線粒體自噬在糖尿病角膜內(nèi)皮病變中的作用

陳晨 綜述 周慶軍 謝立信 審校

1山東大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院眼科學(xué)，濟(jì)南 250012；2山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院) 山東省眼科研究所 山東省眼科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，青島 266071

糖尿病是由環(huán)境和遺傳因素共同引起、伴有胰島素作用障礙或分泌缺陷，以慢性高血糖為顯著特征的代謝性疾病[1-3]。據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會(huì)預(yù)測，到2045年全球糖尿病患者人數(shù)將從2017年的4.51億增至6.93億[4-5]，其中約70%的晚期糖尿病患者可伴有糖尿病角膜病變[6]。高糖能夠引起角膜內(nèi)皮形態(tài)和結(jié)構(gòu)改變[7]，出現(xiàn)角膜內(nèi)皮功能不良等臨床表現(xiàn)。目前研究者認(rèn)為氧化應(yīng)激、炎癥、細(xì)胞凋亡、糖脂代謝紊亂、線粒體損傷和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是糖尿病角膜病變發(fā)生和發(fā)展的主要機(jī)制。線粒體是一種存在于細(xì)胞中的由雙層膜包圍而成的具有封閉結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器，被稱為人體的“能量工廠”[8]。自噬是一種高度保守的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制，可以通過與溶酶體的融合靶向和降解受損組分或細(xì)胞內(nèi)病原體[9]。在饑餓時(shí)，自噬不僅減少蛋白質(zhì)合成時(shí)所需的氨基酸，還可以消除功能冗余或受損的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，如過氧化物酶體、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)[10-12]。線粒體自噬作為自噬的一種，最早由Lemasters在2005年正式提出，指在活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)攻擊、營養(yǎng)不足、衰老等內(nèi)外環(huán)境變化下，線粒體外膜電位改變，發(fā)生去極化而出現(xiàn)線粒體損傷，細(xì)胞通過自噬方式高度選擇性地及時(shí)清除功能受損或者不需要的線粒體。研究表明，糖尿病患者的角膜中心厚度與正常人相比顯著增加，且角膜內(nèi)皮形態(tài)存在明顯差異，晚期糖尿病患者的角膜內(nèi)皮細(xì)胞線粒體膨脹、致密，染色異?；蜥杖笔13]?？梢娞悄虿』颊呓悄?nèi)皮細(xì)胞的線粒體存在異常，正常機(jī)體清除損傷的線粒體形成線粒體自噬。因此，研究線粒體自噬是否參與糖尿病角膜內(nèi)皮病變的發(fā)生和發(fā)展具有重要意義，能夠完善對糖尿病角膜內(nèi)皮病變的認(rèn)知。本文主要對線粒體自噬在糖尿病角膜內(nèi)皮病變中的作用進(jìn)行綜述。

1 糖尿病角膜內(nèi)皮的病理改變

角膜內(nèi)皮細(xì)胞是一層位于角膜后表面的單層細(xì)胞，排列緊密，呈現(xiàn)出鑲嵌的六邊形[14]，其所特有的屏障和活躍的離子泵功能對于維持角膜的半脫水狀態(tài)、正常厚度及透明性起著關(guān)鍵作用。角膜內(nèi)皮細(xì)胞正常的生理結(jié)構(gòu)和細(xì)胞密度是維持角膜形態(tài)和功能的必備條件。角膜厚度改變是角膜內(nèi)皮功能損害的重要指征[13,15]。

