賀 瓊 王永樂(lè) 陳成龍 鄧 蕊
2019版國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Fedration,IDF)全球糖尿病地圖顯示中國(guó)糖尿病患者人數(shù)為1.16億[1],居全球各個(gè)國(guó)家地區(qū)之首,其中2型糖尿病患者占比大于90%[2],高達(dá)1.04億以上。2型糖尿病多在中年發(fā)病,因高脂飲食、作息不規(guī)律等不良生活方式誘導(dǎo)起病。隨著年齡增加,胰島β細(xì)胞功能缺失及胰島素抵抗增加是2型糖尿病發(fā)病的主要原因,前者是2型糖尿病發(fā)病的中心環(huán)節(jié),因?yàn)橐葝uβ細(xì)胞分泌的胰島素是人體內(nèi)唯一具有降糖作用的激素,對(duì)維持體內(nèi)血糖穩(wěn)定發(fā)揮至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)公認(rèn)的細(xì)胞衰老理論將胰島β細(xì)胞凋亡視作其分泌功能缺失的原因。與之相反,2017年提出的去分化理論則認(rèn)為胰島β細(xì)胞返祖退化回干細(xì)胞幼稚狀態(tài),才導(dǎo)致細(xì)胞喪失了分泌胰島素的專項(xiàng)功能。全新的去分化理論推翻了遵循多年的信條,讓研究人員重新回歸到對(duì)生命本質(zhì)的思考,站在哲學(xué)的基點(diǎn)上審視生命科學(xué)的自然規(guī)律,選擇科學(xué)的自然哲學(xué)思想指引疾病治療手段和新藥研發(fā)方向,盡可能保障糖尿病患者治療的安全性和有效性,守護(hù)每一個(gè)糖尿病家庭的福祉。
2型糖尿病發(fā)病的經(jīng)典機(jī)制是胰島β細(xì)胞功能衰竭,走向凋亡。胰島素分泌缺陷導(dǎo)致體內(nèi)唯一一種具有降低血糖作用的激素含量大大減少,無(wú)法代償攝食后增高的血糖水平[3],體內(nèi)長(zhǎng)期糖毒性環(huán)境持續(xù)損害患者的胰腺、心臟、肝臟、血管等器官,最終表現(xiàn)為糖尿病。
隨著糖尿病發(fā)病機(jī)制的深入研究,胰島β細(xì)胞凋亡理論表現(xiàn)出其局限性,因?yàn)樗鼉H以一種機(jī)械、封閉、線性的觀點(diǎn)將胰島β細(xì)胞的生命周期理解為從生到老再到死的單向過(guò)程,而忽略了外界信息對(duì)細(xì)胞生命活動(dòng)的影響。機(jī)械論主張將復(fù)雜問(wèn)題分解為細(xì)微部分研究,如將一部機(jī)器細(xì)分為電路和軸承等零部件進(jìn)行獨(dú)立研究,否認(rèn)了不同要素之間存在相互作用。機(jī)械論適用于對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解剖析,但生物學(xué)是涉及多層次交織的復(fù)雜問(wèn)題,生命系統(tǒng)的維持發(fā)展與外界環(huán)境的物質(zhì)能量交換密不可分。胰島β細(xì)胞凋亡理論孤立片面地看待生命系統(tǒng),這樣一種基于機(jī)械論的認(rèn)識(shí)是不合理的。
細(xì)胞分化(cell differentiation)是指同一來(lái)源的細(xì)胞通過(guò)基因組在時(shí)間和空間上的選擇性表達(dá),產(chǎn)生不同的細(xì)胞類群,發(fā)揮各自獨(dú)特生理功能的過(guò)程。一般情況下,細(xì)胞分化過(guò)程是不可逆的。然而,在某些條件下,已經(jīng)分化了的細(xì)胞不具備絕對(duì)穩(wěn)定性,其基因表達(dá)模式也可以發(fā)生可逆性變化,喪失特有的結(jié)構(gòu)功能又回到其未分化狀態(tài),這一過(guò)程稱為細(xì)胞去分化(cell dedifferentiation)。具體到胰島β細(xì)胞,分化過(guò)程代表多能干細(xì)胞經(jīng)過(guò)基因選擇性表達(dá)產(chǎn)生能夠分泌胰島素的胰島β細(xì)胞亞群。反之,已經(jīng)分化或部分分化的胰島β細(xì)胞退去成熟細(xì)胞的特性,反向回歸到原始細(xì)胞,導(dǎo)致部分或全部喪失胰島素分泌功能稱為胰島β細(xì)胞去分化[4]。
