细胞焦亡及其在糖尿病神经病变中的作用研究进展

刘亚娟，吴小芬，魏红红，罗晓红

1 甘肃中医药大学第一临床医学院，兰州 730000；2 中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院内分泌科

糖尿病神经病变（DN）是糖尿病常见的慢性并发症之一，由于长期慢性高血糖引起体内代谢紊乱，微循环障碍造成缺血、缺氧而逐渐发生的神经系统病变。DN的病因及发病机制目前尚未完全明确，研究认为可能与长期高血糖、氧化应激、炎症反应、微血管病变、胰岛素信号通路异常等因素相关［1］。细胞焦亡是一种新发现的细胞程序性死亡形式，其主要依赖于半胱氨酸蛋白酶（Caspase）和消皮素D（GSDMD）蛋白家族，被激活的Caspase 切割GSDMD蛋白，释放其氮端结构域形成细胞膜孔，使细胞渗透压发生变化，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放，进而引起强烈的炎症反应。研究结果表明，细胞焦亡在DN 中扮演重要角色［2-3］。本文对细胞焦亡在DN 中的调控作用进行综述，为DN的治疗提供理论依据。

1 细胞焦亡

细胞焦亡又称细胞炎性坏死，表现为细胞不断肿胀至细胞膜破裂，细胞内容物释放，进而引起强烈的炎症反应。细胞焦亡是一种重要的天然免疫反应，在抗感染中发挥重要作用。细胞焦亡的发生可分为Caspase-1 依赖和非Caspase-1 依赖两种方式。依赖于Caspase-1 的细胞死亡方式称为经典途径细胞焦亡；而非Caspase-1依赖的细胞死亡方式则由人类的Caspase-4 和Caspase-5 或小鼠的Caspase-11 诱导，称为非经典途径细胞焦亡。

在经典途径中，在病原体、细菌等信号刺激下，细胞内的模式识别受体识别这些信号，通过衔接蛋白ASC 与Caspase-1 前体结合，激活Caspase-1［4］，活化的Caspase-1，一方面切割GSDMD，形成GSDMD氮端和碳端，活性氮端在细胞膜上聚集并与脂质结合形成大量直径为10～21 nm 的孔隙，破坏细胞内的渗透压，使细胞肿胀并最终溶解，诱导焦亡发生［5-6］；另一方面促进IL-1β、IL-18成熟并释放到细胞外，引起炎症反应。非经典途径则不依赖Caspase-1，Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11 通过Caspase 募集结构域直接与细菌脂多糖等接触，在胞内形成的大分子蛋白复合体发生寡聚而活化，直接切割GSDMD导致细胞焦亡［7］。Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11也可使成熟的IL-1β 和IL-18分泌［8］，但此机制不明，可能与GSDMD 导致孔隙形成后触发P2X7R 膜通道，促使K+外流，激活NLRP3 炎症小体有关［9］，间接触发IL-1β 和IL-18 释放，随后通过诱导多种其他促炎细胞因子和黏附分子的表达来加重炎症。

炎症因子和炎症反应是DN 发生发展的重要机制，而在细胞焦亡过程中细胞膜穿孔、膨胀破裂，导致炎症因子IL-1β 和IL-18 释放，进一步促进了炎症效应。因此细胞焦亡很可能是调节DN 的潜在作用靶点。

2 细胞焦亡在神经病变中的调节作用

细胞焦亡是调节体内平衡的一把双刃剑。一方面，它有助于保护多细胞生物免受细菌感染；另一方面，过度的细胞焦亡也可能导致慢性炎症［10］。研究发现，过度细胞焦亡可导致质膜破裂以及促炎细胞因子和趋化因子的释放，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-1β、IL-6，从而导致神经炎症［11］，进而引发神经病变后的一系列继发性损伤。促炎因子释放和过氧化物分泌过量引起的持续性炎症也是DN 的重要病理机制，而细胞焦亡恰好是一种炎症介导的程序性细胞死亡方式。研究表明，高血糖可引发Caspase-4、Caspase-11 和GSDMD 依赖性细胞焦亡，导致糖尿病肾病期间足细胞丢失［12］。因此推测细胞焦亡也可能是DN 的一个重要调控靶点及发生发展的关键因素，关于神经病变过程中细胞焦亡的调控机制概括如下。

