線粒體在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中的作用*

王近吳,范加維，戴小珍

1.成都醫(yī)學院 基礎醫(yī)學院(成都 610500)；2.成都醫(yī)學院 生物科學與技術(shù)學院(成都 610500)

隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活方式的改變，糖尿病發(fā)病率呈明顯上升趨勢。據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會(international diabetes federation，IDF)發(fā)布的最新數(shù)據(jù)[1]：2017年全球約4.25億成年人(20～79歲)患糖尿病，預計到2045年患者數(shù)將增加至6.29億。糖尿病已成為全球重大的慢性疾病，患病率持續(xù)增長，嚴重危害人類健康，成為世界性的公共衛(wèi)生難題。其中，糖尿病血管并發(fā)癥(diabetic vascular complications，DVC)是最常見、最嚴重的并發(fā)癥之一。

DVC以全身血管損害為特點，根據(jù)損傷所在部位，分為大血管并發(fā)癥(主要累及心臟、腦及四肢)、微血管并發(fā)癥(主要損傷眼睛、腎臟，還包含糖尿病神經(jīng)病變和糖尿病性功能障礙)[2]。與非糖尿病人群相比，糖尿病人群死亡率增加，下肢壞疽及截肢風險較正常人群高40倍，失明、腎衰、心血管病的發(fā)病率都大大增加[3]。臨床試驗[4]表明，強化血糖控制對大血管和終末器官微血管病的改善結(jié)果尚不滿意。而DVC的發(fā)病機理仍不清楚，因此，深入探討DVC的發(fā)生機制、尋求藥物干預，對于降低糖尿病致殘致死率，改善糖尿病患者預后具有深遠意義。

血管內(nèi)皮作為血管保護屏障，易感知到血液微環(huán)境變化，繼而引起內(nèi)皮功能穩(wěn)態(tài)改變，導致內(nèi)皮受損因素多樣且復雜，其中，外周循環(huán)高糖高脂環(huán)境導致的氧化應激損傷可能是糖尿病內(nèi)皮功能受損的主要原因[5]。線粒體是產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS )的重要場所，糖尿病導致線粒體功能障礙從而產(chǎn)生過量mtROS，過量mtROS在內(nèi)皮功能受損過程中起著關鍵作用[6]；所以改善線粒體功能是治療DVC的重要靶點。

1 內(nèi)皮功能受損與糖尿病血管并發(fā)癥

血管內(nèi)皮細胞是血管壁最內(nèi)側(cè)一層連續(xù)被覆于血管內(nèi)腔面的扁平多功能細胞。作為活躍的代謝及內(nèi)分泌器官，對血栓與止血、炎癥與免疫，以及血管再生都起著調(diào)節(jié)作用[7]。正常條件下，內(nèi)皮細胞可合成釋放多種生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)通過血液流動、營養(yǎng)物質(zhì)輸送、激活或抑制凝血蛋白、防止血栓形成和白細胞的滲出來維持體內(nèi)平衡。研究[8]發(fā)現(xiàn)，糖尿病血管并發(fā)癥患者中，一些內(nèi)皮、炎癥和促凝血生物標記物，如血管性血友病因子(von willebrand factor，vWF)、白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)、D-二聚體(Ddimer)和纖溶酶原激活物抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1 ，PAI-1)增加，指標的增加提示促凝血因子激活和內(nèi)皮功能受損。內(nèi)皮細胞合成分泌的多種活性物質(zhì)都參與了體內(nèi)病理生理過程[9]。其中，一氧化氮(nitrous oxide，NO) 和內(nèi)皮素(endothelin，ET-1)是血管內(nèi)皮細胞分泌的兩種重要因子[2,10]。NO 主要由內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelium-derived nitricoxide synthase，eNOS)催化產(chǎn)生， NO通過阻止血小板和白細胞與血管壁相互作用的分子信號，從而使血管免受內(nèi)源性損傷；它還能抑制血小板聚集、促凝血酶激活、組織氧化及炎癥。因此，內(nèi)皮依賴性NO介導的舒張功能受損是糖尿病患者內(nèi)皮功能障礙的指征[11]。糖尿病狀態(tài)下，eNOS 脫偶聯(lián)，NO 合成明顯減少，生成過多ROS 和過氧亞硝酸鹽，從而引起強烈的氧化應激反應，血管收縮劑前列腺素和ET-1的合成增加。高糖導致內(nèi)皮細胞修復能力受損，血管內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)被破壞，血管張力及血流動力學改變，凝血系統(tǒng)的激活導致血小板黏附聚集，血管通透性增加[10]；另外，各種血管內(nèi)皮細胞因子生成并表達，如內(nèi)皮生長因子、核轉(zhuǎn)錄因子、活化蛋白型纖溶酶原激活物抑制因子、血管黏附分子等，進一步加重了血管內(nèi)皮損傷[2,4,8]。同時激活的絲裂素活化蛋白激酶信號通路，促進血管內(nèi)皮細胞凋亡。內(nèi)皮受損使NO生物利用度降低，血管阻力增加[10]。最終引發(fā)了包括血管內(nèi)皮損傷、纖溶系統(tǒng)紊亂，糖尿病血管并發(fā)癥等病變，使局部組織供血障礙，缺血缺氧，引起組織壞死。

