofROSinbrainandlivermitochondriaofratsandmice[J].AmJPhysiolCellPhysiol,2007,292(2):C708-C718.NazarewiczRR,DikalovaAE,BikineyevaA,etal.Nox2asapotentialtargetofmitochondrialsuperoxideanditsroleinendothelialoxidativestress[J].AmJPhysiolHeartCircPhysiol,2013,305(8):H1131-H1140.FangH,ChenM,DingY,etal.Imagingsuperoxideflashandmetabolism-coupledmitochondrialpermeabilitytransitioninlivinganimals[J].CellRes,2011,21(9):1295-1304.XieC,KauffmanJ,AkarFG.FunctionalcrosstalkbetweenthemitochondrialPTPandKATPchannelsdeterminearrhythmicvulnerabilitytooxidativestress[J].FrontPhysiol,2014,5:264.ZorovDB,JuhaszovaM,SollottSJ.Mitochondrialreactiveoxygenspecies(ROS)andROS-inducedROSrelease[J].PhysiolRev,2014,94(3):909-950.NickelA,KohlhaasM,MaackC.Mitochondrialreactiveoxygenspeciesproductionandelimination[J].JMolCellCardiol,2014,73:26-33.AggarwalNT,MakielskiJC.Redoxcontrolofcardiacexcitability[J].AntioxidRedoxSignal,2013,18(4):432-468.SchottenU,VerheuleS,KirchhofP,etal.Pathophysiologicalmechanismsofatrialfibrillation:atranslationalappraisal[J].PhysiolRev,2011,91(1):265-325.FearonIM.OxLDLenhancesL-typeCa2+currentsvialysophosphatidylcholine-inducedmitochondrialreactiveoxygenspecies(ROS)production[J].CardiovascRes,2006,69(4):855-864.LiuT,O'RourkeB.RegulationoftheNa+/Ca2+exchangerbypyridinenucleotideredoxpotentialinventricularmyocytes[J].JBiolChem,2013,288(44):31984-31992.YangKC,BoniniMG,DudleySCJr.Mitochondriaandarrhythmias[J].FreeRadicBiolMed,2014,71:351-361.XieW,SantulliG,ReikenSR,etal.Mitochondrialoxidativestresspromotesatrialfibrillation[J].SciRep,2015,5:11427.ShanJ,BetzenhauserMJ,KushnirA,etal.Roleofchronicryanodinereceptorphosphorylationinheartfailureandp-adrenergicreceptorblockadeinmice[J].JClinInvest,2010,120(12):4375-4387.LiN,WangT,WangW,etal.InhibitionofCaMKIIphosphorylationofRyR2preventsinductionofatrialfibrillationinFKBP12.6knockoutmice[J].CircRes,2012,110(3):465-470.DedkovaEN,BlatterLA.Characteristicsandfunctionofcardiacmitochondrialnitricoxidesynthase[J].JPhysiol,2009,587(Pt4):851-872.AsadaK,KurokawaJ,FurukawaT.Redox-andcalmodulin-dependentS-nitrosylationoftheKCNQ1channel[J].JBiolChem,2009,284(9):6014-6020.SvobodaLK,ReddieKG,ZhangL,etal.Redox-sens