糖尿病周圍神經(jīng)病變發(fā)病機制研究的新進展

胡炎森 湯 瑋 鄒俊杰 陳向芳

隨著人們生活方式的改變和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我國糖尿病的發(fā)病率顯著增高[1],糖尿病病程的延長,可引發(fā)一系列大血管和微血管并發(fā)癥,糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)是最常見的慢性并發(fā)癥之一,大約20%的1型糖尿病患者和20%的2型糖尿病患者在初次診斷后的20年內(nèi)發(fā)生DPN[2]。糖尿病神經(jīng)病變的患病率約為50%[3],而DPN患病率約為29%～49%[4],采用神經(jīng)傳導(dǎo)測定法診斷的DPN患病率為60%～75%[5]。DPN是一種對稱性、長度依賴性的遠端多發(fā)性神經(jīng)病變,常表現(xiàn)為四肢末梢的麻木、疼痛和感覺喪失,其促進了糖尿病足的發(fā)生,嚴重者可進展為下肢壞疽而導(dǎo)致截肢[6]。DPN早期的臨床表現(xiàn)常較隱匿,易被忽略,待臨床明確診斷時,往往已處于不可逆階段[7]。因此,明確DPN的發(fā)病機制對DPN的早期診斷及治療尤為重要。DPN的發(fā)病機制與高糖參與的異常代謝密切相關(guān),但更深入的發(fā)病機制尚不清楚。近年來,隨著對DPN研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)糖脂異常代謝引起的神經(jīng)細胞受損、胰島素介導(dǎo)的PI3K/蛋白激酶B(AKT)信號通路減弱、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞凋亡、施萬細胞(Schwann cells, SC)的能量代謝受損、血糖波動介導(dǎo)的神經(jīng)生長因子(nerve growth factor, NGF)-酪氨酸激酶A(TrkA)信號通路減弱,以及CD4+T細胞、小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞介導(dǎo)的神經(jīng)細胞損傷在DPN的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要角色。本文擬從這幾個方面的研究進展進行綜述。

1 糖脂異常代謝引起的神經(jīng)細胞受損

1.1 晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycosylation end products,AGE)引發(fā)NF-κb、酪氨酸蛋白激酶/信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄活化子抑制劑(JAK/STAK)信號通路的激活 高糖環(huán)境下葡萄糖和蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸發(fā)生不可逆性非酶反應(yīng),形成AGE。晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycosylation end products,RAGE)在內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、神經(jīng)細胞中均有表達。Papachristou等[8]研究結(jié)果顯示,糖尿病患者皮膚中AGE含量與DPN的嚴重程度呈正相關(guān)。 Juranek等[9]研究發(fā)現(xiàn),AGE與RAGE相結(jié)合后,引發(fā)RAGE的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與細胞骨架調(diào)節(jié)蛋白(diaphanous related formin 1,DIAPH1)相結(jié)合,并激活NF-κb、JAK/STAK信號通路,增加IL-1β、IL-6和TNF表達,導(dǎo)致炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生,并通過增加半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-3等凋亡信號的表達,誘導(dǎo)神經(jīng)細胞凋亡[10]。DIAPH1參與肌動蛋白結(jié)構(gòu)的修飾和微管蛋白動力的調(diào)節(jié),神經(jīng)系統(tǒng)中DIAPH1在肌動蛋白纖維形成、神經(jīng)元的遷移及維持細胞骨架的正常功能中起著關(guān)鍵作用[11]。AGE-RAGE-DIAPH1信號通路的激活,誘發(fā)軸突炎癥并影響軸突的運輸功能,從而導(dǎo)致DPN的發(fā)生、發(fā)展。