由此可見，內(nèi)皮功能障礙在糖尿病血管并發(fā)癥的初始和反復發(fā)作中起關鍵作用，因此，深入探討糖尿病內(nèi)皮損傷機制對于改善糖尿病血管并發(fā)癥的防治具有重要研究價值。

2 線粒體在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中的作用

線粒體功能障礙是糖尿病導致的內(nèi)皮功能損傷的早期事件[7]。線粒體是細胞內(nèi)數(shù)量最多的細胞器，由雙層膜狀結(jié)構(gòu)包裹，內(nèi)含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和遺傳信息物質(zhì)。其主要功能是氧化磷酸化，為細胞的生命活動提供能量。除了產(chǎn)生能量，線粒體還可通過突觸控制 Ca2+的儲存和釋放以維持細胞內(nèi) Ca2+濃度動態(tài)平衡[12]；此外，線粒體還參與了細胞基質(zhì)代謝、細胞凋亡、啟動信號轉(zhuǎn)導通路等多種活動[13-14]。

ROS 是體內(nèi)氧化應激的始發(fā)因素，而線粒體則為體內(nèi) ROS 來源的主要細胞器[15]。糖尿病環(huán)境下，機體由糖代謝主要轉(zhuǎn)換為脂代謝，使得體內(nèi)游離脂肪酸升高，引起線粒體分裂融合，使線粒體內(nèi)膜電位超極化，導致線粒體電子轉(zhuǎn)移鏈解偶聯(lián)，超氧化物生成增加。持續(xù)處于高糖環(huán)境會促使 mtROS 過度生成[16]，可進一步加重線粒體形態(tài)和功能損傷,從而引發(fā)細胞氧化應激損傷、細胞凋亡、炎癥等反應。接下來將重點歸納總結(jié)線粒體氧化應激、線粒體動力學、線粒體凋亡三方面在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中的作用。

2.1 線粒體氧化應激損傷

mtROS被認為是高血糖及其在血管、腎臟、神經(jīng)元和視網(wǎng)膜病理條件下的一種介質(zhì)。葡萄糖可直接刺激ROS的生成，使多種酶級聯(lián)反應激活，導致線粒體功能障礙，包括NADPH氧化酶激活、eNOS解耦聯(lián)和黃嘌呤氧化酶的刺激[2]。氧化應激和低度炎癥被認為是導致糖尿病及其并發(fā)癥的主要因素[10]。線粒體可通過有效的抗氧化系統(tǒng)(如超氧化物歧化酶和過氧化物酶)清除過量ROS。但隨著年齡增加或在病理狀態(tài)下，細胞抗氧化能力降低，ROS生成速度超過細胞清除速度，使得ROS 在細胞中積累，引起DNA突變，蛋白、脂質(zhì)過氧化以及線粒體膜通道開放，最終造成細胞損傷。所以ROS的產(chǎn)生和降解平衡對于維持細胞發(fā)揮正常生理功能非常重要。

