王近吳,范加維，戴小珍

1.成都醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院(成都 610500)；2.成都醫(yī)學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(成都 610500)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活方式的改變，糖尿病發(fā)病率呈明顯上升趨勢(shì)。據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)合會(huì)(international diabetes federation，IDF)發(fā)布的最新數(shù)據(jù)[1]：2017年全球約4.25億成年人(20～79歲)患糖尿病，預(yù)計(jì)到2045年患者數(shù)將增加至6.29億。糖尿病已成為全球重大的慢性疾病，患病率持續(xù)增長(zhǎng)，嚴(yán)重危害人類健康，成為世界性的公共衛(wèi)生難題。其中，糖尿病血管并發(fā)癥(diabetic vascular complications，DVC)是最常見(jiàn)、最嚴(yán)重的并發(fā)癥之一。

DVC以全身血管損害為特點(diǎn)，根據(jù)損傷所在部位，分為大血管并發(fā)癥(主要累及心臟、腦及四肢)、微血管并發(fā)癥(主要損傷眼睛、腎臟，還包含糖尿病神經(jīng)病變和糖尿病性功能障礙)[2]。與非糖尿病人群相比，糖尿病人群死亡率增加，下肢壞疽及截肢風(fēng)險(xiǎn)較正常人群高40倍，失明、腎衰、心血管病的發(fā)病率都大大增加[3]。臨床試驗(yàn)[4]表明，強(qiáng)化血糖控制對(duì)大血管和終末器官微血管病的改善結(jié)果尚不滿意。而DVC的發(fā)病機(jī)理仍不清楚，因此，深入探討DVC的發(fā)生機(jī)制、尋求藥物干預(yù)，對(duì)于降低糖尿病致殘致死率，改善糖尿病患者預(yù)后具有深遠(yuǎn)意義。

血管內(nèi)皮作為血管保護(hù)屏障，易感知到血液微環(huán)境變化，繼而引起內(nèi)皮功能穩(wěn)態(tài)改變，導(dǎo)致內(nèi)皮受損因素多樣且復(fù)雜，其中，外周循環(huán)高糖高脂環(huán)境導(dǎo)致的氧化應(yīng)激損傷可能是糖尿病內(nèi)皮功能受損的主要原因[5]。線粒體是產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS )的重要場(chǎng)所，糖尿病導(dǎo)致線粒體功能障礙從而產(chǎn)生過(guò)量mtROS，過(guò)量mtROS在內(nèi)皮功能受損過(guò)程中起著關(guān)鍵作用[6]；所以改善線粒體功能是治療DVC的重要靶點(diǎn)。

1 內(nèi)皮功能受損與糖尿病血管并發(fā)癥

血管內(nèi)皮細(xì)胞是血管壁最內(nèi)側(cè)一層連續(xù)被覆于血管內(nèi)腔面的扁平多功能細(xì)胞。作為活躍的代謝及內(nèi)分泌器官，對(duì)血栓與止血、炎癥與免疫，以及血管再生都起著調(diào)節(jié)作用[7]。正常條件下，內(nèi)皮細(xì)胞可合成釋放多種生物活性物質(zhì)，這些物質(zhì)通過(guò)血液流動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送、激活或抑制凝血蛋白、防止血栓形成和白細(xì)胞的滲出來(lái)維持體內(nèi)平衡。研究[8]發(fā)現(xiàn)，糖尿病血管并發(fā)癥患者中，一些內(nèi)皮、炎癥和促凝血生物標(biāo)記物，如血管性血友病因子(von willebrand factor，vWF)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)、D-二聚體(Ddimer)和纖溶酶原激活物抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1 ，PAI-1)增加，指標(biāo)的增加提示促凝血因子激活和內(nèi)皮功能受損。內(nèi)皮細(xì)胞合成分泌的多種活性物質(zhì)都參與了體內(nèi)病理生理過(guò)程[9]。其中，一氧化氮(nitrous oxide，NO) 和內(nèi)皮素(endothelin，ET-1)是血管內(nèi)皮細(xì)胞分泌的兩種重要因子[2,10]。NO 主要由內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelium-derived nitricoxide synthase，eNOS)催化產(chǎn)生， NO通過(guò)阻止血小板和白細(xì)胞與血管壁相互作用的分子信號(hào)，從而使血管免受內(nèi)源性損傷；它還能抑制血小板聚集、促凝血酶激活、組織氧化及炎癥。因此，內(nèi)皮依賴性NO介導(dǎo)的舒張功能受損是糖尿病患者內(nèi)皮功能障礙的指征[11]。糖尿病狀態(tài)下，eNOS 脫偶聯(lián)，NO 合成明顯減少，生成過(guò)多ROS 和過(guò)氧亞硝酸鹽，從而引起強(qiáng)烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)，血管收縮劑前列腺素和ET-1的合成增加。高糖導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞修復(fù)能力受損，血管內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)被破壞，血管張力及血流動(dòng)力學(xué)改變，凝血系統(tǒng)的激活導(dǎo)致血小板黏附聚集，血管通透性增加[10]；另外，各種血管內(nèi)皮細(xì)胞因子生成并表達(dá)，如內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、核轉(zhuǎn)錄因子、活化蛋白型纖溶酶原激活物抑制因子、血管黏附分子等，進(jìn)一步加重了血管內(nèi)皮損傷[2,4,8]。同時(shí)激活的絲裂素活化蛋白激酶信號(hào)通路，促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。內(nèi)皮受損使NO生物利用度降低，血管阻力增加[10]。最終引發(fā)了包括血管內(nèi)皮損傷、纖溶系統(tǒng)紊亂，糖尿病血管并發(fā)癥等病變，使局部組織供血障礙，缺血缺氧，引起組織壞死。

