細(xì)胞自噬與糖尿病微血管并發(fā)癥的關(guān)系研究進(jìn)展

楊佳惠, 莊淼, 王楊寧致, 蔡季平, 王曉露, 姚勇

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院 1. 眼科; 2. 臨床研究中心, 江蘇 無錫 214023)

糖尿病(diabetes mellitus,DM)及其并發(fā)癥的患病率近年來持續(xù)快速增長(zhǎng),對(duì)全球健康的不利影響不可忽視。高血糖是發(fā)生糖尿病微血管并發(fā)癥(diabetic microvascular complications,DMC)的主要危險(xiǎn)因素[1]。DMC是糖尿病最常見、最重要的慢性特異性并發(fā)癥,其典型病理特征是微循環(huán)障礙及微血管基底膜增厚。DMC多出現(xiàn)在微血管分布集中的部位,如視網(wǎng)膜、腎臟、神經(jīng)周圍等,引起糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy,DR)、糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)和糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN)等疾病[2]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)DMC的確切發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,近年來研究發(fā)現(xiàn),自噬功能紊亂和DMC之間有比較密切的關(guān)系,本文對(duì)該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 自噬

自噬是一種消除細(xì)胞內(nèi)受損細(xì)胞器和缺陷蛋白的溶酶體降解途徑,對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。自噬按照發(fā)生過程可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。巨自噬(以下稱為自噬)是最相關(guān)的途徑,涉及具有多個(gè)囊泡融合事件的復(fù)雜的自我降解過程[3],包括下列重要步驟:① Beclin-1/囊泡分類蛋白34(vacuolar protein sorting 34,Vps34)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和其他膜上響應(yīng)應(yīng)激信號(hào)通路控制囊泡的形成;② 自噬相關(guān)蛋白(autophagy-related protein,Atg)5、Atg12與Atg16L相互作用,囊泡多聚化;③ 微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein light chain 3,LC3)加工,自噬囊泡膜延伸,包裹待降解底物,形成自噬體;④ 自噬體與溶酶體融合,內(nèi)容物被酶降解[4]。這中間任何一環(huán)節(jié)受損都會(huì)導(dǎo)致自噬功能障礙。

在缺氧、高糖、生長(zhǎng)因子去除、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏或活性氧釋放增強(qiáng)等各種應(yīng)激條件下,自噬水平上調(diào),以適應(yīng)細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量增加的需求[5]。另一方面,在自噬過載時(shí)主要表現(xiàn)出對(duì)細(xì)胞、組織的損傷作用。因此,根據(jù)細(xì)胞微環(huán)境的變化、疾病進(jìn)展的階段和治療干預(yù)措施等不同,自噬可能發(fā)揮其雙重性效應(yīng),參與代謝、衰老、癌癥等疾病的進(jìn)展[6-8]。

2 自噬的調(diào)節(jié)

自噬受細(xì)胞中的重要信號(hào)途徑調(diào)節(jié),包括應(yīng)激信號(hào)激酶通過磷酸化B淋巴細(xì)胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)促進(jìn)Beclin-1與Vps34的相互作用,增加吞噬泡及自噬體形成,促進(jìn)自噬[9]。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是決定細(xì)胞自噬水平的中心信號(hào)分子,它是將代謝、生長(zhǎng)因子和能量信號(hào)整合到自噬水平的關(guān)鍵部分,通過抑制unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activating kinase 1,ULK1)復(fù)合物,在脂質(zhì)雙分子層形成自噬體的早期階段介導(dǎo)其對(duì)自噬的影響。當(dāng)饑餓、缺氧和細(xì)胞內(nèi)低ATP水平時(shí),5′-AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)被激活,降低Rheb(一種Ras樣的小GTPase)活性從而抑制mTOR活性,激活自噬;或者AMPK直接磷酸化激活ULK1復(fù)合物,繼而激活下游類磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphati-dylinositol-3-kinase,PI3K)復(fù)合體,募集多種自噬相關(guān)物質(zhì)。相反,當(dāng)營(yíng)養(yǎng)豐富或給予一些生長(zhǎng)因子信號(hào)可以通過胰島素受體及其他生長(zhǎng)因子受體來激活PI3K和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT),增加Rheb GTPase活性從而促進(jìn)mTOR活性,自噬被抑制[10-11]。

