糖尿病心肌中線粒體膜通透性轉化孔變化的研究進展

程明月　郭海　鄭宏

830054 烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院麻醉科

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·綜述·

糖尿病心肌中線粒體膜通透性轉化孔變化的研究進展

程明月郭海鄭宏

830054 烏魯木齊，新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院麻醉科

【摘要】心肌保護措施在糖尿病心肌病中弱化或缺失的現(xiàn)象已引起研究者們的廣泛關注，線粒體膜通透性轉化孔(MPTP)異常開放作為細胞死亡的終末環(huán)節(jié)在糖尿病心肌病的發(fā)生及發(fā)展過程中起著至關重要的作用。該文重點探討了糖尿病心肌病MPTP結構、開放程度及其調節(jié)機制的變化，同時闡述了糖尿病心肌病中己糖激酶的變化。特異性靶向干預線粒體凋亡途徑、抑制MPTP異常開放將成為治療糖尿病心肌病的新靶點。

【關鍵詞】糖尿病心肌病；心肌保護；線粒體膜通透性轉化孔

Mitochondrial permeability transition pore

心血管疾病作為人類健康的頭號殺手，一直備受矚目[1]。近年來，隨著糖尿病發(fā)病率直線上升，其作為缺血性心臟病的危險因素之一也越來越被人們所重視。線粒體是細胞能量產生的重要場所,也參與了細胞凋亡的過程。因此,線粒體功能障礙在糖尿病心肌病(DC)的發(fā)生及發(fā)展過程中起著關鍵作用。近年有研究證實，線粒體膜通透性轉化孔(MPTP)是線粒體內外信息交流的中心環(huán)節(jié)，線粒體功能的發(fā)揮受其開放狀態(tài)的影響。本文對DC中MPTP結構、開放程度以及調節(jié)機制改變的研究進展做一綜述，旨在為特異性靶向干預線粒體凋亡途徑等治療DC的新方法提供依據(jù)。

一、DC中線粒體結構和功能的變化

線粒體內外膜上存在一種由多種蛋白組成的非選擇性復合孔道，即MPTP通道，其結構尚未完全明了，多數(shù)學者認為其主要由內膜的腺苷酸轉位子(ANT)、外膜的電壓依賴性陰離子通道(VDAC)、基質的親環(huán)蛋白D(CyP-D)、已糖激酶、肌酸激酶以及苯二氮類受體等蛋白組成。其中ANT主要調節(jié)線粒體的能量代謝，線粒體膜通透性主要由VDAC所調節(jié)。免疫抑制劑親環(huán)素在細胞內主要與CyP-D相結合，結合后可抑制MPTP開放，親環(huán)素作為MPTP特異性抑制劑也引起了學者們的廣泛關注。該通道其余組成部分主要起調節(jié)細胞壞死和凋亡的作用,如已糖激酶Ⅱ在心肌缺血再灌注損傷中占有重要地位，其與VDAC結合會使促凋亡蛋白Bax與線粒體結合率降低，從而表現(xiàn)出抑制凋亡的作用。相關分析表明己糖激酶與VDAC連接愈密切，細胞凋亡趨勢越不明顯，同時已糖激酶Ⅱ還能有效抑制心肌肥厚和重塑[2]。已糖激酶Ⅱ對抗心肌缺血再灌注損傷的機制主要包括調節(jié)線粒體外膜的通透性以及穩(wěn)定線粒體膜電位，防止線粒體膜破裂、減少細胞色素C的釋放及活性氧簇生成，從而達到保護心肌的作用。