糖尿病患者體內(nèi)的氧化應激狀態(tài)使血管病變概率大大提高，Giacco等[17]發(fā)現(xiàn)，高糖誘導超氧化物產(chǎn)生,隨后刺激其他途徑產(chǎn)生更多超氧化物發(fā)揮更強的損傷作用。細胞內(nèi)高水平ROS可破壞線粒體膜結(jié)構(gòu)，開放線粒體內(nèi)外膜交界處的滲透性轉(zhuǎn)換通道，造成線粒體跨膜電位下降，氧化磷酸化受阻，同時線粒體功能不斷受損,機體陷入氧化損傷的惡性循環(huán)[2]。通過抗氧化劑或過表達超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)及過氧化氫酶能夠預防組織細胞病變,間接證明了ROS在糖尿病并發(fā)癥中的重要作用。

2.2 線粒體動力學

線粒體存在于一個由細胞外營養(yǎng)水平和細胞內(nèi)能量需求所組成的動態(tài)網(wǎng)絡中，它可以不停地進行融合分裂，這種運動稱為線粒體動力學。線粒體對維持細胞功能有重要影響，動力學平衡紊亂會造成細胞能量代謝障礙、增殖與凋亡失衡和腫瘤等疾病[18]。線粒體融合(小到大)通過一種互補的形式來混合部分受損的線粒體內(nèi)容物以幫助緩解應激，而線粒體分裂(大到小)可產(chǎn)生新的線粒體。在高水平細胞應激狀態(tài)下促進受損傷的線粒體被移除從而控制線粒體質(zhì)量[18]。輕度營養(yǎng)缺乏將誘導線粒體融合，提高能量產(chǎn)生效率，以補償生長所需的能量，而重度營養(yǎng)缺乏則驅(qū)動線粒體分裂，促進細胞凋亡，為鄰近細胞保存能量。

線粒體分裂主要由線粒體動力相關蛋白(dynamin- related protein，Drp1)、線粒體分裂蛋白(mitochondrial fission protein，F(xiàn)is1) 和線粒體裂變因子(mitochondrial fission Factor，Mff )調(diào)節(jié)。其中，Drp1 存在于細胞質(zhì)中，是調(diào)節(jié)線粒體分裂的關鍵分子。當接收到分裂信號后，大量的 Drp1 從細胞質(zhì)中轉(zhuǎn)移到線粒體外膜，與定位在線粒體外膜上的 FIS1、MFF 結(jié)合，共同介導線粒體分裂。而線粒體融合主要是由融合蛋白絲裂素-1(mitofusin-1，MFN1), 絲裂素-2(mitofusin-2，MFN2) 和視神經(jīng)萎縮蛋白(optic atrophy，OPA-1)調(diào)控[19-20]。線粒體融合分裂失調(diào)與呼吸、神經(jīng)及內(nèi)分泌、癌癥以及代謝性系統(tǒng)疾病密切相關[18,21]，糖尿病腎病、糖尿病心肌病以及糖尿病血管病變中，均伴有線粒體的過度分裂。線粒體動力學失衡同時在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中起著重要作用。生理條件下，內(nèi)皮細胞線粒體融合、分裂處于動態(tài)平衡，而高糖條件下，內(nèi)皮細胞線粒體分裂加速，引起線粒體功能障礙，進一步導致內(nèi)皮細胞受損[22]。高糖高脂誘導Drp1表達活性增加，線粒體斷裂，ATP含量降低，胰島素介導的人骨骼肌葡萄糖攝取減少；通過抑制Drp1的活化能夠使線粒體分裂融合達到動態(tài)平衡，并改善內(nèi)皮細胞功能[23-25]。

