線粒體與糖尿病腎病足細胞損傷的研究進展

高崇婷 桂定坤 蘇 君 葉 丹

糖尿病(diabetes mellitus，DM)已成為我國慢性腎臟病的主要病因之一，其流行率高于腎小球腎炎導致的慢性腎臟病[1]。糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)是糖尿病的常見微血管并發(fā)癥，是終末期腎疾病 (end-stage renal disease，ESRD)的主要病因之一。腎臟結構和功能隨著糖尿病的進展逐漸損傷，最終出現(xiàn)難以逆轉的腎臟結構損傷和功能障礙，從而進展至ESRD。然而，目前臨床廣泛應用的降糖、調脂、控制血壓及阻斷腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)等治療措施并不能完全阻止疾病進展。缺乏早期、有效的干預措施是目前DN防治面臨的瓶頸問題。因此，深入DN進展的機制，從而尋找早期有效防治DN的新方法是目前迫切需要解決的關鍵科學問題之一。本文將對線粒體的結構和功能以及線粒體結構和功能損傷在DN進展中的作用機制進行綜述。

一、足細胞損傷與DN進展

研究認為，糖尿病腎病是典型的足細胞損傷性疾病，早期DN患者腎臟中足細胞數(shù)量有所減少，晚期患者足細胞數(shù)量則減少得更明顯[2]。近年來研究表明，足細胞損傷是啟動DN蛋白尿和腎小球硬化的關鍵因素[3]。足細胞是一種高度分化的終末期細胞，是構成腎小球濾過膜的最后一道屏障，因此當足細胞損傷時，腎小球濾過屏障受損，產(chǎn)生蛋白尿。蛋白尿與DN腎小球損傷的嚴重程度呈正相關。DN進展與足細胞的多種病理損傷途徑密切相關，足細胞凋亡是早期DN進展的重要機制之一，可由高糖能直接誘導[4]。此外，高糖還能降低足細胞與腎小球基膜之間的黏附力，足細胞脫落，使得腎小球基膜裸露，繼而加重DN進展[5]。足細胞上皮-間充質細胞轉分化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)是導致DN進展的另一重要機制，通過破壞腎小球濾過屏障，在DN的進展機制中發(fā)揮重要作用[6]。足細胞的這些病理損傷環(huán)節(jié)是導致DN進展的關鍵[7]。

二、線粒體的結構及生理功能

一切細胞維持正常的功能都與線粒體息息相關。線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，參與細胞的生長、分化、凋亡和細胞間的信息傳遞等過程。線粒體是高度動態(tài)變化的細胞器，處于不斷融合和分裂狀態(tài)。兩者保持的動態(tài)平衡對維持線粒體正常的形態(tài)、數(shù)量、分布和功能十分重要也與細胞的代謝、增殖、凋亡等各種功能密切相關。線粒體融合實現(xiàn)了線粒體間的協(xié)作、信號交流及能量傳遞，使線粒體DNA和線粒體基質蛋白通過網(wǎng)絡狀結構進行交換。通過適度的分裂，可產(chǎn)生形態(tài)、功能各異的細胞器并清除受損線粒體，從而發(fā)揮線粒體質量控制作用[8]。分裂異常導致線粒體破碎，導致細胞凋亡；而融合異常則會導致線粒體形態(tài)延長，產(chǎn)生過多的ROS，ATP合成減少，導致細胞損傷及凋亡。線粒體的融合與分裂需在多種蛋白質的精確調控下協(xié)同完成。線粒體間的融合依賴于一系列跨膜 GTP 酶，其中包括線粒體融合蛋白 1(mitofusin1，Mfn1)、線粒體融合蛋白2(Mfn2)和線粒體內膜的視神經(jīng)萎縮因子1(optic atrophy 1，OPA1)。其中Mfn1與Mfn2參與線粒體外膜的融合，OPA1則參與線粒體內膜的融合。線粒體分裂是線粒體的一種增殖過程，動力相關蛋白1(Drp1)和線粒體分裂蛋白1(Fis1)在調控線粒體分裂中起主要作用。Drp1存在于線粒體胞質中，分裂開始后，被線粒體外膜上的Fis1 所招募，轉位到線粒體外膜，圍繞線粒體分裂位點聚集形成特定結構，在 GTP 水解作用下實現(xiàn)線粒體的分裂，而后Drp1 返回胞質，維持線粒體融合和分裂的動態(tài)平衡。融合與分裂這種動態(tài)平衡被稱為線粒體動力學。線粒體動力學穩(wěn)定關系著鈣信號的調控、細胞膜電位的調節(jié)，也控制著細胞程序性死亡、細胞代謝與增殖，也參與細胞信號轉導，對細胞的存亡至關重要。線粒體動力學紊亂是多種代謝性疾病的發(fā)病機制，DN作為一種代謝性疾病，線粒體正常功能的維持在DN的慢性進展中發(fā)揮重要的作用[9]。