2.1 线粒体功能障碍 线粒体在维持体内细胞稳态中具有重要作用。当线粒体功能障碍时，可产生大量的活性氧（ROS）。ROS 被认为是炎症反应的关键调控因子，在神经系统疾病中显著促进NLRP3 炎症小体的激活［13］。有研究表明，松果菊苷可显著降低ROS 水平，升高线粒体膜电位，阻断核因子（NF-κB）的激活，从而抑制NLRP3炎症小体的激活，促进脊髓损伤（SCI）后大鼠运动功能的恢复［14］。而糖尿病相关的高血糖、高胰岛素血症和胰岛素抵抗导致线粒体损伤，ROS产生过多，最终导致细胞氧化还原失衡，也是DN 重要的发病机制［15］。过量的ROS 可能导致硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）与硫氧化还原蛋白解离，然后TXNIP 与NLRP3 结合，形成一个活跃的炎症小体复合体［16］；而TXNIP 过表达诱导损伤脊髓中NLRP3 炎症小体的激活，并激发依赖于焦亡的神经元细胞死亡。有研究发现，马钱素通过抑制DPN 中的氧化应激和NF-κB-P2X7RTNXIP 信号通路，抑制NLRP3 炎症小体的形成和激活，从而减少细胞焦亡［17］。以上研究表明，线粒体功能障碍产生过量的ROS 是糖尿病神经损伤的重要机制。因此，通过改善线粒体功能和抑制氧化应激减少细胞焦亡对神经损伤的恢复以及神经细胞的存活具有重要意义。

2.2 星形胶质细胞的激活 星形胶质细胞是脑内分布最广泛的一种细胞，在神经系统炎症中有重要作用。神经细胞受损后，星形胶质细胞肥大、增生并延伸至严重损伤部位，参与致密星形胶质细胞瘢痕的形成［18］。因此维持星形胶质细胞的正常功能在损伤后神经功能的修复中具有重要作用。反应性星形胶质细胞可产生大量的促炎因子而加重炎症反应，其中发现的有NLRP1、NLRP3、NLRP6和NLRC4等炎症小体［19］。既往研究表明，星形胶质细胞中NLRP1炎症小体的过度激活与SCI 恢复困难和血栓栓塞性卒中密切相关。最近有研究发现，在氧糖剥夺/复氧损伤模型下，星形胶质细胞中NLRP6 的表达显著增加，导致神经细胞过度炎症反应和焦亡［20］；而长期慢性高血糖可激活星形胶质细胞，使得正常神经细胞生长受到干扰，并诱导炎症小体激活［21］。以上研究结果提示星形胶质细胞的激活可能是糖尿病导致神经系统细胞焦亡的一个重要靶点，抑制星形胶质细胞激活可作为DN 的潜在治疗方案进一步探索。

2.3 小胶质细胞的激活 小胶质细胞是神经胶质细胞的一种，作为在中枢神经系统的免疫效应细胞，小胶质细胞及其介导的神经炎症在中枢神经系统的损伤及疾病转归过程中起重要作用。既往研究表明，小胶质细胞激活可在感染性神经损伤、急性中枢神经系统损伤和神经退行性疾病期间启动和维持炎症反应。小胶质细胞的过度激活促进TNF-α、IL-1β、L-18、IL-6、ROS 和一氧化氮等细胞毒性因子的产生，导致神经炎症、氧化应激和神经元功能障碍［22］。研究发现，SCI 后小胶质细胞被激活，受损伤脊髓中分泌的促炎因子（TNF-α和IL-6）和M1表型标记蛋白显著增加［23］；而高血糖可激活NF-κB，增加脊髓损伤区周围小胶质细胞的炎症反应，加重糖尿病小鼠SCI后的继发性损伤。此外，高血糖还可激活NLRP3 炎症小体，触发视网膜小胶质细胞焦亡，导致糖尿病视网膜病变［24］。因此，小胶质细胞的过度激活是DN细胞焦亡的重要调控机制，因此抑制小胶质细胞的激活对改善神经元细胞焦亡和保护神经元具有积极作用，可能是DN过程中过度焦亡的重要途径。

