細胞間線粒體轉移在糖尿病及其并發癥中作用的研究進展*

王海燕，宋文婷，趙 萌，王 東，王小磊，李 秋△

（1山東第一醫科大學附屬省立醫院內分泌與代謝病科，山東 濟南 250021；2山東大學附屬省立醫院內分泌與代謝病科，山東 濟南 250021；3山東第一醫科大學附屬內分泌與代謝病醫院，山東 濟南 250021）

近年來，全球糖尿病發病率和患病率不斷增加，有研究顯示，預計到2045 年，糖尿病發病人數將上升至6.29億人［1］。根據美國糖尿病協會的規定，2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的常規治療基于生活方式干預與抗糖尿病藥物一起進行。迄今為止，美國食品和藥物管理局已經批準了8 類抗糖尿病藥物，包括一線藥物二甲雙胍和新開發的胰高血糖素樣肽1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）受體激動劑［2］，以及單藥、雙聯治療和多藥治療等多功能用藥方案，以提高治療T2DM 的效果。然而，T2DM的某些病理，如β 細胞衰竭、肝功能障礙、胰島素抵抗和全身炎癥，在使用常規藥物后仍然難以治愈。現有研究表明，細胞中線粒體功能障礙相關的氧化應激、胰島素抵抗和代謝障礙是糖尿病發展的重要促成因素［3］，因此線粒體穩態修復有望對代謝性疾病及其并發癥產生潛在的治療作用。研究顯示，線粒體轉移通過肌動蛋白隧道納米管（tunneling nanotubes，TNTs）、細胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）、細胞融合和擠壓而恢復受損哺乳動物細胞的能量供應［4-6］。2017 年，一項人類臨床研究首次報道了使用分離線粒體緩解線粒體功能障礙從而治療心肌病的創新策略［7］。在本綜述中，我們總結了細胞間線粒體轉移在糖尿病及其并發癥中的進展，以期為這一研究方向提供參考資料。

1 線粒體功能障礙在糖尿病發病中的作用

線粒體是高度動態的細胞器，在維持細胞代謝穩態中起著非常重要的作用。線粒體是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的主要來源，包括超氧陰離子和過氧化氫，ROS 對氧化還原穩態、代謝、凋亡和Ca2+水平維持等多種細胞功能至關重要［8］，其過度生產加劇了氧化應激［9］。T2DM 的特點是線粒體功能障礙、過多產生的ROS 和低水平的ATP。當葡萄糖水平高時，線粒體會增強ROS的產生，并誘導氧化應激和組織損傷［10］。線粒體功能障礙和氧化應激有一定的機制關系，兩者又會導致胰島素抵抗和T2DM。研究顯示，線粒體功能障礙在很大程度上導致年齡依賴性胰島素抵抗的發展［11］。正常情況下，線粒體的生物發生有助于調節能量平衡，而在高血糖條件下，電子傳遞鏈增強ROS 的產生被認為會加劇病理途徑，導致糖尿病微血管并發癥（心肌病、腎病、視網膜病變和神經病變）和大血管并發癥（中風和心肌缺血）［12］。此外，ROS 異常和脂質過氧化作用參與了糖尿病心肌病時的心肌線粒體損傷［13］；ROS產生是糖尿病腎病（diabetic kidney disease，DKD）中線粒體功能異常進而導致腎臟損傷的核心環節［14］。因此，改善線粒體功能可能是治療糖尿病及其并發癥的有效策略。

2 細胞間線粒體轉移

細胞間線粒體轉移是損傷細胞在發生應激后的反應，能使受損細胞盡快恢復功能，受損組織得到修復［15］。這一現象是由Rustom 等［16］最先提出的，他們在本世紀初觀察到線粒體通過TNTs 在哺乳動物細胞之間移動。有報道稱，使細胞器發生轉移的必要條件之一是應激信號，線粒體轉移的扳機點是線粒體功能的缺陷或缺乏，如使用線粒體抑制劑治療或在線粒體DNA 耗盡的情況下［17］。轉移的過程會受到細胞外環境的影響，如抗氧化劑對線粒體的轉移有促進作用［18］。此外，細胞內葡萄糖、Ca2+和能源物質ATP 也被認為是影響線粒體轉移的主要因素［19］。細胞間線粒體轉移可以提供外源線粒體，補充功能失調的線粒體，從而減輕線粒體缺陷。這對今后探索新靶點治療糖尿病及其并發癥有一定的參考價值，啟發研究者們進一步利用線粒體轉移進行有效的治療（表1）。