在大量糖尿病模型中，心肌線粒體結構和功能發(fā)生改變均得到了證實,如在1型及2型糖尿病動物模型中均發(fā)現(xiàn)心肌生物合成、線粒體數(shù)量及超微結構異常。而且糖尿病大鼠模型的心臟線粒體呼吸鏈相關酶活性明顯降低，證實了其線粒體呼吸功能受損[3]。有學者運用高糖高脂飲食復合鏈脲佐菌素復制糖尿病大鼠模型后,發(fā)現(xiàn)其心肌線粒體結構紊亂，膜電位下降 ,順烏頭酸酶活性減弱，呼吸鏈功能受損[4]。這些研究均表明,在DC的發(fā)生及發(fā)展過程中，線粒體的結構及其功能障礙起著至關重要的作用。MPTP作為線粒體內外信息交流的樞紐，線粒體功能發(fā)揮正常與否由其開放狀態(tài)所決定。Gurel等[5]研究證明，DC的已糖激酶Ⅱ結構、活性與正常心肌有所不同。越來越多的研究顯示已糖激酶Ⅱ對細胞代謝也有著重要的調節(jié)作用，如其可升高葡萄糖水平從而促進胰島素的釋放，能通過增強糖酵解葡萄糖氧化偶聯(lián)預防酸中毒，抑制脂肪酸氧化等[6-8]。已糖激酶Ⅱ缺乏表達及其細胞轉導信號的變化，都將增加糖尿病患者罹患糖尿病缺血性心臟病的幾率。線粒體與已糖激酶Ⅱ相互作用的內源性分子機制，幾乎可以防止所有類型組織中細胞的凋亡，靶向治療已糖激酶Ⅱ在腦卒中、心肌梗死、器官移植等方面必將占重要地位。Sasaki等[9]研究發(fā)現(xiàn)DC中冠狀動脈內皮細胞可以誘導MPTP通道中VDAC蛋白表達含量增多，VDAC的過量表達不僅可以引起鈣超載及活性氧自由基增多，同時也可以抑制線粒體的鈣攝取，從而促進MPTP的進一步開放。和正常心肌相比較，糖尿病心肌中已糖激酶Ⅱ表達含量明顯下降，與VDAC的結合率降低，細胞凋亡加速，如增加已糖激酶Ⅱ的表達，可以逆轉上述現(xiàn)象。MPTP剩余組成部分在DC中是否也存在著結構和功能的變化，尚有待于進一步研究。

二、DC中MPTP開放程度的改變

生理情況下，線粒體內膜幾乎對所有離子及代謝產物不通透。線粒體利用其低通透性維持一定的膜電位和離子梯度，有利于能量合成及細胞供能。線粒體內膜通透性依賴于MPTP開放的狀態(tài)，當MPTP處于關閉狀態(tài)時有利于能量的合成。在鈣2+超載，活性氧簇及無機磷酸鹽增多，膜電位下降等情況下MPTP開放[10]。MPTP開放后，胞質中分子質量較小的物質會通過線粒體內膜進入基質，同時三磷酸腺苷底物會流失至胞質。因此線粒體超微結構會遭到破壞，膜電位崩潰，呼吸功能受損，能量合成減少，外膜破裂，細胞色素C釋放，最終導致細胞凋亡。此外，MPTP還參與鈣2+的生理調節(jié)。DC的MPTP通道開放水平明顯增加，其開放狀態(tài)的增加導致線粒體大量釋放細胞凋亡誘導因子及細胞色素C等，Sloan等[11]認為，DC中血糖水平的升高可誘導MPTP開放，通過增加線粒體膜的通透性，促進細胞色素C釋放，其被釋放到胞質中可引發(fā)Caspase活化級聯(lián)，同時凋亡蛋白酶激活因子1在凋亡過程中也被釋放至胞質，兩者在胞質結合從而介導細胞凋亡。DC中膜電位明顯降低，鈣2+轉運增加及活性氧自由基生成增多，均進一步證實DC中MPTP開放的增加，以上所述也很可能是DC發(fā)病機制的組成部分。

三、DC中MPTP調節(jié)機制的變化

MPTP的心肌保護信號轉導機制主要集中在環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)/激活蛋白激酶 G(PKG)通路、再灌注損傷挽救激酶(RISK)通路以及生存活化因子增強(SAFE)通路[12-14]。這3條主要通路并非相互獨立與排斥，而是在不同程度上相互協(xié)同保護心肌。線粒體作為不同心肌保護信號的匯聚地，起著至關重要的作用。有研究表明糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)是以上3條心肌保護信號的樞紐，其磷酸化程度提高了MPTP開放的閾值，從而保護心肌[15]。

