糖脂毒性对胰岛β细胞功能损伤的研究进展_闫百仪.pdf

摘要：2型糖尿病是一种慢性代谢性疾病，与体内血糖和血脂含量的升高密切相关。其发生的根本原因是高糖高脂环境下产生的糖毒性和脂毒性影响了胰岛素的分泌。本文对近年来高糖高脂环境对胰岛细胞的破坏机理的研究进展进行了综述，主要从线粒体氧化应激、内质网应激、炎症反应和胰岛素分泌功能损伤几方面进行阐述，以期对糖尿病的发生机理及治疗方面提供参考依据。关键词：糖毒性；脂毒性；细胞损伤；细胞；作用机制中图分类号：Q25文献标志码：A文章编号：2096-854X（2022）060071-04Progress of Glucolipotoxicity on Functional Damage ofIslet CellsYan Baiyi，Yao Lihua*（School of Life Science,Jiangxi Science and Technology Normal University,Nanchang 330013,Jiangxi,P.R.China）Abstract:Type 2 diabete mellitus,one type of chronic metabolic diseases,is closely correlated with the increaseof blood glucose and blood lipid contents in the body.It is critically due to the effect of glucotoxicity and lipotoxicityproduced from high glucose and high lipid conditions on the insulin secretion.This paper reviewed the mechanism ofpancreatic islet cells destruction caused by high glucose and high lipid,mainly focused on the mitochondrial oxidativestress,ER stress,inflammatory response and insulin secretion function damage,which would provide a reference forstudy and treatment of diabetes.Key words:Glucotoxicity;lipotoxicity;cell damage;cell;action mechanism糖脂毒性对胰岛 细胞功能损伤的研究进展闫百仪，姚丽华*（江西科技师范大学生命科学学院，江西 南昌330013）【生物医药】收稿日期：2022-06-20最终修回日期：2022-08-06接受日期：2022-08-07基金项目：国家自然科学基金（31960193、31660275）、江西省“双千计划”科技创新高端人才项目（JXSQ2019201011）、江西科技师范大学研究生创新专项资金项目（YC2021-X12）作者简介：闫百仪，女，在读硕士研究生，研究方向：细胞生物学；*姚丽华（通讯作者），男，教授，博士，研究方向：细胞电生理，E-mail:。江西科技师范大学学报Journal of Jiangxi Science&Technology Normal University第6期Issue 62022年12月Dec.20221前言糖脂毒性（Glucolipotoxicity）是指人体内血糖和血脂含量长期超出正常水平，高浓度的血糖和血脂直接对体内胰岛细胞产生毒性损伤，进而导致胰岛素分泌减少1。糖脂毒性会影响到细胞的活力，使细胞质量下降乃至凋亡，这会导致体内血糖水平超出正常，当机体长期处于高血糖的环境中就会导致2型糖尿病的发生2。糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，其与不同器官的长期损伤、功能障碍和衰竭有关，尤其是眼睛、肾脏、神经、心脏和血管3。