综述：改善线粒体功能：神经退行性疾病当前治疗展望

《Pharmacological Research》：Review article: Improving Mitochondrial Function: Current Therapeutic Perspectives in Neurodegenerative Diseases

线粒体功能障碍被认为是神经退行性变与病理性衰老的核心驱动因素，其特征包括能量生成受损、氧化应激、线粒体自噬（mitophagy）与生物发生（biogenesis）紊乱。鉴于线粒体调控生物能量学、氧化还原平衡及神经元存活，恢复线粒体完整性的治疗策略日益受到关注。本综述阐述了线粒体功能与衰竭的机制，将其与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）及帕金森病（Parkinson’s disease, PD）关联，并汇总了植物化学物（phytochemicals）及线粒体靶向小分子的临床前证据——这些分子可通过增强生物发生、线粒体自噬、呼吸效率及抗氧化防御发挥作用，同时生活方式干预也被纳入讨论。尽管多数化合物在临床前模型中表现出预防而非修复性获益，且临床证据仍有限，但下一代策略（包括用于线粒体递送的纳米颗粒、线粒体DNA（mtDNA）编辑及线粒体转移）显示出日益增长的治疗潜力。研究人员强调，未来的成功将依赖于递送系统的优化、协同方案的开发及严格的临床试验开展。针对线粒体的疗法最终有望为神经退行性疾病提供疾病修饰或预防性策略。