1.2 甲基乙二醛(methylglyoxal,MG)誘導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng) MG是糖酵解途徑的中間產(chǎn)物,是一種高活性的二羰基化合物,被視為AGE前體[12]。MG的代謝主要通過乙二醛酶系統(tǒng),周圍神經(jīng)中乙二醛酶1的活性較低,故MG易在周圍神經(jīng)中積聚。Düll等[13]研究發(fā)現(xiàn),將MG注射至健康受試者的神經(jīng)纖維中,MG通過激活瞬時受體電位陽離子通道A1(transient receptor potential ankyrin 1,TRPA1)誘發(fā)疼痛。MG激活TRPA1還可抑制胰島β細胞的分泌,通過修飾胰島素,降低微RNA(microRNA,miR)-190a和miR-214的表達,抑制PI3K/AKT信號通路,降低胰島素的敏感性[14]。上述研究的結(jié)果均提示,通過注射MG可誘發(fā)疼痛,而未注射MG的無疼痛表現(xiàn),表明高濃度MG是DPN發(fā)生的危險因素[15]。

1.3 脂質(zhì)過氧化物激活的Toll樣受體 (Toll-like receptor,TLR)-4信號通路 胰島素促進脂肪細胞合成脂肪酸和α-磷酸甘油;胰島素可通過抑制激素敏感性脂肪酶的活性,抑制脂肪分解。因此,糖尿病患者可引起脂肪代謝紊亂,脂肪分解加強、合成減弱,游離脂肪酸水平升高。

在高濃度長鏈脂肪酸中培養(yǎng)的SC會發(fā)生線粒體轉(zhuǎn)運障礙和氧化應(yīng)激,并導(dǎo)致SC凋亡[16]。Nowicki等[17]研究發(fā)現(xiàn),游離脂質(zhì)與活性氧自由基或過氧化物可反應(yīng)生成脂質(zhì)過氧化物,而脂質(zhì)過氧化物對背根神經(jīng)節(jié)和血管內(nèi)皮細胞具有損傷作用,其機制可能與脂質(zhì)過氧化物通過TLR-4激活下游通路有關(guān)。TLR是非特異性免疫系統(tǒng)中的模式識別受體,其被激活可引起免疫反應(yīng)來阻止感染擴散,是機體抵御病原體的第一道防線。TLR-4主要存在于哺乳動物中,脂質(zhì)過氧化物與TLR-4的結(jié)合可引起下游NF-κb、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信號通路的激活[18],進一步增加IL-1β、IL-6、IL-8、TNF表達,導(dǎo)致中性粒細胞、巨噬細胞、淋巴細胞的募集誘發(fā)炎癥反應(yīng),并增加Caspase-3等凋亡信號的表達[17]。Pang等[19]的研究結(jié)果顯示,給予糖尿病大鼠靜脈注射miR-214-3p,抑制了TLR-4激活,TNF和IL-1β表達減少,局部炎癥反應(yīng)減輕,神經(jīng)細胞凋亡減少,改善了神經(jīng)癥狀。上述研究結(jié)果表明,TLR-4信號通路的激活,通過增加局部炎癥和誘導(dǎo)神經(jīng)細胞凋亡進而誘發(fā)DPN。

2 胰島素介導(dǎo)的PI3K/AKT信號通路減弱

胰島素不僅具有降糖作用,還能促進機體生長和細胞增殖分裂。胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于胰島素樣生長因子1 (insulin like growth factors 1, IGF-1),通過激活PI3K/AKT、MAPK信號通路,激活下游分子和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)的表達,抑制促凋亡蛋白Bad表達,從而促進神經(jīng)元軸突生長并維持正常感覺[20]。糖尿病患者胰島素受體的數(shù)量及親和力均下降,PI3K/AKT活化受阻,引起下游通路異常。SC表達胰島素和IGF-1受體,這些受體的耗竭會引起SC和軸突受損,導(dǎo)致周圍神經(jīng)病變發(fā)生。胰島素作用于神經(jīng)細胞的機制還可能涉及線粒體,Aghanoori等[21]研究顯示,與對照組(未注射胰島素)相比,實驗組糖尿病大鼠接受微量胰島素注射,兩組空腹血糖水平或HbA1c未改變,實驗組大鼠熱痛覺明顯緩解,并減少了表皮下神經(jīng)纖維的丟失,感覺神經(jīng)元的線粒體復(fù)合物Ⅱ、Ⅳ及細胞色素C氧化酶的功能均得以恢復(fù)。Calcutt等[22]的研究結(jié)果提示,在足量胰島素營養(yǎng)支持下,高血糖不足以誘發(fā)神經(jīng)病變。上述研究結(jié)果表明,胰島素介導(dǎo)PI3K/AKT信號通路下調(diào),減弱了其營養(yǎng)支持作用,進而誘發(fā)DPN。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞凋亡

