邢 燕，葉山東

（安徽省立醫(yī)院內(nèi)分泌科，安徽合肥230001）

線粒體功能障礙與腎小球足細(xì)胞損傷的研究進(jìn)展

邢 燕，葉山東＊

（安徽省立醫(yī)院內(nèi)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(wèi)生的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟預(yù)測(cè)，2030年全世界的糖尿病患病人數(shù)將達(dá)到5.52億［1］。隨著糖尿病群體的迅猛擴(kuò)增，糖尿病腎?。╠iabetic nephropathy，DN）的發(fā)生率也逐年增加，業(yè)已成為導(dǎo)致終末期腎病最常見的原因［2］。DN發(fā)病機(jī)制目前尚未明確，研究指出包括氧化應(yīng)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(jié)構(gòu)和功能

線粒體不僅是細(xì)胞氧化磷酸化的中心，也是細(xì)胞凋亡的調(diào)控中心。它是由內(nèi)外兩層膜封閉的囊狀結(jié)構(gòu)，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四個(gè)功能區(qū)。內(nèi)膜上有質(zhì)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(zhì)子的傳遞伴隨。線粒體氧化呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜，有五種分子質(zhì)量很大的跨膜蛋白復(fù)合體組成，它們分別是復(fù)合體Ⅰ（NADH泛醌氧化還原酶）、復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸泛醌氧化還原酶）、復(fù)合體Ⅲ（細(xì)胞色素C還原酶）、復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素C氧化酶）以及復(fù)合體Ⅴ（ATP合酶）。呼吸鏈同時(shí)還需要兩個(gè)小分子的電子載體：泛醌和細(xì)胞色素C，使電子按氧化還原電位從低到高傳遞，能量逐級(jí)釋放。線粒體基質(zhì)中的質(zhì)子泵入外室，導(dǎo)致線粒體內(nèi)外室電壓不平衡而形成跨膜電位，這對(duì)維持線粒體正常功能是十分必要的。正常生理?xiàng)l件下，線粒體透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP）周期性開放，使外室的質(zhì)子或正離子進(jìn)入內(nèi)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(xì)胞損傷

