综述：线粒体稳态失衡触发的PANoptosis在创伤性脑和脊髓损伤中：从机制到治疗策略

《Redox Biology》：Mitochondrial homeostasis imbalance-triggered PANoptosis in traumatic brain and spinal cord injury: from mechanism to therapeutic strategies

　　

中枢神经系统（CNS）创伤性疾病，包括创伤性脑损伤（TBI）和脊髓损伤（SCI），在全球范围内具有高致残率和死亡率。PANoptosis是一种新发现的细胞死亡模式，通过激活PANoptosome协同启动焦亡、凋亡和坏死性凋亡。它与TBI和SCI后的氧化应激、神经炎症和继发性损伤密切相关，但PANoptosis的关键致病因子和机制尚未完全阐明。线粒体作为能量合成和氧化应激的中心细胞器，其健康与稳态是细胞生存和生物学功能的基石。新出现的证据表明，线粒体稳态丧失在不同细胞类型中PANoptosis的激活和执行中发挥基础作用。在此，研究人员综述了TBI和SCI中线粒体稳态失衡的具体表现，如生物发生受损、动力学异常、线粒体自噬功能障碍和线粒体来源囊泡。同时，研究人员系统分析了TBI和SCI后PANoptosis级联的特征和病理效应，重点关注受损线粒体驱动PANoptosis的调控模式、机制和潜在靶点。此外，研究人员讨论了基于线粒体的策略在调节TBI和SCI中PANoptosis的进展和未来展望。综上，尽管调控创伤后线粒体稳态面临重大挑战，但其对上游PANoptosome和下游细胞死亡信号的多重靶向为改善CNS创伤结局提供了一种有前景的方法。

1. 线粒体稳态失衡与中枢神经系统创伤

线粒体作为能量工厂，存在于几乎所有类型细胞中，通过外膜（OMM）、内膜（IMM）、膜间隙和基质发挥功能。线粒体质量控制系统通过生物发生、分裂与融合、线粒体自噬和线粒体来源囊泡（MDVs）维持结构完整性和功能稳态。在创伤性脑损伤（TBI）和脊髓损伤（SCI）后，这些过程的扰动破坏线粒体稳态和能量代谢，引发神经元程序性细胞死亡（PCD）和神经功能缺陷。

1.1 TBI和SCI中线粒体生物发生改变

线粒体生物发生由过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（PGC-1α）作为主调控因子，激活过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARs）和核因子红系2相关因子2（Nrf2），增强ATP生成与利用相关核基因转录、线粒体DNA（mtDNA）转录与修饰以及线粒体蛋白合成与组装。PGC-1α还通过转录激活线粒体转录因子A（TFAM）、细胞色素c氧化酶亚基1（COX1）和mtDNA编码基因驱动线粒体更新。在TBI早期，神经元PGC-1α水平短暂升高，随后在继发性脑损伤阶段迅速下降，伴随mtDNA拷贝数减少和电子传递链复合物I表达下调。AMP活化蛋白激酶（AMPK）和Sirtuin 1作为PGC-1α上游激活因子，介导线粒体生物发生依赖的小胶质细胞极化、星形胶质细胞表型转换和神经元存活，减轻血脑屏障（BBB）通透性、行为改变和认知缺陷。PGC-1α/Nrf2轴介导单宁酸和槲皮素的抗炎效应。在SCI中，PGC-1α驱动线粒体生物发生下调，而上调通过Ras同源家族成员A信号重编程ATP产生，促进神经元存活和轴突再生。光生物调节激活AMPK/PGC-1α通路，增强线粒体能量代谢。肿瘤坏死因子-α（TNF-α）基因缺失升高PGC-1α水平，改善线粒体形态和代谢活性。组蛋白去乙酰化酶2（HDAC2）诱导PGC-1α启动子去乙酰化和抑制，与线粒体稳态失衡和神经病理性疼痛相关。

