作者：张传武，朱芸燕，
缺血再灌注损伤( ischemia -reperfusion injury， IRI) 是指恢复缺血组织或器官的血流反而加重缺血组织器官损伤的现象。CIRI 是IS 治疗过程中不可避免的病理过程，会加重原有的脑缺血性损伤，影响治疗效果，不利于患者的预后。目前，CIRI 的确切机制尚不明确，针对CIRI 的防治策略和治疗药物十分有限。线粒体在CIRI 发生发展过程中发挥着重要作用。线粒体功能障碍也是CIRI 的重要机制。线粒体是维持神经元细胞功能正常的重要细胞器，在多种神经系统病理生理过程中都发挥着重要的作用。
研究报道，线粒体主要通过调控氧化应激、炎症反应、钙超载、细胞凋亡、神经元细胞自噬、铁死亡等表型参与CIRI的病理过程。本文就线粒体在CIRI 病理过程中的作用机制研究进展作一综述，旨在为CIRI 的机制研究提供参考。
1. CIRI 的机制概述
正常情况下，脑组织的重量约占体重的2%，同时，脑是机体代谢率最高的器官，脑组织耗氧量约占全身总耗氧量的20%，脑组织自身储备的能量仅够脑在缺血缺氧的条件下维持5 min，这使得脑极易发生IRI。脑发生IRI 的机制错综复杂，脑发生IRI 分为2 个时期——缺血期和再灌注期。
在缺血期，主要是因为缺血缺氧引起自由基大量释放导致氧化应激损伤; 再灌注期导致细胞损伤的机制不仅涉及氧化应激，还涉及炎性反应、钙超载、自噬等，最终导致细胞凋亡和坏死。近年来随着研究的深入，发现CIRI 还可能和铁死亡这种新型细胞死亡方式有关，并且CIRI 的发生和线粒体功能和形态的改变密切相关，线粒体在CIRI 的发生发展中起到了关键作用。
2. 线粒体和CIRI
2.1 线粒体通过调控氧化应激参与CIRI
氧化应激是发生CIRI 的一个重要原因，氧化应激是指氧化物质增多而抗氧化防御机制降低之间的不平衡导致细胞损伤。氧化应激有酶源性和非酶源性，酶源性包括黄嘌呤氧化酶系统，NADPH 氧化酶系统，线粒体电子传递链，解偶联——
脑发生IRI 时，线粒体会受损，导致细胞内氧化物质急剧上升，细胞损伤和脑发生IRI。线粒体受损的原因包括细胞内氧化磷酸化减少、Ca2+ 进入线粒体增多、电子传递链受损等，此外，抗氧化物质减少，活性氧增多，使线粒体内过氧化氢和羟自由基增多，从而加剧了细胞损伤。线粒体内膜复合体Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ以及一些黄素依赖酶与膜结合或在基质空间产生超氧化物，在膜间隙被超氧化物歧化酶1 迅速转化为过氧化氢，在线粒体基质空间被超氧化物歧化酶2 迅速转化为过氧化氢。
在沙土鼠脑缺血再灌注模型中，缺血再灌注后线粒体的呼吸控制率较假手术组( 不夹闭颈总动脉) 下降，磷氧比和氧化磷酸化效率均减低，而给予姜黄素后这些损伤性改变均得到缓解，各种氧化酶的活性亦有明显下降，说明姜黄素可以通过线粒体水平减弱氧化剂的损伤来缓解IRI，另外也间接证明线粒体可以通过氧化应激导致IRI。
在CIRI 大鼠模型中，线粒体ROS 抑制剂R( +) －PPX 可能通过抑制缺血脑组织JAK2－STAT3 信号通路的活性，降低TNF－α 的水平，在CIRI 早期发挥神经保护作用，说明线粒体通过氧化应激对CIRI 发挥作用，线粒体氧化应激会加重CIRI。解偶联蛋白2 缺失导致小鼠CIRI 中脑组织的ROS、线粒体裂变蛋白上升，线粒体超微结构改变，表明脑缺血再灌注过程ROS 上升会加重小鼠的CIRI，线粒体氧化应激在CIRI 中发挥了重要作用。