三、線粒體與DN足細胞損傷的研究進展

腎小球足細胞是DN進展的關鍵，足細胞多級足突結構和功能的特殊性使其成為高耗能細胞。因此，在足細胞足突和胞體中均存在大量線粒體，通過線粒體的氧化磷酸化來獲得生命所需的大部分能量以滿足能量和氧氣消耗。線粒體功能障礙在DN足細胞損傷中發(fā)揮重要作用[10]。線粒體功能障礙導致能量產(chǎn)生減少，會特異性破壞肌動蛋白和中間絲結構，導致足細胞結構損傷。肌動蛋白為主的足細胞骨架結構是足細胞發(fā)揮正常功能的基礎。線粒體可通過以下3種主要途徑導致足細胞損傷，從而加重DN的進展。

1.氧化應激途徑：線粒體是細胞有氧呼吸的主要場所，通過氧化磷酸化將ADP和無機磷酸合細胞代謝和維持功能所需的ATP，伴隨著NADH或FADH2遞氫遞電子的呼吸作用，活性氧(reactive oxygen species，ROS) 不斷產(chǎn)生。氧化反應是維持細胞生命所必需的過程，過度的氧化反應導致ROS在體內蓄積，從而產(chǎn)生氧化應激，引起的細胞、組織器官的損傷。線粒體ROS產(chǎn)物增加是糖尿病各種致病通路的一個關鍵始動因子。長期高血糖刺激導致腎組織糖基化反應增強，抗氧化應激功能減弱，高糖刺激下的高氧化應激水平引起體內ROS過度蓄積和氧自由基產(chǎn)生。ROS可啟動足細胞凋亡，誘導足細胞從腎小球基膜上脫落，隨著足細胞數(shù)目的減少，腎臟進一步損傷。同時，氧自由基可激活引起DN的4條經(jīng)典途徑，包括多元醇通路、蛋白激酶C(protein kinase C, PKC) 途徑、己糖胺旁路及晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)途徑。同時上述通路的產(chǎn)物通過氧化應激不斷形成和積累，在糖尿病中，這種下游通路之間的正反饋形成惡性循環(huán)[11]。過多的氧自由基導致腎小球濾過膜上的負電荷丟失，損傷腎小球的濾過屏障，也了加速DN的發(fā)生和發(fā)展。這些途徑的激活和相互作用，使腎小球濾過增加、基膜增厚，足細胞損傷從而加速DN的進展。因此，足細胞線粒體內ROS過度蓄積從而導致氧化應激，是DN進展的重要機制之一[12]。