表1 細胞間線粒體轉移在糖尿病中的研究Table 1. Researches on intercellular mitochondrial transfer in diabetes mellitus

2.1 間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）作為線粒體供體 MSCs 是一種多能、自我更新的細胞，幾乎可以存在于所有的器官和組織中。MSCs 具有分化為肌肉細胞、腦細胞、血管細胞和骨細胞等多種細胞類型的能力，這種多能分化特性，加上它們的自我更新能力和調節免疫反應的能力，使得它們具有治療糖尿病相關并發癥的潛力。盡管治療效果和作用機制尚未確定，但值得注意的是干細胞的一個好處是它們能夠釋放線粒體［20］。研究顯示線粒體轉移是MSCs 的一種新行為，MSCs 介導的線粒體轉移是挽救受損細胞和恢復線粒體功能的主要手段［21］，來自MSCs 捐贈的線粒體可以改善其他糖尿病并發癥，包括糖尿病腎病和炎癥［21-23］。例如，在鏈脲佐菌素誘導的糖尿病動物中，骨髓MSCs（bone marrow MSCs，BM-MSCs）通過縫隙連接介導的線粒體轉移緩解高血糖誘導的腎近端小管上皮細胞（proximal tubular epithelial cells，PTECs）的線粒體功能障礙，減少ROS 產生，抑制PTECs 凋亡［23］；在高脂飲食誘導的T2DM 相關非酒精性脂肪性肝病模型中，線粒體以細胞融合的方式從BM-MSCs 轉移到脂肪變性細胞可以有效幫助受損細胞從線粒體功能障礙中恢復，降低了ROS水平，減輕了脂肪變性和糖脂代謝紊亂［24］。由于許多組織的病理改變與線粒體功能受損有關，補充外源性健康線粒體替代受損線粒體，可改善受損細胞的能量供應，逆轉ROS過量產生，恢復線粒體功能［25］。

2.2 線粒體轉移改善胰島素分泌功能 線粒體代謝產生的ATP 對胰島β 細胞的胰島素分泌至關重要。β 細胞具有代謝活性，會利用線粒體ATP 生成而偶聯循環葡萄糖升高、β細胞去極化和胰島素的胞外釋放，以此來應對細胞外葡萄糖的升高。Rackham等［26］證實，胰島與MSCs共培養可改善胰島胰島素分泌功能，在缺氧條件下MSCs 的線粒體可以通過TNTs 這一機制轉移到β 細胞中進行補充。與MSCs一起培養后，β細胞線粒體耗氧量和葡萄糖誘導的胰島素分泌增加，表明線粒體轉移可以響應和緩解受損線粒體產生過多ROS引起的缺氧和氧化應激。線粒體從人類MSCs轉移到人類胰島比從小鼠MSCs轉移到小鼠胰島更易達成，因為孤立的人類胰島暴露于更極端的細胞應激源，從而誘導MSCs來源的線粒體向人類胰島β 細胞轉移，這與線粒體發生轉移的必要條件之一是應激信號相呼應，更強細胞應激源發出更為強烈的信號誘導功能性線粒體轉移至受損細胞。因此，通過MSCs介導的線粒體轉移來確保最佳的β 細胞線粒體質量和生物能，從而使臨床胰島移植得到更廣泛的應用，或為糖尿病的治療提供了一種新思路。

