β细胞“量”与2型糖尿病

β细胞“量”与2型糖尿病

鲁碧楠庞宗然

(中国少数民族传统医学国家民委教育部重点实验室，北京100081)

关键词〔〕胰岛β细胞；胰腺可塑性；2型糖尿病；β细胞量调控

中图分类号〔〕R587.1〔

基金项目：国家自然科学基金(No.81072963)；教育部“长江学者和创新团队发展计划”(IRT0871)资助

通讯作者：庞宗然(1966-)，男，博士，博士生导师，主要从事糖尿病及其并发症发病机制与中医药干预研究。

第一作者：鲁碧楠(1984-)，女，博士，助理研究员，主要从事2型糖尿病病理机制与中医药干预研究。

胰岛β细胞“质”与“量”在机体内各种激素和信号通路的调控下，发生着微妙且精细的变化，共同影响着机体调节血糖的能力。当胰岛β细胞“质”和“量”中的一个或者二者同时出现了问题，将会导致严重的后果——糖尿病(DM)。胰岛β细胞功能缺陷和胰岛素抵抗是2型DM(T2DM)的主要发病机制。其中，胰岛β细胞在T2DM发病过程中起着关键作用。这是因为当β细胞仍有足够的代偿能力时，单纯的胰岛素抵抗(IR)并不能导致DM的发生。在T2DM发病过程中，当机体出现胰岛素外周作用缺陷时，胰腺首先会通过提高β细胞分泌功能或β细胞量，来增加胰岛素的合成和分泌，以纠正由IR所造成的血糖水平改变。当胰岛β细胞量下降到一定程度，增加的胰岛素不能代偿IR时，机体才表现出葡萄糖耐量损伤，并最终发展为DM。因此，胰岛β细胞除了具有其“质”的三要素(细胞结构、真胰岛素和胰岛素调节型分泌)外，维持一定的“量”也是保证胰岛β细胞代偿能力的必要条件。

1胰腺的可塑性

在某些生理或病理状态下，如妊娠和肥胖，机体为了维持血糖稳态会改变对胰岛素的需求量，而胰腺通过调整β细胞量来适应这一变化，胰腺的这种物理代偿能力被称为胰腺的可塑性〔1，2〕。在妊娠期间，通过胎盘从母体获取葡萄糖是胎儿能量的主要来源，为了使胎儿得到最佳的营养供给，孕妇体内各种激素水平会发生巨大变化。在妊娠中晚期，孕妇体内抗胰岛素样物质增加，如胎盘生乳素、雌激素、孕酮、皮质醇和胎盘胰岛素酶等使孕妇对胰岛素的敏感性下降，出现明显的IR〔3，4〕。为维持正常糖代谢水平，胰腺通过增加胰岛β细胞量和胰岛素分泌，来满足机体对胰岛素需求量的增加。对于胰腺可塑性受限的孕妇，妊娠期不能正常代偿这一生理变化而使血糖升高，将导致妊娠DM的发生。肥胖虽然多伴随着IR，但是大部分肥胖患者始终保持着正常的血糖水平，究其原因主要在于胰岛β细胞量和胰岛素分泌的代偿性增加〔5，6〕。肥胖个体由于外周IR的出现，其β细胞量会达到正常人的150%。反之，如果胰腺的可塑性出现缺陷，胰岛β细胞量和胰岛素分泌无法满足机体对胰岛素的需求，将导致血糖水平升高，这也是肥胖患者发展成DM的主要原因之一〔7〕。

2胰岛β细胞量的动态平衡

胰岛β细胞量的维持是一个动态过程，主要由细胞生长和细胞死亡之间的平衡所决定。细胞生长包括细胞复制和细胞新生；细胞死亡包括细胞坏死和细胞凋亡，其中细胞凋亡占主要地位；另外，β细胞的大小，如细胞增生和细胞萎缩，也是影响β细胞量的重要因素。β细胞量的调控如公式所示：β细胞量=(新生+复制+增生)-(坏死+凋亡+萎缩)，其中每个因素对于β细胞量的影响都随着机体生长发育的不同阶段、不同的代谢负荷而有所不同。在新生儿时期，由于β细胞复制和新生速度大大超过了凋亡的速度，β细胞总数明显增加。在儿童及青少年时期，复制、新生及凋亡的速度都显著下降。到了成人阶段，多数情况下，每天约有0.5%的β细胞发生凋亡，但通过复制和新生，仍有一定数量的β细胞补充，同时β细胞的大小始终相对恒定，因此正常成人的β细胞数量维持在一个相对恒定的状态。随着年龄的增长，β细胞凋亡速度逐渐超过细胞生长的速度，β细胞量也会逐渐减少。

