線粒體功能障礙與糖尿病血管并發(fā)癥關(guān)系研究進(jìn)展

白春昀，翁稚穎，肖創(chuàng)，賀源，劉偉軍，鄭昌博，陳晨，楊為民

昆明醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院暨云南省天然藥物藥理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500

2017年國際糖尿病聯(lián)盟發(fā)布的第八版全球糖尿病地圖顯示，目前全球有4.25億糖尿病患者，預(yù)計(jì)到2045年將會(huì)有近7億患者[1]。糖尿病的血管并發(fā)癥主要包括傷口愈合緩慢、糖尿病腎病、糖尿病心肌病、糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病腦病及糖尿病卒中等[2]，超過一半的糖尿病患者死亡或致殘為血管并發(fā)癥所致[3]。內(nèi)皮功能障礙是糖尿病血管并發(fā)癥防治的重要環(huán)節(jié)[4]，而線粒體功能障礙在糖尿病血管并發(fā)癥中發(fā)揮重要作用[5-6]，但目前對(duì)糖尿病及相關(guān)血管并發(fā)癥尚無較好的治療方案，因此，研究線粒體功能障礙如何影響糖尿病患者血管內(nèi)皮功能，對(duì)糖尿病及其血管并發(fā)癥的防治和藥物研發(fā)具有重要意義。本文主要綜述了線粒體功能障礙與糖尿病血管并發(fā)癥中的關(guān)系。

1 線粒體的結(jié)構(gòu)和生理功能

線粒體是由脂質(zhì)雙分子層膜結(jié)構(gòu)組成的封閉結(jié)構(gòu)，主要定位于大多數(shù)真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中[7]。線粒體從外到內(nèi)可分為外膜、膜間隙、內(nèi)膜及基質(zhì)。外膜是線粒體最外層的膜，表面光滑，小孔富集，主要功能是維持線粒體膜間隙，也是物質(zhì)進(jìn)出、交換的通道。膜間隙主要含有細(xì)胞色素C等可溶性酶及半胱氨酸蛋白酶(caspase)-3、caspase-9的前體以及輔助因子，其中的腺苷酸激酶可催化三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)分子末端磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)，生成二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)。內(nèi)膜的主要功能是維持線粒體形態(tài)、動(dòng)力學(xué)(分裂-融合的平衡)及形成ATP[8]?；|(zhì)含有豐富的可溶性蛋白膠狀物，有三羧酸循環(huán)相關(guān)酶，含DNA、RNA、核糖體等。

在生理狀態(tài)下，線粒體功能主要有3個(gè)方面：①合成ATP。參與能量代謝的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)后裂解成丙酮酸、脂肪酸進(jìn)入線粒體，在基質(zhì)內(nèi)可由脂肪酸β氧化成還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)及黃素腺嘌呤二核苷酸遞氫體(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)ADH2)；裂解成輔酶A(CoA)，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，也能產(chǎn)生NADH、H+或FADH2；以上反應(yīng)能為電子傳遞鏈提供電子，產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度。質(zhì)子通過線粒體ATP合酶回流，通過氧化呼吸鏈逐級(jí)傳遞，最終生成H2O2和CO2等終末產(chǎn)物，伴有能量的釋放，可使ADP氧化磷酸化生成ATP。②調(diào)控Ca2+的儲(chǔ)存及釋放。線粒體還可通過內(nèi)膜電化學(xué)梯度調(diào)節(jié)Ca2+的攝取、儲(chǔ)存及釋放以維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，同時(shí)Ca2+可調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)多種酶，其濃度會(huì)影響線粒體能量代謝[9]。③其他功能。線粒體通過Bax、caspase家族活化介導(dǎo)線粒體凋亡、線粒體自噬等多種生理病理過程，并參與細(xì)胞活動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。

在病理?xiàng)l件下，線粒體可出現(xiàn)功能障礙，具體表現(xiàn)為線粒體膜電位降低、ATP合成減少、胞內(nèi)Ca2+超載、線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔道(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)開放、ROS劇增、細(xì)胞色素C及凋亡誘導(dǎo)因子等釋放，caspase激活，引起相關(guān)信號(hào)通路介導(dǎo)細(xì)胞損傷，最后導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死甚至可能發(fā)生焦亡[10]。

