膿毒癥是感染導致的全身炎癥反應綜合征（systemic inflammatory response syndrome，SIRS），是導致多臟器功能不全綜合征（MODS）的主要原因之一。在美國每年約有近百萬人患危及生命的膿毒癥，約有200 000患者死于膿毒癥，因此其是ICU主要死亡原因 ^［1］。致病菌感染導致的全身免疫系統反應引發了臟器功能不全和最終的死亡。膿毒癥導致的炎癥反應對預后至關重要，其可以從基礎水平影響細胞功能，如線粒體氧化磷酸化系統。現有文獻提示，線粒體氧化磷酸化系統是急性炎癥的首要作用部位。

動物實驗和臨床資料示膿毒癥導致機體ATP水平明顯下降。比較膿毒性休克患者肌肉組織中ATP/ADP比例，存活患者ATP水平明顯高于死亡患者 ^［2］。而鼠結腸結扎穿刺（CLP）膿毒癥模型提示，穿刺后24h和48h鼠骨骼肌和肝臟中ATP水平均明顯下降，而AMP水平升高 ^［3］。同樣，單次注射內毒素也提示注射后8h肝臟的ATP水平下降70%左右 ^［4］。但也有報道認為膿毒癥時細胞能量水平沒有明顯變化，可能是因為氧化磷酸化系統仍能支持細胞功能，或者是因為膿毒癥時整體代謝水平和能量利用水平下降 ^［5］。但膿毒癥時代謝的改變確實存在，包括乳酸水平的升高，提示糖酵解的增加可維持細胞能量代謝一段時間。

Kingsmore等運用代謝組學和蛋白組學方法分析了膿毒癥生存與死亡患者的血漿 ^［6］，研究顯示所有膿毒癥生存患者的蛋白組學與代謝組學沒有明顯區別，而且在感染肺炎球菌、金黃色葡萄球菌或大腸埃稀菌三種不同致病菌的患者中，代謝組學與蛋白組學也沒有顯著差異。但是膿毒癥生存患者與死亡患者之間存在明顯區別。膿毒癥死亡患者的與脂肪酸轉運相關的9種蛋白明顯下降，提示β氧化明顯缺陷。線粒體對脂肪酸攝取與利用障礙導致血漿酰基肉堿水平升高。并且糖酵解和異生也明顯不一樣，膿毒癥生存患者的枸櫞酸、蘋果酸、丙三醇、三磷酸甘油、磷酸鹽、生糖氨基酸和生酮氨基酸水平下降，而死亡患者的枸櫞酸、蘋果酸、丙酮酸、二羥丙酮、乳酸、磷酸鹽和生糖氨基酸明顯升高。由此說明膿毒癥死亡患者不能有效地通過有氧線粒體代謝產生能量。另有研究示膿毒癥患者骨骼肌的線粒體功能不全，但這與線粒體的合成代謝無關，因為蛋白合成與線粒體基因表達并不明顯改變 ^［7］。這些研究說明膿毒癥時細胞代謝改變，并且可影響多條代謝途徑，因此代謝酶可能在其中起重要作用。

現有資料顯示，直接增加膿毒癥患者的機體氧供并不能改善患者預后。小鼠CLP后6h的肌肉組織氧水平與對照組相似，但ATP水平卻明顯下降。因此，膿毒癥導致的是氧利用障礙，從而出現細胞病理性缺氧。因為細胞色素C氧化酶（COX）是細胞利用氧的最后受體，其可能在膿毒癥整個病程中功能會發生改變，為此Lee等提出炎癥信號通過酪氨酸氧化磷酸化抑制COX，使線粒體膜電位去極化，從而影響ATP的產生和最終的能量衰竭（圖31-1） ^［8］。與其他氧化磷酸化復合物一起，COX和細胞色素（Cytc）催化的反應產生能量，從而維持細胞功能。并且，Cytc在調節細胞生存和凋亡中起重要作用。由此，COX的氧化磷酸化可能是膿毒癥的病理基礎及治療靶點。