2.4 离子稳态失衡 细胞内离子稳态失衡与细胞焦亡有一定关系。有研究表明K+外流参与炎症小体的激活［25］。P2X7R 是一种由钾离子为载体和三磷酸腺苷介导的配体门控离子通道，可通过K+外流和Ca2+内流来激活炎症小体的组装，随后激活Caspase-1 并放大促炎信号［26］。在糖尿病小鼠牙周炎模型和细菌脂多糖刺激的巨噬细胞模型中发现，过表达的P2X7R 通过K+外流增加细胞膜的通透性，从而增加细胞发生焦亡的可能性［27］。此外，P2X7R/NLRP1/Caspase-1也是糖尿病患者受损神经元炎症级联反应的重要通路之一。在糖尿病患者海马神经元损伤的研究结果显示，抑制P2X7R/NLRP1/Caspase-1通路可减轻神经细胞损伤［28］。因此，P2X7R 离子通道可能是调节DN 细胞焦亡的潜在靶点，有待进一步深入研究。

2.5 细胞自噬 细胞自噬在细胞焦亡过程中也具有重要作用。自噬与细胞焦亡在糖尿病相关并发症中的作用也受到越来越多的关注。在正常生物体中，自噬通过清除损伤线粒体而抑制IL-1β、IL-18的成熟和分泌，减少细胞焦亡的发生发展。有研究表明，二甲双胍可激活腺苷酸激活蛋白激酶/自噬，抑制NLRP3 炎症小体的激活而减少细胞焦亡，从而对糖尿病性心肌病发挥心脏保护和抗炎作用［29］。此外，亚低温可通过增强糖尿病脑缺血后的自噬来抑制细胞焦亡，从而减轻脑损伤［30］。因此，自噬也可能是DN 的一个重要调控机制，但在神经病变过程中减少细胞焦亡的分子机制尚未明确，仍需深入研究。

以上研究结果提示，线粒体、神经细胞、离子通道和细胞自噬均参与调节神经病变过程中的细胞焦亡，这是一个非常复杂的过程，彼此相互作用共同导致细胞焦亡的发生。例如离子通道破坏和线粒体损伤均可促进氧化应激，而离子通道的破坏可通过促进线粒体功能障碍，直接激活细胞焦亡，都不利于DN患者神经损伤的修复。此外，小胶质细胞和星形胶质细胞中过度的炎症反应是细胞焦亡发生的最终原因。因此，在DN 的治疗中要综合评估各方面因素，全方面抑制细胞焦亡的发生和发展。

3 细胞焦亡在DN中的作用

糖尿病可导致多种神经系统疾病，如糖尿病周围神经病变、糖尿病性脑病、糖尿病胃肠神经病变等。有数据显示，在诊断为糖尿病时，约10%的患有DN，而约50%的糖尿病患者在疾病进展的10 年内发展为DN［31］。DN的发生是多种代谢因素共同作用的结果，包括长期高血糖、氧化应激、慢性炎症、线粒体功能障碍及胰岛素缺乏或抵抗引起的胰岛素信号通路异常等。近年来的研究结果表明，细胞焦亡在DN 中也扮演重要角色，以下将细胞焦亡在DN 中的作用进行总结。

3.1 糖尿病周围神经病变（DPN） DPN 是最常见的糖尿病慢性并发症，也是糖尿病足溃疡发展的主要危险因素，严重者可导致下肢截肢。在DPN 中，高糖诱导的ROS 过度产生是公认的DPN 发病机制，这主要与高血糖引起的周围神经炎症和损伤，导致神经传导速度减慢，过度释放ROS 有关。在DPN 发展过程中，Loganin可通过减少细胞内ROS的产生和抑制NF-κB 及NLRP3 炎症小体的激活而减少雪旺细胞的焦亡［17］。此外，成纤维细胞生长因子（FGF）也被发现具有抗细胞焦亡的特性，尤其是FGF21［32］。这些研究表明，细胞焦亡参与DPN 的发生发展，抑制ROS 产生和NLRP3 炎症小体的活性是治疗DPN的重要治疗方法。然而，在DPN 治疗中，细胞焦亡的潜在靶点仍有待进一步探索。

