細胞自噬與糖尿病微血管并發癥的關系研究進展

楊佳惠, 莊淼, 王楊寧致, 蔡季平, 王曉露, 姚勇

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

糖尿病(diabetes mellitus,DM)及其并發癥的患病率近年來持續快速增長,對全球健康的不利影響不可忽視。高血糖是發生糖尿病微血管并發癥(diabetic microvascular complications,DMC)的主要危險因素[1]。DMC是糖尿病最常見、最重要的慢性特異性并發癥,其典型病理特征是微循環障礙及微血管基底膜增厚。DMC多出現在微血管分布集中的部位,如視網膜、腎臟、神經周圍等,引起糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)、糖尿病腎病(diabetic nephropathy,DN)和糖尿病周圍神經病變(diabetic peripheral neuropathy,DPN)等疾病[2]。現代醫學對DMC的確切發病機制尚未完全闡明,近年來研究發現,自噬功能紊亂和DMC之間有比較密切的關系,本文對該領域的研究進展進行綜述。

1 自噬

自噬是一種消除細胞內受損細胞器和缺陷蛋白的溶酶體降解途徑,對維持細胞穩態至關重要。自噬按照發生過程可分為巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬。巨自噬(以下稱為自噬)是最相關的途徑,涉及具有多個囊泡融合事件的復雜的自我降解過程[3],包括下列重要步驟:① Beclin-1/囊泡分類蛋白34(vacuolar protein sorting 34,Vps34)在內質網和其他膜上響應應激信號通路控制囊泡的形成;② 自噬相關蛋白(autophagy-related protein,Atg)5、Atg12與Atg16L相互作用,囊泡多聚化;③ 微管相關蛋白輕鏈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,內容物被酶降解[4]。這中間任何一環節受損都會導致自噬功能障礙。

在缺氧、高糖、生長因子去除、營養物質缺乏或活性氧釋放增強等各種應激條件下,自噬水平上調,以適應細胞對營養物質和能量增加的需求[5]。另一方面,在自噬過載時主要表現出對細胞、組織的損傷作用。因此,根據細胞微環境的變化、疾病進展的階段和治療干預措施等不同,自噬可能發揮其雙重性效應,參與代謝、衰老、癌癥等疾病的進展[6-8]。

2 自噬的調節

自噬受細胞中的重要信號途徑調節,包括應激信號激酶通過磷酸化B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)促進Beclin-1與Vps34的相互作用,增加吞噬泡及自噬體形成,促進自噬[9]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是決定細胞自噬水平的中心信號分子,它是將代謝、生長因子和能量信號整合到自噬水平的關鍵部分,通過抑制unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activating kinase 1,ULK1)復合物,在脂質雙分子層形成自噬體的早期階段介導其對自噬的影響。當饑餓、缺氧和細胞內低ATP水平時,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復合物,繼而激活下游類磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphati-dylinositol-3-kinase,PI3K)復合體,募集多種自噬相關物質。相反,當營養豐富或給予一些生長因子信號可以通過胰島素受體及其他生長因子受體來激活PI3K和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT),增加Rheb GTPase活性從而促進mTOR活性,自噬被抑制[10-11]。

3 自噬與糖尿病

胰島β細胞專門用于分泌胰島素以響應血糖濃度的變化,已經證明自噬參與了受胰島素水平影響而自我調節的胰島β細胞以及肝臟和骨骼肌的病理生理學功能。在高糖環境下,胰島β細胞容易受到內質網應激影響,而自噬已被證明對內質網應激具有保護作用并促進線粒體更新,進而使機體適應高糖環境[12]。但當自噬功能障礙時,如Atg7基因缺陷小鼠表現出胰島β細胞退化、胰島素分泌減少和糖耐量受損[13]。在一項關于離體的人類胰腺的研究中,接觸棕櫚酸酯(一種代謝內質網應激源)可導致胰島β細胞凋亡增加和胰島素分泌減少,自噬誘導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,自噬通量的異常可能導致糖尿病進展。

4 自噬對DMC的影響

4.1 自噬與DR

DR是糖尿病最常見和最嚴重的眼部并發癥,是導致工作年齡人群(20～74歲)可預防性失明的主要原因[15]。DR的主要特征是先出現微血管壁周細胞丟失,隨后發生微血管瘤、血-視網膜屏障破壞、血管滲漏,進而無細胞毛細血管、新生血管形成,最終可引起玻璃體出血和牽拉性視網膜脫離,甚至失明[16]。目前認為DR的發病機制是長期高血糖導致多種生化途徑的異常調節,如氧化應激和自由基形成、晚期糖基化終產物的產生和自噬功能障礙等[5]。而DR時,自噬水平降低,受損或老化的細胞器和缺陷蛋白質等成分積累,進一步加劇了視網膜的神經和血管變性。