3 自噬與糖尿病

胰島β細(xì)胞專門用于分泌胰島素以響應(yīng)血糖濃度的變化,已經(jīng)證明自噬參與了受胰島素水平影響而自我調(diào)節(jié)的胰島β細(xì)胞以及肝臟和骨骼肌的病理生理學(xué)功能。在高糖環(huán)境下,胰島β細(xì)胞容易受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激影響,而自噬已被證明對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激具有保護(hù)作用并促進(jìn)線粒體更新,進(jìn)而使機(jī)體適應(yīng)高糖環(huán)境[12]。但當(dāng)自噬功能障礙時(shí),如Atg7基因缺陷小鼠表現(xiàn)出胰島β細(xì)胞退化、胰島素分泌減少和糖耐量受損[13]。在一項(xiàng)關(guān)于離體的人類胰腺的研究中,接觸棕櫚酸酯(一種代謝內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激源)可導(dǎo)致胰島β細(xì)胞凋亡增加和胰島素分泌減少,自噬誘導(dǎo)劑雷帕霉素治療可抵消,而在給予自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-Methyladenine,3-MA)或刀豆素-A處理后加劇[14]。因此,自噬通量的異?？赡軐?dǎo)致糖尿病進(jìn)展。

4 自噬對(duì)DMC的影響

4.1 自噬與DR

DR是糖尿病最常見和最嚴(yán)重的眼部并發(fā)癥,是導(dǎo)致工作年齡人群(20～74歲)可預(yù)防性失明的主要原因[15]。DR的主要特征是先出現(xiàn)微血管壁周細(xì)胞丟失,隨后發(fā)生微血管瘤、血-視網(wǎng)膜屏障破壞、血管滲漏,進(jìn)而無細(xì)胞毛細(xì)血管、新生血管形成,最終可引起玻璃體出血和牽拉性視網(wǎng)膜脫離,甚至失明[16]。目前認(rèn)為DR的發(fā)病機(jī)制是長(zhǎng)期高血糖導(dǎo)致多種生化途徑的異常調(diào)節(jié),如氧化應(yīng)激和自由基形成、晚期糖基化終產(chǎn)物的產(chǎn)生和自噬功能障礙等[5]。而DR時(shí),自噬水平降低,受損或老化的細(xì)胞器和缺陷蛋白質(zhì)等成分積累,進(jìn)一步加劇了視網(wǎng)膜的神經(jīng)和血管變性。

Wang等[17]的研究表明,鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘導(dǎo)的糖尿病小鼠視網(wǎng)膜中Beclin-1、Atg7和LC3-Ⅱ的表達(dá)較對(duì)照組減少;而用乙酰肝素酶抑制劑后,通過抑制mTOR通路而促進(jìn)自噬,可以抑制炎癥因子的分泌,減緩DR的進(jìn)展。在高糖處理的大鼠視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞中,黃連素通過激活A(yù)MPK信號(hào)通路增強(qiáng)自噬,從而減少高糖誘導(dǎo)的Müller細(xì)胞凋亡[18]。而用3-MA抑制自噬可顯著增加DR時(shí)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell,RGC)的凋亡[19]。Shi等[20]研究發(fā)現(xiàn),人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞株(retinal pigment epithelial cells,ARPE-19)暴露于高糖環(huán)境中,自噬體數(shù)量增加、LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)上調(diào)。而通過3-MA預(yù)處理抑制自噬作用,則促進(jìn)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體的形成及炎癥因子的分泌,促進(jìn)ARPE-19細(xì)胞的凋亡。Mao等[21]研究發(fā)現(xiàn),線粒體去乙?；窼irtuin 3(SIRT3)可以促進(jìn)自噬,進(jìn)而下調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和缺氧誘導(dǎo)因子1α的表達(dá)來抑制胰島素誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜新生血管形成。

另有研究表明,長(zhǎng)期高血糖會(huì)導(dǎo)致mTOR抑制,從而導(dǎo)致自噬失調(diào)。而用mTOR激活劑MHY1485阻斷自噬后,可以顯著挽救RGC凋亡[22]。同樣地,Wang等[23]發(fā)現(xiàn)一種編碼組蛋白H1.2蛋白的基因(HIST1H1C)敲除后顯著降低了基礎(chǔ)和高糖誘導(dǎo)的自噬,減輕了炎癥和細(xì)胞毒性。相反,HIST1H1C過表達(dá)導(dǎo)致自噬增加、神經(jīng)膠質(zhì)激活和神經(jīng)元丟失,這是DR早期發(fā)現(xiàn)的病理變化。這些發(fā)現(xiàn)表明,自噬的過度刺激與視網(wǎng)膜細(xì)胞死亡增加有關(guān),并參與了DR的進(jìn)展。Fu等[24]研究了自噬在DR中的這種雙重調(diào)節(jié)作用,結(jié)果表明較低濃度(50 mg/L)的高氧化糖化低密度脂蛋白(HOG-LDL)促進(jìn)自噬介導(dǎo)的人視網(wǎng)膜毛細(xì)血管周細(xì)胞存活,而較高濃度(200 mg/L)即嚴(yán)重壓力導(dǎo)致自噬介導(dǎo)的細(xì)胞死亡,隨著刺激水平的變化,自噬發(fā)揮著不同的作用。

