施萬細胞線粒體在糖尿病周圍神經病變中的作用機制

焦洋，張月華，李清，于洋，李依澤，崔薇，于泳浩

(天津醫科大學總醫院麻醉科 天津市麻醉學研究所，天津 300052)

糖尿病周圍神經病變(diabetic peripheral neuropathy，DPN)是周圍神經損害最主要的原因，也是最主要的糖尿病微血管并發癥。遠端對稱性多發性周圍神經病變是其最典型的病理類型，常表現為四肢末梢進行性疼痛、麻木和感覺喪失，甚至發展為下肢壞疽導致截肢，嚴重影響患者的生活質量[1]。然而，目前尚缺乏治療DPN的有效方法，控制血糖僅對1型糖尿病有效但對2型糖尿病效果不明顯，鎮痛藥物雖然可以一定程度上緩解疼痛但同時伴隨巨大的不良反應，因此亟待發現針對病因的有效治療手段[1]。在高血糖環境下，周圍神經的神經元和施萬細胞存活依賴于持續的能量供應，特別容易受到線粒體損傷的影響，因此線粒體功能障礙是DPN發生發展的關鍵因素[2]。盡管膠質細胞作為高血糖損害的重要靶點，對軸突生存的重要性日益得到關注，受高血糖影響其線粒體形態和功能均可發生顯著變化[3]，但與神經元相比，有關施萬細胞線粒體在DPN中的作用研究較少，作用機制尚不明確?，F就施萬細胞線粒體在DPN中的作用機制予以綜述，以為尋找有效的藥物靶點提供幫助。

1 施萬細胞線粒體與軸突生存

施萬細胞是周圍神經的主要組成成分，除了以有髓或無髓的形式包裹和保護神經纖維軸突、加速動作電位傳導、分泌神經營養因子等基本作用外，在周圍神經損傷的情況下其還會發生表型轉換和代謝重編程維持軸突生存、提供代謝支持、參與周圍神經修復再生[4-5]。線粒體是調控細胞能量代謝的重要細胞器，對神經、肌肉等高能量需求的組織具有關鍵作用，因而線粒體功能障礙是神經退行性疾病的主要致病機制。在常見的脫髓鞘性神經病變(如多發性硬化、遺傳性運動感覺周圍神經病和DPN)的人類或動物神經組織中均發現線粒體結構和功能的異常，表現為神經傳導速度減慢、有髓纖維的密度降低和脫髓鞘改變[6-7]。有研究采用電鏡對DPN患者的腓腸神經標本分析后發現，這些結構異常的線粒體主要存在于施萬細胞而非軸突中[2]，說明施萬細胞中的線粒體異常可能作為獨立因素參與了神經病變的發展。

在周圍神經損傷或疾病情況下，施萬細胞正常的線粒體能量代謝對于軸突的生存發育至關重要，一旦損傷加重超過施萬細胞的代償能力，便會損害膠質細胞-軸突通訊和神經穩態，最終導致神經纖維丟失、軸突變性和疼痛[8-9]。近年來，選擇性破壞施萬細胞線粒體的基因突變小鼠的構建為單獨研究施萬細胞線粒體功能提供了可能，其中最為典型的是在施萬細胞中特異性敲除細胞色素C氧化酶10、線粒體轉錄因子A和肝激酶B1的基因突變小鼠模型[10-12]。這3種模型的共同特點是均發現了施萬細胞能夠在沒有線粒體呼吸的情況下存活下來，并發生糖脂代謝的適應性轉變，以有氧糖酵解的方式繼續為軸突提供乳酸維持其生存，且減少自身的脂肪酸合成，增加脂肪酸氧化為軸突供能，直至髓磷脂和能量趨于耗竭才最終導致軸突變性[13]。施萬細胞的這種線粒體代謝適應反應使其能在損害初期維持自身存活，繼續保證軸突的能量供應，延緩神經病變的進展。此外，以上3種模型的病理特點均表現為自發性進行性加重的周圍神經病變，隨病程進展依次出現髓鞘異常和軸突變性，且無髓小神經纖維的優先丟失與DPN的病理特點相似[14]。這種現象揭示了施萬細胞線粒體異?？赡苁荄PN發病機制的基礎。