2004年首次在體外培養(yǎng)的人胰島β細(xì)胞中觀察到去分化現(xiàn)象[5],2017年加拿大的Domenico Accili教授[6]進(jìn)一步證實(shí)了胰島β細(xì)胞去分化理論的可靠性,并被授予了糖尿病研究領(lǐng)域最高獎(jiǎng)項(xiàng)Banting獎(jiǎng),該理論完全顛覆了人們對(duì)糖尿病發(fā)病機(jī)制的固有認(rèn)知,可能將從本質(zhì)上改變糖尿病預(yù)防和治療對(duì)策,因此引起糖尿病基礎(chǔ)和臨床研究領(lǐng)域的高度重視。目前認(rèn)為,細(xì)胞應(yīng)激、叉形頭轉(zhuǎn)錄因子1(forkhead box 01,Fox01)缺乏、脂毒性等是導(dǎo)致胰島β細(xì)胞去分化的可能原因,在體內(nèi)高糖環(huán)境下,β細(xì)胞去分化可能是一種自發(fā)性保護(hù)適應(yīng)機(jī)制,通過(guò)改變自身功能以防止損傷,躲避死亡結(jié)局?;诖耍A(yù)防β細(xì)胞發(fā)生去分化,或促進(jìn)去分化細(xì)胞再分化為β細(xì)胞是恢復(fù)功能性β細(xì)胞數(shù)量的關(guān)鍵?,F(xiàn)有研究表明腸促胰素與鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(sodium-dependent glucose transporters 2,SGLT2)的聯(lián)合使用可能對(duì)穩(wěn)定β細(xì)胞表型發(fā)揮有益作用[7]。β細(xì)胞去分化理論為預(yù)防和治療2型糖尿病提供了新的思路,但由于理論提出時(shí)間較短,其對(duì)2型糖尿病的發(fā)病機(jī)制和治療對(duì)策的指導(dǎo)意義還有待進(jìn)一步挖掘。
胰島β細(xì)胞去分化理論與凋亡理論大相徑庭,認(rèn)為β細(xì)胞分泌功能逐漸喪失的原因不是從成熟走向衰老,而是細(xì)胞從成熟退化為初始幼稚狀態(tài)。兩種觀點(diǎn)的差異根源在于哲學(xué)出發(fā)點(diǎn)不同,與凋亡理論相比,去分化理論承認(rèn)生命走向的可逆趨勢(shì),也就肯定了細(xì)胞本身就是一個(gè)與眾多環(huán)境因素進(jìn)行交互作用的開放系統(tǒng),生命過(guò)程是動(dòng)態(tài)變化的,其變化方向取決于整個(gè)開放系統(tǒng)干擾因素的總體表現(xiàn)。在存在差異的同時(shí),兩種觀點(diǎn)卻均承認(rèn)β細(xì)胞的功能是糖尿病發(fā)病機(jī)制的核心。在β細(xì)胞的生命周期中,分化環(huán)節(jié)決定了細(xì)胞功能的初始定位以及未來(lái)可能的發(fā)展方向,從根本上定義了β細(xì)胞在體內(nèi)發(fā)揮的角色和作用。
二戰(zhàn)前后科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,現(xiàn)實(shí)生活中面對(duì)的不再是簡(jiǎn)單的單因素問(wèn)題,而需要解決航天學(xué)、生物學(xué)這類涵蓋統(tǒng)計(jì)學(xué)、自然科學(xué)、社會(huì)心理學(xué)等多因素的復(fù)雜問(wèn)題,科學(xué)思維的基本方向就轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)觀點(diǎn),一般系統(tǒng)論應(yīng)運(yùn)而生[8]1-3。繼美籍奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲提出一般系統(tǒng)論之后,科學(xué)家們提出了耗散結(jié)構(gòu)理論、超循環(huán)理論和廣義進(jìn)化論等。
一般系統(tǒng)論認(rèn)為生命系統(tǒng)是開放系統(tǒng),且大到人體、小到細(xì)胞都是一個(gè)開放系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部各組分間、內(nèi)部與外部各因素間都存在相互關(guān)聯(lián)[8]29-32,36。耗散結(jié)構(gòu)理論是一般系統(tǒng)論中的核心觀點(diǎn),它具體指開放系統(tǒng)的發(fā)展和物質(zhì)能量交換朝向一種遠(yuǎn)離平衡的非線性方向進(jìn)行,整體向有序熵減趨勢(shì)發(fā)展,最終通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部自組織現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的有序結(jié)構(gòu),這種有序結(jié)構(gòu)就是耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論由美國(guó)科學(xué)院院士普里戈金提出,描述了開放系統(tǒng)從無(wú)序走向有序狀態(tài)必須滿足三個(gè)條件:(1)系統(tǒng)處于開放狀態(tài);(2)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡態(tài)并不斷與外界產(chǎn)生物質(zhì)能量交換;(3)系統(tǒng)內(nèi)各因素在非線性條件下發(fā)生漲落作用[9]。