由此可見(jiàn)，內(nèi)皮功能障礙在糖尿病血管并發(fā)癥的初始和反復(fù)發(fā)作中起關(guān)鍵作用，因此，深入探討糖尿病內(nèi)皮損傷機(jī)制對(duì)于改善糖尿病血管并發(fā)癥的防治具有重要研究?jī)r(jià)值。

2 線粒體在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中的作用

線粒體功能障礙是糖尿病導(dǎo)致的內(nèi)皮功能損傷的早期事件[7]。線粒體是細(xì)胞內(nèi)數(shù)量最多的細(xì)胞器，由雙層膜狀結(jié)構(gòu)包裹，內(nèi)含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和遺傳信息物質(zhì)。其主要功能是氧化磷酸化，為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供能量。除了產(chǎn)生能量，線粒體還可通過(guò)突觸控制 Ca2+的儲(chǔ)存和釋放以維持細(xì)胞內(nèi) Ca2+濃度動(dòng)態(tài)平衡[12]；此外，線粒體還參與了細(xì)胞基質(zhì)代謝、細(xì)胞凋亡、啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等多種活動(dòng)[13-14]。

ROS 是體內(nèi)氧化應(yīng)激的始發(fā)因素，而線粒體則為體內(nèi) ROS 來(lái)源的主要細(xì)胞器[15]。糖尿病環(huán)境下，機(jī)體由糖代謝主要轉(zhuǎn)換為脂代謝，使得體內(nèi)游離脂肪酸升高，引起線粒體分裂融合，使線粒體內(nèi)膜電位超極化，導(dǎo)致線粒體電子轉(zhuǎn)移鏈解偶聯(lián)，超氧化物生成增加。持續(xù)處于高糖環(huán)境會(huì)促使 mtROS 過(guò)度生成[16]，可進(jìn)一步加重線粒體形態(tài)和功能損傷,從而引發(fā)細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷、細(xì)胞凋亡、炎癥等反應(yīng)。接下來(lái)將重點(diǎn)歸納總結(jié)線粒體氧化應(yīng)激、線粒體動(dòng)力學(xué)、線粒體凋亡三方面在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中的作用。

2.1 線粒體氧化應(yīng)激損傷

mtROS被認(rèn)為是高血糖及其在血管、腎臟、神經(jīng)元和視網(wǎng)膜病理?xiàng)l件下的一種介質(zhì)。葡萄糖可直接刺激ROS的生成，使多種酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活，導(dǎo)致線粒體功能障礙，包括NADPH氧化酶激活、eNOS解耦聯(lián)和黃嘌呤氧化酶的刺激[2]。氧化應(yīng)激和低度炎癥被認(rèn)為是導(dǎo)致糖尿病及其并發(fā)癥的主要因素[10]。線粒體可通過(guò)有效的抗氧化系統(tǒng)(如超氧化物歧化酶和過(guò)氧化物酶)清除過(guò)量ROS。但隨著年齡增加或在病理狀態(tài)下，細(xì)胞抗氧化能力降低，ROS生成速度超過(guò)細(xì)胞清除速度，使得ROS 在細(xì)胞中積累，引起DNA突變，蛋白、脂質(zhì)過(guò)氧化以及線粒體膜通道開(kāi)放，最終造成細(xì)胞損傷。所以ROS的產(chǎn)生和降解平衡對(duì)于維持細(xì)胞發(fā)揮正常生理功能非常重要。

