毛倩云 王 琛
糖尿病是当今严重危害人类健康的一种慢性代谢性疾病,其发病率随经济的发展而逐年上升,并呈现出低龄化的趋势。胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍是2型糖尿病发病的重要病理生理机制,其中以胰岛β细胞功能障碍为发病的核心环节。越来越多的研究结果显示,2型糖尿病既是一种慢性代谢性疾病,也是一种慢性炎性反应疾病。慢性低度炎性病变参与了胰岛素抵抗,以及胰岛β细胞功能障碍、死亡的发生和发展过程。免疫系统不仅对外界感染和损伤应答,还会对营养超载应答,过量的饱和脂肪酸(SFAs)和葡萄糖引起肝脏、肌肉和胰岛细胞代谢应激(metabolic stress),激活机体免疫系统导致炎性病变的发生。现就国内外近几年慢性炎性反应在糖尿病胰岛β细胞功能损伤中作用的新进展予以综述。
炎性反应是活体组织对损伤因子所产生的防御反应,机体通过一系列血管反应(如液体渗出、白细胞激活和渗出等)清除损伤因子。损伤因子的持续存在使机体处于慢性炎性反应状态。根据是否存在特异性的致病因素,慢性炎性反应可分为慢性特异性炎性反应和慢性非特异性炎性反应,后者是一种慢性的低度炎性反应,无明显症状,以体内IL-1、IL-6和TNF-α等促炎细胞因子水平显著升高为特征[1]。代谢与免疫密切相关,免疫反应的维持需要能量,饥饿和营养不良会削弱免疫功能,但持续营养超载(如摄入过多的碳水化合物、SFAs等营养物质)同样会破坏代谢与免疫间的平衡,激活先天免疫系统,从而引发慢性低度炎性反应[2]。越来越多的研究[3]证明,慢性非特异性炎性反应与肥胖、2型糖尿病等的发生息息相关。
人体摄入过多的碳水化合物、SFAs等营养物质可导致循环中炎性细胞因子(如TNF-α、CRP和IL-6)水平升高[4-6]。细胞研究[7-10]结果显示,SFAs和高糖可以直接激活巨噬细胞表面的Toll样受体(TLR)4受体,后者通过激活细胞内NF-κB信号通路,诱导炎性细胞因子(如IL-1β、IL-6)分泌。此外,SFAs也可激活组织细胞(如脂肪、肌肉、胰岛细胞)的TLR4-NF-κB信号通路,促进趋化因子[如人单核细胞趋化蛋白(MCP)-1、趋化因子配体(CXCL)1]表达,间接激活巨噬细胞,从而进一步促进炎性反应[10-12]发生。除了TLR4受体,SFAs和高糖也可通过促进活性氧产生,激活巨噬细胞表面的另一种模式识别受体——核苷酸结合寡聚化结构域样受体(NLR)蛋白,形成NLRP3炎性小体,诱导巨噬细胞分泌IL-1β和IL-18[13],或激活组织细胞的NLRP3炎性小体,分泌炎性细胞因子(SFAs促进脂肪细胞分泌IL-18,高糖促进胰岛β细胞分泌IL-1β)[14],加重炎性反应。最后,高糖形成的糖基化终产物(AGEs)还可以通过结合巨噬细胞表面的新型模式识别受体——晚期糖基化终末产物受体(RAGE),激活NF-κB信号通路[15]。总之,摄入过量的能量导致血糖和SFAs水平升高,通过激活巨噬细胞和组织细胞中的模式识别受体,促进炎性细胞因子分泌,诱发慢性非特异性炎性反应。
1型糖尿病是已知的自身免疫疾病。炎性细胞因子和炎性细胞直接或间接造成胰岛β细胞的功能障碍与凋亡[16],对1型糖尿病发病中胰岛β细胞损伤起关键作用。新近研究结果显示,慢性非特异炎性反应在2型糖尿病发病中对胰岛β细胞去分化、细胞凋亡和(或)死亡,以及容量减少也起重要作用。
