1型糖尿病胰岛β细胞不同死亡方式的研究进展

张晓宇综述 冷锦红审校

近年来全球范围内糖尿病的患病率在逐年上升，最新流行病学调查显示，预计到2040年全球糖尿病患病总人数将达到6.42亿[1]。糖尿病分型中以1型和2型两种较为常见，其中1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)占糖尿病总数的10%～15%[2]，它是一种在T淋巴细胞介导下，出现胰岛β细胞损伤、胰岛功能受损，导致胰岛素分泌绝对不足的自身免疫性疾病。在T1DM发病机制中，有遗传、饮食、环境等多种因素参与，但最终结局都与部分胰岛β细胞的损伤或死亡这一基本机制相关[3]。

T1DM目前尚无确切有效的治疗手段，临床上大多以持续胰岛素外源性补充作为终生治疗手段，保护胰岛β细胞免受各种形式介导下的细胞死亡为治疗T1DM提供了新的思路[3]。已发现多种细胞死亡方式与T1DM的发病机制相关，如细胞凋亡、细胞焦亡、自噬、坏死、PARP-1依赖性细胞死亡等，现就当前1型糖尿病发病机制中胰岛β细胞不同细胞死亡方式的研究进展进行综述。

1 细胞凋亡与T1DM

1972年，Kerr等[4]首次对细胞凋亡(apoptosis)这一不同于细胞坏死的细胞程序性死亡方式进行了详细描述，它是一种为了维持自身内环境稳态，在基因的调控下发生的主动、有序的细胞死亡方式，特征是在凋亡过程中有凋亡小体的形成。

在T1DM中胰岛β细胞的凋亡研究较为透彻，主要分为内源性和外源性2种形式。内源性凋亡，即通过线粒体途径的细胞凋亡，是在多种微环境干扰下，如线粒体DNA(mtDNA)损伤、氧化应激、生长因子缺失、内质网(ER)应激、缺氧等多种条件下，激活Bcl-2家族蛋白进而发生的一种凋亡途径。外源性细胞凋亡则主要通过激活肿瘤坏死因子超家族的细胞因子介导。

自杀相关因子(factor associated suicide，Fas)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)同为T1DM中胰岛β细胞外源性凋亡的重要因子[5]。TNF-α与细胞膜上的TNF受体结合，激活天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase)家族；Fas同属于肿瘤坏死因子超家族，它是一种Ⅱ型跨膜蛋白，与Fas-L结合启动凋亡信号，通过Fas蛋白传递到与细胞死亡相关的适应性蛋白。二者均能激活Caspase-8，引起下游Caspase-3、Caspase-6、Caspase-7激活[6]，使得胰岛β细胞凋亡。在免疫应答过程中，胰岛自身抗原可以刺激淋巴细胞产生TNF-α，形成恶性循环，TNF-α在胰岛β细胞坏死的过程也发挥着重要的作用，其与T1DM关系密不可分[7]。

De Franco等[8]研究发现，Fas死亡受体通过涉及Caspase-8和Caspase-9的外在和内在途径触发胰岛β细胞凋亡。部分T1DM患者中存在Fas功能的遗传缺陷现象，对Fas耐药患者和Fas敏感患者进行对照分析表明，Fas耐药患者病年龄低于Fas敏感患者。进一步说明Fas功能缺陷与T1DM的外在和内在途径关系紧密，且关系到发病年龄与合并症的产生。Malik等[9]在探讨T1DM、氧化应激与胃肠蠕动、肠道菌群间关系时，将T1DM患者与正常患者进行对照研究，发现T1DM组血浆中TNF-α显著升高，侧面印证了TNF-α在T1DM胰岛β细胞凋亡过程中的核心位置。

促炎性细胞因子白介素-1β(IL-1β)是诱导胰岛β细胞内源性凋亡与外源性凋亡的核心因子，IL-1β与低亲和力的1型IL-1受体(IL-1 type I receptors，IL-1RT1)结合，激活MAPK信号通路中Ras-依赖性的Erk，导致核因子-κB(NF-κB)转位到细胞核中，激活胰岛β细胞中诱导型一氧化氮合成酶(iNOS)基因转录，生成的NO则是诱导胰岛β细胞内源性凋亡的关键物质。NO与ROS结合，诱导线粒体膜释放细胞色素C，激活Caspase-8以诱导胰岛β细胞外源性凋亡[10]。Taghian等[11]认为NF-κB是通过暴露于IL-1β或IL-1β/IFN-γ，诱导胰岛β细胞被破坏的关键效应物，所以通过荧光NIR-ODND技术使NF-κB水平可视化，以此来反映胰岛β细胞水平。

2 细胞焦亡与T1DM

2000年，Brennan等[12]首次发现在Caspase-1介导下，存在着一种与细胞凋亡并不相同的细胞死亡方式，将其与细胞凋亡进行了区分并命名为细胞焦亡(pyroptosis)。细胞焦亡是一种细胞在真菌、细菌、感染等条件下，出现细胞膜穿孔、细胞内容物释放，细胞的完整性被破坏的一种细胞程序性死亡方式。公认的经典细胞焦亡途径有2种[13-14]，第一种是在Caspase-1介导下，以NLRP3炎性通路为主要信号通路的经典细胞焦亡途径；第二种则是在Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11介导下的细胞焦亡途径。这二者都需要炎性小体复合物首先感知病原信号，激活启动炎性反应得以进行。

T1DM发生过程中，细胞焦亡主要依赖于病原信号催动激活NLRP3，形成炎性小体，活化Caspase-1形成促炎性因子，IL-18和IL-1β在细胞焦亡的过程中起着关键性作用[15]，它们被激活后启动炎性反应，可以诱使更多的胰岛β细胞发生损伤。

