脓毒症心功能障碍是重症脓毒症及脓毒性休克中常见的并发症，线粒体功能损伤是其发病机制中的一个主要方面。心脏是一个持续供能器官，需要大量的ATP维持正常收缩和舒张功能，而线粒体作为产生ATP的主要细胞器，大约占心肌细胞体积三分之一，损伤后会对心肌的能量供应和心脏功能产生不良影响。本文介绍了脓毒症心功能障碍中线粒体损伤的最新研究进展，包括线粒体一氧化氮产生增加和氧化应激、钙离子超载和线粒体膜通透性改变、线粒体解耦联增加以及线粒体稳态变化，并对潜在的治疗手段进行了展望。
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脓毒症指宿主在感染时，反应失调而引起的可危及生命的器官功能不全，是迄今尚未完全阐明的一种危重的全身性病理综合征。脓毒性休克作为脓毒症的一个亚型，是指在脓毒症的基础上伴有循环和细胞的代谢异常。临床流行病学资料显示，脓毒症的病死率超过25%，而脓毒性休克的病死率甚至高达50%。心脏是脓毒症所致多器官功能障碍的主要"靶器官"之一，脓毒症时常诱发不同严重程度的心功能障碍，越来越多的临床研究证实合并有心功能障碍的脓毒症患者病死率会明显升高[1,2,3]。
目前关于脓毒症心功能障碍的发病机制仍有争议，既往认为血液循环系统受累导致组织低灌注可以继发器官功能障碍。但即使在没有严重的血压变化时，器官功能障碍仍会发生。所以一些学者推测，脓毒症时血液在器官中的重新分配，血液从营养毛细血管中流出或阻塞/狭窄微循环，损害组织局部灌注进而影响器官功能，但这一推论尚未得到证实。脓毒症时一些脏器出现了炎性细胞迁移和浸润，毛细血管渗漏以及上皮细胞破坏，导致了部分细胞坏死或凋亡。有学者认为这可能是导致脓毒症多脏器功能障碍的原因，但尸体解剖发现即使在脓毒症后期，多数脏器(如心、肺、脑、肌肉、肾脏)并未出现明显的细胞坏死或凋亡，而它们往往已出现了严重的功能障碍[4]。在脓毒症患者心脏病理组织检查中，虽未发现明显的心肌细胞坏死及凋亡，但透射电镜下观察到心肌细胞线粒体损害严重，出现了线粒体排列紊乱、体积增大、嵴肿胀等改变，部分出现空泡变性。临床研究表明，线粒体功能障碍的程度似乎与脓毒症预后基本相关，严重脓毒症死亡患者与生存者相比，骨骼肌ATP/ADP比率早期下降，脂肪酸利用受损，线粒体生物合成功能上调失败[5,6]。
人体中细胞除红细胞外都含有线粒体，线粒体在不同的细胞中具有不同的大小和形状，除了利用氧气合成ATP外，线粒体还有产生热量、细胞内钙调节、温度调节、合成一些激素以及产生活性氧(ROS)等功能，对于维持心脏正常收缩功能和心肌细胞存活具有重要作用[7]。在心脏中，高能磷酸盐主要由脂肪酸氧化生成，葡萄糖和其他基质对心脏ATP的生成影响较小。NADH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)和FADH2(黄素腺嘌呤二核苷酸)作为氧化还原的主要底物，可以通过复合酶Ⅰ和Ⅱ完成电子的传递以及氧化磷酸化。电子的传递会消耗O2和H2O，同时生成ATP。线粒体产生的ATP主要被肌球蛋白上ATP酶所利用，以保持其收缩功能，小部分用于维持细胞离子体内平衡。值得注意的是，心肌ATP每隔几秒钟就会更新1次，可见线粒体能量代谢对于维持ATP的持续可用性和心脏功能的重要性。
线粒体功能损伤特点主要表现为第3阶段呼吸功能及ATP合成下降，呼吸控制比率以及膜电位的降低，线粒体OXPHOS(氧化磷酸化电子转运链)复合物活性降低，第四阶段呼吸功能升高，以及线粒体体积增大、脆性增加[8,9,10]。虽然线粒体功能障碍与脓毒症心功能障碍有关，但其潜在的机制仍不明确。此外，脓毒症心功能障碍中大量关于线粒体的改变，是对线粒体的保护还是损伤，仍有争论。本文将从四个方面来详细介绍脓毒症心功能障碍中线粒体损伤的可能机制。
线粒体呼吸过程中可能会减少O2的电荷而产生O2·(超氧化物阴离子)。作为一种正常的代谢产物，生理条件下，只有小部分(1%～2%)的O2形成O2·，后通过歧化作用变为H2O2。然而，一旦这些低浓度的氧自由基(ROS)增加，将会对细胞产生诸多可逆或不可逆的损伤，比如蛋白质羰基化和脂质过氧化反应。
