线粒体ATP敏感性钾通道在糖尿病合并脑缺血损伤中作用的研究进展

施宁华，韩江全，邓才洪，何婧

缺血性脑卒中作为严重威胁人类健康的重大疾病，具有高发病率、致残率、死亡率、复发率的特点，与心血管疾病及恶性肿瘤并称为人类健康的三大杀手。糖尿病是脑梗死的重要危险因素。近年来，我国糖尿病发病率呈“爆炸式”增长，最新的糖尿病流行病学调查显示，我国18岁以上成人糖尿病患病率为11.6%［1］。与非糖尿病患者相比，糖尿病患者发生脑梗死的概率增高 1.8～6.0倍［2］，且脑损伤程度更重，预后不良［3］。因此，进一步研究糖尿病加重脑缺血的机制，寻找对糖尿病合并脑缺血损伤具有干预作用的治疗策略具有重要价值。线粒体ATP敏感性钾通道（mitochondrial ATP-sensitive potassium channel，mitoKATP）受损可能是糖尿病加重脑缺血损伤的重要机制之一已逐渐被大家所认同。本文主要针对mitoKATP的结构及其在糖尿病合并脑缺血损伤中的作用作一综述，旨在为糖尿病合并脑缺血的防治提供新思路、新方案。

1 MitoKATP的发现

1983 年 Noma［4］首次在豚鼠的心肌细胞上通过膜片钳技术发现ATP敏感性钾通道（ATP-sensitive K+channel，KATPchannel），不同于其他类型钾通道的电生理学特性，该通道的开放受细胞内ATP/ADP值的调节，正常生理条件下通道处于关闭状态，缺氧时细胞内ATP水平下降，通道打开。1991年Inoue等［5］在大鼠的肝细胞线粒体内膜上证实了mitoKATP的存在，该通道属于内向整流钾通道家族一员。近年来不断有研究证实，mitoKATP在心肌、脑梗死等缺血性疾病方面起到保护作用［6-7］，已成为缺血性心脑疾病一个重要的治疗靶点。

2 MitoKATP的分子结构、生物学功能

2.1 分子结构 KATPchannel是弱内向整流钾通道，由内向整流钾通道亚基（inwardly rectified potassium channel，Kirx）和ATP结合蛋白家族成员磺酰脲类受体（ATP-binding cassette，SURx）按1∶1比例相连，以四聚体模式构成相对分子质量约为950×103的异源性八聚体（Kirx/SURx）。此通道目前分为两类：细胞膜 上 的 KATPchannel（sarcolemmal KATPchannel，sarcKATP）和 mitoKATP。KATPchannel亚型组成为 Kir6.x/SURx，Kir6.1和Kir6.2是mitoKATP具有代表性的2个亚基［8］。Kir亚基基本结构由通过中间成孔区域（H5）连接起来的2个跨膜结构域（TM1和TM2）与氨基（NH2-）、羧基（COOH-）末端结构域组成，相应实验表明mitoKATP通道C-和N-指向膜间隙空间，功能性的Kir通道是由4个这样的亚基组成的四聚体复合物［9］。Kir6.x是mitoKATP成孔性亚基，决定K+选择性内向整流作用和单位电导系数，同时介导ATP对该通道的抑制作用。SURx含有 TMD0（TM1～5），TMD1（TM6～11）和TMD2（TM12～17）共17个跨膜区域，可结合并水解ATP。SURx目前分为SUR1、SUR2A、SUR2B三种类型。NDPs及药理学试剂可以通过结合SUR刺激或抑制KATPchannel。SURx作为KATPchannel调节亚基，具体调节机制尚不清楚。心脏和脑中的mitoKATP主要由Kir6.1、Kir6.2和SUR2A亚基组成［8］，目前关于mitoKATP的具体分子结构尚不十分清楚［9］。