2 糖尿病血管并發(fā)癥

2.1 主要特點(diǎn) 高血糖被認(rèn)為是糖尿病性血管疾病及其他并發(fā)癥的初始病因，長期高血糖可導(dǎo)致糖尿病及其并發(fā)癥，其中又以血管并發(fā)癥為主。糖尿病血管并發(fā)癥分為大血管并發(fā)癥及微血管并發(fā)癥，大血管并發(fā)癥包括糖尿病足、外周神經(jīng)病變等，微血管并發(fā)癥包括糖尿病性眼病、視網(wǎng)膜病變、白內(nèi)障、勃起功能障礙等[11-12]。內(nèi)皮功能障礙是糖尿病血管并發(fā)癥早期的關(guān)鍵病理生理步驟(圖1)[13]。內(nèi)皮細(xì)胞排列在血管腔內(nèi)，是血管內(nèi)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)各種分子向動(dòng)脈內(nèi)膜的運(yùn)輸，同時(shí)也產(chǎn)生不同的分子來調(diào)節(jié)血管功能。糖尿病患者的血糖異常可損害血管內(nèi)皮功能[14]，高血糖的糖毒性作用可導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞功能發(fā)生障礙，如一氧化氮(nitric oxide，NO)活性下降，黏附因子上調(diào)，活性氧(reactive oxygen species，ROS)增多等。盡管糖尿病血管內(nèi)皮功能的調(diào)節(jié)機(jī)制仍未完全闡明，但研究證實(shí)，線粒體功能紊亂在糖尿病血管疾病的早期發(fā)病機(jī)制及最終臨床表現(xiàn)中具有獨(dú)特的作用，內(nèi)皮線粒體在局部及全身水平上對(duì)調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮功能起關(guān)鍵作用[15-17]。有文獻(xiàn)報(bào)道，在離體血管中線粒體復(fù)合物1抑制劑魚藤酮可明顯損害乙酰膽堿對(duì)血管張力的內(nèi)皮依賴性調(diào)節(jié)作用[18]。另有研究證實(shí)，高血糖能夠激活線粒體介導(dǎo)的凋亡，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞死亡[19]，人微血管內(nèi)皮細(xì)胞暴露在高糖狀態(tài)24 h，線粒體的呼吸功能可受到抑制，從而證實(shí)高糖能夠造成線粒體功能障礙[18]。Paneni等[20]發(fā)現(xiàn)，高糖可促進(jìn)Pin1(參與

圖1 糖尿病血管并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制Fig.1 Pathogenesis of diabetic vascular complications

p66ShC及P53氧化蛋白的線粒體定位)表達(dá)，導(dǎo)致線粒功能紊亂與細(xì)胞色素C釋放，而敲除Pin1基因可使得糖尿病小鼠血管的內(nèi)皮依賴性舒張功能得到恢復(fù)，核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)、血管細(xì)胞黏附分子1(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)、細(xì)胞間黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)及單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1)的表達(dá)受到抑制，證實(shí)了線粒體與血管功能障礙存在一定關(guān)系。

2.2 線粒體功能障礙的影響 大量關(guān)于糖尿病發(fā)病機(jī)制的研究開始關(guān)注亞細(xì)胞器，尤其是近幾年線粒體及其功能的改變?cè)诖x性疾病、癌癥中的研究已成為熱點(diǎn)。線粒體在糖尿病及其各類血管并發(fā)癥中發(fā)揮重要作用，在錯(cuò)綜復(fù)雜的致病機(jī)制中均伴隨線粒體功能障礙。在糖尿病病理狀況下，ROS大量生成、NADPH導(dǎo)致的氧化應(yīng)激、促炎因子大量釋放導(dǎo)致炎癥反應(yīng)[21]。以上機(jī)制單一或相互作用致線粒體明顯腫脹、外膜破裂、線粒體DNA損傷、呼吸鏈抑制等造成能量代謝障礙，從而導(dǎo)致一系列相互作用的損傷過程，甚至是級(jí)聯(lián)放大損傷[22]。