3T2DM状态下β细胞量的变化

T2DM患者β细胞量减少的观点得到普遍的认同〔8～10〕。已有研究〔5〕观察到肥胖患者的β细胞数量是正常对照者的两倍，但是无论是肥胖还是非肥胖的DM患者，与体重匹配的正常对照者相比，其β细胞的数量减少50%。另外，虽然T2DM早期严格的血糖控制可以使β细胞功能得到一定程度的恢复，但是英国DM前瞻性研究(UKPDS)结果〔11〕证实，随着T2DM患者高血糖时间的延长，无论是饮食控制，还是药物或胰岛素治疗，都无法逆转β细胞功能的进行性衰竭。由此推测，病程较长的DM患者的β细胞功能减退可能是由于β细胞数量减少所致。尽管T2DM患者胰岛β细胞数量减少的机制尚不完全清楚，但是在一些DM动物模型中发现，β细胞凋亡增加是造成T2DM胰岛β细胞减少的主要原因〔12〕。

3.1糖毒性对β细胞量的影响慢性高血糖会造成β细胞功能障碍和胰岛素敏感性下降，即糖毒性。研究〔13〕显示，将人胰岛β细胞置于高葡萄糖环境下会导致细胞凋亡率的增加，并且多种机制参与了此过程的发生。

3.1.1氧化应激β细胞长期暴露在高葡萄糖环境下，线粒体会产生过量活性氧(ROS)，从而导致氧化应激。由于β细胞中抗氧化酶的表达及活性都非常低，因此对氧化应激十分敏感，研究〔14〕发现，氧化应激标志物硝基酪氨酸和8-羟基脱氧鸟苷在DM的胰岛中表达明显升高，并且二者的细胞内浓度与葡萄糖刺激的胰岛素浓度呈负相关。近期研究还发现，周期性高糖水平引起的葡萄糖刺激胰岛素分泌障碍、细胞凋亡活化、线粒体损伤等也与细胞内硝基酪氨酸浓度升高有关〔15〕。由此可见，高糖引起的氧化应激对β细胞有很大的影响，在DM前期，即使餐后的血糖波动，也会引起功能性β细胞的损失。

3.1.2己糖胺通路在高糖环境下，不仅氧化应激增强，其他通路也被激活，如己糖胺通路。谷氨酰胺:6-磷酸果糖转氨酶(GFAT)催化了该通路的第一步反应，并且是己糖胺通路的限速酶。尿嘧啶二磷酸-N-乙酰-葡萄糖胺(UDP-GlcNAc)是己糖胺通路的终产物，能够作为细胞内脂质和蛋白质糖基化反应的供体。因此，细胞或组织中GFAT的活性及UDP-GlcNAc的含量能够反映己糖胺通路的活性。体外实验〔16〕显示β细胞内该通路的激活与细胞凋亡增加有关。另外，将胰岛置于高浓度葡萄糖胺中培养，将引起IR/IRS/PI3K/Akt通路激活障碍，而此胰岛素路与β细胞功能与存活密切相关。

3.1.3死亡受体通路正常胰岛β细胞表达FasL但不表达或只表达微量的Fas，单独的Fas并不参与介导β细胞的凋亡。但是某些细胞因子，如白细胞介素(IL)-1β、干扰素(IFN)-γ、肿瘤坏死因子(TNF)-α及糖毒性、脂毒性可诱导β细胞表达Fas，Fas激活后诱导形成Fas三聚体，三聚化的Fas和胰岛浸润的T 淋巴细胞表达的FasL结合，向β细胞内传递“死亡信号”，诱导β细胞在数小时内发生凋亡，导致DM的发生。高血糖可以通过上调Fas 和刺激FasL表达引起胰岛β细胞凋亡。研究发现随血糖浓度升高，胰岛β细胞的Fas和FasL的表达增加，当Fas和FasL结合后，Caspase表达上调，胰岛β细胞凋亡增加〔17〕。但是在T2DM中，胰岛β细胞缺乏T淋巴细胞提供的FasL，其凋亡取决于β细胞是否自身表达FasL。

