慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种常见的慢性炎症性气道疾病，具有高发病率和高病死率。线粒体参与细胞的多种代谢过程，如物质分解代谢、能量生成和氧化应激等。越来越多的研究揭示出线粒体代谢重编程参与COPD的病理生理过程，如炎症反应、氧化应激、细胞衰老、凋亡和自噬等。本文概述线粒体代谢重编程在COPD发病机制中的作用。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
COPD是一种常见的可以预防和治疗的气道疾病，由有毒颗粒或气体导致气道和(或)肺泡异常引起，其临床特点为持续性气流受限并出现相关的呼吸道症状。据报道，COPD约占慢性呼吸道疾病发病病例的29%，其发病率在过去50年内稳步增加，目前是仅次于心血管疾病和脑卒中的第三大死因[1,2]。COPD的最大危险因素是吸烟，而年龄、遗传和环境暴露等因素在COPD发病过程中也发挥着重要的作用[3]。作为重要的细胞器，线粒体是机体内物质代谢和能量生成的中心。近年的研究表明，能量稳态的改变可以影响气道疾病的发生和进展[4]，且线粒体相关的氧化应激、细胞衰老和凋亡、以及免疫和炎症反应等均与气道疾病的发病机制有关。代谢重编程的概念首先起源于肿瘤研究。癌细胞与正常细胞生存的微环境不同，因此需要通过改变能量代谢以加强对缺氧和低营养条件的快速适应，癌细胞的这种生物能量变化现象称为代谢重编程[5]。随后，这一概念推广到其他疾病的研究，在COPD的病理生理过程中也存在代谢重编程的现象[6,7]。代谢重编程可通过细胞自噬、凋亡、衰老和炎症反应等参与COPD的发生、发展。本文拟总结近年来线粒体代谢重编程在COPD发病机制中的研究进展。
线粒体是细胞产生能量和传递信号的主要场所。糖类、脂肪酸和蛋白质等物质在线粒体内氧化产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)以维持细胞的正常生命活动。
葡萄糖在细胞质中经过十步反应生成丙酮酸，己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶是参与此过程的3种关键限速酶。氧供充足时，丙酮酸通过线粒体丙酮酸载体运输到线粒体中，转化为乙酰CoA后进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)。而在缺氧条件下，丙酮酸则在细胞质中经乳酸脱氢酶催化生成乳酸。此外，葡萄糖还可通过磷酸戊糖途径进行代谢。磷酸戊糖途径从葡萄糖-6-磷酸开始形成旁路，经葡萄糖-6-磷酸脱氢酶催化及氧化脱羧后生成5-磷酸核糖和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，此代谢途径不产生ATP。磷酸戊糖途径在维持碳稳态以及拮抗氧化应激方面起重要作用[8]。
TCA也称柠檬酸循环，该反应发生在线粒体基质中，是三大营养物质分解产能的共同代谢途径。TCA的2个主要产物烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，FADH2)均为电子载体，它们向电子传递链(electron transport chain，ETC)提供电子，经ATP合酶催化产生ATP为细胞提供能量。TCA最常见的起始点是糖酵解产生的丙酮酸或脂肪酸转化的乙酰CoA。一些其他物质经过转化后也可作为TCA的底物进入TCA，如谷氨酰胺可转化为α-酮戊二酸，脱氨氨基酸如丙氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸可转化为丙酮酸[7]。
脂肪酸β-氧化也主要发生在线粒体基质中，此过程涉及四步反应：脂肪酸先被活化、然后转移至线粒体、在酶的催化下β-氧化生成乙酰CoA后进入TCA、产生的NADH和FADH2经ETC生成ATP。这四步反应不断循环，在每个循环中，2个碳从脂肪酸中裂解形成乙酰CoA，最终生成两分子乙酰CoA。β-氧化过程通常比较复杂，脂肪酸分子必须首先和肉碱耦联，经肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyl transferase-1，CPT1)传递到线粒体后才能开始分解。CPT1是脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)过程中肉碱穿梭的一种限速酶[9]。而大于22个碳的长链脂肪酸和支链脂肪酸首先在过氧化物酶体中被氧化为辛酰CoA，然后再进入线粒体进一步分解。线粒体β-氧化和过氧化物酶体β-氧化的一个明显区别是，后者不涉及ATP的合成，而是将NADH携带的电子转移给氧气产生过氧化氢，在酶的催化下最终产生水和氧气。