多數(shù)研究者認(rèn)為糖尿病患者角膜內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，細(xì)胞多形性和變異性增加[3,16]。Tang等[17]發(fā)現(xiàn)與非糖尿病患者相比，糖尿病患者白內(nèi)障術(shù)后角膜內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)、角膜厚度、透明度的恢復(fù)和內(nèi)皮細(xì)胞密度等方面存在差異。同時(shí)，Bonanno等[18]也發(fā)現(xiàn)糖尿病角膜內(nèi)皮細(xì)胞密度和形態(tài)存在明顯差異，內(nèi)皮泵功能出現(xiàn)明顯損害。研究顯示，糖尿病患者角膜明顯增厚的同時(shí)伴有內(nèi)皮細(xì)胞基質(zhì)中F-肌動(dòng)蛋白纖維異常[19]，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白在維持內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)和屏障功能方面起著關(guān)鍵作用。Storr-Paulsen等[20]也證實(shí)2型糖尿病患者和非糖尿病患者角膜內(nèi)皮結(jié)構(gòu)和角膜中心厚度存在差異。Urban等[21]發(fā)現(xiàn)兒童和青少年糖尿病患者角膜內(nèi)皮細(xì)胞密度降低，角膜中心增厚，并推測糖尿病病程的長短是影響兩者的重要因素。通過以上研究可以得出高糖環(huán)境下角膜內(nèi)皮細(xì)胞主要表現(xiàn)為形態(tài)及功能改變。

研究表明，糖尿病主要通過以下方式引起角膜內(nèi)皮細(xì)胞損傷：(1)高血糖導(dǎo)致多元醇表達(dá)增加，引起細(xì)胞內(nèi)滲透壓升高，細(xì)胞膜Na+/K+-ATP酶泵的功能減弱[22]；(2)持續(xù)高血糖刺激大量晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)的產(chǎn)生，其可激活并誘發(fā)一系列促炎、促凝血反應(yīng)及生成大量ROS，進(jìn)而造成細(xì)胞損傷，甚至凋亡，同時(shí)導(dǎo)致角膜細(xì)胞對氧化損傷的抵抗能力減弱；(3)代謝應(yīng)激作用增強(qiáng)使細(xì)胞內(nèi)水、離子代謝紊亂，產(chǎn)生有毒脂質(zhì)過氧化物增多的同時(shí)擾亂細(xì)胞質(zhì)內(nèi)F-肌動(dòng)蛋白纖維的排列，改變角膜內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)[23]。

2 糖尿病與線粒體自噬

線粒體自噬維持細(xì)胞正常生理功能，參與神經(jīng)退行性疾病、腫瘤、心臟病、糖尿病、糖尿病腎病、糖尿病心肌病等多種疾病的發(fā)生[24-25]。Czajka等[24]和Kramer等[26]提出糖尿病代謝功能障礙與線粒體呼吸活動(dòng)和動(dòng)力學(xué)有關(guān)，糖尿病患者外周血單核細(xì)胞線粒體呼吸、基礎(chǔ)呼吸增加，備用呼吸能力下降。晚期糖尿病患者的角膜中發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞線粒體體積大、膨脹、致密，染色異?；蜥杖笔13]，表明糖尿病患者角膜內(nèi)皮細(xì)胞線粒體存在功能障礙。糖尿病患者線粒體自噬功能受損導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中檢測到功能障礙的線粒體。Nisr等[27]研究發(fā)現(xiàn)，高糖刺激骨骼肌細(xì)胞可造成線粒體功能和形態(tài)紊亂?；谝陨辖Y(jié)果，可以得出在高糖的刺激下，線粒體功能、形態(tài)及動(dòng)力學(xué)改變，線粒體自噬功能受損。

目前，關(guān)于Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬的多項(xiàng)研究已經(jīng)證明，Pink1和Parkin蛋白表達(dá)水平在糖尿病動(dòng)物組織中降低[25]，推測長期高血糖抑制線粒體自噬，導(dǎo)致受損線粒體堆積，組織器官受累。Wu等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在線粒體自噬受體FUNDC1缺乏時(shí)會(huì)損害線粒體功能并加重飲食誘導(dǎo)的肥胖和代謝綜合征。Jin等[29]通過體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子介導(dǎo)的線粒體自噬能夠減輕高葡萄糖誘導(dǎo)的腦部微血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷。Soleimanpour等[30]研究表明，糖尿病易感基因Clec16a可控制胰島β細(xì)胞功能并通過控制線粒體自噬預(yù)防糖尿病。綜上，糖尿病中線粒體自噬水平下降造成組織器官受損，而提高線粒體自噬水平可能抑制糖尿病導(dǎo)致的組織損傷。