2型糖尿病(type-2 diabetes, T2D)還與Mfn2的表達減少有關。小鼠肝臟和骨骼肌中Mfn2缺失會導致線粒體碎片化和許多代謝異常，包括葡萄糖不耐受和肝臟糖異生增強[26]；這說明Mfn2在肥胖、T2D相關胰島素信號和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中的重要調(diào)節(jié)作用。據(jù)報道[27]，Opa1也與糖尿病有關。Opa1在人脂肪細胞分化過程中從線粒體向脂滴轉(zhuǎn)移，它的缺乏會擾亂線粒體融合平衡，降低氧化磷酸化，增強脂肪酸氧化，降低能量消耗。此外，胰島素可增加心肌細胞中Opa1的水平，并促進線粒體融合，從而增強氧化磷酸化；而Opa1缺失則抑制ATP合成?？梢?，線粒體動力學相關蛋白在糖尿病等代謝性疾病中的調(diào)節(jié)作用和密切關系。

2.3 線粒體凋亡途徑

線粒體功能障礙通過多種機制引起細胞或器官損傷，包括減少細胞能量狀態(tài)并提高ROS含量。此外，線粒體損傷導致促凋亡因子釋放，進而引發(fā)細胞程序性死亡也是導致糖尿病血管內(nèi)皮損傷的重要原因。線粒體介導的內(nèi)皮細胞凋亡可通過DNA損傷、ROS、活性氮(reactive nitrogen species,RNS )、氧化磷酸化、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)應激等異常代謝途徑來激活[28]。高血糖誘導內(nèi)皮細胞凋亡，一方面是由于高糖對線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP )的負作用，當mPTP開放后，位于線粒體內(nèi)的細胞色素C(cytochrome,Cyt C )進入到細胞質(zhì)內(nèi)[29]。正常情況下Cyt C存在于線粒體內(nèi)部，當受到凋亡信號刺激，活化的Bcl-2蛋白家族調(diào)控Cyt C釋放[28]； 該蛋白從線粒體釋放到細胞胞質(zhì)，與Caspase-9酶原結(jié)合，分解并活化Caspase-9；激活的Caspase-9活化下游的Caspase-3，引起一系列Caspase級聯(lián)反應，分解DNA，最終誘發(fā)細胞凋亡[30]。另一方面，ROS誘導mPTP開放，引起線粒體腫大，造成線粒體損傷[28]。細胞凋亡與線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)降低有關，而MMP下降與mPTP的開放密切相關。慢性高血糖會引起氧化磷酸化轉(zhuǎn)變到糖酵解以及呼吸鏈異常，MMP下降，ATP合成減少，ATP/ADP比值降低[31]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放過多的鈣進入線粒體,DNA結(jié)合蛋白和異常的細胞內(nèi)級聯(lián)信號可通過抑制抗凋亡激酶或激活促凋亡激酶來誘導內(nèi)源性凋亡。

綜上所述，內(nèi)皮功能受損是糖尿病血管并發(fā)癥發(fā)生的重要原因之一，而線粒體功能障礙是導致內(nèi)皮受損的關鍵因素和早期事件。線粒體除作為細胞內(nèi)能量生成的關鍵細胞器，還參與了細胞基質(zhì)代謝、自由基生成、細胞凋亡、啟動信號轉(zhuǎn)導通路等多種細胞活動?；诮甑难芯堪l(fā)展，糖尿病導致線粒體功能障礙，線粒體內(nèi) ROS 水平升高、線粒體動力學失衡，從而引發(fā)內(nèi)皮細胞凋亡、氧化應激反應、炎性因子表達增加，最終導致內(nèi)皮受損。通過靶向改善線粒體功能，調(diào)節(jié)線粒體動力學平衡，抑制線粒體介導的凋亡途徑是治療糖尿病血管病變的重要策略。