鉴于脓毒症的组织病理变化与严重器官功能障碍不一致，亟待探索炎症与免疫之外的脓毒症发病机制。线粒体功能障碍为脓毒症器官功能障碍的发生予以不寻常的解释，虽未证明其间确切的因果关系，但建议通过改善线粒体代谢，促进脓毒症器官功能恢复。本文将从线粒体生物学、脓毒症线粒体功能障碍、脓毒症代谢失调和线粒体复苏等方面进行阐述。
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脓毒症新定义为宿主对感染的反应失调而致的危及生命的器官功能障碍，强调了超越感染本身的非稳态反应，且直接指向器官功能障碍[1]。脓毒症早期集束化治疗目标的广泛实施，并未能有效降低病死率。脓毒症死亡患者尸检发现：组织病理变化和细胞死亡、坏死、凋亡程度很轻，与严重器官功能障碍的临床表现并不一致[2,3,4]，提示脓毒症器官功能障碍的其他发病机制尚亟待探索。近年来，脓毒症时线粒体损伤和功能障碍已得到证实，线粒体生物能量学研究在理解脓毒症复杂的病理生理学和治疗方面有重要价值，特别是线粒体复苏概念的提出，为脓毒症器官功能障碍的防治开启了新视野。
线粒体是真核生命细胞内的细胞器，研究认为线粒体原为独立的需氧细菌，10亿多年前侵入原始真核细胞与之形成共生关系，定居细胞中发展出原核细胞所缺乏的能力，即在需氧条件下产生三磷酸腺苷(ATP)为机体提供能量[5]。除红细胞外的人体细胞中均含有成百上千个线粒体，组织代谢水平不同，细胞中线粒体数目有别，如心肌细胞线粒体体积约占细胞总体积的40%，而血管平滑肌细胞、内皮细胞等线粒体仅占细胞体积的10%～20%。线粒体由外膜、膜间隙、内膜、线粒体基质4部分组成：外膜有抗凋亡的Bcl-2家族蛋白及离子通道蛋白，在维持线粒体的形态稳定和跨膜电位等方面发挥重要作用；线粒体膜间隙含有细胞色素C，凋亡诱导因子，脯氨酸酶2、3、9及众多生化反应底物，酶和辅酶等；线粒体内膜是氧化磷酸化的主要场所，内膜向基质延伸折叠形成嵴，嵴上排列着呼吸链超复合物等多种蛋白；线粒体基质内含有三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等所需的各种酶类，生命活动所需的各种代谢及蛋白合成在此进行。线粒体各部相互联系、彼此调控、精准配合为机体提供能量、完成生命活动所需的各种代谢。当机体遭受不同打击时，线粒体是最易损的细胞器之一，其损伤程度影响着多种疾病的发生和发展。
有研究对脓毒症死亡和非脓毒症死亡患者死亡后迅速获取组织，进行组织病理和细胞学观察发现：脓毒症患者肾组织大体解剖除水肿外无明显坏死灶；肾组织缝隙连接蛋白重新分布，提示存在毛细血管渗漏、血管内皮功能失调；脓毒症组和对照组心肌细胞均无明显死亡、坏死和凋亡；电镜显示脓毒症组心、肾组织存在线粒体水肿[2,3,4]。轻微的组织病理及细胞形态改变无法从器官和细胞学水平解释脓毒症严重的器官功能障碍。对临床上存在多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome，MODS)的脓毒症患者组织病理进行观察分析，发现超微结构变化极其轻微甚至缺失，提示临床多器官功能障碍/衰竭主要是功能性的。这种功能改变是否由灌注不良引起的组织低氧所致？Dyson等[6]对脓毒症大鼠模型予液体复苏和氧疗，在损伤6 h或24 h行超声心动图、生化及组织氧分压测定，结果显示6 h组织氧运输及氧分压下降明显；经充分液体复苏后发病24 h，有高乳酸血症和器官衰竭表现，但器官组织氧分压正常甚至升高，组织超微结构也基本正常。