線粒體功能障礙與腎小球足細胞損傷的研究進展

邢 燕，葉山東

（安徽省立醫院內分泌科，安徽合肥230001）

線粒體功能障礙與腎小球足細胞損傷的研究進展

邢 燕，葉山東＊

（安徽省立醫院內分泌科，安徽合肥230001）

隨著2型糖尿病在全球的蔓延，糖尿病的防治工作已成為世界公共衛生的巨大挑戰。據國際糖尿病聯盟預測，2030年全世界的糖尿病患病人數將達到5.52億［1］。隨著糖尿病群體的迅猛擴增，糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）的發生率也逐年增加，業已成為導致終末期腎病最常見的原因［2］。DN發病機制目前尚未明確，研究指出包括氧化應激，線粒體功能障礙，糖脂毒性等能量代謝障礙均參與糖尿病腎臟損傷［3，4］。

1 線粒體結構和功能

線粒體不僅是細胞氧化磷酸化的中心，也是細胞凋亡的調控中心。它是由內外兩層膜封閉的囊狀結構，包括外膜、內膜、膜間隙和基質四個功能區。內膜上有質子泵和氧化磷酸化電子傳遞鏈。ATP的合成在線粒體完成，并需要電子及質子的傳遞伴隨。線粒體氧化呼吸鏈位于線粒體內膜，有五種分子質量很大的跨膜蛋白復合體組成，它們分別是復合體Ⅰ（NADH泛醌氧化還原酶）、復合體Ⅱ（琥珀酸泛醌氧化還原酶）、復合體Ⅲ（細胞色素C還原酶）、復合體Ⅳ（細胞色素C氧化酶）以及復合體Ⅴ（ATP合酶）。呼吸鏈同時還需要兩個小分子的電子載體：泛醌和細胞色素C，使電子按氧化還原電位從低到高傳遞，能量逐級釋放。線粒體基質中的質子泵入外室，導致線粒體內外室電壓不平衡而形成跨膜電位，這對維持線粒體正常功能是十分必要的。正常生理條件下，線粒體透性轉換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）周期性開放，使外室的質子或正離子進入內室，從而防止外室正離子過度蓄積［5］，維持線粒體的正常功能。

2 線粒體功能障礙與DN足細胞損傷

足細胞即臟層上皮細胞，它是一種終末分化細胞，分化成熟后不能再生，增殖再生能力極其有限，故其胞質中需大量線粒體以提供能量維持細胞結構和功能。它位于腎小球毛細血管壁的最外層，直接暴露于腎小球高壓及流體切應力作用下，是血漿大分子從腎小球濾過的最后一道屏障。本課題組前期研究表明足細胞損傷與蛋白尿、腎小球硬化密切相關［6，7］。在有可能進展至終末期腎衰竭的腎小球疾病中，足細胞是主要的受累靶點，而線粒體又是高糖攻擊足細胞的核心靶點，線粒體功能障礙可通過相應的信號通路觸發足細胞損傷導致進展性腎小球硬化［8］。研究證實線粒體功能障礙是足細胞損傷的早期事件［9］，糖尿病腎組織中線粒體的功能出現異常表現，主要表現為以下四個方面：

2.1 線粒體呼吸鏈氧化磷酸化功能障礙后ATP合成減少：正常腎臟功能的維持需要消耗大量的能量，腎組織內富含線粒體，氧化磷酸化系統受損將導致線粒體功能紊亂［10］。線粒體功能障礙是導致糖尿病腎病的關鍵致病因子，也是影響足細胞氧化磷酸化和能量供應的主要影響因素。糖尿病小鼠db／db出現線粒體解偶連，主要表現為腎小球濾過率增加，蛋白尿和線粒體分裂［11］。高糖培養足細胞的氧耗率明顯升高，復合體Ⅰ抑制劑魚藤酮可抑制上述病變［12］。足細胞喪失有絲分裂活性，需要大量能量供應來維持包括肌動蛋白細胞骨架和細胞外基質蛋白在內的多種功能。線粒體產能對細胞的運動和遷移十分重要，線粒體功能障礙時ATP產生減少會特異性地破壞肌動蛋白和中間絲結構，作用于細胞骨架而導致足細胞與基底膜分離［13］，導致足細胞密度顯著下降。線粒體解偶連蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）定位于線粒體內膜，參與線粒體質子漏和質子運輸，通過降低線粒體內外膜的質子電位差行使線粒體解偶聯的功能，影響線粒體呼吸鏈的功能和ATP的生成。已有研究證實部分中藥提取物可通過抑制UCP－2表達，保持體外培養足細胞蛋白podocin和WT－1的正常分布并減輕蛋白尿［14］。