Wang等[17]的研究表明,鏈脲佐菌素(streptozotocin,STZ)誘導的糖尿病小鼠視網膜中Beclin-1、Atg7和LC3-Ⅱ的表達較對照組減少;而用乙酰肝素酶抑制劑后,通過抑制mTOR通路而促進自噬,可以抑制炎癥因子的分泌,減緩DR的進展。在高糖處理的大鼠視網膜Müller細胞中,黃連素通過激活AMPK信號通路增強自噬,從而減少高糖誘導的Müller細胞凋亡[18]。而用3-MA抑制自噬可顯著增加DR時視網膜神經節細胞(retinal ganglion cell,RGC)的凋亡[19]。Shi等[20]研究發現,人視網膜色素上皮細胞株(retinal pigment epithelial cells,ARPE-19)暴露于高糖環境中,自噬體數量增加、LC3-Ⅱ蛋白表達上調。而通過3-MA預處理抑制自噬作用,則促進核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體的形成及炎癥因子的分泌,促進ARPE-19細胞的凋亡。Mao等[21]研究發現,線粒體去乙酰化酶Sirtuin 3(SIRT3)可以促進自噬,進而下調血管內皮生長因子和缺氧誘導因子1α的表達來抑制胰島素誘導的視網膜新生血管形成。

另有研究表明,長期高血糖會導致mTOR抑制,從而導致自噬失調。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]發現一種編碼組蛋白H1.2蛋白的基因(HIST1H1C)敲除后顯著降低了基礎和高糖誘導的自噬,減輕了炎癥和細胞毒性。相反,HIST1H1C過表達導致自噬增加、神經膠質激活和神經元丟失,這是DR早期發現的病理變化。這些發現表明,自噬的過度刺激與視網膜細胞死亡增加有關,并參與了DR的進展。Fu等[24]研究了自噬在DR中的這種雙重調節作用,結果表明較低濃度(50 mg/L)的高氧化糖化低密度脂蛋白(HOG-LDL)促進自噬介導的人視網膜毛細血管周細胞存活,而較高濃度(200 mg/L)即嚴重壓力導致自噬介導的細胞死亡,隨著刺激水平的變化,自噬發揮著不同的作用。

糖尿病模型中自噬的調節作用隨著疾病的進展而有所不同,結果取決于所分析的時間點。有研究[25]觀察到在STZ誘導的糖尿病大鼠中,視網膜LC3-Ⅱ表達的雙相性,其特征是與對照大鼠相比,LC3B在2個月大的糖尿病大鼠視網膜中增加,而在4個月大的糖尿病大鼠視網膜中顯著減少。該實驗中初始自噬水平的上調可能是對高血糖刺激適應性調節的一部分。隨著糖尿病病程的延長,調節系統過載,自噬明顯減少,導致視網膜細胞的凋亡。

4.2 自噬與DN

DN在全球仍是導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,足細胞受損,并伴有腎小管萎縮及蛋白尿。足細胞是構成腎小球濾過屏障的重要部分,在維持腎功能方面高度專業化,是DN發展過程中至關重要的腎細胞。由于足細胞不能進行適當的有絲分裂過程,缺乏增殖能力,依靠自噬維持細胞內環境的穩定,因此具有較高的基礎自噬活性[26],而這種高水平的自噬不僅是腎臟在高糖下的一種保護機制,也是維持足細胞正常的結構和功能所必需的,異常自噬被認為是DN進展為終末期腎病的重要催化劑[27]。大量的證據表明,mTOR是影響DN發展的最主要自噬負調節因子,Xiao等[28]也證明在糖尿病小鼠中,雷帕霉素通過抑制mTOR,增加足細胞LC3的表達和自噬水平,減少白蛋白排泄、足細胞足突融合、腎小球基底膜增厚和基質堆積。腎小管間質損害是DN進展的重要標志,近端腎小管上皮細胞(proximal tubule epithelial cell,PTEC)構成腎小管間質的主要部分,是血糖水平升高的重要靶點。在基礎條件下,與足細胞相比,PTEC在小鼠中的自噬水平通常較低[29]。然而,PTEC的主動轉運會消耗大量能量,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細胞在上述惡劣環境中的存活。與mTOR在足細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的線粒體形態和足細胞改變以及與之相關的細胞凋亡,減緩晚期DN的進展。因此,大量蛋白尿的糖尿病患者足細胞和PTEC自噬不足,自噬受損又進一步加劇了DN進展,而恢復自噬過程可以減緩DN的進展[31-32]。