2.2 分子生物学功能 mitoKATP的正常作用主要是通过调整线粒体内膜两侧K+浓度，进而缓冲线粒体基质体积和膜间隙的潜在波动，保持能量代谢相关酶的活性，维持一定的跨膜电位，使ATP生成和转运达到细胞需求的最佳水平，将细胞代谢与细胞膜的电活性相耦联来调节细胞功能。mitoKATP的开关主要受线粒体膜间隙内ATP/ADP值的影响，在Mg2+存在的情况下，ATP通过直接结合Kir6.x抑制通道活性，ADP通过与SUR的结合激活通道，同时也受到其他内源性因素如过氧亚硝酸盐、超氧化物阴离子和胞质蛋白激酶Cε（PKCε）等的调控。另一方面，mitoKATP的开关还受很多药物的调控，二氮嗪是最常用的mitoKATP开放剂，但因其非特异性效应可使实验结果的解释复杂化，相比之下，BMS-191095作为mitoKATP激动剂更具有特异性，相应的实验结果更明确。格列本脲和5-羟基癸酸（5-HD）是经典的mitoKATP通道拮抗剂［10］。到目前为止，KATPchannel在心脏及脑缺血损伤时起到的保护作用，主要是通过sarcKATP还是mitoKATP尚存在许多争议。

3 MitoKATP在脑缺血中的神经保护作用

研究表明，药物或缺血预处理激活心肌mitoKATP后，可减弱心肌缺血再灌注损伤［11］。Bajgar等［12］发现，相较于心脏，脑中mitoKATP是其7倍之多，说明该通道在神经元中有着重要作用。近年来，不断有研究证实，很多药物预处理或后处理对脑缺血损伤的保护机制与脑中mitoKATP激活有关。二氮嗪作为mitoKATP激动剂可通过开启脑中mitoKATP，激活PKC途径，保护线粒体功能，抑制细胞凋亡，减轻心肺复苏后脑损伤［13］。七氟烷作为临床常用的挥发性麻醉剂，在其预处理或后处理中，均能通过激活mitoKATP，减轻大鼠的脑缺血再灌注损伤［14-15］。新一代α2-肾上腺素能受体激动剂右美托咪定，可通过开启大脑mitoKATP，促进抗氧化应激作用，减少嗜中性粒细胞的黏附及浸润，控制炎症反应，对脑缺血再灌注损伤大鼠起到神经保护作用［16］。而mitoKATP阻滞剂［14］、饮食型肥胖［15］或糖尿病［14］可影响mitoKATP功能，使上述神经保护作用减弱。mitoKATP开放在脑缺血中产生保护作用的确切机制尚不十分清楚，目前提出的可能机制有以下几个方面。

3.1 平衡线粒体膜电位及调控细胞凋亡 线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）用来衡量线粒体功能已被广泛应用［17］，多种细胞在不同因子作用下发生凋亡时均伴有MMP下降，且发生在细胞凋亡早期病理变化之前，表明膜电位下降为凋亡的特异性改变。因此，如果能维持线粒体膜电位的稳态，则有可能阻遏细胞凋亡。在神经细胞缺血缺氧时，细胞离子浓度的失调及能量代谢相关酶活性被抑制，使线粒体氧化磷酸化反应减慢，导致线粒体膜电位降低，引起细胞凋亡。有研究表明，缺血预处理诱导的线粒体去极化是由mitoKATP的激活所致［18］，在ATP浓度下降时，mitoKATP被激活，从而增加线粒体基质中K+的摄取，减少细胞质中不受控制的Ca2+内流，消除线粒体内膜的极化，平衡线粒体膜电位，抑制细胞凋亡，保护神经细胞功能。

3.2 调节Ca2+超载 组织细胞在缺血缺氧的情况下出现线粒体内Ca2+过度聚集，进而使线粒体膜通透性转换孔（mitochondrial permeablity transition pore，MPTP）不可逆性开放，引起MMP崩溃，ATP合成停

止，细胞色素C和促凋亡因子流出，超氧阴离子大量产生，导致线粒体基质渗透压升高，线粒体肿胀等诸多后果［19］。抑制MPTP开放，可减轻脑缺血损伤［20］，而Ca2+超载是引起MPTP开放的常见原因。Wu等［21］应用分光光度法评估脑线粒体肿胀程度，并以此作为MPTP开放的量度，证明了mitoKATP的开放可减轻脑缺血再灌注损伤，可能与减弱线粒体内Ca2+超载，抑制MPTP开放有关。

