ScienceDirect | 线粒体是治疗ALS的潜在靶点

 

文章来源：《ScienceDirect》

关键词：天玑济世；Phecdamed；线粒体自噬；Mitophagy；肌萎缩侧索硬化；ALS；

 

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导读：

 

肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种进展迅速的神经肌肉疾病，其主要特征为运动神经元的丧失以及骨骼肌的严重萎缩。据相关统计，全球ALS的总体发病率约为每十万人中1.75（范围在1.55-1.96）人年。然而，至今尚未发现针对ALS的有效治疗方法。一般而言，ALS患者的预期寿命通常在发病后的3至5年之间。尽管科研人员已投入大量精力进行研究，但ALS进行性神经肌肉退行性变的根本致病机制仍未能完全阐明。ALS病例中，大部分属于散发性（SALS），而约5至10%的病例表现为常染色体显性遗传，这类病例被称为家族性ALS（FALS）。SALS与FALS在神经肌肉退行性变的病理表现及临床表型上具有相似性，这提示我们ALS疾病进展过程中可能存在共同的神经肌肉退行性变机制。

 

01 研究背景

 

骨骼肌，作为人体的重要构成组织之一，承担着驱动全身自主运动的核心职责，对维持机体代谢稳态具有不可或缺的作用。对于罹患ALS的患者而言，他们将面临进行性加剧且严重的肌肉变性。这种严重的肌肉萎缩不仅深刻影响着ALS患者的病情发展，更是对其生活质量构成严重威胁。

 

肌肉功能的正常运作主要由运动神经元所主导。在神经元内部，线粒体占据细胞体积的3-8%，发挥着关键作用。与神经系统的能量需求相似，骨骼肌同样是一个对能量需求极高的器官，线粒体在肌纤维中的占比高达10-15%。线粒体不仅是细胞生成ATP和活性氧（ROS）的主要场所，更是细胞生存与死亡的决定性因素。

 

鉴于神经元对能量的高度依赖，其生理功能的正常运作离不开线粒体的支撑。然而，线粒体功能障碍已成为ALS神经元变性的核心因素，对ALS患者的病情进展产生深远影响。因此，针对线粒体功能障碍的研究与干预，对于改善ALS患者的预后和生活质量具有重要意义。

 

02 文章信息

 

 

在题为“Dysregulated mitochondrial Ca2+ and ROS signaling in skeletal muscle of ALS mouse model”的综述论文中，堪萨斯大学与得克萨斯大学的Jingsong Zhou与Jianxun Yi对ALS小鼠模型骨骼肌中线粒体Ca2+与活性氧（ROS）信号的失调问题进行了全面而深入的探讨。该综述论文详细梳理了ALS动物模型研究中所观察到的线粒体功能障碍现象，并深入剖析了相关的分子与细胞机制。文章系统地分析了ALS小鼠模型骨骼肌中线粒体Ca2+与ROS信号调控失衡的现象，并进一步探讨了线粒体Ca2+信号紊乱与ROS过量产生之间所形成的恶性循环在ALS病程中可能引发的肌肉萎缩的潜在作用机制。该综述论文为深入理解和研究ALS病程中线粒体信号失调问题提供了重要的参考依据。

 

03 文章内容

 

一、ALS患者骨骼肌线粒体形态和氧化应激异常

 

1、SALS和FALS患者的脊髓和肌肉尸检/活检样本的超微结构研究揭示了线粒体形态的显著缺陷。

▶ ALS患者脊髓的中的前角神经元中聚集了深色线粒体。在这些神经元的胞体中，线粒体肿胀，并伴有明显增加的嵴。

▶ 在运动神经元和肌内神经中也明显存在肿胀和空泡的线粒体与小管、嵴断裂和包涵体聚集。

▶ 在ALS患者萎缩肌肉肌膜下区域，线粒体聚集导致肌膜向外囊出；在肌节区域，在退化肌节的边界观察到平行于Z线的成对大而细长的线粒体；进一步在丝状间间隙发现具有紊乱和/或不连续嵴的异位大线粒体。

▶ 在ALS患者的退化肌纤维中也发现线粒体数量减少

▶ 在ALS患者的肌肉中发现了以嵴扩张和断裂为特征的肿胀线粒体。

 

2、ALS患者的肌肉样本中的线粒体氧化代谢受损。

▶ SALS患者骨骼肌的线粒体功能受损：研究人员结合酶活性和呼吸测量，证明了NADH脱氢酶(呼吸链复合物I)的活性显著降低，并伴随着最大呼吸能力的降低。

▶ 细胞色素c氧化酶（COX，亦称呼吸链复合体IV）在ALS患者肌肉组织中的活性呈现显著降低态势，同时，呼吸链存在缺陷的线粒体在肌肉中的分布呈现出极为不均的现象。