2 施萬細胞線粒體與DPN

糖尿病作為周圍神經病變最主要的損害因素，同樣存在線粒體功能障礙[15]。目前已知的DPN發病機制十分復雜，代謝旁路的激活、氧化應激、炎癥、內質網應激、線粒體功能障礙和凋亡等機制相互串擾，難以明確關鍵點，而線粒體功能障礙是多種機制的共同通路[1]。一項研究采用靶向代謝組學分析發現，高血糖導致的β細胞進行性代謝紊亂與線粒體功能障礙有關，揭示了線粒體是造成β細胞功能衰竭的潛在靶點[16]。該研究表明，線粒體調控代謝適應性是高血糖導致代謝損害的關鍵。

長期以來，針對DPN的研究大多以神經元為目標，近年來施萬細胞在DPN中的作用得到越來越多的關注[17-18]。施萬細胞特異性表達醛糖還原酶、晚期糖基化終末產物受體等代謝旁路關鍵酶和受體，以及葡萄糖轉運蛋白和肉堿脂酰轉移酶等糖脂受體，造成了山梨醇、果糖、長鏈脂肪酸的聚集，因此是代謝性應激損害的主要靶點[3]。在糖尿病神經病變患者和糖尿病動物的腓腸神經標本中均發現施萬細胞形態和線粒體超微結構異常，表現為線粒體腫脹、空泡變、嵴消失，同時病理特點表現為節段性脫髓鞘和再髓鞘化，而軸突結構和軸突線粒體均未發生變化[19-20]，說明在軸突損害之前，施萬細胞病變可能是糖尿病導致的周圍神經損傷的第一步，而線粒體功能障礙可能是DPN的發病基礎。除形態學改變外，還有研究采用蛋白組學和代謝組學進一步證明了線粒體功能的改變，無論在1型糖尿病大鼠的周圍神經還是在慢性高血糖下培養的離體施萬細胞中均發現施萬細胞線粒體蛋白質組的巨大改變，表現為與糖酵解、脂質代謝、三羧酸循環、氧化磷酸化和線粒體呼吸鏈復合體有關的蛋白表達水平顯著升高，線粒體總耗氧率增加，但有氧呼吸效率降低，腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)的生成減少[21-22]，其原因均與施萬細胞線粒體功能損害有關。可見，以施萬細胞線粒體功能障礙為治療靶點，將為DPN的治療提供新思路。

3 施萬細胞線粒體功能障礙參與DPN的機制

線粒體自身存在多種調控機制，它們的協調運行維持著線粒體穩態，而線粒體功能障礙是多種線粒體調控機制受損的結果，相關因素包括線粒體能量代謝紊亂、線粒體氧化應激、線粒體鈣調控異常、線粒體生物發生失衡、線粒體動力學紊亂及線粒體自噬受損等，每個環節的細微變化均可能干擾機體的能量供應導致疾病[23]。糖尿病條件下，高血糖引起的全身能量代謝紊亂可能從多個方面破壞線粒體功能，進而造成細胞毒性損害[15]。因此明確高血糖導致線粒體功能障礙的內在機制，將為深入理解DPN的病因提供幫助。