2.2.1 線粒體氧化應(yīng)激 盡管ROS可以在多種信號(hào)級(jí)聯(lián)的多個(gè)細(xì)胞室中產(chǎn)生，但大多數(shù)的ROS是由線粒體能量代謝產(chǎn)生的。糖尿病的持續(xù)高血糖狀態(tài)可使ROS增加，而ROS大量生成可導(dǎo)致糖尿病的微血管及大血管并發(fā)癥[23-24]。高血糖可通過3種方式(引起呼吸鏈電子傳遞受阻、ROS暴發(fā)式產(chǎn)生、損傷抗氧化系統(tǒng))導(dǎo)致ROS相對(duì)增多，介導(dǎo)線粒體氧化應(yīng)激，損傷線粒體，引起線粒體功能障礙[25]。線粒體ROS的產(chǎn)生不僅減少了NO的生物利用度，還驅(qū)動(dòng)了線粒體誘導(dǎo)的凋亡[26]。但Merdzo等[27]發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠腦動(dòng)脈存在ROS生成增加的現(xiàn)象，但線粒體呼吸作用及蛋白水平維持正常，意味著可能存在相關(guān)的補(bǔ)償機(jī)制。另外，ROS積累及其介導(dǎo)的炎性反應(yīng)為糖尿病血管表型的主要特征[2,28]。Brownlee等[29]的“糖尿病并發(fā)癥的共同機(jī)制”學(xué)說認(rèn)為不管是糖尿病大血管還是微血管并發(fā)癥，氧化應(yīng)激為其共同的發(fā)病機(jī)制。高血糖引起線粒體內(nèi)超氧陰離子()生成過多，導(dǎo)致多元醇通路激活、氨基己糖途徑激活、蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)途徑活化、晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)形成，引起細(xì)胞功能紊亂，最終引起糖尿病血管病變，如糖尿病的大血管并發(fā)癥[21]。Ceriello等[30]提出“共同土壤學(xué)說”：糖尿病、胰島素抵抗及心血管疾病的共同發(fā)病基礎(chǔ)是氧化應(yīng)激。來源于線粒體的ROS激活誘導(dǎo)糖尿病并發(fā)癥，并與糖尿病血管病變的相關(guān)機(jī)制相互作用，加劇或放大ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激和(或)炎癥反應(yīng)。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高血糖可以刺激內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生ROS并增加NF-κB，激活PKC及AGEs[31-32]。這也佐證了高血糖導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS生成過量或清除功能受損從而引起了氧化應(yīng)激[25,33](圖2)。還有研究表明，高血糖通過活化還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)刺激下游的ROS大量生成，引起氧化應(yīng)激，最終增加罹患糖尿病血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[34]。有研究采用鏈脲佐菌素(STZ)建立糖尿病小鼠模型，引起ROS增多誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，使得M2型瞬時(shí)受體電位(transient receptor potential melastatin，TRPM2)及瞬時(shí)電位香草酸受體1(transient receptor potential vanilloid 1，TRPV1)過表達(dá)，導(dǎo)致Ca2+超載，出現(xiàn)神經(jīng)疼痛及海馬損傷，但給予褪黑素、硒后可有不同程度改善[35]。

圖2 氧化應(yīng)激介導(dǎo)的糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙Fig.2 Oxidative stress mediated vascular endothelial dysfunction in diabetes

2.2.2 線粒體鈣紊亂 線粒體Ca2+超載是線粒體功能障礙的主要原因。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲(chǔ)存Ca2+、線粒體攝取Ca2+，二者通過線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)膜及基質(zhì)共同維持細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)。線粒體膜電位增加Ca2+攝取，膜電位降低，線粒體Ca2+攝取減少、外流增加[36-37]，ROS、mPTP開放[38]，線粒體DNA損傷等造成線粒體Ca2+紊亂[39]。