足細(xì)胞即臟層上皮細(xì)胞，它是一種終末分化細(xì)胞，分化成熟后不能再生，增殖再生能力極其有限，故其胞質(zhì)中需大量線粒體以提供能量維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能。它位于腎小球毛細(xì)血管壁的最外層，直接暴露于腎小球高壓及流體切應(yīng)力作用下，是血漿大分子從腎小球?yàn)V過的最后一道屏障。本課題組前期研究表明足細(xì)胞損傷與蛋白尿、腎小球硬化密切相關(guān)［6，7］。在有可能進(jìn)展至終末期腎衰竭的腎小球疾病中，足細(xì)胞是主要的受累靶點(diǎn)，而線粒體又是高糖攻擊足細(xì)胞的核心靶點(diǎn)，線粒體功能障礙可通過相應(yīng)的信號(hào)通路觸發(fā)足細(xì)胞損傷導(dǎo)致進(jìn)展性腎小球硬化［8］。研究證實(shí)線粒體功能障礙是足細(xì)胞損傷的早期事件［9］，糖尿病腎組織中線粒體的功能出現(xiàn)異常表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為以下四個(gè)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(nèi)富含線粒體，氧化磷酸化系統(tǒng)受損將導(dǎo)致線粒體功能紊亂［10］。線粒體功能障礙是導(dǎo)致糖尿病腎病的關(guān)鍵致病因子，也是影響足細(xì)胞氧化磷酸化和能量供應(yīng)的主要影響因素。糖尿病小鼠db／db出現(xiàn)線粒體解偶連，主要表現(xiàn)為腎小球?yàn)V過率增加，蛋白尿和線粒體分裂［11］。高糖培養(yǎng)足細(xì)胞的氧耗率明顯升高，復(fù)合體Ⅰ抑制劑魚藤酮可抑制上述病變［12］。足細(xì)胞喪失有絲分裂活性，需要大量能量供應(yīng)來維持包括肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白在內(nèi)的多種功能。線粒體產(chǎn)能對(duì)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和遷移十分重要，線粒體功能障礙時(shí)ATP產(chǎn)生減少會(huì)特異性地破壞肌動(dòng)蛋白和中間絲結(jié)構(gòu)，作用于細(xì)胞骨架而導(dǎo)致足細(xì)胞與基底膜分離［13］，導(dǎo)致足細(xì)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(nèi)膜，參與線粒體質(zhì)子漏和質(zhì)子運(yùn)輸，通過降低線粒體內(nèi)外膜的質(zhì)子電位差行使線粒體解偶聯(lián)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(shí)部分中藥提取物可通過抑制UCP－2表達(dá)，保持體外培養(yǎng)足細(xì)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(yīng)激：線粒體是細(xì)胞能量生成的重要細(xì)胞器，也是廣受關(guān)注的細(xì)胞調(diào)節(jié)氧化應(yīng)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?xiàng)l件下體內(nèi)氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)呈動(dòng)態(tài)平衡，ROS是足細(xì)胞進(jìn)行正常代謝所必需的一種小分子，它們參與電子傳遞和細(xì)胞氧化呼吸代謝，并作為細(xì)胞內(nèi)氧化還原信使傳遞調(diào)控胞內(nèi)信號(hào)，但細(xì)胞內(nèi)過量ROS積累將導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能損傷［16］。線粒體呼吸鏈被證實(shí)是細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的最主要來源，其中輔酶Q可將單個(gè)電子傳遞給氧分子而使其單價(jià)還原成ROS［17］。2001年Brownlee等［18］在Nature上提出了“糖尿病并發(fā)癥的統(tǒng)一理論”，將氧化應(yīng)激和糖尿病緊密聯(lián)系起來，該理論認(rèn)為線粒體呼吸鏈ROS產(chǎn)生過多是高糖導(dǎo)致組織損傷的啟動(dòng)因子。過多的氧自由基可激活多元醇途徑、終末糖基化產(chǎn)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(jìn)一步誘導(dǎo)ROS積聚后導(dǎo)致細(xì)胞損傷及凋亡，形成不斷促進(jìn)自由基持續(xù)產(chǎn)生的正反饋控制系統(tǒng)，誘發(fā)組織細(xì)胞損傷的惡性循環(huán)。線粒體酶復(fù)合體活性受損時(shí)，將生成大量ROS導(dǎo)致廣泛的氧化損傷惡性循環(huán)，并進(jìn)一步減少ATP合成。在醛固酮誘導(dǎo)的足細(xì)胞損傷中，伴隨有ROS大量產(chǎn)生、線粒體超微結(jié)構(gòu)改變、線粒體膜電位下降、ATP合成減少等［19］表現(xiàn)。高水平的游離脂肪酸，尤其是飽和脂肪酸在線粒體基質(zhì)中積聚后導(dǎo)致線粒體ROS大量合成，直接誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化和線粒體功能損傷。伴隨著體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)功能失調(diào)，游離脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)和氧化受阻將直接破壞組足細(xì)胞裂孔隔膜結(jié)構(gòu)［20］。醛固酮和高糖可引起足細(xì)胞ROS生成增加，進(jìn)而激活下游絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）等信號(hào)通路，導(dǎo)致足細(xì)胞足突消失［21］。研究證實(shí)ROS過量表達(dá)可導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白降解損傷足細(xì)胞，增大裂孔隔膜間距，蛋白大量從腎臟漏出［22］。在DN動(dòng)物模型中證實(shí)體內(nèi)氧化應(yīng)激標(biāo)記物顯著升高，抗氧化劑可減輕足細(xì)胞足突的廣泛融合［23］，減輕足細(xì)胞損傷及蛋白尿。

2.3 線粒體與足細(xì)胞凋亡：凋亡有外源性途徑（死亡受體途徑）和內(nèi)源性途徑（線粒體途徑）之分。線粒體介導(dǎo)的凋亡表現(xiàn)為脂質(zhì)過氧化膜通透性改變，凋亡蛋白包括細(xì)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(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子等從線粒體釋放到胞漿，隨之引起caspase瀑布式活化和細(xì)胞凋亡［24］。凋亡受一系列分子調(diào)控，其中Bcl－2家族起著決定性作用。細(xì)胞色素C從線粒體釋放到細(xì)胞質(zhì)是多種凋亡的共同表現(xiàn)，它可擾亂線粒體電子傳遞鏈，刺激ROS的堆積使MPTP持續(xù)開放，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［25］。凋亡主要表現(xiàn)為染色質(zhì)固縮，DNA片段化以及caspase的活化，而這些病理表現(xiàn)多與DN有一定聯(lián)系，足細(xì)胞凋亡是導(dǎo)致足細(xì)胞數(shù)目下降的主要原因。線粒體在高糖刺激下，生成大量ROS，導(dǎo)致細(xì)胞色素C從線粒體膜間隙釋放，激活caspase－9和caspase－3，導(dǎo)致大量的足細(xì)胞凋。在與線粒體相關(guān)的足細(xì)胞凋亡過程中，活性氧發(fā)揮重要的信使作用。它作用于線粒體凋亡途徑中的各個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，線粒體凋亡中的信號(hào)分子反過來也影響ROS，使之互為因果。研究證實(shí)ROS可通過細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶活化而誘導(dǎo)足細(xì)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(jìn)而活化促凋亡的P38MAPK和caspase－3使體外培養(yǎng)的足細(xì)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(zhì)對(duì)線粒體造成氧化損傷，可使線粒體膜脂質(zhì)過氧化、膜流動(dòng)性降低、線粒體內(nèi)外膜蛋白過氧化，蛋白質(zhì)交鏈，造成MPTP開放，線粒體膜通透性升高，線粒體凋亡相關(guān)物質(zhì)釋放，引起細(xì)胞凋亡［28－29］。