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細胞質(zhì)內(nèi)完成新生肽鏈折疊和組裝、蛋白質(zhì)加工及修飾等任務(wù)的細胞器。糖尿病患者存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[23]而啟動未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response,UPR)。UPR為對抗內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上3個跨膜蛋白的激活,并激活以下3條傳導(dǎo)通路:①激活蛋白激酶R樣真核起始因子2A激酶(PKR-like eukaryotic initiation factor 2A kinase, PERK)-真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α,eIF2α)-活化轉(zhuǎn)錄因子(activating transcription factor, ATF)4信號通路,具體為PERK的激活,引起eIF2α發(fā)生磷酸化,誘導(dǎo)ATF4的表達,抑制蛋白質(zhì)的翻譯;②激活肌醇需要酶1α(inositol requiring enzyme 1α,IRE1α),剪切X-盒結(jié)合蛋白-1(X box-binding protein-1,XBP-1),促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)錯誤折疊蛋白的降解;③激活A(yù)TF6,引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)伴侶蛋白、XBP-1的表達。以上3條通路的激活,起到減少蛋白質(zhì)合成、促進蛋白質(zhì)降解、增強蛋白質(zhì)折疊能力的作用,以緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)[24]。

Yao等[25]研究結(jié)果顯示,與對照組(未注射藥物)相比,實驗組DPN大鼠通過鞘內(nèi)注射IRE1α-siRNA(IRE1α的抑制劑)至坐骨神經(jīng)內(nèi),其表皮神經(jīng)纖維密度較前增加了0.75倍,且感覺和運動神經(jīng)傳導(dǎo)速度明顯增快;進一步分析發(fā)現(xiàn),IRE1α-siRNA緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),并抑制JNK信號通路的激活和C/EBP同源蛋白(CCAAT/enhancer-binding protein homologous protein,CHOP)的表達,而JNK信號通路的激活可上調(diào)促凋亡基因Bax的表達,CHOP可下調(diào)抗凋亡基因 Bcl-2、上調(diào)促凋亡基因 Bax的表達,觸發(fā)Caspase-3的激活,導(dǎo)致細胞凋亡。由此可見,IRE1α-siRNA通過緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng),抑制JNK信號通路和CHOP的表達,從而下調(diào)神經(jīng)細胞的凋亡信號,緩解DPN癥狀。ATF3是反映內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標志物。Kan等[26]研究結(jié)果顯示,與DPN組小鼠相比,ATF3敲除的糖尿病小鼠表皮神經(jīng)纖維密度雖減少,但未出現(xiàn)熱過敏和機械過敏等表現(xiàn),行超微結(jié)構(gòu)檢查發(fā)現(xiàn)ATF3敲除的糖尿病小鼠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平顯著低于DPN組;進一步分析結(jié)果顯示,ATF3通過上調(diào)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平,誘導(dǎo)小膠質(zhì)細胞活化,導(dǎo)致TNFα和IL-6表達增加,引起神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。上述研究結(jié)果均提示,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可引起神經(jīng)系統(tǒng)的損傷而誘發(fā)DPN。

4 SC的能量代謝受損

SC是包裹在周圍神經(jīng)軸突上的神經(jīng)膠質(zhì)細胞,其能表達神經(jīng)營養(yǎng)因子,產(chǎn)生細胞外基質(zhì),具有維持神經(jīng)元存活、修復(fù)受損神經(jīng)元和營養(yǎng)軸突等重要功能。在DPN的發(fā)展過程中,SC扮演著重要作用。

