The mitochondrial cocktail: Rationale for combined nutraceutical therapy in mitochondrial cytopathies(Review)
線粒體雞尾酒：線粒體細(xì)胞病變中組合營養(yǎng)療法的基本原理
【作 者】Tarnopolsky, M.A.
【刊 名】Advanced Drug Delivery Reviews
【影響因子】8.22（2008）；15.519（2018）
摘要：線粒體細(xì)胞病變最終導(dǎo)致有氧能量轉(zhuǎn)導(dǎo)的減少、替代能源儲備的消耗、氧化應(yīng)激的增加、細(xì)胞凋亡和壞死。營養(yǎng)物質(zhì)的特定組合可以針對上述許多生化途徑?？寡趸瘎┡c輔助因子相結(jié)合可以繞過特定的電子傳遞鏈缺陷，提供替代能源是一種特定的目標(biāo)策略。到目前為止,只有一個隨機雙盲臨床試驗使用nutraceutial組合療法,它表明,一水肌酸的結(jié)合,輔酶Q10,α-lipoic酸減少乳酸和患者氧化應(yīng)激的標(biāo)記線粒體細(xì)胞病。未來的研究需要使用大量臨床和替代標(biāo)記結(jié)果明確的患者，以闡明聯(lián)合營養(yǎng)食品(“線粒體雞尾酒”)作為線粒體細(xì)胞病變治療的潛在作用。
1?。線粒體細(xì)胞病變中細(xì)胞病理學(xué)的最終通用途徑
細(xì)胞能量功能障礙有許多最終的常見途徑，可能需要營養(yǎng)保健干預(yù)。興奮性毒性，線粒體能量耗竭，氧化應(yīng)激，鈣超載，繼發(fā)性炎癥和細(xì)胞骨架改變等概念最終會趨向于最終導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙的常見途徑，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，壞死或自噬/自噬。[2?]?]。線粒體功能障礙最終導(dǎo)致能量傳導(dǎo)缺陷，氧化應(yīng)激增加，這可能導(dǎo)致細(xì)胞能量電荷降低，DNA，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化修飾，細(xì)胞內(nèi)鈣水平升高以及興奮性毒性和蛋白水解途徑的激活，從而導(dǎo)致細(xì)胞器以及由于凋亡和壞死引起的細(xì)胞損失（圖1）。
除了上述過程之間可能重疊之外，正反饋循環(huán)（惡性循環(huán)）還可能加劇細(xì)胞能量功能障礙的過程。在衰老的自由基理論中，人們提出了在自由基產(chǎn)生>?線粒體損傷>?自由基產(chǎn)生增強之間形成的惡性循環(huán)[3]，[4]。線粒體通常與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病和神經(jīng)肌肉疾病以及肥胖癥和2型糖尿病等疾病的發(fā)病機制有關(guān)[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。
有許多因素可導(dǎo)致線粒體傾向于突變的積累。一個因素是這樣的事實，即由于缺乏保護(hù)性組蛋白，線粒體DNA特別容易發(fā)生氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的修飾。此外，線粒體DNA主要由編碼區(qū)組成，任何病理改變都可能會改變編碼序列中的核苷酸。此外，與核DNA相比，已經(jīng)證明與活性氧（ROS）產(chǎn)生位點的緊密接近是導(dǎo)致線粒體DNA突變積累率隨衰老增加的另一個因素[11]，[12]。