2.4 線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）受損：mtDNA的重復(fù)、拷貝數(shù)下降、缺失及點(diǎn)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(tǒng)酶復(fù)合物的亞單位，mtDNA缺陷可使線粒體氧化磷酸化產(chǎn)能障礙，ATP合成減少，能量產(chǎn)生低于腎臟能量需求閾值。近年來表現(xiàn)為腎小球病變的線粒體細(xì)胞病越來越受到廣泛關(guān)注，線粒體細(xì)胞病腎臟病理除了表現(xiàn)為局灶性節(jié)段性腎小球硬化外，還表現(xiàn)為玻璃樣變小動(dòng)脈病變和足細(xì)胞足突損傷。電鏡下表現(xiàn)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(nèi)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?nèi)膜，是細(xì)胞內(nèi)ROS的主要產(chǎn)生部位，線粒體又缺乏完善的修復(fù)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(xì)胞生存和黏附活性減退，足細(xì)胞在受到損傷因素刺激后可導(dǎo)致ROS過量產(chǎn)生并累積，阻斷mtDNA的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，減少拷貝數(shù)，同時(shí)ROS會(huì)連續(xù)攻擊mtDNA熱點(diǎn)基因誘導(dǎo)突變，進(jìn)一步導(dǎo)致電子傳遞鏈缺陷使ROS不斷產(chǎn)生并損傷機(jī)體。

3 結(jié)語

綜上所述，線粒體功能障礙與足細(xì)胞損傷密切相關(guān)，參與糖尿病腎病的發(fā)生發(fā)展。后續(xù)研究應(yīng)詳細(xì)了解線粒體功能障礙導(dǎo)致足細(xì)胞損傷的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路傳導(dǎo)機(jī)制，從而為藥物治療DN，減輕蛋白尿和足細(xì)胞損傷提供一定的理論依據(jù)，為DN的防治提供更有效的手段。

［1］Whiting DR，Guariguata L，Weil C，et al.IDF diabetes atlas：global estimates of the prevalence of diabetes for 2011and 2030［J］.Diabetes Res Clin Pract，2011，94（3）：311.

［2］Pyram R，Kansara A，Banerji MA，et al.Chronic kidney disease and diabetes［M］.Maturitas，2012，71（2）：94.

［3］Sayed AA.Ferulsinaic acid attenuation of diabetic nephropathy［J］.Eur J Clin Invest，2013，43（1）：56.

［4］Gunst J，Derese I，Aertgeerts A，et al.Insufficient autophagy contributes to mitochondrial dysfunction，organ failure，and adverse outcome in an animal model of critical illness［J］.Crit Care Med，2013，41（1）：177.

［5］Davis RE，Williams M.Mitochondrial function and dysfunction：an update［J］.J Pharmacol Exp Ther，2012，342（3）：598.

［6］邢 燕，葉山東，陳玉米，等.不同劑量鹽酸吡格列酮對(duì)糖尿病大鼠尿Podocalyxin排泄的影響［J］.中國(guó)糖尿病雜志，2013，21（2）：175.

［7］Xing Y，Ye S，Hu Y，Chen Y.Podocyte as a potential target of inflammation：role of pioglitazone hydrochloride in patients with type 2diabetes［J］.Endocr Pract，2012，18（4）：493.

［8］Tsuruoka S，Hiwatashi A，Usui J，et al.The mitochondrial SIRT1－PGC－1αaxis in podocyte injury［J］.Kidney Int，2012，82（7）：735.

［9］Yuan Y，Huang S，Wang W，et al.Activation of peroxisome proliferator－activated receptor－γcoactivator 1αameliorates mitochondrial dysfunction and protects podocytes from aldosterone－induced injury［J］.Kidney Int，2012，82（7）：771.