Lai等在大鼠脑缺血再灌注模型中的研究表明L －OPA1 的过表达减轻了诱导的神经元死亡和线粒体形态损伤，改善CIRI 后的运动功能恢复并减轻梗死体积，恢复CIRI 后线粒体嵴形态和线粒体长度，抑制OGD/R 诱导的皮质神经元线粒体生物能量学缺陷，减轻脑缺血/再灌注诱导的氧化应激，保持CIRI 后线粒体完整性，促进CIRI 后的线粒体生物发生，说明线粒体在CIRI 中发挥了重要作用，氧化应激在CIRI 中发挥了重要作用。
过去有研究发现针刺能有效治疗CIRI 后氧化应激，除了增加抗氧化酶的活性和下调ROS 的产生外，针灸还能修复被ROS 攻击的DNA、脂质和蛋白质，并介导ROS 通路下游的凋亡或自噬，说明了氧化应激在CIRI 中发挥了作用。在小鼠CIRI的模型中，进行脑缺血再灌注组的小鼠大脑总ROS 比空白对照组的产生增多，线粒体过氧化氢水平上升，进一步说明线粒体氧化应激在CIRI 中发挥重要作用。以上研究表明: 线粒体通过氧化应激在CIRI 中发挥的作用不可忽视，未来其具体的分子作用机制还有待进一步研究。
2.2 线粒体与钙超载在CIRI 中的作用
钙超载是发生CIRI 的重要机制，钙超载是指各种原因引起细胞Ca2+转运机制异常，细胞内Ca2+ 含量增多，导致细胞结构损伤和功能代谢障碍。有研究表明，钙超载在线粒体损伤中起关键作用。暴露于低浓度的外源性钙，与内质网应激增加的线粒体钙暴露一致导致氧化磷酸化和复合体Ⅰ活性降低。胞浆和线粒体钙超载是由内质网应激造成的，并且这有利于钙激活酶的激活。
钙超载对线粒体功可能是有害的，可能是线粒体产生ROS 的重要原因。Ca2+ 可以通过竞争心磷脂结合位点或通过在线粒体Ca2+触发的线粒体通透性转换孔( mPTP) 开放，期间激活两步细胞色素c 释放过程的第一步来增强线粒体内膜的细胞色素c 位错。细胞色素c 水平的降低会减慢电子从复合体Ⅲ到复合体Ⅳ的转移，从而增强Q 循环中ROS 的产生。高浓度的线粒体钙( ［Ca2+］m) 可以触发mPTP 开放。
事实上，Ca2+过载是mPTP 打开的主要刺激因素。Ca2+ 与ROS之间的串扰和相互作用，钙离子可能直接作用于线粒体膜，改变线粒体膜的性质，增加ROS 的产生，有大量证据表明ROS 和氧化还原状态可以显著调节Ca2+ 信号，在许多情况下，增加的［Ca2+］m 会导致ROS 的产生。ROS 通过其对线粒体Ca2+ 信号的积极刺激，可导致［Ca2+］m 的进一步增加。因此，Ca2+ 和ROS 之间的相互作用可以产生正前馈回路。
3. 线粒体与神经炎性反应在CIRI 中的作用
研究证实，神经炎性反应是在CIRI 中发挥重要作用，过度的炎性细胞浸润和炎性因子分泌会导致微血管功能紊乱和神经元细胞损伤，从而可能加重CIRI。线粒体在调节炎性反应过程中发挥了重要作用。线粒体为损伤相关分子模式( DAMP) 再分配、炎性、模式识别受体( PRR) 信号传导提供了平台。
有专家指出，线粒体是炎性反应的主要调节剂。调节性细胞死亡( RCD) 相关的线粒体外膜透化引发的各种细胞反应，包括自噬和半胱天冬酶的激活，直接影响炎性过程的调节。BAX/BAK 会作用于线粒体的膜表面，使线粒体外膜通透化，BAX/BAK形成大孔，线粒体DNA 释放到细胞基质中，和CGASSTING通路结合触发炎性反应，说明炎性反应在CIRI中发挥了重要作用。在大鼠全CIRI 模型中，海马CA1区NLRP3 表达增高; Bcb 可以通过促进线粒体ALDH2的表达、降低炎性反应发挥保护作用，说明线粒体通过炎性反应在CIRI 中发挥了重要作用。
