線粒體功能障礙與血管鈣化發生的研究進展

丁姝穎　于子翔　馬依彤

【摘要】血管鈣化是在衰老、動脈粥樣硬化、慢性腎臟病和糖尿病中普遍存在的病理現象。線粒體DNA損傷、高磷酸鹽濃度和線粒體自噬異常等均可通過改變線粒體功能影響血管鈣化的發生和發展。目前線粒體功能障礙在血管鈣化過程中的作用機制尚未完全明確，現探討線粒體功能障礙在調控血管鈣化中的作用和相關機制，為臨床治療血管鈣化提供思路。

【關鍵詞】血管鈣化；血管平滑肌細胞；線粒體功能障礙

【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2024.03.014

Mitochondrial Dysfunction and the Development of Vascular Calcification

DING Shuying，YU Zixiang，MA Yitong

（Heart Center of The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University，Urumqi 830054，Xinjiang，China）

【Abstract】Vascular calcification is a prevalent pathological phenomenon in senescence，atherosclerosis，chronic kidney disease and diabetes mellitus.Mitochondrial DNA damage，alterations in the mitochondrial microenvironment and abnormal mitochondrial autophagy can affect the occurrence and development of vascular calcification by altering mitochondrial function.The role of mitochondrial dysfunction in the process of vascular calcification has not been fully elucidated yet.In this paper，we will explore the role of mitochondrial dysfunction and related mechanism in regulating vascular calcification，and provide therapeutic ideas for clinical treatment of vascular calcification.

【Keywords】Vascular calcification；Vascular smooth muscle cell；Mitochondrial dysfunction

血管鈣化是鈣、磷以羥基磷灰石的形式在血管壁上異位沉積的現象，根據血管鈣化發生部位進行分類，動脈鈣化可分為內膜鈣化和中膜鈣化，前者主要與動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）有關，而動脈中膜鈣化常在衰老和慢性腎臟病、糖尿病等慢性疾病的晚期病理變化中觀察到［1-2］。血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cell，VSMC）是構成動脈的主要成分，對維持血管系統的生理功能起著關鍵作用，也是參與血管鈣化的主要細胞。VSMC的表型轉化、凋亡和細胞外囊泡（extracellular vesicle，EV）的釋放等，都會促進血管鈣化的發生，使血管順應性降低，導致舒張功能不全和心力衰竭［3-4］。

線粒體被譽為是細胞的能量代謝工廠，線粒體內膜上的4種蛋白質復合物參與構成氧化呼吸鏈，也稱電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）。電子在ETC上通過氧化還原反應進行傳遞，將無機磷酸鹽（Pi）連接到腺苷二磷酸上，轉化為腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），逐級釋放出能量，以維持細胞功能［5］。除了為機體各種生命活動提供能量外，線粒體還參與細胞分化、細胞凋亡、細胞信息傳遞等過程，貫穿細胞生長發育過程［6］。因此穩定的線粒體功能是維持細胞穩態的前提。

本綜述將討論線粒體功能障礙在血管鈣化中的調控機制，為臨床治療血管鈣化提供思路。

1 血管鈣化的機制

目前，越來越多的證據［7］表明，血管鈣化過程與骨形成中軟骨骨化相類似，都是由細胞介導調控的過程。涉及血管鈣化的細胞主要有VSMC、血管內皮細胞、周細胞和巨噬細胞等，其中VSMC在維持和重構血管的細胞外基質中發揮著重要作用，并且在受到環境因素和生長因子的刺激下表現出表型轉化的能力，即從收縮型VSMC向成骨型VSMC轉化［8］。收縮型VSMC是一類終末分化細胞，其增殖與遷移性低，參與構成正常血管中膜，調節血管張力和順應性以及維持血壓動態穩定，并在血管出現損傷和血栓形成期間維持血管穩態［8］。相反，成骨型VSMC是一類去分化細胞，表現出強大的增殖和遷移能力，同時伴隨著收縮功能的喪失。目前，血管鈣化的全部機制尚不清楚，但VSMC的表型轉化和EV的釋放是血管鈣化的兩個主要行為學特點［7-9］。