1.2 TBI和SCI中线粒体动力学改变

线粒体动力学包括融合与分裂的循环。融合由线粒体融合蛋白1/2（MFN1/2）、视神经萎缩蛋白1（OPA1）和磷脂介导，使颗粒状线粒体连接融合成管状。分裂由线粒体分裂因子（MFF）、分裂蛋白1（FIS1）、49 kDa线粒体动力学蛋白（MID49）、51 kDa线粒体动力学蛋白（MID51）和发动蛋白-2（DNM2）介导，募集发动蛋白相关蛋白1（DRP1）到OMM，通过GTP水解启动分裂。在TBI后，融合能力降低、分裂增加，导致神经元内功能失调的线粒体片段积累。DRP1抑制剂Mdivi-1阻断过度分裂，减轻海马神经元丢失。多聚(ADP-核糖)聚合酶-1（PARP-1）抑制诱导MFN1/2和OPA1表达。线粒体动态的改变可能随创伤严重程度而变化。在SCI中，活化小胶质细胞中FIS1上调、MFN1/2下调，反映促炎状态下分裂倾向。DRP1依赖的分裂在损伤脊髓神经元中显著增加。光生物调节改善过度分裂，减少神经元PCD。线粒体嵴重塑作为动态调节的附加模式，由线粒体接触位点和嵴组织系统（MICOS）、OPA1和ATP合酶调控。OPA1是恢复TBI后肿胀神经元嵴重塑和IMM动力学的治疗靶点。SCI后后角神经元线粒体嵴损伤与继发性神经病理性疼痛相关，补体C3介导的嵴重塑可作为靶点。

1.3 TBI和SCI中线粒体自噬改变

线粒体自噬包裹受损线粒体与溶酶体融合降解。在CNS中，线粒体自噬失调与多种疾病相关。泛素化信号由PTEN诱导激酶1（PINK1）触发，募集Parkin和其他泛素连接酶到OMM。非泛素化信号由轻链3（LC3）结合OMM上的自噬受体如BCL2相互作用蛋白3、FUN14结构域包含蛋白1（FUNDC1）和Nip3样蛋白X（NIX）启动。在TBI后，线粒体膜电位（MMP）改变通过PINK1/Parkin轴触发线粒体自噬选择性清除受损线粒体，减轻神经炎症和认知障碍。但损伤皮层和海马中铜水平升高损害突触线粒体自噬，导致受损线粒体积累释放ROS和mtDNA。过度线粒体自噬加重继发性脑损伤和BBB破坏。在SCI中，NIX-LC3复合物依赖的线粒体自噬异常激活加剧神经元PCD。线粒体自噬功能高度依赖激活状态，适度水平起保护作用，过度或不足均有害。

1.4 TBI和SCI中线粒体来源囊泡改变

MDVs是受损线粒体的新降解机制，直径60-150 nm，携带mtDNA、RNA、脂质和蛋白质等生物活性货物。生理上，黄嘌呤氧化酶/黄嘌呤产生富含转位酶外膜20（TOM20+）的MDVs，Toll相互作用蛋白与Parkin泛素样结构域相互作用促进囊泡成熟，Rab7运输至溶酶体降解。病理上，应激线粒体来源的MDVs富含基质蛋白丙酮酸脱氢酶（PDH+），其运输和降解由PINK1/Parkin轴调节。MDVs的形成和转运与线粒体状态密切相关，可作为疾病生物标志物。远程缺血预处理通过增强神经元MDVs生成减轻线粒体功能障碍诱导的凋亡。在TBI急性期，富含TFAM和mtDNA的MDVs驱动炎症细胞因子释放。β-羟基丁酸（BHB）通过分选连接蛋白9（SNX9）的羟基丁酰化促进PDH+ MDVs分泌，维持线粒体稳态。这些发现为发展基于MDVs的CNS创伤后神经恢复策略奠定基础。