3.2.1 胰島β細(xì)胞在人體內(nèi)的正常生理作用
胰腺是人體中兼具內(nèi)分泌和外分泌功能的消化器官。內(nèi)分泌功能通過(guò)胰島分泌胰島素、胰高血糖素實(shí)現(xiàn)血糖水平的靈活調(diào)節(jié),胰腺還能產(chǎn)生多種消化酶,通過(guò)胰管匯入腸道參與食物的消化吸收過(guò)程,此為胰腺的外分泌功能。胰島組織中的β細(xì)胞約占胰島細(xì)胞總數(shù)的50%,它分泌的胰島素是體內(nèi)唯一一種具有降低血糖作用的激素物質(zhì)。長(zhǎng)期處于高糖高脂飲食的人群,一旦胰島β細(xì)胞分泌胰島素的功能受損,體內(nèi)的胰高血糖素、甲狀腺激素、生長(zhǎng)激素等多種具有升血糖作用的激素即展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)作用,血糖穩(wěn)態(tài)被打破,體液中的葡萄糖含量高于正常水平,表現(xiàn)為2型糖尿病。
3.2.2 功能正常的胰島β細(xì)胞是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)
人體內(nèi)正常的胰島β細(xì)胞滿足耗散結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng)、物質(zhì)能量交換、各組分非線性波動(dòng)的三要素。正常情況下胰島β細(xì)胞釋放胰島素的過(guò)程為:細(xì)胞外液中葡萄糖濃度增加,三羧酸循環(huán)增強(qiáng),ATP含量增加,細(xì)胞膜上的ATP敏感鉀離子通道關(guān)閉,細(xì)胞出現(xiàn)去極化。進(jìn)而電壓依賴性鈣離子通道開放,細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度上升,促進(jìn)含有胰島素的囊泡通過(guò)胞吐作用釋放到細(xì)胞外液中[10-11]。
上述過(guò)程得以正常實(shí)現(xiàn)就說(shuō)明胰島β細(xì)胞是一個(gè)耗散結(jié)構(gòu)。首先β細(xì)胞自身是一個(gè)開放系統(tǒng),與其周圍的環(huán)境在不斷地產(chǎn)生相互作用。細(xì)胞的生存環(huán)境是細(xì)胞外液,體液中的多種離子如K+、Ca+含量變化通過(guò)影響動(dòng)作電位幅度促進(jìn)胰島素的分泌功能,胰島素與靶細(xì)胞結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)人體血糖水平。此外胰島β細(xì)胞的細(xì)胞膜為磷脂雙分子層結(jié)構(gòu),根據(jù)分子量的不同,K+和Ca+通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散、主動(dòng)運(yùn)輸,胰島素通過(guò)胞吐實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)外的物質(zhì)交換,同時(shí)伴隨著以ATP為載體的能量傳遞。物質(zhì)和能量交換的結(jié)果就是胰島β細(xì)胞內(nèi)部離子、蛋白質(zhì)等各組分間在非線性條件下發(fā)生漲落。
3.2.3 胰島β細(xì)胞去分化是偏離耗散結(jié)構(gòu)的墑增過(guò)程
當(dāng)細(xì)胞從具備成熟分泌功能的分化細(xì)胞退化回幼稚狀態(tài)時(shí),原始細(xì)胞與外界信息能量的交流減少,系統(tǒng)趨向封閉的墑增模型。生命有機(jī)體通過(guò)自發(fā)產(chǎn)生或者輸入具有高度自由能的復(fù)雜分子以避免熵增,維持有序的耗散結(jié)構(gòu)和自身穩(wěn)定狀態(tài)[8,12]。而這種有序結(jié)構(gòu)在外界刺激因素的作用下會(huì)因持續(xù)的正熵引入或負(fù)熵產(chǎn)生的減少遭到破壞。以胰島β細(xì)胞為例,紊亂的代謝過(guò)程和異常的基因調(diào)控均會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性物質(zhì),如晚期糖基化終末產(chǎn)物等,這類正熵性質(zhì)的代謝廢物持續(xù)堆積,同時(shí)由于細(xì)胞功能受損,負(fù)熵性質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)無(wú)法被細(xì)胞分解利用。正熵增加,而負(fù)熵減少,細(xì)胞趨向熵值的紊亂狀態(tài),所以逐漸喪失特有的胰島素分泌功能,退回到為未分化干細(xì)胞狀態(tài)。