普遍认为IL-1β可能是T1DM早期发展的生物标志物[16]。同时有证据显示[17]，T1DM患者单核细胞中Toll样受体(TLR)和IL-1β均被上调，使其处于一种促炎性反应状态，在此状态下NLRP3小体更易被激活，可能会使胰岛β细胞发生细胞焦亡现象，具体过程还有待探索。Carlos等[18]报道在应用STZ诱导T1DM过程中， mDNA介导NLRP3激活，触发Caspase-1依赖性IL-1β产生，并促成了病原性细胞应答。Gao等[19]报道人参皂苷Rg1通过降低STZ诱导的T1DM小鼠血液中的IL-1β和IL-18水平，进而降低ALT和AST表达，削弱STZ诱导的T1DM小鼠肝脏、胰腺中NLRP3，起到促进胰岛素分泌降低血糖的作用，侧面印证了NLRP3、细胞焦亡与T1DM间的关系。

3 自噬与T1DM

自噬(autophagy)是一种通过溶酶体途径降解细胞内受损的胞质、细胞器和蛋白质聚集体和入侵的病原体，对营养物质进行回收再循环的自体吞噬性细胞死亡方式[20]。

不同于其他细胞死亡方式，自噬对于胰岛β细胞的作用利大于弊，适度的自噬对维持胰岛β细胞的数量、正常形态结构及正常功能具有很大的作用[21]。自噬可以延迟胰岛β细胞的凋亡，同时可通过适应性地减轻内质网应激，进一步保护胰岛β细胞，提升胰岛β细胞的存活率[22]。但过度的自噬会导致胰岛β细胞受损，甚至发生自噬依赖性细胞死亡。

自噬在T1DM发病过程中对胰岛β细胞的作用，主要体现在诱导细胞产生抗氧化反应，减轻内质网应激，防止胰岛β细胞凋亡，这是较为常见的对于胰岛β细胞的保护作用。Wang等[23]发现维生素D可以诱导自噬，在STZ诱导形成的T1DM小鼠 ，经维生素D的干预后自噬相关蛋白和Bcl-2蛋白均呈上升趋势，印证了维生素D可以通过诱导自噬来抑制胰岛β细胞凋亡，减少T1DM的发生率。有研究表明[24]，在T1DM发生过程中，细胞因子激活AMPK-ULK-1途径，同时可以抑制mTORC1，并通过内质网应激依赖性方式刺激自噬活性。同时TNF-α、IL-6与IFN-γ等促炎性细胞因子会损害溶酶体功能，从根本上阻断了自噬的发生，所以在T1DM过程中会加剧胰岛β细胞凋亡。

在补体C3与自噬蛋白ATG16L1相互作用下，可以刺激自噬进一步防止胰岛β细胞死亡。同时在一些细胞因子的刺激下，可以降低溶酶体的活性，阻止自噬过程，也会导致胰岛β细胞凋亡的发生[25]。

4 坏死性细胞死亡与T1DM

2003年Chan等[26]提出了程序性细胞坏死这一概念，不同于细胞凋亡和不受信号调节的细胞坏死，从形态学来看，程序性细胞坏死常常伴有细胞变圆、细胞质肿胀、线粒体通透性改变、溶酶体膜破裂泄漏进而导致细胞裂解坏死。程序性细胞坏死还可根据其途径不同，细分为坏死性凋亡、铁死亡、线粒体通透性转换驱动的坏死[mitochondrial permeability transition(MPT)-driven necrosis]、聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(poly-ADP ribose polymerase-1, PARP-1)依赖性细胞死亡(parthanatos)等。

在T1DM发病机制中，有相关报道表明，MPT驱动的坏死和PARP-1依赖性细胞死亡与胰岛β细胞死亡有密切关系[27]。T1DM过程中，MPT驱动的坏死往往是由于严重氧化应激、细胞内Ca2+含量超载、活性氧(ROS)等因素诱导，通过蛋白质损伤、脂质过氧化等过程，使线粒体损伤，这些因素导致细胞膜完整性与离子平衡丧失，线粒体通透性转换孔开放，使线粒体内膜通透性增加，出现线粒体肿胀、破裂，减少ATP的产生，进一步引起胰岛β细胞坏死的发生[28]。Miki等[29]通过对T1DM患者供体的研究发现，将其分离出的胰岛移植到STZ诱导的T1DM裸鼠体内，胰岛β细胞中过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的表达远低于胰岛α细胞。提示胰岛β细胞的抗氧化应激能力较差，易于发生凋亡、坏死的情况。

PARP-1依赖性的细胞死亡，是在DNA损伤反应机制中特定成分PARP-1的超活化驱动下发生的。PARP-1依赖性的细胞死亡也是对氧化应激、缺氧、炎性反应或低血糖的一种提示。近年来发现，在T1DM发生过程中，PARP-1依赖性的细胞死亡亦有一定作用。但具体机制尚不明确，有待更多的研究发掘。

5 小 结

综上所述，1型糖尿病是一个机制复杂的自身免疫性疾病，其发病机制至今尚未彻底阐明，但在1型糖尿病发生和发展过程中，胰岛β细胞的死亡都占据着至关重要的地位。胰岛β细胞的死亡方式包括细胞凋亡、焦亡、自噬、坏死性细胞死亡等[30-32]。未来进一步研究T1DM中胰岛β细胞的不同死亡方式，明确其详细机制，可能成为T1DM的全新治疗靶点，为T1DM治疗提供新的研究思路。