The mitochondrial cocktail: Rationale for combined nutraceutical therapy in mitochondrial cytopathies(Review)
线粒体鸡尾酒：线粒体细胞病变中组合营养疗法的基本原理
【作 者】Tarnopolsky, M.A.
【刊 名】Advanced Drug Delivery Reviews
【影响因子】8.22（2008）；15.519（2018）
摘要：线粒体细胞病变最终导致有氧能量转导的减少、替代能源储备的消耗、氧化应激的增加、细胞凋亡和坏死。营养物质的特定组合可以针对上述许多生化途径。抗氧化剂与辅助因子相结合可以绕过特定的电子传递链缺陷，提供替代能源是一种特定的目标策略。到目前为止,只有一个随机双盲临床试验使用nutraceutial组合疗法,它表明,一水肌酸的结合,辅酶Q10,α-lipoic酸减少乳酸和患者氧化应激的标记线粒体细胞病。未来的研究需要使用大量临床和替代标记结果明确的患者，以阐明联合营养食品(“线粒体鸡尾酒”)作为线粒体细胞病变治疗的潜在作用。
1 。线粒体细胞病变中细胞病理学的最终通用途径
细胞能量功能障碍有许多最终的常见途径，可能需要营养保健干预。兴奋性毒性，线粒体能量耗竭，氧化应激，钙超载，继发性炎症和细胞骨架改变等概念最终会趋向于最终导致细胞功能障碍的常见途径，从而导致细胞凋亡，坏死或自噬/自噬。[2 ] ]。线粒体功能障碍最终导致能量传导缺陷，氧化应激增加，这可能导致细胞能量电荷降低，DNA，蛋白质和脂质的氧化修饰，细胞内钙水平升高以及兴奋性毒性和蛋白水解途径的激活，从而导致细胞器以及由于凋亡和坏死引起的细胞损失（图1）。
除了上述过程之间可能重叠之外，正反馈循环（恶性循环）还可能加剧细胞能量功能障碍的过程。在衰老的自由基理论中，人们提出了在自由基产生> 线粒体损伤> 自由基产生增强之间形成的恶性循环[3]，[4]。线粒体通常与多种神经系统疾病和神经肌肉疾病以及肥胖症和2型糖尿病等疾病的发病机制有关[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。
有许多因素可导致线粒体倾向于突变的积累。一个因素是这样的事实，即由于缺乏保护性组蛋白，线粒体DNA特别容易发生氧化应激诱导的修饰。此外，线粒体DNA主要由编码区组成，任何病理改变都可能会改变编码序列中的核苷酸。此外，与核DNA相比，已经证明与活性氧（ROS）产生位点的紧密接近是导致线粒体DNA突变积累率随衰老增加的另一个因素[11]，[12]。
据估计，流经电子传输链的电子中有1-3％最终以自由基形式出现，主要是在配合物I和III处[13]。最近的估计使该值在基础生理条件下约为0.15％[14]；然而，自由基的产生显然随着电子传输链的复合物I或III的抑制而增加[15]，[16]，[17]。超氧化物是产生的主要活性氧（ROS），可通过锰超氧化物歧化酶（MnSOD）分解为H 2 O 2，并通过过氧化氢酶进一步改变以形成水[18]，[19]。在铁丰富的情况下（例如弗里德里希共济失调），H 2 O 2可能会通过Haber-Weiss和Fenton反应转变为高反应性羟基自由基（OH·）[19]。多项研究表明，线粒体细胞病变患者表现出较高的氧化应激水平和抗氧化酶的补偿性上调[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。MnSOD表达的上调可能是由特异性蛋白1（Sp-1）介导的转录介导的[26]。相比之下，其他研究表明，源自Leber遗传性视神经病变患者的胞质最终显示出内源性抗氧化剂的减少[27]，这可进一步加剧氧化应激。
