高崇婷 桂定坤 蘇 君 葉 丹

糖尿病(diabetes mellitus，DM)已成為我國慢性腎臟病的主要病因之一，其流行率高于腎小球腎炎導(dǎo)致的慢性腎臟病[1]。糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)是糖尿病的常見微血管并發(fā)癥，是終末期腎疾病 (end-stage renal disease，ESRD)的主要病因之一。腎臟結(jié)構(gòu)和功能隨著糖尿病的進(jìn)展逐漸損傷，最終出現(xiàn)難以逆轉(zhuǎn)的腎臟結(jié)構(gòu)損傷和功能障礙，從而進(jìn)展至ESRD。然而，目前臨床廣泛應(yīng)用的降糖、調(diào)脂、控制血壓及阻斷腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)等治療措施并不能完全阻止疾病進(jìn)展。缺乏早期、有效的干預(yù)措施是目前DN防治面臨的瓶頸問題。因此，深入DN進(jìn)展的機(jī)制，從而尋找早期有效防治DN的新方法是目前迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。本文將對(duì)線粒體的結(jié)構(gòu)和功能以及線粒體結(jié)構(gòu)和功能損傷在DN進(jìn)展中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

一、足細(xì)胞損傷與DN進(jìn)展

研究認(rèn)為，糖尿病腎病是典型的足細(xì)胞損傷性疾病，早期DN患者腎臟中足細(xì)胞數(shù)量有所減少，晚期患者足細(xì)胞數(shù)量則減少得更明顯[2]。近年來研究表明，足細(xì)胞損傷是啟動(dòng)DN蛋白尿和腎小球硬化的關(guān)鍵因素[3]。足細(xì)胞是一種高度分化的終末期細(xì)胞，是構(gòu)成腎小球?yàn)V過膜的最后一道屏障，因此當(dāng)足細(xì)胞損傷時(shí)，腎小球?yàn)V過屏障受損，產(chǎn)生蛋白尿。蛋白尿與DN腎小球損傷的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。DN進(jìn)展與足細(xì)胞的多種病理損傷途徑密切相關(guān)，足細(xì)胞凋亡是早期DN進(jìn)展的重要機(jī)制之一，可由高糖能直接誘導(dǎo)[4]。此外，高糖還能降低足細(xì)胞與腎小球基膜之間的黏附力，足細(xì)胞脫落，使得腎小球基膜裸露，繼而加重DN進(jìn)展[5]。足細(xì)胞上皮-間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)分化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)是導(dǎo)致DN進(jìn)展的另一重要機(jī)制，通過破壞腎小球?yàn)V過屏障，在DN的進(jìn)展機(jī)制中發(fā)揮重要作用[6]。足細(xì)胞的這些病理損傷環(huán)節(jié)是導(dǎo)致DN進(jìn)展的關(guān)鍵[7]。

二、線粒體的結(jié)構(gòu)及生理功能

一切細(xì)胞維持正常的功能都與線粒體息息相關(guān)。線粒體是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所，參與細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、凋亡和細(xì)胞間的信息傳遞等過程。線粒體是高度動(dòng)態(tài)變化的細(xì)胞器，處于不斷融合和分裂狀態(tài)。兩者保持的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)維持線粒體正常的形態(tài)、數(shù)量、分布和功能十分重要也與細(xì)胞的代謝、增殖、凋亡等各種功能密切相關(guān)。線粒體融合實(shí)現(xiàn)了線粒體間的協(xié)作、信號(hào)交流及能量傳遞，使線粒體DNA和線粒體基質(zhì)蛋白通過網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行交換。通過適度的分裂，可產(chǎn)生形態(tài)、功能各異的細(xì)胞器并清除受損線粒體，從而發(fā)揮線粒體質(zhì)量控制作用[8]。分裂異常導(dǎo)致線粒體破碎，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡；而融合異常則會(huì)導(dǎo)致線粒體形態(tài)延長(zhǎng)，產(chǎn)生過多的ROS，ATP合成減少，導(dǎo)致細(xì)胞損傷及凋亡。線粒體的融合與分裂需在多種蛋白質(zhì)的精確調(diào)控下協(xié)同完成。線粒體間的融合依賴于一系列跨膜 GTP 酶，其中包括線粒體融合蛋白 1(mitofusin1，Mfn1)、線粒體融合蛋白2(Mfn2)和線粒體內(nèi)膜的視神經(jīng)萎縮因子1(optic atrophy 1，OPA1)。其中Mfn1與Mfn2參與線粒體外膜的融合，OPA1則參與線粒體內(nèi)膜的融合。線粒體分裂是線粒體的一種增殖過程，動(dòng)力相關(guān)蛋白1(Drp1)和線粒體分裂蛋白1(Fis1)在調(diào)控線粒體分裂中起主要作用。Drp1存在于線粒體胞質(zhì)中，分裂開始后，被線粒體外膜上的Fis1 所招募，轉(zhuǎn)位到線粒體外膜，圍繞線粒體分裂位點(diǎn)聚集形成特定結(jié)構(gòu)，在 GTP 水解作用下實(shí)現(xiàn)線粒體的分裂，而后Drp1 返回胞質(zhì)，維持線粒體融合和分裂的動(dòng)態(tài)平衡。融合與分裂這種動(dòng)態(tài)平衡被稱為線粒體動(dòng)力學(xué)。線粒體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定關(guān)系著鈣信號(hào)的調(diào)控、細(xì)胞膜電位的調(diào)節(jié)，也控制著細(xì)胞程序性死亡、細(xì)胞代謝與增殖，也參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，對(duì)細(xì)胞的存亡至關(guān)重要。線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂是多種代謝性疾病的發(fā)病機(jī)制，DN作為一種代謝性疾病，線粒體正常功能的維持在DN的慢性進(jìn)展中發(fā)揮重要的作用[9]。

