综述：线粒体疾病中的内皮-线粒体偶联：血管、生化与氧化生物能量功能障碍的系统评价与定量合成

《Therapeutic Advances in Rare Disease》：Endothelial–mitochondrial coupling in mitochondrial disease: A systematic review and quantitative synthesis of vascular, biochemical, and oxidative bioenergetic dysfunction

　　

摘要 引言：线粒体疾病是一类多系统疾病，其中氧化磷酸化缺陷破坏了全身血管和心脏的细胞生物能量学和氧化还原信号。由于线粒体功能与内皮一氧化氮（NO）产生密切相关，研究人员假设线粒体疾病表现为影响传导动脉和微血管功能的NO缺乏性内皮病。为评估这一假说，研究人员对报告血管反应性、生化NO产量或心肌代谢显像的人类研究进行了系统评价与定量合成，旨在确定损伤程度以及对NO前体治疗（L-精氨酸或L-瓜氨酸）的反应性。 方法：遵循PRISMA 2020指南，研究人员进行了全面检索（从建库至2025年10月），纳入经遗传或临床确诊的线粒体疾病且包含定量内皮或生物能量学终点的临床研究。符合条件的指标包括血流介导的扩张（FMD）、反应性充血指数（RHI）、被动腿部运动（PLM）充血、NO代谢产物的绝对合成率（ASR NOm）以及正电子发射断层扫描（PET）衍生的心肌氧化指标（kmono、DP/kmono）。定量合成采用Hedges g进行组间比较，采用标准化均值变化（SMC）进行受试者内比较。偏倚风险采用ROBINS-I和改良纽卡斯尔-渥太华量表进行评估。 结果：七项研究符合这些纳入标准，共包括76名线粒体疾病受试者和81名对照者（年龄8-63岁）。在所有血管和代谢领域，线粒体疾病均与显著的内皮和生物能量学损伤相关。大血管和微血管功能障碍，表现为FMD、RHI和PLM充血降低，显示出严重的内皮特异性异常。生化检测显示NO合成减少。心肌PET成像显示尽管灌注保留，但氧化速率常数降低且能量效率增加。一氧化氮合成前体治疗与内皮反应性改善（FMD、RHI和ASR NOm升高）以及心肌氧化代谢的显著适度改善相关，这与内皮NO信号的部分恢复一致。效应量共同支持一种可逆的NO缺乏性内皮病。偏倚风险评估表明方法学质量为中等至良好，局限性主要涉及样本量小和非随机设计。 结论：线粒体疾病的特征在于血管反应性、NO信号和心肌生物能量学的显著损伤。L-精氨酸或L-瓜氨酸补充后内皮功能和NO合成的改善与受损内皮NO信号在线粒体疾病血管表现中的作用一致。这些发现突显了血管内皮作为潜在治疗靶点的重要性，并强调了未来使用标准化血管和生物能量学终点进行临床干预试验的必要性。