3.3 调节氧化应激 线粒体是活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）产生的主要场所，低浓度的ROS可激活转录因子，促进细胞的增殖、活化，但瞬时或长期过度升高的ROS可导致细胞功能障碍，特别是在机体代谢受损的情况下，可通过线粒体或非线粒体途径致使细胞死亡［22］。Simerabet等［23］在缺血再灌注前72 h应用立体定向装置在皮质区域灌注过氧化氢（H2O2）后，观察到脑梗死体积减少，而H2O2诱导的这种神经保护作用可被mitoKATP抑制剂消除；另外，在脑缺血再灌注期间，激活mitoKATP产生的神经保护作用可被抗氧化剂所阻断，该实验表明mitoKATP的开放对脑缺血再灌注损伤具有神经保护作用，而ROS在mitoKATP开放的上游及下游均有参与。相关研究证实，脑缺血时积累的柠檬酸循环中间体琥珀酸盐，在再灌注期间被琥珀酸脱氢酶迅速重新氧化，并通过线粒体呼吸链复合物Ⅰ的逆向电子转运（reverse electron transport，RET）使ROS广泛生成，引起线粒体氧化损伤、基质内钙超载、MPTP开放等一系列级联反应，最终导致细胞死亡［24］。RET的发生直接依赖线粒体膜电位，在脑缺血再灌注时，mitoKATP的开放可稳定线粒体膜电位，减弱RET作用，进而抑制ROS的大量生成，减轻再灌注损伤［25］。3.4 改善血管功能 神经血管单元是血管和实质细胞组成的综合系统，在一定的环境中相互作用，使血液流动和代谢需求相匹配，维持脑内稳态。缺氧缺血性应激后，mitoKATP开放使线粒体去极化，短暂增加蛋白激酶活性和细胞质内钙水平，保护脑血管内皮，促进脑动脉舒张，改善卒中患者血管功能障碍和减轻脑损伤［10，26］。

4 MitoKATP与糖尿病合并脑缺血

研究表明，糖尿病可增加缺血性卒中发生率及引发卒中后功能恢复不良［27］，与正常血糖大鼠相比，糖尿病大鼠脑缺血后梗死体积显著增加［28-29］。高血糖可引起血管损伤、炎症反应加剧、线粒体功能障碍［30-31］，导致ROS过度生成，增加氧化应激和基质金属蛋白酶-9（MMP-9）活性，加重脑缺血/再灌注损伤后的血脑屏障功能障碍及脑水肿形成［32］，同时诱发和加重卒中后脑白质损伤［33］。糖尿病加重脑缺血损伤是一个复杂的恶性级联过程，确切的机制尚不十分清楚。

糖尿病为慢性代谢性疾病，高血糖对全身各种组织均会产生相应的损害，线粒体功能亦受到影响。相关文献报道，糖尿病或高糖血症会减弱mitoKATP的活化［34］及降低mitoKATP的功能［35］。在胰岛素抵抗肥胖大鼠中，mitoKATP被抑制，消除了缺血预处理和二氮嗪对心肌缺血再灌注损伤产生的保护作用［36］。最新在糖尿病合并脑缺血大鼠模型中的研究发现，糖尿病加重脑缺血损伤并使七氟烷后处理产生的神经保护作用失效，可能是由脑中mitoKATP受损所引起，而应用胰岛素控制血糖，调节脑中mitoKATP功能后，可减轻脑缺血损伤并恢复七氟烷对脑缺血损伤的神经保护作用［14］。以上均表明，mitoKATP在糖尿病加重脑缺血损伤中起到至关重要的作用。

5 展望

目前关于糖尿病合并脑缺血最有效的就是降糖和溶栓治疗，但溶栓用药时机受限且预后不良。mitoKATP激活启动不同的信号级联反应在脑缺血再灌注损伤的发生和进展中发挥有力的神经保护作用，而糖尿病使mitoKATP启动的正常保护机制受损，因此，将mitoKATP作为一个新的治疗靶点，通过激活mitoKATP进而对糖尿病合并脑缺血发作前后产生保护作用，有望在防治糖尿病合并脑缺血方面取得一定进展。