Inouye等[16]的臨床研究證實，由于胰島素抵抗的原因，缺血預處理或后處理在肥胖的2型糖尿病患者中的保護作用減弱或消失，提高胰島素敏感性可以有效改善以上現(xiàn)象。目前DC發(fā)生缺血性再灌注損傷，缺血預處理或后處理保護作用減弱或消失的具體機制尚未明確，可能與RISK通路中的蛋白激酶磷酸化受糖尿病因素的影響有關。近期較多研究支持在缺血預處理中磷脂酰肌醇3激酶(P13K)-蛋白激酶B(Akt)-GSK-3β信號通路起著主導作用。GSK-3β能抑制下游MPTP過度開放，從而產生心肌保護作用。2型糖尿病和胰島素抵抗等狀態(tài)下P13K-Akt-GSK-3β信號通路受到影響，Akt磷酸化程度降低，進而導致其下游樞紐環(huán)節(jié)GSK-3β磷酸化水平下降，MPTP開放程度增加，使得缺血預處理或后處理對DC再灌注損傷的保護作用減弱或消失。

四、總結與展望

線粒體作為細胞的能量工廠，對心臟功能發(fā)揮起著至關重要的作用。DC中，由于血糖升高、胰島素抵抗等原因引起活性氧自由基增加、鈣2+超載、心肌保護信號轉導機制改變、MPTP開放程度增加,這些均導致了線粒體結構和功能的變化。同時這也是DC發(fā)病機制的重要組成部分。因而特異性靶向干預線粒體凋亡途徑、減少活性氧自由基生成和鈣2+超載、抑制MPTP異常開放等均將成為治療DC的新靶點，同時也為臨床開辟了新的研究方向、提供了新的治療策略。

參考文獻

[1]Erbel R, Budoff M. Improvement of cardiovascular risk prediction using coronary imaging: subclinical atherosclerosis: the memory of lifetime risk factor exposure. Eur Heart J, 2012, 33(10): 1201-1213.

[2]Nederlof R, Eerbeek O, Hollmann MW, Southworth R, Zuurbier CJ. Targeting hexokinase II to mitochondria to modulate energy metabolism and reduce ischaemia-rep erfusion injuryin heart. Br J Pharmacol,2014,171(8):2067-2079.

[3]Raza H, John A, Howarth FC. Alterations in glutathione redox metabolism, oxidative stress, and mitochondrial function in the left ventricle of elderly zucker diabetic Fatty rat heart. Int J Mol Sci,2012,13(12):16241-16254.

[4]Zhang Y, Babcock SA, Hu N, Maris JR, Wang H, Ren J. Mitochondrial aldehyde dehydrogenase (ALDH2) protects against streptozotocin induced diabetic cardiomyopathy: role of GSK3β and mitochondrial function. BMC Med,2012,4(23):10-40.

[5]Gurel E, Ustunova S, Kapucu A, Yilmazer N, Eerbeek O, Nederlof R, Hollmann MW, Demirci-Tansel C, Zuurbier CJ. Hexokinase cellular trafficking in ischemia-reperfusion and ischemic preconditioning is altered in type I diabetic heart. Mol Biol Rep,2013,40(7):4153-4160.

[6]Najafi M, Farajnia S, Mohammadi M, Badalzadeh R, Ahmadi Asl N, Baradaran B, Amani M. Inhibition of mitochondrial permeability transition pore restores the cardioprotection bypostconditioning in diabetic hearts. J Diabetes Metab Disord, 2014, 13(1):106.

[7]Taddeo EP, Laker RC, Breen DS, Akhtar YN, Kenwood BM, Liao JA, Zhang M, Fazakerley DJ, Tomsig JL, Harris TE, Keller SR, Chow JD, Lynch KR, Chokki M, Molkentin JD, Turner N, James DE, Yan Z, Hoehn KL. Opening of the mitochondrial permeability transition pore links mitochondrial dysfunction to insulin resistance in skeletal muscle. Mol Metab,2013,3(2):124-134.

