线粒体在糖尿病血管内皮功能障碍中的作用*

王近吴,范加维，戴小珍

1.成都医学院 基础医学院(成都 610500)；2.成都医学院 生物科学与技术学院(成都 610500)

随着经济发展和人们生活方式的改变，糖尿病发病率呈明显上升趋势。据国际糖尿病联合会(international diabetes federation，IDF)发布的最新数据[1]：2017年全球约4.25亿成年人(20～79岁)患糖尿病，预计到2045年患者数将增加至6.29亿。糖尿病已成为全球重大的慢性疾病，患病率持续增长，严重危害人类健康，成为世界性的公共卫生难题。其中，糖尿病血管并发症(diabetic vascular complications，DVC)是最常见、最严重的并发症之一。

DVC以全身血管损害为特点，根据损伤所在部位，分为大血管并发症(主要累及心脏、脑及四肢)、微血管并发症(主要损伤眼睛、肾脏，还包含糖尿病神经病变和糖尿病性功能障碍)[2]。与非糖尿病人群相比，糖尿病人群死亡率增加，下肢坏疽及截肢风险较正常人群高40倍，失明、肾衰、心血管病的发病率都大大增加[3]。临床试验[4]表明，强化血糖控制对大血管和终末器官微血管病的改善结果尚不满意。而DVC的发病机理仍不清楚，因此，深入探讨DVC的发生机制、寻求药物干预，对于降低糖尿病致残致死率，改善糖尿病患者预后具有深远意义。

血管内皮作为血管保护屏障，易感知到血液微环境变化，继而引起内皮功能稳态改变，导致内皮受损因素多样且复杂，其中，外周循环高糖高脂环境导致的氧化应激损伤可能是糖尿病内皮功能受损的主要原因[5]。线粒体是产生活性氧(reactive oxygen species，ROS )的重要场所，糖尿病导致线粒体功能障碍从而产生过量mtROS，过量mtROS在内皮功能受损过程中起着关键作用[6]；所以改善线粒体功能是治疗DVC的重要靶点。

1 内皮功能受损与糖尿病血管并发症

血管内皮细胞是血管壁最内侧一层连续被覆于血管内腔面的扁平多功能细胞。作为活跃的代谢及内分泌器官，对血栓与止血、炎症与免疫，以及血管再生都起着调节作用[7]。正常条件下，内皮细胞可合成释放多种生物活性物质，这些物质通过血液流动、营养物质输送、激活或抑制凝血蛋白、防止血栓形成和白细胞的渗出来维持体内平衡。研究[8]发现，糖尿病血管并发症患者中，一些内皮、炎症和促凝血生物标记物，如血管性血友病因子(von willebrand factor，vWF)、白细胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)、D-二聚体(Ddimer)和纤溶酶原激活物抑制物-1(plasminogen activator inhibitor-1 ，PAI-1)增加，指标的增加提示促凝血因子激活和内皮功能受损。内皮细胞合成分泌的多种活性物质都参与了体内病理生理过程[9]。其中，一氧化氮(nitrous oxide，NO) 和内皮素(endothelin，ET-1)是血管内皮细胞分泌的两种重要因子[2,10]。NO 主要由内皮型一氧化氮合酶(endothelium-derived nitricoxide synthase，eNOS)催化产生， NO通过阻止血小板和白细胞与血管壁相互作用的分子信号，从而使血管免受内源性损伤；它还能抑制血小板聚集、促凝血酶激活、组织氧化及炎症。因此，内皮依赖性NO介导的舒张功能受损是糖尿病患者内皮功能障碍的指征[11]。糖尿病状态下，eNOS 脱偶联，NO 合成明显减少，生成过多ROS 和过氧亚硝酸盐，从而引起强烈的氧化应激反应，血管收缩剂前列腺素和ET-1的合成增加。高糖导致内皮细胞修复能力受损，血管内皮稳态被破坏，血管张力及血流动力学改变，凝血系统的激活导致血小板黏附聚集，血管通透性增加[10]；另外，各种血管内皮细胞因子生成并表达，如内皮生长因子、核转录因子、活化蛋白型纤溶酶原激活物抑制因子、血管黏附分子等，进一步加重了血管内皮损伤[2,4,8]。同时激活的丝裂素活化蛋白激酶信号通路，促进血管内皮细胞凋亡。内皮受损使NO生物利用度降低，血管阻力增加[10]。最终引发了包括血管内皮损伤、纤溶系统紊乱，糖尿病血管并发症等病变，使局部组织供血障碍，缺血缺氧，引起组织坏死。