在内毒素血症动物模型中也没有黏膜缺氧证据，持续供氧未能改善黏膜酸中毒[7,8,9]。提示脓毒症组织器官氧供水平超过细胞代谢需求，此现象不能用缺血缺氧损伤为主导的病理生理机制予以合理解释。有学者提出了线粒体功能障碍的假说[10]，推测脓毒症时牺牲了多数需氧代谢功能来保持细胞结构的完整性，保留了维持细胞膜电位所需Na＋-K＋-ATP酶的基本活性，细胞内呈现低氧特征，以防止细胞肿胀和裂解。理论上，细胞形态的正常为功能恢复提供了可能，的确有研究观察到脓毒症恢复期机体代谢水平回升甚至超过正常代谢率50%以上。这种细胞内低氧、低代谢状态可否转化为功能恢复的潜力；是暂时适应，还是永久停滞；需进一步深入探索。
脓毒症患者和动物均发现存在线粒体形态的改变，动物实验显示，脓毒症早期即存在线粒体超微结构异常，模型建立12 h可见线粒体嵴消失、排列紊乱、空泡形成；24 h可见线粒体膜破碎，嵴膜表面密度和膜间空隙明显增加，基质密度降低，大量空泡形成[11]。线粒体机体代谢调节依赖于嵴的变化与重构，其密度、形态、基质浓度等，与细胞能量需求密切相关[12]。线粒体膜电位、活性氧、NADH/NAD、ATP/ADP、低氧刺激、线粒体代谢、细胞信号通路等也与线粒体嵴有关[13]。位于内膜上的F1F0-ATP合酶及心磷脂影响着线粒体嵴的形成与重构。线粒体应对应激所发生的能量代谢改变同时也伴随线粒体形态的变化，当线粒体形态和嵴受到不可修复的损害时，细胞内重要的生命活动会受到不同程度的抑制。在发病12 h、24 h和48 h脓毒症动物模型的心脏和肝脏内，可见能量生产调节因子的蛋白组学发生了显著改变[4]，说明脓毒症早期即有能量代谢紊乱发生。脓毒症时线粒体形态、结构、代谢和生物能变化与器官功能障碍间的因果关系，值得深入进行循证研究。
脓毒症氧化磷酸化水平下降及能量代谢障碍从动物实验到临床均已得到证实。Brealey等[14]研究发现，脓毒症动物模型发病24 h，反映细胞能量供应与需求的指标ATP/ADP显著下降，发病48 h和72 h时ADP浓度增高，ATP浓度下降。Carré等[15]对比了16例脓毒症患者和10例健康志愿者骨胳肌ATP浓度，脓毒症晚期患者骨骼肌ATP水平显著低于对照组，死亡患者和恢复缓慢者ATP水平下降更明显，幸存者ATP水平较高、磷酸肌酸/ATP比值下降，ATP产生减少[14,15]。线粒体内膜解耦联蛋白(uncoupling proteins，UCPs)，能消耗线粒体内膜两侧电势差，不产生ATP，以热量形式释放，是线粒体呼吸解耦联的指标。脓毒症患者血中UCP2表达水平增加，提示线粒体呼吸解耦联的存在[16]。细胞色素氧化酶亚单位Ser58磷酸化水平下降及细胞线粒体呼吸控制率降低均做为能量产生不足的评价指标。用脓毒症患者血清孵育的肾组织中近端肾小管细胞，可见线状线粒体减少，NADH和线粒体膜电位下降，与脓毒症ATP生产过程中氧利用率减少的解释相一致。脓毒症患者入ICU 24 h，就有呼吸链蛋白亚基和转录产物表达变化，说明脓毒症早期即有线粒体变化。