2. PANoptosis级联与中枢神经系统创伤

2.1 PANoptosome概述

PANoptosome是PANoptosis级联中的核心聚合复合物，由传感器、适配器和效应器组装而成，作为感知上游刺激的开关和协调下游级联的平台。目前识别出五种PANoptosome：Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）PANoptosome、黑色素瘤缺失因子2（AIM2）PANoptosome、受体相互作用蛋白激酶1（RIPK1）PANoptosome、Nod样受体蛋白12（NLRP12）PANoptosome和NLR家族CARD结构域包含5（NLRC5）PANoptosome。ZBP1 PANoptosome通过感知核酸损伤信号激活PANoptosis级联，启动NLRP3炎症小体和GSDMD介导的焦亡、caspase-8依赖的凋亡和RIPK3介导的坏死性凋亡。Ninjurin-1被确定为ZBP1 PANoptosome诱导细胞死亡中质膜破裂的关键下游执行分子。RIPK1 PANoptosome的组装和激活与转化生长因子-β活化激酶1（TAK1）抑制相关。RIPK1基因敲除减弱焦亡和凋亡，但通过RIPK3和混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL）的失控激活释放坏死性凋亡。caspase-8可通过抑制RIPK3激酶活性抑制坏死性凋亡。AIM2 PANoptosome在CNS发育中介导细胞损伤的炎症反应，其失调导致神经元DNA积累、发育迟缓和神经行为缺陷。NLRP12和NLRC5 PANoptosome是溶血性疾病中新识别的复合物。造血细胞激酶（HCK）结合pyrin-NACHT连接促进NLRP12 PANoptosome组装，被血红素通过干扰素调节因子1（IRF1）和TLR2/4信号激活。NLRC5 PANoptosome参与ROS产生和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸消耗等代谢过程。

2.2 TBI和SCI中PANoptosis的病理效应

在CNS创伤继发性损伤过程中，线粒体发生ROS爆发、mtDNA泄漏、钙超载和MMP丧失等病理变化。激活的PANoptosome触发焦亡、凋亡和坏死性凋亡，加剧创伤后水肿、炎症和BBB破坏。焦亡以NLRP3炎症小体激活和GSDMD裂解为特征，形成质膜孔并释放炎症细胞因子。凋亡由外源性死亡受体和内源性线粒体细胞色素c启动，激活caspase-3和caspase-7切割特异性底物。坏死性凋亡由RIPK3磷酸化和MLKL寡聚化介导，导致细胞肿胀和破裂。在TBI中，神经元力学拉伸导致PANoptosis级联中关键分子显著上调，包括NLRP3、GSDMD、caspase-3、caspase-8、磷酸化RIPK1和RIPK3。特异性抑制剂有效挽救神经元活力。TBI小鼠损伤皮层蛋白质组显示凋亡、焦亡和坏死性凋亡标志物增加，与运动认知障碍相关。吴茱萸碱通过激活严重TBI小鼠模型中小胶质细胞PANoptosis抑制其存活和M1极化，减轻急性脑水肿和促炎细胞因子浸润。在SCI中，Y-box结合蛋白1（YBX1）被确定为神经元PANoptosis的关键启动因子，ZBP1、caspase1、caspase3和RIPK3在NeuN+细胞中共定位增加，表明神经元PANoptosis由ZBP1 PANoptosome驱动。TRIM56对YBX1 M3片段的泛素化促进其降解，抵消ZBP1 PANoptosome激活。机器学习算法筛选出SCI中多个PANoptosis相关基因，包括caspase-4、NLRP3、NLRC4和Gasdermin B，其上调促进γδ T和肥大细胞募集。骨髓X激酶是SCI患者血液中PANoptosis介导炎症的生物标志物。