1. 1.
   引言
   1.1 线粒体功能
   线粒体是双层膜细胞器，在能量转换、中间代谢、线粒体动力学、钙信号调控及凋亡调节中发挥关键作用。其结构包含外线粒体膜（outer mitochondrial membrane, OMM）、高度折叠的内线粒体膜（inner mitochondrial membrane, IMM），并界定出膜间隙（intermembrane space, IMS）与线粒体基质（mitochondrial matrix, MM）。这种区室化实现了生化通路的空间与功能分离，协调多样化的代谢过程。线粒体功能的维持严格依赖动力学的精细调控，涵盖胞内运输、细胞器生物发生及线粒体自噬（图2）。值得注意的是，线粒体拥有独立的环状基因组——线粒体脱氧核糖核酸（mitochondrial DNA, mtDNA），编码13种线粒体蛋白、22种转运RNA（tRNA）及2种核糖体RNA（rRNA）；其余蛋白质由核DNA编码，在胞质合成后通过外膜转位酶（translocase of the outer membrane, TOM）/内膜转位酶（translocase of the inner membrane, TIM）复合物导入。因此，线粒体与细胞其余部分的紧密通讯对维持蛋白稳态至关重要。
   线粒体也是细胞内钙稳态的关键调节者，这对能量生成与细胞存活至关重要。钙通过OMM的电压依赖性阴离子通道（voltage-dependent anion channel, VDAC）及IMM的线粒体钙单向转运体（mitochondrial calcium uniporter, MCU）进入线粒体，储存于基质中以实现钙缓冲。受控的钙摄取通过激活三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA cycle）酶类支持氧化代谢，但过量钙蓄积会导致钙超载，触发氧化应激及线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore, mPTP）开放，进而消散膜电位并释放细胞色素c（cytochrome c, Cyt c）等促凋亡因子，使线粒体从信号调节者转变为细胞应激与凋亡的驱动者。因能生成腺苷三磷酸（adenosine triphosphate, ATP），线粒体常被称为细胞的“动力工厂”。线粒体呼吸链由嵌入IMM的复合物I–V组成，每个复合物均为多亚基组装体。复合物I将还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide, reduced, NADH）氧化为氧化型（nicotinamide adenine dinucleotide, oxidized, NAD⁺）并释放电子，电子沿电子传递链（electron transport chain, ETC）从复合物I经复合物II、III传递至复合物IV，最终用于生成水；同时复合物I、III、IV将质子泵入IMS，形成线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential, MMP, ΔΨm），质子经复合物V（ATP合酶）回流驱动ATP合成。
   作为高度动态的细胞器，线粒体持续响应细胞条件变化调整形态、分布与活性，其质量与功能的调控依赖融合、分裂、生物发生、线粒体自噬及胞内运输的协同作用。为维持功能，线粒体可通过融合交换内容物，稀释缺陷蛋白与突变mtDNA；该过程由定位于IMM的线粒体融合蛋白MFN1、MFN2、FAM73a/FAM73b及视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1, OPA1）启动，鸟苷三磷酸（guanosine triphosphate, GTP）水解驱动OMM与IMM的合并。严重或长期细胞应激下，线粒体通过发动蛋白相关蛋白1（dynamin-related protein 1, Drp1）介导分裂，并由线粒体裂变蛋白1（mitochondrial fission 1 protein, Fis1）、线粒体裂变因子（mitochondrial fission factor, Mff）、线粒体动力蛋白49 kDa与51 kDa（MiD49、MiD51）辅助形成更小的线粒体单元。
   线粒体生物发生依赖过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha, PGC-1α）、核呼吸因子1/2（nuclear respiratory factor 1/2, NRF1/2）及线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A, TFAM），需要核基因与线粒体基因的协调表达。AMP/ATP比值变化激活AMP依赖的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）磷酸化PGC-1α；钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶（Calcium/Calmodulin-dependent protein kinases, CaMK）激活p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinases, MAPK）增加PGC-1α磷酸化；此外AMP转化为环腺苷酸（cAMP）激活蛋白激酶A（protein kinase A, PKA）与cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element-binding protein, CREB）增强PGC-1α转录，而NAD⁺激活沉默信息调节因子1（Sirtuin 1, SIRT1）使PGC-1α去乙酰化。激活后的PGC-1α诱导NRF1/2，进而驱动TFAM介导的mtDNA转录与复制。通过线粒体自噬清除损伤线粒体对维持细胞功能、减少氧化应激与凋亡至关重要，其途径包括泛素介导途径、受体介导途径及线粒体来源囊泡途径。磷酸酶PTEN诱导激酶1（PTEN-induced kinase 1, PINK1）作为线粒体健康传感器：正常情况下PINK1被导入并降解，功能异常时则积累，磷酸化泛素并激活E3泛素连接酶Parkin，导致OMM泛素化及线粒体自噬清除；此外线粒体来源囊泡（mitochondria-derived vesicles, MDVs）可选择性包裹货物送至溶酶体降解。
   线粒体沿微管运输至ATP高需求区域，顺向运输由驱动蛋白驱动，逆向运输由动力蛋白介导。OMM蛋白TRAK1/2与Miro1/2将线粒体与这些马达蛋白连接：神经元中TRAK1主要支持轴突双向运输，TRAK2介导树突逆向运动；仅约1/3线粒体处于运动状态，其余稳定锚定。细胞内钙升高时，钙与Miro结合，募集突触结合蛋白样蛋白（syntaphilin），抑制驱动蛋白活性，使线粒体锚定于高需求位点。

1.2 线粒体功能障碍

线粒体功能障碍是复杂现象，可由衰老、mtDNA突变、毒素暴露、缺氧、炎症、氧化应激、线粒体动力学紊乱及钙与蛋白稳态失衡触发。该障碍损害ATP合成，造成能量亏缺，破坏能量依赖过程；膜电位丧失会损伤核编码蛋白的导入，导致前体蛋白堆积与蛋白聚集，促进细胞应激、激活炎性细胞因子并形成线粒体损伤的恶性循环。线粒体自噬受损与裂变-融合失衡加剧损伤，胞内钙升高可触发mPTP开放与凋亡。

线粒体是母系遗传的细胞器，在激素合成与能量生成中发挥组织特异性作用，影响人类发育、健康与衰老。女性围绝经期与绝经后雌激素下降会升高氧化应激，因雌激素通常支持线粒体能量生成、抗氧化能力与长寿相关基因表达；这种保护丧失会增加神经元易损性，导致线粒体功能障碍、萎缩与认知下降。线粒体功能障碍与AD、PD的关联受衰老与遗传易感性的影响，如AD的载脂蛋白E ε4（Apolipoprotein E ε4, APOE ε4）等位基因与PD的富含亮氨酸重复激酶2（Leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2）突变。性别患病差异可能反映雌激素对线粒体功能的神经保护作用：PD中雌激素似乎保护多巴胺能神经元，可能与男性患病率更高相关；AD在女性中更常见，可能源于绝经后雌激素丢失及胆碱能神经元的易损性。此外，雌激素对抗氧化防御与线粒体能力的正向作用可部分解释女性比男性寿命更长、绝经前年龄相关疾病更少的现象。

