癲癇是一種異質性的疾病，其病因機制非常復雜，它以反復的、不可預測的神經元異常放電為特征。癲癇患者主要依賴口服抗癲癇發作藥物（Antiseizure medications，ASMs）進行治療和控制疾病進展。然而，約有30%的患者對ASMs產生耐藥性，導致無法緩解和治愈癲癇發作，并逐漸演變為難治性癲癇。難治性癲癇中最常見的類型是顳葉癲癇，因此，深入探索癲癇的發作原因和分子機制是尋找新的方法治療難治性癲癇的關鍵。線粒體是細胞內重要的細胞器，為神經元提供大量能量，并持續驅動神經元的活動。神經元依賴線粒體進行復雜的神經遞質傳遞、突觸可塑性過程，以及建立膜的興奮性。自噬系統通過溶酶體對受損線粒體進行降解和代謝的過程稱為線粒體自噬。線粒體自噬是一種維持細胞結構和功能的特定自噬途徑。線粒體功能障礙可產生有危害性的活性氧，損傷細胞蛋白質和DNA或引發細胞程序性死亡。線粒體自噬有助于維持多種細胞類型中的線粒體質量控制和數量調節，并與癲癇的發生發展密切相關。線粒體自噬調節失衡是神經元異常放電和癲癇發作的原因之一，了解其相關機制對于治療和控制癲癇患者的病情發展非常重要。
引用本文： 高源, 陳陽美. 線粒體自噬在癲癇中的研究進展. 癲癇雜志, 2024, 10(4): 320-327. doi: 10.7507/2096-0247.202404006 復制
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癲癇是一種常見的神經系統疾病，特征為腦部異常放電引起的反復發作性神經電生理異常及一些典型癥狀，如不同程度的意識喪失、大喊大叫以及肢體抽搐等癥狀[1，2]。癲癇作為一種慢性神經系統疾病，對患者及其家庭造成巨大的負擔，不僅影響了患者的日常生活質量和工作效能，還導致了嚴重的心理困擾和經濟壓力。在我國，癲癇對大約1 000萬的人口造成不同程度的影響，并且每年約有40～50萬的新增患者。通過合理的治療和管理，大部分癲癇患者能夠有效控制癲癇發作并恢復正常生活[3，4]。目前，癲癇的治療和研究在我國已取得很大進展，藥物治療是最常用、最有效的方法之一，對控制和減少癲癇發作有著顯著成效。然而，仍有30%的癲癇患者對藥物治療反應不佳，病情進展為難治性癲癇，并可能伴發嚴重的心理疾病或精神障礙[5，6]。因此，探索新的機制為尋找新的難治性癲癇藥物治療靶點具有極其重要的意義。
在癲癇的發生和發展過程中，神經元的異常放電是導致癲癇的主要原因，線粒體自噬功能也參與此過程。線粒體自噬是大自噬的一個分支，是一種細胞內重要的吞噬機制。線粒體自噬的主要功能是促進細胞內部的分解、清除老化或損傷的線粒體并合成新的線粒體。線粒體自噬的正常運轉有助于保持細胞健康狀態，并減少因老化或損傷引起的異常信號轉導。然而，由于應激、缺氧、代謝紊亂等原因影響了線粒體自噬功能的失衡可能會導致癲癇發生，這期間可產生有害活性氧（Reactive oxygen species，ROS）并引發神經元的功能異常或程序性死亡。因此，本文將詳細探討線粒體自噬在癲癇發病機制中的作用。
1 神經元中線粒體的作用
線粒體具有雙膜結構，參與廣泛的細胞活動，是各種細胞過程的能量中心。其主要功能包括三磷酸腺苷 （Adenosine triphosphate，ATP） 的產生、細胞內Ca2+信號傳導和ROS的產生[7]。神經元高度依賴線粒體功能來建立膜的興奮性，并執行復雜的神經遞質傳遞和突觸可塑性過程。線粒體是細胞內重要的細胞器，為神經元提供大量能量，并通過產生的能量持續驅動神經元活動。神經系統內的突觸傳遞是一個高耗能過程，受到Ca2+信號的嚴格調節[8]。線粒體非常適合為突觸功能提供能量和緩沖Ca2+，所以在突觸前和突觸后都有大量線粒體募集，使信號傳遞過程更高效[9]。在神經系統中，充足的能量供應對于實現高強度、高頻率信號轉導和信息處理至關重要。而線粒體通過氧化磷酸化反應將有機物轉換為ATP，并釋放出豐富的能量[10，11]。這些由線粒體提供的能量不僅滿足了神經元本身基礎代謝和功能運行所需，還支持著復雜而快速進行的神經干細胞分化、突觸傳遞、離子泵工作以及蛋白質合成等多個生理過程[12，13]。
2 線粒體自噬概述
2.1 線粒體自噬的過程
線粒體自噬（Mitophagy）是細胞內保護機制之一，通過將受損和功能異常的線粒體分解代謝來清除老化或損壞的線粒體以維持穩態和正常功能[14]。線粒體自噬是自噬的一種亞型，涉及對受損線粒體的溶酶體依賴性清除。然而，線粒體自噬會產生大量有害活性氧物質ROS，對細胞蛋白質和DNA造成嚴重損傷，并可能引發炎癥反應、代謝紊亂甚至程序性細胞死亡[15，16]。為了應對此情況，真核細胞通過啟動巨噬系統來分離并清除受損的線粒體[17，18]。當線粒體激活相關信號通路功能異常時，胞質內會形成一種特殊結構—自噬小體（Autophagosome）。這些自噬小體包裹住受損的線粒體，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體（Autolysosome）。具體來說，線粒體功能受到諸如缺氧、細胞衰老以及營養物質缺失等多種外部刺激的影響，這些刺激可導致線粒體膜電位的去極化，最終可能導致膜電位的完全消失[19]。為了維持細胞內環境的穩態，通過線粒體自噬可以有效地降解和清除受損或老化的線粒體。首先，在自噬小體包裹住受損線粒體后，所形成的囊泡能夠與其他健康部分迅速斷開連接，并進入到自噬溶酶體中進行降解。其次，在降解過程中釋放出來的營養物質可以再次被利用于新生代謝活動中。最后，在完成降解任務后重新生成新型健康完好的線粒體[20，21]。