糖尿病患者體內(nèi)的氧化應(yīng)激狀態(tài)使血管病變概率大大提高，Giacco等[17]發(fā)現(xiàn)，高糖誘導(dǎo)超氧化物產(chǎn)生,隨后刺激其他途徑產(chǎn)生更多超氧化物發(fā)揮更強(qiáng)的損傷作用。細(xì)胞內(nèi)高水平ROS可破壞線粒體膜結(jié)構(gòu)，開(kāi)放線粒體內(nèi)外膜交界處的滲透性轉(zhuǎn)換通道，造成線粒體跨膜電位下降，氧化磷酸化受阻，同時(shí)線粒體功能不斷受損,機(jī)體陷入氧化損傷的惡性循環(huán)[2]。通過(guò)抗氧化劑或過(guò)表達(dá)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)及過(guò)氧化氫酶能夠預(yù)防組織細(xì)胞病變,間接證明了ROS在糖尿病并發(fā)癥中的重要作用。

2.2 線粒體動(dòng)力學(xué)

線粒體存在于一個(gè)由細(xì)胞外營(yíng)養(yǎng)水平和細(xì)胞內(nèi)能量需求所組成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，它可以不停地進(jìn)行融合分裂，這種運(yùn)動(dòng)稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體對(duì)維持細(xì)胞功能有重要影響，動(dòng)力學(xué)平衡紊亂會(huì)造成細(xì)胞能量代謝障礙、增殖與凋亡失衡和腫瘤等疾病[18]。線粒體融合(小到大)通過(guò)一種互補(bǔ)的形式來(lái)混合部分受損的線粒體內(nèi)容物以幫助緩解應(yīng)激，而線粒體分裂(大到小)可產(chǎn)生新的線粒體。在高水平細(xì)胞應(yīng)激狀態(tài)下促進(jìn)受損傷的線粒體被移除從而控制線粒體質(zhì)量[18]。輕度營(yíng)養(yǎng)缺乏將誘導(dǎo)線粒體融合，提高能量產(chǎn)生效率，以補(bǔ)償生長(zhǎng)所需的能量，而重度營(yíng)養(yǎng)缺乏則驅(qū)動(dòng)線粒體分裂，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，為鄰近細(xì)胞保存能量。

線粒體分裂主要由線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白(dynamin- related protein，Drp1)、線粒體分裂蛋白(mitochondrial fission protein，F(xiàn)is1) 和線粒體裂變因子(mitochondrial fission Factor，Mff )調(diào)節(jié)。其中，Drp1 存在于細(xì)胞質(zhì)中，是調(diào)節(jié)線粒體分裂的關(guān)鍵分子。當(dāng)接收到分裂信號(hào)后，大量的 Drp1 從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)移到線粒體外膜，與定位在線粒體外膜上的 FIS1、MFF 結(jié)合，共同介導(dǎo)線粒體分裂。而線粒體融合主要是由融合蛋白絲裂素-1(mitofusin-1，MFN1), 絲裂素-2(mitofusin-2，MFN2) 和視神經(jīng)萎縮蛋白(optic atrophy，OPA-1)調(diào)控[19-20]。線粒體融合分裂失調(diào)與呼吸、神經(jīng)及內(nèi)分泌、癌癥以及代謝性系統(tǒng)疾病密切相關(guān)[18,21]，糖尿病腎病、糖尿病心肌病以及糖尿病血管病變中，均伴有線粒體的過(guò)度分裂。線粒體動(dòng)力學(xué)失衡同時(shí)在糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙中起著重要作用。生理?xiàng)l件下，內(nèi)皮細(xì)胞線粒體融合、分裂處于動(dòng)態(tài)平衡，而高糖條件下，內(nèi)皮細(xì)胞線粒體分裂加速，引起線粒體功能障礙，進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞受損[22]。高糖高脂誘導(dǎo)Drp1表達(dá)活性增加，線粒體斷裂，ATP含量降低，胰島素介導(dǎo)的人骨骼肌葡萄糖攝取減少；通過(guò)抑制Drp1的活化能夠使線粒體分裂融合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，并改善內(nèi)皮細(xì)胞功能[23-25]。