调控线粒体代谢的关键信号分子有单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)、雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)和去乙酰化酶sirtuins(sirt)。在应激过程中，细胞通过激活不同的信号通路来调控代谢以维持能量代谢的需要。
AMPK以三聚体的形式存在，由1个催化亚基(α亚基)和2个调节亚基(β和γ亚基)组成，构成3个主要模块：催化模块、碳水化合物结合模块和核苷酸结合模块。AMPK在细胞代谢中的主要作用是通过抑制ATP消耗和产生新的ATP来维持能量平衡。单磷酸腺苷/ATP比值增加、二磷酸腺苷和活性氧水平升高以及高CO2暴露等可激活AMPK[10]。已知AMPK作用的一个重要靶点是抑制脂肪酸的合成途径，其通过磷酸化乙酰CoA羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)阻断脂肪酸分子的产生。AMPK也抑制其他耗能过程，如蛋白质翻译以及大多数合成代谢途径。AMPK还可促进产生ATP的反应，如脂肪酸的分解、从环境中摄取葡萄糖等。此外，AMPK可通过参与炎症反应、细胞生长、凋亡、自噬、衰老和分化等来调节细胞代谢[11]。
mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它有2种不同的蛋白复合物形式mTOR复合体1和mTOR复合体2。mTOR信号通路主要参与能量消耗过程，此通路将来自不同途径的信号进行整合后，再进一步调控细胞代谢、生长、存活和衰老。而AMPK磷酸化后可有效抑制mTOR信号转导[12]。
Sirt是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖的蛋白去乙酰化酶，通过诱导蛋白质去乙酰化而发挥协调应激反应、维持代谢稳态和抗衰老的作用。Sirt3是主要的去乙酰化酶，它可调节线粒体中多种代谢酶的活性。线粒体蛋白质乙酰化后，细胞内的生物能量状态可产生急性变化，并使线粒体功能发生适应性改变。NAD+是sirt的辅助因子，能量降低时NAD+在细胞内积累，sirt被NAD+激活后诱导蛋白去乙酰化，促进分解代谢、维持氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)以及ATP的产生[13]。因此，sirt和线粒体蛋白乙酰化的稳态可能是适应应激改变的重要机制之一。
COPD患者由于气流受限、气道狭窄、肺泡通气功能下降等导致机体氧气含量降低，二氧化碳含量升高。为满足细胞活动的能量需求，机体通过糖酵解途径快速产生ATP来适应改变。Malinska等[14]通过测量细胞外酸化率和线粒体耗氧量率评估人支气管上皮细胞中的线粒体功能和氧化应激水平。发现烟雾暴露后细胞外酸化率和线粒体耗氧量率均升高，表明细胞存在糖酵解通量增加和OXPHOS损伤。Xue等[15]采用代谢组学方法研究了COPD无氧和有氧能量代谢途径。分析COPD患者的能量代谢产物，发现COPD患者有氧和无氧能量代谢途径存在明显的失衡，无氧代谢倾向显著增加且与疾病进展呈正相关。这项研究表明了COPD患者存在无氧和低效能量供应途径[15]。AMPK可磷酸化TBC1域家族成员1和硫氧还蛋白交互作用蛋白，通过控制葡萄糖易位和细胞表面转运体来促进葡萄糖摄取[16]。
许多研究发现烟草暴露可促进气道上皮细胞CPT1表达、提高FAO和线粒体呼吸[17,18]。将人支气管上皮细胞暴露于3%烟草提取物12 h后测量线粒体耗氧率，其基础和最大线粒体呼吸分别增加了50%和100%。使用CPT1抑制剂或小干扰RNA(small interfering RNA，siRNA)沉默CPT1后，FAO受到抑制，线粒体呼吸减弱，提示烟草可能通过增加CPT1表达促进线粒体FAO[17]。Ceco等[10]研究显示，暴露于高二氧化碳环境的小鼠C2C12成肌细胞中AMPK和ACC磷酸化水平升高。ACC磷酸化增加可以间接增加CPT1的活性，从而促进FAO、提高OXPHOS[10]。AMPK还可对脂肪酶(如激素敏感性脂肪酶和脂肪组织三酰甘油脂肪酶等)进行磷酸化，以促进脂肪酸的活化和分解，为细胞活动提供能量[19]。