當然,自噬的正向調節因子如SIRT1和AMPK也能影響DN的發病機制。在DN中SIRT1的表達降低[33],天然多酚白藜蘆醇以及褪黑激素可通過激活SIRT1或AMPK-mTOR信號通路激活自噬,在DN中具有腎臟保護作用[34-35]。二甲雙胍也被證明對DN具有潛在的保護作用,Xu等[36]在糖尿病大鼠模型中發現二甲雙胍可通過激活AMPK和SIRT1并抑制轉錄因子叉頭盒O1來減輕氧化應激并增強自噬,從而緩解DN的發展過程。此外,用于治療2型糖尿病的新型藥物鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2抑制劑(如達格列凈、恩格列凈)也可激活SIRT1/AMPK,從而抑制AKT/mTOR信號傳導并調節自噬[37]。胰高血糖素樣肽-1受體激動劑(如利拉魯肽、索馬魯肽)通過影響AMPK-mTOR信號通路正向調節自噬通量[38]。這兩類藥物還可通過降糖、利鈉、增加腎小球濾過率等方式,誘導多種有益的血流動力學和代謝變化,這有助于減少氧化應激和炎癥,促進腎組織中自噬平衡的恢復,延緩DN的進展[31]。

4.3 自噬與DPN

糖尿病性神經病變是一組臨床上多樣化的疾病,可以影響周圍神經系統和自主神經系統。DPN是糖尿病神經病變中最常見的形式,導致近30%的2型糖尿病患者出現疼痛、生活質量下降、步態障礙和抑郁癥狀[39]。DPN患者的早期變化包括細胞外基質蛋白的積累、炎癥、神經缺血、周圍神經軸突變性和節段性脫髓鞘,這會導致感覺運動傳導延遲和不可逆的神經損傷,繼而導致DPN的進行性發展[40]。施萬細胞是周圍神經系統中的神經膠質細胞,通過包裹無髓軸突以及分泌神經營養因子維持周圍神經結構和功能的完整性,并修復受損神經[41]。多項研究觀察到自噬在周圍神經病理過程中的激活跡象,在軸突再生期間,自噬體廣泛出現在再生軸突和Bungner帶(受損神經遠端部位的再生軌道)中相關施萬細胞的胞質中[42]。

基于自噬在神經病變中的重要作用,很多研究圍繞調節自噬水平對DPN的作用。一方面,研究者觀察到自噬在神經損傷后的髓鞘施萬細胞中激活,當神經生長因子刺激神經損傷模型后,進一步激活施萬細胞中的自噬,增強髓鞘碎片清除并加速神經再生[43]。另一方面,在脫髓鞘施萬細胞和培養的神經節段中,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,可抑制受損神經中的髓鞘蛋白和脂質分解,即抑制了受損神經的修復[44]。Chung等[45]發現,西那卡塞(臨床上治療繼發性甲狀旁腺功能亢進的擬鈣劑)可以通過誘導AMPK活化,促進自噬和改善細胞凋亡,顯著緩解人類施萬細胞和坐骨神經中DPN相關癥狀。

然而,也有研究者發現[46],在STZ誘導的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傳導功能)表達下調,同時可見自噬過度活躍,可能增加施萬細胞凋亡并導致DPN大鼠坐骨神經脫髓鞘的作用;Lipin1過表達則顯著抑制了高血糖誘導的自噬過度活躍和細胞凋亡,改善坐骨神經的病理變化,增加運動神經傳導速度,減輕DPN。此外,Wang等[47]發現高糖刺激可以通過激活JNK通路引起大鼠施萬細胞過度自噬,觸發細胞凋亡;用丹酚酸B(從丹參中提取的新一代天然生物活性物質)處理后,自噬下調,使細胞免于凋亡。這種自噬作用對比鮮明的結果需要進一步研究。

5 總結與展望

細胞自噬在糖尿病及其微血管并發癥中發揮重要作用,然而,它的確切作用仍然難以捉摸,是發揮抵消還是促進糖尿病及微血管并發癥還不明確。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性反應[48];另一方面,在嚴重壓力和疾病后期,由于長期損傷導致系統過載,自噬失調導致細胞凋亡加劇[24]。自噬作為干預糖尿病及其微血管并發癥的新靶點有巨大潛力,需要進一步地研究自噬在DMC中的具體參與機制,為DMC臨床診治提供理論依據。