线粒体呼吸链（ETC）是氧化磷酸化与细胞能量生成的核心装置。复合物功能障碍会增加电子泄漏，产生过量活性氧（reactive oxygen species, ROS），降低ATP生成并 destabil化MMP。复合物I在正向电子传递时仅产生少量ROS，但在反向电子传递（reverse electron transport, RET）下成为主要ROS来源——高度还原的泛醌池与升高的膜电位驱动电子逆向流向NAD⁺，增强ROS生成。RET活性及相关ROS产生随衰老与AD模型进展而增加，抑制RET可减轻氧化损伤并改善线粒体功能。在神经退行性疾病中，复合物I与IV受影响最显著，荟萃分析显示AD与PD中两者均广泛下降，伴随年龄相关的功能衰退。在此框架下，淀粉样β（amyloid-β, Aβ）、tau与α-突触核蛋白与线粒体氧化还原失衡密切互作：增加的ROS损伤呼吸复合物与mtDNA，促进这些蛋白的聚集与修饰，而积累的Aβ与α-突触核蛋白进一步抑制复合物I的电子传递；氧化应激也促进tau过度磷酸化，形成线粒体功能障碍的恶性循环。

除呼吸链外，线粒体动力学（包括分裂、融合、线粒体自噬与运输）对维持代谢平衡与细胞信号至关重要。线粒体形态的适当调控由融合蛋白MFN1/2、OPA1与分裂蛋白Drp1、Fis1、Mff、Mid49/51介导，裂变与融合的平衡对线粒体质量控制与稳态至关重要。在AD中，Aβ与过度磷酸化的tau（hyperphosphorylated tau, pTau）通过多种汇聚机制协同损伤线粒体功能：Aβ经TOM40复合物进入线粒体，干扰蛋白导入并与ABAD等线粒体蛋白互作，促进mPTP开放；这些互作损害呼吸链活性（尤其是复合物IV与TCA循环酶如α-酮戊二酸脱氢酶），导致MMP与ATP生成下降，氧化应激增加引发ROS生成增多、mtDNA突变及生物发生减弱。pTau进一步降低复合物I活性，并与Aβ共同改变线粒体裂变与融合因子表达，导致动力学失衡与片段化。动物研究中，Aβ与tau病理与融合蛋白（OPA1、MFN1/2）表达下降、分裂介质（Drp1）激活增强相关，伴随线粒体片段化与突触损伤；转基因AD小鼠也呈现年龄依赖性的融合标记下降、Drp1磷酸化升高及超微结构异常与全身生物能量缺陷，外周血单个核细胞的变化提示脑内线粒体功能障碍在外周组织中也有体现。在PD中，α-突触核蛋白积累促进Drp1依赖的线粒体分裂，导致线粒体片段化、ROS水平升高及多巴胺能神经元中线粒体运动受损；抑制或沉默Drp1可恢复线粒体形态与功能，凸显α-突触核蛋白诱导的分裂是PD发病的核心驱动因素。

线粒体生物发生与线粒体自噬协同调控线粒体质量，维持代谢应激下的能量生成。衰老与神经退行性疾病中该平衡被破坏，导致线粒体含量、ATP输出与韧性下降。PGC-1α、NRF-1/2与TFAM通路（生物发生的主要调节者）受损在神经退行性疾病中被广泛报道，部分机制是NAD⁺可用性下降或其消耗增加（通过聚ADP-核糖聚合酶（poly-ADP-ribose polymerases, PARPs）、Sirtuins等应对应激的分子）。AD患者外周血单个核细胞研究显示，TFAM蛋白水平降至年龄匹配对照的约20%，轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）患者中TFAM下降更显著（约为对照的42%），提示线粒体生物发生减弱是MCI向AD进展及AD发病的早期分子特征。相反，某些病理状态（如癌症）会出现线粒体质量的异常增加，反映适应性不良的生物发生；例如ER⁺MCF7乳腺癌细胞模型中，WNT1与FGF3过表达模拟病毒诱导的小鼠乳腺肿瘤形成信号，增强 mammosphere形成与干样活性，蛋白质组学与功能分析显示线粒体生物发生增加约1.7倍，提示其可作为癌症干细胞表型的生物标志物。