線粒體Ca2+超載是糖尿病小鼠內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的原因之一。有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠的冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中Ca2+濃度明顯升高，導(dǎo)致糖尿病內(nèi)皮細(xì)胞ROS明顯升高[40]。線粒體Ca2+超載是高血糖期間線粒體誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因素，逆轉(zhuǎn)糖尿病小鼠冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞線粒體Ca2+水平可改善糖尿病冠狀動(dòng)脈微血管病變，表明預(yù)防線粒體Ca2+超載是減少糖尿病血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的潛在治療靶點(diǎn)[40-41]。線粒體Ca2+外通道蛋白及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白改變也是引起線粒體Ca2+超載的原因，如TRPV蛋白通道、Na+/Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白損傷引起線粒體Ca2+超載[42]。Ca2+紊亂導(dǎo)致糖尿病鼠的心功能發(fā)生障礙，引起鈣通道蛋白蘭尼堿受體(ryanodine receptors，RyR2)、心肌肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶(sarocplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA)、鈉鈣離子交換蛋白1(Na+/Ca2+exchanger，NCX1)隨糖尿病心肌病時(shí)間的延長而增加[43]。氧化應(yīng)激也可以通過增加鈣通道蛋白R(shí)yR2的氧化引起線粒體Ca2+紊亂[44]。再如G-蛋白偶聯(lián)受體或者受體絡(luò)氨酸激酶可引起Ca2+通道激活，Ca2+大量內(nèi)流，誘導(dǎo)糖尿病血管并發(fā)癥[45]。Gan等[46]研究發(fā)現(xiàn)，20(S)-原人參二醇可抑制細(xì)胞外Ca2+通過受體操縱鈣通道(receptor-operated calcium channels，ROCC)和電壓依賴性鈣通道(voltage-dependent calcium channels，VDCC)流入引起的血管收縮，同時(shí)使鈣激活性鉀通道開放，從而導(dǎo)致血管舒張。通過增加電壓依賴性陰離子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)的內(nèi)源性抑制劑己糖激酶2的表達(dá)，影響Ca2+/ROS水平，從而逆轉(zhuǎn)糖尿病大鼠的冠狀動(dòng)脈微血管病變[42]。

基于上述病理改變，一系列藥物的開發(fā)取得了較好進(jìn)展。如苦參堿可通過抑制RyR2減少Ca2+內(nèi)流，改善AGEs引起的糖尿病心肌病對(duì)心肌功能的影響[32]。糖尿病合并心肌缺血的小鼠通過活化Na+/Ca2+等交換器引起Ca2+超載，加劇糖尿病介導(dǎo)的心肌缺血[47]。

2.2.3 線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔道開放 mPTP開放可導(dǎo)致線粒體功能發(fā)生障礙，甚至細(xì)胞死亡。誘發(fā)線粒體mPTP開放的因素很多，如線粒體內(nèi)ATP減少、Ca2+超載、ROS產(chǎn)生、游離脂肪酸增多等，最重要的是氧化應(yīng)激及Ca2+超載[48-49]。糖尿病合并缺血時(shí)，VDAC等通道蛋白通透性增加，mPTP開放導(dǎo)致呼吸鏈復(fù)合物1-5釋放，大量H+回流；內(nèi)膜去極化導(dǎo)致電位劇增至140 mV，引起氧化磷酸化完全解偶聯(lián)，ATP合成受阻；基質(zhì)外流，谷胱甘肽耗竭，大量生成；線粒體腫脹，外膜破裂，釋放大量細(xì)胞色素C、ROS等，caspase-3成熟釋放引起線粒體途徑細(xì)胞凋亡[50-52]。

2.2.4 線粒體動(dòng)力學(xué)變化 在生理情況下，線粒體分裂及融合的平衡維持著線粒體的正常功能，修復(fù)受損的線粒體及阻止受損線粒體的過度自噬。但在病理?xiàng)l件下，線粒體分裂融合的平衡失調(diào)導(dǎo)致線粒體功能障礙。高糖通過上調(diào)分裂相關(guān)蛋白如線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白(dynamin-related protein 1，Drp1)及線粒體分裂蛋白(fission protein 1，F(xiàn)is1)，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體過度分裂，出現(xiàn)細(xì)胞凋亡及細(xì)胞周期停滯[53]。干預(yù)Fis1、Drp1在糖尿病血管并發(fā)癥引起的線粒體動(dòng)力學(xué)失衡中至關(guān)重要，可作為糖尿病血管并發(fā)癥線粒體功能障礙的干預(yù)靶點(diǎn)[54-55]。

