線粒體ATP敏感性鉀通道在糖尿病合并腦缺血損傷中作用的研究進(jìn)展

施寧華，韓江全，鄧才洪，何婧

缺血性腦卒中作為嚴(yán)重威脅人類健康的重大疾病，具有高發(fā)病率、致殘率、死亡率、復(fù)發(fā)率的特點(diǎn)，與心血管疾病及惡性腫瘤并稱為人類健康的三大殺手。糖尿病是腦梗死的重要危險(xiǎn)因素。近年來(lái)，我國(guó)糖尿病發(fā)病率呈“爆炸式”增長(zhǎng)，最新的糖尿病流行病學(xué)調(diào)查顯示，我國(guó)18歲以上成人糖尿病患病率為11.6%［1］。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者發(fā)生腦梗死的概率增高 1.8～6.0倍［2］，且腦損傷程度更重，預(yù)后不良［3］。因此，進(jìn)一步研究糖尿病加重腦缺血的機(jī)制，尋找對(duì)糖尿病合并腦缺血損傷具有干預(yù)作用的治療策略具有重要價(jià)值。線粒體ATP敏感性鉀通道（mitochondrial ATP-sensitive potassium channel，mitoKATP）受損可能是糖尿病加重腦缺血損傷的重要機(jī)制之一已逐漸被大家所認(rèn)同。本文主要針對(duì)mitoKATP的結(jié)構(gòu)及其在糖尿病合并腦缺血損傷中的作用作一綜述，旨在為糖尿病合并腦缺血的防治提供新思路、新方案。

1 MitoKATP的發(fā)現(xiàn)

1983 年 Noma［4］首次在豚鼠的心肌細(xì)胞上通過(guò)膜片鉗技術(shù)發(fā)現(xiàn)ATP敏感性鉀通道（ATP-sensitive K+channel，KATPchannel），不同于其他類型鉀通道的電生理學(xué)特性，該通道的開(kāi)放受細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP值的調(diào)節(jié)，正常生理?xiàng)l件下通道處于關(guān)閉狀態(tài)，缺氧時(shí)細(xì)胞內(nèi)ATP水平下降，通道打開(kāi)。1991年Inoue等［5］在大鼠的肝細(xì)胞線粒體內(nèi)膜上證實(shí)了mitoKATP的存在，該通道屬于內(nèi)向整流鉀通道家族一員。近年來(lái)不斷有研究證實(shí)，mitoKATP在心肌、腦梗死等缺血性疾病方面起到保護(hù)作用［6-7］，已成為缺血性心腦疾病一個(gè)重要的治療靶點(diǎn)。

2 MitoKATP的分子結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能

2.1 分子結(jié)構(gòu) KATPchannel是弱內(nèi)向整流鉀通道，由內(nèi)向整流鉀通道亞基（inwardly rectified potassium channel，Kirx）和ATP結(jié)合蛋白家族成員磺酰脲類受體（ATP-binding cassette，SURx）按1∶1比例相連，以四聚體模式構(gòu)成相對(duì)分子質(zhì)量約為950×103的異源性八聚體（Kirx/SURx）。此通道目前分為兩類：細(xì)胞膜 上 的 KATPchannel（sarcolemmal KATPchannel，sarcKATP）和 mitoKATP。KATPchannel亞型組成為 Kir6.x/SURx，Kir6.1和Kir6.2是mitoKATP具有代表性的2個(gè)亞基［8］。Kir亞基基本結(jié)構(gòu)由通過(guò)中間成孔區(qū)域（H5）連接起來(lái)的2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域（TM1和TM2）與氨基（NH2-）、羧基（COOH-）末端結(jié)構(gòu)域組成，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明mitoKATP通道C-和N-指向膜間隙空間，功能性的Kir通道是由4個(gè)這樣的亞基組成的四聚體復(fù)合物［9］。Kir6.x是mitoKATP成孔性亞基，決定K+選擇性內(nèi)向整流作用和單位電導(dǎo)系數(shù)，同時(shí)介導(dǎo)ATP對(duì)該通道的抑制作用。SURx含有 TMD0（TM1～5），TMD1（TM6～11）和TMD2（TM12～17）共17個(gè)跨膜區(qū)域，可結(jié)合并水解ATP。SURx目前分為SUR1、SUR2A、SUR2B三種類型。NDPs及藥理學(xué)試劑可以通過(guò)結(jié)合SUR刺激或抑制KATPchannel。SURx作為KATPchannel調(diào)節(jié)亞基，具體調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚。心臟和腦中的mitoKATP主要由Kir6.1、Kir6.2和SUR2A亞基組成［8］，目前關(guān)于mitoKATP的具體分子結(jié)構(gòu)尚不十分清楚［9］。