據(jù)估計，流經(jīng)電子傳輸鏈的電子中有1-3％最終以自由基形式出現(xiàn)，主要是在配合物I和III處[13]。最近的估計使該值在基礎(chǔ)生理條件下約為0.15％[14]；然而，自由基的產(chǎn)生顯然隨著電子傳輸鏈的復(fù)合物I或III的抑制而增加[15]，[16]，[17]。超氧化物是產(chǎn)生的主要活性氧（ROS），可通過錳超氧化物歧化酶（MnSOD）分解為H?2?O?2，并通過過氧化氫酶進(jìn)一步改變以形成水[18]，[19]。在鐵豐富的情況下（例如弗里德里希共濟(jì)失調(diào)），H?2?O?2可能會通過Haber-Weiss和Fenton反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻磻?yīng)性羥基自由基（OH·）[19]。多項研究表明，線粒體細(xì)胞病變患者表現(xiàn)出較高的氧化應(yīng)激水平和抗氧化酶的補償性上調(diào)[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。MnSOD表達(dá)的上調(diào)可能是由特異性蛋白1（Sp-1）介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄介導(dǎo)的[26]。相比之下，其他研究表明，源自Leber遺傳性視神經(jīng)病變患者的胞質(zhì)最終顯示出內(nèi)源性抗氧化劑的減少[27]，這可進(jìn)一步加劇氧化應(yīng)激。
本綜述的重點是評估營養(yǎng)保健藥物組合作為線粒體細(xì)胞病變療法的潛力。術(shù)語“營養(yǎng)食品”是指在食物中發(fā)現(xiàn)但以高于正常飲食中發(fā)現(xiàn)的濃度提取和輸送的化合物。
2?。用于線粒體細(xì)胞病變的營養(yǎng)化合物
2.1??？寡趸瘎?/p>
抗氧化劑是可以通過接受未配對的電子并被還原而淬滅自由基的化合物。除了內(nèi)源性抗氧化劑酶系統(tǒng)外，食品中還存在許多抗氧化劑，包括但不限于：維生素E，維生素C，β-胡蘿卜素，亮氨酸，α-硫辛酸，輔酶Q10，番茄紅素，玉米黃質(zhì)和硒。大量的流行病學(xué)研究表明，飲食中食用抗氧化劑可以改善健康狀況。幾項研究表明，單獨添加抗氧化劑作為補充劑無效[28]，[29]，[30]或?qū)】涤泻?a target="_blank">[31]。大劑量外源的部分原因單一抗氧化劑可能是有害的，因為每種抗氧化劑也都可以充當(dāng)前氧化劑，并且當(dāng)存在多種抗氧化劑時可以發(fā)揮最佳作用，并且可以作為氧化還原對起作用。一些研究表明，在已知與氧化應(yīng)激增加有關(guān)的病理狀況下，抗氧化劑的組合可能是有益的[32]，[33]，[34]。一項與Leber遺傳性遺傳性視神經(jīng)病變（LHON）患者可能相關(guān)的研究是AREDS研究，其中維生素C和E，β-胡蘿卜素和鋅的抗氧化劑組合導(dǎo)致晚期黃斑變性患者的視覺改善跡象[33]。從理論上講，葉黃素，玉米氨酸和二十二碳六烯酸的添加可能有益于視網(wǎng)膜受累的線粒體細(xì)胞病變（即萊伯遺傳性視神經(jīng)病變）[35]，[36]。
在線粒體雞尾酒的各種成分中，最常摻入的抗氧化劑包括維生素E，維生素C和輔酶Q10?[37]，[38]，[39]，[40]，[41]，[42]。維生素E是一種可溶于液體的抗氧化劑，其名稱是指與生育酚和生育三烯酚有關(guān)的八種物質(zhì)。α-生育酚是具有最高生物利用度的形式，可作為鏈終止性抗氧化劑，導(dǎo)致氧化的α-生育酚自由基，最終被抗氧化劑如輔酶Q10和維生素C還原。維生素C（抗壞血酸）是一種水溶性維生素這對于靈長類動物，蝙蝠和豚鼠至關(guān)重要。抗壞血酸會失去電子并被氧化（脫氫抗壞血酸），并通過內(nèi)源性抗氧化劑和谷胱甘肽還原為抗壞血酸。維生素C除了具有抗氧化劑的功能外，還是膠原蛋白羥基化的輔助因子，是由多巴胺合成去甲腎上腺素所必需的，并且在肉堿的內(nèi)源性生物合成中起作用。