呼吸链是线粒体氧化磷酸化的基础单位，对脓毒症动物多种组织研究结果显示：线粒体氧消耗下降，超级复合物Ⅰ-Ⅳ活性降低、复合物呼吸链蛋白亚基和转录产物下调，F1F0-ATP合酶的活性下降。脓毒症小鼠模型中，死亡动物ATP合酶抑制因子IF1浓度显著增加[17]。针对脓毒症患者骨骼肌线粒体功能研究也得到一致的结果。Brealey等[14]对脓毒症骨骼肌线粒体复合物Ⅳ活性分析发现：死亡患者线粒体复合物Ⅳ活性下降幅度显著大于存活者。Garrabou等[18]发现，脓毒症患者外周血单核细胞线粒体复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性比健康对照者分别下降了32%、42%和23%。Rosca等[19]发现，脓毒症心力衰竭患者心肌线粒体复合物Ⅱ和复合物Ⅳ数量减少，线粒体复合物Ⅰ/Ⅲ活性比降低，构成复合物Ⅳ的亚单位Ⅵa及Ⅳb错构。线粒体复合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ活性降低在危重症肾脏、神经功能损害中也得到证实[20]，脓毒症MODS患者肋间肌肉和腿部肌肉线粒体复合物活性降低了近20倍。F1F0-ATP合酶活性直接影响着ATP的合成效应。Japiassú等[21]通过比较入ICU 48 h脓毒症患者与非感染外科手术患者F1F0-ATP合酶活性发现，脓毒症组F1F0-ATP亚基的功能受到明显抑制，F1F0-ATP合酶活性较对照组下降50%，脓毒症死亡亚组F1F0-ATP合酶活性显著低于存活亚组。有创方法获取脓毒症患者活体组织，制约着脓毒症线粒体功能的临床研究。近年来，随着循环血细胞如单核细胞、血小板线粒体呼吸链酶活性、生物能量储备、解耦联指标测定等新方法开发，为动态测定脓毒症患者线粒体功能提供了可行的方法[21,22]。导致线粒体酶活性下降机制有[24]：(1)氧自由基、NO、CO和H2S的大量产生，可能压倒内源性保护机制，抑制了呼吸链复合物酶的活性[23]；(2)Ca2＋超载直接或间接损伤mtDNA，引起mtDNA突变使复合物相关基因发生编码错误；(3)核编码的线粒体相关蛋白合成减少；(4)细胞损伤释放自身mtDNA及其结合蛋白，作为促炎介质加重炎性反应。氧化应激、气体分子、炎症反应、基因突变、合成减少等因素均可引起线粒体复合物酶活性改变，最终使能量产生减少。
线粒体是一种高度动态的细胞器，频繁地进行融合与分裂方式调节着形态与数目变化来维持自身功能，这种平衡称之为线粒体动力[25]。线粒体具有独特的双层膜结构，在受到环境刺激时，通过线粒体网络间恰当的能量传递、信息沟通、基因交换及修复受损的mtDNA保障线粒体质量和膜电位稳定[26]。线粒体外膜的融合主要由线粒体融合蛋白(Mfn-l和Mfn-2)介导，线粒体内膜的融合由Mgmlp/OPAl介导。融合是把轻度受损线粒体进行融合，以缓解应激过程造成的线粒体损伤；线粒体分裂可阻止严重受损线粒体进入线粒体网络，通过自噬清除、促进新线粒体生成的细胞质检过程。线粒体形态影响能量的产生，过度分裂时颗粒状线粒体增多，能量产生减少；脓毒症时线状线粒体减少、颗粒状线粒体增多，存在线粒体动力失衡，参与了能量代谢紊乱的发生。有研究认为感染可引起线粒体形态和线粒体质量的破坏，尽管线粒体生成和线粒体分裂均增加，但线粒体分裂过强、过快，新生线粒体不足，导致线粒体质量失衡进而引起包括肝损伤在内的器官功能损伤[27]；白细胞介素(IL-6)调节线粒体结构重塑，引起结构相关蛋白PGC-1α、Mfn1/Mfn2和FIS1蛋白表达的改变，抑制线粒体生成。