線粒體DNA，也稱其為單倍組（haplogroups）可能與膿毒癥的預后相關。線粒體單倍組是指相對小數量的線粒體DNA多態性，其可能與長壽、男性生殖能力、心肌病和神經退行性疾病等相關。英國研究示，歐洲人中單倍組H上攜帶更多雙倍體的人比其他單倍體的人更有可能從膿毒癥中生存下來 ^［9］。Lorente等研究發現JT單倍組的膿毒癥患者生存率高 ^［10］，這類患者在診斷為膿毒癥時血小板的COX的活性高14%，其COX蛋白水平較正常高51%；而在4天和8天后COX平均數量分別增加52%和49%。由此，作者認為血小板COX水平和血小板功能可能不是決定膿毒癥患者是否生存的決定因素，其可能反映了其他組織和器官的線粒體功能差異。目前對線粒體單倍組對功能影響的作用仍不明了。Gomez-Duran等運用胞質雜交技術研究同一細胞的不同單倍組線粒體的功能，結果示H單倍組線粒體的膜電位和COX活性要比Uk單倍組的高 ^［11］。由此推測，COX活性和數量可能可作為預測膿毒癥預后的血液標志物。在對C57BL/6和C3H/HeN小鼠的實驗中，通過用其他種系小鼠線粒體替代內源性線粒體的方法證實，線粒體的單倍組決定分離的心肌線粒體呼吸率、靜息膜電位和ROS水平 ^［12］。

急性炎癥可對氧化磷酸化產生短期和長期影響。早期研究觀察到鼠給予LPS后48h內，膈肌細胞電子轉運鏈（electron transport chain，ETC）復合物Ⅰ、Ⅱ和COX的mRNA和蛋白水平均下調，狀態3呼吸鏈功能下降48% ^［13］。在CLP膿毒癥休克模型中，鼠早期肝細胞線粒體即出現線粒體呼吸率和COX水平明顯下降 ^［14］。但是，研究示給予鼠5mg/kg LPS后導致內毒素休克早期和晚期，肝細胞線粒體ATP合成酶活性先升高后降低 ^［15］。這可能也解釋了給予小劑量LPS后鼠先出現高動力反應（心率增快，血壓輕度升高）后隨后出現低動力反應（休克）。CLP膿毒癥鼠的心肌線粒體COX水平在早期競爭性可逆性抑制，而晚期（48h）卻非競爭性不可逆抑制 ^［5］。

給予LPS膿毒癥實驗可使Toll樣受體4（TLR4）調節促炎因子大量釋放，如腫瘤壞死因子α（TNFα）。膿毒癥患者中死亡組的血TNFα水平明顯高于生存組，因此其被作為膿毒癥治療的靶點，動物實驗給予抗體中和TNFα可使膿毒癥存活率明顯升高 ^［16］。TNFα本身可使機體代謝發生改變，影響細胞有氧能量代謝水平，使乳酸產生增加。用分光光度法測得膿毒癥暴發時COX的最大速率（Vmax）下降38%，注射LPS后心肌細胞胞漿內細胞色素隨時間增加，同時伴有NFκB增加 ^［17］，說明細胞色素從線粒體內釋放出來，同時出現細胞凋亡。淋巴細胞線粒體中細胞色素的釋放可觸發細胞凋亡，同時因ETC中電子流中斷而使氧化磷酸化功能不全，從而影響機體免疫功能。有學者嘗試給CLP小鼠靜脈注射牛心肌細胞色素而恢復其心臟線粒體功能，研究示可減少細胞凋亡并降低膿毒癥小鼠的死亡率 ^［18］。由此說明，膿毒癥時氧化磷酸化功能下降導致線粒體功能不全，并使特定的細胞凋亡增加。用TNFα快速處理肝組織勻漿可使COX活性迅速下降60% ^［19］。純化TNFα預處理的牛COX，保留其氧化磷酸化作用，Western分析示其催化亞單位I的酪氨酸氧化磷酸化，進一步分析示是酪氨酸304（Tyr304）氧化磷酸化。必須指出，轉錄后改變影響的是氧化磷酸化復合物組成部分，而不是COX和細胞色素C。氧化磷酸化復合物含有200多個位點，對其大多數功能效應和信號通路目前仍未知 ^［20］。

最近有研究認為p38有絲分裂原激活的蛋白激酶和雙鏈RNA依賴性蛋白激酶決定了凋亡的范圍 ^［21］，同時在LPS膿毒癥模型中膈肌功能不全與Jun N端激酶（JNK）激活有關，抑制其作用可防止半胱天冬酶（caspase 8）激活和膈肌無力 ^［22］。應激狀態下，激活的JNK轉移到線粒體上，抑制線粒體呼吸并可通過一個通透性轉換孔的機制引導凋亡，使細胞色素等促凋亡因子釋放 ^［23］，抑制JNK轉移到線粒體上可保護線粒體完整和功能 ^［24］。JNK轉移到線粒體外膜可使丙酮酸脫氫酶磷酸化，導致酶抑制從而阻斷底物進入三羧酸循環和氧化磷酸化。