2.2 線粒體氧化應激：線粒體是細胞能量生成的重要細胞器，也是廣受關注的細胞調節氧化應激的中樞?；钚匝酰╮eactive oxygen species，ROS）主要包括自由基類：如超氧自由基（O2－），超氧化氫（·RO2），氫氧自由基（·OH）；非自由基類如過氧化氫和次氯酸。此外，線粒體呼吸鏈還生成活性氮簇，如一氧化氮自由基（·NO），二氧化氮自由基（·NO2），過氧亞硝酸鹽（ONOO－）等［15］。正常生理條件下體內氧化系統與抗氧化系統呈動態平衡，ROS是足細胞進行正常代謝所必需的一種小分子，它們參與電子傳遞和細胞氧化呼吸代謝，并作為細胞內氧化還原信使傳遞調控胞內信號，但細胞內過量ROS積累將導致細胞結構及功能損傷［16］。線粒體呼吸鏈被證實是細胞內ROS產生的最主要來源，其中輔酶Q可將單個電子傳遞給氧分子而使其單價還原成ROS［17］。2001年Brownlee等［18］在Nature上提出了“糖尿病并發癥的統一理論”，將氧化應激和糖尿病緊密聯系起來，該理論認為線粒體呼吸鏈ROS產生過多是高糖導致組織損傷的啟動因子。過多的氧自由基可激活多元醇途徑、終末糖基化產物途徑、蛋白激酶C途徑、己糖胺代謝等四條生化途徑，通過共同的通路－線粒體電子呼吸鏈進一步誘導ROS積聚后導致細胞損傷及凋亡，形成不斷促進自由基持續產生的正反饋控制系統，誘發組織細胞損傷的惡性循環。線粒體酶復合體活性受損時，將生成大量ROS導致廣泛的氧化損傷惡性循環，并進一步減少ATP合成。在醛固酮誘導的足細胞損傷中，伴隨有ROS大量產生、線粒體超微結構改變、線粒體膜電位下降、ATP合成減少等［19］表現。高水平的游離脂肪酸，尤其是飽和脂肪酸在線粒體基質中積聚后導致線粒體ROS大量合成，直接誘導脂質過氧化和線粒體功能損傷。伴隨著體內抗氧化防御系統功能失調，游離脂肪酸轉運和氧化受阻將直接破壞組足細胞裂孔隔膜結構［20］。醛固酮和高糖可引起足細胞ROS生成增加，進而激活下游絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）等信號通路，導致足細胞足突消失［21］。研究證實ROS過量表達可導致肌動蛋白降解損傷足細胞，增大裂孔隔膜間距，蛋白大量從腎臟漏出［22］。在DN動物模型中證實體內氧化應激標記物顯著升高，抗氧化劑可減輕足細胞足突的廣泛融合［23］，減輕足細胞損傷及蛋白尿。

2.3 線粒體與足細胞凋亡：凋亡有外源性途徑（死亡受體途徑）和內源性途徑（線粒體途徑）之分。線粒體介導的凋亡表現為脂質過氧化膜通透性改變，凋亡蛋白包括細胞色素C，凋亡蛋白酶激活因子、天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（cysteine－containing aspartate－specific proteases，caspase），細胞凋亡誘導因子等從線粒體釋放到胞漿，隨之引起caspase瀑布式活化和細胞凋亡［24］。凋亡受一系列分子調控，其中Bcl－2家族起著決定性作用。細胞色素C從線粒體釋放到細胞質是多種凋亡的共同表現，它可擾亂線粒體電子傳遞鏈，刺激ROS的堆積使MPTP持續開放，導致細胞凋亡［25］。凋亡主要表現為染色質固縮，DNA片段化以及caspase的活化，而這些病理表現多與DN有一定聯系，足細胞凋亡是導致足細胞數目下降的主要原因。線粒體在高糖刺激下，生成大量ROS，導致細胞色素C從線粒體膜間隙釋放，激活caspase－9和caspase－3，導致大量的足細胞凋。在與線粒體相關的足細胞凋亡過程中，活性氧發揮重要的信使作用。它作用于線粒體凋亡途徑中的各個環節。同時，線粒體凋亡中的信號分子反過來也影響ROS，使之互為因果。研究證實ROS可通過細胞外信號調節激酶活化而誘導足細胞凋亡［26］，高糖可通過NADPH氧化酶和線粒體旁路刺激ROS生成進而活化促凋亡的P38MAPK和caspase－3使體外培養的足細胞凋亡［27］。ROS還可通過氧化線粒體心磷脂和線粒體重要的蛋白質對線粒體造成氧化損傷，可使線粒體膜脂質過氧化、膜流動性降低、線粒體內外膜蛋白過氧化，蛋白質交鏈，造成MPTP開放，線粒體膜通透性升高，線粒體凋亡相關物質釋放，引起細胞凋亡［28－29］。

2.4 線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）受損：mtDNA的重復、拷貝數下降、缺失及點突變均可造成線粒體病。mtDNA編碼的多肽全部是氧化磷酸化系統酶復合物的亞單位，mtDNA缺陷可使線粒體氧化磷酸化產能障礙，ATP合成減少，能量產生低于腎臟能量需求閾值。近年來表現為腎小球病變的線粒體細胞病越來越受到廣泛關注，線粒體細胞病腎臟病理除了表現為局灶性節段性腎小球硬化外，還表現為玻璃樣變小動脈病變和足細胞足突損傷。電鏡下表現為胞體變小，假小囊形成，足突消失，雙核或多核足突。足突胞漿內充斥大量的腫脹變形和極度異性的線粒體。因缺少組蛋白樣的覆蓋物并非?？拷鼉饶ぃ羌毎麅萊OS的主要產生部位，線粒體又缺乏完善的修復體系，故mtDNA的突變率超過核DNA的10倍［30］。mtDNA缺失引起的線粒體功能紊亂參與足細胞生存和黏附活性減退，足細胞在受到損傷因素刺激后可導致ROS過量產生并累積，阻斷mtDNA的轉錄和復制，減少拷貝數，同時ROS會連續攻擊mtDNA熱點基因誘導突變，進一步導致電子傳遞鏈缺陷使ROS不斷產生并損傷機體。

3 結語

綜上所述，線粒體功能障礙與足細胞損傷密切相關，參與糖尿病腎病的發生發展。后續研究應詳細了解線粒體功能障礙導致足細胞損傷的細胞內信號通路傳導機制，從而為藥物治療DN，減輕蛋白尿和足細胞損傷提供一定的理論依據，為DN的防治提供更有效的手段。

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