心肌细胞内大量的线粒体是有害物质ROS产生的主要来源。与此同时，线粒体酶以及线粒体DNA对ROS的损伤又尤为敏感。由于NO合酶的作用，线粒体同时会产生NO，其可通过抑制细胞色素氧化酶C来调节线粒体呼吸功能。脓毒症是一个过度的系统性炎性反应，大量活性氧、NO和炎性因子增加是该疾病的主要特点。众多证据表明，线粒体过度产生NO和ROS会对各组织的线粒体均产生损伤，包括心脏组织[11]。研究证实内毒素血症时动物心脏线粒体产生NO、O2·、H2O2以及硝基酪氨酸含量增多，蛋白质硝化、蛋白质羰基化反应和脂质过氧化作用也会增强[8,12,13,14]。
此外，机体用以清除上述物质的抗氧化系统(包括超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶)似乎也受到了抑制。过氧亚硝基作为一种强大的氧化剂，它的清除率下降也会导致NO和O2·产生增加。在盲肠结扎穿刺脓毒症模型中，Escames等[15]研究显示脓毒症小鼠体内线粒体NO合酶i-mtNOS活性增加，进而导致过氧亚硝基水平升高，而应用褪黑激素(一种iNOS抑制剂)治疗后减轻了线粒体损伤，ATP产量增加，存活率提高。同时一些研究也显示通过药物抑制NOS或基因敲除NOS对于脓毒症动物模型的心功能有改善作用[13,16]。虽然脓毒症中NO及ROS不仅由心肌线粒体产生，其水平的升高可能也来源于其他类型细胞或细胞器，但在动物模型中应用线粒体导向性的抗氧化剂治疗均取得了不错的结果。有研究表明，在内毒素血症大鼠模型中，应用α-硫辛酸(一种抗氧化剂，用于降低线粒体二氢硫辛酸的产生)治疗可以使心肌线粒体功能得到全面恢复[17]。同样的，应用辅酶Q10(一种强大的线粒体导向性抗氧化剂)可改善LPS诱导脓毒症大鼠或小鼠模型的心脏功能障碍[18]。也有研究表明，应用维生素E治疗肺炎导致的脓毒症大鼠模型，可减少线粒体ROS的产生，有助于减轻ROS对于心脏组织的损伤，并帮助恢复线粒体结构和功能[19]。
能量转化的化学渗透学说提示不具有渗透性的线粒体内膜对于电子转运链是至关重要的，其可以通过质子泵建立一个质子梯度，来再生ATP。但它对于分子质量>1 500的分子会突然增加其渗透性，现被认为是依赖于门压式的Ca2＋通道所致。这种线粒体内膜上高电导、环孢素A(CsA)敏感的通道被称之为线粒体渗透性转换孔隙(mPTP)。mPTP的开放会导致膜电位Δψ的降低、第三阶段呼吸功能降低、线粒体肿胀以及线粒体外膜破裂，最终导致凋亡通路的激活和细胞坏死。Ca2＋超载可以触发mPTP的开放，但是孔隙开放的敏感性则依赖于一些外部条件，如氧化应激的压力、腺嘌呤核苷酸的损耗、无机磷酸盐的浓度以及线粒体去极化的程度等[20]。
通过脂多糖(LPS)诱导的脓毒症大鼠模型，Hassoun等[21]观察到肌浆网吸收Ca2＋减少，Ca2＋渗漏增加，而这是造成Ca2＋超载的原因。通过应用肌浆网Ca2＋渗漏抑制剂丹曲洛林可以减轻线粒体Ca2＋超载，并改善心脏收缩功能障碍，提示线粒体Ca2＋超载是导致脓毒症心功能障碍的一个重要原因。Larche等[22]发现了盲肠结扎穿刺脓毒症小鼠模型中线粒体第三阶段呼吸功能降低，第四阶段呼吸功能增强以及mPTP的开放，通过注射CsA抑制mPTP开放后有助于改善心脏功能、存活率以及线粒体功能障碍。Fauvel等[23]的研究也发现予CsA阻断mPTP开放，可以改善小鼠内毒素血症模型中左心室收缩功能障碍，同时减少细胞色素C的释放和半胱天冬酶的活性。最近的研究表明，Toll样受体4会诱导兰尼碱受体2氧化和肌浆网Ca2＋渗漏，进而加重脓毒症心脏收缩功能障碍[24]。因此，我们可以推测在脓毒症的一些模型中，胞浆的Ca2＋平衡紊乱导致细胞Ca2＋超载，触发线粒体mPTP开放，进而造成线粒体损伤和心功能障碍。但也有研究表明，虽然脓毒症伴随Ca2＋超载，但通过心肌细胞线粒体肿胀实验却并未发现mPTP的开放[25]。