Ca2＋水平调节线粒体质量平衡，Ca2＋正常时，融合蛋白(Mfn1/Mfn2)能促进线粒体融合，细胞内Ca2＋超载可加速线粒体分裂。Ca2＋进入细胞可激活钙调神经磷酸酶或蛋白磷酸酶2B(protein phosphatase2B，PP2B)，引起Drpl丝氨酸637或656位点去磷酸化，使Drpl在线粒体表面定位，加速线粒体分裂。线粒体过度断裂是细胞凋亡的早期事件，线粒体融合增加可减少细胞凋亡。在细胞内低氧状态下血红素加氧酶-1通过调节TLR4介导线粒体质量控制来减轻脓毒症损伤[28]。线粒体再生时，NO可使线粒体蛋白硝基化，从而加快线粒体新蛋白的周转。脓毒症恢复期，促进线粒体再生和生物合成核基因呼吸因子(NRF-l、NRF-2)表达上调，线粒体DNA得以修复，细胞内线粒体数量和功能也逐渐恢复。
线粒体自噬自身质量控制的方式，通过自噬线粒体实现清除损伤的细胞器，清除去极化或损伤的线粒体，维持线粒体新蛋白循环、周转、回收，起到净化线粒体池的作用。线粒体自噬是受多个信号通路的调控，包括Pink/Parkin、FUNDC1、NIX/BNIP3L[29,30]。受损线粒体对Pink灭活能力降低，Pink在受损的线粒体外膜上过量聚集，活化E3泛素化链接酶Parkin，使外膜多种蛋白泛素化，启动线粒体自噬。已证明许多脓毒症或内毒素血症模型中组织器官中自噬信号增加，线粒体吞噬/自噬受阻可致线粒体去极化，从而激活NLRP3炎性体、增加活性氧生成、IL-1β和IL-18释放增多[31,32]，使促炎反应增强。自噬受到抑制还会增强细胞凋亡和加重器官损伤，自噬不足的家兔烧伤模型线粒体功能受损和器官功能障碍更为明显[33]。多个临床前药理学研究已证实：增强自噬可使器官损伤得到改善[31,34]。
线粒体蛋白质磷酸化/去磷酸化是一个重要的信号传导调控系统，控制着许多重要的细胞功能，影响着细胞酶活性、结构、亚细胞定位和稳定性。通过激酶作用实现的蛋白磷酸化，以及通过磷酸酶作用的反向去磷酸化是细胞信号传导中不可或缺的开关机制。多种激酶及其受体锚定在线粒体上，如络氨酸激酶、酪氨酸激酶受体、丝氨酸、苏氨酸激酶，活化蛋白激酶B、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、细胞外信号调节激酶(ERK1/2)、活化的蛋白激酶A/B/C、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38MAPK)、糖原合成酶激酶(GSK)等，显示了线粒体活跃的代谢功能。脓毒症时存在多重代谢紊乱，涉及糖、氨基酸和脂质代谢，氧化磷酸化，抗氧化蛋白表达，线粒体融合和分裂，代谢紊乱的程度影响着细胞存亡[35]。脓毒症时"危险"信号触发许多线粒体介导的保护性反应，炎症信号通过与危险相关分子模式(DAMPS)或病原体相关分子模式(PAMPs)结合到TLR受体上，通过Myd88/TrADD/NF-κB和JAK1/STAT3途径启动保护机制[36]。该保护机制的特点为：将需氧代谢多重功能通路关闭，多种蛋白合成下调甚至放弃(如肾上腺糖皮质激素、生长激素、甲状腺素等)；在低氧状态下通过上调缺氧诱导因子、血管内皮生长因子和糖酵解酶，产生低水平的ATP，维持细胞形态及基本存活状态[10]。推测线粒体代谢功能下降，是一种适应性反应。