線粒體ATP敏感性鉀通道在糖尿病合并腦缺血損傷中作用的研究進展

施寧華，韓江全，鄧才洪，何婧

缺血性腦卒中作為嚴重威脅人類健康的重大疾病，具有高發病率、致殘率、死亡率、復發率的特點，與心血管疾病及惡性腫瘤并稱為人類健康的三大殺手。糖尿病是腦梗死的重要危險因素。近年來，我國糖尿病發病率呈“爆炸式”增長，最新的糖尿病流行病學調查顯示，我國18歲以上成人糖尿病患病率為11.6%［1］。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者發生腦梗死的概率增高 1.8～6.0倍［2］，且腦損傷程度更重，預后不良［3］。因此，進一步研究糖尿病加重腦缺血的機制，尋找對糖尿病合并腦缺血損傷具有干預作用的治療策略具有重要價值。線粒體ATP敏感性鉀通道（mitochondrial ATP-sensitive potassium channel，mitoKATP）受損可能是糖尿病加重腦缺血損傷的重要機制之一已逐漸被大家所認同。本文主要針對mitoKATP的結構及其在糖尿病合并腦缺血損傷中的作用作一綜述，旨在為糖尿病合并腦缺血的防治提供新思路、新方案。

1 MitoKATP的發現

1983 年 Noma［4］首次在豚鼠的心肌細胞上通過膜片鉗技術發現ATP敏感性鉀通道（ATP-sensitive K+channel，KATPchannel），不同于其他類型鉀通道的電生理學特性，該通道的開放受細胞內ATP/ADP值的調節，正常生理條件下通道處于關閉狀態，缺氧時細胞內ATP水平下降，通道打開。1991年Inoue等［5］在大鼠的肝細胞線粒體內膜上證實了mitoKATP的存在，該通道屬于內向整流鉀通道家族一員。近年來不斷有研究證實，mitoKATP在心肌、腦梗死等缺血性疾病方面起到保護作用［6-7］，已成為缺血性心腦疾病一個重要的治療靶點。

2 MitoKATP的分子結構、生物學功能

2.1 分子結構 KATPchannel是弱內向整流鉀通道，由內向整流鉀通道亞基（inwardly rectified potassium channel，Kirx）和ATP結合蛋白家族成員磺酰脲類受體（ATP-binding cassette，SURx）按1∶1比例相連，以四聚體模式構成相對分子質量約為950×103的異源性八聚體（Kirx/SURx）。此通道目前分為兩類：細胞膜 上 的 KATPchannel（sarcolemmal KATPchannel，sarcKATP）和 mitoKATP。KATPchannel亞型組成為 Kir6.x/SURx，Kir6.1和Kir6.2是mitoKATP具有代表性的2個亞基［8］。Kir亞基基本結構由通過中間成孔區域（H5）連接起來的2個跨膜結構域（TM1和TM2）與氨基（NH2-）、羧基（COOH-）末端結構域組成，相應實驗表明mitoKATP通道C-和N-指向膜間隙空間，功能性的Kir通道是由4個這樣的亞基組成的四聚體復合物［9］。Kir6.x是mitoKATP成孔性亞基，決定K+選擇性內向整流作用和單位電導系數，同時介導ATP對該通道的抑制作用。SURx含有 TMD0（TM1～5），TMD1（TM6～11）和TMD2（TM12～17）共17個跨膜區域，可結合并水解ATP。SURx目前分為SUR1、SUR2A、SUR2B三種類型。NDPs及藥理學試劑可以通過結合SUR刺激或抑制KATPchannel。SURx作為KATPchannel調節亞基，具體調節機制尚不清楚。心臟和腦中的mitoKATP主要由Kir6.1、Kir6.2和SUR2A亞基組成［8］，目前關于mitoKATP的具體分子結構尚不十分清楚［9］。