化学渗透理论提示能量的产生有赖于电子传递链OXPHOS的作用，以及线粒体内膜质子H＋跨膜电化学梯度。质子通过F0F1-ATP酶(一种ATP驱动的质子运输体)中的F0亚基进入细胞质，进而使ADP转化为ATP，并消耗O2。生理状态下，一些H＋进入细胞质时并不通过F0F1-ATP酶，而是通过解耦联蛋白(UCPs)，导致O2的消耗，但并未产生ATP，称之为线粒体解耦联。生理情况下解耦联有助于褐色脂肪产生热量或减少线粒体ROS的产生。病理情况下，解耦联的增加会诱发糖尿病心肌病，增加长链脂肪酸的利用，并通过ROS进一步激活UCPs，最终导致ATP合成量下降以及O2的无用消耗，影响心功能[26]。研究表明，增加慢性心梗大鼠模型UCP3的表达会增加线粒体解耦联，降低心脏工作效率[27]。Roshon等[28]在大鼠盲肠结扎穿刺脓毒症模型离体灌注心脏中发现心功能降低约35%，同时检测到UCP2 mRNA水平升高。LPS诱导的内毒素血症大鼠模型中，也发现心脏UCP2和UCP3 mRNA水平升高。既往认为UCP介导的线粒体解耦联增加可能会降低脓毒症时心脏工作效率。但最近有研究发现，给予肽聚糖G治疗会增加LPS干预后大鼠H9C2心肌细胞的UCP2 mRNA表达，随着线粒体膜电位的下降，ATP合成减少，ROS产生增加以及mtDNA的损耗，沉默UCP2后则会进一步恶化，提示增加UCP2的表达或许有助于心功能的保护[29]。而另一项研究通过应用LPS干预不同心肌细胞，与正常心肌细胞相比，腺病毒转染UCP2过表达组心肌细胞线粒体损伤降低，膜电位升高，心肌酶学指标也改善明显，同样支持UCP2对于脓毒症心肌细胞的保护作用[30]。关于UCP3的作用同样也存在争论。Aguirre和Cadenas[31]发现LPS诱导的内毒素血症模型中UCP3水平升高明显，但无论在野生型或UCP3基因敲除的LPS小鼠模型中，第三阶段呼吸功能以及复合物Ⅳ活性均会降低，且质子的传导在LPS处理24 h后并未出现改变，与UCP3的升高并没有联系。相反的，在LPS干预的新生鼠心肌细胞中，却发现UCP3水平的升高与线粒体膜电位降低和ATP合成减少有关[32]。
不同于其他稳定的细胞器，线粒体是一个高度动态的细胞器。它通过分裂、融合、线粒体自噬以及线粒体生物合成维持着自身的数量和质量，进而维护细胞及细胞器稳态，以提高细胞抗应激能力[33]，称之为线粒体稳态(mitochondrial homeostasis)。
线粒体分裂是由动能相关蛋白1(Drp1)发动的，Drp1从细胞质中迁移到线粒体外膜上，然后与线粒体分裂蛋白1结合。激活后的Drp1寡聚化，GTPase活性增加，从而导致线粒体形成分裂形态进而分裂。线粒体融合是指两个或多个线粒体片段通过内外膜的融合进而形成一个新的线粒体的过程。在外膜融合过程中，需要线粒体融合蛋白-1(Mfn1)和线粒体融合蛋白-2(Mfn2)的共同作用，除了融合中的作用，Mfn2还能连接内质网和线粒体。视神经萎缩蛋白-1(Opa1)则介导了内膜的融合以及线粒体嵴的重构。
Drp1、Mfn1、Mfn2和Opa1通过各自已知或未知的功能，相互协调、反馈，维持着线粒体分裂和融合的平衡，进而支持线粒体的正常功能和维护心脏发育。损伤后则无法满足细胞的代谢需求[34,35,36]，并导致一系列疾病的发生，尤其是神经系统退行性病变和心血管系统疾病。研究发现在盲肠结扎穿刺脓毒症模型小鼠24 h心肌组织中，Opa1表达降低，而Drp1过度激活，证实线粒体分裂及融合失衡，伴有线粒体嵴的超微结构损伤[37]。RhoA/ROCK通路可能参与激活Drp1，进而导致线粒体碎片化，加重脓毒症心功能障碍[38]。同时也有研究表明通过抑制Mdivi-1基因表达，可以改善线粒体裂解功能，有助于保护内毒素血症中的器官功能[39]。
线粒体生物合成(mitochondrial biogenesis)是指线粒体前体的生长和分化，进而产生新的线粒体的过程。其不仅有赖于核基因编码蛋白的合成和输入，而且需要线粒体DNA(mtDNA)复制，以及线粒体融合与分裂机制的协调。生理状态下线粒体生物合成可以生成新的、健康的线粒体，有助于满足细胞代谢的能源需求。运动、寒冷、热量限制、氧化应激、细胞分裂再生和分化等环境压力都会诱导线粒体生物合成。
