糖尿病心肌中线粒体膜通透性转化孔变化的研究进展

程明月　郭海　郑宏

830054 乌鲁木齐，新疆医科大学第一附属医院麻醉科



·综述·

糖尿病心肌中线粒体膜通透性转化孔变化的研究进展

程明月郭海郑宏

830054 乌鲁木齐，新疆医科大学第一附属医院麻醉科

【摘要】心肌保护措施在糖尿病心肌病中弱化或缺失的现象已引起研究者们的广泛关注，线粒体膜通透性转化孔(MPTP)异常开放作为细胞死亡的终末环节在糖尿病心肌病的发生及发展过程中起着至关重要的作用。该文重点探讨了糖尿病心肌病MPTP结构、开放程度及其调节机制的变化，同时阐述了糖尿病心肌病中己糖激酶的变化。特异性靶向干预线粒体凋亡途径、抑制MPTP异常开放将成为治疗糖尿病心肌病的新靶点。

【关键词】糖尿病心肌病；心肌保护；线粒体膜通透性转化孔

Mitochondrial permeability transition pore

心血管疾病作为人类健康的头号杀手，一直备受瞩目[1]。近年来，随着糖尿病发病率直线上升，其作为缺血性心脏病的危险因素之一也越来越被人们所重视。线粒体是细胞能量产生的重要场所,也参与了细胞凋亡的过程。因此,线粒体功能障碍在糖尿病心肌病(DC)的发生及发展过程中起着关键作用。近年有研究证实，线粒体膜通透性转化孔(MPTP)是线粒体内外信息交流的中心环节，线粒体功能的发挥受其开放状态的影响。本文对DC中MPTP结构、开放程度以及调节机制改变的研究进展做一综述，旨在为特异性靶向干预线粒体凋亡途径等治疗DC的新方法提供依据。

一、DC中线粒体结构和功能的变化

线粒体内外膜上存在一种由多种蛋白组成的非选择性复合孔道，即MPTP通道，其结构尚未完全明了，多数学者认为其主要由内膜的腺苷酸转位子(ANT)、外膜的电压依赖性阴离子通道(VDAC)、基质的亲环蛋白D(CyP-D)、已糖激酶、肌酸激酶以及苯二氮类受体等蛋白组成。其中ANT主要调节线粒体的能量代谢，线粒体膜通透性主要由VDAC所调节。免疫抑制剂亲环素在细胞内主要与CyP-D相结合，结合后可抑制MPTP开放，亲环素作为MPTP特异性抑制剂也引起了学者们的广泛关注。该通道其余组成部分主要起调节细胞坏死和凋亡的作用,如已糖激酶Ⅱ在心肌缺血再灌注损伤中占有重要地位，其与VDAC结合会使促凋亡蛋白Bax与线粒体结合率降低，从而表现出抑制凋亡的作用。相关分析表明己糖激酶与VDAC连接愈密切，细胞凋亡趋势越不明显，同时已糖激酶Ⅱ还能有效抑制心肌肥厚和重塑[2]。已糖激酶Ⅱ对抗心肌缺血再灌注损伤的机制主要包括调节线粒体外膜的通透性以及稳定线粒体膜电位，防止线粒体膜破裂、减少细胞色素C的释放及活性氧簇生成，从而达到保护心肌的作用。

在大量糖尿病模型中，心肌线粒体结构和功能发生改变均得到了证实,如在1型及2型糖尿病动物模型中均发现心肌生物合成、线粒体数量及超微结构异常。而且糖尿病大鼠模型的心脏线粒体呼吸链相关酶活性明显降低，证实了其线粒体呼吸功能受损[3]。有学者运用高糖高脂饮食复合链脲佐菌素复制糖尿病大鼠模型后,发现其心肌线粒体结构紊乱，膜电位下降 ,顺乌头酸酶活性减弱，呼吸链功能受损[4]。这些研究均表明,在DC的发生及发展过程中，线粒体的结构及其功能障碍起着至关重要的作用。MPTP作为线粒体内外信息交流的枢纽，线粒体功能发挥正常与否由其开放状态所决定。Gurel等[5]研究证明，DC的已糖激酶Ⅱ结构、活性与正常心肌有所不同。越来越多的研究显示已糖激酶Ⅱ对细胞代谢也有着重要的调节作用，如其可升高葡萄糖水平从而促进胰岛素的释放，能通过增强糖酵解葡萄糖氧化偶联预防酸中毒，抑制脂肪酸氧化等[6-8]。已糖激酶Ⅱ缺乏表达及其细胞转导信号的变化，都将增加糖尿病患者罹患糖尿病缺血性心脏病的几率。线粒体与已糖激酶Ⅱ相互作用的内源性分子机制，几乎可以防止所有类型组织中细胞的凋亡，靶向治疗已糖激酶Ⅱ在脑卒中、心肌梗死、器官移植等方面必将占重要地位。Sasaki等[9]研究发现DC中冠状动脉内皮细胞可以诱导MPTP通道中VDAC蛋白表达含量增多，VDAC的过量表达不仅可以引起钙超载及活性氧自由基增多，同时也可以抑制线粒体的钙摄取，从而促进MPTP的进一步开放。和正常心肌相比较，糖尿病心肌中已糖激酶Ⅱ表达含量明显下降，与VDAC的结合率降低，细胞凋亡加速，如增加已糖激酶Ⅱ的表达，可以逆转上述现象。MPTP剩余组成部分在DC中是否也存在着结构和功能的变化，尚有待于进一步研究。