2.1 对胰岛β细胞功能障碍和凋亡的影响 研究[17-18]发现,2型糖尿病患者胰岛中CD45+免疫细胞、巨噬细胞、B淋巴细胞和T淋巴细胞浸润增多。在2型糖尿病模型鼠中也观察到类似的改变[17, 19]。研究[20-22]结果显示,炎性细胞因子IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-12作用于胰岛β细胞,减少葡萄糖诱导的胰岛β细胞胰岛素的释放。其中,IL-1β还可通过诱导Fas死亡受体[23],或通过促进诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和一氧化氮(NO)在胰岛β细胞中显著积累[24],或刺激胰岛β细胞NF-κB表达,导致胰岛β细胞凋亡[25-27]。除了对胰岛β细胞的直接作用,IL-1β还通过增加趋化因子(如CXCL1、MCP-1)和黏附因子Vcam1的表达,促进巨噬细胞胰岛浸润[28],加重胰岛炎性反应。使用IL-1受体拮抗剂可以保护高糖对胰岛β细胞的损伤效应[29]。敲除TLR4和NLRP3也可以减少高脂饮食诱导的胰岛中巨噬细胞浸润或胰腺IL-1β的活化,缓解胰岛β细胞功能障碍和凋亡[30-31]。进一步研究结果显示,B淋巴细胞在调节肥胖小鼠T淋巴细胞分泌促炎细胞因子中起重要作用[32]。缺乏B淋巴细胞的肥胖小鼠血中各种促炎细胞因子水平均明显降低[33]。
2.2 对胰岛β细胞增殖的影响 2型糖尿病是一种与年龄有关的疾病,随着年龄的增长,胰岛β细胞端粒缩短[34],增殖能力下降[35]。老化的胰岛显示出慢性炎性反应的迹象,巨噬细胞浸润和分泌的TNF-α增加,胰岛β细胞中NF-κB被激活[36]。研究发现,炎性细胞因子对胰岛β细胞的增殖具有调节作用。促炎细胞因子IL-1β、TNF-α、IFNγ一方面抑制细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2,减少胰岛β细胞的增殖[37];另一方面,IL-1β还可激活胰岛β细胞内的NF-κB,后者通过抑制调节胰岛β细胞增殖的转录因子同源框蛋白(NKX)-6.1[26]和胰岛β细胞增殖的年龄相关基因socs2的表达[36],来减少胰岛β细胞的增殖。反之,抑炎细胞因子则促进胰岛β细胞的增殖。如M2巨噬细胞通过释放TGF-β来促进TGF-β信号通路中SMAD7上调,SMAD7通过直接上调细胞周期激活因子CyclinD1和CyclinD2促进胰岛β细胞增殖[38]。
2.3 在胰岛β细胞去分化中的作用 以往认为,胰岛β细胞分泌的胰岛素减少主要是因胰岛β细胞凋亡所致。然而,近来在动物模型和人体进行的研究[39]结果表明,除了凋亡,细胞去分化也是糖尿病中功能性胰岛β细胞群丢失的重要因素。胰岛β细胞的去分化是指成熟的胰岛β细胞在不同程度上丧失其分化的表型和细胞特征,并退化为分化程度较低或未分化状态。去分化时,胰岛β细胞中高度表达的基因,如胰岛素基因、糖代谢的关键基因[葡萄糖转运蛋白2(Glut2)和葡萄糖激酶(GCK)]、关键转录因子的基因[Forkhead转录因子(FOXO1)、胰-十二指肠同源盒1(PDX1)和(NKX-)6.1表达均下调,其中具有调控胰岛素作用的转录因子FOXO1的失活是去分化的促发因素;而那些通常被抑制的基因(如葡萄糖-6-磷酸酶、乳酸脱氢酶的调控基因)和祖细胞转录因子的基因[如神经元素3(NGN3)、POU类5同源框1(POU5F1)]表达均上调[40]。以上过程最终导致胰岛β细胞的代谢和结构发生重构,对葡萄糖刺激反应降低、胰岛素分泌缺陷。