Sirt1依赖性家族序列相似性基因13A(family with sequence similarity 13 member A，FAM13A)途径是调节FAO的一个重要机制。当人支气管上皮细胞的FAM13A受到沉默后，其最大线粒体呼吸减少一半，基础呼吸也呈现降低的趋势。与对照组相比，FAM13A-/-小鼠原代肺上皮细胞也表现出最大线粒体呼吸受损，这表明FAM13A可促进线粒体呼吸[17]。沉默人支气管上皮细胞的FAM13A后，其sirt1活性、CPT1A和活性氧水平均显著降低，提示FAM13A可能通过作用于sirt1并增强其活性、增加CPT1A表达以促进FAO[17,19]。
过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1a、CPT1A(CPT1的一个亚型)和肉碱等参与FAO和线粒体生物能量发生过程。用CPT1A抑制剂处理肺微血管内皮细胞或转染CPT1A siRNA，烟草烟雾暴露(cigarette smoking exposure，CSE)诱导的细胞凋亡进一步增加。而肉碱作为CPT1A底物可增强CPT1A表达促进FAO，用肉碱处理后，肺微血管内皮细胞凋亡显著减少[18]。在弹性蛋白酶诱导的肺气肿模型中，肺组织内左旋肉碱含量降低，肺泡上皮细胞衰老和凋亡增加，这提示FAO受损。而补充左旋肉碱可减少肺泡上皮细胞凋亡并预防肺气肿发生[20]。
COPD患者线粒体的氧化还原状态发生变化，活性氧产生增加。Chen等[23]使用抗氧化剂米托醌处理人脐静脉内皮细胞后，活性氧水平和细胞自噬减少，维持了线粒体的功能并保护细胞免于烟雾诱导的细胞毒性。与对照组小鼠相比，烟草诱导的COPD小鼠气道上皮细胞中sirt3和锰超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)表达明显下降、氧化应激和细胞损伤加重。同样，CSE暴露的人支气管上皮细胞(BEAS-2B)中sirt3和MnSOD表达也明显降低。对sirt3采用siRNA处理后，细胞中MnSOD的表达和活性下降，线粒体氧化应激和细胞损伤加重。相反，过表达sirt3能改善MnSOD水平，对细胞具有一定的保护作用。这表明，sirt3可能通过调节MnSOD来抑制线粒体氧化应激，从而延缓COPD的发展[24]。脂肪酸分解产生的NADH和FADH2在向ETC传递电子的过程中会产生活性氧等副产物，因此FAO是线粒体活性氧的重要来源之一。对于清除活性氧能力下降的细胞，显著的氧化应激可加速细胞衰老和死亡[17,19]。长链酰基CoA脱氢酶是催化线粒体FAO的一种酶，除了通过FAO产生活性氧，它还可经ETC直接产生过氧化氢导致氧化应激[25]。这些结果说明线粒体物质代谢改变产生的活性氧可诱导细胞衰老和死亡，参与COPD的病理生理过程。
活性氧通过诱导脂质过氧化、DNA损伤和激活信号通路以及转录因子等增强促炎介质的表达，进而损伤呼吸道上皮细胞。烟草烟雾中的氧化剂可刺激肺泡巨噬细胞释放介质，并募集炎性细胞(如中性粒细胞)至肺部诱导慢性炎症产生[6]。巨噬细胞表型变化是众多炎症性疾病启动、进展和终止的原因之一。M1巨噬细胞释放促炎细胞因子，抑制细胞增殖导致组织损伤。相反，M2巨噬细胞释放抗炎细胞因子，有助于细胞增殖促进组织修复和伤口愈合。因此，M1/M2巨噬细胞的失衡可能导致疾病产生[26]。通常情况下，大多数肺泡巨噬细胞是非极化的，但在COPD患者中，巨噬细胞发生极化且M1和M2巨噬细胞共表达显著增加，释放肿瘤坏死因子α、IL-1β、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、转化生长因子β等多种炎症介质促进疾病发展[26,27]。这些结果表明，活性氧、巨噬细胞和炎症因子在COPD的进展中有重要作用。此外，在慢性炎症、衰老和应激状态下，线粒体sirt1水平和活性降低。Sirt1水平降低导致其对肿瘤抑制因子p53、叉头转录因子O3A等靶蛋白乙酰化的调节失控，从而增强炎症反应、促进细胞衰老和凋亡，导致细胞功能障碍[28]。这些结果提示炎症介质可以募集免疫细胞，通过改变先天和适应性免疫反应诱导慢性炎症产生，参与肺部疾病的进展。