本综述的重点是评估营养保健药物组合作为线粒体细胞病变疗法的潜力。术语“营养食品”是指在食物中发现但以高于正常饮食中发现的浓度提取和输送的化合物。
2 。用于线粒体细胞病变的营养化合物
2.1 。抗氧化剂
抗氧化剂是可以通过接受未配对的电子并被还原而淬灭自由基的化合物。除了内源性抗氧化剂酶系统外，食品中还存在许多抗氧化剂，包括但不限于：维生素E，维生素C，β-胡萝卜素，亮氨酸，α-硫辛酸，辅酶Q10，番茄红素，玉米黄质和硒。大量的流行病学研究表明，饮食中食用抗氧化剂可以改善健康状况。几项研究表明，单独添加抗氧化剂作为补充剂无效[28]，[29]，[30]或对健康有害[31]。大剂量外源的部分原因单一抗氧化剂可能是有害的，因为每种抗氧化剂也都可以充当前氧化剂，并且当存在多种抗氧化剂时可以发挥最佳作用，并且可以作为氧化还原对起作用。一些研究表明，在已知与氧化应激增加有关的病理状况下，抗氧化剂的组合可能是有益的[32]，[33]，[34]。一项与Leber遗传性遗传性视神经病变（LHON）患者可能相关的研究是AREDS研究，其中维生素C和E，β-胡萝卜素和锌的抗氧化剂组合导致晚期黄斑变性患者的视觉改善迹象[33]。从理论上讲，叶黄素，玉米氨酸和二十二碳六烯酸的添加可能有益于视网膜受累的线粒体细胞病变（即莱伯遗传性视神经病变）[35]，[36]。
在线粒体鸡尾酒的各种成分中，最常掺入的抗氧化剂包括维生素E，维生素C和辅酶Q10 [37]，[38]，[39]，[40]，[41]，[42]。维生素E是一种可溶于液体的抗氧化剂，其名称是指与生育酚和生育三烯酚有关的八种物质。α-生育酚是具有最高生物利用度的形式，可作为链终止性抗氧化剂，导致氧化的α-生育酚自由基，最终被抗氧化剂如辅酶Q10和维生素C还原。维生素C（抗坏血酸）是一种水溶性维生素这对于灵长类动物，蝙蝠和豚鼠至关重要。抗坏血酸会失去电子并被氧化（脱氢抗坏血酸），并通过内源性抗氧化剂和谷胱甘肽还原为抗坏血酸。维生素C除了具有抗氧化剂的功能外，还是胶原蛋白羟基化的辅助因子，是由多巴胺合成去甲肾上腺素所必需的，并且在肉碱的内源性生物合成中起作用。
硫辛酸是一种二硫键化合物，是许多线粒体定位酶复合物（包括丙酮酸脱氢酶，2-氧代戊二酸脱氢酶和支链含氧酸脱氢酶）的必需辅因子。硫辛酸也可作为抗氧化剂，并转变为还原形式（二氢硫辛酸）。二氢硫辛酸酯可以减少谷胱甘肽，维生素C，维生素E和辅酶Q10，因此可作为有效的氧化还原对起作用。α硫辛酸补充也是脑缺血的动物模型中的神经保护[43] ，和亨廷顿氏病[44] ，并且可以减轻氧化应激和改善线粒体功能老年啮齿动物[45]。我们还发现，α-硫辛酸可以增强人体骨骼肌的肌酸摄取[46]。仅有一项针对患有慢性进行性眼外肌麻痹（CPEO）的患者单独给予α-硫辛酸的研究，其中600 mg导致脑部磷酸肌酸增加，工作能力和骨骼肌磷酸肌酸恢复改善[47]。大多数临床兴趣都集中在糖尿病性神经病变上，其中几项试验证明了在糖尿病性神经病变患者中用α-硫辛酸治疗后临床和替代标志物的改善[48]，[49]，[50]，[51]。
2.2 。替代能源途径
通过具有线粒体功能障碍的厌氧途径进行的能量传递增加。无氧糖酵解的增加导致乳酸产生的增加，并且该化合物通常用作线粒体功能障碍的指标。通过腺苷酸激酶/肌腺苷酸脱氨酶途径的通量的增加导致血浆氨浓度的轻度升高[52]。可以接受营养保健干预的一种厌氧途径是肌酸/磷酸肌酸途径（ADP + 肌酸+ H + < （肌酸激酶）> 磷酸肌酸+ATP）。肌酸是在哺乳动物细胞中普遍存在的胍基化合物。肌酸是肝脏和肾脏内源性合成的，饮食中的肌酸主要是肉和鱼。肌酸通过钠依赖性肌酸转运蛋白转运到组织中，并起着时空能量缓冲的作用[53]，[54]。线粒体细胞病变患者的肌肉和大脑中细胞内肌酸/磷酸肌酸的浓度和动力学已显示较低[55]，[56]，[57]，[58]，[59]。