3. 中枢神经系统创伤中线粒体稳态破坏触发的PANoptosis

线粒体不仅是能量产生细胞器，也是细胞生死开关。CNS创伤后，线粒体损伤和扰动通过激活不同PCD途径影响细胞命运。受损线粒体产生的DAMPs是焦亡、凋亡和坏死性凋亡的强效触发因子。线粒体稳态破坏作为中心枢纽放大PANoptosis级联中的PCD风暴。

3.1 TBI中线粒体功能障碍与PANoptosis的关联

在TBI后，上调的蛋白酶体26S亚基非ATP酶14（PSMD14）通过激活PINK1/Parkin介导的线粒体自噬减轻mtROS诱导的神经元PANoptosis。PSMD14通过去除丙酮酸激酶M1/2（PKM1/2）在Lys48位的泛素化修饰，促进PKM依赖的PINK1 Thr257磷酸化，激活线粒体自噬吞噬受损线粒体和累积的mtROS。PGAM5在受损线粒体中磷酸化RIPK1 Ser166，触发RIPK1 PANoptosome组装。Snapin通过硫化氢（H₂S）/组织蛋白酶D（CTSD）通路协调神经元线粒体自噬，恢复线粒体稳态并减弱PANoptosis。吴茱萸碱促进严重TBI后M1极化小胶质细胞PANoptosis。在氧糖剥夺条件下，神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞中广泛观察到PANoptotic死亡。缺血损伤视网膜神经元中DRP1磷酸化介导的过度线粒体分裂和mtROS产生诱导PANoptosis，细胞外信号调节激酶1/2（Erk1/2）下调通过靶向DRP1/mtROS轴抑制PANoptosis激活。间歇缺氧打开海马神经元线粒体通透性转换孔（MPTP），诱导mtDNA转位通过环GMP-AMP合酶/干扰素基因刺激因子激活PANoptosis。Toll样受体9（TLR9）通过p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号损害线粒体能量代谢，启动皮层神经元PANoptosis。p38 MAPK抑制选择性消除神经元凋亡和焦亡，但增强坏死性凋亡。中性粒细胞胞外陷阱驱动小胶质细胞释放CCL3、CCL7和CXCL10，通过破坏氧化磷酸化（OXPHOS）和糖酵解引起线粒体稳态失衡，触发代谢重编程依赖的PANoptosis。肠脑连接参与线粒体稳态失衡驱动的PANoptosis：肠细胞线粒体自噬通过Erk/Nrf2信号减轻凋亡和氧化应激；粪菌移植通过Wipi1/PINK1/Parkin信号促进线粒体自噬，减轻小胶质细胞焦亡；线粒体PGAM5敲除促进Akkermansia muciniphila富集，改善黏膜屏障功能；微生物代谢物三甲胺-N-氧化物通过肠脑轴诱导海马神经元线粒体肿胀和MPTP开放，触发PANoptosis。

3.2 SCI中线粒体功能障碍与PANoptosis的关联

在SCI早期，线粒体稳态失衡是多种细胞类型PANoptosis级联的基本触发因素。在神经元中，通过Lgals3/Bax通路恢复线粒体自噬减轻氧化应激诱导的PANoptosis。黑皮质素受体4（MC4R）激活通过靶向DRP1介导的线粒体分裂抑制AIM2驱动的焦亡。在小胶质细胞中，盐诱导激酶2（SIK2）通过DRP1 Ser616磷酸化诱导异常线粒体动力学，导致mtDNA泄漏和AIM2炎症小体激活。信号调节蛋白α通过破坏小胶质细胞吞噬引起髓鞘碎片积累，触发NLRP12介导的神经元PANoptosis。在星形胶质细胞中，范可尼贫血互补群C通过靶向Parkin促进线粒体自噬清除受损线粒体，减少mtROS介导的坏死性凋亡。在SC亚急性期，缺血再灌注产生大量自由基和炎症介质，加剧线粒体失调和PANoptosis。褪黑素通过PI3K/Akt通路抑制受损线粒体释放细胞色素c，减轻小胶质细胞焦亡和神经元凋亡及坏死性凋亡。低浓度H₂S改善受损线粒体稳态，减轻缺血再灌注损伤后的PANoptosis级联。在恢复期，雷帕霉素靶蛋白（mTOR）不敏感伴侣定位于线粒体相关内质网膜，修复炎症微环境并抑制内源性神经干细胞（NSCs）的坏死性凋亡。外源性NSCs来源外泌体通过阻断RIPK1-RIPK3相互作用抑制受损神经元坏死性凋亡。RIPK3缺失阻止线粒体分裂诱导的坏死性凋亡，但将细胞死亡转向RIPK1依赖的凋亡。