3.2 糖尿病性脑病（DE） 近年来，糖尿病引起的脑损伤受到越来越多的关注。糖尿病可加重脑损伤后的炎症反应，表现为神经退行性变、脑梗死和进行性认知功能下降［33］。有研究表明，小胶质细胞的激活可产生大量的促炎细胞因子，导致神经元坏死和凋亡，从而加重糖尿病脑缺血/再灌注损伤。进一步研究发现，长链非编码RNA-Fendrr 在糖尿病脑缺血/再灌注模型和高糖或缺氧/复氧处理的小胶质细胞中高表达，通过E3 泛素连接酶保护NLRC4 蛋白的泛素化和降解，增加小胶质细胞的焦亡，加重糖尿病脑缺血/再灌注损伤［34］；而NLRP3 特异性抑制剂MCC950 可改善糖尿病小鼠的脑缺血/再灌注损伤，提高糖尿病缺血性脑卒中小鼠的存活率［35］。DE 是个极其复杂的过程，细胞焦亡在各种脑病中的具体作用有待进一步探讨；但可以肯定的是，NLRP3 是DE 发生的重要因素。因此，靶向炎症小体特别是NLRP3 很可能是DE 治疗的重要策略，可选择NLRP3抑制剂来进一步探索其在DE中的作用。

3.3 糖尿病合并SCI SCI 主要表现为损伤节段以下区域出现严重的运动功能障碍。已有研究表明，NF-κB 通路在SCI 后被触发，并激活NLRP3 炎症小体。进一步研究发现，SCI增强了SCI后细胞焦亡相关蛋白标记物（GSDMD、Caspase-1、Caspase-11）和炎症介质（IL-1β、IL-18）的表达，表明细胞焦亡在SCI中发挥重要作用［3］。糖尿病合并SCI 的特点是恢复能力差且病死率高，高血糖可促进SCI 后神经元功能的进行性损伤。关于糖尿病合并SCI 细胞焦亡的研究较少，但有研究结果显示，高血糖通过激活NFκB 促进小胶质细胞的炎症反应，加重继发性损伤，从而抑制SCI 后的恢复［36］。以上研究结果表明，细胞焦亡在糖尿病合并SCI 中具有重要作用，但具体调控机制仍需进一步研究。

3.4 糖尿病胃肠神经病变（DGID） DGID 是糖尿病常见并发症之一，主要由于糖尿病患者长期血糖控制不良，引起胃肠神经发生功能性改变的情况。在一项给小鼠高脂饮食的研究中发现，Caspase-11依赖的细胞焦亡可导致小鼠肠神经细胞丢失，使其结肠运输延迟和舒张反应减少［37］；且肥胖受试者肌肠神经节中Caspase-1 的分裂水平高于正常体质量受试者。细胞焦亡在糖尿病胃肠神经病变中的相关研究较少，具体调控机制仍需进一步探索。

细胞焦亡作为一种与炎症相关的细胞程序性死亡方式，在DN 中的作用受到越来越多研究者的关注。目前的研究表明，线粒体、神经细胞、离子通道和细胞自噬均参与调节神经细胞焦亡，而DN 过程中的线粒体损伤、慢性炎症、氧化应激、长期高血糖、ROS过量产生和离子通道障碍可能是引发神经细胞焦亡、神经损伤，最后导致神经功能障碍的分子机制。虽然临床上DN 的治疗仍以控制血糖为最关键和最基本的步骤，但除控制血糖外，NLRP3 炎症小体抑制剂、ROS 抑制剂等具有抗炎和抗氧化特性的药物也可选择治疗DN。目前DN 中细胞焦亡的各种调控机制及具体分子靶点尚不明确，仍需进一步研究及探讨，为未来DN 靶向治疗治疗提供理论依据。