在CIRI 细胞模型中，发现线粒体功能障碍可以激活原代小胶质细胞和BV2 细胞中的Nod 样受体蛋白3( NLRP3) 炎性小体的活性，NLRP3 炎性小体是介导脑CIRI 后炎性反应的关键因素，线粒体保护剂可以使OGD/R( 氧－
4. 线粒体自噬在CIRI 中的作用
CIRI 过程中也伴随着线粒体自噬的过程。线粒体自噬是属于线粒体特有的自噬，它介导了功能失调的线粒体的降解，因此在线粒体质量控制和细胞生存中起着关键作用。脑缺血再灌注是一个复杂的病理过程。自噬可以由缺血引起，但它在缺血后再灌注期的参与以及对神经元命运的贡献仍不清楚。有研究认为，自噬在缺血再灌注期被激活。
有学者指出，线粒体自噬异常所致严重的线粒体功能障碍可导致血脑屏障破坏和神经元损伤，参与了CIRI 病理过程。在CIRI 过程中，多种信号通路以及关键蛋白参与了线粒体自噬的发生和调控。线粒体自噬阻止了由线粒体驱动的炎性反应的启动，并且ATP 分泌需要自噬。
说明线粒体自噬在CIRI 中发挥了重要作用，并且线粒体自噬可以通过影响ATP的分泌，炎性反应来减少CIRI。有研究表明荭草苷对大鼠脑缺血再灌注的保护作用可能是通过激活PI3K/Akt 信号通路，抑制脑缺血再灌注大鼠线粒体自噬过度激活来实现的。大量研究表明: Bax /Bak 激活通过自噬诱导线粒体降解。
与永久性缺血相比，在再灌注期抑制自噬会加强缺血再灌注引起的脑和细胞损伤。2012 年Wang 等用靶向线粒体光敏剂( mt －KR) 诱导线粒体内ROS 的爆发的方法，利用活细胞成像，证明mt－KR 的光激活产生ROS 直接导致线粒体损伤，从而导致park2 依赖的线粒体自噬；此外，还发现线粒体抗氧化蛋白超氧化物歧化酶2 的过表达抑制了ROS 诱导的线粒体自噬。说明线粒体动力学和线粒体自噬调节之间有重要联系。
细长的线粒体比碎片状线粒体对ROS 诱导的损伤和线粒体自噬具有更强的抵抗力，表明线粒体形态在调节ROS 和线粒体自噬中具有重要作用。线粒体自噬是维持细胞内稳态的重要细胞途径，线粒体自噬在CIRI 中的作用与线粒体形态、炎性反应和ROS 产生有关。适当的线粒体自噬有助于保护神经细胞，但不足或过度则会导致神经细胞死亡。因此，调控脑缺血再灌注后线粒体自噬的信号通路及关键指标是治疗CIRI 的关键靶点。未来的研究可以从线粒体自噬的调控机制和线粒体自噬在脑缺血再灌注后的动态过程等方面入手为CIRI 的防治提供方法和思路。
5. 线粒体与细胞凋亡在CIRI 中的作用
细胞凋亡是一种程序性的细胞死亡方式，是细胞在正常生理和病理状态下的一种自我调节机制。细胞凋亡的定义最早是在1992 年由Kerr 等提出的，他们将细胞凋亡定义为“细胞在一系列特征性的形态学改变中自我毁灭的过程”。在生物体中，细胞死亡的方式有多种，包括内源性细胞死亡，外源性细胞死亡，MPT 驱动的坏死，程序性坏死，铁死亡，细胞焦亡，溶酶体依赖性细胞死亡等多种形式。
在线粒体凋亡途径中，半胱氨酸蛋白酶激活与线粒体外膜通透性增加( MOMP) 密切相关。MOMP 的局部调节和执行涉及Bcl-2 家族蛋白、线粒体脂质等成分。MOMP 会导致半胱氨酸蛋白酶激活分子和非半胱氨酸蛋白酶依赖性死亡效应物质的释放、线粒体代谢功能的衰竭。线粒体在细胞凋亡中发挥了重要作用。脑缺血再灌注后神经元的死亡与线粒体功能障碍所致的凋亡直接相关，ATP 衰竭、活性氧大量堆积、氧自由基损伤、钙超载、线粒体通透性转换孔异常开放、线粒体膜电位异常、血脑屏障破坏、线粒体DNA 受损、线粒体自噬等因素均可导致线粒体障碍，从而诱导线粒体凋亡通路。