3.1線粒體能量代謝紊亂 軸突存活依賴于施萬細胞提供能量和代謝底物，但糖尿病引起的施萬細胞糖脂代謝改變會引起線粒體ATP生成減少，造成軸突能量供應不足[3]。在生理情況下，葡萄糖和脂肪酸分別通過糖酵解/三羧酸循環和β-氧化/三羧酸循環代謝生成丙酮酸和乙酰輔酶A，經三羧酸循環產生電子供體還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸，它們通過線粒體電子傳遞鏈在線粒體內外膜之間產生質子梯度和膜電位，這是ATP生成的主要驅動力，對線粒體的生存、代謝和供能至關重要。而在高葡萄糖或高脂肪通量條件下，過量的代謝底物使NADH和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸過量產生，線粒體電子傳遞鏈超負荷，線粒體膜上的質子梯度升高，正常梯度解偶聯，從而破壞氧化磷酸化，使ATP生成減少，而副產物活性氧類(reactive oxygen species，ROS)產生增多。此外，施萬細胞內過量的毒性代謝產物還會進一步破壞軸突的線粒體功能。糖代謝產物乳酸的大量聚積會破壞線粒體氧化磷酸化能力，引起線粒體損傷、線粒體分裂和線粒體氧化應激[24-25]，同時脂肪酸代謝產物酰基肉堿也會擴散進入軸突，通過觸發軸突的線粒體Ca2+超載、線粒體動力學損傷和線粒體自噬等繼發軸突損傷[13,26]。因此，施萬細胞能量代謝紊亂是引起DPN線粒體功能障礙的起始因素，長期持續的施萬細胞底物超負荷會進一步損害軸突線粒體功能，最終導致軸突變性。

3.2線粒體ROS的作用 線粒體功能障礙的另一個主要原因為氧化應激，線粒體既是體內ROS的主要來源，也是細胞內ROS的主要靶標。研究證實，高血糖條件下外周神經中過量的ROS并非來自軸突，而是來自施萬細胞[17，27]。一方面，高血糖導致氧化應激的主要機制(多元醇代謝旁路、糖基化終末產物受體通路、氨基己糖通路及多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶通路的激活等)均以施萬細胞為主要靶點，底物超負荷使線粒體電子傳遞鏈解偶聯、質子漏增加和有氧呼吸效率降低，導致ROS大量蓄積[17]。另一方面，糖尿病條件下代謝旁路的激活還會耗盡細胞儲存的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)，使機體的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、谷胱甘肽等氧化還原系統失衡，導致ROS產生增多而清除減少[27]。研究發現，高血糖培養會導致施萬細胞線粒體ROS增多、線粒體膜電位降低、ATP生成減少，而采用褪黑素和丹酚酸等具有強抗氧化性的藥物處理可以有效清除線粒體ROS和恢復線粒體膜電位，并通過上調抗氧化系統核轉錄因子紅系2相關因子2的基因表達減少施萬細胞氧化應激和凋亡[28]。另外，由于線粒體DNA幾乎完全由編碼區組成，缺乏組蛋白保護，對ROS的損害十分敏感[29]；且過量的ROS還會導致施萬細胞線粒體DNA損傷和線粒體基因突變，造成線粒體功能障礙和進一步的氧化損傷，在線粒體內形成惡性循環，甚至導致細胞死亡和軸突變性[30-31]。因此，盡早抑制施萬細胞線粒體的氧化應激或提高其抗氧化能力有望改善DPN。

3.3線粒體鈣調控異常 線粒體是細胞內除內質網之外的第二大鈣緩沖庫，線粒體Ca2+內流對維持線粒體代謝和細胞生理需要十分重要。線粒體的鈣攝取受線粒體外膜上的電壓依賴性陰離子通道1(voltage dependent anion channel 1，VDAC1)和線粒體內膜上的鈣單向轉運體調控。Ino等[32]發現在生理條件下，鈣單向轉運體介導的施萬細胞線粒體Ca2+內流會刺激線粒體代謝和氧化磷酸化，在髓鞘形成過程中起關鍵作用。而病理情況下，施萬細胞線粒體基質中的Ca2+過度積聚造成Ca2+超載時，又會引起線粒體外膜通透性轉換孔的持續開放，導致嚴重的細胞損害和脫髓鞘病變。DPN的脫髓鞘與線粒體鈣穩態失衡導致的施萬細胞線粒體功能障礙有關，在糖尿病小鼠模型中，VDAC1活性發生改變，引起線粒體鈣超載和線粒體外膜通透性轉換孔的開放，導致線粒體內Ca2+外泄，釋放入胞質的Ca2+通過激活促分裂原活化的蛋白激酶信號通路觸發施萬細胞的脫髓鞘；而采用VDAC1的抑制劑干預可以減少線粒體鈣釋放，顯著改善脫髓鞘性神經病變[6]。線粒體內的Ca2+超載一方面會導致線粒體膜去極化，影響ATP的產生，另一方面還會增加線粒體內的ROS水平，與氧化應激形成正反饋損害[33-34]。因此，恢復線粒體Ca2+穩態將為線粒體功能障礙相關的疾病提供新思路。