2.2 分子生物學(xué)功能 mitoKATP的正常作用主要是通過(guò)調(diào)整線粒體內(nèi)膜兩側(cè)K+濃度，進(jìn)而緩沖線粒體基質(zhì)體積和膜間隙的潛在波動(dòng)，保持能量代謝相關(guān)酶的活性，維持一定的跨膜電位，使ATP生成和轉(zhuǎn)運(yùn)達(dá)到細(xì)胞需求的最佳水平，將細(xì)胞代謝與細(xì)胞膜的電活性相耦聯(lián)來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。mitoKATP的開(kāi)關(guān)主要受線粒體膜間隙內(nèi)ATP/ADP值的影響，在Mg2+存在的情況下，ATP通過(guò)直接結(jié)合Kir6.x抑制通道活性，ADP通過(guò)與SUR的結(jié)合激活通道，同時(shí)也受到其他內(nèi)源性因素如過(guò)氧亞硝酸鹽、超氧化物陰離子和胞質(zhì)蛋白激酶Cε（PKCε）等的調(diào)控。另一方面，mitoKATP的開(kāi)關(guān)還受很多藥物的調(diào)控，二氮嗪是最常用的mitoKATP開(kāi)放劑，但因其非特異性效應(yīng)可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋復(fù)雜化，相比之下，BMS-191095作為mitoKATP激動(dòng)劑更具有特異性，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更明確。格列本脲和5-羥基癸酸（5-HD）是經(jīng)典的mitoKATP通道拮抗劑［10］。到目前為止，KATPchannel在心臟及腦缺血損傷時(shí)起到的保護(hù)作用，主要是通過(guò)sarcKATP還是mitoKATP尚存在許多爭(zhēng)議。

3 MitoKATP在腦缺血中的神經(jīng)保護(hù)作用

研究表明，藥物或缺血預(yù)處理激活心肌mitoKATP后，可減弱心肌缺血再灌注損傷［11］。Bajgar等［12］發(fā)現(xiàn)，相較于心臟，腦中mitoKATP是其7倍之多，說(shuō)明該通道在神經(jīng)元中有著重要作用。近年來(lái)，不斷有研究證實(shí)，很多藥物預(yù)處理或后處理對(duì)腦缺血損傷的保護(hù)機(jī)制與腦中mitoKATP激活有關(guān)。二氮嗪作為mitoKATP激動(dòng)劑可通過(guò)開(kāi)啟腦中mitoKATP，激活PKC途徑，保護(hù)線粒體功能，抑制細(xì)胞凋亡，減輕心肺復(fù)蘇后腦損傷［13］。七氟烷作為臨床常用的揮發(fā)性麻醉劑，在其預(yù)處理或后處理中，均能通過(guò)激活mitoKATP，減輕大鼠的腦缺血再灌注損傷［14-15］。新一代α2-腎上腺素能受體激動(dòng)劑右美托咪定，可通過(guò)開(kāi)啟大腦mitoKATP，促進(jìn)抗氧化應(yīng)激作用，減少嗜中性粒細(xì)胞的黏附及浸潤(rùn)，控制炎癥反應(yīng)，對(duì)腦缺血再灌注損傷大鼠起到神經(jīng)保護(hù)作用［16］。而mitoKATP阻滯劑［14］、飲食型肥胖［15］或糖尿?。?4］可影響mitoKATP功能，使上述神經(jīng)保護(hù)作用減弱。mitoKATP開(kāi)放在腦缺血中產(chǎn)生保護(hù)作用的確切機(jī)制尚不十分清楚，目前提出的可能機(jī)制有以下幾個(gè)方面。