▶ 经过对FALS和SALS患者的肌活检样本进行严谨的回顾性组织化学和生物化学研究，结果均显示线粒体呼吸系统的缺陷活性与ALS的疾病进展存在显著的关联。

▶ 针对SALS患者样本的进一步研究显示，其肌肉组织中的线粒体呼吸链复合体活性呈现出明显的下降趋势，这一发现进一步支持了线粒体功能异常在ALS发病机理中的重要作用。

 

3、ALS患者骨骼肌线粒体氧化代谢受损伴有线粒体DNA损伤。

▶ 线粒体DNA易受ROS介导的氧化损伤，线粒体呼吸链的缺陷可能会促进ROS的产生。在ALS患者的脊髓中也发现了线粒体DNA和呼吸链功能的类似缺陷。

▶ 研究人员通过采用微阵列技术和基因调控网络分析，对ALS患者肌肉中显著改变的线粒体网络基因进行了系统的鉴定。在ALS肌肉中观察到的基因网络，涉及了一系列与肌肉结构定义、线粒体磷酸化及ATP合成密切相关的基因。

▶ 另一项研究通过采用qRT-PCR技术，证实了ALS患者骨骼肌中，除了呼吸链成分（COXIV）外，调控线粒体生物发生与动力学过程的基因表达水平也呈现下调趋势。

 

这些生化和多基因表达分析的结果表明，线粒体氧化应激在ALS进展过程中的多方面的线粒体缺陷的发生中具有潜在作用。

 

二、ALS小鼠骨骼肌ROS相关线粒体功能障碍的疾病阶段变化

 

在针对表达ALS相关的人超氧化物歧化酶1（SOD1）突变的转基因小鼠的研究中，研究人员发现其脊髓前角内存在显著的线粒体异常现象，这些异常与ALS患者脊髓中观察到的超微结构特征呈现出相似性。此外，电子显微镜研究显示，ALS SOD1突变小鼠的骨骼肌中，线粒体的形态学变化亦与人类患者所见的变化相吻合。有文献指出，在无症状阶段，SOD1突变小鼠的骨骼肌中即已出现ROS的积累。

 

为了深入探究ALS骨骼肌线粒体功能障碍的疾病阶段依赖性变化，研究人员构建了携带人类ALS突变SOD1 G93A和mt-cpYFP转基因的双转基因小鼠模型（G93A/cpYFP）。通过对这些双转基因小鼠的活骨骼肌纤维进行细致观察，研究人员揭示了线粒体异常事件在疾病不同阶段的依赖性变化。具体来说，在ALS症状显现之前，线粒体异常事件的频率已增加一倍，而其他信号动力学参数则与对照组保持一致。随着疾病的发作，线粒体异常事件的持续时间呈现出显著延长。

 

鉴于心肌和骨骼肌中线粒体转换孔（mPTP）的开放与线粒体异常活性动态之间存在密切关联，线粒体异常事件持续时间的延长可能反映了ALS进展过程中骨骼肌mPTP功能状态的潜在变化。值得注意的是，延长的线粒体异常活性与ALS后期肌肉线粒体中CypD表达水平的增加密切相关。

 

鉴进一步的研究表明，通过正常小鼠骨骼肌中ALS突变SOD1 G93A的过表达，SOD1突变直接导致线粒体ROS的产生以及mPTP相关的线粒体活性缺乏运动神经元的戒断。这一发现证明了肌肉线粒体是ALS突变的主要攻击目标。这一研究不仅加深了大家对ALS发病机制的理解，也为未来针对ALS的治疗策略提供了重要线索。

 

三、ALS小鼠活骨骼肌纤维中的线粒体动力学和自噬活性异常

 

研究人员通过在SOD1 G93A小鼠骨骼肌中过度表达线粒体靶向光活化荧光蛋白(mt-PAGFP )，检测了PAGFP在活肌纤维线粒体网络中的迁移率，并揭示了SOD1 G93A小鼠肌肉中伴随分裂/融合率降低的连接较少的线粒体网络。而这些异常发生在无症状的ALS阶段，表明异常的线粒体网络和动力学是ALS肌肉中的早期病理事件。线粒体动力学异常和ROS生成过量之间存在恶性循环，这种恶性反馈循环可能在ALS进展过程中的肌肉线粒体功能障碍中发挥作用。

 

自噬在线粒体质量控制中发挥着至关重要的作用，骨骼肌中的氧化应激通过多种途径对自噬进行调控。据已有报道，在ALS患者的脊髓和动物模型中，自噬活性呈现上调趋势；同时，也有研究指出，激活自噬有助于限制ALS的病情进展。

 