3.4線粒體生物發生失衡 損傷的線粒體可以通過激活線粒體生物發生或再生新的線粒體進行自我修復。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-1α，PGC-1α)是影響全身能量代謝的核轉錄共激活因子，通過改變線粒體轉錄因子A和核呼吸因子的轉錄活性影響線粒體DNA的復制和線粒體的呼吸功能，在線粒體生物發生中起中心調控作用[15]。PGC-1α的活性主要受AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)和沉默信息調節因子(sirtuin，SIRT)兩條通路調控，與細胞能量狀態密切相關的AMP/ATP和NAD+/NADH的比值分別決定兩者的激活水平，并影響PGC-1α的表達和翻譯后修飾(包括乙?；土姿峄?。有證據表明，在1型或2型糖尿病小鼠模型的背根神經節神經元中，過量的葡萄糖通量會降低AMP/ATP和NAD+/NADH比值，抑制SIRT和AMPK信號轉導，引起PGC-1α的失活導致線粒體生物發生受損，出現周圍神經脫髓鞘和軸突變性[35-36]。此外，PGC-1α基因敲除加重了鏈脲佐菌素造成的1型糖尿病神經病變[37]，而代謝型谷氨酸受體2/3激動劑等藥物能夠通過上調背根神經節中的SIRT1、PGC-1α和線粒體轉錄因子A水平改善糖尿病神經病變[38]。但目前有關施萬細胞中的線粒體生物發生在DPN中的作用研究較少。有研究發現，與神經元一致，高血糖培養同樣可以引起施萬細胞中的AMPK活性下調[39]；還有研究通過突變施萬細胞中NAD+生物合成的限速酶造成NAD+耗竭，誘發了施萬細胞的分化障礙和成熟缺陷，出現與DPN病理改變極為類似的脫髓鞘性周圍神經病變[40]。因此，以AMPK-SIRT-PGC-1α軸為治療靶點改善施萬細胞線粒體生物發生可能成為DPN有潛力的治療方法。

3.5線粒體動力學改變 線粒體是具有融合和分裂能力的動態細胞器，可以根據機體不同的能量代謝需求調控線粒體的形態、數量和分布，這種動力學改變是線粒體質量控制的關鍵。線粒體通過分裂和融合可以促進新線粒體形成，修復有缺陷的線粒體DNA，并將線粒體重新分布到高能量需求部位[41]。糖脂代謝、能量產生、鈣信號、ROS的產生均影響分裂和融合的平衡，相反，線粒體動力學受損，即過度碎裂/伸長會導致細胞產能效率下降，引起各種神經退行性疾病[42]。分裂和融合均依賴鳥苷三磷酸酶的活性，其中分裂主要受動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)和線粒體分裂蛋白1的調控，融合涉及線粒體融合蛋白1、線粒體融合蛋白2、視神經萎縮蛋白1等[43]。線粒體分裂過多和融合減少是許多疾病的早期事件，抑制分裂或促進融合均可以防止細胞進一步損害。研究表明，高血糖暴露可以刺激背根神經節神經元的線粒體分裂，最初Drp1上調引起的分裂是保護性的，有利于提高細胞的代謝能力和適應性，然而長期的葡萄糖暴露會啟動線粒體的促凋亡分裂，Drp1會招募促凋亡蛋白Bcl-2相關X蛋白并與之形成Drp1/Bcl-2相關X蛋白復合體，破壞線粒體膜的完整性和通透性導致線粒體凋亡[44]。盡管施萬細胞線粒體動力學在DPN發病中的作用尚不明確，但其重要性在遺傳性運動感覺周圍神經病中已得到證實。有研究表明，施萬細胞中與線粒體分裂有關的神經節苷脂誘導分化相關蛋白1的突變與脫髓鞘型遺傳性運動感覺周圍神經病密切相關[42]；而另一項研究采用多光子顯微鏡延時成像技術在活體小鼠中發現，施萬細胞中視神經萎縮蛋白1的基因突變會引起線粒體融合缺陷，引發脫髓鞘和軸突變性[45]。說明施萬細胞線粒體對神經元和軸突存活至關重要，可作為獨立因素引起周圍神經病變的發生。然而，施萬細胞線粒體動力學在糖尿病中的改變及與DPN的潛在關系尚待進一步研究和探討。