Hao等[27]研究發(fā)現(xiàn),在糖尿病小鼠模型中,受多元醇途徑影響的SC中積累了大量山梨醇,減少了SC表面IGF-1的表達,引起SC去分化,并導(dǎo)致周圍神經(jīng)脫髓鞘,減慢神經(jīng)傳導(dǎo)速度。多元醇途徑還可減少SC分泌的NGF、神經(jīng)營養(yǎng)因子-3、睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子-19,導(dǎo)致對神經(jīng)營養(yǎng)作用減弱,進一步引起神經(jīng)纖維的損傷[28]。SC為軸突提供無氧氧化的產(chǎn)物,即SC主要通過無氧氧化的方式給自身提供能量,無氧氧化的產(chǎn)物即乳酸,輸出到軸突為其提供能量[29]。高糖條件可使無氧氧化的產(chǎn)物過載,軸突內(nèi)超負荷的乳酸導(dǎo)致酸中毒及線粒體功能障礙,進而增加活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)的形成,并引起線粒體的損傷。SC還具有高度活躍的脂質(zhì)代謝,高糖條件下體內(nèi)脂肪酸β氧化增加,生成的脂酰輔酶A通過轉(zhuǎn)換為脂酰肉堿而進入三羧酸循環(huán)。然而,在底物過載的情況下,脂酰輔酶A不能重新進入循環(huán),無法進一步轉(zhuǎn)化的脂酰肉堿在SC中積聚,并從SC穿梭至軸突,且過量的脂酰肉堿對神經(jīng)纖維具有毒性。脂酰肉堿通過觸發(fā)細胞外鈣離子(Ca2+)進入軸突,細胞質(zhì)內(nèi)Ca2+進入線粒體,分別引起軸突線粒體轉(zhuǎn)運障礙和誘導(dǎo)線粒體凋亡[30]。

由此表明,SC不止是軸突的絕緣體,更是維持軸突結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵細胞,并為軸突提供所需的能量。糖尿病患者的SC與軸突之間的正?！吧锬芰拷涣鳌北黄茐?從SC的去分化、分泌的NGF減少,到軸突中乳酸、脂酰肉堿的積聚,導(dǎo)致營養(yǎng)支持減弱、軸突pH值變化、線粒體凋亡,最終導(dǎo)致神經(jīng)纖維的損傷,從而誘發(fā)DPN。

5 血糖波動介導(dǎo)的NGF-TrkA信號通路減弱

臨床上常將HbA1c作為判斷糖尿病患者血糖控制是否達標的標準指標,但 HbA1c并不能充分反映血糖控制情況。連續(xù)血糖監(jiān)測可直觀地觀測到糖尿病患者的血糖達到目標范圍時間(time in range,TIR)。TIR是指24 h內(nèi)血糖為3.9～10.0 mmol/L范圍內(nèi)時間所占的比例,可作為評價短期血糖控制效果的關(guān)鍵指標[31]。

臨床上一般認為,血糖水平劇烈波動較持續(xù)高血糖的危害更大。Yang等[32]研究結(jié)果顯示,血糖水平劇烈波動的糖尿病大鼠的超氧化物歧化酶水平降低,丙二醛、IL-1β、IL-6、TNF水平增高,誘發(fā)神經(jīng)元細胞氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),引起周圍神經(jīng)損傷。Yan等[33]進一步研究發(fā)現(xiàn),在體外細胞培養(yǎng)實驗中血糖水平劇烈波動減少了神經(jīng)細胞NGF的分泌,并降低TrkA水平,而NGF與TrkA的結(jié)合,可啟動下游PI3K/AKT信號通路,促進神經(jīng)元的存活信號,抑制凋亡信號,起到保護神經(jīng)元的作用;此外,血糖水平劇烈波動減少了NGF分泌并降低TrkA水平,進而增加Bax和Caspase-3等凋亡信號的表達,誘導(dǎo)神經(jīng)元損傷和細胞凋亡。Mayeda等[34]研究結(jié)果顯示,TIR<70%組2型糖尿病患者的DPN發(fā)病率是TIR≥70%組的1.72倍,提示DPN的發(fā)病率與TIR呈負相關(guān)。Li等[35]研究中,根據(jù)TIR將糖尿病患者分為TIR低組(TIR≤53%)、TIR中間組(TIR為53%～77%)和TIR高組(TIR≥77%),TIR高組的神經(jīng)傳導(dǎo)速度及振幅均顯著高于TIR低組及TIR中間組;提示TIR越高,周圍神經(jīng)功能越好。上述研究結(jié)果均表明,TIR獨立于HbA1c,成為DPN發(fā)生、發(fā)展的危險因素。