硫辛酸是一種二硫鍵化合物，是許多線粒體定位酶復(fù)合物（包括丙酮酸脫氫酶，2-氧代戊二酸脫氫酶和支鏈含氧酸脫氫酶）的必需輔因子。硫辛酸也可作為抗氧化劑，并轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原形式（二氫硫辛酸）。二氫硫辛酸酯可以減少谷胱甘肽，維生素C，維生素E和輔酶Q10，因此可作為有效的氧化還原對起作用。α硫辛酸補充也是腦缺血的動物模型中的神經(jīng)保護(hù)[43]?，和亨廷頓氏病[44]?，并且可以減輕氧化應(yīng)激和改善線粒體功能老年嚙齒動物[45]。我們還發(fā)現(xiàn)，α-硫辛酸可以增強人體骨骼肌的肌酸攝取[46]。僅有一項針對患有慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹（CPEO）的患者單獨給予α-硫辛酸的研究，其中600 mg導(dǎo)致腦部磷酸肌酸增加，工作能力和骨骼肌磷酸肌酸恢復(fù)改善[47]。大多數(shù)臨床興趣都集中在糖尿病性神經(jīng)病變上，其中幾項試驗證明了在糖尿病性神經(jīng)病變患者中用α-硫辛酸治療后臨床和替代標(biāo)志物的改善[48]，[49]，[50]，[51]。
2.2?。替代能源途徑
通過具有線粒體功能障礙的厭氧途徑進(jìn)行的能量傳遞增加。無氧糖酵解的增加導(dǎo)致乳酸產(chǎn)生的增加，并且該化合物通常用作線粒體功能障礙的指標(biāo)。通過腺苷酸激酶/肌腺苷酸脫氨酶途徑的通量的增加導(dǎo)致血漿氨濃度的輕度升高[52]?？梢越邮軤I養(yǎng)保健干預(yù)的一種厭氧途徑是肌酸/磷酸肌酸途徑（ADP?+?肌酸+?H?+?<?（肌酸激酶）>?磷酸肌酸+ATP）。肌酸是在哺乳動物細(xì)胞中普遍存在的胍基化合物。肌酸是肝臟和腎臟內(nèi)源性合成的，飲食中的肌酸主要是肉和魚。肌酸通過鈉依賴性肌酸轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運到組織中，并起著時空能量緩沖的作用[53]，[54]。線粒體細(xì)胞病變患者的肌肉和大腦中細(xì)胞內(nèi)肌酸/磷酸肌酸的濃度和動力學(xué)已顯示較低[55]，[56]，[57]，[58]，[59]。
多項研究表明，補充肌酸可以增加骨骼肌[60]，[61]，[62]，[63]和大腦[64]，肌酸和磷酸肌酸的含量。急性消耗約0.3 g / kg /天的肌酸一水合物5到7天可以使肌肉濃度增加10到20％[61]，[62]。腦部的增加略少，一個月后以0.3 g / kg / day的速度增加約9％[64]。連續(xù)補充1到4個月后，骨骼肌肌酸含量仍可升高，范圍為0.7-0.13 g / kg /天[60]，[62]。除了其作為時空能量緩沖劑的作用外，肌酸還被證明是直接和間接的抗氧化劑[25]，[65]，[66]，[67]，[68]，[69]和可以增加鈣在肌質(zhì)網(wǎng)中的吸收[70]，[71]，[72]，并通過增加磷酸肌酸介導(dǎo)的谷氨酸對星形膠質(zhì)細(xì)胞的吸收[73]，并可能減弱興奮性毒性[74]。在神經(jīng)退行性疾病的動物模型中進(jìn)行的大量研究表明，肌酸給藥可產(chǎn)生有益效果[66]，[67]，[75]，[76]，[77]，[78]，[79]，[80]，[81]。