［10］Mancuso M，Orsucci D，F(xiàn)ilosto M，et al.Drugs and mitochondrial diseases：40queries and answers［J］.Expert Opin Pharmacother，2012，13（4）：527.

［11］Persson MF，F(xiàn)ranzén S，Catrina SB，et al.Coenzyme Q10prevents GDP－sensitive mitochondrial uncoupling，glomerular hyperfiltration and proteinuria in kidneys from db／db mice as a model of type 2diabetes［J］.Diabetologia，2012，55（5）：1535.

［12］Stieger N，Worthmann K，Teng B，et al.Impact of high glucose and transforming growth factor－βon bioenergetic profiles in podocytes［M］.Metabolism，2012，61（8）：1073.

［13］Barisoni L.Podocyte biology in segmental sclerosis and progressive glomerular injury［J］.Adv Chronic Kidney Dis，2012，19（2）：76.

［14］Qiu W，Zhou Y，Jiang L，et al.Genipin inhibits mitochondrial uncoupling protein 2expression and ameliorates podocyte injury in diabetic mice［J］.PLoS One，2012，7（7）：e41391.

［15］Galano A，Tan DX，Reiter RJ.Melatonin as a natural ally against oxidative stress：aphysicochemical examination［J］.J Pineal Res，2011，51（1）：1.

［16］Circu ML，TY Aw.Reactive oxygen species，cellular redox systerns，and apoptosis［J］.Free Radical Biol Med，2010，48（6）：749.

［17］Sivitz WI，Yorek MA.Mitochondrial dysfunction in diabetes： from molecular mechanisms to functional significance and therapeutic opportunities［J］.Antioxid Redox Signal，2010，12（4）：537.

［18］Brownlee M.Biochemistry and molecular cell biology of diabetic complications［J］.Nature，2001，414（6865）：813.

［19］Zhu C，Huang S，Yuan Y，et al.Mitochondrial dysfunction mediates aldosterone－induced podocyte damage：a therapeutic target of PPARγ［J］.Am J Pathol，2011，178（5）：2020.

［20］Nosadini R，Tonolo G.Role of oxidized low density lipoproteins and free fatty acids in the pathogenesis of glomerulopathy and tubulointerstitial lesions in type 2diabetes［J］.Nutr Metab Cardiovasc Dis，2011，21（2）：79.

［21］Toyonaga J，Tsuruya K，Ikeda H，et al.Spironolactone inhibits hyperglycemia－induced podocyte injury by attenuating ROS production［J］.Nephrol Dial Transplant，2011，26（8）：2475.

［22］Kinugasa S，Tojo A，Sakai T，et al.Selective albuminuria via podocyte albumin transport in puromycin nephrotic rats is attenuated by an inhibitor of NADPH oxidase［J］.Kidney Int，2011，80（12）：1328.

［23］Xue W，Lei J，Li X，et al.Trigonella foenum graecum seed extract protects kidney function and morphology in diabetic rats via its antioxidant activity［J］.Nutr Res，2011，31（7）：555.

［24］Webster KA.Mitochondrial membrane permeabilization and cell death during myocardial infarction：roles of calcium and reactive oxygen species［J］.Future Cardiol，2012，8（6）：863.

［25］Circu ML，Aw TY.Reactive oxygen species，cellular redox systerns，and apoptosis［J］.Free Radical Biol Med，2010，48（6）：749.

［26］Chen CA，Chen TS，Chen HC.Extracellular signal－regulated kinase plays a proapoptotic role in podocytes after reactive oxygen species treatment and inhibition of integrin－extracellular matrix interaction［J］.Exp Biol Med（Maywood），2012，237（7）：777.

［27］Susztak K，Raff AC，Schiffer M，et al.Glucose－induced reactive oxygen species cause apoptosis of podocytes and podocyte depletion at the onset of diabetic nephropathy［J］.Diabetes，2006，55（1）：225.

［28］Avery SV.Molecular targets of oxidative stress［J］.Biochem J，2011，434（2）：201.

［29］Zhou YJ，Zhang SP，Liu CW，et al.The protection of selenium on ROS mediated－apoptosis by mitochondria dysfunction in cadmium－induced LLC－PK（1）cells［J］.Toxicol In Vitro，2009，23（2）：288.

［30］Madsen－Bouterse SA，Zhong Q，Mohammad G，et al.Oxidative damage of mitochondrial DNA in diabetes and its protection by manganese superoxide dismutase［J］.Free Radic Res，2010，44（3）：313.

2013－08－22）

1007－4287（2014）10－1726－03

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