糖尿病的发生机制非常复杂，体外因素、体内因素以及遗传因素都会导致糖尿病的产生，但糖脂毒性是诱发糖尿病产生的关键因素4。糖脂毒性会通过氧化应激、内质网应激、炎症反应和胰岛素分泌功能损伤几方面促进细胞凋亡，导致糖尿病的产生（图1）。江西科技师范大学学报第6期图1糖脂毒性对胰岛细胞损伤的机制2线粒体氧化应激对胰岛细胞的损伤氧化应激是指活性氧和活性氮的产生和机体内抗氧化系统之间的不平衡，直接导致活性氧（ROS）和活性氮（RNS）产生过多，造成机体蛋白和核酸损伤5。氧自由基是氧化应激形成的最基本原因，有研究发现在高糖环境的组织细胞中出现了大量的氧自由基6。在伴随着氧自由基大量出现的同时，与氧化应激相关的其它化合物如3-硝基酪氨酸的浓度也大大增加。在对糖尿病患者的研究中就曾发现了大量的3-硝基酪氨酸，在氧自由基的刺激下，3-硝基酪氨酸会与细胞相关的酶类和蛋白质发生变性反应，使细胞功能损伤7。高糖环境能够单纯提高2型糖尿病患者尿液中的8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）的浓度水平8。在糖尿病动物的组织细胞中，过氧化物和8-OHdG的浓度水平都有较大增加，而与此同时，抗氧化物的浓度水平有着较显著的降低9。此外，在相关研究中也出现了比较突出的氧化应激，而且对胰岛和周围血管组织也都有了显著的损害表现10。在以上的研究中可以发现，糖尿病个体环境中基本都产生了氧化应激反应。不仅如此，除了慢性糖尿病以外，在急性糖尿病和酮症酸中毒时也会发生较为普遍的氧化应激反应11。线粒体是ROS的主要来源地，当胰岛细胞处于高脂环境时，会增加线粒体中ROS的产生并导致某些抗氧化剂水平降低，例如谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和过氧化氢酶，因此具有高度代谢活性的胰岛细胞会容易受到氧化应激的影响12，13。在胰岛细胞中，无论是活性氧和活性氮的产生速度加快，还是抗氧化剂中和活性氧和活性氮的速度减慢，都会导致氧化应激情况的出现14。胰岛细胞中的ROS和RNS中都含有大量自由基，而这些基团在引起氧化反应过程和内质网应激时，都会参与延长非折叠蛋白质反应（UPR）信号传递，同时会激发真核转录因子-KB（NF-KB）、驱动B细胞和白介素1-（1L1）分泌的炎症体，并最终诱导细胞产生炎症15。氧化应激和内质网应激也有着非常密切的联系。因为氧化应激会通过破坏内质网氧化还原状态以及破坏二硫键的形成来诱导蛋白质错误折叠，而蛋白质错误折叠则会促进活性氧的产生14。因此，氧化应激、内质网应激和胰岛细胞炎症等情况的出现均可导致糖尿病的发生16。3内质网应激对胰岛细胞的损伤细胞是胰岛素生物合成的高度专业化细胞，其内部蛋白质合成高度活跃，极易发生内质网应激现象17。内质网应激也是造成胰岛细胞炎症、功能障碍、衰竭和凋亡的主要因素之一。从生物学角度上来看，通常会有百分之二十的胰岛素原错误地折叠到细胞中，导致每天大约会产生20万个错误折叠的胰岛素原分子18。胰岛细胞的内质网蛋白错误折叠程度通常会和蛋白质的复杂度形成正比，然而内质网应激只有在蛋白质错误折叠超过阈值时才会出现。为了维持胰岛细胞的完整性和生理学性质，胰岛素错误折叠程度需要不超过其最大阈值。但因机体的某些原因往往会导致代谢需求的增加，导致胰岛细胞经常会遇到内质网超负荷的情况。当受到高血糖及高血脂环境刺激时，为了维持机体正常的生理功能，胰岛素的生物合成和分泌会加快，胰岛细胞将会通过超出正常细胞10倍的胰岛素生物合成速度来作出反应19。然而，这可能会超过胰岛细胞的折叠能力，从而导致未折叠的前体胰岛素在内质网管腔中积聚，随后产生内质网应激，进而引起胰岛细胞功能障碍甚至死亡，最终导致胰岛素合成失败20。722022年4炎症反应对胰岛细胞的损伤炎症反应的过程会形成大量炎症因子，它们会经由各种途径直接或间接地发挥作用使胰岛细胞产生功能损害21。