2.2 線粒體自噬的分子機制
2.2.1 PINK1-Parkin介導的泛素依賴途徑
在線粒體自噬的過程中，PTEN誘導激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）-Parkin介導的選擇性清除多余或受損線粒體的自噬通路被激活。 PINK1是一種線粒體激酶，可以保護線粒體免受損傷并維持線粒體穩態[22]。在線粒體應激狀態下，線粒體外膜易位酶（Translocase of outer mitochondrial membrane，TOMM）和線粒體內膜易位酶（Translocase of inner mitochondrial membrane，TIMM）復合物會阻止PINK1進入，從而使全長PINK1穩定在線粒體外膜，并被菱形內膜蛋白酶 （Presenilin associated rhomboid like，PARL） 切割[23]。高親和力的Parkin （Parkinson disease protein 2，PARK2） 與胞質E3泛素連接酶結合，然后從細胞基質中被募集到線粒體上，通過活化的PINK1在Ser65位點進行磷酸化[24]。Parkin募集之后，通過介導線粒體底物泛素化并誘導線粒體自噬。Parkin促進了泛素結合適配體p62的募集，使其能夠在自噬體中聚集形成聚集態，并將泛素化蛋白引導至其中[25]。此外，p62 （Sequestosome 1，SQSTM1） 還與LC3結合，推動連接泛素化，并在線粒體上介導其積累。組蛋白去乙酰化酶HDAC6也與泛素化底物相互作用，在Parkin轉位后富集于線粒體上參與線粒體自噬過程[26，27]。多項研究表明，在沒有線粒體膜電位的情況下，PINK1仍在線粒體上表達，并可以激活微管相關蛋白 1A/1B-輕鏈 3 （Microtubule-associated proteins 1A/1B light chain 3，LC3A/B） 介導的自噬[28]。LC3是自噬途徑的關鍵蛋白，通過蛋白水解裂解形成LC3I，然后脂化生成LC3II。LC3II是自噬體的標志物，在溶酶體中被降解;因此，LC3II周轉是自噬通量的一個指標[29，30]。PINK1和LC3是與線粒體運輸和自噬過程相關的蛋白質。具體來說，PINK1可以通過LC3II的形成和線粒體固定化來促進線粒體自噬的啟動。因此，PINK1和LC3在調節線粒體自噬中起著至關重要的作用。線粒體自噬依賴于PINK1和泛素連接酶Parkin。這一途徑已被證明是影響神經系統疾病的重要因素[23，31]。此外，自噬相關基因 （Autophagy-related genes，ATG） 家族、轉運蛋白等各類參與者的協同作用確保整個線粒體自噬過程順利進行[32]。PINK1表達顯著增加和Parkin轉錄的顯著降低是PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬途徑發生異常的主要原因[33]。
2.2.2 BNIP3，NIX和FUNDC1等介導的受體依賴途徑
BCL2相互作用蛋白3 （BCL2 interacting protein 3，BNIP3）和NIP3樣蛋白X（NIP3-like protein X，NIX）是線粒體外膜相關的多功能蛋白。BNIP3在缺氧時調節線粒體自噬，而NIX在紅細胞譜系發育過程中是線粒體自噬所必需的。BNIP3和NIX可以觸發線粒體去極化，而線粒體去極化足以引起線粒體自噬[34，35]。BNIP3和NIX與自噬的誘導有關，并且存在幾種潛在的機制。首先，通過引起線粒體功能障礙，BNIP3或NIX可能增加ROS的產生，從而激活自噬[36]。其次，BNIP3或NIX與BCL2（或相關蛋白）結合的競爭可以將BECN1基因（Recombinant beclin 1，Beclin-1）從BCL2復合物中解放出來并激活自噬。NIX/BNIP3L氨基末端LIR基序與吞噬細胞或分離膜上的LC3相互作用，其轉錄在紅細胞發育過程中增強[37，38]。由于這一機制，NIX/BNIP3L可以在紅細胞中作為一種特殊的線粒體自噬受體，增加自噬機制向受損線粒體表面的募集[39]。當神經元處于應激狀態時，NIX/BNIP3L基因被激活。X三體綜合征相關蛋白（FUN14 domain-containing protein 1，FUNDC1）作為線粒體自噬受體，調節線粒體自噬[40]。與FUNDC1不同，NIX與LC3B的結合要弱得多，而LC3B的轉化與自噬囊泡水平升高有關，以應對自噬誘導的應激[41]。研究表明，在缺氧條件下，線粒體磷酸酶磷酸甘油酸突變酶家族成員5 （Phosphoglycerate mutase 5，PGAM5）會使FUNDC1去磷酸化以啟動線粒體自噬[42]。異位表達的FUNDC1誘導了與線粒體自噬密切相關蛋白LC3的顯著增加，FUNDC1的下調減少了LC3向線粒體的募集，防止了缺氧條件下線粒體的斷裂，從而降低了線粒體自噬的水平[43]。因此，BNIP3、NIX或FUNDC1的表達異常或功能失調，可能會影響線粒體自噬的效率，使受損線粒體無法及時清除，從而增加神經元異常放電的風險，進而導致癲癇。