2.3 細胞間線粒體轉移或減輕胰島素抵抗 胰島素抵抗是致使β 細胞對升高的血糖水平反應不足的主要因素。胰島素是許多組織中線粒體生物發生和功能的關鍵調節因子，胰島素缺乏和胰島素抵抗都會導致氧化應激，從而導致DNA 和蛋白質的氧化損傷，引起糖尿病并發癥。Kelle 等［27］報道了肥胖和T2DM 成人在胰島素抵抗期間肌肉中線粒體酶活性、含量和線粒體脂肪酸氧化的降低。另有研究證實，父母患有T2DM 的肥胖癥和胰島素抵抗的成年人后代中線粒體含量降低，肌肉葡萄糖攝取率降低，許多調節線粒體的因素發生改變［28］。這些研究形成了線粒體氧化能力下降導致肌內脂質積累的概念的基礎，脂肪酸代謝物肌細胞內濃度的增加激活絲氨酸激酶級聯，導致關鍵絲氨酸位點上胰島素受體底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）磷酸化增加，從而阻斷胰島素受體酪氨酸位點上IRS-1的磷酸化，導致胰島素刺激的IRS-1 相關PI3K 活性降低，引起胰島素信號通路和肌肉作用的缺陷［28］，從而抑制胰島素信號傳導［29］。胰島素敏感性和線粒體功能相互影響，促進了胰島素抵抗進一步損害線粒體功能的循環，這也得到了體內研究報告的支持：與胰島素敏感者相比，胰島素抵抗者的肌肉中［13C］-乙酸鹽與谷氨酸鹽的結合和線粒體磷酸化約低30%［30］。線粒體氧化磷酸化的減少可能是這些個體肌細胞內脂質含量增加和相關肌肉胰島素抵抗的原因［30］，胰島素本身刺激線粒體生物發生［31］，并且線粒體形態在肥胖的I患者和T2DM 患者中發生改變［32］。遺憾的是，目前還沒有關于線粒體轉移改善胰島素抵抗的確切結論，但線粒體功能障礙在胰島素抵抗的發展中起著重要作用是公認的。盡管胰島素抵抗的發展并不需要線粒體功能受損，但促進胰島素抵抗的途徑可能會損害線粒體功能并進一步增加ROS 的產生，從而導致有害的反饋循環。

2.4 細胞間線粒體轉移減輕DKD DKD 是慢性腎臟疾病嚴重的病因之一。高血糖所引起的過度氧化應激導致了線粒體功能障礙、ROS 產生過多和ATP的減少，對DKD 的發展有促進作用［33］。DKD 的主要病理改變為腎小球病變，長期持續的高糖環境可激活蛋白激酶C 和腎素-血管緊張素系統，誘導ROS 和晚期糖基化終末產物的積累，進而損傷內皮細胞，導致蛋白尿的產生和腎小球硬化［34］，最終加重腎功能損害和DKD 的進展。此外，腎小管為水、葡萄糖及Na+、K+、Cl-等電解質的重吸收和分泌進行主動轉運，需要大量能量以ATP 的形式存在。因此，DKD 患者線粒體的功能障礙損害了體液的穩態和尿成分的調節，同時，線粒體的變形會導致細胞骨架改變、刷狀邊界破壞、細胞間接觸喪失和上皮脫落增強［35-36］。在體外共培養時，MSCs 將線粒體轉移到糖尿病受損的腎小球內皮細胞，促進其增殖，抑制其凋亡，使其線粒體功能得到改善［37］。在此過程中，MSCs 降低了促炎細胞因子和促凋亡因子的表達，顯著改善了功能參數（血尿素氮和血清肌酐），減少了丙二醛、晚期糖基化終產物和ROS 的產生，增加了體內谷胱甘肽過氧化物酶和超氧化物歧化酶的水平，也使得腎小球基底膜和腎間質的纖維化顯著降低。另有研究顯示，功能性內源性線粒體的補充對腎小管上皮細胞形態的改善是腎小管修復的必要條件，BM-MSCs 在體內和體外將其線粒體轉移到糖尿病受損的PTECs，促進了其修復［23］。BM-MSCs 來源的分離線粒體作用于PTECs 內源性線粒體部分，通過調節線粒體相關因子Bcl-2、兔抗人單克隆抗體和過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活因子1α，抑制體外ROS 的產生，抑制細胞凋亡，恢復高糖條件下PTECs中人巨蛋白和鈉-葡萄糖協同轉運蛋白2等轉運蛋白的表達恢復。