由此可见，内皮功能障碍在糖尿病血管并发症的初始和反复发作中起关键作用，因此，深入探讨糖尿病内皮损伤机制对于改善糖尿病血管并发症的防治具有重要研究价值。

2 线粒体在糖尿病血管内皮功能障碍中的作用

线粒体功能障碍是糖尿病导致的内皮功能损伤的早期事件[7]。线粒体是细胞内数量最多的细胞器，由双层膜状结构包裹，内含蛋白质、脂质和遗传信息物质。其主要功能是氧化磷酸化，为细胞的生命活动提供能量。除了产生能量，线粒体还可通过突触控制 Ca2+的储存和释放以维持细胞内 Ca2+浓度动态平衡[12]；此外，线粒体还参与了细胞基质代谢、细胞凋亡、启动信号转导通路等多种活动[13-14]。

ROS 是体内氧化应激的始发因素，而线粒体则为体内 ROS 来源的主要细胞器[15]。糖尿病环境下，机体由糖代谢主要转换为脂代谢，使得体内游离脂肪酸升高，引起线粒体分裂融合，使线粒体内膜电位超极化，导致线粒体电子转移链解偶联，超氧化物生成增加。持续处于高糖环境会促使 mtROS 过度生成[16]，可进一步加重线粒体形态和功能损伤,从而引发细胞氧化应激损伤、细胞凋亡、炎症等反应。接下来将重点归纳总结线粒体氧化应激、线粒体动力学、线粒体凋亡三方面在糖尿病血管内皮功能障碍中的作用。

2.1 线粒体氧化应激损伤

mtROS被认为是高血糖及其在血管、肾脏、神经元和视网膜病理条件下的一种介质。葡萄糖可直接刺激ROS的生成，使多种酶级联反应激活，导致线粒体功能障碍，包括NADPH氧化酶激活、eNOS解耦联和黄嘌呤氧化酶的刺激[2]。氧化应激和低度炎症被认为是导致糖尿病及其并发症的主要因素[10]。线粒体可通过有效的抗氧化系统(如超氧化物歧化酶和过氧化物酶)清除过量ROS。但随着年龄增加或在病理状态下，细胞抗氧化能力降低，ROS生成速度超过细胞清除速度，使得ROS 在细胞中积累，引起DNA突变，蛋白、脂质过氧化以及线粒体膜通道开放，最终造成细胞损伤。所以ROS的产生和降解平衡对于维持细胞发挥正常生理功能非常重要。

糖尿病患者体内的氧化应激状态使血管病变概率大大提高，Giacco等[17]发现，高糖诱导超氧化物产生,随后刺激其他途径产生更多超氧化物发挥更强的损伤作用。细胞内高水平ROS可破坏线粒体膜结构，开放线粒体内外膜交界处的渗透性转换通道，造成线粒体跨膜电位下降，氧化磷酸化受阻，同时线粒体功能不断受损,机体陷入氧化损伤的恶性循环[2]。通过抗氧化剂或过表达超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)及过氧化氢酶能够预防组织细胞病变,间接证明了ROS在糖尿病并发症中的重要作用。

2.2 线粒体动力学

线粒体存在于一个由细胞外营养水平和细胞内能量需求所组成的动态网络中，它可以不停地进行融合分裂，这种运动称为线粒体动力学。线粒体对维持细胞功能有重要影响，动力学平衡紊乱会造成细胞能量代谢障碍、增殖与凋亡失衡和肿瘤等疾病[18]。线粒体融合(小到大)通过一种互补的形式来混合部分受损的线粒体内容物以帮助缓解应激，而线粒体分裂(大到小)可产生新的线粒体。在高水平细胞应激状态下促进受损伤的线粒体被移除从而控制线粒体质量[18]。轻度营养缺乏将诱导线粒体融合，提高能量产生效率，以补偿生长所需的能量，而重度营养缺乏则驱动线粒体分裂，促进细胞凋亡，为邻近细胞保存能量。