3 癲癇中不同細胞的線粒體自噬
3.1 線粒體自噬與神經元
線粒體是神經元提供大量能量的重要細胞器，其可被吞噬和降解，從而導致神經元放電異常。損傷的線粒體在海馬區域異常的神經元中積聚，進而引發神經元退化或喪失，癲癇的發生與線粒體自噬功能的改變密切相關[44，45]。神經元依靠線粒體自噬反應來微調線粒體的數量并保持正常的能量代謝。在海人酸誘導的癲癇小鼠模型中，PGAM5的敲低抑制了線粒體自噬，減輕了癲癇發作，并提高了神經元的存活率[46]。FUNDC1蛋白可以緩解由于癲癇發作過程所誘導的海馬神經元線粒體自噬、細胞凋亡和氧化應激反應，其機制可能涉及對線粒體自噬調控的影響[47]。大量證據表明，氧化應激在癲癇發作引起的不同形式的神經元死亡中起著關鍵作用。在癲癇發生過程中，線粒體DNA （mtDNA）的氧化損傷可通過干擾線粒體堿基切除修復途徑而誘導神經元凋亡，進而增加癲癇易感性[48，49]。核因子-E2相關因子2 （Nuclear Factor erythroid 2-Related Factor 2，Nrf2）是調控癲癇中氧化應激和神經元線粒體自噬的重要因子，其過度表達能夠增強對Aβ毒性的神經保護作用。在癲癇發生的海馬中可能存在Nrf2無法有效應對氧化應激從而導致神經元功能障礙和/或丟失[50，51]。異常的自噬可導致氧化應激的積累，從而進一步產生ROS，這可能引發神經元死亡[52]。線粒體自噬可以通過去除受損和功能失調的線粒體來保護細胞免受氧化損傷，線粒體產生的ROS是病理性mtROS的重要來源。在小鼠模型中，神經元自噬活性的選擇性缺乏導致自發性癲癇發作[49，53]，這表明神經元自噬是中樞神經系統網絡的一部分，在維持神經元興奮性方面具有重要作用[54，55]。神經元自噬屬于巨自噬，其主要功能是吞噬清除受損的胞內異常蛋白或細胞器，使神經元內環境達到穩態，該過程是通過內質網膜包裹異常的蛋白質和細胞器等融合為自噬體，并與溶酶體結合形成自噬溶酶體，從而分解其內容物。神經元線粒體自噬屬于神經元自噬的一部分，其主要功能在于維持神經元內線粒體的數量和質量，使神經元中的線粒體保持健康，進而維持整個神經元的正常功能。
3.2 線粒體自噬與星形膠質細胞
星形膠質細胞是中樞神經系統中最豐富的膠質細胞，在維持神經的健康和功能方面起著至關重要的作用。星形膠質細胞與神經元密切合作，是突觸形成、維持突觸可塑性、維持血腦屏障完整性和清除突觸間隙過量神經遞質等重要過程的關鍵組成部分[56]。星形膠質細胞中的線粒體功能障礙與神經系統疾病的發展有關，包括阿爾茨海默病[57，58]、帕金森病[59，60]和癲癇[47，50]。反應性星形膠質增生是人類癲癇和動物模型中癲癇病灶的標志[61]。假馬齒莧相關的分子途徑可以感應功能失調的線粒體并通過自噬體選擇性降解，從而抑制星形膠質細胞的凋亡并維持線粒體生物發生以實現細胞穩態[62]。在癲癇發作后，星形膠質細胞可以通過線粒體自噬來修復神經元的損傷。然而，如果自噬過程失調，可能無法有效修復，使神經元更容易受損。因此，星形膠質細胞中的線粒體自噬對于控制癲癇和維持大腦穩態起著重要的作用。由于上述機制，異常的線粒體自噬可能會在癲癇的發展過程中產生負面影響。研究與星形膠質細胞有關的線粒體自噬將有助于進一步理解癲癇的病理機制，并可能為未來的治療策略提供新的思路。
3.3 線粒體自噬與小膠質細胞
小膠質細胞是中樞神經系統的主要常駐免疫細胞，在腦組織修復、神經發生和介導免疫反應中發揮重要作用。小膠質細胞主要通過沖擊神經元和星形膠質細胞在中樞神經系統的穩態中發揮關鍵作用。ATG7基因敲除造成小膠質細胞自噬缺陷的小鼠更容易發生癲癇發作，并發生嚴重的全身性癲癇發作導致死亡[63]。小膠質細胞介導的神經炎癥和線粒體自噬缺陷在延髓頭端腹外側區（Rostral ventrolateral medulla，RVLM）對應激性高血壓起著的關鍵作用[64]。線粒體自噬涉及小膠質細胞的激活、炎癥反應和存活[65，66]。線粒體自噬誘導劑線粒體酸5 （Mitochonic acid 5，MA-5） 先前研究已表明其具有降低神經炎癥的作用。小膠質細胞參與神經炎癥反應，線粒體自噬控制炎癥介質的產生和釋放。在癲癇中，神經炎癥反應可能會加劇病情，而線粒體自噬控制小膠質細胞的炎癥反應。炎癥導致線粒體質量下降，通過使用MA-5可以提高小膠質細胞線粒體的質量，并依賴于BNIP3的激活。這種改善能夠減少氧化應激水平和細胞能量代謝的損害[67]。在TSC1缺陷的小鼠中，mTOR的過度激活會導致小膠質細胞和星形膠質細胞過度增殖，吞噬活性增加，以及嚴重的自發性癲癇發作[68]。線粒體是氧化磷酸化的關鍵場所，也是氧化應激的主要來源。在癲癇過程中，氧化應激可能會破壞線粒體的功能，而線粒體自噬可以幫助清除損壞的線粒體，從而減少氧化應激對小膠質細胞的影響。線粒體自噬可以影響細胞內的能量代謝和代謝平衡，小膠質細胞活性和功能受到細胞代謝的調控。當線粒體自噬出現障礙時，小膠質細胞的代謝狀態出現改變，進而影響其對癲癇的調節作用。
