脓毒症是感染导致的全身炎症反应综合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS），是导致多脏器功能不全综合征（MODS）的主要原因之一。在美国每年约有近百万人患危及生命的脓毒症，约有200 000患者死于脓毒症，因此其是ICU主要死亡原因 ^［1］。致病菌感染导致的全身免疫系统反应引发了脏器功能不全和最终的死亡。脓毒症导致的炎症反应对预后至关重要，其可以从基础水平影响细胞功能，如线粒体氧化磷酸化系统。现有文献提示，线粒体氧化磷酸化系统是急性炎症的首要作用部位。

动物实验和临床资料示脓毒症导致机体ATP水平明显下降。比较脓毒性休克患者肌肉组织中ATP/ADP比例，存活患者ATP水平明显高于死亡患者 ^［2］。而鼠结肠结扎穿刺（CLP）脓毒症模型提示，穿刺后24h和48h鼠骨骼肌和肝脏中ATP水平均明显下降，而AMP水平升高 ^［3］。同样，单次注射内毒素也提示注射后8h肝脏的ATP水平下降70%左右 ^［4］。但也有报道认为脓毒症时细胞能量水平没有明显变化，可能是因为氧化磷酸化系统仍能支持细胞功能，或者是因为脓毒症时整体代谢水平和能量利用水平下降 ^［5］。但脓毒症时代谢的改变确实存在，包括乳酸水平的升高，提示糖酵解的增加可维持细胞能量代谢一段时间。

Kingsmore等运用代谢组学和蛋白组学方法分析了脓毒症生存与死亡患者的血浆 ^［6］，研究显示所有脓毒症生存患者的蛋白组学与代谢组学没有明显区别，而且在感染肺炎球菌、金黄色葡萄球菌或大肠埃稀菌三种不同致病菌的患者中，代谢组学与蛋白组学也没有显著差异。但是脓毒症生存患者与死亡患者之间存在明显区别。脓毒症死亡患者的与脂肪酸转运相关的9种蛋白明显下降，提示β氧化明显缺陷。线粒体对脂肪酸摄取与利用障碍导致血浆酰基肉碱水平升高。并且糖酵解和异生也明显不一样，脓毒症生存患者的枸橼酸、苹果酸、丙三醇、三磷酸甘油、磷酸盐、生糖氨基酸和生酮氨基酸水平下降，而死亡患者的枸橼酸、苹果酸、丙酮酸、二羟丙酮、乳酸、磷酸盐和生糖氨基酸明显升高。由此说明脓毒症死亡患者不能有效地通过有氧线粒体代谢产生能量。另有研究示脓毒症患者骨骼肌的线粒体功能不全，但这与线粒体的合成代谢无关，因为蛋白合成与线粒体基因表达并不明显改变 ^［7］。这些研究说明脓毒症时细胞代谢改变，并且可影响多条代谢途径，因此代谢酶可能在其中起重要作用。

现有资料显示，直接增加脓毒症患者的机体氧供并不能改善患者预后。小鼠CLP后6h的肌肉组织氧水平与对照组相似，但ATP水平却明显下降。因此，脓毒症导致的是氧利用障碍，从而出现细胞病理性缺氧。因为细胞色素C氧化酶（COX）是细胞利用氧的最后受体，其可能在脓毒症整个病程中功能会发生改变，为此Lee等提出炎症信号通过酪氨酸氧化磷酸化抑制COX，使线粒体膜电位去极化，从而影响ATP的产生和最终的能量衰竭（图31-1） ^［8］。与其他氧化磷酸化复合物一起，COX和细胞色素（Cytc）催化的反应产生能量，从而维持细胞功能。并且，Cytc在调节细胞生存和凋亡中起重要作用。由此，COX的氧化磷酸化可能是脓毒症的病理基础及治疗靶点。