4. 基于线粒体的中枢神经系统创伤PANoptosis治疗

线粒体稳态破坏与PANoptosis的密切关联为TBI和SCI治疗策略开辟了新途径。新兴治疗包括药物、化合物、基因编辑、中药提取物和金属离子，通过作用于线粒体生物发生、动力学和线粒体自噬调节PANoptosis级联。

4.1 TBI中基于线粒体的PANoptosis治疗

乳酸通过H3赖氨酸18乳酰化和PSMD14上调增强PINK1介导的神经元线粒体自噬，抑制mtROS产生和PANoptosis激活。外源性H₂S补偿受损神经元线粒体H₂S合成不足，抑制过硫化诱导的CTSD成熟和PANoptosis激活。Pepstatin A直接抑制功能障碍线粒体中成熟CTSD表达和PANoptotic神经元死亡。吴茱萸碱通过调节线粒体生物发生和PANoptosome组装对严重TBI神经炎症发挥保护作用。

4.2 SCI中基于线粒体的PANoptosis治疗

锌离子通过恢复Lgals3/Bax介导的线粒体自噬减轻SCI后线粒体损伤和神经元PANoptosis。TRIM56通过促进泛素化依赖的YBX1降解抑制PANoptosis。MC4R通过抑制异常线粒体动力学减轻AIM2介导的神经元焦亡。SIK2的药理或遗传抑制通过抑制过度线粒体分裂和氧化损伤减轻AIM2诱导的小胶质细胞焦亡。AIM2在SIK2和MC4R依赖的线粒体稳态和焦亡调节中起中心枢纽作用。

4.3 基于线粒体的治疗和PANoptosis的未来展望

尽管MDVs尚未用于TBI和SCI的线粒体相关治疗，但多色纳米研究已表征其在健康神经元中的超微结构、组成和功能。MDVs携带功能性线粒体为线粒体转移或移植提供了有前景的策略。骨髓间充质干细胞（MSCs）来源的MDVs通过预防线粒体功能障碍减少神经元凋亡并改善轴突再生。人脐带MSCs来源的MDVs通过递送外源性线粒体恢复线粒体稳态，对神经元焦亡发挥保护作用。星形胶质细胞向神经元的内源性线粒体转移显著改善脑损伤后神经元PANoptosis和神经功能缺陷。PANoptosis级联整合凋亡、焦亡和坏死性凋亡通路，为基于线粒体的治疗提供有吸引力的靶点。然而，干预措施对三种PCD模式表现出差异化抑制效果，并引发通路间代偿性抵抗。对TBI和SCI后PANoptosis级联动态相互关联的深入理解是开发多靶点治疗策略的关键。基于线粒体策略的干预精度和递送方法仍是挑战，需优先递送至损伤脑或脊髓并选择性识别特定细胞类型和亚细胞器。

5. 结论

线粒体稳态失衡和PANoptosis在CNS创伤后持续数月至数年，在急性期驱动细胞PCD并放大炎症反应，在慢性期加剧创伤后神经变性和功能缺陷。不同创伤阶段特定PANoptosome类型与线粒体稳态失衡的动态联系尚不清楚，需系统研究。未来应关注TBI和SCI中尚未描述的新型PANoptosome，可能发现创新治疗靶点和策略促进创伤后神经恢复。