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830054 烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科

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·綜述·

糖尿病心肌中線粒體膜通透性轉(zhuǎn)化孔變化的研究進(jìn)展

程明月郭海鄭宏

830054 烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院麻醉科

【摘要】心肌保護(hù)措施在糖尿病心肌病中弱化或缺失的現(xiàn)象已引起研究者們的廣泛關(guān)注，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)化孔(MPTP)異常開放作為細(xì)胞死亡的終末環(huán)節(jié)在糖尿病心肌病的發(fā)生及發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。該文重點(diǎn)探討了糖尿病心肌病MPTP結(jié)構(gòu)、開放程度及其調(diào)節(jié)機(jī)制的變化，同時(shí)闡述了糖尿病心肌病中己糖激酶的變化。特異性靶向干預(yù)線粒體凋亡途徑、抑制MPTP異常開放將成為治療糖尿病心肌病的新靶點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】糖尿病心肌??；心肌保護(hù)；線粒體膜通透性轉(zhuǎn)化孔

Mitochondrial permeability transition pore

心血管疾病作為人類健康的頭號(hào)殺手，一直備受矚目[1]。近年來，隨著糖尿病發(fā)病率直線上升，其作為缺血性心臟病的危險(xiǎn)因素之一也越來越被人們所重視。線粒體是細(xì)胞能量產(chǎn)生的重要場(chǎng)所,也參與了細(xì)胞凋亡的過程。因此,線粒體功能障礙在糖尿病心肌病(DC)的發(fā)生及發(fā)展過程中起著關(guān)鍵作用。近年有研究證實(shí)，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)化孔(MPTP)是線粒體內(nèi)外信息交流的中心環(huán)節(jié)，線粒體功能的發(fā)揮受其開放狀態(tài)的影響。本文對(duì)DC中MPTP結(jié)構(gòu)、開放程度以及調(diào)節(jié)機(jī)制改變的研究進(jìn)展做一綜述，旨在為特異性靶向干預(yù)線粒體凋亡途徑等治療DC的新方法提供依據(jù)。

一、DC中線粒體結(jié)構(gòu)和功能的變化

線粒體內(nèi)外膜上存在一種由多種蛋白組成的非選擇性復(fù)合孔道，即MPTP通道，其結(jié)構(gòu)尚未完全明了，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其主要由內(nèi)膜的腺苷酸轉(zhuǎn)位子(ANT)、外膜的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)、基質(zhì)的親環(huán)蛋白D(CyP-D)、已糖激酶、肌酸激酶以及苯二氮類受體等蛋白組成。其中ANT主要調(diào)節(jié)線粒體的能量代謝，線粒體膜通透性主要由VDAC所調(diào)節(jié)。免疫抑制劑親環(huán)素在細(xì)胞內(nèi)主要與CyP-D相結(jié)合，結(jié)合后可抑制MPTP開放，親環(huán)素作為MPTP特異性抑制劑也引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。該通道其余組成部分主要起調(diào)節(jié)細(xì)胞壞死和凋亡的作用,如已糖激酶Ⅱ在心肌缺血再灌注損傷中占有重要地位，其與VDAC結(jié)合會(huì)使促凋亡蛋白Bax與線粒體結(jié)合率降低，從而表現(xiàn)出抑制凋亡的作用。相關(guān)分析表明己糖激酶與VDAC連接愈密切，細(xì)胞凋亡趨勢(shì)越不明顯，同時(shí)已糖激酶Ⅱ還能有效抑制心肌肥厚和重塑[2]。已糖激酶Ⅱ?qū)剐募∪毖俟嘧p傷的機(jī)制主要包括調(diào)節(jié)線粒體外膜的通透性以及穩(wěn)定線粒體膜電位，防止線粒體膜破裂、減少細(xì)胞色素C的釋放及活性氧簇生成，從而達(dá)到保護(hù)心肌的作用。