細(xì)胞可根據(jù)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)及細(xì)胞外微環(huán)境刺激改變線粒體的分裂融合平衡。在細(xì)胞周期的G2/M期，線粒體分裂增加，以保證細(xì)胞分裂時(shí)子細(xì)胞之間的線粒體分離；分裂又能促進(jìn)細(xì)胞色素C釋放到胞質(zhì)內(nèi)，催化細(xì)胞內(nèi)源性凋亡(圖3)[56]。沉默Mfn1基因可下調(diào)線粒體對(duì)血管內(nèi)皮生長因子及蛋白激酶B依賴的內(nèi)皮NO合酶效應(yīng)，抑制線粒體融合后的血管生成[57]。線粒體的分裂融合還與線粒體膜電位相關(guān)，糖尿病應(yīng)激及高糖可通過降低線粒體膜電位導(dǎo)致的內(nèi)皮祖細(xì)胞凋亡[58]，而膜電位的丟失又會(huì)進(jìn)一步增加ROS的生成，加劇線粒體的功能障礙。

圖3 線粒體的分裂-融合Fig.3 Mitochondrial division-fusion

2.3 改善線粒體功能的治療作用 由于線粒體參與了不同疾病的發(fā)生，人們據(jù)此開發(fā)了潛在的治療藥物，其主要作用機(jī)制是防止氧化應(yīng)激、改善代謝功能、調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)、改善線粒體的生理狀態(tài)。近年來的研究多將胰島素生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)與線粒體的功能及氧化應(yīng)激聯(lián)系起來，用于改善線粒體的功能障礙。Puche等[59]發(fā)現(xiàn)，IGF-1的作用與線粒體保護(hù)密切相關(guān)，可使自由基產(chǎn)生、氧化損傷及細(xì)胞凋亡減少，同時(shí)增加ATP生成。經(jīng)IGF-1處理的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞表現(xiàn)為線粒體膜電位保守、線粒體細(xì)胞色素C釋放減少及caspase-3活性降低，而這些恰恰與糖尿病血管并發(fā)癥的生理病理機(jī)制相似。Sádaba等[60]提出，用小劑量IGF-1治療線粒體功能紊亂可能是恢復(fù)正常線粒體功能的一種有效方法。針對(duì)線粒體的分裂融合，可使用線粒體分裂抑制劑(Mdivi-1)改善2型糖尿病患者的動(dòng)脈內(nèi)皮舒張功能[61]。此外，在血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)導(dǎo)致的內(nèi)皮功能障礙中，Mdivi-1逆轉(zhuǎn)了AngⅡ的作用，保護(hù)了內(nèi)皮細(xì)胞，同時(shí)減少了ROS的產(chǎn)生[62]。在中藥開發(fā)方面，有研究報(bào)道，白藜蘆醇可改善血管功能，其機(jī)制是介導(dǎo)沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1，SITR1)激活調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1α)脫乙酰，從而改善線粒體的蛋白合成及生理功能[63]。另有研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇在抗糖尿病的多重作用中也可抑制Drp1介導(dǎo)的線粒體分裂[64]。

3 總 結(jié)

糖尿病及胰島素抵抗是最常見的代謝紊亂[65]。冠心病、卒中等心腦血管并發(fā)癥是糖尿病患者死亡的主要原因[22]。糖尿病合并心血管疾病患者的病死率約70%[66]。糖尿病發(fā)病機(jī)制復(fù)雜且不明確，線粒體功能障礙與糖尿病及其血管并發(fā)癥密切相關(guān)，線粒體導(dǎo)致的氧化應(yīng)激、Ca2+紊亂、mPTP開放等相互作用于不同的糖尿病血管并發(fā)癥。因此，積極尋找相關(guān)靶點(diǎn)的抑制劑或分子標(biāo)志物可以為臨床治療提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也是糖尿病及其血管并發(fā)癥新的研究方向。