线粒体自噬是清除损伤线粒体、维持健康线粒体网络的主要机制，其功能受损与神经退行性疾病密切相关。PINK1与Parkin通路协调识别与清除功能异常的线粒体，该通路破坏具有明确病理后果：PINK1突变或缺失时，缺陷线粒体积累、ROS升高、细胞死亡通路激活，导致PINK1或Parkin突变引起的家族性PD。新证据表明，PINK1-Parkin功能障碍不仅参与家族性PD，也与散发性疾病及其他神经退行性疾病相关：AD早期PINK1升高，后期Parkin升高，伴随线粒体含量标记增加；PD中Parkin丢失或因氧化应激与衰老导致的活性下降，会引起其底物PARIS（ZNF746）积累，抑制PGC-1α与NRF-1，破坏线粒体生物发生并促进多巴胺能神经元丢失。总体而言，PINK1-Parkin信号下降似乎是家族性与散发性神经退行性疾病中线粒体缺陷的共同机制。但当前对该通路的理解多来自体外过表达系统，这些模型可能无法完全捕获PINK1的生理作用，尤其是细胞类型依赖性：例如培养的小鼠皮质神经元中，Parkin过表达后，去极化线粒体上的招募与转位需在毒素处理12小时后才出现，表明神经元中PINK1-Parkin介导的线粒体自噬进程远慢于非神经元细胞，细胞类型依赖性不可忽视。

即使线粒体自噬与生物发生功能正常，仍需适当的线粒体分布以满足局部能量与钙缓冲需求，因此线粒体运输是线粒体质量控制的重要延伸。线粒体运输破坏会导致能量供应不均与钙处理受损，直接促进神经退行性变。正确的线粒体动力学依赖基于微管的运输，由驱动蛋白、动力蛋白通过TRAK、Miro1与Miro2等衔接蛋白驱动，协调线粒体运动与周转。AD中，早老素1突变增加糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β, GSK3β）活性，导致驱动蛋白轻链磷酸化、驱动蛋白-I与货物解离、线粒体运动能力下降；Aβ进一步破坏该系统，损害线粒体运动、缩短线粒体长度并导致突触变性。PD中，α-突触核蛋白积累上调线粒体衔接蛋白Miro，导致其在线粒体上异常滞留并延缓线粒体自噬，而部分降低Miro可挽救这些表型。综上，线粒体运输与质量控制破坏与神经退行性变密切相关。

1. 2.
   靶向线粒体功能与功能障碍
   鉴于线粒体的广泛作用，其是维持中枢神经系统神经元功能的基础；当这些互作的线粒体过程紊乱，失衡会加速衰老并促成神经退行性疾病，效应从神经元信号传导的细微损伤到细胞死亡与进行性神经退行性变不等。AD与PD中的线粒体通路改变如图4所示，大量实验与临床研究支持这一事实，凸显了开发特异性靶向线粒体的神经治疗策略的需求，表1汇总了当前AD与PD中靶向线粒体的临床试验，反映了恢复或稳定线粒体功能作为治疗策略的转化努力。因此，有必要将现有文献按预防性与增强线粒体功能的策略进行分类梳理，饮食与生活方式干预，以及植物化学物（尤其是植物次生代谢产物与小分子）的应用正被广泛讨论。

2.1 预防性/生活方式

生活方式涵盖与体力活动、饮食相关的行为习惯，显著影响脑健康；在神经退行性变背景下，营养质量与运动等生活方式因素影响代谢功能、炎症与神经可塑性，进而影响神经退行性疾病的风险与进展。研究这些因素对开发针对认知下降的预防与治疗策略至关重要，表3提供了互补概览。

