1型糖尿病胰島β細(xì)胞不同死亡方式的研究進(jìn)展

張曉宇綜述 冷錦紅審校

近年來全球范圍內(nèi)糖尿病的患病率在逐年上升，最新流行病學(xué)調(diào)查顯示，預(yù)計(jì)到2040年全球糖尿病患病總?cè)藬?shù)將達(dá)到6.42億[1]。糖尿病分型中以1型和2型兩種較為常見，其中1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)占糖尿病總數(shù)的10%～15%[2]，它是一種在T淋巴細(xì)胞介導(dǎo)下，出現(xiàn)胰島β細(xì)胞損傷、胰島功能受損，導(dǎo)致胰島素分泌絕對(duì)不足的自身免疫性疾病。在T1DM發(fā)病機(jī)制中，有遺傳、飲食、環(huán)境等多種因素參與，但最終結(jié)局都與部分胰島β細(xì)胞的損傷或死亡這一基本機(jī)制相關(guān)[3]。

T1DM目前尚無確切有效的治療手段，臨床上大多以持續(xù)胰島素外源性補(bǔ)充作為終生治療手段，保護(hù)胰島β細(xì)胞免受各種形式介導(dǎo)下的細(xì)胞死亡為治療T1DM提供了新的思路[3]。已發(fā)現(xiàn)多種細(xì)胞死亡方式與T1DM的發(fā)病機(jī)制相關(guān)，如細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡、自噬、壞死、PARP-1依賴性細(xì)胞死亡等，現(xiàn)就當(dāng)前1型糖尿病發(fā)病機(jī)制中胰島β細(xì)胞不同細(xì)胞死亡方式的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞凋亡與T1DM

1972年，Kerr等[4]首次對(duì)細(xì)胞凋亡(apoptosis)這一不同于細(xì)胞壞死的細(xì)胞程序性死亡方式進(jìn)行了詳細(xì)描述，它是一種為了維持自身內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，在基因的調(diào)控下發(fā)生的主動(dòng)、有序的細(xì)胞死亡方式，特征是在凋亡過程中有凋亡小體的形成。

在T1DM中胰島β細(xì)胞的凋亡研究較為透徹，主要分為內(nèi)源性和外源性2種形式。內(nèi)源性凋亡，即通過線粒體途徑的細(xì)胞凋亡，是在多種微環(huán)境干擾下，如線粒體DNA(mtDNA)損傷、氧化應(yīng)激、生長(zhǎng)因子缺失、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激、缺氧等多種條件下，激活Bcl-2家族蛋白進(jìn)而發(fā)生的一種凋亡途徑。外源性細(xì)胞凋亡則主要通過激活腫瘤壞死因子超家族的細(xì)胞因子介導(dǎo)。

自殺相關(guān)因子(factor associated suicide，F(xiàn)as)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)同為T1DM中胰島β細(xì)胞外源性凋亡的重要因子[5]。TNF-α與細(xì)胞膜上的TNF受體結(jié)合，激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase)家族；Fas同屬于腫瘤壞死因子超家族，它是一種Ⅱ型跨膜蛋白，與Fas-L結(jié)合啟動(dòng)凋亡信號(hào)，通過Fas蛋白傳遞到與細(xì)胞死亡相關(guān)的適應(yīng)性蛋白。二者均能激活Caspase-8，引起下游Caspase-3、Caspase-6、Caspase-7激活[6]，使得胰島β細(xì)胞凋亡。在免疫應(yīng)答過程中，胰島自身抗原可以刺激淋巴細(xì)胞產(chǎn)生TNF-α，形成惡性循環(huán)，TNF-α在胰島β細(xì)胞壞死的過程也發(fā)揮著重要的作用，其與T1DM關(guān)系密不可分[7]。

De Franco等[8]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)as死亡受體通過涉及Caspase-8和Caspase-9的外在和內(nèi)在途徑觸發(fā)胰島β細(xì)胞凋亡。部分T1DM患者中存在Fas功能的遺傳缺陷現(xiàn)象，對(duì)Fas耐藥患者和Fas敏感患者進(jìn)行對(duì)照分析表明，F(xiàn)as耐藥患者病年齡低于Fas敏感患者。進(jìn)一步說明Fas功能缺陷與T1DM的外在和內(nèi)在途徑關(guān)系緊密，且關(guān)系到發(fā)病年齡與合并癥的產(chǎn)生。Malik等[9]在探討T1DM、氧化應(yīng)激與胃腸蠕動(dòng)、腸道菌群間關(guān)系時(shí)，將T1DM患者與正常患者進(jìn)行對(duì)照研究，發(fā)現(xiàn)T1DM組血漿中TNF-α顯著升高，側(cè)面印證了TNF-α在T1DM胰島β細(xì)胞凋亡過程中的核心位置。