6 CD4+T細胞、小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞介導(dǎo)的神經(jīng)細胞損傷

在DPN的發(fā)生、發(fā)展過程中,免疫機制不容忽視。在高糖影響下,血-神經(jīng)屏障遭到破壞,中樞神經(jīng)系統(tǒng)的免疫耐受被打破,同時髓鞘蛋白糖基化后其抗原性發(fā)生改變,被單核-巨噬細胞和神經(jīng)膠質(zhì)細胞識別,引導(dǎo)機體產(chǎn)生抗體[36]。Janahi等[37]研究結(jié)果顯示,DPN組的抗核抗體陽性率是對照組的50倍,進一步分析顯示抗核抗體的存在與DPN的癥狀評分呈正相關(guān)。激活的免疫細胞分泌TNF-α,可引起神經(jīng)纖維脫髓鞘,并刺激單核細胞和內(nèi)皮細胞分泌炎癥因子,引起神經(jīng)損傷。Mu等[38]研究結(jié)果顯示,DPN組患者血清TNF-α水平顯著高于無DPN的糖尿病患者,TNF-α水平升高的糖尿病患者發(fā)生DPN的風(fēng)險是正常TNF-α組患者的2.594倍。Wu等[39]研究結(jié)果顯示,實驗組DPN小鼠注射miR-590-3p(一種可抑制T細胞浸潤的miRNA)后,與對照組(未注射miR-590-3pDPN)DPN小鼠相比,神經(jīng)病理性疼痛得以緩解;進一步研究結(jié)果顯示,miR-590-3p通過抑制CD4+T細胞在周圍神經(jīng)系統(tǒng)中浸潤,減少CD4+T細胞分泌IL-1β、IL-6、TNF-α等炎癥因子,進而減輕CD4+T細胞對神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。Zhang等[40]研究結(jié)果顯示,高糖還可激活小膠質(zhì)細胞,產(chǎn)生ROX、一氧化氮、過氧亞硝酸鹽、前列腺素等促炎細胞因子,參與DPN的神經(jīng)病理性疼痛的發(fā)生。大鼠全身或脊髓注射氟胞嘧啶或米諾環(huán)素(一種膠質(zhì)細胞抑制劑)后,可抑制其體內(nèi)IL-1β和TNF-α的表達,并減輕熱過敏和機械過敏反應(yīng)。與此同時,高糖環(huán)境中巨噬細胞的極化發(fā)生改變,從 M1型到M2型極化下降[41],而M1型巨噬細胞可釋放IL-1β、TNF-α等炎癥因子,誘發(fā)SC損傷。Tian等[42]研究結(jié)果顯示,糖尿病小鼠注射CU-CPT22(一種可誘導(dǎo)巨噬細胞向M2型極化的藥物)后,神經(jīng)性疼痛癥狀緩解,IL-1β、TNF-α水平較注射前降低。上述研究結(jié)果提示,淋巴細胞、小膠質(zhì)細胞及巨噬細胞介導(dǎo)的免疫機制可能是DPN發(fā)生的重要因素。

綜上所述,DPN主要由糖脂異常代謝引起,其代謝產(chǎn)物AGE、MG、脂質(zhì)過氧化物激活的異常通路,誘導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),導(dǎo)致神經(jīng)細胞損傷。同時,胰島素介導(dǎo)的營養(yǎng)支持作用減弱、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞凋亡、SC的能量代謝受損、血糖波動介導(dǎo)的NGF-TrkA信號通路減弱,以及CD4+T細胞、小膠質(zhì)細胞和巨噬細胞介導(dǎo)的神經(jīng)細胞損傷也參與DPN的發(fā)生和發(fā)展。從既往的動物模型及臨床試驗來看,以任一發(fā)病機制為目標的治療方案都未取得預(yù)期的治療效果,因此從多角度、多層面深入研究DPN 的發(fā)病機制,將為DPN早期篩查和治療提供新的思路。