2.5 線粒體轉移改善糖尿病心肌功能 T2DM 引起線粒體功能障礙，增加心肌對缺血再灌注損傷的易感性［38］，顯著促進T2DM 患者急性冠脈事件或心臟干預后預后不良［39］。已有證據表明線粒體在心臟缺血再灌注損傷的調節中發揮關鍵作用［40］。缺血再灌注損傷會對線粒體功能和細胞能量學產生不利影響，缺血期間若線粒體功能障礙持續存在，盡管冠狀動脈血流和組織再灌注恢復，最終對缺血后心肌收縮功能和細胞活力產生負面影響［41］。值得注意的是T2DM 加重了這些影響，并顯著增加需要心臟干預的T2DM 患者的發病率和死亡率。盡管目前冠狀動脈干預策略取得了進展，但仍沒有可行的方法來減輕需要心臟手術的T2DM 患者的缺血再灌注損傷，因此急需探索一條新途徑改善干預糖尿病心肌病的發生及預后。研究表明，線粒體移植是一種治療線粒體功能障礙的創新策略，可以克服藥物治療的局限性，用從患者自身非缺血組織中分離出來的、結構完整的、具有呼吸功能的活線粒體取代缺血再灌注損傷的原生線粒體［40，42-43］，這種方法已被臨床證實可增強缺血后心臟活力和功能。線粒體移植旨在將有功能的外源性線粒體移植到線粒體缺陷細胞中，以恢復或預防線粒體疾病，簡單來講是用新引擎替換舊引擎以恢復其功能。眾多體外和體內研究表明，分離出具有完整呼吸作用的線粒體可以灌注到心臟，在那里它們通過肌動蛋白依賴的內吞作用［44］被心肌細胞迅速內化［45］。一旦進入宿主細胞，供體線粒體從核內體逃逸，并與宿主線粒體網絡［46］融合。健康供體線粒體的摻入可通過增加心肌呼吸和ATP 的產生來改善細胞和心臟功能［40，45］，上調參與呼吸的心臟保護細胞因子和線粒體蛋白［40］的表達，并通過替換受損的線粒體DNA［45］最終減輕缺血損傷并改善心臟功能［47］。在臨床試驗中，線粒體移植為治療缺血再灌注損傷后心肌病提供了一種新興的治療工具，如Doulamis 等［48］在離體灌注糖尿病大鼠心臟中證明了線粒體移植在缺血再灌注后增強心肌功能、心肌細胞存活和增加ATP 含量方面有顯著療效，線粒體移植顯著促進糖尿病心臟缺血后心肌功能恢復，顯著減少心肌細胞損傷；Louwagie 等［49］觀察到暴露于妊娠晚期糖尿病和母體高脂飲食的大鼠后代在出生時和衰老過程中會出現線粒體功能障礙、心肌細胞生物能受損和心功能障礙，通過線粒體轉移分離線粒體功能，供體線粒體促進妊娠晚期糖尿病和母體高脂飲食小鼠心肌細胞的呼吸，并減少雄性應激誘導的細胞凋亡。

3 介導細胞間線粒體轉移的主要機制

線粒體轉移詳細的機制目前仍不清楚，TNTs、EVs、縫隙連接蛋白43（connexin 43，Cx43）和細胞融合都可能是線粒體細胞間轉移的途徑（圖1）。

Figure 1. Mechanism of intercellular mitochondrial transfer through tunneling nanotubes，connexin 43，extracellular vesicles and cell fusion.圖1 細胞間線粒體轉移機制：隧道納米管、細胞外囊泡、縫隙連接蛋白43和細胞融合

3.1 TNTs介導的線粒體轉移 TNTs是一種膜性管狀延伸的結構，可以連接遠處的細胞以便于細胞間的相互作用。TNTs 的長度大約幾個細胞直徑，直徑為50～200 nm，它們的膜與連接細胞的膜連續，是可以連接兩個細胞的細管狀結構，遂取名為隧道納米管［15］。TNTs 目前已經被明確是一種細胞間的通訊方式，它們通過特殊的膜狀突起進行不同類型的交換，除了可以進行線粒體、溶酶體等較大細胞器的運輸以外，還能運輸一些小分子物質［50］。最近有研究認為TNTs 這一膜狀突起結構是通過絲狀肌動蛋白支撐而形成的，其內部還含有肌球蛋白、肌動蛋白等細胞骨架結構，可以保持兩端的開放，像一個延伸的官腔，來保證相隔細胞之間進行連續的物質交換［51］。