促炎性細(xì)胞因子白介素-1β(IL-1β)是誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞內(nèi)源性凋亡與外源性凋亡的核心因子，IL-1β與低親和力的1型IL-1受體(IL-1 type I receptors，IL-1RT1)結(jié)合，激活MAPK信號(hào)通路中Ras-依賴性的Erk，導(dǎo)致核因子-κB(NF-κB)轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核中，激活胰島β細(xì)胞中誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(iNOS)基因轉(zhuǎn)錄，生成的NO則是誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞內(nèi)源性凋亡的關(guān)鍵物質(zhì)。NO與ROS結(jié)合，誘導(dǎo)線粒體膜釋放細(xì)胞色素C，激活Caspase-8以誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞外源性凋亡[10]。Taghian等[11]認(rèn)為NF-κB是通過暴露于IL-1β或IL-1β/IFN-γ，誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞被破壞的關(guān)鍵效應(yīng)物，所以通過熒光NIR-ODND技術(shù)使NF-κB水平可視化，以此來反映胰島β細(xì)胞水平。

2 細(xì)胞焦亡與T1DM

2000年，Brennan等[12]首次發(fā)現(xiàn)在Caspase-1介導(dǎo)下，存在著一種與細(xì)胞凋亡并不相同的細(xì)胞死亡方式，將其與細(xì)胞凋亡進(jìn)行了區(qū)分并命名為細(xì)胞焦亡(pyroptosis)。細(xì)胞焦亡是一種細(xì)胞在真菌、細(xì)菌、感染等條件下，出現(xiàn)細(xì)胞膜穿孔、細(xì)胞內(nèi)容物釋放，細(xì)胞的完整性被破壞的一種細(xì)胞程序性死亡方式。公認(rèn)的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑有2種[13-14]，第一種是在Caspase-1介導(dǎo)下，以NLRP3炎性通路為主要信號(hào)通路的經(jīng)典細(xì)胞焦亡途徑；第二種則是在Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11介導(dǎo)下的細(xì)胞焦亡途徑。這二者都需要炎性小體復(fù)合物首先感知病原信號(hào)，激活啟動(dòng)炎性反應(yīng)得以進(jìn)行。

T1DM發(fā)生過程中，細(xì)胞焦亡主要依賴于病原信號(hào)催動(dòng)激活NLRP3，形成炎性小體，活化Caspase-1形成促炎性因子，IL-18和IL-1β在細(xì)胞焦亡的過程中起著關(guān)鍵性作用[15]，它們被激活后啟動(dòng)炎性反應(yīng)，可以誘使更多的胰島β細(xì)胞發(fā)生損傷。

普遍認(rèn)為IL-1β可能是T1DM早期發(fā)展的生物標(biāo)志物[16]。同時(shí)有證據(jù)顯示[17]，T1DM患者單核細(xì)胞中Toll樣受體(TLR)和IL-1β均被上調(diào)，使其處于一種促炎性反應(yīng)狀態(tài)，在此狀態(tài)下NLRP3小體更易被激活，可能會(huì)使胰島β細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞焦亡現(xiàn)象，具體過程還有待探索。Carlos等[18]報(bào)道在應(yīng)用STZ誘導(dǎo)T1DM過程中， mDNA介導(dǎo)NLRP3激活，觸發(fā)Caspase-1依賴性IL-1β產(chǎn)生，并促成了病原性細(xì)胞應(yīng)答。Gao等[19]報(bào)道人參皂苷Rg1通過降低STZ誘導(dǎo)的T1DM小鼠血液中的IL-1β和IL-18水平，進(jìn)而降低ALT和AST表達(dá)，削弱STZ誘導(dǎo)的T1DM小鼠肝臟、胰腺中NLRP3，起到促進(jìn)胰島素分泌降低血糖的作用，側(cè)面印證了NLRP3、細(xì)胞焦亡與T1DM間的關(guān)系。

3 自噬與T1DM

自噬(autophagy)是一種通過溶酶體途徑降解細(xì)胞內(nèi)受損的胞質(zhì)、細(xì)胞器和蛋白質(zhì)聚集體和入侵的病原體，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行回收再循環(huán)的自體吞噬性細(xì)胞死亡方式[20]。

不同于其他細(xì)胞死亡方式，自噬對(duì)于胰島β細(xì)胞的作用利大于弊，適度的自噬對(duì)維持胰島β細(xì)胞的數(shù)量、正常形態(tài)結(jié)構(gòu)及正常功能具有很大的作用[21]。自噬可以延遲胰島β細(xì)胞的凋亡，同時(shí)可通過適應(yīng)性地減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)一步保護(hù)胰島β細(xì)胞，提升胰島β細(xì)胞的存活率[22]。但過度的自噬會(huì)導(dǎo)致胰島β細(xì)胞受損，甚至發(fā)生自噬依賴性細(xì)胞死亡。