3.6線粒體自噬受損 線粒體自噬是指受損或功能障礙的線粒體被細胞自噬體系靶向吞噬并被溶酶體降解的過程，是線粒體進行質量控制維持細胞存活的最后一道防線，一旦其受損便會啟動細胞死亡信號。線粒體自噬和線粒體氧化應激加劇與生物發生受損密切相關，主要由PETN誘導假定激酶1/Parkin、Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3/NIX和線粒體FUN14結構域包含蛋白1三條通路介導，進一步與泛素和自噬相關蛋白微管相關蛋白1輕鏈3直接相互作用，介導線粒體清除。在糖尿病db/db小鼠模型的心肌、視網膜和腎臟中均存在線粒體自噬受損，且在高糖培養的視網膜色素上皮細胞、腎小管上皮細胞中均發現線粒體內存在繼發于氧化應激損害的自噬能力減弱，即PETN誘導假定激酶1/Parkin受到抑制、Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3的表達減少、異常線粒體聚集等，最終造成細胞凋亡[46-48]；而采用線粒體靶向抗氧化劑mitoQ、mitoTEMPO等藥物減少線粒體ROS可以恢復線粒體自噬能力，部分逆轉高血糖造成的線粒體損害[49-50]。盡管目前針對糖尿病神經病變中線粒體自噬的研究十分有限，但有研究發現DPN小鼠的周圍神經和高糖培養的施萬細胞中均存在細胞自噬能力下降，而采用藥物增強自噬可改善DPN并減少施萬細胞凋亡[39,51]。另外，脫髓鞘性神經病變的發展與髓鞘碎片的清除效率有關，施萬細胞自噬能力下降會使受損髓鞘的碎片不能及時清除，延遲神經修復和再生；而采用神經生長因子提高施萬細胞的自噬能力會加速周圍神經的損傷后修復[26,52]。鑒于施萬細胞線粒體在軸突維持中的重要作用及高血糖對自噬的抑制作用，線粒體自噬作為一種靶向受損細胞器的精準自噬形式，可能成為治療DPN的又一個潛在靶點。

4 小 結

由于線粒體是維持細胞能量穩態的關鍵，線粒體功能障礙可能通過多種機制導致代謝性疾病和神經退行性病變的發生。在疾病狀態下，代謝紊亂、氧化應激和鈣超載是導致線粒體產能效率下降、出現功能障礙的起因，而線粒體生物發生和動力學等質控體系的失衡進一步推進了線粒體損害，受損線粒體經線粒體自噬被移除和替換是保全正常線粒體數量的最后一道防線，一旦線粒體自噬潰敗，便會發生細胞死亡。盡管施萬細胞對維持軸突生存的重要性受到越來越多的關注，但在DPN中施萬細胞線粒體受損的具體機制尚未得到充分研究。因此，進一步探討施萬細胞線粒體功能障礙及其內在機制將為明確DPN的致病機制提供更多依據。