2.2 分子生物學功能 mitoKATP的正常作用主要是通過調整線粒體內膜兩側K+濃度，進而緩沖線粒體基質體積和膜間隙的潛在波動，保持能量代謝相關酶的活性，維持一定的跨膜電位，使ATP生成和轉運達到細胞需求的最佳水平，將細胞代謝與細胞膜的電活性相耦聯來調節細胞功能。mitoKATP的開關主要受線粒體膜間隙內ATP/ADP值的影響，在Mg2+存在的情況下，ATP通過直接結合Kir6.x抑制通道活性，ADP通過與SUR的結合激活通道，同時也受到其他內源性因素如過氧亞硝酸鹽、超氧化物陰離子和胞質蛋白激酶Cε（PKCε）等的調控。另一方面，mitoKATP的開關還受很多藥物的調控，二氮嗪是最常用的mitoKATP開放劑，但因其非特異性效應可使實驗結果的解釋復雜化，相比之下，BMS-191095作為mitoKATP激動劑更具有特異性，相應的實驗結果更明確。格列本脲和5-羥基癸酸（5-HD）是經典的mitoKATP通道拮抗劑［10］。到目前為止，KATPchannel在心臟及腦缺血損傷時起到的保護作用，主要是通過sarcKATP還是mitoKATP尚存在許多爭議。

3 MitoKATP在腦缺血中的神經保護作用

研究表明，藥物或缺血預處理激活心肌mitoKATP后，可減弱心肌缺血再灌注損傷［11］。Bajgar等［12］發現，相較于心臟，腦中mitoKATP是其7倍之多，說明該通道在神經元中有著重要作用。近年來，不斷有研究證實，很多藥物預處理或后處理對腦缺血損傷的保護機制與腦中mitoKATP激活有關。二氮嗪作為mitoKATP激動劑可通過開啟腦中mitoKATP，激活PKC途徑，保護線粒體功能，抑制細胞凋亡，減輕心肺復蘇后腦損傷［13］。七氟烷作為臨床常用的揮發性麻醉劑，在其預處理或后處理中，均能通過激活mitoKATP，減輕大鼠的腦缺血再灌注損傷［14-15］。新一代α2-腎上腺素能受體激動劑右美托咪定，可通過開啟大腦mitoKATP，促進抗氧化應激作用，減少嗜中性粒細胞的黏附及浸潤，控制炎癥反應，對腦缺血再灌注損傷大鼠起到神經保護作用［16］。而mitoKATP阻滯劑［14］、飲食型肥胖［15］或糖尿病［14］可影響mitoKATP功能，使上述神經保護作用減弱。mitoKATP開放在腦缺血中產生保護作用的確切機制尚不十分清楚，目前提出的可能機制有以下幾個方面。

3.1 平衡線粒體膜電位及調控細胞凋亡 線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）用來衡量線粒體功能已被廣泛應用［17］，多種細胞在不同因子作用下發生凋亡時均伴有MMP下降，且發生在細胞凋亡早期病理變化之前，表明膜電位下降為凋亡的特異性改變。因此，如果能維持線粒體膜電位的穩態，則有可能阻遏細胞凋亡。在神經細胞缺血缺氧時，細胞離子濃度的失調及能量代謝相關酶活性被抑制，使線粒體氧化磷酸化反應減慢，導致線粒體膜電位降低，引起細胞凋亡。有研究表明，缺血預處理誘導的線粒體去極化是由mitoKATP的激活所致［18］，在ATP濃度下降時，mitoKATP被激活，從而增加線粒體基質中K+的攝取，減少細胞質中不受控制的Ca2+內流，消除線粒體內膜的極化，平衡線粒體膜電位，抑制細胞凋亡，保護神經細胞功能。

3.2 調節Ca2+超載 組織細胞在缺血缺氧的情況下出現線粒體內Ca2+過度聚集，進而使線粒體膜通透性轉換孔（mitochondrial permeablity transition pore，MPTP）不可逆性開放，引起MMP崩潰，ATP合成停

止，細胞色素C和促凋亡因子流出，超氧陰離子大量產生，導致線粒體基質滲透壓升高，線粒體腫脹等諸多后果［19］。抑制MPTP開放，可減輕腦缺血損傷［20］，而Ca2+超載是引起MPTP開放的常見原因。Wu等［21］應用分光光度法評估腦線粒體腫脹程度，并以此作為MPTP開放的量度，證明了mitoKATP的開放可減輕腦缺血再灌注損傷，可能與減弱線粒體內Ca2+超載，抑制MPTP開放有關。