收縮型VSMC起著保持血管張力并承受機械剪切應力的作用，因此維持VSMC功能穩定是必要的。在血管鈣化的發展過程中，活性氧（reactive oxygen species，ROS）的異常累積、氧化應激損傷和鈣、磷濃度失衡等各種因素會刺激成骨相關轉錄因子如Runt相關轉錄因子2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）的表達，從而促進VSMC由收縮表型向成骨表型的轉化［10-11］。其他鈣化相關的轉錄因子如堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）、骨形態發生蛋白2和骨鈣素等的表達均呈上升趨勢，而如平滑肌蛋白22-α、α平滑肌肌動蛋白等收縮型VSMC的特異性蛋白的表達均呈下降趨勢［12］。綜上所述，VSMC收縮表型的特異性標志物平滑肌蛋白22-α和α平滑肌肌動蛋白與成骨表型標志物（Runx2、ALP和骨形態發生蛋白2）之間的不平衡，為血管鈣化的發生和發展提供了細胞基礎。

2 線粒體功能障礙導致血管鈣化的機制

線粒體作為細胞的能量代謝工廠，功能發生障礙時，ATP生成減少，ROS生成增加，刺激VSMC發生表型轉化并釋放EV，同時釋放的EV為鈣化過程提供物質基礎，也可作為細胞外鈣、磷沉積的平臺，使沉積的羥基磷灰石進一步向外延展，刺激細胞凋亡［6-13］。此外，凋亡細胞釋放與EV結構類似的基質囊泡和凋亡小體，進一步促進鈣的累積并加速血管鈣化［14］。因此，線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）損傷、高磷酸鹽濃度和線粒體自噬異常等可使線粒體功能發生損傷的機制均能導致血管鈣化。

2.1 mtDNA的損傷

mtDNA是線粒體內獨立編碼的雙鏈環狀 DNA 分子，由mtDNA編碼合成的呼吸鏈復合物（復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）參與構成完整的ETC，并進行電子的傳遞，生成ATP。因此，若mtDNA出現損傷，如mtDNA發生堿基突變或DNA聚合酶γ（DNA polymerase γ，Polγ）損傷等都可能影響ETC的結構和功能，引起氧化磷酸化異常和能量缺乏，導致血管鈣化［15］。

2.1.1 mtDNA損傷導致血管鈣化

線粒體內由POLG基因編碼的Polγ是線粒體中唯一負責對mtDNA進行復制和校正的酶［15-16］。這也導致mtDNA穩定性降低，容易發生堿基突變或缺失，且因損傷修復系統較為簡單，當Polγ出現損傷后mtDNA較難得到修復。為了確定Polγ突變是否促進血管鈣化，Yu等［17］建立了缺乏Polγ活性的PolG-/-/ApoE-/-小鼠模型，發現與Polγ活性正常的PolG+/+/ApoE-/-小鼠相比，缺乏Polγ活性的PolG-/-/ApoE-/-小鼠表現出廣泛的mtDNA損傷和氧化磷酸化缺陷，以及更嚴重的冠狀動脈鈣化斑塊。Wang等［18］也證實，在外源性鈣化刺激條件下的小鼠主動脈血管中，VSMC線粒體中的Polγ會增強p53的募集以及與其相互作用，從而穩定線粒體功能，并最終抑制鈣化。而當Polγ發生D257A突變時再與p53結合，導致Polγ-p53復合體對鈣化刺激的應答能力無法進一步增強，mtDNA出現嚴重損傷，最終因線粒體功能障礙出現血管鈣化。