在大量糖尿病模型中，心肌線粒體結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變均得到了證實(shí),如在1型及2型糖尿病動(dòng)物模型中均發(fā)現(xiàn)心肌生物合成、線粒體數(shù)量及超微結(jié)構(gòu)異常。而且糖尿病大鼠模型的心臟線粒體呼吸鏈相關(guān)酶活性明顯降低，證實(shí)了其線粒體呼吸功能受損[3]。有學(xué)者運(yùn)用高糖高脂飲食復(fù)合鏈脲佐菌素復(fù)制糖尿病大鼠模型后,發(fā)現(xiàn)其心肌線粒體結(jié)構(gòu)紊亂，膜電位下降 ,順烏頭酸酶活性減弱，呼吸鏈功能受損[4]。這些研究均表明,在DC的發(fā)生及發(fā)展過程中，線粒體的結(jié)構(gòu)及其功能障礙起著至關(guān)重要的作用。MPTP作為線粒體內(nèi)外信息交流的樞紐，線粒體功能發(fā)揮正常與否由其開放狀態(tài)所決定。Gurel等[5]研究證明，DC的已糖激酶Ⅱ結(jié)構(gòu)、活性與正常心肌有所不同。越來越多的研究顯示已糖激酶Ⅱ?qū)?xì)胞代謝也有著重要的調(diào)節(jié)作用，如其可升高葡萄糖水平從而促進(jìn)胰島素的釋放，能通過增強(qiáng)糖酵解葡萄糖氧化偶聯(lián)預(yù)防酸中毒，抑制脂肪酸氧化等[6-8]。已糖激酶Ⅱ缺乏表達(dá)及其細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)的變化，都將增加糖尿病患者罹患糖尿病缺血性心臟病的幾率。線粒體與已糖激酶Ⅱ相互作用的內(nèi)源性分子機(jī)制，幾乎可以防止所有類型組織中細(xì)胞的凋亡，靶向治療已糖激酶Ⅱ在腦卒中、心肌梗死、器官移植等方面必將占重要地位。Sasaki等[9]研究發(fā)現(xiàn)DC中冠狀動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞可以誘導(dǎo)MPTP通道中VDAC蛋白表達(dá)含量增多，VDAC的過量表達(dá)不僅可以引起鈣超載及活性氧自由基增多，同時(shí)也可以抑制線粒體的鈣攝取，從而促進(jìn)MPTP的進(jìn)一步開放。和正常心肌相比較，糖尿病心肌中已糖激酶Ⅱ表達(dá)含量明顯下降，與VDAC的結(jié)合率降低，細(xì)胞凋亡加速，如增加已糖激酶Ⅱ的表達(dá)，可以逆轉(zhuǎn)上述現(xiàn)象。MPTP剩余組成部分在DC中是否也存在著結(jié)構(gòu)和功能的變化，尚有待于進(jìn)一步研究。

二、DC中MPTP開放程度的改變

生理情況下，線粒體內(nèi)膜幾乎對(duì)所有離子及代謝產(chǎn)物不通透。線粒體利用其低通透性維持一定的膜電位和離子梯度，有利于能量合成及細(xì)胞供能。線粒體內(nèi)膜通透性依賴于MPTP開放的狀態(tài)，當(dāng)MPTP處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)有利于能量的合成。在鈣2+超載，活性氧簇及無機(jī)磷酸鹽增多，膜電位下降等情況下MPTP開放[10]。MPTP開放后，胞質(zhì)中分子質(zhì)量較小的物質(zhì)會(huì)通過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，同時(shí)三磷酸腺苷底物會(huì)流失至胞質(zhì)。因此線粒體超微結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，膜電位崩潰，呼吸功能受損，能量合成減少，外膜破裂，細(xì)胞色素C釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。此外，MPTP還參與鈣2+的生理調(diào)節(jié)。DC的MPTP通道開放水平明顯增加，其開放狀態(tài)的增加導(dǎo)致線粒體大量釋放細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子及細(xì)胞色素C等，Sloan等[11]認(rèn)為，DC中血糖水平的升高可誘導(dǎo)MPTP開放，通過增加線粒體膜的通透性，促進(jìn)細(xì)胞色素C釋放，其被釋放到胞質(zhì)中可引發(fā)Caspase活化級(jí)聯(lián)，同時(shí)凋亡蛋白酶激活因子1在凋亡過程中也被釋放至胞質(zhì)，兩者在胞質(zhì)結(jié)合從而介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。DC中膜電位明顯降低，鈣2+轉(zhuǎn)運(yùn)增加及活性氧自由基生成增多，均進(jìn)一步證實(shí)DC中MPTP開放的增加，以上所述也很可能是DC發(fā)病機(jī)制的組成部分。