3.3 調節氧化應激 線粒體是活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）產生的主要場所，低濃度的ROS可激活轉錄因子，促進細胞的增殖、活化，但瞬時或長期過度升高的ROS可導致細胞功能障礙，特別是在機體代謝受損的情況下，可通過線粒體或非線粒體途徑致使細胞死亡［22］。Simerabet等［23］在缺血再灌注前72 h應用立體定向裝置在皮質區域灌注過氧化氫（H2O2）后，觀察到腦梗死體積減少，而H2O2誘導的這種神經保護作用可被mitoKATP抑制劑消除；另外，在腦缺血再灌注期間，激活mitoKATP產生的神經保護作用可被抗氧化劑所阻斷，該實驗表明mitoKATP的開放對腦缺血再灌注損傷具有神經保護作用，而ROS在mitoKATP開放的上游及下游均有參與。相關研究證實，腦缺血時積累的檸檬酸循環中間體琥珀酸鹽，在再灌注期間被琥珀酸脫氫酶迅速重新氧化，并通過線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ的逆向電子轉運（reverse electron transport，RET）使ROS廣泛生成，引起線粒體氧化損傷、基質內鈣超載、MPTP開放等一系列級聯反應，最終導致細胞死亡［24］。RET的發生直接依賴線粒體膜電位，在腦缺血再灌注時，mitoKATP的開放可穩定線粒體膜電位，減弱RET作用，進而抑制ROS的大量生成，減輕再灌注損傷［25］。3.4 改善血管功能 神經血管單元是血管和實質細胞組成的綜合系統，在一定的環境中相互作用，使血液流動和代謝需求相匹配，維持腦內穩態。缺氧缺血性應激后，mitoKATP開放使線粒體去極化，短暫增加蛋白激酶活性和細胞質內鈣水平，保護腦血管內皮，促進腦動脈舒張，改善卒中患者血管功能障礙和減輕腦損傷［10，26］。

4 MitoKATP與糖尿病合并腦缺血

研究表明，糖尿病可增加缺血性卒中發生率及引發卒中后功能恢復不良［27］，與正常血糖大鼠相比，糖尿病大鼠腦缺血后梗死體積顯著增加［28-29］。高血糖可引起血管損傷、炎癥反應加劇、線粒體功能障礙［30-31］，導致ROS過度生成，增加氧化應激和基質金屬蛋白酶-9（MMP-9）活性，加重腦缺血/再灌注損傷后的血腦屏障功能障礙及腦水腫形成［32］，同時誘發和加重卒中后腦白質損傷［33］。糖尿病加重腦缺血損傷是一個復雜的惡性級聯過程，確切的機制尚不十分清楚。

糖尿病為慢性代謝性疾病，高血糖對全身各種組織均會產生相應的損害，線粒體功能亦受到影響。相關文獻報道，糖尿病或高糖血癥會減弱mitoKATP的活化［34］及降低mitoKATP的功能［35］。在胰島素抵抗肥胖大鼠中，mitoKATP被抑制，消除了缺血預處理和二氮嗪對心肌缺血再灌注損傷產生的保護作用［36］。最新在糖尿病合并腦缺血大鼠模型中的研究發現，糖尿病加重腦缺血損傷并使七氟烷后處理產生的神經保護作用失效，可能是由腦中mitoKATP受損所引起，而應用胰島素控制血糖，調節腦中mitoKATP功能后，可減輕腦缺血損傷并恢復七氟烷對腦缺血損傷的神經保護作用［14］。以上均表明，mitoKATP在糖尿病加重腦缺血損傷中起到至關重要的作用。

5 展望

目前關于糖尿病合并腦缺血最有效的就是降糖和溶栓治療，但溶栓用藥時機受限且預后不良。mitoKATP激活啟動不同的信號級聯反應在腦缺血再灌注損傷的發生和進展中發揮有力的神經保護作用，而糖尿病使mitoKATP啟動的正常保護機制受損，因此，將mitoKATP作為一個新的治療靶點，通過激活mitoKATP進而對糖尿病合并腦缺血發作前后產生保護作用，有望在防治糖尿病合并腦缺血方面取得一定進展。