Liu等［19］的研究表明，血管鈣化與mtDNA的異常甲基化有關。線粒體中存在的與DNA甲基轉移酶1同型的線粒體DNA甲基轉移酶1，可與線粒體的D環控制區結合并形成5-甲基胞嘧啶，進而影響mtDNA的表達［20］。mtDNA甲基轉移酶1催化mtDNA中的D環甲基化，特異性抑制mtDNA基因表達，造成VSMC線粒體功能障礙，最終導致平滑肌細胞收縮功能的喪失［19］。mtDNA突變的積累所導致線粒體功能障礙，在mtDNA突變小鼠中表現出明顯的氧化應激，ATP產生減少，細胞凋亡，最終導致血管鈣化發生［21］。

2.1.2 氧化應激導致血管鈣化

線粒體功能損傷導致的氧化應激可直接參與血管鈣化過程。ROS或高磷酸鹽等血管鈣化誘導因子，往往會對線粒體結構和功能造成損傷，誘導線粒體釋放細胞色素C并激活內源性凋亡途徑，進一步促進VSMC發生表型轉化和基質囊泡的釋放。當mtDNA損傷導致ETC電子傳遞效率低下時，生成過量的ROS，ATP生成減少，氧化應激隨即發生［22］。在氧化應激期間，大量煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶被激活，而煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶是催化ROS產生的主要酶，生成的ROS可進一步促進其他來源的ROS產生，結果導致體內大量ROS聚集，最終通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/Runx2信號通路上調Runx2的表達，促進VSMC發生表型轉化［23］。受到刺激的VSMC向成骨型VSMC轉化并釋放EV，這些包含有較高ALP活性的EV，進一步促進羥基磷灰石在血管壁上沉積，加速血管鈣化進程［24］。ROS通過上調鈣化相關的轉錄因子如ALP活性以促進VSMC的表型轉化，加速血管鈣化，同時生成的ROS還可攻擊Polγ，導致mtDNA損傷，線粒體中ETC出現異常，進一步導致ROS的生成增加［25］。此外，過量的ROS使線粒體動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）的活性增加，造成線粒體融合和裂變的失衡，影響線粒體功能并導致細胞凋亡，凋亡細胞釋放的EV沉積在血管壁上，進一步促進血管鈣化的發展［26］。

線粒體是一種動態變化的細胞器，受高度保守的鳥苷三磷酸蛋白酶家族調節并不斷進行著分裂、融合，從而完成線粒體內膜和線粒體外膜的重塑［27］。視神經萎縮蛋白1和Drp1是線粒體融合和分裂所需的兩種關鍵蛋白，線粒體融合/分裂之間的平衡被打破將導致細胞凋亡。Cui等［28］通過Pi處理的VSMC發現，Pi誘導產生的ROS可促進Drp1表達，導致線粒體過度分裂成碎片狀，線粒體功能障礙和結構受到嚴重破壞，最終造成VSMC凋亡和鈣化發生。Cui等［28］還發現槲皮素可通過抑制Drp1的表達從而抑制線粒體分裂，通過減少VSMC凋亡來抑制血管鈣化。Wang等［29］也證實，通過敲低Drp1可改變線粒體的能量代謝進程以減少ROS的生成，抑制VSMC的表型轉化。而研究［30-31］發現50 μmol/L的線粒體分裂抑制劑1可完全抑制細胞中的Drp1活性，當VSMC向成骨表型轉化時，Drp1的表達增加，通過使用線粒體分裂抑制劑1可達到抑制Drp1的活性從而抑制由線粒體過度分裂導致的血管鈣化。由此可知，氧化應激誘導的線粒體結構受損和功能障礙是發生血管鈣化的重要因素，穩定的線粒體形態和功能有望成為干預血管鈣化的理想靶點。