3.1 平衡線粒體膜電位及調(diào)控細(xì)胞凋亡 線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）用來(lái)衡量線粒體功能已被廣泛應(yīng)用［17］，多種細(xì)胞在不同因子作用下發(fā)生凋亡時(shí)均伴有MMP下降，且發(fā)生在細(xì)胞凋亡早期病理變化之前，表明膜電位下降為凋亡的特異性改變。因此，如果能維持線粒體膜電位的穩(wěn)態(tài)，則有可能阻遏細(xì)胞凋亡。在神經(jīng)細(xì)胞缺血缺氧時(shí)，細(xì)胞離子濃度的失調(diào)及能量代謝相關(guān)酶活性被抑制，使線粒體氧化磷酸化反應(yīng)減慢，導(dǎo)致線粒體膜電位降低，引起細(xì)胞凋亡。有研究表明，缺血預(yù)處理誘導(dǎo)的線粒體去極化是由mitoKATP的激活所致［18］，在ATP濃度下降時(shí)，mitoKATP被激活，從而增加線粒體基質(zhì)中K+的攝取，減少細(xì)胞質(zhì)中不受控制的Ca2+內(nèi)流，消除線粒體內(nèi)膜的極化，平衡線粒體膜電位，抑制細(xì)胞凋亡，保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞功能。

3.2 調(diào)節(jié)Ca2+超載 組織細(xì)胞在缺血缺氧的情況下出現(xiàn)線粒體內(nèi)Ca2+過(guò)度聚集，進(jìn)而使線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeablity transition pore，MPTP）不可逆性開(kāi)放，引起MMP崩潰，ATP合成停

止，細(xì)胞色素C和促凋亡因子流出，超氧陰離子大量產(chǎn)生，導(dǎo)致線粒體基質(zhì)滲透壓升高，線粒體腫脹等諸多后果［19］。抑制MPTP開(kāi)放，可減輕腦缺血損傷［20］，而Ca2+超載是引起MPTP開(kāi)放的常見(jiàn)原因。Wu等［21］應(yīng)用分光光度法評(píng)估腦線粒體腫脹程度，并以此作為MPTP開(kāi)放的量度，證明了mitoKATP的開(kāi)放可減輕腦缺血再灌注損傷，可能與減弱線粒體內(nèi)Ca2+超載，抑制MPTP開(kāi)放有關(guān)。

3.3 調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激 線粒體是活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，低濃度的ROS可激活轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)細(xì)胞的增殖、活化，但瞬時(shí)或長(zhǎng)期過(guò)度升高的ROS可導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，特別是在機(jī)體代謝受損的情況下，可通過(guò)線粒體或非線粒體途徑致使細(xì)胞死亡［22］。Simerabet等［23］在缺血再灌注前72 h應(yīng)用立體定向裝置在皮質(zhì)區(qū)域灌注過(guò)氧化氫（H2O2）后，觀察到腦梗死體積減少，而H2O2誘導(dǎo)的這種神經(jīng)保護(hù)作用可被mitoKATP抑制劑消除；另外，在腦缺血再灌注期間，激活mitoKATP產(chǎn)生的神經(jīng)保護(hù)作用可被抗氧化劑所阻斷，該實(shí)驗(yàn)表明mitoKATP的開(kāi)放對(duì)腦缺血再灌注損傷具有神經(jīng)保護(hù)作用，而ROS在mitoKATP開(kāi)放的上游及下游均有參與。相關(guān)研究證實(shí)，腦缺血時(shí)積累的檸檬酸循環(huán)中間體琥珀酸鹽，在再灌注期間被琥珀酸脫氫酶迅速重新氧化，并通過(guò)線粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ的逆向電子轉(zhuǎn)運(yùn)（reverse electron transport，RET）使ROS廣泛生成，引起線粒體氧化損傷、基質(zhì)內(nèi)鈣超載、MPTP開(kāi)放等一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡［24］。RET的發(fā)生直接依賴線粒體膜電位，在腦缺血再灌注時(shí)，mitoKATP的開(kāi)放可穩(wěn)定線粒體膜電位，減弱RET作用，進(jìn)而抑制ROS的大量生成，減輕再灌注損傷［25］。3.4 改善血管功能 神經(jīng)血管單元是血管和實(shí)質(zhì)細(xì)胞組成的綜合系統(tǒng)，在一定的環(huán)境中相互作用，使血液流動(dòng)和代謝需求相匹配，維持腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)。缺氧缺血性應(yīng)激后，mitoKATP開(kāi)放使線粒體去極化，短暫增加蛋白激酶活性和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣水平，保護(hù)腦血管內(nèi)皮，促進(jìn)腦動(dòng)脈舒張，改善卒中患者血管功能障礙和減輕腦損傷［10，26］。