多项研究表明，补充肌酸可以增加骨骼肌[60]，[61]，[62]，[63]和大脑[64]，肌酸和磷酸肌酸的含量。急性消耗约0.3 g / kg /天的肌酸一水合物5到7天可以使肌肉浓度增加10到20％[61]，[62]。脑部的增加略少，一个月后以0.3 g / kg / day的速度增加约9％[64]。连续补充1到4个月后，骨骼肌肌酸含量仍可升高，范围为0.7-0.13 g / kg /天[60]，[62]。除了其作为时空能量缓冲剂的作用外，肌酸还被证明是直接和间接的抗氧化剂[25]，[65]，[66]，[67]，[68]，[69]和可以增加钙在肌质网中的吸收[70]，[71]，[72]，并通过增加磷酸肌酸介导的谷氨酸对星形胶质细胞的吸收[73]，并可能减弱兴奋性毒性[74]。在神经退行性疾病的动物模型中进行的大量研究表明，肌酸给药可产生有益效果[66]，[67]，[75]，[76]，[77]，[78]，[79]，[80]，[81]。在复合物II抑制（3硝基丙酸/丙二酸）的动物模型中，肌酸已显示出神经保护作用，并且在复合物I抑制剂的作用下，1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶（MPTP）中毒[ 77]，[79]。肌酸还可以预防头部创伤模型中的神经元丢失，这还与凋亡的减弱，防止线粒体通透性转变的开启以及更好地维持线粒体膜电位有关[69]。。此外，一项研究发现，在肌肉营养不良（mdx小鼠）小鼠模型中，线粒体功能得到了改善[82]。在一起，所有上述数据表明，一水肌酸可能对线粒体细胞病变的治疗有益。
然而，迄今为止，使用肌酸一水合物单药治疗线粒体细胞病变的临床研究产生了矛盾的结果，一些研究发现了具有临床益处的证据[25]，[83]，[84]，[85]，[86]，[87]，和其他人没有发现受益的证据[88]，[89]。尽管前述研究中的某些差异可能与患者群体的严重程度和异质性差异或对测量疗效不敏感的结果测量结果有关，但肌酸或实际上任何疗法的益处也可能是远不及营养保健品联合治疗有效。
2.3 。旁路策略和细胞辅助因子
辅酶Q10（泛醇）是一种苯醌，由氧化还原敏感的苯醌和由10个类异戊二烯单元组成的疏水尾部组成。辅酶Q10的苯醌部分是由氨基酸酪氨酸合成的，异戊二烯尾部是通过甲羟戊酸途径合成的，甲羟戊酸途径取决于3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A（HMG-CoA还原酶）。有趣的是，后一种酶是胆固醇生物合成中的限速酶，并且是高胆固醇血症常用的他汀类药物的靶标[90]。用他汀类药物阻断该途径可导致患有代谢性肌病，包括线粒体细胞病的患者发生肌病[91]，[92]。辅酶Q10的主要作用是使电子从复合物I和II穿梭到电子传输链的复合物III中。辅酶Q10可以减少相当于泛半醌（QH ）的一倍，进一步减少为泛醇（QH 2）。辅酶Q10的氧化还原特性使其可以用作抗氧化剂或促氧化剂，具体取决于许多因素，包括pH值以及是否存在其他氧化还原对，尤其是维生素E，抗坏血酸和α-硫辛酸。