2.1.1 体力运动

体力运动指有计划、结构化、重复的旨在改善体能的活动，在神经退行性疾病中发挥深远的神经保护作用，主要通过间接调节线粒体功能，同时促进神经元存活并减轻退行性变。AD模型的临床前研究提供了机制见解：6月龄雄性APP/PS1小鼠接受12周跑台训练（45分钟/天，5天/周，速度逐渐增加），通过PINK1/Parkin与SIRT1-FOXO1/3信号通路增强线粒体自噬、改善线粒体质量与ATP生成、恢复正常电子传递链活性；8周跑台运动激活自噬-溶酶体通路，增加神经元存活、清除损伤线粒体并上调Prkaa2、NRF2、TFAM等线粒体调节因子，减少线粒体异常与Aβ积累；运动还恢复线粒体动力学：12周跑台训练降低分裂蛋白（Drp1、Fis1）并升高融合蛋白（MFN1、MFN2、OPA1），重新平衡裂变与融合并改善线粒体完整性。PD模型中，运动主要通过间接通路保护神经元：体外实验中，α-突触核蛋白纤维触发小胶质细胞NLRP3炎症小体激活与IL-1β释放，重组鸢尾素或运动啮齿动物的“跑者血清”可减弱该效应；体内实验中，10周跑台运动降低1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP）处理小鼠的小胶质炎症、减少神经元凋亡、保留成年海马神经发生并改善记忆，该效应通过FNDC5/鸢尾素依赖的NLRP3信号抑制介导。临床研究呼应了这些机制发现：AD患者中，有氧联合抗阻训练（150分钟/周）改善功能能力、心肺适能、记忆与海马体积；认知健康老年人的中等强度步行增强海马灌注与空间记忆；结构化有氧间歇或骑行方案诱导海马与颞叶的结构与神经化学适应。MCI成人中，多模式运动降低炎性标记物（IL-1β、IL-6、p-tau181）并改善Aβ_42/40比值，间接提示线粒体与神经元功能改善；绝经后女性急性运动后脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）与鸢尾素升高并改善认知相关指标；观察性数据显示较高心肺适能与较低的Aβ阳性率及更有利的脑脊液生物标志物相关。但多数临床队列女性比例过高，亟需性别均衡的研究。从临床前模型到人类的转化存在多个限制：临床前研究过度依赖家族性AD模型与雄性动物，运动方案在强度、时长、频率与总干预周期上异质性大，且多为短期研究；PD模型中神经保护多为间接效应，直接线粒体评估有限；临床研究样本量小、女性占比高，依赖功能或系统性生物标志物而非直接线粒体测量，运动的长期效应仍待探索。为推动转化，需要在AD与PD模型及人类群体中开展标准化、长期、性别均衡的研究，整合直接线粒体评估与认知、功能及系统性结局，以明确运动保护线粒体与神经元健康、减轻神经退行性变的确切机制。