3.4 線粒體自噬與少突膠質細胞
少突膠質細胞是由少突膠質前體細胞 （Oligodendrocyte precursor cells，OPCs）從生發區遷移到發育中的白質中，其主要功能是環繞軸突并形成髓鞘[69]，以促進神經傳導的快速跳躍式進行，并對神經元正常功能的維持起到重要作用[70]。Alam等[63]的研究揭示了小膠質細胞自噬在調節少突膠質細胞穩態和癲癇易感性方面具有較為關鍵的作用，抑制小膠質細胞的自噬會干擾中樞神經系統中少突膠質細胞的穩態，導致成熟少突膠質細胞密度增加、髓鞘蛋白水平升高以及Ranvier淋巴結大小增加[71]。
4 線粒體自噬在癲癇中的分子機制
4.1 mtDNA編碼異常
癲癇是一種長期的神經系統疾病，其特點通常表現為反復急性發作，在線粒體DNA基因突變的患者中，癲癇的發生率顯著增加[72]。線粒體損傷與所有形式的癲癇有關，包括遺傳性和特發性癲癇。臨床表型和線粒體損傷之間的聯系在海馬硬化中通過嚴重受損的復合體I活性得到強烈體現。海馬組織中報道的線粒體改變的另一個跡象是神經元中COX的缺乏，mtDNA的減少，以及體細胞mtDNA缺失的積累[33]。大多數與癲癇相關的致病性mtDNA突變位于線粒體tRNA基因。這些突變可以在不同程度上影響線粒體翻譯進而影響蛋白質的氨基酸組成[73]。線粒體編碼NADH：泛醌氧化還原酶核心亞基5和線粒體編碼NADH：泛醌氧化還原酶核心亞基2是受突變影響最嚴重的亞基，導致主要的復合物I缺乏[74，75]。
4.2 自噬相關蛋白表達異常
自噬相關蛋白是一類參與細胞內物質降解和再利用的重要分子，其中包括微管相關蛋白、ATG家族成員、LC3等。Han等[52]的研究采用自噬標記蛋白LC3B和線粒體標記物TOMM20檢測難治性顳葉癲癇（rTLE）患者海馬組織樣本中的自噬情況。通過抑制PINK1介導的線粒體自噬，有效地減少了癲癇發作，這一效果是通過抑制PGAM5表達實現的[76]。Zhang等[47]的研究表明，無鎂癲癇海馬神經元模型中的線粒體自噬水平顯著增加，即LC3A/B比值升高。慢病毒載體過表達FUNDC1增強了線粒體自噬，而敲低FUNDC1則削弱了線粒體自噬。Fang等[77]認為，抑制BCL2L13/LC3線粒體自噬途徑介導的線粒體自噬，減少癲癇發作，保護受損神經元，改善戊四氮 （Pentetrazol，PTZ） 誘導癲癇后的認知。此外，液泡蛋白分揀蛋白13D （Recombinant vacuolar protein sorting 13D，VPS13D） 通過影響線粒體動力學和自噬來調節癲癇發作，其具體表現為 LC3II/LC3I比值顯著降低，同時P62表達顯著增加，敲低VPS13D可減少癲癇發作潛伏期，增加癲癇發作頻率[78]。因此，自噬相關蛋白的表達異常可能與多種機制相關。研究這些蛋白及其調控網絡有助于揭示癲癇的病理機制，并為新治療方法的開發提供潛在靶點。
4.3 mTOR信號通路及其抑制劑雷帕霉素的調控
雷帕霉素抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian Target of rapamycin，mTOR）途徑已被用于靶向線粒體自噬，選擇性消除功能失調線粒體的過程[79]。雷帕霉素作為一種線粒體自噬誘導劑和mTOR抑制劑，具備早期干預癲癇進展的潛力，并可在晚期治療中降低已發生癲癇的小鼠的發作頻率[80]。mTORC1相對于mTORC2來說，它與癲癇的相關性最明顯，在蛋白質翻譯、核糖體生物發生和營養轉運的調節中起作用。在人類中，編碼mTORC1自噬抑制劑的基因突變與增加癲癇易感性相關聯[81]。在海人酸和匹羅卡品誘導的癲癇持續狀態后，mTOR被急性和慢性激活。這種激活在海馬體和其他皮層區域非常突出[82]。通過mTOR通路和神經炎癥過程的信號傳導已被證明在慢性癲癇的發展中發揮重要作用，許多臨床前研究發現，停止雷帕霉素治療與癲癇發作的再次發生有關，并且治療的時機對癲癇引起的腦損傷有不同的影響[83]。
4.4 神經毒性
神經毒性導致的線粒體自噬也與癲癇發作有關[84]，如谷氨酸等可興奮的毒性物質作用于突觸后末梢，增加其去極化，導致突觸間隙持續流入，線粒體損傷和線粒體自噬反應阻斷[85]。癲癇的特點是γ-氨基丁酸-谷氨酸-谷氨酰胺循環紊亂，該循環調節了神經元釋放化學遞質的機制，并被星形膠質細胞作為支持細胞吸收[86]。與癲癇相關的變化包括細胞外谷氨酸水平升高、星形膠質細胞中谷氨酰胺合成酶活性喪失以及谷氨酰胺酶和谷氨酸脫氫酶的改變[87]。重要的是，線粒體自噬在被正確觸發時，其下游可能仍存在缺陷，導致自噬流程異常，進而引起自噬體的積累[88]。此外，有學者提出線粒體自噬受損可能與抑制溶酶體功能和蛋白質隔離相關的ATP水平降低有關。由于各種癲癇細胞模型顯示輔酶Q10 缺乏，因此補充輔酶Q10已被用作緩解病理生理破壞的治療方法。重要的是，輔酶Q10補充已被證明通過激活AMPK來增強線粒體自噬通量，AMPK反過來激活SIRT1和PGC-1α，從而誘導代謝應激抵抗程序，包括誘導自噬[89]。