三、線粒體與DN足細(xì)胞損傷的研究進(jìn)展

腎小球足細(xì)胞是DN進(jìn)展的關(guān)鍵，足細(xì)胞多級(jí)足突結(jié)構(gòu)和功能的特殊性使其成為高耗能細(xì)胞。因此，在足細(xì)胞足突和胞體中均存在大量線粒體，通過線粒體的氧化磷酸化來獲得生命所需的大部分能量以滿足能量和氧氣消耗。線粒體功能障礙在DN足細(xì)胞損傷中發(fā)揮重要作用[10]。線粒體功能障礙導(dǎo)致能量產(chǎn)生減少，會(huì)特異性破壞肌動(dòng)蛋白和中間絲結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致足細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷。肌動(dòng)蛋白為主的足細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)是足細(xì)胞發(fā)揮正常功能的基礎(chǔ)。線粒體可通過以下3種主要途徑導(dǎo)致足細(xì)胞損傷，從而加重DN的進(jìn)展。

1.氧化應(yīng)激途徑：線粒體是細(xì)胞有氧呼吸的主要場(chǎng)所，通過氧化磷酸化將ADP和無機(jī)磷酸合細(xì)胞代謝和維持功能所需的ATP，伴隨著NADH或FADH2遞氫遞電子的呼吸作用，活性氧(reactive oxygen species，ROS) 不斷產(chǎn)生。氧化反應(yīng)是維持細(xì)胞生命所必需的過程，過度的氧化反應(yīng)導(dǎo)致ROS在體內(nèi)蓄積，從而產(chǎn)生氧化應(yīng)激，引起的細(xì)胞、組織器官的損傷。線粒體ROS產(chǎn)物增加是糖尿病各種致病通路的一個(gè)關(guān)鍵始動(dòng)因子。長(zhǎng)期高血糖刺激導(dǎo)致腎組織糖基化反應(yīng)增強(qiáng)，抗氧化應(yīng)激功能減弱，高糖刺激下的高氧化應(yīng)激水平引起體內(nèi)ROS過度蓄積和氧自由基產(chǎn)生。ROS可啟動(dòng)足細(xì)胞凋亡，誘導(dǎo)足細(xì)胞從腎小球基膜上脫落，隨著足細(xì)胞數(shù)目的減少，腎臟進(jìn)一步損傷。同時(shí)，氧自由基可激活引起DN的4條經(jīng)典途徑，包括多元醇通路、蛋白激酶C(protein kinase C, PKC) 途徑、己糖胺旁路及晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products, AGEs)途徑。同時(shí)上述通路的產(chǎn)物通過氧化應(yīng)激不斷形成和積累，在糖尿病中，這種下游通路之間的正反饋形成惡性循環(huán)[11]。過多的氧自由基導(dǎo)致腎小球?yàn)V過膜上的負(fù)電荷丟失，損傷腎小球的濾過屏障，也了加速DN的發(fā)生和發(fā)展。這些途徑的激活和相互作用，使腎小球?yàn)V過增加、基膜增厚，足細(xì)胞損傷從而加速DN的進(jìn)展。因此，足細(xì)胞線粒體內(nèi)ROS過度蓄積從而導(dǎo)致氧化應(yīng)激，是DN進(jìn)展的重要機(jī)制之一[12]。