研究人员针对G93A小鼠的肌肉纤维，在不同疾病阶段对自噬体和溶酶体进行了量化分析。结果显示，G93A肌肉中的自噬通量显著受到抑制。年轻的G93A小鼠（6周龄）在经历饥饿（可促进自噬）或腹膜内注射秋水仙碱（可阻止自噬体与溶酶体的融合）时，其形成更多自噬体和溶酶体的能力明显不足。在自噬诱导后，年龄超过2个月的G93A小鼠肌肉中的自噬体和溶酶体形成也显著减少。

 

此外，研究人员利用已建立的生理自噬诱导条件进一步发现，G93A小鼠的自噬通量显著降低。这种自噬流量的抑制意味着在疾病进展过程中，G93A小鼠骨骼肌在应激条件下形成自噬体的储备资源可能逐渐耗尽。

 

与ALS进展过程中线粒体动力学的失调和过量ROS的产生相一致，自噬能力的降低（在ALS的早期阶段已发生，并在后期阶段变得更为严重）可能会进一步阻碍受损线粒体的清除，从而在促进线粒体损伤的恶性循环中扮演重要角色。

 

四、ALS中的Ca2+失调

 

多项研究指出，线粒体对Ca2+摄取的减少，在ALS小鼠模型中，会导致肌纤维神经肌肉接头（NMJ）附近胞浆内Ca2+瞬变异常活跃。ALS相关突变蛋白的聚集可能诱导线粒体膜去极化，进而减少线粒体对Ca2+的摄取能力，减缓线粒体动力学过程，并促进线粒体活性氧（ROS）的生成。

 

在疾病的早期阶段，线粒体内部的蛋白质聚集可能触发未折叠蛋白反应（UPR），这是一种旨在恢复线粒体蛋白质稳态的细胞机制。然而，若ALS病程中线粒体损伤持续累积，这些事件将可能相互加剧，进一步损害线粒体功能，最终导致骨骼肌内自噬和线粒体自噬等线粒体清除途径的耗竭。

 

线粒体生理性Ca2+摄取的丧失，可能是肌纤维去神经支配后线粒体通透性转换孔（mPTP）开放及线粒体ROS过度产生的初始触发因素。尽管线粒体Ca2+超载是导致mPTP开放和ROS生成的病理刺激，但生理性细胞内Ca2+瞬变对于维持骨骼肌中线粒体功能的完整性同样至关重要。

 

04 文章小结

 

ALS患者展现出骨骼肌线粒体形态异常和氧化应激增强的现象，这在SALS和FALS患者中均有体现。研究发现，ALS患者的脊髓与肌肉中线粒体出现肿胀、结构改变、嵴断裂及数量减少等问题，同时伴有线粒体功能障碍，包括NADH脱氢酶和细胞色素c氧化酶活性降低，以及呼吸链功能受损。这些异常不仅影响线粒体的氧化代谢，还与线粒体DNA损伤有关，后者可能因ROS介导的氧化应激加剧。此外，研究揭示了线粒体功能障碍与ALS疾病进展间的密切联系，且在ALS小鼠模型中观察到了类似的线粒体异常，包括ROS积累、动力学失衡和自噬功能受损，以及Ca2+调节失常。这些结果表明，线粒体损伤时ALS发生发展过程中的核心病理特征，针对线粒体的改善策略将有助于开发全新的治疗ALS的药物。

 

05 未来展望

 

精准医疗与个性化治疗策略：随着对ALS患者线粒体异常的深入了解，未来研究可探索针对个体遗传背景和线粒体功能状态的精准治疗方法，如使用线粒体靶向抗氧化剂、促进线粒体生物发生的药物，或调节线粒体钙稳态的疗法。

 

线粒体功能恢复技术：开发新的疗法来修复受损线粒体，比如通过基因编辑技术修复线粒体DNA损伤，或利用干细胞移植恢复线粒体功能，可能为ALS治疗带来革命性突破。

 

线粒体自噬激活策略：鉴于自噬功能在ALS肌肉中的重要性，激活或增强线粒体自噬通路成为一种潜在治疗方向，包括使用药物促进线粒体自噬体形成与溶酶体的融合，以更有效清除受损线粒体。

 

Ca2+稳态调节剂：研究针对Ca2+稳态调节的药物，旨在恢复线粒体对Ca2+的正常摄取，减少过度的ROS生成，维护线粒体功能和神经肌肉接头的稳定，可能延缓疾病进程。

 

跨学科合作与综合治疗：鉴于ALS的复杂性，跨学科合作将对理解疾病机制、开发新诊断工具及综合治疗方案至关重要。结合临床数据、遗传学、分子生物学、生物物理及计算科学等领域的进步，将推动ALS治疗进入一个全新的时代。

 

06 综述

 

未来ALS研究和治疗的发展将聚焦于深入理解线粒体功能障碍的核心机制，并在此基础上开发针对性的干预措施，以期改善患者的生活质量和预后。

 

 

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S000398611830777X