2.內質網(wǎng)應激途徑：內質網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是細胞內重要的細胞器，含有大量的伴侶蛋白、糖基化酶以及氧化還原酶，負責蛋白質的合成、折疊、裝配、轉運等。內質網(wǎng)與線粒體之間存在內質網(wǎng)-線粒體聯(lián)接區(qū)域(mitochondrial associated membranes，MAMs)，MAMs結構中的功能蛋白可通過調節(jié)基礎代謝物或Ca2+的雙向供應，來調控線粒體的功能及細胞存亡[13,14]。已有研究表明線粒體氧化應激可導致內質網(wǎng)Ca2+內流障礙失常及足細胞凋亡[15]。許多因素如線粒體功能紊亂導致的細胞缺氧、氧化應激等均可導致內質網(wǎng)內穩(wěn)態(tài)失衡，形成內質網(wǎng)應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[16]。ERS在DN足細胞凋亡中發(fā)揮重要作用，抑制ERS可改善足細胞損傷[17]。由于MAMs的存在，使線粒體對ERs非常敏感，ERs可通過改變Ca2+等的轉移，實現(xiàn)與線粒體之間的信息傳遞，從而影響線粒體的功能[18]。適度的ERs狀態(tài)下，線粒體與內質網(wǎng)之間的相互作用為細胞能量代謝調節(jié)提供保障；過度的ERs將導致線粒體受損，從而使細胞凋亡[19]。過度的ERs與線粒體功能障礙交互作用，可形成惡性循環(huán)，從而誘導氧化應激和細胞凋亡。Bcl-2凋亡家族蛋白中的很多成員，如Bcl-2、Bax和Bak等均可在線粒體和內質網(wǎng)上同時存在。線粒體與內質網(wǎng)之間的Ca2+交換異?？蓪е戮€粒體內膜兩側膜電位變化，進而誘發(fā)線粒體內促凋亡因子釋放，如細胞色素C，細胞色素C從線粒體釋放至胞質，激活caspases，進而導致細胞凋亡[20]。由于足細胞是高度耗氧的細胞，其維持多級足突結構的正常功能，需消耗大量的能量和氧氣，因此對氧化應激敏感，更容易產(chǎn)生線粒體功能障礙，同時由于內質網(wǎng)-線粒體聯(lián)接區(qū)域的存在，兩者之間的交互作用共同促進了DN足細胞損傷[21]。

3.炎性反應途徑：炎癥(inflammation)是機體對抗病原微生物入侵的一種適應性反應，可以促進損傷細胞和組織的修復，并阻止其進一步損傷。近年來研究表明炎性反應是DN進展的重要病理機制[22]。

在炎性反應過程中，產(chǎn)生多種炎性介質，如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素1(IL-1)和白細胞介素6(IL-6)等。炎癥的發(fā)生、發(fā)展與線粒體功能密切相關，線粒體不僅可以作用于炎性介質，也可以調控固有免疫細胞中的炎性反應。同時，多種炎性介質還可以通過調節(jié)Drp1、Fis1、Mfn1/2與OPA1，影響線粒體的融合與分裂過程，從而改變線粒體的結構和功能[23]。氧化應激時，線粒體內增多的ROS誘導 Drp1 活化使線粒體分裂、片段化[24]；NO可通過調節(jié)Mfn2、Drp1影響線粒體融合和分裂的動態(tài)平衡；在不同細胞和組織中，白細胞介素(interleukin，IL)對線粒體的動力學起著不同的調節(jié)作用[25]。在胰島 β 細胞中促炎性反應細胞因子TNF-α可激活TNF-α/NF-κB/OPA1信號通路，活化 NF-κB 使線粒體融合蛋白 OPA1表達增加，從而加速線粒體的融合。此外，ERs還可通過增加炎性基因MCP-1 表達引起DN足細胞損傷?？傊?，炎性細胞因子不僅可以影響線粒體的融合與分裂，改變線粒體的功能和結構，還可以改變DN足細胞的生理狀態(tài)，與DN的發(fā)展密切相關。

四、展 望

綜上所述，線粒體是真核細胞內的重要細胞器，不僅是細胞能量的主要來源，還參與細胞的生長、分化、凋亡和細胞間的信息傳遞等過程。足細胞具有豐富的線粒體，線粒體在糖尿病腎病的進展中發(fā)揮著重要的作用。線粒體融合與分裂的動態(tài)平衡是影響線粒體功能的關鍵因素。而且，線粒體和內質網(wǎng)存在結構和功能上的緊密聯(lián)系，兩者之間的交互作用形成惡性循環(huán)，導致氧化應激、炎性反應及細胞凋亡，在DN足細胞損傷中起關鍵作用。因此，進一步探討線粒體結構及功能障礙在DN足細胞損傷中的具體作用機制，將為防治DN提供新的思路和方法。