[8]Riojas-Hernández A, Bernal-Ramírez J, Rodríguez-Mier D, Morales-Marroquín FE, Domínguez-Barragán EM, Borja-Villa C, Rivera-álvarez I, García-Rivas G, Altamirano J, GarcíaN. Enhanced oxidative stress sensitizes the mitochondrial permeability transition pore toopening in heart from Zucker Fa/fa rats with type 2 diabetes. Life Sci, 2015,15(141):32-43.

[9]Sasaki K, Donthamsetty R, Heldak M, Cho YE, Scott BT, Makino A. VDAC: old protein with new roles in diabetes. Am J Physiol Cell Physiol, 2012, 303(10):1055-1060.

[10]Wu N, Zhang X, Guan Y, Shu W, Jia P, Jia D. Hypercholesterolemia abrogates the cardioprotection of ischemic postconditioning in isolated rat heart:roles of glycogen synthase kinase-3βand the mitochondrial permeability transition pore.Cell Biochem Biophys，2014 ,69(1):123-130.

[11]Sloan C, Tuinei J, Nemetz K, Frandsen J, Soto J, Wride N, Sempokuya T, Alegria L, Bugger H, Abel ED. Central leptin signaling is required to normalize myocardial fatty acid oxidation rates in caloric restricted ob/ob mice. Diabetes,2011,60(5):1424-1434.

[13]Nii T, Marumoto T, Kohara H, Yamaguchi S, Kawano H, Sasaki E, Kametani Y, Tani K. Improved hematopoietic differentiation of primate embryonic stem cells by inhibition of the PI3K-AKT pathway under defined conditions. Exp Hematol，2015,43(10):901-911.

[14]Pipicz M, Varga ZV, Kupai K, Gáspár R, Kocsis GF, Csonka C, Csont T. Rapid ventricular pacing-induced postconditioning attenuates reperfusion injury: effects on peroxynitrite, RISK and SAFE pathways. Br J Pharmacol，2015,172(14):3472-3483.

[15]Hausenloy DJ, Wynne AM, Mocanu MM, Yellon DM. Glimepiride treatment facilitates ischemic preconditioning in the diabetic heart. J Cardiovasc Pharmacol Ther， 2013, 18(3):263-269.

[16]Inouye J, Li D, Davis J, Arakaki R. Psychosocial and clinical outcomes of a cognitive behavioral therapy for asians and pacific islanders with type 2 diabetes: a randomized clinical trial. Hawaii J Med Public Health, 2015,74(11):360-368.

(本文編輯：洪悅民)

Research progress of changes in mitochondrial permeability transition pore in patients with diabetic myocardium

ChengMingyue,GuoHai,ZhengHong.

DepartmentofAnesthesiology,theFirstAffiliatedHospitalofXinjiangMedicalUniversity,Urumqi830054,China

【Abstract 】The phenomenon of weakening or absence of myocardial protection in patients diagnosed with diabetic cardiomyopathy has attracted widespread attention from investigators. As the terminal event of cell death, abnormal opening of mitochondrial permeability transition pore (MPTP) plays a crucial role in the development of diabetic cardiomyopathy. In this article, the alterations in the structure, opening and regulatory mechanism of MPTP in patients with diabetic cardiomyopathy were mainly discussed, and the changes in the hexokinase in these patients were elucidated. Specifically-targeted intervention of mitochondrial apoptosis pathway and inhibition of abnormal opening of MPTP will probably serve as novel targets of treatment of diabetic cardiomyopathy.

【Key words】Diabetic cardiomyopathy; Myocardial protection;

(收稿日期：2015-10-29)

Corresponding author, Zheng Hong, E-mail:xjzhenghong@aliyun.com

通訊作者，鄭宏，E-mail:xjzhenghong@aliyun.com

基金項目：新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院院內基金(2013ZRQN29)

DOI:10.3969/j.issn.0253-9802.2016.02.002