以下是论文主体部分的专业学术性总结：

1. 1.
   引言
   线粒体是存在于几乎所有真核细胞中的普遍且必需的细胞器，协调氧化磷酸化（OXPHOS），在此过程中三磷酸腺苷（ATP）的再生与线粒体膜电位相偶联，此外还执行多种对细胞存活至关重要的生物合成和信号通路。在心血管系统（CVS）中，血管内皮、平滑肌和心肌细胞中的线粒体具有独特的生物学功能，整合能量需求、钙缓冲、氧化还原调节和多种信号通路以确保正常的生理功能。线粒体功能障碍被认为是高血压、动脉粥样硬化、糖尿病和其他代谢性疾病发展的重要病理机制。线粒体疾病是由线粒体DNA（mtDNA）或编码OXPHOS亚基及其组装因子的核DNA致病突变引起的遗传和临床异质性疾病。线粒体疾病大约影响每4300人中的1人，表现为单器官或多系统性能量衰竭，常累及骨骼肌、心脏、肾脏和/或肝脏。心血管受累，包括心肌病、心律失常和血管功能障碍，越来越被认为是导致发病的重要因素。尽管人们日益认识到线粒体疾病中的血管受累，但现有数据分散在评估不同生理领域的小型、方法学多样的研究中。这些研究包括通过血流介导的扩张（FMD）评估的动脉血流动力学、通过EndoPAT测量的手指血流量、静脉闭塞体积描记术（VOP）用于量化静息和反应性充血（RHI）后的肢体血流量、被动腿部运动（PLM）充血、利用同位素示踪技术的NO合成生化指标以及通过正电子发射断层扫描（PET）进行的心肌氧化通量代谢成像。研究人员提出，对这些领域的系统评价和定量合成将为评估线粒体疾病个体在传导动脉和微血管区域的血管功能损伤提供一个统一的框架。此外，研究人员假定主要表现为NO信号减弱的内皮功能障碍可能源于线粒体功能紊乱。这些假设在一定程度上与在线粒体疾病患者中使用NO合成前体（L-精氨酸或L-瓜氨酸）相一致。本系统评价和定量合成整合了来自七项已发表临床研究的血管生理学、生化和代谢成像数据，以界定线粒体-内皮功能障碍偶联的程度，并为未来研究线粒体功能障碍与线粒体疾病中NO信号之间的机制联系提供框架。
2. 2.
   方法与荟萃分析
   本系统评价遵循PRISMA 2020指南进行。由于启动已超过PROSPERO注册资格阶段，完整研究方案被追溯存档于开放科学框架（OSF）以增强透明度和可重复性。检索策略涵盖PubMed/MEDLINE、Scopus、EMBASE、Web of Science和Google Scholar，时间从建库至2025年10月1日。纳入标准为：(1) 原创实验研究；(2) 同行评审文章；(3) 评估线粒体疾病受试者的内皮功能和生物能量学活性；(4) 英语语言。排除标准包括已发表的综述、摘要、社论和非英语文本。两名审稿人独立筛选标题和摘要，并根据预定义的PICO框架评估全文资格。由于研究间存在显著的方法学异质性，正式的荟萃分析不可行，因此进行了结构化定量综述以协调和解释所有纳入研究的标准化效应估计值。定量综合在七项临床研究中进行，效应量以标准化均值差（Hedges g）和标准化均值变化（SMC）报告。偏倚风险评估采用非随机干预研究偏倚风险工具（ROBINS-I）和改良纽卡斯尔-渥太华量表双重框架。统计分析中，组间比较使用针对小样本校正的Hedges g，而受试者内变化则表示为SMC，假设受试者内相关性r=0.5。
3. 3.
   结果
   七项人类研究共纳入76名经遗传和/或临床、组织病理学和肌肉活检线粒体电子传递链（ETC）缺陷确诊的线粒体疾病个体，以及81名健康对照个体。受试者年龄范围为8至63岁。61名受试者携带mtDNA基因致病性变异，7名携带核基因致病性变异。研究设计包括观察性横断面研究、病例对照研究以及使用NO前体或抗氧化剂的急性或慢性干预方案。终点共同涵盖了内皮-线粒体偶联的大血管、微血管、生化和心肌生物能量学领域。偏倚风险评估显示总体方法学质量为中等至低，主要局限性与混杂因素和参与者选择有关，反映了罕见病研究中样本量小、缺乏随机化和有限盲法的典型特征。在定量分析中，传导动脉大血管功能方面，三项研究报告线粒体疾病个体的FMD显著受损，效应量为大到极大。微血管功能方面，EndoPAT RHI和PLM充血均显著降低。一氧化氮合成方面，稳定同位素精氨酸通量分析显示全身NO合成显著减少。心肌氧化代谢方面，PET显示基线氧化速率常数（k_mono）降低，机械效率指数（DP/k_mono）增加，表明心肌能量效率受损。对于干预反应，维生素C和E联合疗法、L-精氨酸和L-瓜氨酸补充均能改善内皮功能和/或心肌氧化代谢。综合定量汇总显示，线粒体疾病与对照组对比的汇总Hedges g约为-2.2，而NO前体治疗前后的平均SMC约为+1.85。跨领域总结指出，大血管和微血管终点与生化和生物能量学指标紧密对齐，支持线粒体疾病中存在偶联的内皮-线粒体表型。
4. 4.
   讨论
   本系统评价和定量合成表明线粒体疾病与多领域内皮功能障碍相关。内皮功能障碍主要定义为NO可用性及其下游调节血流的信号通路减少，这会影响代谢途径和线粒体功能。NO水平降低可能源于其生物合成减少，内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的生成受到转录、翻译后和蛋白质-蛋白质相互作用的调控，并且高度依赖底物L-精氨酸可用性、NADPH、众多辅因子以及eNOS蛋白同源二聚体的形成。eNOS解偶联不仅减少NO合成，还会导致超氧化物和活性氧的产生。NO可用性降低也可能源于NO与超氧化物的快速次级化学反应。线粒体疾病中的内皮功能障碍可通过补充L-精氨酸或其前体L-瓜氨酸得到部分逆转，强调了线粒体完整性与NO信号之间的双向关系。先前的工作广泛记录了NO对线粒体生物学的多方面调节，包括线粒体呼吸、三羧酸（TCA）循环和长链脂肪酸β-氧化等代谢途径中间物流的协调，以及线粒体生物发生和凋亡信号。相反方向的研究表明，线粒体生物能量学能力对于维持血管壁功能至关重要。本研究提供了证据支持线粒体功能障碍与线粒体疾病中由NO缺乏驱动的血管损伤之间存在关联。Vattemi等人的研究提供了线粒体疾病累及内皮的明确组织学证据，显示eNOS表达增加但功能解偶联，导致NO减少而超氧化物和过氧亚硝酸盐生成增加。Rodan等人的工作将血管受累从外周循环扩展到脑循环，显示NO缺乏也损害了MELAS患者的脑血管反应性（CVR）和神经血管偶联。Minuz等人的发现为氧化应激对线粒体疾病内皮功能障碍的贡献提供了额外机制见解，短期补充维生素C和E可显著改善内皮反应性。除NO前体和抗氧化剂外，血管紧张素转换酶（ACE）抑制剂等其他药物策略也具有改善内皮功能的潜力。总之，这些发现支持血管内皮功能障碍不仅是线粒体疾病的附带现象，而是其核心且可能可修改的表现。局限性包括合格人类研究数量少、样本量小、多数为非随机设计、以及心肌生物能量学直接评估仅来自一项PET研究。转化潜力方面，血管生理学与线粒体生物化学的整合具有重要的转化意义，无创工具如FMD、EndoPAT、RHI和PLM充血可作为临床试验的转化终点。
5. 5.
   结论
   本系统评价提供了定量证据，表明线粒体疾病以可逆的NO缺乏性内皮病为特征。研究结果显示了在大血管、微血管、生化和代谢领域的可测量损伤，并且在已发表的少数研究中，L-精氨酸/L-瓜氨酸补充后呈现一致的改善。这些证据突出了内皮作为连接线粒体能量学与全身血管健康的机制和治疗界面。未来的干预试验应使用标准化的血管和生物能量学终点，评估同时靶向内皮功能障碍和氧化应激的治疗方法。