2.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，含有大量的伴侶蛋白、糖基化酶以及氧化還原酶，負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的合成、折疊、裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)等。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體聯(lián)接區(qū)域(mitochondrial associated membranes，MAMs)，MAMs結(jié)構(gòu)中的功能蛋白可通過調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝物或Ca2+的雙向供應(yīng)，來調(diào)控線粒體的功能及細(xì)胞存亡[13,14]。已有研究表明線粒體氧化應(yīng)激可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+內(nèi)流障礙失常及足細(xì)胞凋亡[15]。許多因素如線粒體功能紊亂導(dǎo)致的細(xì)胞缺氧、氧化應(yīng)激等均可導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡，形成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[16]。ERS在DN足細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用，抑制ERS可改善足細(xì)胞損傷[17]。由于MAMs的存在，使線粒體對(duì)ERs非常敏感，ERs可通過改變Ca2+等的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)與線粒體之間的信息傳遞，從而影響線粒體的功能[18]。適度的ERs狀態(tài)下，線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的相互作用為細(xì)胞能量代謝調(diào)節(jié)提供保障；過度的ERs將導(dǎo)致線粒體受損，從而使細(xì)胞凋亡[19]。過度的ERs與線粒體功能障礙交互作用，可形成惡性循環(huán)，從而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡。Bcl-2凋亡家族蛋白中的很多成員，如Bcl-2、Bax和Bak等均可在線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上同時(shí)存在。線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的Ca2+交換異?？蓪?dǎo)致線粒體內(nèi)膜兩側(cè)膜電位變化，進(jìn)而誘發(fā)線粒體內(nèi)促凋亡因子釋放，如細(xì)胞色素C，細(xì)胞色素C從線粒體釋放至胞質(zhì)，激活caspases，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[20]。由于足細(xì)胞是高度耗氧的細(xì)胞，其維持多級(jí)足突結(jié)構(gòu)的正常功能，需消耗大量的能量和氧氣，因此對(duì)氧化應(yīng)激敏感，更容易產(chǎn)生線粒體功能障礙，同時(shí)由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-線粒體聯(lián)接區(qū)域的存在，兩者之間的交互作用共同促進(jìn)了DN足細(xì)胞損傷[21]。

3.炎性反應(yīng)途徑：炎癥(inflammation)是機(jī)體對(duì)抗病原微生物入侵的一種適應(yīng)性反應(yīng)，可以促進(jìn)損傷細(xì)胞和組織的修復(fù)，并阻止其進(jìn)一步損傷。近年來研究表明炎性反應(yīng)是DN進(jìn)展的重要病理機(jī)制[22]。

在炎性反應(yīng)過程中，產(chǎn)生多種炎性介質(zhì)，如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細(xì)胞介素1(IL-1)和白細(xì)胞介素6(IL-6)等。炎癥的發(fā)生、發(fā)展與線粒體功能密切相關(guān)，線粒體不僅可以作用于炎性介質(zhì)，也可以調(diào)控固有免疫細(xì)胞中的炎性反應(yīng)。同時(shí)，多種炎性介質(zhì)還可以通過調(diào)節(jié)Drp1、Fis1、Mfn1/2與OPA1，影響線粒體的融合與分裂過程，從而改變線粒體的結(jié)構(gòu)和功能[23]。氧化應(yīng)激時(shí)，線粒體內(nèi)增多的ROS誘導(dǎo) Drp1 活化使線粒體分裂、片段化[24]；NO可通過調(diào)節(jié)Mfn2、Drp1影響線粒體融合和分裂的動(dòng)態(tài)平衡；在不同細(xì)胞和組織中，白細(xì)胞介素(interleukin，IL)對(duì)線粒體的動(dòng)力學(xué)起著不同的調(diào)節(jié)作用[25]。在胰島 β 細(xì)胞中促炎性反應(yīng)細(xì)胞因子TNF-α可激活TNF-α/NF-κB/OPA1信號(hào)通路，活化 NF-κB 使線粒體融合蛋白 OPA1表達(dá)增加，從而加速線粒體的融合。此外，ERs還可通過增加炎性基因MCP-1 表達(dá)引起DN足細(xì)胞損傷?？傊?，炎性細(xì)胞因子不僅可以影響線粒體的融合與分裂，改變線粒體的功能和結(jié)構(gòu)，還可以改變DN足細(xì)胞的生理狀態(tài)，與DN的發(fā)展密切相關(guān)。

四、展 望

綜上所述，線粒體是真核細(xì)胞內(nèi)的重要細(xì)胞器，不僅是細(xì)胞能量的主要來源，還參與細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、凋亡和細(xì)胞間的信息傳遞等過程。足細(xì)胞具有豐富的線粒體，線粒體在糖尿病腎病的進(jìn)展中發(fā)揮著重要的作用。線粒體融合與分裂的動(dòng)態(tài)平衡是影響線粒體功能的關(guān)鍵因素。而且，線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)和功能上的緊密聯(lián)系，兩者之間的交互作用形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)及細(xì)胞凋亡，在DN足細(xì)胞損傷中起關(guān)鍵作用。因此，進(jìn)一步探討線粒體結(jié)構(gòu)及功能障礙在DN足細(xì)胞損傷中的具體作用機(jī)制，將為防治DN提供新的思路和方法。