肺部细胞衰老是COPD的致病因素之一。细胞衰老表现为能量生成减少，出现衰老相关的分泌表型[6]。这种能量改变使二磷酸腺苷/ATP和单磷酸腺苷/ATP比值增加，激活AMPK从而参与COPD的发生、发展。mTOR信号通路也参与细胞衰老。Houssaini等[29]发现COPD患者细胞衰老与mTOR激活有关，低剂量mTOR抑制剂可减少细胞衰老以及衰老相关的分泌表型。通过构建mTOR过度表达的小鼠模型，研究者发现mTOR激活可诱导肺细胞衰老，且伴随着肺气肿、肺动脉高压和肺部炎症的快速发展，这与COPD的肺部改变相似[29]。这些发现揭示了mTOR激活、肺细胞衰老和COPD肺部改变之间的关系，即mTOR通路活化可能通过诱导炎症反应和细胞衰老参与COPD的发生、发展。已知p53在诱导细胞凋亡、衰老和生长停滞中起重要作用，sirt1可使p53去乙酰化，抑制p53表达以阻止细胞衰老[28]。
线粒体在细胞凋亡信号转导中起重要作用，损伤的DNA和死亡受体配体等可汇聚于线粒体触发线粒体释放细胞色素C，进而激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase)导致细胞凋亡。在烟草暴露的人支气管上皮细胞中观察到含NLR家族Pyrin域蛋白3(NLR Family Pyrin Domain-containing Protein 3，NLRP3)转录和翻译上调、caspase-1活性增加(NLRP3是激活caspase-1所必需的)。用caspase-1抑制剂或使用NLRP3 siRNA处理细胞后，发现细胞凋亡减少[30]。Gong等[18]使用CPT1A抑制剂减少小鼠肺微血管内皮细胞FAO后细胞凋亡增加，而补充肉碱细胞凋亡减少，提示肉碱可通过上调CPT1A增强FAO以减轻细胞凋亡。他们还发现CSE导致脂肪酸向神经酰胺转化增加，神经酰胺是已知的细胞凋亡和自噬介质，使用神经酰胺抑制剂处理后发现细胞凋亡减少[18]。也有研究指出，抑制OXPHOS过程中线粒体活性氧的产生可减弱CSE诱导的人支气管上皮细胞死亡[17]。因此，FAO和线粒体活性氧之间的平衡在调节细胞凋亡中起重要作用。
自噬是保护细胞和生物体免受损伤的主要适应性反应，通过吞噬细胞质蛋白和细胞器(如线粒体)并在溶酶体中降解完成自噬过程。线粒体一旦去极化，就可以通过自噬来限制线粒体活性氧产生、减少氧化损伤从而维持其功能。暴露于CSE的人小气道上皮细胞和原代人肺内皮细胞发生线粒体损伤，表现为自噬和细胞坏死，该过程可能受到促凋亡的神经酰胺或其前体二氢神经酰胺的影响。CSE暴露后细胞中神经酰胺和二氢神经酰胺水平升高，而二氢神经酰胺增强可触发细胞自噬[31]。磷酸酶和张力素同源物诱导的激酶蛋白1是介导线粒体自噬的关键调控因子，它通常与烟草诱导的线粒体功能障碍有关。在分离的COPD患者原代人支气管上皮细胞中发现磷酸酶和张力素同源物诱导的激酶蛋白1表达增加，这可能反映出线粒体自噬不足导致受损线粒体蓄积，从而使线粒体活性氧产生增多[32]。
由于线粒体代谢改变参与COPD的发生、发展，可针对其不同的致病机制进行靶向性治疗。COPD患者的糖酵解通量增加，而促使代谢从糖酵解途径恢复为氧化磷酸化途径可能会减缓炎症反应、抑制细胞自噬。Wang等[33]通过抑制糖酵解途径并增强细胞抗氧化应激能力，在烟草烟雾诱导的COPD小鼠中获得了令人满意的治疗效果。使用左卡尼汀增加CPT1A表达以促进FAO，也可以延缓COPD的发展。这些结果表明，可能存在基于代谢转变的治疗新方法。卡马西平是一种具有自噬诱导活性的药物，它能够减少烟草暴露28周后小鼠肺部的细胞凋亡和肺气肿的发生。雷帕霉素通过抑制mTOR从而诱导自噬发生，在镉处理小鼠分离的原代肺内皮细胞中，发现雷帕霉素能够诱导自噬并减少细胞死亡[32]。因此，诱导细胞自噬是一种具有潜力的COPD治疗方法。线粒体中乙酰化赖氨酸残基的丰度随着肌肉年龄的增长而显著增加，尝试通过饮食或药物激活sirt1以减少线粒体蛋白乙酰化，可作为另一个潜在的治疗靶点[28]。
综上所述，烟草暴露触发细胞线粒体代谢发生改变，通过调控信号分子通路增加线粒体效率、激活替代途径(如提高糖酵解通量、增强FAO和谷氨酰胺分解代谢等)来上调应激条件下的线粒体呼吸以保存能量。线粒体代谢稳态在调节氧化应激、细胞衰老和凋亡、炎症反应、细胞自噬等生理和病理过程中起重要作用，而代谢重编程可能通过以上过程参与COPD的发生、发展。越来越多的研究揭示线粒体代谢重编程在COPD发病机制中有重要作用，其研究结果的差异可能与不同的细胞类型、不同的烟草暴露时间以及不同程度的线粒体损伤等有关。线粒体轻微损伤可以通过适应性改变增强呼吸来维持能量平衡，而持续或严重损伤会造成线粒体功能下降，能量生成减少导致细胞死亡。探究线粒体代谢重编程在COPD发病机制中的作用可能为COPD的诊断与治疗提供新的思路。
所有作者声明无利益冲突