3.1.4内质网应激在T2DM患者中，IR使机体对胰岛素需求过度，超出了内质网合成蛋白质的能力范围，导致错折叠或未折叠蛋白质蓄积，引起内质网应激，最终导致β细胞损伤。在生理状态下，当内质网中未折叠或错误折叠的蛋白质增加时，会发生具有保护作用的未折叠蛋白反应(UPR)，帮助未折叠或错误折叠的蛋白质折叠成正确的构象，恢复其功能。但是，当内质网应激过度或UPR缺陷，细胞无法维持内质网稳态，从而导致细胞死亡。因此，慢性内质网应激会引发β细胞功能障碍和细胞死亡〔18〕。

3.2脂毒性对β细胞量的影响肥胖是糖尿病重要的发病危险因素，并且常作为是代谢综合征的一部分，伴随着血脂紊乱和血液循环中瘦素及其他细胞因子，如TNF-α、IL-6和IL-1受体拮抗剂浓度的增高。这些因子不仅与胰岛素敏感性有关，还影响着β细胞功能和存活。但是，在各种实验结果中也存在争议〔19，20〕。虽然证实瘦素在啮齿动物中可以促进β细胞增殖、抑制游离脂肪酸(FFA)诱导的细胞凋亡，可是却可以增加人胰岛细胞的凋亡。另外，一些研究〔19〕证实FFA和脂蛋白具有促凋亡的作用，但是另一些实验结果〔20〕却显示其保护作用。例如，饱和脂肪酸，如软脂酸的长期作用会对β细胞产生毒性作用，而单不饱和脂肪酸，如油酸会保护软脂酸和葡萄糖诱导的β细胞凋亡〔21〕。近年来研究显示，FFA通过激活Caspase级联反应及下调Bcl-2的mRNA表达可诱导β细胞凋亡；FFA诱导的β细胞凋亡还与Akt磷酸化水平下调有关，激活Akt可以下调Bad表达、减少细胞色素c释放和抑制Caspase-9的活化，从而抑制β细胞的凋亡〔22〕。也有研究提出，Akt功能缺陷作为胰岛素信号通路障碍，引起β细胞凋亡和DM。FFA还可以诱导一氧化氮合酶(NOS)的表达，从而引起NO的生成增多。诱导型NOS(iNOS)抑制剂可以减轻胰岛素分泌缺陷〔23〕。

在T2DM的发生发展过程中，脂毒性与糖毒性之间存在着紧密的联系，糖毒性是脂毒性发生的前提，只有在高葡萄糖环境下，才会发生FFA对β细胞的损伤作用，如胰岛素分泌缺陷、胰岛素基因表达障碍及诱导β细胞死亡等〔24〕。

3.3其他因素对β细胞量的影响

3.3.1胰岛淀粉样多肽(IAPP)IAPP又称为胰淀素，是由β细胞合成，与胰岛素共同贮存于β细胞的分泌颗粒中。尽管对胰淀素的功能研究仍存在争议，但是有研究〔25〕显示，IAPP在IR、胰岛β细胞功能障碍和T2DM中发挥了重要作用，并且IAPP沉积与β细胞凋亡和胰岛素分泌功能减退密切相关。研究者〔26〕发现90%以上T2DM患者的胰岛内存在胰淀素沉积，并且淀粉性样变程度与DM病程和严重性呈正相关，因此，人胰淀素对β细胞具有毒性作用，与胰岛β细胞量的损失有关。在动物实验中也发现，随着胰淀素沉积增多，β细胞量减少，导致β细胞功能障碍和葡萄糖耐量损伤〔27〕。

3.3.2磺脲类降糖药物 UKPDS研究显示，格列本脲和氯磺丙脲可以降低血糖，减少DM微血管并发症。然而，该类药物在用药初期，胰岛β细胞功能指数(HOMA-β)确实升高，但是随后该指数呈现进行性减低，出现β细胞量的减少和功能的减退。动物实验和细胞实验都发现这类药物会引起β细胞凋亡〔28〕。利用分离的人胰岛对不同胰岛素促泌剂进行实验，结果发现〔29〕，格列本脲会诱导β细胞的凋亡，而非磺脲类促泌剂瑞格列奈则不会；低剂量那格列奈不会引起β细胞凋亡，但是高剂量使β细胞凋亡率增加1.5倍；将胰岛暴露于磺脲类促泌剂4 d后，所有的药物都诱发了β细胞凋亡。将ob/ob小鼠和Wistar大鼠的胰岛和β细胞置于葡萄糖和磺脲类药物中培养，结果也证实了β细胞发生了凋亡〔30〕。