4 MitoKATP與糖尿病合并腦缺血

研究表明，糖尿病可增加缺血性卒中發(fā)生率及引發(fā)卒中后功能恢復(fù)不良［27］，與正常血糖大鼠相比，糖尿病大鼠腦缺血后梗死體積顯著增加［28-29］。高血糖可引起血管損傷、炎癥反應(yīng)加劇、線粒體功能障礙［30-31］，導(dǎo)致ROS過(guò)度生成，增加氧化應(yīng)激和基質(zhì)金屬蛋白酶-9（MMP-9）活性，加重腦缺血/再灌注損傷后的血腦屏障功能障礙及腦水腫形成［32］，同時(shí)誘發(fā)和加重卒中后腦白質(zhì)損傷［33］。糖尿病加重腦缺血損傷是一個(gè)復(fù)雜的惡性級(jí)聯(lián)過(guò)程，確切的機(jī)制尚不十分清楚。

糖尿病為慢性代謝性疾病，高血糖對(duì)全身各種組織均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的損害，線粒體功能亦受到影響。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，糖尿病或高糖血癥會(huì)減弱mitoKATP的活化［34］及降低mitoKATP的功能［35］。在胰島素抵抗肥胖大鼠中，mitoKATP被抑制，消除了缺血預(yù)處理和二氮嗪對(duì)心肌缺血再灌注損傷產(chǎn)生的保護(hù)作用［36］。最新在糖尿病合并腦缺血大鼠模型中的研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病加重腦缺血損傷并使七氟烷后處理產(chǎn)生的神經(jīng)保護(hù)作用失效，可能是由腦中mitoKATP受損所引起，而應(yīng)用胰島素控制血糖，調(diào)節(jié)腦中mitoKATP功能后，可減輕腦缺血損傷并恢復(fù)七氟烷對(duì)腦缺血損傷的神經(jīng)保護(hù)作用［14］。以上均表明，mitoKATP在糖尿病加重腦缺血損傷中起到至關(guān)重要的作用。

5 展望

目前關(guān)于糖尿病合并腦缺血最有效的就是降糖和溶栓治療，但溶栓用藥時(shí)機(jī)受限且預(yù)后不良。mitoKATP激活啟動(dòng)不同的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)在腦缺血再灌注損傷的發(fā)生和進(jìn)展中發(fā)揮有力的神經(jīng)保護(hù)作用，而糖尿病使mitoKATP啟動(dòng)的正常保護(hù)機(jī)制受損，因此，將mitoKATP作為一個(gè)新的治療靶點(diǎn)，通過(guò)激活mitoKATP進(jìn)而對(duì)糖尿病合并腦缺血發(fā)作前后產(chǎn)生保護(hù)作用，有望在防治糖尿病合并腦缺血方面取得一定進(jìn)展。