线粒体分裂主要由线粒体动力相关蛋白(dynamin- related protein，Drp1)、线粒体分裂蛋白(mitochondrial fission protein，Fis1) 和线粒体裂变因子(mitochondrial fission Factor，Mff )调节。其中，Drp1 存在于细胞质中，是调节线粒体分裂的关键分子。当接收到分裂信号后，大量的 Drp1 从细胞质中转移到线粒体外膜，与定位在线粒体外膜上的 FIS1、MFF 结合，共同介导线粒体分裂。而线粒体融合主要是由融合蛋白丝裂素-1(mitofusin-1，MFN1), 丝裂素-2(mitofusin-2，MFN2) 和视神经萎缩蛋白(optic atrophy，OPA-1)调控[19-20]。线粒体融合分裂失调与呼吸、神经及内分泌、癌症以及代谢性系统疾病密切相关[18,21]，糖尿病肾病、糖尿病心肌病以及糖尿病血管病变中，均伴有线粒体的过度分裂。线粒体动力学失衡同时在糖尿病血管内皮功能障碍中起着重要作用。生理条件下，内皮细胞线粒体融合、分裂处于动态平衡，而高糖条件下，内皮细胞线粒体分裂加速，引起线粒体功能障碍，进一步导致内皮细胞受损[22]。高糖高脂诱导Drp1表达活性增加，线粒体断裂，ATP含量降低，胰岛素介导的人骨骼肌葡萄糖摄取减少；通过抑制Drp1的活化能够使线粒体分裂融合达到动态平衡，并改善内皮细胞功能[23-25]。

2型糖尿病(type-2 diabetes, T2D)还与Mfn2的表达减少有关。小鼠肝脏和骨骼肌中Mfn2缺失会导致线粒体碎片化和许多代谢异常，包括葡萄糖不耐受和肝脏糖异生增强[26]；这说明Mfn2在肥胖、T2D相关胰岛素信号和葡萄糖稳态中的重要调节作用。据报道[27]，Opa1也与糖尿病有关。Opa1在人脂肪细胞分化过程中从线粒体向脂滴转移，它的缺乏会扰乱线粒体融合平衡，降低氧化磷酸化，增强脂肪酸氧化，降低能量消耗。此外，胰岛素可增加心肌细胞中Opa1的水平，并促进线粒体融合，从而增强氧化磷酸化；而Opa1缺失则抑制ATP合成。可见，线粒体动力学相关蛋白在糖尿病等代谢性疾病中的调节作用和密切关系。

2.3 线粒体凋亡途径

线粒体功能障碍通过多种机制引起细胞或器官损伤，包括减少细胞能量状态并提高ROS含量。此外，线粒体损伤导致促凋亡因子释放，进而引发细胞程序性死亡也是导致糖尿病血管内皮损伤的重要原因。线粒体介导的内皮细胞凋亡可通过DNA损伤、ROS、活性氮(reactive nitrogen species,RNS )、氧化磷酸化、内质网(endoplasmic reticulum，ER)应激等异常代谢途径来激活[28]。高血糖诱导内皮细胞凋亡，一方面是由于高糖对线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP )的负作用，当mPTP开放后，位于线粒体内的细胞色素C(cytochrome,Cyt C )进入到细胞质内[29]。正常情况下Cyt C存在于线粒体内部，当受到凋亡信号刺激，活化的Bcl-2蛋白家族调控Cyt C释放[28]； 该蛋白从线粒体释放到细胞胞质，与Caspase-9酶原结合，分解并活化Caspase-9；激活的Caspase-9活化下游的Caspase-3，引起一系列Caspase级联反应，分解DNA，最终诱发细胞凋亡[30]。另一方面，ROS诱导mPTP开放，引起线粒体肿大，造成线粒体损伤[28]。细胞凋亡与线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential,MMP)降低有关，而MMP下降与mPTP的开放密切相关。慢性高血糖会引起氧化磷酸化转变到糖酵解以及呼吸链异常，MMP下降，ATP合成减少，ATP/ADP比值降低[31]，内质网释放过多的钙进入线粒体,DNA结合蛋白和异常的细胞内级联信号可通过抑制抗凋亡激酶或激活促凋亡激酶来诱导内源性凋亡。

综上所述，内皮功能受损是糖尿病血管并发症发生的重要原因之一，而线粒体功能障碍是导致内皮受损的关键因素和早期事件。线粒体除作为细胞内能量生成的关键细胞器，还参与了细胞基质代谢、自由基生成、细胞凋亡、启动信号转导通路等多种细胞活动。基于近年的研究发展，糖尿病导致线粒体功能障碍，线粒体内 ROS 水平升高、线粒体动力学失衡，从而引发内皮细胞凋亡、氧化应激反应、炎性因子表达增加，最终导致内皮受损。通过靶向改善线粒体功能，调节线粒体动力学平衡，抑制线粒体介导的凋亡途径是治疗糖尿病血管病变的重要策略。