5 小結
綜上，線粒體自噬涉及到多種蛋白質、酶以及信號通路的參與并形成了一個高度有序且精密調控的網絡。線粒體自噬與癲癇的發生發展過程密切相關，目前一些研究表明，線粒體自噬的增加對于指導神經組織和細胞恢復具有保護作用，但目前仍不清楚線粒體自噬率的增減如何影響癲癇易感性。通過對癲癇發病機制進行深入研究，可以為難治性癲癇患者提供更個性化、更安全、更可行的治療方案。因此，進一步探索線粒體自噬與癲癇之間的關系可以為攻克難治性癲癇提供新的思路和治療手段。
利益沖突聲明 所有作者無利益沖突。
癲癇是一種常見的神經系統疾病，特征為腦部異常放電引起的反復發作性神經電生理異常及一些典型癥狀，如不同程度的意識喪失、大喊大叫以及肢體抽搐等癥狀[1，2]。癲癇作為一種慢性神經系統疾病，對患者及其家庭造成巨大的負擔，不僅影響了患者的日常生活質量和工作效能，還導致了嚴重的心理困擾和經濟壓力。在我國，癲癇對大約1 000萬的人口造成不同程度的影響，并且每年約有40～50萬的新增患者。通過合理的治療和管理，大部分癲癇患者能夠有效控制癲癇發作并恢復正常生活[3，4]。目前，癲癇的治療和研究在我國已取得很大進展，藥物治療是最常用、最有效的方法之一，對控制和減少癲癇發作有著顯著成效。然而，仍有30%的癲癇患者對藥物治療反應不佳，病情進展為難治性癲癇，并可能伴發嚴重的心理疾病或精神障礙[5，6]。因此，探索新的機制為尋找新的難治性癲癇藥物治療靶點具有極其重要的意義。
在癲癇的發生和發展過程中，神經元的異常放電是導致癲癇的主要原因，線粒體自噬功能也參與此過程。線粒體自噬是大自噬的一個分支，是一種細胞內重要的吞噬機制。線粒體自噬的主要功能是促進細胞內部的分解、清除老化或損傷的線粒體并合成新的線粒體。線粒體自噬的正常運轉有助于保持細胞健康狀態，并減少因老化或損傷引起的異常信號轉導。然而，由于應激、缺氧、代謝紊亂等原因影響了線粒體自噬功能的失衡可能會導致癲癇發生，這期間可產生有害活性氧（Reactive oxygen species，ROS）并引發神經元的功能異常或程序性死亡。因此，本文將詳細探討線粒體自噬在癲癇發病機制中的作用。
1 神經元中線粒體的作用
線粒體具有雙膜結構，參與廣泛的細胞活動，是各種細胞過程的能量中心。其主要功能包括三磷酸腺苷 （Adenosine triphosphate，ATP） 的產生、細胞內Ca2+信號傳導和ROS的產生[7]。神經元高度依賴線粒體功能來建立膜的興奮性，并執行復雜的神經遞質傳遞和突觸可塑性過程。線粒體是細胞內重要的細胞器，為神經元提供大量能量，并通過產生的能量持續驅動神經元活動。神經系統內的突觸傳遞是一個高耗能過程，受到Ca2+信號的嚴格調節[8]。線粒體非常適合為突觸功能提供能量和緩沖Ca2+，所以在突觸前和突觸后都有大量線粒體募集，使信號傳遞過程更高效[9]。在神經系統中，充足的能量供應對于實現高強度、高頻率信號轉導和信息處理至關重要。而線粒體通過氧化磷酸化反應將有機物轉換為ATP，并釋放出豐富的能量[10，11]。這些由線粒體提供的能量不僅滿足了神經元本身基礎代謝和功能運行所需，還支持著復雜而快速進行的神經干細胞分化、突觸傳遞、離子泵工作以及蛋白質合成等多個生理過程[12，13]。
2 線粒體自噬概述
2.1 線粒體自噬的過程
線粒體自噬（Mitophagy）是細胞內保護機制之一，通過將受損和功能異常的線粒體分解代謝來清除老化或損壞的線粒體以維持穩態和正常功能[14]。線粒體自噬是自噬的一種亞型，涉及對受損線粒體的溶酶體依賴性清除。然而，線粒體自噬會產生大量有害活性氧物質ROS，對細胞蛋白質和DNA造成嚴重損傷，并可能引發炎癥反應、代謝紊亂甚至程序性細胞死亡[15，16]。為了應對此情況，真核細胞通過啟動巨噬系統來分離并清除受損的線粒體[17，18]。當線粒體激活相關信號通路功能異常時，胞質內會形成一種特殊結構—自噬小體（Autophagosome）。這些自噬小體包裹住受損的線粒體，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體（Autolysosome）。具體來說，線粒體功能受到諸如缺氧、細胞衰老以及營養物質缺失等多種外部刺激的影響，這些刺激可導致線粒體膜電位的去極化，最終可能導致膜電位的完全消失[19]。為了維持細胞內環境的穩態，通過線粒體自噬可以有效地降解和清除受損或老化的線粒體。首先，在自噬小體包裹住受損線粒體后，所形成的囊泡能夠與其他健康部分迅速斷開連接，并進入到自噬溶酶體中進行降解。其次，在降解過程中釋放出來的營養物質可以再次被利用于新生代謝活動中。最后，在完成降解任務后重新生成新型健康完好的線粒體[20，21]。
2.2 線粒體自噬的分子機制
2.2.1 PINK1-Parkin介導的泛素依賴途徑