除了作用于線粒體酶的激酶，蛋白質的磷酸化也同樣是治療的潛在靶點。小鼠注射LPS導致心功能不全時，可激活蛋白磷酸激酶2A同時伴有線粒體鈣離子攝取能力的下降 ^［25］。蛋白磷酸激酶2A可調節線粒體的多種蛋白，其存在于心臟及大腦等多個器官中。蛋白磷酸激酶2A是由絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶組成A亞單位支架，另有催化C亞單位和一個調節B亞單位，其中B亞單位有多個異構體，如大腦特異性異構體Bβ2在受到神經毒性刺激時，可由胞漿轉移到線粒體膜，觸發其他三個N殘端導致線粒體分裂，從而引發凋亡。這一過程同時伴有活性氧（ROS）的產生。線粒體的PP2A也直接與細胞自溶相關，這與神經退化性疾病等一些疾病有關。這個蛋白可能在線粒體內也有存在，包括內膜和基質，從而對氧化磷酸化產生重要作用。盡管總體來說膿毒癥時蛋白降解增加，正常情況下線粒體蛋白循環較緩慢。鼠心臟和肝臟的一些COX亞單位平均分別需要17天和4天 ^［26］。與動物膿毒癥模型中蛋白水平在數小時后即出現改變不一樣，膿毒癥患者疾病持續多日后出現線粒體蛋白質降解，這與線粒體功能不全有重要關系。

膿毒癥時ROS多有增高，其導致組織損傷并觸發凋亡。因此，曾提出抗氧化物和基團清除劑治療膿毒癥，并在有些膿毒癥模型顯示出其有一定作用 ^［27］。最近提出將作用于線粒體ROS的清除劑作為膿毒癥治療靶點，如MitoQ、 SkQ1和MitoE等可以抑制ROS在線粒體復合管中積聚 ^［28］。ROS清除劑不僅有解毒的直接保護作用，其也可影響免疫細胞間的相互作用。如，SkQ1直接作用于線粒體葉綠醌底物，其也可影響CD8 ⁺T細胞、幼稚T細胞和記憶T細胞 ^［29］。線粒體產生的ROS可能作為信號分子與其他細胞器產生相互影響。這其中產生ROS的復合物Ⅲ可能在其中起重要作用，最近有文獻示復合物Ⅲ產生的ROS對T細胞激活是必需的 ^［30］。但體外培養中性粒細胞給予LPS刺激和復合物Ⅲ抑制物的研究示，ROS水平升高抑制產生TNFα和巨噬細胞炎性蛋白2（MIP-2）等細胞因子的炎癥反應 ^［31］。

線粒體產生ROS的另一途徑是p66shc通路。P66shc與氧化磷酸化密切相關，其從細胞色素C接收電子并將其轉送給氧，從而產生過氧化物。因為磷酸化觸發和調節細胞色素C，膿毒癥時其狀態的改變可能會影響其與P66shc的相互作用。另外，膿毒癥時ROS的總量主要取決于NADPH氧化酶相關的ROS產生 ^［32］。

炎癥信號可引發COX和其他線粒體呼吸鏈的組成部分磷酸化，從而抑制線粒體功能，使線粒體膜蛋白減少，能量代謝危機。已經開始嘗試一些以線粒體為目標的治療措施，包括線粒體物質（如肉毒堿、琥珀酸鹽和MgCl ₂-ATP），共分子（如輔酶Q和α-硫辛酸），抗氧化物和ROS清除劑（MitoQ、SkQ、苯基叔丁胺和N-半胱氨酸），以及膜穩定劑（環孢素A和裙黑激素） ^［33］。但針對作用于線粒體水平的抗炎效果可能更好。如合成的皮質醇激素地塞米松，其可影響Wnt/β-鏈蛋白、NFκB、MAPK/Erk和PI3K等信號通路，可部分改善CLP 24h后小鼠腎臟外髓部和皮質部的COX功能 ^［34］。但皮質醇激素治療膿毒癥患者并沒有觀察到可喜的結果。另外，已經確定非受體酪氨酸激酶Src和蛋白激酶Cε（PKCε）是COX的正調節物，其中Src不僅存在于細胞漿中，在線粒體內膜空間中也有。

總之，更好地理解氧化磷酸化的多方面調節因素有助于以后找到治療膿毒癥時無氧能量代謝激活的靶點。