在胰岛β细胞去分化的分子机制中,除氧化应激、内质网应激和缺氧外,慢性低度炎性反应也起了重要作用[40]。研究发现,人胰岛β细胞在体外培养时,由于细胞可能暴露于对细胞存活不利的应激,随着培养时间的延长,胰岛β细胞的关键转录因子[如神经分化因子1(NEUROD1)和NKX2.2]表达下调,胰腺祖细胞特异性转录因子[如性别决定区Y框蛋白9(SOX9)]表达上调,同时,IL-8、CXCL6等炎性细胞因子基因表达均显著上调[41]。用炎性细胞因子IL-1β、IL-6或TNF-α处理人和小鼠胰岛细胞后,胰岛β细胞去分化程度增加,表现在胰岛β细胞的分化标志基因(如PDX1、NKX-6.1和FOXO1)表达水平下降,祖细胞转录因子基因(如POU5F1)表达水平上升[40]。在体外采用IL-1受体拮抗剂能明显缓解SFAs诱导的小鼠胰岛β细胞去分化,阻止Glut2、PDX1、NKX-6.1和FOXO1基因的表达下调;在体内实验中,TNF-α拮抗剂也可以逆转2型糖尿病和高脂喂养肥胖小鼠胰岛β细胞关键基因[胰岛素2(Ins2)、Glut2]的表达下调[40]。
鉴于炎性反应在糖尿病发病中对胰岛β细胞功能障碍、凋亡和去分化起了重要作用,糖尿病的免疫调节制剂(包括使用抑制促炎因素、加强抗炎细胞和因子的制剂)被广泛研究。临床试验通过口服或注射IL-1β抗体(如Canakinumab和Gevokizumab)和促巨噬细胞浸润的趋化因子——MCP-1的抗体(如Emapticap),促进2型糖尿病患者胰岛β细胞的胰岛素分泌[42-44]。在动物实验中,通过给糖尿病小鼠模型——KK-Ay小鼠注射IL-1β的主动接种疫苗IL-1β表位肽(A1β),来诱导机体IL-1β强抗体应答,下调IL-1β,使胰岛β细胞容量增加、凋亡减少,胰岛内Ki-67阳性细胞增加[45-46]。除了抑制促炎因素,通过给予链脲霉素(STZ)诱导的糖尿病小鼠腹腔内注射抗炎细胞因子IL-27,也能够减少胰岛中免疫细胞的浸润和IL-1β的表达,促进胰岛β细胞胰岛素的分泌[47]。
此外,临床常用的降糖药物也具有抗炎作用。二甲双胍和二肽基肽酶4(DPP-4)抑制剂是临床常用的治疗糖尿病的药物。动物实验发现,二甲双胍可以通过激活巨噬细胞中腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)来减少脂肪酸诱导的巨噬细胞浸润和促炎细胞因子的产生[48],通过降低胰岛β细胞内的促凋亡蛋白硫氧还蛋白互作蛋白(TXNIP)的表达来减少胰岛β细胞的凋亡[49]。临床研究[50]发现,2型糖尿病患者在静脉注射DPP-4抑制剂12周后,患者单核细胞上TLR4、NF-κB、TNF-α表达量和血浆中CRP和IL-6水平均下降。干细胞治疗是当今医学研究最前沿的方向之一,不仅能提供细胞替代,还可以通过免疫调节改善机体的健康状态。研究[51]结果显示,脂肪组织衍生的间充质干细胞,能够抑制STZ诱导的糖尿病小鼠脾细胞中促炎细胞因子(如IFN-γ、IL-17)的分泌,诱导调节性细胞因子(如TGF-β、IL-4、IL-10)的分泌,促进胰岛β细胞的存活和胰岛素的分泌。
综上所述,慢性非特异性炎性反应在糖尿病发病时胰岛β细胞的功能障碍、凋亡和去分化中起了重要作用,针对炎性反应的免疫疗法有助于保护胰岛β细胞免受代谢应激的损伤。慢性非特异性炎性反应对糖尿病的作用研究目前取得了重大进展,但仍有一些问题需要阐明,如研究结果多数来自动物模型,缺少基于人体的研究,炎性细胞和因子在体内对胰岛β细胞去分化的作用机制尚不明确等。探讨慢性非特异性炎性反应对胰岛β细胞的功能影响机制,以及开发相应的治疗手段和策略,将为糖尿病治疗提供新的方向和思路。