胰島β細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)改變是正熵增加的主要來(lái)源。近年來(lái)相關(guān)研究證實(shí)FoxO1轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)胰島β細(xì)胞去分化的過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。已有實(shí)驗(yàn)表明,在體細(xì)胞FoxO1轉(zhuǎn)錄因子缺失的小鼠體內(nèi),可以觀察到胰島β細(xì)胞的祖細(xì)胞及多能性標(biāo)志物上調(diào)[4]。此外,DNA甲基化、非編碼RNA、組蛋白修飾等發(fā)生異常均會(huì)引起β細(xì)胞代謝的紊亂,引起異常炎癥因子的激活,加劇熵增的進(jìn)程[13]。一些與胰島素原折疊相關(guān)的基因發(fā)生突變,會(huì)使大量錯(cuò)誤折疊的胰島素原堆積在內(nèi)質(zhì)網(wǎng),激活未折疊蛋白反應(yīng),并影響正常胰島素的胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)[14]。正常β細(xì)胞內(nèi)不存在因基因改變而形成的異種物質(zhì),這些物質(zhì)的出現(xiàn)是系統(tǒng)正熵的來(lái)源,當(dāng)正熵物質(zhì)含量的增加超出系統(tǒng)所能承載的限度時(shí),細(xì)胞耗散結(jié)構(gòu)被破壞,進(jìn)而向病理方向進(jìn)展。
正常情況下β細(xì)胞產(chǎn)生的帶有正熵屬性的代謝廢物,如自由基、醛類物質(zhì)等會(huì)被胞內(nèi)的還原酶體系清除,因此還原酶是細(xì)胞內(nèi)的負(fù)熵來(lái)源。在持續(xù)的強(qiáng)氧化應(yīng)激刺激下,極易引起還原酶體系功能失調(diào)。研究證實(shí)在高脂高糖飼養(yǎng)的恒河猴模型中觀察到還原酶活性下降和胰島β細(xì)胞的去分化現(xiàn)象[15]。說(shuō)明負(fù)熵物質(zhì)減少也能打破β細(xì)胞的原有耗散結(jié)構(gòu),出現(xiàn)細(xì)胞去分化現(xiàn)象。
一般系統(tǒng)論的分支信息流動(dòng)理論指出信息流與能量流相伴而行。生命有機(jī)體之所以能夠維持自身的穩(wěn)定,是因?yàn)樵谝粋€(gè)開放系統(tǒng)中存在信息流動(dòng)過(guò)程,包括信息輸入、處理和輸出三個(gè)環(huán)節(jié)。輸出信號(hào)通過(guò)正向調(diào)節(jié)或反向調(diào)節(jié)輸入信號(hào),進(jìn)而維持整個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡的穩(wěn)態(tài)。如果上述三個(gè)環(huán)節(jié)維持在非線性穩(wěn)定狀態(tài),胰島β細(xì)胞則通過(guò)正常分化過(guò)程產(chǎn)生胰島素,調(diào)控體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)。相反,若三個(gè)環(huán)節(jié)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò),胰島β細(xì)胞則出現(xiàn)去分化,喪失分泌胰島素功能,引發(fā)糖尿病。
輸入環(huán)節(jié)是開放系統(tǒng)信號(hào)流動(dòng)的起始環(huán)節(jié),一定程度上決定了信息處理和輸出環(huán)節(jié)能否依次進(jìn)行,在起始處就引入錯(cuò)誤的信號(hào)源,將嚴(yán)重影響下游信號(hào)流通環(huán)節(jié)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于長(zhǎng)期飲食結(jié)構(gòu)不合理,體內(nèi)出現(xiàn)高糖高脂環(huán)境,當(dāng)含糖量和含脂量超出細(xì)胞所能承受的閾值,將會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)、擾亂細(xì)胞周期,進(jìn)而觸發(fā)去分化現(xiàn)象,細(xì)胞從生理狀態(tài)向病理狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、翻譯以及相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)控均是信息處理過(guò)程。