过氧化物酶体增殖物激活受体C辅激活因子1α(PGC-1α)是线粒体生物合成的关键调控分子，它既可以通过激活转录因子核呼吸因子1和核呼吸因子2等上调线粒体蛋白质的核生产；也可以调节转录因子(Tfam)的表达，进而刺激线粒体DNA的转录。脓毒症中，过多的ROS产生会进一步破坏线粒体，进而影响线粒体的生物合成。危重症患者体内线粒体生物合成的激活有助于部分抵消线粒体蛋白质的消耗，帮助维护器官功能和能量状态稳定[5]。Vanasco等[8]报道了心脏组织在LPS干预后24 h出现了PGC-1α和Tfam水平的升高，伴随着线粒体数量的上升和线粒体DNA的恢复。表明内毒素可以激活PGC-1α，进而激活线粒体生物合成。Lancel等[40]通过LPS干预转基因鼠实验，发现NOS2可以激活核转录因子和线粒体转录因子，进而激活线粒体生物合成，有助于改善脓毒症时心脏收缩力和能量代谢状态。然而，过度地激活生理状态下心脏线粒体生物合成似乎也会恶化心脏功能。有研究表明，成年小鼠PGC-1α过表达会造成线粒体生物合成过度激活，线粒体结构排列紊乱和心肌病的发生[41]。因此，需要更进一步研究明确线粒体生物合成在脓毒症中对线粒体及器官功能的影响。
除了产生新的线粒体外，机体还可以通过自噬来清除受损伤的线粒体，以减少受损线粒体释放更多的毒性物质，有助于维护剩余线粒体功能，避免进一步损伤，称之为线粒体自噬。其过程主要为自噬小体包裹受损伤线粒体，然后与溶酶体结合，继而降解。
目前研究表明，由PINK1/Parkin介导的通路是线粒体自噬的主要通路之一[42]。当线粒体处于受损、衰老等状态下，线粒体膜电位下降，对磷酸酶及张力蛋白同源物诱导的蛋白激酶1(PINKl)降解减缓或者消失，使PINKl在线粒体外膜聚集。其后血浆中Parkin亦聚集到受损的线粒体上，泛素化VDACl(线粒体阴离子通道蛋白)、Mfn1/2(融合蛋白酶1/2)等，接着被自噬蛋白P62及LC3Ⅱ所识别，介导线粒体自噬。Piquereau等[43]利用PARK2(Parkin蛋白靶基因)基因敲除鼠研究了线粒体自噬对于LPS干预后小鼠心功能障碍的影响。发现LPS干预后野生型和PARK2-/-型小鼠心输出量均降低约50%左右，但48 h后野生型小鼠心功能可以完全恢复正常，但PARK2-/-型小鼠心功能却仍有损伤。野生型中心脏OXPHOS复合物活性、线粒体氧消耗水平以及mPTP开放情况均在48 h恢复正常，但基因敲除鼠却没有恢复。因此，证实了PARK2介导的线粒体自噬对于脓毒症心脏线粒体功能及心功能障碍是有改善作用的。Preau等[44]的研究发现法舒地尔可以通过激活自噬进而抑制RhoA/ROCK，达到改善LPS诱导的心脏氧化应激状态。也有研究表明，通过改善自噬中溶酶体功能，也有助于减轻LPS诱导的心脏氧化应激损伤[45]。
线粒体分裂、融合、自噬与生物合成之间是相互联系的，期间存在着广泛的交叉，互相协同或反馈来维持生理状态下的稳态或应对损伤，由于各自通路的复杂性，其联系机制仍未明确。
目前治疗脓毒症心功能障碍主要集中于控制感染和血流动力学的支持。然而，最近的一系列研究进展让我们理解了器官功能障碍中潜在的一些分子机制，包括线粒体功能障碍。心肌线粒体产生过量的NO和ROS、mPTP的开放、线粒体解耦联以及线粒体稳态的变化都可能是导致脓毒症心功能障碍的病因。一些研究显示，基于以上损伤机制靶向治疗线粒体功能障碍，有助于线粒体功能恢复和心功能的改善[46]。但这些研究多局限于动物模型领域，由于脓毒症病因的多样性，疾病进展的阶段性以及人与动物模型之间的差异性，我们仍需要在不同类型、不同严重程度的脓毒症模型中进行实验来证实该种治疗方法的可行性。相信随着对脓毒症的持续关注以及新的研究手段的不断更新，终有一天我们在面对脓毒症多脏器功能障碍时会不再窘迫。
所有作者均声明不存在利益冲突