在復(fù)合物II抑制（3硝基丙酸/丙二酸）的動物模型中，肌酸已顯示出神經(jīng)保護(hù)作用，并且在復(fù)合物I抑制劑的作用下，1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶（MPTP）中毒[ 77]，[79]。肌酸還可以預(yù)防頭部創(chuàng)傷模型中的神經(jīng)元丟失，這還與凋亡的減弱，防止線粒體通透性轉(zhuǎn)變的開啟以及更好地維持線粒體膜電位有關(guān)[69]。。此外，一項研究發(fā)現(xiàn)，在肌肉營養(yǎng)不良（mdx小鼠）小鼠模型中，線粒體功能得到了改善[82]。在一起，所有上述數(shù)據(jù)表明，一水肌酸可能對線粒體細(xì)胞病變的治療有益。
然而，迄今為止，使用肌酸一水合物單藥治療線粒體細(xì)胞病變的臨床研究產(chǎn)生了矛盾的結(jié)果，一些研究發(fā)現(xiàn)了具有臨床益處的證據(jù)[25]，[83]，[84]，[85]，[86]，[87]，和其他人沒有發(fā)現(xiàn)受益的證據(jù)[88]，[89]。盡管前述研究中的某些差異可能與患者群體的嚴(yán)重程度和異質(zhì)性差異或?qū)y量療效不敏感的結(jié)果測量結(jié)果有關(guān)，但肌酸或?qū)嶋H上任何療法的益處也可能是遠(yuǎn)不及營養(yǎng)保健品聯(lián)合治療有效。
2.3?。旁路策略和細(xì)胞輔助因子
輔酶Q10（泛醇）是一種苯醌，由氧化還原敏感的苯醌和由10個類異戊二烯單元組成的疏水尾部組成。輔酶Q10的苯醌部分是由氨基酸酪氨酸合成的，異戊二烯尾部是通過甲羥戊酸途徑合成的，甲羥戊酸途徑取決于3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A（HMG-CoA還原酶）。有趣的是，后一種酶是膽固醇生物合成中的限速酶，并且是高膽固醇血癥常用的他汀類藥物的靶標(biāo)[90]。用他汀類藥物阻斷該途徑可導(dǎo)致患有代謝性肌病，包括線粒體細(xì)胞病的患者發(fā)生肌病[91]，[92]。輔酶Q10的主要作用是使電子從復(fù)合物I和II穿梭到電子傳輸鏈的復(fù)合物III中。輔酶Q10可以減少相當(dāng)于泛半醌（QH?）的一倍，進(jìn)一步減少為泛醇（QH?2）。輔酶Q10的氧化還原特性使其可以用作抗氧化劑或促氧化劑，具體取決于許多因素，包括pH值以及是否存在其他氧化還原對，尤其是維生素E，抗壞血酸和α-硫辛酸。
已有大量的小型研究評估輔酶Q10在線粒體細(xì)胞病變中的臨床療效[93]，[94]，[95]，[96]，[97]。Haas博士已在當(dāng)前論文量中評估了一份有關(guān)臨床試驗的完整論文，他為此主題撰寫了另一篇近期綜述[94]。數(shù)據(jù)可能不確定，可能由于多種因素。首先，許多原始研究并沒有證實輔酶Q10實際上是可生物利用的，很少測量血漿濃度。其次，許多研究持續(xù)時間短和/或樣本量小。第三，許多結(jié)果指標(biāo)差異很大。第四，輔酶Q10可能成為促氧化劑，尤其是如果不與抗壞血酸，維生素E或α-硫辛酸等氧化還原對配伍時。因此，輔酶Q10在含有適當(dāng)氧化還原對的營養(yǎng)雞尾酒中可能更有效。另一種可能性是，對于帕金森病最近的研究，早期研究中使用的劑量可能不是最佳的。[98]，[99]，[100]，[101]。相當(dāng)高劑量的輔酶Q10類似物艾地苯醌已顯示出對Friedreich共濟(jì)失調(diào)有一定益處，特別是在心臟肥大方面[102]，[103]和[104]，并且有幾例報道了對線粒體疾病的益處[ 95]，[105]，[106]。當(dāng)給患者服用輔酶Q10時，可能需要親脂性化合物（即維生素E）才能使其在線粒體混合物中充分發(fā)揮適當(dāng)?shù)难趸€原對的作用。任何臨床研究都必須測量血漿輔酶Q10水平（最好是組織水平）以確保足夠的吸收和組織攝取。