糖尿病模型中自噬的調(diào)節(jié)作用隨著疾病的進(jìn)展而有所不同,結(jié)果取決于所分析的時(shí)間點(diǎn)。有研究[25]觀察到在STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中,視網(wǎng)膜LC3-Ⅱ表達(dá)的雙相性,其特征是與對(duì)照大鼠相比,LC3B在2個(gè)月大的糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中增加,而在4個(gè)月大的糖尿病大鼠視網(wǎng)膜中顯著減少。該實(shí)驗(yàn)中初始自噬水平的上調(diào)可能是對(duì)高血糖刺激適應(yīng)性調(diào)節(jié)的一部分。隨著糖尿病病程的延長(zhǎng),調(diào)節(jié)系統(tǒng)過載,自噬明顯減少,導(dǎo)致視網(wǎng)膜細(xì)胞的凋亡。

4.2 自噬與DN

DN在全球仍是導(dǎo)致終末期腎衰竭的主要原因。其特征包括腎小球基底膜增厚,足細(xì)胞受損,并伴有腎小管萎縮及蛋白尿。足細(xì)胞是構(gòu)成腎小球?yàn)V過屏障的重要部分,在維持腎功能方面高度專業(yè)化,是DN發(fā)展過程中至關(guān)重要的腎細(xì)胞。由于足細(xì)胞不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠薪z分裂過程,缺乏增殖能力,依靠自噬維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,因此具有較高的基礎(chǔ)自噬活性[26],而這種高水平的自噬不僅是腎臟在高糖下的一種保護(hù)機(jī)制,也是維持足細(xì)胞正常的結(jié)構(gòu)和功能所必需的,異常自噬被認(rèn)為是DN進(jìn)展為終末期腎病的重要催化劑[27]。大量的證據(jù)表明,mTOR是影響DN發(fā)展的最主要自噬負(fù)調(diào)節(jié)因子,Xiao等[28]也證明在糖尿病小鼠中,雷帕霉素通過抑制mTOR,增加足細(xì)胞LC3的表達(dá)和自噬水平,減少白蛋白排泄、足細(xì)胞足突融合、腎小球基底膜增厚和基質(zhì)堆積。腎小管間質(zhì)損害是DN進(jìn)展的重要標(biāo)志,近端腎小管上皮細(xì)胞(proximal tubule epithelial cell,PTEC)構(gòu)成腎小管間質(zhì)的主要部分,是血糖水平升高的重要靶點(diǎn)。在基礎(chǔ)條件下,與足細(xì)胞相比,PTEC在小鼠中的自噬水平通常較低[29]。然而,PTEC的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)消耗大量能量,使其更容易受到缺氧或能量剝奪。因此,維持正常的自噬水平可確保PTEC細(xì)胞在上述惡劣環(huán)境中的存活。與mTOR在足細(xì)胞中的作用類似的是,Kitada等[30]觀察到給予Wistar肥胖大鼠極低蛋白飲食可以抑制mTORC1通路,激活自噬,減輕腎臟炎癥,改善PTEC的線粒體形態(tài)和足細(xì)胞改變以及與之相關(guān)的細(xì)胞凋亡,減緩?fù)砥贒N的進(jìn)展。因此,大量蛋白尿的糖尿病患者足細(xì)胞和PTEC自噬不足,自噬受損又進(jìn)一步加劇了DN進(jìn)展,而恢復(fù)自噬過程可以減緩DN的進(jìn)展[31-32]。

當(dāng)然,自噬的正向調(diào)節(jié)因子如SIRT1和AMPK也能影響DN的發(fā)病機(jī)制。在DN中SIRT1的表達(dá)降低[33],天然多酚白藜蘆醇以及褪黑激素可通過激活SIRT1或AMPK-mTOR信號(hào)通路激活自噬,在DN中具有腎臟保護(hù)作用[34-35]。二甲雙胍也被證明對(duì)DN具有潛在的保護(hù)作用,Xu等[36]在糖尿病大鼠模型中發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK和SIRT1并抑制轉(zhuǎn)錄因子叉頭盒O1來減輕氧化應(yīng)激并增強(qiáng)自噬,從而緩解DN的發(fā)展過程。此外,用于治療2型糖尿病的新型藥物鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2抑制劑(如達(dá)格列凈、恩格列凈)也可激活SIRT1/AMPK,從而抑制AKT/mTOR信號(hào)傳導(dǎo)并調(diào)節(jié)自噬[37]。胰高血糖素樣肽-1受體激動(dòng)劑(如利拉魯肽、索馬魯肽)通過影響AMPK-mTOR信號(hào)通路正向調(diào)節(jié)自噬通量[38]。這兩類藥物還可通過降糖、利鈉、增加腎小球?yàn)V過率等方式,誘導(dǎo)多種有益的血流動(dòng)力學(xué)和代謝變化,這有助于減少氧化應(yīng)激和炎癥,促進(jìn)腎組織中自噬平衡的恢復(fù),延緩DN的進(jìn)展[31]。