二、DC中MPTP开放程度的改变

生理情况下，线粒体内膜几乎对所有离子及代谢产物不通透。线粒体利用其低通透性维持一定的膜电位和离子梯度，有利于能量合成及细胞供能。线粒体内膜通透性依赖于MPTP开放的状态，当MPTP处于关闭状态时有利于能量的合成。在钙2+超载，活性氧簇及无机磷酸盐增多，膜电位下降等情况下MPTP开放[10]。MPTP开放后，胞质中分子质量较小的物质会通过线粒体内膜进入基质，同时三磷酸腺苷底物会流失至胞质。因此线粒体超微结构会遭到破坏，膜电位崩溃，呼吸功能受损，能量合成减少，外膜破裂，细胞色素C释放，最终导致细胞凋亡。此外，MPTP还参与钙2+的生理调节。DC的MPTP通道开放水平明显增加，其开放状态的增加导致线粒体大量释放细胞凋亡诱导因子及细胞色素C等，Sloan等[11]认为，DC中血糖水平的升高可诱导MPTP开放，通过增加线粒体膜的通透性，促进细胞色素C释放，其被释放到胞质中可引发Caspase活化级联，同时凋亡蛋白酶激活因子1在凋亡过程中也被释放至胞质，两者在胞质结合从而介导细胞凋亡。DC中膜电位明显降低，钙2+转运增加及活性氧自由基生成增多，均进一步证实DC中MPTP开放的增加，以上所述也很可能是DC发病机制的组成部分。

三、DC中MPTP调节机制的变化

MPTP的心肌保护信号转导机制主要集中在环磷酸鸟苷(cGMP)/激活蛋白激酶 G(PKG)通路、再灌注损伤挽救激酶(RISK)通路以及生存活化因子增强(SAFE)通路[12-14]。这3条主要通路并非相互独立与排斥，而是在不同程度上相互协同保护心肌。线粒体作为不同心肌保护信号的汇聚地，起着至关重要的作用。有研究表明糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)是以上3条心肌保护信号的枢纽，其磷酸化程度提高了MPTP开放的阈值，从而保护心肌[15]。

Inouye等[16]的临床研究证实，由于胰岛素抵抗的原因，缺血预处理或后处理在肥胖的2型糖尿病患者中的保护作用减弱或消失，提高胰岛素敏感性可以有效改善以上现象。目前DC发生缺血性再灌注损伤，缺血预处理或后处理保护作用减弱或消失的具体机制尚未明确，可能与RISK通路中的蛋白激酶磷酸化受糖尿病因素的影响有关。近期较多研究支持在缺血预处理中磷脂酰肌醇3激酶(P13K)-蛋白激酶B(Akt)-GSK-3β信号通路起着主导作用。GSK-3β能抑制下游MPTP过度开放，从而产生心肌保护作用。2型糖尿病和胰岛素抵抗等状态下P13K-Akt-GSK-3β信号通路受到影响，Akt磷酸化程度降低，进而导致其下游枢纽环节GSK-3β磷酸化水平下降，MPTP开放程度增加，使得缺血预处理或后处理对DC再灌注损伤的保护作用减弱或消失。

四、总结与展望

线粒体作为细胞的能量工厂，对心脏功能发挥起着至关重要的作用。DC中，由于血糖升高、胰岛素抵抗等原因引起活性氧自由基增加、钙2+超载、心肌保护信号转导机制改变、MPTP开放程度增加,这些均导致了线粒体结构和功能的变化。同时这也是DC发病机制的重要组成部分。因而特异性靶向干预线粒体凋亡途径、减少活性氧自由基生成和钙2+超载、抑制MPTP异常开放等均将成为治疗DC的新靶点，同时也为临床开辟了新的研究方向、提供了新的治疗策略。

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(本文编辑：洪悦民)

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

通讯作者，郑宏，E-mail:xjzhenghong@aliyun.com

基金项目：新疆医科大学第一附属医院院内基金(2013ZRQN29)

DOI:10.3969/j.issn.0253-9802.2016.02.002