在線粒體自噬的過程中，PTEN誘導激酶1（PTEN induced putative kinase 1，PINK1）-Parkin介導的選擇性清除多余或受損線粒體的自噬通路被激活。 PINK1是一種線粒體激酶，可以保護線粒體免受損傷并維持線粒體穩態[22]。在線粒體應激狀態下，線粒體外膜易位酶（Translocase of outer mitochondrial membrane，TOMM）和線粒體內膜易位酶（Translocase of inner mitochondrial membrane，TIMM）復合物會阻止PINK1進入，從而使全長PINK1穩定在線粒體外膜，并被菱形內膜蛋白酶 （Presenilin associated rhomboid like，PARL） 切割[23]。高親和力的Parkin （Parkinson disease protein 2，PARK2） 與胞質E3泛素連接酶結合，然后從細胞基質中被募集到線粒體上，通過活化的PINK1在Ser65位點進行磷酸化[24]。Parkin募集之后，通過介導線粒體底物泛素化并誘導線粒體自噬。Parkin促進了泛素結合適配體p62的募集，使其能夠在自噬體中聚集形成聚集態，并將泛素化蛋白引導至其中[25]。此外，p62 （Sequestosome 1，SQSTM1） 還與LC3結合，推動連接泛素化，并在線粒體上介導其積累。組蛋白去乙酰化酶HDAC6也與泛素化底物相互作用，在Parkin轉位后富集于線粒體上參與線粒體自噬過程[26，27]。多項研究表明，在沒有線粒體膜電位的情況下，PINK1仍在線粒體上表達，并可以激活微管相關蛋白 1A/1B-輕鏈 3 （Microtubule-associated proteins 1A/1B light chain 3，LC3A/B） 介導的自噬[28]。LC3是自噬途徑的關鍵蛋白，通過蛋白水解裂解形成LC3I，然后脂化生成LC3II。LC3II是自噬體的標志物，在溶酶體中被降解;因此，LC3II周轉是自噬通量的一個指標[29，30]。PINK1和LC3是與線粒體運輸和自噬過程相關的蛋白質。具體來說，PINK1可以通過LC3II的形成和線粒體固定化來促進線粒體自噬的啟動。因此，PINK1和LC3在調節線粒體自噬中起著至關重要的作用。線粒體自噬依賴于PINK1和泛素連接酶Parkin。這一途徑已被證明是影響神經系統疾病的重要因素[23，31]。此外，自噬相關基因 （Autophagy-related genes，ATG） 家族、轉運蛋白等各類參與者的協同作用確保整個線粒體自噬過程順利進行[32]。PINK1表達顯著增加和Parkin轉錄的顯著降低是PINK1/Parkin依賴的線粒體自噬途徑發生異常的主要原因[33]。
2.2.2 BNIP3，NIX和FUNDC1等介導的受體依賴途徑
BCL2相互作用蛋白3 （BCL2 interacting protein 3，BNIP3）和NIP3樣蛋白X（NIP3-like protein X，NIX）是線粒體外膜相關的多功能蛋白。BNIP3在缺氧時調節線粒體自噬，而NIX在紅細胞譜系發育過程中是線粒體自噬所必需的。BNIP3和NIX可以觸發線粒體去極化，而線粒體去極化足以引起線粒體自噬[34，35]。BNIP3和NIX與自噬的誘導有關，并且存在幾種潛在的機制。首先，通過引起線粒體功能障礙，BNIP3或NIX可能增加ROS的產生，從而激活自噬[36]。其次，BNIP3或NIX與BCL2（或相關蛋白）結合的競爭可以將BECN1基因（Recombinant beclin 1，Beclin-1）從BCL2復合物中解放出來并激活自噬。NIX/BNIP3L氨基末端LIR基序與吞噬細胞或分離膜上的LC3相互作用，其轉錄在紅細胞發育過程中增強[37，38]。由于這一機制，NIX/BNIP3L可以在紅細胞中作為一種特殊的線粒體自噬受體，增加自噬機制向受損線粒體表面的募集[39]。當神經元處于應激狀態時，NIX/BNIP3L基因被激活。X三體綜合征相關蛋白（FUN14 domain-containing protein 1，FUNDC1）作為線粒體自噬受體，調節線粒體自噬[40]。與FUNDC1不同，NIX與LC3B的結合要弱得多，而LC3B的轉化與自噬囊泡水平升高有關，以應對自噬誘導的應激[41]。研究表明，在缺氧條件下，線粒體磷酸酶磷酸甘油酸突變酶家族成員5 （Phosphoglycerate mutase 5，PGAM5）會使FUNDC1去磷酸化以啟動線粒體自噬[42]。異位表達的FUNDC1誘導了與線粒體自噬密切相關蛋白LC3的顯著增加，FUNDC1的下調減少了LC3向線粒體的募集，防止了缺氧條件下線粒體的斷裂，從而降低了線粒體自噬的水平[43]。因此，BNIP3、NIX或FUNDC1的表達異常或功能失調，可能會影響線粒體自噬的效率，使受損線粒體無法及時清除，從而增加神經元異常放電的風險，進而導致癲癇。
3 癲癇中不同細胞的線粒體自噬
3.1 線粒體自噬與神經元