FoxO1轉(zhuǎn)錄因子承接外界刺激與胰島β細(xì)胞去分化的中間環(huán)節(jié)。研究證實(shí),F(xiàn)oxO1和FoxA1/2轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)與特異的DNA序列結(jié)合,調(diào)節(jié)胰島素相關(guān)基因的表達(dá)[16]。而高糖患者體內(nèi)的β細(xì)胞FoxO1轉(zhuǎn)錄因子缺失,使轉(zhuǎn)錄、翻譯過(guò)程無(wú)法進(jìn)行,開放系統(tǒng)信息處理環(huán)節(jié)受到阻滯,導(dǎo)致開放系統(tǒng)正常流通環(huán)節(jié)被打破,具有負(fù)熵屬性的細(xì)胞因子無(wú)法被表達(dá)并引入整個(gè)系統(tǒng)中,細(xì)胞整體熵值增加,向失衡病態(tài)方向發(fā)展。
胰島素?zé)o法正常分泌或分泌的量不足是最終導(dǎo)致糖尿病的信息輸出環(huán)節(jié)。胰島素缺失直接導(dǎo)致血糖調(diào)節(jié)失靈,開放系統(tǒng)的正反饋、負(fù)反饋功能也隨之喪失,加重了細(xì)胞偏離耗散結(jié)構(gòu)的程度。眾多胰島β細(xì)胞先后發(fā)生去分化,體內(nèi)血糖調(diào)節(jié)能力整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),臨床診斷為2型糖尿病。
胰島β細(xì)胞具有開放系統(tǒng)的異因同果特性,即通過(guò)不同的途徑可以達(dá)到相同的狀態(tài)。對(duì)于胰島β細(xì)胞來(lái)說(shuō),經(jīng)歷正常發(fā)育周期可以順利分泌胰島素,此外若在發(fā)育環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)引入外界治療手段,修正錯(cuò)誤功能后,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)分泌胰島素的功能?;蚓庉嫾夹g(shù)是一種近年來(lái)發(fā)展迅猛的應(yīng)用于細(xì)胞層面的治療手段,當(dāng)患者的胰島β細(xì)胞出現(xiàn)功能衰竭時(shí),可以運(yùn)用基因編輯技術(shù)剪切掉胰島β細(xì)胞株中編碼去分化功能的相關(guān)基因。由此可以從根源上消除胰島β細(xì)胞出現(xiàn)去分化的可能性,使細(xì)胞始終處于低熵狀態(tài)。將這種基因編輯后的胰島β細(xì)胞株植入患者體內(nèi),就可以有效防止2型糖尿病的出現(xiàn)。
合理調(diào)節(jié)信息流通的三個(gè)環(huán)節(jié)是預(yù)防和治療2型糖尿病的可行方法。就信息輸入環(huán)節(jié)而言,健康的生活方式有助于維持細(xì)胞外液各種組分處于正常范圍內(nèi),為細(xì)胞創(chuàng)造了良好的生存環(huán)境以預(yù)防糖尿??;信息處理環(huán)節(jié)則涉及到眾多細(xì)胞因子和代謝酶,上述兩種物質(zhì)含量的輕微改變即可引發(fā)細(xì)胞功能的顛覆性改變,因此這兩者均可以作為化學(xué)藥物研發(fā)的作用靶點(diǎn);在信息輸出環(huán)節(jié),加快代謝廢物的排出速率有助于避免重要細(xì)胞器受損;此外,為2型糖尿病患者皮下注射外源性胰島素,則直接補(bǔ)充了輸出產(chǎn)物的缺失,同樣可以維持信息輸出環(huán)節(jié)的正常流通。
2型糖尿病病因經(jīng)典機(jī)制指出胰島β細(xì)胞衰老和功能下降是疾病的中心環(huán)節(jié),但從一般系統(tǒng)論的觀點(diǎn)出發(fā),我們更認(rèn)同用去分化理論詮釋2型糖尿病發(fā)病機(jī)制的合理性。當(dāng)β細(xì)胞受到外界不良刺激超過(guò)自身調(diào)節(jié)能力時(shí),細(xì)胞內(nèi)正熵增加、負(fù)熵減少,返祖為未分化的狀態(tài),喪失了產(chǎn)生胰島素的功能,最終出現(xiàn)2型糖尿病?;诖?,疾病的治療思路應(yīng)從排出正熵,引入負(fù)熵的角度出發(fā),幫助受損細(xì)胞再次回到非線性穩(wěn)態(tài)[17]。從一般系統(tǒng)論視角下解讀胰島β細(xì)胞去分化理論旨在為相關(guān)領(lǐng)域科研人員提供一種理解糖尿病發(fā)病機(jī)制的新思路,以期早日找到2型糖尿病的根治方法造福患者。