3.2 EVs 介導的線粒體轉移 EVs 是填充了蛋白質、核酸和脂質的脂雙層囊泡［52］，由細胞分泌進而與鄰近細胞或遠端細胞進行交流。EVs 可以參與多種生理環境和病理狀態，依據其大小和來源，可有不同的類型：由內泌體膜內部出芽形成的稱為外泌體，直接從質膜上產生的稱為微泡，由死亡的細胞直接產生的稱為凋亡體［53-54］。EVs 介導細胞通訊的機制可以理解為受體和配體的相互作用原理，其表面所攜帶的分子可以與靶細胞結合，進而進行細胞間的物質交換和信息交流。EVs 類型之一的外泌體是當前研究熱點，外泌體分泌被認為是質量控制的一種方法［55］，可幫助供體細胞清除受損或氧化的細胞成分。在線粒體ROS 產生和氧化應激增加的情況下，如胰島素抵抗和T2DM 時［56］，線粒體膜中的多不飽和脂肪酸（如心磷脂）是氧化損傷的主要靶點［57］，在此情況下，外泌體輸出為清除氧化細胞因子的提供一種可能途徑。外泌體從多種組織和細胞類型中釋放，如骨骼肌、肝臟等代謝組織。重要的是，脂肪組織、巨噬細胞或紅細胞釋放的肥胖相關外泌體可以將健康細胞轉化為代謝缺陷細胞，對組織特異性和全身性胰島素敏感性和整體葡萄糖穩態具有強大的影響［58-60］。總的來說，細胞外囊泡反映了釋放細胞的不同功能和功能障礙狀態，特定的外泌體可在不同的疾病狀態中出現，這使得外泌體在未來成為有用的生物標志物［61］。

3.3 Cx43 介導的線粒體轉移 縫隙連接是一種特殊的真核細胞之間的細胞連接方式，允許幾乎所有類型細胞之間進行直接代謝和電通訊。近年來有研究者通過蛋白組學分析表明［62］，Cx43 可作為一個綜合樞紐參與細胞間通訊以及其他生物代謝過程，如基因轉錄、生長發育、調節自噬。許多體外研究表明，Cx43 介導的線粒體轉移是間充質干細胞實現對損傷細胞的保護和修復功能的一種有效方式［63-64］。此外，盡管推動Cx43 轉運到線粒體的機制細節和信號大多尚不清楚，但對其他細胞表面蛋白和受體進行的深入研究可能會為這種轉運提供重要的見解，并可作為未來研究的模型。

3.4 細胞融合介導的線粒體轉移 細胞融合是2個獨立細胞通過融合細胞膜共享細胞器和胞質化合物的過程，這一過程允許直接的細胞間通訊，并交換多種蛋白質復合物和細胞器（包括線粒體）。有研究指出，細胞可能會通過部分或完全融合來獲得外源線粒體，骨髓來源的細胞會自發的與肝細胞、浦肯野神經元、心肌細胞融合［65］。一項研究顯示，在靜脈給藥治療心臟缺血時觀察到干細胞與心肌細胞之間發生了細胞融合，這種部分或整體的細胞融合，被證實可以恢復受損線粒體功能并在一定程度上促進心肌細胞的再生作用［66］。

4 結語

線粒體是能量產生、信號傳遞和細胞凋亡的關鍵角色，線粒體功能障礙相關的氧化應激、胰島素抵抗和代謝障礙是糖尿病發展的重要促進因素。因此，修復線粒體內穩態有望對糖尿病及其并發癥產生潛在的治療作用。近年來，線粒體轉移的研究為細胞間通訊開辟了一個全新的視角。正常細胞的線粒體來取代功能失常的線粒體為線粒體相關疾病的治療提供了新的思路和策略，轉移外源性的正常線粒體成為治療損傷細胞的有效方法。干細胞是一種重要的正常線粒體供體，來自MSCs的線粒體能增加β細胞線粒體耗氧量和葡萄糖誘導的胰島素分泌量，能修復糖尿病腎病中受損的腎小管細胞、恢復腎小管結構，并且對糖尿病相關的非酒精性脂肪肝的改善有一定作用，未來針對干細胞動力學調控機制的研究是治療線粒體相關疾病的重點之一。此外，細胞間線粒體轉移所衍生出的一種新的治療方法——線粒體移植將成為用于治療與線粒體缺陷相關疾病的一種有益的治療選擇。線粒體移植已被證實可顯著促進糖尿病心臟缺血后心肌功能恢復，減少心肌細胞損傷。作為減輕線粒體功能障礙的創新策略，盡管目前安全的實施線粒體轉移仍面臨多種挑戰，但細胞介導的線粒體轉移仍被認為是一種有希望的治療策略，在糖尿病等代謝疾病的治療中具有光明的未來。