4β细胞量的正性调节剂——肠促胰岛素

胰高血糖素类肽(GLP)-1和葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)统称为肠促胰岛素，除了可以刺激胰岛素分泌外，还具有抑制餐后胰高血糖素的分泌、延缓肠排空、抑制食欲、增强胰岛素敏感性等作用，并且对胰岛β细胞的量具有正性调控作用。GLP-1的慢性作用使β细胞的存活增强，通过维持β细胞量，长期调控胰岛素分泌。肠促胰岛素(GIP和GLP-1)受体敲除DIRKO小鼠的β细胞数量与野生型小鼠相比明显减少〔31〕。虽然目前对GLP-1作用于β细胞量的机制知之甚少，但是现有的研究数据提示可能与蛋白激酶 (PK)A信号通路相关。体外研究也显示了GLP-1对β细胞存活的作用，GLP-1可以减轻糖、脂毒性对人胰岛的损伤，该实验提出GLP-1对β细胞的保护作用是通过增加抗凋亡蛋白，如Bcl-2、凋亡抑制蛋白(IAP)-2基因表达实现的，另外，NF-κB和PKB-Akt也参与其中〔32～34〕。

5展望

越来越多的实验证据显示，胰腺的可塑性是维持机体血糖稳态的关键因素。为了适应机体对胰岛素需求量的变化，胰岛β细胞的量也随之发生着改变，因此无论是在生理还是病理状态下，β细胞量的调控都发挥着重要作用。在T2DM中，胰岛β细胞量的减少是造成持续高血糖的主要原因，促进功能性β细胞增殖，抑制细胞凋亡，是预防T2DM发生和减缓T2DM发展的有效方法，也是开发T2DM治疗药物的重要思路。

参考文献6

1Baeyens L,Bouwens L.Cellular plasticity of the pancreas〔J〕.Biol Chem,2009;390(10):995-1001.

2Szabat M,Lynn FC,Hoffman BG,etal.Maintenance of beta-cell maturity and plasticity in the adult pancreas：developmental biology concepts in adult physiology〔J〕.Diabetes,2012;61(6):1365-71.

3Johansson M,Mattsson G,Andersson A,etal.Islet endothelial cells and pancreatic beta-cell proliferation：studies in vitro and during pregnancy in adult rats〔J〕.Endocrinology,2006;147(5):2315-24.

4Layden BT,Durai V,Newman MV,etal.Regulation of pancreatic islet gene expression in mouse islets by pregnancy〔J〕.J Endocrinol,2010;207(3):265-79.

5Peyot ML,Pepin E,Lamontagne J,etal.Beta-cell failure in diet-induced obese mice stratified according to body weight gain：secretory dysfunction and altered islet lipid metabolism without steatosis or reduced beta-cell mass〔J〕.Diabetes,2010;59(9):2178-87.

6Lindstrom P.beta-cell function in obese-hyperglycemic mice [ob/ob Mice]〔J〕.Adv Exp Med Biol,2010;654:463-77.

7Rorsman P,Braun M.Regulation of insulin secretion in human pancreatic islets〔J〕.Annu Rev Physiol,2013;75:155-79.

8Poucher SM,Cheetham S,Francis J,etal.Effects of saxagliptin and sitagliptin on glycaemic control and pancreatic beta-cell mass in a streptozotocin-induced mouse model of type 2 diabetes〔J〕.Diabetes Obes Metab,2012.

9Tiano JP,Mauvais-Jarvis F.Importance of oestrogen receptors to preserve functional beta-cell mass in diabetes〔J〕.Nat Rev Endocrinol,2012;8(6):342-51.

10Dominguez-Bendala J,Inverardi L,Ricordi C.Regeneration of pancreatic beta-cell mass for the treatment of diabetes〔J〕.Expert Opin Biol Ther,2012;12(6):731-41.

11Turner RC,Cull CA,Frighi V,etal.Glycemic control with diet,Sulfontlurea,metformin,or insulin in patients with type 2 diabetes mellitus:progressive requirement for multiple therapies(UKPDS49) UK Prospective Diabetes Study(UKPDS)Group〔J〕.JAMA,1999;281(21):2005-12.

12Lupi R,Del PS.Beta-cell apoptosis in type 2 diabetes：quantitative and functional consequences〔J〕.Diabetes Metab,2008;34(Suppl 2):S56-64.

13Kaiser N,Leibowitz G,Nesher R.Glucotoxicity and beta-cell failure in type 2 diabetes mellitus〔J〕.J Pediatr Endocrinol Metab,2003;16(1):5-22.