三、DC中MPTP調(diào)節(jié)機(jī)制的變化

MPTP的心肌保護(hù)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制主要集中在環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)/激活蛋白激酶 G(PKG)通路、再灌注損傷挽救激酶(RISK)通路以及生存活化因子增強(qiáng)(SAFE)通路[12-14]。這3條主要通路并非相互獨(dú)立與排斥，而是在不同程度上相互協(xié)同保護(hù)心肌。線粒體作為不同心肌保護(hù)信號(hào)的匯聚地，起著至關(guān)重要的作用。有研究表明糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)是以上3條心肌保護(hù)信號(hào)的樞紐，其磷酸化程度提高了MPTP開放的閾值，從而保護(hù)心肌[15]。

Inouye等[16]的臨床研究證實(shí)，由于胰島素抵抗的原因，缺血預(yù)處理或后處理在肥胖的2型糖尿病患者中的保護(hù)作用減弱或消失，提高胰島素敏感性可以有效改善以上現(xiàn)象。目前DC發(fā)生缺血性再灌注損傷，缺血預(yù)處理或后處理保護(hù)作用減弱或消失的具體機(jī)制尚未明確，可能與RISK通路中的蛋白激酶磷酸化受糖尿病因素的影響有關(guān)。近期較多研究支持在缺血預(yù)處理中磷脂酰肌醇3激酶(P13K)-蛋白激酶B(Akt)-GSK-3β信號(hào)通路起著主導(dǎo)作用。GSK-3β能抑制下游MPTP過度開放，從而產(chǎn)生心肌保護(hù)作用。2型糖尿病和胰島素抵抗等狀態(tài)下P13K-Akt-GSK-3β信號(hào)通路受到影響，Akt磷酸化程度降低，進(jìn)而導(dǎo)致其下游樞紐環(huán)節(jié)GSK-3β磷酸化水平下降，MPTP開放程度增加，使得缺血預(yù)處理或后處理對(duì)DC再灌注損傷的保護(hù)作用減弱或消失。

四、總結(jié)與展望

線粒體作為細(xì)胞的能量工廠，對(duì)心臟功能發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。DC中，由于血糖升高、胰島素抵抗等原因引起活性氧自由基增加、鈣2+超載、心肌保護(hù)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制改變、MPTP開放程度增加,這些均導(dǎo)致了線粒體結(jié)構(gòu)和功能的變化。同時(shí)這也是DC發(fā)病機(jī)制的重要組成部分。因而特異性靶向干預(yù)線粒體凋亡途徑、減少活性氧自由基生成和鈣2+超載、抑制MPTP異常開放等均將成為治療DC的新靶點(diǎn)，同時(shí)也為臨床開辟了新的研究方向、提供了新的治療策略。

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(本文編輯：洪悅民)

Research progress of changes in mitochondrial permeability transition pore in patients with diabetic myocardium

ChengMingyue,GuoHai,ZhengHong.

DepartmentofAnesthesiology,theFirstAffiliatedHospitalofXinjiangMedicalUniversity,Urumqi830054,China

【Abstract 】The phenomenon of weakening or absence of myocardial protection in patients diagnosed with diabetic cardiomyopathy has attracted widespread attention from investigators. As the terminal event of cell death, abnormal opening of mitochondrial permeability transition pore (MPTP) plays a crucial role in the development of diabetic cardiomyopathy. In this article, the alterations in the structure, opening and regulatory mechanism of MPTP in patients with diabetic cardiomyopathy were mainly discussed, and the changes in the hexokinase in these patients were elucidated. Specifically-targeted intervention of mitochondrial apoptosis pathway and inhibition of abnormal opening of MPTP will probably serve as novel targets of treatment of diabetic cardiomyopathy.

【Key words】Diabetic cardiomyopathy; Myocardial protection;

(收稿日期：2015-10-29)

Corresponding author, Zheng Hong, E-mail:xjzhenghong@aliyun.com

通訊作者，鄭宏，E-mail:xjzhenghong@aliyun.com

基金項(xiàng)目：新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院院內(nèi)基金(2013ZRQN29)

DOI:10.3969/j.issn.0253-9802.2016.02.002