線粒體是神經元提供大量能量的重要細胞器，其可被吞噬和降解，從而導致神經元放電異常。損傷的線粒體在海馬區域異常的神經元中積聚，進而引發神經元退化或喪失，癲癇的發生與線粒體自噬功能的改變密切相關[44，45]。神經元依靠線粒體自噬反應來微調線粒體的數量并保持正常的能量代謝。在海人酸誘導的癲癇小鼠模型中，PGAM5的敲低抑制了線粒體自噬，減輕了癲癇發作，并提高了神經元的存活率[46]。FUNDC1蛋白可以緩解由于癲癇發作過程所誘導的海馬神經元線粒體自噬、細胞凋亡和氧化應激反應，其機制可能涉及對線粒體自噬調控的影響[47]。大量證據表明，氧化應激在癲癇發作引起的不同形式的神經元死亡中起著關鍵作用。在癲癇發生過程中，線粒體DNA （mtDNA）的氧化損傷可通過干擾線粒體堿基切除修復途徑而誘導神經元凋亡，進而增加癲癇易感性[48，49]。核因子-E2相關因子2 （Nuclear Factor erythroid 2-Related Factor 2，Nrf2）是調控癲癇中氧化應激和神經元線粒體自噬的重要因子，其過度表達能夠增強對Aβ毒性的神經保護作用。在癲癇發生的海馬中可能存在Nrf2無法有效應對氧化應激從而導致神經元功能障礙和/或丟失[50，51]。異常的自噬可導致氧化應激的積累，從而進一步產生ROS，這可能引發神經元死亡[52]。線粒體自噬可以通過去除受損和功能失調的線粒體來保護細胞免受氧化損傷，線粒體產生的ROS是病理性mtROS的重要來源。在小鼠模型中，神經元自噬活性的選擇性缺乏導致自發性癲癇發作[49，53]，這表明神經元自噬是中樞神經系統網絡的一部分，在維持神經元興奮性方面具有重要作用[54，55]。神經元自噬屬于巨自噬，其主要功能是吞噬清除受損的胞內異常蛋白或細胞器，使神經元內環境達到穩態，該過程是通過內質網膜包裹異常的蛋白質和細胞器等融合為自噬體，并與溶酶體結合形成自噬溶酶體，從而分解其內容物。神經元線粒體自噬屬于神經元自噬的一部分，其主要功能在于維持神經元內線粒體的數量和質量，使神經元中的線粒體保持健康，進而維持整個神經元的正常功能。
3.2 線粒體自噬與星形膠質細胞
星形膠質細胞是中樞神經系統中最豐富的膠質細胞，在維持神經的健康和功能方面起著至關重要的作用。星形膠質細胞與神經元密切合作，是突觸形成、維持突觸可塑性、維持血腦屏障完整性和清除突觸間隙過量神經遞質等重要過程的關鍵組成部分[56]。星形膠質細胞中的線粒體功能障礙與神經系統疾病的發展有關，包括阿爾茨海默病[57，58]、帕金森病[59，60]和癲癇[47，50]。反應性星形膠質增生是人類癲癇和動物模型中癲癇病灶的標志[61]。假馬齒莧相關的分子途徑可以感應功能失調的線粒體并通過自噬體選擇性降解，從而抑制星形膠質細胞的凋亡并維持線粒體生物發生以實現細胞穩態[62]。在癲癇發作后，星形膠質細胞可以通過線粒體自噬來修復神經元的損傷。然而，如果自噬過程失調，可能無法有效修復，使神經元更容易受損。因此，星形膠質細胞中的線粒體自噬對于控制癲癇和維持大腦穩態起著重要的作用。由于上述機制，異常的線粒體自噬可能會在癲癇的發展過程中產生負面影響。研究與星形膠質細胞有關的線粒體自噬將有助于進一步理解癲癇的病理機制，并可能為未來的治療策略提供新的思路。
3.3 線粒體自噬與小膠質細胞
小膠質細胞是中樞神經系統的主要常駐免疫細胞，在腦組織修復、神經發生和介導免疫反應中發揮重要作用。小膠質細胞主要通過沖擊神經元和星形膠質細胞在中樞神經系統的穩態中發揮關鍵作用。ATG7基因敲除造成小膠質細胞自噬缺陷的小鼠更容易發生癲癇發作，并發生嚴重的全身性癲癇發作導致死亡[63]。小膠質細胞介導的神經炎癥和線粒體自噬缺陷在延髓頭端腹外側區（Rostral ventrolateral medulla，RVLM）對應激性高血壓起著的關鍵作用[64]。線粒體自噬涉及小膠質細胞的激活、炎癥反應和存活[65，66]。線粒體自噬誘導劑線粒體酸5 （Mitochonic acid 5，MA-5） 先前研究已表明其具有降低神經炎癥的作用。小膠質細胞參與神經炎癥反應，線粒體自噬控制炎癥介質的產生和釋放。在癲癇中，神經炎癥反應可能會加劇病情，而線粒體自噬控制小膠質細胞的炎癥反應。炎癥導致線粒體質量下降，通過使用MA-5可以提高小膠質細胞線粒體的質量，并依賴于BNIP3的激活。這種改善能夠減少氧化應激水平和細胞能量代謝的損害[67]。在TSC1缺陷的小鼠中，mTOR的過度激活會導致小膠質細胞和星形膠質細胞過度增殖，吞噬活性增加，以及嚴重的自發性癲癇發作[68]。線粒體是氧化磷酸化的關鍵場所，也是氧化應激的主要來源。在癲癇過程中，氧化應激可能會破壞線粒體的功能，而線粒體自噬可以幫助清除損壞的線粒體，從而減少氧化應激對小膠質細胞的影響。線粒體自噬可以影響細胞內的能量代謝和代謝平衡，小膠質細胞活性和功能受到細胞代謝的調控。當線粒體自噬出現障礙時，小膠質細胞的代謝狀態出現改變，進而影響其對癲癇的調節作用。
3.4 線粒體自噬與少突膠質細胞
少突膠質細胞是由少突膠質前體細胞 （Oligodendrocyte precursor cells，OPCs）從生發區遷移到發育中的白質中，其主要功能是環繞軸突并形成髓鞘[69]，以促進神經傳導的快速跳躍式進行，并對神經元正常功能的維持起到重要作用[70]。Alam等[63]的研究揭示了小膠質細胞自噬在調節少突膠質細胞穩態和癲癇易感性方面具有較為關鍵的作用，抑制小膠質細胞的自噬會干擾中樞神經系統中少突膠質細胞的穩態，導致成熟少突膠質細胞密度增加、髓鞘蛋白水平升高以及Ranvier淋巴結大小增加[71]。