2.2 高磷酸鹽導致血管鈣化

在氧化磷酸化過程中，Pi是參與合成ATP的底物之一，在調節線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）和維持ROS濃度的穩定中起著關鍵作用。在Pi誘導的血管鈣化中，MMP逐步降低并伴隨著細胞內ATP水平的降低［32］。Kim等［33］的研究也證實，Pi使MMP降低、ATP合成減少、ROS生成增多，進而促進了線粒體膜通透性轉換孔的開放和細胞色素C的釋放。細胞色素C進入胞質后與凋亡蛋白酶激活因子1和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶9相互作用，形成凋亡復合體，進而激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3，啟動半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶級聯反應，促使細胞凋亡和鈣化的發生［33］。此外，細胞色素C由線粒體進入胞質后，ETC發生解偶聯，并上調促凋亡蛋白Bax的表達水平，最后導致線粒體外膜破裂發生細胞凋亡，凋亡細胞釋放的凋亡小體含有高濃度Ca2+，最終沉積在細胞外基質上導致鈣化［34］。隨著磷酸鹽濃度升高，膜發生去極化使線粒體膜上電壓門控Ca2+通道開放，大量Ca2+內流，觸發線粒體膜通透性轉換孔的開放，促使細胞色素C釋放到細胞基質中，發生細胞凋亡，促進血管鈣化［35］。同樣，高磷酸鹽濃度的刺激使MMP發生改變并激活核因子κB信號通路，促進氧化應激，使VSMC發生表型轉化，最終導致血管鈣化的發生［36］。

Nguyen等［37］發現，Pi還可通過激活磷酸鹽轉運蛋白1/2增加Pi的攝取，磷酸鹽轉運蛋白1/2將胞質中的Pi向線粒體中轉運，使線粒體中pH值發生改變，胞漿堿化，并不斷促進Pi向線粒體基質中移動。隨著線粒體攝取Pi的速度增加，ROS的產生也隨之增加，同時Runx2表達進一步增強，ALP活性升高，有利于形成血管鈣化發生的環境，促進VSMC向成骨型轉化［35-38］。Lee等［16］的研究也證實該過程，通過使脫嘌呤/脫嘧啶核酸內切酶1/氧化還原因子-1過表達可有效地抑制VSMC中由Pi誘導的Runx2和磷酸鹽轉運蛋白1的表達，從而達到抑制血管鈣化的目的。此外，過表達的Bax通過與Bcl-2形成異二聚體，可以拮抗Bcl-2的保護效應從而促進細胞凋亡，而脫嘌呤/脫嘧啶核酸內切酶1/氧化還原因子-1可通過抑制Bax的表達進而抑制血管鈣化。 Cui等［28］發現槲皮素可通過抑制由Pi誘導的氧化應激，從而減少VSMC凋亡來抑制血管鈣化。因此，Pi對于調節線粒體中MMP與ROS的穩定起著關鍵作用。

2.3 線粒體自噬異常

自噬是一種保守的細胞內降解方式，線粒體自噬作為選擇性自噬的一種，特異性地識別并清除衰老或受損的線粒體，是維持線粒體穩態的重要機制［39］。線粒體過度分裂導致的線粒體結構及氧化磷酸化異常通常會導致細胞內線粒體自噬的過度激活。在Zhu等［40］的研究中，采用乳酸誘導大鼠VSMC鈣化，通過激活自噬相關抑制因子，如核受體亞家族4A組成員1及其下游的信號通路，通過核受體亞家族4A組成員1/DNA依賴蛋白激酶催化亞基/p53信號通路誘導Drp1介導的線粒體分裂并抑制B淋巴細胞瘤-2/腺病毒E1B 相互作用蛋白3相關的線粒體自噬，導致線粒體膜通透性轉換孔開放、膜通透性發生改變、MMP降低、啟動內源性凋亡途徑，促進鈣化發生。

3 小結

綜上所述，mtDNA損傷、鈣鹽和磷酸鹽超載以及線粒體自噬異常等一系列因素對線粒體功能的調控都會影響血管鈣化的發生和發展。線粒體功能障礙誘導的血管鈣化是一個涉及多種因素的復雜過程，未來針對線粒體功能障礙的各種治療方案對于防治血管鈣化和改善患者預后都至關重要。針對線粒體功能相關分子的研究都可能成為預防和治療血管鈣化的有效策略。

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收稿日期：2023-05-31

基金項目：新疆維吾爾自治區天山英才培養計劃項目（2022TSYCLJ0001）

通信作者：馬依彤，E-mail：myt-xj@163.com