2.1.2 生酮饮食

生酮饮食（ketogenic diet, KD）以低碳水、高脂肪为特征，诱导线粒体从糖酵解向酮体驱动的氧化磷酸化转变。临床前模型中，酮体（尤其是D-β-羟基丁酸）是关键效应分子：体外PC12细胞模型中，6-羟基多巴胺（6-OHDA）暴露前预孵育4 mM β-羟基丁酸24小时，可提高Bcl-2/Bax比值，增强抗凋亡信号与细胞韧性；15月龄APP/PS1小鼠海马切片经3 mM β-羟基丁酸孵育1小时，可挽救早期与晚期长时程增强，提示快速增强突触可塑性，但该电生理效应多大程度反映直接线粒体调节还是下游信号级联仍不明确。体内研究进一步支持生酮干预的调节效应，但效应具有情境与性别依赖性：6月龄APP/PS1小鼠中，生酮饮食相关干预（<0.5%碳水、10%蛋白、90%脂肪）增加神经保护因子BDNF表达，效应主要在雌性中观察到；10周龄雄性C57BL/6小鼠经MPTP诱导神经毒性（25 mg/kg，每周2次腹腔注射，持续5周），生酮条件（16.6%蛋白、0%碳水、66.5%脂肪）通过激活PI3K-Akt-Nrf2抗氧化通路降低氧化应激；Fischer 344 × Brown Norway F1杂交大鼠（4与20月龄，75.85%脂肪、20.12%蛋白、3.85%碳水）的长期饮食干预显示氧化应激降低，同时伴随代谢转运系统重塑——葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）下调，单羧酸转运蛋白MCT1与MCT4上调以促进酮体摄取利用，前额叶皮层GABA能转运蛋白也上调，提示超越能量代谢的更广泛网络水平效应。尽管临床前数据一致支持酮体调节线粒体功能、突触可塑性与神经保护信号，但临床证据有限且异质性高：20例日本轻中度AD患者的对照试验中，单次给予含20 g中链甘油三酯的生酮配方（50 g Ketonformula?）未产生急性认知获益，但慢性摄入2-3个月与工作记忆、短时记忆及处理速度改善相关；另一项6人的随机安慰剂对照试验显示，24周中链甘油三酯补充（56 g/天）升高循环酮体水平并与记忆表现改善相关；38名参与者的8周随机饮食干预（152 g脂肪含67 g饱和脂肪、75 g蛋白、16 g净碳水、11 g纤维）与非运动症状领域改善相关。总体而言，临床证据仍处于初步阶段，干预异质性、样本量小及机制分辨率不足（尤其线粒体相关通路）凸显了需要更标准化、机制整合的转化研究。

2.1.3 地中海饮食

地中海饮食（Mediterranean diet, MedDiet）是地中海沿岸国家传统饮食模式，以高摄入蔬菜、水果、豆类、坚果、种子、橄榄油、鱼与海鲜，适量乳制品为特征。其改良版本MIND饮食整合15种饮食成分，包括10种推定神经保护食物组（绿叶蔬菜、其他蔬菜、坚果、浆果、豆类、全谷物、鱼、禽肉、橄榄油与葡萄酒）与5种不利成分（红肉、黄油与人造黄油、奶酪、糕点/甜食、油炸食品）。实验证据多局限于单一生物活性成分而非完整饮食模式：特级初榨橄榄油的多酚（如羟基酪醇、酪醇、橄榄苦苷苷元、木犀草素苷元、橄榄苦苷与橄榄苦苷酸）被广泛研究，其中羟基酪醇与毛蕊花糖苷对线粒体与蛋白稳态通路的作用尤为突出。PC12细胞中，100 μM羟基酪醇抑制α-突触核蛋白纤维化并诱导SIRT2、血红素加氧酶-1（heme oxygenase-1, HO-1）与热休克蛋白70（heat shock protein 70, Hsp70）表达，但超生理剂量限制了直接转化相关性；大鼠胸主动脉血管外膜成纤维细胞中，羟基酪醇（12.5–400 μmol/L）在炎症刺激下增强自噬并通过Akt/mTOR相关信号上调SIRT1，但浓度高于200 μmol/L时出现细胞毒性，提示实验条件下存在狭窄的治疗窗口。体内研究中，Aβ_1–42/鹅膏蕈氨酸处理的C57BL/6小鼠经羟基酪醇（10 mg/kg/天，灌胃）处理后，空间认知改善，并调节多条信号级联（包括MAPK抑制（JNK、p38）、ERK–MAPK/RSK2、PI3K/Akt1与JAK2/STAT3通路激活），同时保留线粒体超微结构与存活相关基因诱导。但急性神经毒素范式无法完全模拟人类神经退行性变的进展性与异质性。U251胶质母细胞瘤来源细胞中，毛蕊花糖苷预处理（0.25–1 μM）减弱Aβ_1–42诱导的细胞毒性，减少凋亡、钙失调与氧化应激，同时保留线粒体与内质网形态；APP/PS1转基因小鼠经毛蕊花糖苷慢性给药（10 mg/kg，42天）