2型糖尿病(type-2 diabetes, T2D)還與Mfn2的表達(dá)減少有關(guān)。小鼠肝臟和骨骼肌中Mfn2缺失會(huì)導(dǎo)致線粒體碎片化和許多代謝異常，包括葡萄糖不耐受和肝臟糖異生增強(qiáng)[26]；這說(shuō)明Mfn2在肥胖、T2D相關(guān)胰島素信號(hào)和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中的重要調(diào)節(jié)作用。據(jù)報(bào)道[27]，Opa1也與糖尿病有關(guān)。Opa1在人脂肪細(xì)胞分化過(guò)程中從線粒體向脂滴轉(zhuǎn)移，它的缺乏會(huì)擾亂線粒體融合平衡，降低氧化磷酸化，增強(qiáng)脂肪酸氧化，降低能量消耗。此外，胰島素可增加心肌細(xì)胞中Opa1的水平，并促進(jìn)線粒體融合，從而增強(qiáng)氧化磷酸化；而Opa1缺失則抑制ATP合成?？梢?jiàn)，線粒體動(dòng)力學(xué)相關(guān)蛋白在糖尿病等代謝性疾病中的調(diào)節(jié)作用和密切關(guān)系。

2.3 線粒體凋亡途徑

線粒體功能障礙通過(guò)多種機(jī)制引起細(xì)胞或器官損傷，包括減少細(xì)胞能量狀態(tài)并提高ROS含量。此外，線粒體損傷導(dǎo)致促凋亡因子釋放，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞程序性死亡也是導(dǎo)致糖尿病血管內(nèi)皮損傷的重要原因。線粒體介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡可通過(guò)DNA損傷、ROS、活性氮(reactive nitrogen species,RNS )、氧化磷酸化、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)應(yīng)激等異常代謝途徑來(lái)激活[28]。高血糖誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，一方面是由于高糖對(duì)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP )的負(fù)作用，當(dāng)mPTP開(kāi)放后，位于線粒體內(nèi)的細(xì)胞色素C(cytochrome,Cyt C )進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)[29]。正常情況下Cyt C存在于線粒體內(nèi)部，當(dāng)受到凋亡信號(hào)刺激，活化的Bcl-2蛋白家族調(diào)控Cyt C釋放[28]； 該蛋白從線粒體釋放到細(xì)胞胞質(zhì)，與Caspase-9酶原結(jié)合，分解并活化Caspase-9；激活的Caspase-9活化下游的Caspase-3，引起一系列Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)，分解DNA，最終誘發(fā)細(xì)胞凋亡[30]。另一方面，ROS誘導(dǎo)mPTP開(kāi)放，引起線粒體腫大，造成線粒體損傷[28]。細(xì)胞凋亡與線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)降低有關(guān)，而MMP下降與mPTP的開(kāi)放密切相關(guān)。慢性高血糖會(huì)引起氧化磷酸化轉(zhuǎn)變到糖酵解以及呼吸鏈異常，MMP下降，ATP合成減少，ATP/ADP比值降低[31]，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放過(guò)多的鈣進(jìn)入線粒體,DNA結(jié)合蛋白和異常的細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)信號(hào)可通過(guò)抑制抗凋亡激酶或激活促凋亡激酶來(lái)誘導(dǎo)內(nèi)源性凋亡。

綜上所述，內(nèi)皮功能受損是糖尿病血管并發(fā)癥發(fā)生的重要原因之一，而線粒體功能障礙是導(dǎo)致內(nèi)皮受損的關(guān)鍵因素和早期事件。線粒體除作為細(xì)胞內(nèi)能量生成的關(guān)鍵細(xì)胞器，還參與了細(xì)胞基質(zhì)代謝、自由基生成、細(xì)胞凋亡、啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等多種細(xì)胞活動(dòng)?；诮甑难芯堪l(fā)展，糖尿病導(dǎo)致線粒體功能障礙，線粒體內(nèi) ROS 水平升高、線粒體動(dòng)力學(xué)失衡，從而引發(fā)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎性因子表達(dá)增加，最終導(dǎo)致內(nèi)皮受損。通過(guò)靶向改善線粒體功能，調(diào)節(jié)線粒體動(dòng)力學(xué)平衡，抑制線粒體介導(dǎo)的凋亡途徑是治療糖尿病血管病變的重要策略。