核黃素（維生素B2）是一種水溶性維生素，是輔因子FAD和FMN（黃素蛋白）的主要成分。線粒體的主要作用是FAD / FADH?2能量從三羧酸循環(huán)和β-氧化到電子傳輸鏈的絡(luò)合物II的穿梭。從理論上講，核黃素可以作為患有復(fù)雜I缺乏癥的患者的繞過策略而合理選擇。已顯示一些生化和臨床標(biāo)志物可改善MELAS和其他線粒體肌病的患者[107]，[108]，[109]，[110]，[111]，[112]。琥珀酸酯是作為三羧酸循環(huán)的組成部分的羧酸，并通過配合物II與電子傳輸鏈相連。復(fù)合物II和琥珀酸脫氫酶均可催化該反應(yīng)，琥珀酸+?FAD?>?富馬酸+?FADH?2。因此，琥珀酸酯可以為復(fù)雜的I提供旁路策略。然而，只有一個病例報告顯示了一些MELAS綜合征患者臨床改善的證據(jù)[113]。
預(yù)防性給予時，核黃素[114]，輔酶Q10?[115]和α-硫辛酸[116]均可使MELAS綜合征患者特別受益。
3?。聯(lián)合療法的理由
大多數(shù)患有線粒體細(xì)胞病變的患者會服用通常被稱為“線粒體混合物”的營養(yǎng)保健品組合。這種混合物已經(jīng)存在了幾十年，其組成是基于針對線粒體功能障礙的最終常見途徑的合理嘗試，并通過有解毒劑和病例報告的積累證據(jù)。不幸的是，臨床試驗的匱乏導(dǎo)致許多醫(yī)生推薦的成分和劑量以及一些已發(fā)表的建議存在巨大差異（請參閱Cohen的評論，http：//www.kintera.com/atf/cf/ {28038C4C -02EE-4AD0-9DB5-D23E9D9F4D45} /MITOCYTO.PDF）。所有組合療法中固有的一個問題是，每添加一種額外的化合物，尤其是隨著劑量和頻率的變化，潛在的組合就變得無限。必須根據(jù)生物學(xué)原理為治療益處設(shè)計和測試聯(lián)合療法，并且必須在“所有參與者”以及特定亞組（例如MELAS，CPEO，LHON）中評估療法。當(dāng)前，需要多年以來已經(jīng)提出的一些聯(lián)合療法在隨機臨床試驗中進(jìn)行評估。新組合和新化合物的添加需要首先評估?需要多年以來已經(jīng)提出的一些聯(lián)合療法在隨機臨床試驗中進(jìn)行評估。新組合和新化合物的添加需要首先評估?需要多年以來已經(jīng)提出的一些聯(lián)合療法在隨機臨床試驗中進(jìn)行評估。新組合和新化合物的添加需要首先評估體外（例如混合體和原代培養(yǎng)物）[25]，[117]，動物模型（例如突變小鼠，ANT和Tfam小鼠）[23]，[118]，[119]，然后應(yīng)用于臨床試驗，以測試療效和安全性。最初的臨床試驗必須包括非?？芍貜?fù)的臨床療效替代標(biāo)志物，以反映線粒體功能障礙的基本病理生理。替代結(jié)果，如血清腦和乳酸，高能磷酸鹽動力學(xué)，肌肉損傷標(biāo)志物（肌酸激酶活性），運動能力和耗氧量以及氧化應(yīng)激標(biāo)志物，應(yīng)與臨床相關(guān)的結(jié)果，如功能評分和質(zhì)量生活評估也進(jìn)行了評估。盡管較小的試驗不太可能在臨床結(jié)果中顯示出益處，但重要的是將它們包括在內(nèi)，以便為有前途的候選人的未來試驗建立樣本量計算。
3.1?。特定組合療法
迄今為止，只有一個隨機的雙盲試驗評估線粒體混合物對確定的線粒體細(xì)胞病變患者的療效[32]。文獻(xiàn)中已報道了三項公開試驗（病例報告中不包括小病例系列）[96]，[117]，[120]。