自噬在T1DM發(fā)病過程中對(duì)胰島β細(xì)胞的作用，主要體現(xiàn)在誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生抗氧化反應(yīng)，減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，防止胰島β細(xì)胞凋亡，這是較為常見的對(duì)于胰島β細(xì)胞的保護(hù)作用。Wang等[23]發(fā)現(xiàn)維生素D可以誘導(dǎo)自噬，在STZ誘導(dǎo)形成的T1DM小鼠 ，經(jīng)維生素D的干預(yù)后自噬相關(guān)蛋白和Bcl-2蛋白均呈上升趨勢(shì)，印證了維生素D可以通過誘導(dǎo)自噬來抑制胰島β細(xì)胞凋亡，減少T1DM的發(fā)生率。有研究表明[24]，在T1DM發(fā)生過程中，細(xì)胞因子激活A(yù)MPK-ULK-1途徑，同時(shí)可以抑制mTORC1，并通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激依賴性方式刺激自噬活性。同時(shí)TNF-α、IL-6與IFN-γ等促炎性細(xì)胞因子會(huì)損害溶酶體功能，從根本上阻斷了自噬的發(fā)生，所以在T1DM過程中會(huì)加劇胰島β細(xì)胞凋亡。

在補(bǔ)體C3與自噬蛋白ATG16L1相互作用下，可以刺激自噬進(jìn)一步防止胰島β細(xì)胞死亡。同時(shí)在一些細(xì)胞因子的刺激下，可以降低溶酶體的活性，阻止自噬過程，也會(huì)導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡的發(fā)生[25]。

4 壞死性細(xì)胞死亡與T1DM

2003年Chan等[26]提出了程序性細(xì)胞壞死這一概念，不同于細(xì)胞凋亡和不受信號(hào)調(diào)節(jié)的細(xì)胞壞死，從形態(tài)學(xué)來看，程序性細(xì)胞壞死常常伴有細(xì)胞變圓、細(xì)胞質(zhì)腫脹、線粒體通透性改變、溶酶體膜破裂泄漏進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞裂解壞死。程序性細(xì)胞壞死還可根據(jù)其途徑不同，細(xì)分為壞死性凋亡、鐵死亡、線粒體通透性轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的壞死[mitochondrial permeability transition(MPT)-driven necrosis]、聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(poly-ADP ribose polymerase-1, PARP-1)依賴性細(xì)胞死亡(parthanatos)等。

在T1DM發(fā)病機(jī)制中，有相關(guān)報(bào)道表明，MPT驅(qū)動(dòng)的壞死和PARP-1依賴性細(xì)胞死亡與胰島β細(xì)胞死亡有密切關(guān)系[27]。T1DM過程中，MPT驅(qū)動(dòng)的壞死往往是由于嚴(yán)重氧化應(yīng)激、細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量超載、活性氧(ROS)等因素誘導(dǎo)，通過蛋白質(zhì)損傷、脂質(zhì)過氧化等過程，使線粒體損傷，這些因素導(dǎo)致細(xì)胞膜完整性與離子平衡喪失，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，使線粒體內(nèi)膜通透性增加，出現(xiàn)線粒體腫脹、破裂，減少ATP的產(chǎn)生，進(jìn)一步引起胰島β細(xì)胞壞死的發(fā)生[28]。Miki等[29]通過對(duì)T1DM患者供體的研究發(fā)現(xiàn)，將其分離出的胰島移植到STZ誘導(dǎo)的T1DM裸鼠體內(nèi)，胰島β細(xì)胞中過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的表達(dá)遠(yuǎn)低于胰島α細(xì)胞。提示胰島β細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激能力較差，易于發(fā)生凋亡、壞死的情況。

PARP-1依賴性的細(xì)胞死亡，是在DNA損傷反應(yīng)機(jī)制中特定成分PARP-1的超活化驅(qū)動(dòng)下發(fā)生的。PARP-1依賴性的細(xì)胞死亡也是對(duì)氧化應(yīng)激、缺氧、炎性反應(yīng)或低血糖的一種提示。近年來發(fā)現(xiàn)，在T1DM發(fā)生過程中，PARP-1依賴性的細(xì)胞死亡亦有一定作用。但具體機(jī)制尚不明確，有待更多的研究發(fā)掘。

5 小 結(jié)

綜上所述，1型糖尿病是一個(gè)機(jī)制復(fù)雜的自身免疫性疾病，其發(fā)病機(jī)制至今尚未徹底闡明，但在1型糖尿病發(fā)生和發(fā)展過程中，胰島β細(xì)胞的死亡都占據(jù)著至關(guān)重要的地位。胰島β細(xì)胞的死亡方式包括細(xì)胞凋亡、焦亡、自噬、壞死性細(xì)胞死亡等[30-32]。未來進(jìn)一步研究T1DM中胰島β細(xì)胞的不同死亡方式，明確其詳細(xì)機(jī)制，可能成為T1DM的全新治療靶點(diǎn)，為T1DM治療提供新的研究思路。