肌肉组织分解代谢减少或合成代谢不足可能反映"肌肉冬眠"；心肌收缩力下降，需要高水平的血管活性药物支持心脏射血和血管张力，细胞死亡少见；肝脏中促进胆红素排泄的蛋白合成水平下降，胆红素转化受阻；肺组织依赖ATP酶的肺液清除障碍，致使肺水肿发生；肾上皮细胞冬眠与脓毒症肾功能障碍患者的肾组织细胞低死亡水平一致。脓毒症时"免疫抑制"是否为免疫细胞适应性的反应，部分难治性患者通过体外生命支持技术最终获救，生命支持技术是否为脓毒症MODS患者从适应性和保护性的线粒体低代谢状态到线粒体功能恢复提供了时间，实现了线粒体全面复苏而存活，值得深入探讨。脓毒症MODS晚期，线粒体活性氧和活性氮产生急剧增加，引起线粒体膜电化学梯度崩溃，氧化磷酸化彻底解耦联，呈现ATP耗竭，ATP水平低于维持细胞基本结构所需的能量阈值，从而开启细胞死亡通路，器官功能将无法恢复。在线粒体启动细胞死亡的通路之前，予以恰当干预，有望使功能障碍的器官得到恢复。
线粒体靶向治疗被认为是预防、减轻或逆转MODS和降低脓毒症病死率合理而有前途的策略，这种干预或许与稳定血流动力学同样重要，称之为"线粒体复苏"[37]。已有临床试验和动物实验报道了改善线粒体活性的药理学和营养管理建议，有天然抗氧化剂如维生素C、维生素E、辅酶Q、白藜芦醇等；也有线粒体靶向的、功能更强的抗氧化剂，包括MitoQ、MitoGSH、MitoTEMPO等[38]。补充线粒体营养素的作用：(1)提高线粒体酶的底物和辅酶浓度，改善线粒体酶动力学；(2)清除自由基；(3)修复线粒体膜；(4)增强细胞抗氧化防护；(5)激活线粒体生成。在诸多治疗中，抗氧化治疗措施备受关注[39]。辅酶Q10是线粒体电子传递链的重要组成部分，可携带电子从复合物Ⅰ和Ⅱ到复合物Ⅲ。已发现脓毒性休克患者血浆辅酶Q10水平低下[40]，提升患者辅酶Q10水平可能为重要的抗氧化干预措施。维生素C是抗氧化剂和酶辅因子，参与许多重要的生物反应，给脓毒症模型静脉注射维生素C可减少器官损伤并提高存活率[41]。硫胺素是多酶丙酮酸脱氢酶(PDH)复合物的辅酶，是将丙酮酸从葡萄糖转化为乙酰辅酶A进入三羧酸循环的关键，影响氧化磷酸化和ATP的生成。严重脓毒症/脓毒性休克患者硫胺素缺乏与乳酸酸中毒有关，在硫胺素缺乏亚组补充硫胺素有改善临床状况的显著效果，存在相对或绝对硫胺素缺乏的感染性休克患者推荐补充硫胺素[42]。新证据表明，维生素C、皮质类固醇和硫胺素组合具有协同作用，可以逆转脓毒症器官功能障碍进展，降低严重脓毒症和脓毒性休克患者的病死率[43]。左旋肉碱是线粒体脂肪酸氧化的关键物质，补充左旋肉碱可逆转线粒体内膜通透性转换和功能障碍。提升ICU住院期间危重症患儿血浆硒的水平与更好的预后相关。针对基质的抗氧化剂Mito-Vit-E、硫胺素焦磷酸(TPP)共轭形式的生育酚(维生素E)，具有保护线粒体和细胞免受氧化应激损伤的作用。自由基清除剂依达拉奉可减少细胞凋亡、降低病死率。钙增敏剂左西孟旦通过其抗氧化作用，来维持感染性休克患者线粒体呼吸链亚基的稳态、提高线粒体含量，从而改善危重患者的心功能和组织灌注[44]。褪黑素及其代谢产物，可通过减轻氧化应激损伤和炎症反应改善脓毒症患者线粒体功能。抗氧化剂在线粒体功能保护和复苏发挥着重要作用，不同制剂在临床使用的安全性、剂量、疗程等需进一步深入探讨。
从线粒体功能障碍亚细胞水平探索脓毒症器官功能障碍的发生机制和干预措施，在基因组学和代谢组学的推动下，可从"线粒体靶向干预"措施获益的患者群体中洞察到客观、可靠的证据，有望为脓毒症器官功能障碍的治疗寻找出有价值的线粒体复苏驱动剂。