4.3 自噬與DPN

糖尿病性神經(jīng)病變是一組臨床上多樣化的疾病,可以影響周圍神經(jīng)系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)。DPN是糖尿病神經(jīng)病變中最常見的形式,導(dǎo)致近30%的2型糖尿病患者出現(xiàn)疼痛、生活質(zhì)量下降、步態(tài)障礙和抑郁癥狀[39]。DPN患者的早期變化包括細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的積累、炎癥、神經(jīng)缺血、周圍神經(jīng)軸突變性和節(jié)段性脫髓鞘,這會(huì)導(dǎo)致感覺運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)延遲和不可逆的神經(jīng)損傷,繼而導(dǎo)致DPN的進(jìn)行性發(fā)展[40]。施萬細(xì)胞是周圍神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞,通過包裹無髓軸突以及分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子維持周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性,并修復(fù)受損神經(jīng)[41]。多項(xiàng)研究觀察到自噬在周圍神經(jīng)病理過程中的激活跡象,在軸突再生期間,自噬體廣泛出現(xiàn)在再生軸突和Bungner帶(受損神經(jīng)遠(yuǎn)端部位的再生軌道)中相關(guān)施萬細(xì)胞的胞質(zhì)中[42]。

基于自噬在神經(jīng)病變中的重要作用,很多研究圍繞調(diào)節(jié)自噬水平對(duì)DPN的作用。一方面,研究者觀察到自噬在神經(jīng)損傷后的髓鞘施萬細(xì)胞中激活,當(dāng)神經(jīng)生長(zhǎng)因子刺激神經(jīng)損傷模型后,進(jìn)一步激活施萬細(xì)胞中的自噬,增強(qiáng)髓鞘碎片清除并加速神經(jīng)再生[43]。另一方面,在脫髓鞘施萬細(xì)胞和培養(yǎng)的神經(jīng)節(jié)段中,通過抑制自噬,如條件性敲除Atg7或者給予自噬抑制劑3-MA和巴弗洛霉素A1,可抑制受損神經(jīng)中的髓鞘蛋白和脂質(zhì)分解,即抑制了受損神經(jīng)的修復(fù)[44]。Chung等[45]發(fā)現(xiàn),西那卡塞(臨床上治療繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)的擬鈣劑)可以通過誘導(dǎo)AMPK活化,促進(jìn)自噬和改善細(xì)胞凋亡,顯著緩解人類施萬細(xì)胞和坐骨神經(jīng)中DPN相關(guān)癥狀。

然而,也有研究者發(fā)現(xiàn)[46],在STZ誘導(dǎo)的DPN大鼠模型中Lipin1(一種磷脂酸磷酸酶,參與維持正常的周圍神經(jīng)傳導(dǎo)功能)表達(dá)下調(diào),同時(shí)可見自噬過度活躍,可能增加施萬細(xì)胞凋亡并導(dǎo)致DPN大鼠坐骨神經(jīng)脫髓鞘的作用;Lipin1過表達(dá)則顯著抑制了高血糖誘導(dǎo)的自噬過度活躍和細(xì)胞凋亡,改善坐骨神經(jīng)的病理變化,增加運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度,減輕DPN。此外,Wang等[47]發(fā)現(xiàn)高糖刺激可以通過激活JNK通路引起大鼠施萬細(xì)胞過度自噬,觸發(fā)細(xì)胞凋亡;用丹酚酸B(從丹參中提取的新一代天然生物活性物質(zhì))處理后,自噬下調(diào),使細(xì)胞免于凋亡。這種自噬作用對(duì)比鮮明的結(jié)果需要進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

細(xì)胞自噬在糖尿病及其微血管并發(fā)癥中發(fā)揮重要作用,然而,它的確切作用仍然難以捉摸,是發(fā)揮抵消還是促進(jìn)糖尿病及微血管并發(fā)癥還不明確。在輕度壓力下或在疾病的初始階段,自噬是一種具有促生存和抗凋亡作用的適應(yīng)性反應(yīng)[48];另一方面,在嚴(yán)重壓力和疾病后期,由于長(zhǎng)期損傷導(dǎo)致系統(tǒng)過載,自噬失調(diào)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡加劇[24]。自噬作為干預(yù)糖尿病及其微血管并發(fā)癥的新靶點(diǎn)有巨大潛力,需要進(jìn)一步地研究自噬在DMC中的具體參與機(jī)制,為DMC臨床診治提供理論依據(jù)。