有大量的研究发现细胞凋亡在CIRI 中发挥了重要作用，线粒体可能通过细胞凋亡途径导致CIRI。在
在大鼠脑缺血在灌注模型中的研究表明miR－29b 通过下调海马组织中Akt蛋白的磷酸化水平、促进抗凋亡蛋白Bcl－2 和Mcl－1的表达来调控细胞凋亡，从而发挥抗CIRI 的神经保护作用，说明细胞凋亡可能是导致大鼠CIRI 的原因之一。抑制miR－33－5p 和miR－135b－5p 表达可保护Neuro－2a 细胞免受氧－葡萄糖剥夺( OGD) 诱导的细胞凋亡，细胞凋亡在IRI 中发挥了重要作用。在大鼠中脑动脉阻塞和氧葡萄糖剥夺/再氧化( OGD/R) 模型中，RTN1－C 过表达诱导细胞凋亡并增加细胞对缺血损伤的易感性，而RTN1－C 的沉默则逆转了缺血诱导的细胞凋亡并减轻了OGD/R 处理的神经细胞易感性，RTN1－C 通过线粒体相关的途径介导OGD/R诱导的细胞凋亡，这些结果表明大鼠CIRI 的发生和线粒体相关的细胞凋亡密切相关。
在大鼠大脑中动脉缺血再灌注模型中，与正常对照组相比，大鼠脑缺血再灌注组的Western blotting 结果显示IR 大鼠脑组织中的促凋亡相关蛋白( Bax、Caspase－3 和c－Fos ) 的蛋白表达增加，而抑制凋亡的蛋白( Bcl－2 ) 的表达下降，说明大鼠可通过细胞凋亡途径导致CIRI。MMOP 是内在细胞死亡和外在细胞死亡的关键步骤。线粒体参与调节线粒体通透性转变( MPT) 驱动的细胞死亡，MPT 驱动的坏死不依赖半胱天冬酶的激活，而是涉及ATP 的消耗和对大分子的氧化损伤，而氧化应激和钙超载是MPT 驱动的坏死的常见诱因。
线粒体可能通过凋亡途径介导细胞死亡，这些研究成果的为CIRI 的防治提供了重要的线索。以上的研究表明线粒体在CIRI 中发挥了重要作用，线粒体导致的CIRI 可能是由于细胞凋亡导致的。但是目前凋亡介导CIRI 的具体机制还不明确，大量的研究表明CIRI 和细胞凋亡等有关。研究发现线粒体在CIRI 凋亡过程中发挥了重要作用，并且线粒体参与CIRI 是通过细胞凋亡来实现的。为线粒体在CIRI 过程中的作用机制提供了新的思路和可能。
6. 线粒体与铁死亡在CIRI 中的作用
铁死亡在CIRI 中的作用机制是指在CIRI 过程中，铁离子的积累和氧化应激对神经细胞的损害机制。在CIRI 中，由于氧供应不足，细胞内的铁离子会积累，导致细胞内氧化应激反应增加，产生大量的活性氧自由基。这些活性氧自由基会对细胞膜、蛋白质和核酸等生物分子造成氧化损伤，导致细胞膜的破坏、蛋白质的变性和核酸的断裂，最终导致神经细胞的死亡，在脑缺血再灌注的过程中，铁死亡是导致细胞死亡的主要原因之一，抑制铁死亡的发生是治疗CIRI 的一种重要的方法。
铁死亡发生的主要环节是铁和脂质活性氧的积累，而脂质活性氧的积累又和
7. 展望
总之，线粒体在CIRI 中扮演着重要的角色，是CIRI 的关键环节。CIRI 过程中，线粒体受到大量活性氧和钙离子的影响，导致线粒体透气性转化孔过度开放，线粒体膜通透性改变，膜结构受损，线粒体钙离子超载等，从而导致线粒体功能障碍。这些病理变化相互影响，导致脑细胞死亡和凋亡。因此，研究促进线粒体产生的机制，维护线粒体的功能，对于CIRI 的预防和治疗具有重要的临床意义。
来源：张传武,朱芸燕,陈靖,等.线粒体在脑缺血再灌注损伤中的作用研究进展[J].河北医药,2025,47(07):1197-1201.
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