线粒体DNA，也称其为单倍组（haplogroups）可能与脓毒症的预后相关。线粒体单倍组是指相对小数量的线粒体DNA多态性，其可能与长寿、男性生殖能力、心肌病和神经退行性疾病等相关。英国研究示，欧洲人中单倍组H上携带更多双倍体的人比其他单倍体的人更有可能从脓毒症中生存下来 ^［9］。Lorente等研究发现JT单倍组的脓毒症患者生存率高 ^［10］，这类患者在诊断为脓毒症时血小板的COX的活性高14%，其COX蛋白水平较正常高51%；而在4天和8天后COX平均数量分别增加52%和49%。由此，作者认为血小板COX水平和血小板功能可能不是决定脓毒症患者是否生存的决定因素，其可能反映了其他组织和器官的线粒体功能差异。目前对线粒体单倍组对功能影响的作用仍不明了。Gomez-Duran等运用胞质杂交技术研究同一细胞的不同单倍组线粒体的功能，结果示H单倍组线粒体的膜电位和COX活性要比Uk单倍组的高 ^［11］。由此推测，COX活性和数量可能可作为预测脓毒症预后的血液标志物。在对C57BL/6和C3H/HeN小鼠的实验中，通过用其他种系小鼠线粒体替代内源性线粒体的方法证实，线粒体的单倍组决定分离的心肌线粒体呼吸率、静息膜电位和ROS水平 ^［12］。

急性炎症可对氧化磷酸化产生短期和长期影响。早期研究观察到鼠给予LPS后48h内，膈肌细胞电子转运链（electron transport chain，ETC）复合物Ⅰ、Ⅱ和COX的mRNA和蛋白水平均下调，状态3呼吸链功能下降48% ^［13］。在CLP脓毒症休克模型中，鼠早期肝细胞线粒体即出现线粒体呼吸率和COX水平明显下降 ^［14］。但是，研究示给予鼠5mg/kg LPS后导致内毒素休克早期和晚期，肝细胞线粒体ATP合成酶活性先升高后降低 ^［15］。这可能也解释了给予小剂量LPS后鼠先出现高动力反应（心率增快，血压轻度升高）后随后出现低动力反应（休克）。CLP脓毒症鼠的心肌线粒体COX水平在早期竞争性可逆性抑制，而晚期（48h）却非竞争性不可逆抑制 ^［5］。

给予LPS脓毒症实验可使Toll样受体4（TLR4）调节促炎因子大量释放，如肿瘤坏死因子α（TNFα）。脓毒症患者中死亡组的血TNFα水平明显高于生存组，因此其被作为脓毒症治疗的靶点，动物实验给予抗体中和TNFα可使脓毒症存活率明显升高 ^［16］。TNFα本身可使机体代谢发生改变，影响细胞有氧能量代谢水平，使乳酸产生增加。用分光光度法测得脓毒症暴发时COX的最大速率（Vmax）下降38%，注射LPS后心肌细胞胞浆内细胞色素随时间增加，同时伴有NFκB增加 ^［17］，说明细胞色素从线粒体内释放出来，同时出现细胞凋亡。淋巴细胞线粒体中细胞色素的释放可触发细胞凋亡，同时因ETC中电子流中断而使氧化磷酸化功能不全，从而影响机体免疫功能。有学者尝试给CLP小鼠静脉注射牛心肌细胞色素而恢复其心脏线粒体功能，研究示可减少细胞凋亡并降低脓毒症小鼠的死亡率 ^［18］。由此说明，脓毒症时氧化磷酸化功能下降导致线粒体功能不全，并使特定的细胞凋亡增加。用TNFα快速处理肝组织匀浆可使COX活性迅速下降60% ^［19］。纯化TNFα预处理的牛COX，保留其氧化磷酸化作用，Western分析示其催化亚单位I的酪氨酸氧化磷酸化，进一步分析示是酪氨酸304（Tyr304）氧化磷酸化。必须指出，转录后改变影响的是氧化磷酸化复合物组成部分，而不是COX和细胞色素C。氧化磷酸化复合物含有200多个位点，对其大多数功能效应和信号通路目前仍未知 ^［20］。

最近有研究认为p38有丝分裂原激活的蛋白激酶和双链RNA依赖性蛋白激酶决定了凋亡的范围 ^［21］，同时在LPS脓毒症模型中膈肌功能不全与Jun N端激酶（JNK）激活有关，抑制其作用可防止半胱天冬酶（caspase 8）激活和膈肌无力 ^［22］。应激状态下，激活的JNK转移到线粒体上，抑制线粒体呼吸并可通过一个通透性转换孔的机制引导凋亡，使细胞色素等促凋亡因子释放 ^［23］，抑制JNK转移到线粒体上可保护线粒体完整和功能 ^［24］。JNK转移到线粒体外膜可使丙酮酸脱氢酶磷酸化，导致酶抑制从而阻断底物进入三羧酸循环和氧化磷酸化。