在人为培育的人源和鼠源的胰岛细胞中，通过长时间给予高浓度的葡萄糖刺激和多种脂肪酸环境，会诱发和释放出大量的炎症因子和趋化因子，并且这两种因子均有明显的高表达22。在2型糖尿病的动物模型中，胰岛组织中也出现了相同的情况。细胞炎症因子如1L1、趋化因子也出现了高表达现象，与此同时还有胰岛细胞纤维化现象的出现23，24。在加入1L1受体拮抗剂后，1L1的活性明显下降，糖尿病患者的血糖也明显出现了下降的趋势25。胰岛细胞的糖脂毒性会利用炎症反应所释放的炎症因子和趋化因子造成胰岛细胞的功能损害，从而影响胰岛素的产生，造成2型糖尿病。5糖脂毒性对胰岛素分泌功能的损伤高糖高脂环境能够从多方面抑制胰岛细胞的功能，如降低胰岛细胞产生葡萄糖转运蛋白2（GLUT-2）的能力，致使其耗竭并产生对葡萄糖的失敏感作用，以及影响基因转录等26。5.1胰岛细胞产生GLUT-2的能力下降GLUT-2是胰岛细胞内的一个特定的跨膜转运蛋白。在正常的生物状况下，GLUT-2会运载葡萄糖进入细胞内，并和葡萄糖激酶构成一个特定的感知器，而这个感知器的主要功用就是调控胰岛素的合成与分泌。所以，GLUT-2在细胞维持正常胰岛素分泌功能过程中扮演着关键的角色。在长期的高糖高脂环境下，存在于胰岛细胞表面的GLUT-2表达逐步下降，从而影响了葡萄糖的正常转运，进而导致了胰岛素分泌功能异常。在长期的高糖高脂环境下，存在于细胞表面的GLUT-2表达会显著下降，胰岛素分泌功能随之缺失27。5.2胰岛细胞的耗竭与葡萄糖的脱敏在慢性长时间的高脂环境中，脂肪酸的刺激会降低胰岛细胞的分泌水平，最终产生胰岛素抵抗现象，随后血糖水平不断上升。机体在长期持续性的高糖环境中，对胰岛素的需求量不断升高，这使得胰岛细胞中胰岛素的释放速度超过了其合成速度，导致含量逐渐下降直至为空，直接表现为胰岛素分泌功能下降，产生胰岛细胞耗竭的现象28。但Leahy等29发现在高糖环境中培养大鼠胰岛细胞的同时加入二氮嗪（一种胰岛素分泌抑制剂），胰岛细胞仍然是正常分泌胰岛素的状态。所以他们认为胰岛细胞耗竭理论并不成立，并与此同时提出了胰岛细胞脱敏的理论。在持续的高血糖环境的刺激下，胰岛细胞会激活自身的保护机制，为了避免被高糖损伤，胰岛细胞通过调整使自身处于“冬眠状态”，面对高糖的刺激不再做出分泌胰岛素的反应，这也被称为葡萄糖脱敏现象30。另外也有研究显示，葡萄糖的脱敏现象可能和长期的高糖环境刺激下导致细胞中钙离子浓度偏离正常值有关联31。5.3胰岛细胞胰岛素基因转录障碍在长时间的高糖高脂环境中，胰岛细胞中胰岛素特异性转录因子的合成能力会逐步下降，与此同时，相关的启动因子结合能力也会相应减弱，这就造成了胰岛素基因转录发生功能障碍，而相应胰岛素分泌能力也降低了，最终使胰岛细胞的分泌功能产生了缺失。这一因素和胰岛细胞耗竭和脱敏反应有所不同，因为它对基因产生的破坏是永久性的、病理性的。在高糖高脂环境中的胰腺十二指肠同源盒因子（PDX-1）和胰岛素基因序列结合能力有着明显的降低，其余的转录因子则仅仅有一些微妙的改变；而在环境改变后，再次处于低血糖血脂环境时，这种影响会有部分的恢复32。这表明PDX-1在高糖高脂环境中对胰岛素基因转录的改变起了至关重要的作用33。6结论与展望虽然近年来在糖脂毒性对胰岛细胞功能损伤的机制研究方面取得了巨大进步，但仍有许多突出问题。高糖高脂环境诱导胰岛细胞功能缺陷的确切机制仍待研究。尽管发现高糖高脂环境会导致胰岛细胞耗竭，并最终导致胰岛素分泌不足，从而产生糖闫百仪，姚丽华：糖脂毒性对胰岛细胞功能损伤的研究进展73江西科技师范大学学报第6期尿病，但具体的表现形式仍有待确定34。胰岛细胞对葡萄糖脱敏反应的具体的作用机制还需要通过体外和体内实验进一步证实。激活内质网应激的根本因素尚不明确。饱和脂肪酸是导致内质网应激的最主要原因，但相关机理也很复杂，需要继续研究探明是脂肪酸直接进入了内质网层而改善了其渗透性，还是脂肪酸阻碍了内质网的运送途径而造成了内质网蛋白过量堆积，以及内质网与细胞胞浆之间钙离子含量的下降等35。已有研究发现是不饱和脂肪酸代谢的中间物质激活了内质网应激，以及由不饱和脂肪酸