4 線粒體自噬在癲癇中的分子機制
4.1 mtDNA編碼異常
癲癇是一種長期的神經系統疾病，其特點通常表現為反復急性發作，在線粒體DNA基因突變的患者中，癲癇的發生率顯著增加[72]。線粒體損傷與所有形式的癲癇有關，包括遺傳性和特發性癲癇。臨床表型和線粒體損傷之間的聯系在海馬硬化中通過嚴重受損的復合體I活性得到強烈體現。海馬組織中報道的線粒體改變的另一個跡象是神經元中COX的缺乏，mtDNA的減少，以及體細胞mtDNA缺失的積累[33]。大多數與癲癇相關的致病性mtDNA突變位于線粒體tRNA基因。這些突變可以在不同程度上影響線粒體翻譯進而影響蛋白質的氨基酸組成[73]。線粒體編碼NADH：泛醌氧化還原酶核心亞基5和線粒體編碼NADH：泛醌氧化還原酶核心亞基2是受突變影響最嚴重的亞基，導致主要的復合物I缺乏[74，75]。
4.2 自噬相關蛋白表達異常
自噬相關蛋白是一類參與細胞內物質降解和再利用的重要分子，其中包括微管相關蛋白、ATG家族成員、LC3等。Han等[52]的研究采用自噬標記蛋白LC3B和線粒體標記物TOMM20檢測難治性顳葉癲癇（rTLE）患者海馬組織樣本中的自噬情況。通過抑制PINK1介導的線粒體自噬，有效地減少了癲癇發作，這一效果是通過抑制PGAM5表達實現的[76]。Zhang等[47]的研究表明，無鎂癲癇海馬神經元模型中的線粒體自噬水平顯著增加，即LC3A/B比值升高。慢病毒載體過表達FUNDC1增強了線粒體自噬，而敲低FUNDC1則削弱了線粒體自噬。Fang等[77]認為，抑制BCL2L13/LC3線粒體自噬途徑介導的線粒體自噬，減少癲癇發作，保護受損神經元，改善戊四氮 （Pentetrazol，PTZ） 誘導癲癇后的認知。此外，液泡蛋白分揀蛋白13D （Recombinant vacuolar protein sorting 13D，VPS13D） 通過影響線粒體動力學和自噬來調節癲癇發作，其具體表現為 LC3II/LC3I比值顯著降低，同時P62表達顯著增加，敲低VPS13D可減少癲癇發作潛伏期，增加癲癇發作頻率[78]。因此，自噬相關蛋白的表達異常可能與多種機制相關。研究這些蛋白及其調控網絡有助于揭示癲癇的病理機制，并為新治療方法的開發提供潛在靶點。
4.3 mTOR信號通路及其抑制劑雷帕霉素的調控
雷帕霉素抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian Target of rapamycin，mTOR）途徑已被用于靶向線粒體自噬，選擇性消除功能失調線粒體的過程[79]。雷帕霉素作為一種線粒體自噬誘導劑和mTOR抑制劑，具備早期干預癲癇進展的潛力，并可在晚期治療中降低已發生癲癇的小鼠的發作頻率[80]。mTORC1相對于mTORC2來說，它與癲癇的相關性最明顯，在蛋白質翻譯、核糖體生物發生和營養轉運的調節中起作用。在人類中，編碼mTORC1自噬抑制劑的基因突變與增加癲癇易感性相關聯[81]。在海人酸和匹羅卡品誘導的癲癇持續狀態后，mTOR被急性和慢性激活。這種激活在海馬體和其他皮層區域非常突出[82]。通過mTOR通路和神經炎癥過程的信號傳導已被證明在慢性癲癇的發展中發揮重要作用，許多臨床前研究發現，停止雷帕霉素治療與癲癇發作的再次發生有關，并且治療的時機對癲癇引起的腦損傷有不同的影響[83]。
4.4 神經毒性
神經毒性導致的線粒體自噬也與癲癇發作有關[84]，如谷氨酸等可興奮的毒性物質作用于突觸后末梢，增加其去極化，導致突觸間隙持續流入，線粒體損傷和線粒體自噬反應阻斷[85]。癲癇的特點是γ-氨基丁酸-谷氨酸-谷氨酰胺循環紊亂，該循環調節了神經元釋放化學遞質的機制，并被星形膠質細胞作為支持細胞吸收[86]。與癲癇相關的變化包括細胞外谷氨酸水平升高、星形膠質細胞中谷氨酰胺合成酶活性喪失以及谷氨酰胺酶和谷氨酸脫氫酶的改變[87]。重要的是，線粒體自噬在被正確觸發時，其下游可能仍存在缺陷，導致自噬流程異常，進而引起自噬體的積累[88]。此外，有學者提出線粒體自噬受損可能與抑制溶酶體功能和蛋白質隔離相關的ATP水平降低有關。由于各種癲癇細胞模型顯示輔酶Q10 缺乏，因此補充輔酶Q10已被用作緩解病理生理破壞的治療方法。重要的是，輔酶Q10補充已被證明通過激活AMPK來增強線粒體自噬通量，AMPK反過來激活SIRT1和PGC-1α，從而誘導代謝應激抵抗程序，包括誘導自噬[89]。
5 小結
綜上，線粒體自噬涉及到多種蛋白質、酶以及信號通路的參與并形成了一個高度有序且精密調控的網絡。線粒體自噬與癲癇的發生發展過程密切相關，目前一些研究表明，線粒體自噬的增加對于指導神經組織和細胞恢復具有保護作用，但目前仍不清楚線粒體自噬率的增減如何影響癲癇易感性。通過對癲癇發病機制進行深入研究，可以為難治性癲癇患者提供更個性化、更安全、更可行的治療方案。因此，進一步探索線粒體自噬與癲癇之間的關系可以為攻克難治性癲癇提供新的思路和治療手段。
利益沖突聲明 所有作者無利益沖突。