除了作用于线粒体酶的激酶，蛋白质的磷酸化也同样是治疗的潜在靶点。小鼠注射LPS导致心功能不全时，可激活蛋白磷酸激酶2A同时伴有线粒体钙离子摄取能力的下降 ^［25］。蛋白磷酸激酶2A可调节线粒体的多种蛋白，其存在于心脏及大脑等多个器官中。蛋白磷酸激酶2A是由丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶组成A亚单位支架，另有催化C亚单位和一个调节B亚单位，其中B亚单位有多个异构体，如大脑特异性异构体Bβ2在受到神经毒性刺激时，可由胞浆转移到线粒体膜，触发其他三个N残端导致线粒体分裂，从而引发凋亡。这一过程同时伴有活性氧（ROS）的产生。线粒体的PP2A也直接与细胞自溶相关，这与神经退化性疾病等一些疾病有关。这个蛋白可能在线粒体内也有存在，包括内膜和基质，从而对氧化磷酸化产生重要作用。尽管总体来说脓毒症时蛋白降解增加，正常情况下线粒体蛋白循环较缓慢。鼠心脏和肝脏的一些COX亚单位平均分别需要17天和4天 ^［26］。与动物脓毒症模型中蛋白水平在数小时后即出现改变不一样，脓毒症患者疾病持续多日后出现线粒体蛋白质降解，这与线粒体功能不全有重要关系。

脓毒症时ROS多有增高，其导致组织损伤并触发凋亡。因此，曾提出抗氧化物和基团清除剂治疗脓毒症，并在有些脓毒症模型显示出其有一定作用 ^［27］。最近提出将作用于线粒体ROS的清除剂作为脓毒症治疗靶点，如MitoQ、 SkQ1和MitoE等可以抑制ROS在线粒体复合管中积聚 ^［28］。ROS清除剂不仅有解毒的直接保护作用，其也可影响免疫细胞间的相互作用。如，SkQ1直接作用于线粒体叶绿醌底物，其也可影响CD8 ⁺T细胞、幼稚T细胞和记忆T细胞 ^［29］。线粒体产生的ROS可能作为信号分子与其他细胞器产生相互影响。这其中产生ROS的复合物Ⅲ可能在其中起重要作用，最近有文献示复合物Ⅲ产生的ROS对T细胞激活是必需的 ^［30］。但体外培养中性粒细胞给予LPS刺激和复合物Ⅲ抑制物的研究示，ROS水平升高抑制产生TNFα和巨噬细胞炎性蛋白2（MIP-2）等细胞因子的炎症反应 ^［31］。

线粒体产生ROS的另一途径是p66shc通路。P66shc与氧化磷酸化密切相关，其从细胞色素C接收电子并将其转送给氧，从而产生过氧化物。因为磷酸化触发和调节细胞色素C，脓毒症时其状态的改变可能会影响其与P66shc的相互作用。另外，脓毒症时ROS的总量主要取决于NADPH氧化酶相关的ROS产生 ^［32］。

炎症信号可引发COX和其他线粒体呼吸链的组成部分磷酸化，从而抑制线粒体功能，使线粒体膜蛋白减少，能量代谢危机。已经开始尝试一些以线粒体为目标的治疗措施，包括线粒体物质（如肉毒碱、琥珀酸盐和MgCl ₂-ATP），共分子（如辅酶Q和α-硫辛酸），抗氧化物和ROS清除剂（MitoQ、SkQ、苯基叔丁胺和N-半胱氨酸），以及膜稳定剂（环孢素A和裙黑激素） ^［33］。但针对作用于线粒体水平的抗炎效果可能更好。如合成的皮质醇激素地塞米松，其可影响Wnt/β-链蛋白、NFκB、MAPK/Erk和PI3K等信号通路，可部分改善CLP 24h后小鼠肾脏外髓部和皮质部的COX功能 ^［34］。但皮质醇激素治疗脓毒症患者并没有观察到可喜的结果。另外，已经确定非受体酪氨酸激酶Src和蛋白激酶Cε（PKCε）是COX的正调节物，其中Src不仅存在于细胞浆中，在线粒体内膜空间中也有。

总之，更好地理解氧化磷酸化的多方面调节因素有助于以后找到治疗脓毒症时无氧能量代谢激活的靶点。