第一項研究是一項長期的開放標(biāo)簽研究，涉及16位患有各種線粒體細(xì)胞病變的患者[120]。隨訪了6個月至15年，同時服用了各種抗氧化劑和輔助因子以及甲基潑尼松龍（表1）。結(jié)果是主觀的，認(rèn)為沒有與治療有關(guān)的副作用，血清CK活性或乳酸沒有可預(yù)測的變化?？傮w而言，結(jié)論是患者“……似乎比臨床實踐中通?？梢姷母L的生存時間，功能障礙和醫(yī)療并發(fā)癥更少?！?考慮到16位患者中有9位在6個月至15年的隨訪期間死亡，后一個發(fā)現(xiàn)很難調(diào)和或證明是正確的[120]。
第二項研究在輔助因子和抗氧化劑的公開試驗中對16名患有確定性或可能的線粒體疾病的患者進(jìn)行了為期2個月的2個月的開放性試驗（表1）。有靜息乳酸鹽，泌尿乳酸鹽或在鍛煉乳酸/ VO沒有差別2?/ VO或心臟速率2以下的處理[96]?。他們還沒有發(fā)現(xiàn)該療法對休息或休息后使用磷光譜儀恢復(fù)運動后的無機磷酸鹽（Pi）/ ATP比或磷酸肌酸/ Pi比的任何影響[96]。
第三項研究是另一項開放標(biāo)簽研究，對12例定義明確的線粒體細(xì)胞病變的患者進(jìn)行了各種抗氧化劑，輔因子和肉堿的研究，分析了前，+，3，+?6和+12?個月的情況（表1）[117]。有一些臨床指標(biāo)被評估（沒有正式的統(tǒng)計分析），并且據(jù)報道血清CK和乳酸在評估過程中似乎沒有任何系統(tǒng)性的變化。作者還采集了血液樣本并提取了白細(xì)胞，用于體外評估線粒體功能。盡管沒有明顯的臨床益處，但在體外卻有相當(dāng)明顯的改善隨著各種底物線粒體通量的增加而進(jìn)行的測量[117]。
在諸如線粒體細(xì)胞病變的疾病中，臨床癥狀和癥狀會隨著衰老過程而波動并趨于惡化，重要的是，對治療的任何評估均應(yīng)由活躍的治療組和安慰劑對照組共同完成。因此，我們完成了針對確診線粒體疾病患者的組合營養(yǎng)保健療法的隨機，雙盲，交叉試驗[32]。每個參與者完成了兩個月的積極治療（兩個月）（輔酶Q10?+?肌酸一水合物+α-硫辛酸和安慰劑，至少沖洗6周。在整個組的分析中，我們發(fā)現(xiàn)了一種重要的主要治療作用，該作用可導(dǎo)致空腹血清乳酸減少，疲勞方案中較高的峰值背屈強度和尿中8-異前列腺素/肌酐比值的降低（P?<?0.05）。 ，尿中的8-羥基-2-脫氧-鳥苷（8-OH-2dG）/肌酐比值有降低的趨勢（P?=?0.065）。我們還發(fā)現(xiàn)，僅MELAS治療組中，治療X子群相互作用（P?<?0.05）可獲得更高的無脂肪質(zhì)量[32]（表1）。
4?。結(jié)論
盡管在線粒體細(xì)胞病變中使用營養(yǎng)保健療法有很強的理論基礎(chǔ)，但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。并非最不重要的是，存在無限數(shù)量的潛在組合，并且在組合治療策略中，通常很難闡明造成可能的副作用的特定成分。同樣，很難確定哪個組件最有效?？紤]到線粒體細(xì)胞病患者的遺傳和臨床異質(zhì)性，對一種特定類型有效的聯(lián)合治療策略也可能不適用于另一種特定類型。從實踐的角度來看，由于無法為此類組合申請專利，因此公司也很難開發(fā)出多種組合的營養(yǎng)療法。使該問題進(jìn)一步復(fù)雜化的是，許多患者已經(jīng)在服用各種營養(yǎng)保健品雞尾酒，很難說服某些人停止臨床試驗的治療。線粒體細(xì)胞病治療的任何臨床試驗中固有的問題是固有的臨床和遺傳變異性，這使得很難從隨機試驗中大量招募大量患者。最后，缺乏能概括人類狀況的動物模型，限制了針對線粒體細(xì)胞病變的單個和復(fù)合營養(yǎng)藥物以及其他化學(xué)治療劑的篩選。