已有大量的小型研究评估辅酶Q10在线粒体细胞病变中的临床疗效[93]，[94]，[95]，[96]，[97]。Haas博士已在当前论文量中评估了一份有关临床试验的完整论文，他为此主题撰写了另一篇近期综述[94]。数据可能不确定，可能由于多种因素。首先，许多原始研究并没有证实辅酶Q10实际上是可生物利用的，很少测量血浆浓度。其次，许多研究持续时间短和/或样本量小。第三，许多结果指标差异很大。第四，辅酶Q10可能成为促氧化剂，尤其是如果不与抗坏血酸，维生素E或α-硫辛酸等氧化还原对配伍时。因此，辅酶Q10在含有适当氧化还原对的营养鸡尾酒中可能更有效。另一种可能性是，对于帕金森病最近的研究，早期研究中使用的剂量可能不是最佳的。[98]，[99]，[100]，[101]。相当高剂量的辅酶Q10类似物艾地苯醌已显示出对Friedreich共济失调有一定益处，特别是在心脏肥大方面[102]，[103]和[104]，并且有几例报道了对线粒体疾病的益处[ 95]，[105]，[106]。当给患者服用辅酶Q10时，可能需要亲脂性化合物（即维生素E）才能使其在线粒体混合物中充分发挥适当的氧化还原对的作用。任何临床研究都必须测量血浆辅酶Q10水平（最好是组织水平）以确保足够的吸收和组织摄取。
核黄素（维生素B2）是一种水溶性维生素，是辅因子FAD和FMN（黄素蛋白）的主要成分。线粒体的主要作用是FAD / FADH 2能量从三羧酸循环和β-氧化到电子传输链的络合物II的穿梭。从理论上讲，核黄素可以作为患有复杂I缺乏症的患者的绕过策略而合理选择。已显示一些生化和临床标志物可改善MELAS和其他线粒体肌病的患者[107]，[108]，[109]，[110]，[111]，[112]。琥珀酸酯是作为三羧酸循环的组成部分的羧酸，并通过配合物II与电子传输链相连。复合物II和琥珀酸脱氢酶均可催化该反应，琥珀酸+ FAD > 富马酸+ FADH 2。因此，琥珀酸酯可以为复杂的I提供旁路策略。然而，只有一个病例报告显示了一些MELAS综合征患者临床改善的证据[113]。
预防性给予时，核黄素[114]，辅酶Q10 [115]和α-硫辛酸[116]均可使MELAS综合征患者特别受益。
3 。联合疗法的理由
大多数患有线粒体细胞病变的患者会服用通常被称为“线粒体混合物”的营养保健品组合。这种混合物已经存在了几十年，其组成是基于针对线粒体功能障碍的最终常见途径的合理尝试，并通过有解毒剂和病例报告的积累证据。不幸的是，临床试验的匮乏导致许多医生推荐的成分和剂量以及一些已发表的建议存在巨大差异（请参阅Cohen的评论，http：//www.kintera.com/atf/cf/ {28038C4C -02EE-4AD0-9DB5-D23E9D9F4D45} /MITOCYTO.PDF）。所有组合疗法中固有的一个问题是，每添加一种额外的化合物，尤其是随着剂量和频率的变化，潜在的组合就变得无限。必须根据生物学原理为治疗益处设计和测试联合疗法，并且必须在“所有参与者”以及特定亚组（例如MELAS，CPEO，LHON）中评估疗法。当前，需要多年以来已经提出的一些联合疗法在随机临床试验中进行评估。新组合和新化合物的添加需要首先评估 需要多年以来已经提出的一些联合疗法在随机临床试验中进行评估。新组合和新化合物的添加需要首先评估 需要多年以来已经提出的一些联合疗法在随机临床试验中进行评估。新组合和新化合物的添加需要首先评估体外（例如混合体和原代培养物）[25]，[117]，动物模型（例如突变小鼠，ANT和Tfam小鼠）[23]，[118]，[119]，然后应用于临床试验，以测试疗效和安全性。最初的临床试验必须包括非常可重复的临床疗效替代标志物，以反映线粒体功能障碍的基本病理生理。替代结果，如血清脑和乳酸，高能磷酸盐动力学，肌肉损伤标志物（肌酸激酶活性），运动能力和耗氧量以及氧化应激标志物，应与临床相关的结果，如功能评分和质量生活评估也进行了评估。尽管较小的试验不太可能在临床结果中显示出益处，但重要的是将它们包括在内，以便为有前途的候选人的未来试验建立样本量计算。