14Xu M,Dai DZ,Dai Y.Normalizing NADPH oxidase contributes to attenuating diabetic nephropathy by the dual endothelin receptor antagonist CPU0213 in rats〔J〕.Am J Nephrol,2009;29(3):252-6.

15Del GS,Grupillo M,Masini M,etal.Gliclazide protects human islet beta-cells from apoptosis induced by intermittent high glucose〔J〕.Diabetes Metab Res Rev,2007;23(3):234-8.

16D'Alessandris C,Andreozzi F,Federici M,etal.Increased O-glycosylation of insulin signaling proteins results in their impaired activation and enhanced susceptibility to apoptosis in pancreatic beta-cells〔J〕.FASEB J,2004;18(9):959-61.

17Schumann DM,Maedler K,Franklin I,etal.The Fas pathway is involved in pancreatic beta cell secretory function〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA,2007;104(8):2861-6.

18Marchetti P,Bugliani M,Lupi R,etal.The endoplasmic reticulum in pancreatic beta cells of type 2 diabetes patients〔J〕.Diabetologia,2007;50(12):2486-94.

20Maedler K,Oberholzer J,Bucher P,etal.Monounsaturated fatty acids prevent the deleterious effects of palmitate and high glucose on human pancreatic beta-cell turnover and function〔J〕.Diabetes,2003;52(3):726-33.

21Kuehnen P,Laubner K,Raile K,etal.Protein phosphatase 1(PP-1)-dependent inhibition of insulin secretion by leptin in INS-1 pancreatic β-cells and human pancreatic islets〔J〕.Endocrinology,2011;152(5):1800-8.

22Wang W,Zhang D,Zhao H,etal.Ghrelin inhibits cell apoptosis induced by lipotoxicity in pancreatic beta-cell line〔J〕.Regul Pept,2010;161(1-3):43-50.

23Las G,Shirihai OS.The role of autophagy in beta-cell lipotoxicity and type 2 diabetes〔J〕.Diabetes Obes Metab,2010;12(Suppl 2):15-9.

24Poitout V,Robertson RP.Glucolipotoxicity：fuel excess and beta-cell dysfunction〔J〕.Endocr Rev,2008;29(3):351-66.

25Kahn SE,Andrikopoulos S,Verchere CB.Islet amyloid:a long-recognized but underappreciated pathological feature of type 2 diabetes〔J〕.Diabetes,1999;48(2):241-53.

26Ritzel RA,Jayasinghe S,Hansen JB,etal.Beta-cell selective K(ATP)-channel activation protects beta-cells and human islets from human islet amyloid polypeptide induced toxicity〔J〕.Regul Pept,2010;165(2-3):158-62.

27Matveyenko AV,Gurlo T,Daval M,etal.Successful versus failed adaptation to high-fat diet-induced insulin resistance： the role of IAPP-induced beta-cell endoplasmic reticulum stress〔J〕.Diabetes,2009;58(4):906-16.

28Takahashi A,Nagashima K,Hamasaki A,etal.Sulfonylurea and glinide reduce insulin content,functional expression of K(ATP) channels,and accelerate apoptotic beta-cell death in the chronic phase〔J〕.Diabetes Res Clin Pract,2007;77(3):343-50.

29Maedler K,Carr RD,Bosco D,etal.Sulfonylurea induced beta-cell apoptosis in cultured human islets〔J〕.J Clin Endocrinol Metab,2005;90(1):501-6.

30Kim JY,Lim DM,Park HS,etal.Exendin-4 protects against sulfonylurea-indeced β-cell apoptosis〔J〕.J Pharmacol Sci,2012;118(1):65-74.

31Hansotia T,Drucker DJ.GIP and GLP-1 as incretin hormones：lessons from single and double incretin receptor knockout mice〔J〕.Regul Pept,2005;128(2):125-34.

32Kern W.Beta-cell function in the foreground.GLP-1 based therapy of type 2 diabetes〔J〕.MMW Fortschr Med,2010;151(Suppl 4):173-8.

33Portha B,Tourrel-Cuzin C,Movassat J.Activation of the GLP-1 receptor signalling pathway：a relevant strategy to repair a deficient beta-cell mass〔J〕.Exp Diabetes Res,2011;2011:1-11.

34Asmar M,Hojberg PV,Deacon CF,etal.Pancreatic beta-cell responses to GLP-1 after near-normalization of blood glucose in patients with type 2 diabetes〔J〕.Regul Pept,2010;160(1-3):175-80.

〔2013-06-14修回〕

(编辑安冉冉/张慧)