3.1 。特定组合疗法
迄今为止，只有一个随机的双盲试验评估线粒体混合物对确定的线粒体细胞病变患者的疗效[32]。文献中已报道了三项公开试验（病例报告中不包括小病例系列）[96]，[117]，[120]。
第一项研究是一项长期的开放标签研究，涉及16位患有各种线粒体细胞病变的患者[120]。随访了6个月至15年，同时服用了各种抗氧化剂和辅助因子以及甲基泼尼松龙（表1）。结果是主观的，认为没有与治疗有关的副作用，血清CK活性或乳酸没有可预测的变化。总体而言，结论是患者“……似乎比临床实践中通常可见的更长的生存时间，功能障碍和医疗并发症更少。” 考虑到16位患者中有9位在6个月至15年的随访期间死亡，后一个发现很难调和或证明是正确的[120]。
第二项研究在辅助因子和抗氧化剂的公开试验中对16名患有确定性或可能的线粒体疾病的患者进行了为期2个月的2个月的开放性试验（表1）。有静息乳酸盐，泌尿乳酸盐或在锻炼乳酸/ VO没有差别2 / VO或心脏速率2以下的处理[96] 。他们还没有发现该疗法对休息或休息后使用磷光谱仪恢复运动后的无机磷酸盐（Pi）/ ATP比或磷酸肌酸/ Pi比的任何影响[96]。
第三项研究是另一项开放标签研究，对12例定义明确的线粒体细胞病变的患者进行了各种抗氧化剂，辅因子和肉碱的研究，分析了前，+，3，+ 6和+12 个月的情况（表1）[117]。有一些临床指标被评估（没有正式的统计分析），并且据报道血清CK和乳酸在评估过程中似乎没有任何系统性的变化。作者还采集了血液样本并提取了白细胞，用于体外评估线粒体功能。尽管没有明显的临床益处，但在体外却有相当明显的改善随着各种底物线粒体通量的增加而进行的测量[117]。
在诸如线粒体细胞病变的疾病中，临床症状和症状会随着衰老过程而波动并趋于恶化，重要的是，对治疗的任何评估均应由活跃的治疗组和安慰剂对照组共同完成。因此，我们完成了针对确诊线粒体疾病患者的组合营养保健疗法的随机，双盲，交叉试验[32]。每个参与者完成了两个月的积极治疗（两个月）（辅酶Q10 + 肌酸一水合物+α-硫辛酸和安慰剂，至少冲洗6周。在整个组的分析中，我们发现了一种重要的主要治疗作用，该作用可导致空腹血清乳酸减少，疲劳方案中较高的峰值背屈强度和尿中8-异前列腺素/肌酐比值的降低（P < 0.05）。 ，尿中的8-羟基-2-脱氧-鸟苷（8-OH-2dG）/肌酐比值有降低的趋势（P = 0.065）。我们还发现，仅MELAS治疗组中，治疗X子群相互作用（P < 0.05）可获得更高的无脂肪质量[32]（表1）。
4 。结论
尽管在线粒体细胞病变中使用营养保健疗法有很强的理论基础，但仍有许多挑战需要解决。并非最不重要的是，存在无限数量的潜在组合，并且在组合治疗策略中，通常很难阐明造成可能的副作用的特定成分。同样，很难确定哪个组件最有效。考虑到线粒体细胞病患者的遗传和临床异质性，对一种特定类型有效的联合治疗策略也可能不适用于另一种特定类型。从实践的角度来看，由于无法为此类组合申请专利，因此公司也很难开发出多种组合的营养疗法。使该问题进一步复杂化的是，许多患者已经在服用各种营养保健品鸡尾酒，很难说服某些人停止临床试验的治疗。线粒体细胞病治疗的任何临床试验中固有的问题是固有的临床和遗传变异性，这使得很难从随机试验中大量招募大量患者。最后，缺乏能概括人类状况的动物模型，限制了针对线粒体细胞病变的单个和复合营养药物以及其他化学治疗剂的筛选。