3 線粒體自噬與糖尿病角膜內(nèi)皮病變

Hu等[31]研究表明，Sirt3通過調(diào)節(jié)Pink1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬水平促進(jìn)糖尿病角膜上皮傷口愈合，異常的線粒體自噬參與糖尿病角膜內(nèi)皮病變的發(fā)生和發(fā)展。而角膜內(nèi)皮細(xì)胞在維持角膜透明性方面具有重要作用，是角膜-房水屏障的重要組分。長期高血糖可以引起AGEs沉積于角膜內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致大量ROS聚積及線粒體損傷，進(jìn)而誘導(dǎo)糖尿病角膜內(nèi)皮病變的發(fā)生和發(fā)展。

3.1 線粒體自噬與糖尿病角膜內(nèi)皮的病理改變

3.1.1線粒體自噬參與糖尿病角膜內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變 Goldstein等[7]報(bào)道，病程>10年的糖尿病患者角膜形態(tài)異常較多。角膜內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)異常和異型性增加可能與多種角膜及全身疾病有關(guān)。衰老、眼內(nèi)手術(shù)、炎癥或其他眼部及全身因素會(huì)破壞內(nèi)皮細(xì)胞規(guī)律性的鑲嵌并引起細(xì)胞丟失，導(dǎo)致細(xì)胞表面積變化增加，內(nèi)皮細(xì)胞變形，從而導(dǎo)致內(nèi)皮層的破壞。在健康的角膜中，與內(nèi)皮細(xì)胞相關(guān)的活性液泵機(jī)制可以平衡液漏。內(nèi)皮細(xì)胞的液泵活性與其他液體轉(zhuǎn)運(yùn)上皮細(xì)胞的活性相似，依賴于離子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，并在其基底外側(cè)膜和頂端膜上表達(dá)。當(dāng)液體屏障破壞時(shí)，角膜基質(zhì)脫水程度降低，導(dǎo)致角膜厚度改變。

研究表明，糖尿病患者角膜內(nèi)皮Na+-K+-ATP酶活性的降低引起角膜形態(tài)改變，從而導(dǎo)致角膜損傷[6,32-33]。當(dāng)細(xì)胞缺乏ATP時(shí)，酶活性降低。而線粒體通過氧化磷酸化為大多數(shù)細(xì)胞提供ATP[34]，在生理?xiàng)l件下通過復(fù)合物Ⅰ-Ⅴ產(chǎn)生超過95%的細(xì)胞能量。Fetterman等[35]在糖尿病動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，氧化代謝受到葡萄糖和缺氧的影響，這會(huì)迅速改變ATP和其他主要與線粒體有關(guān)的能量相關(guān)代謝物。目前的研究認(rèn)為高糖環(huán)境通過以下途徑損傷線粒體呼吸鏈[36]：(1)激活蛋白激酶C途徑，導(dǎo)致AGEs生成增加；(2)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激；(3)直接氧化蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，引起細(xì)胞蛋白或磷脂損壞；(4)參與DNA損傷，尤其是對線粒體DNA的損害；(5)產(chǎn)生過氧亞硝基鹽陰離子，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)亞硝基化。同時(shí)線粒體跨膜電位水平波動(dòng)可引起細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP比值變化。Sarparanta等[8]研究表明，糖尿病患者由于血糖水平升高，造成線粒體跨膜電位變化，激活線粒體ROS，ROS產(chǎn)生增加可直接或間接損傷線粒體膜，導(dǎo)致膜電位降低，從而減少ROS的產(chǎn)生，兩者形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，線粒體內(nèi)膜表達(dá)的解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)對線粒體跨膜電位幅度有負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用[8]。當(dāng)機(jī)體處于高血糖、高血脂或ROS產(chǎn)生過多等情況時(shí)，UCP2表達(dá)增加，解耦聯(lián)效應(yīng)增強(qiáng)，可將線粒體內(nèi)膜外質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)膜內(nèi)，即產(chǎn)生質(zhì)子滲漏，引起線粒體跨膜電位的變化，繼而改變ATP/ADP比值和線粒體ROS水平[37]，導(dǎo)致線粒體損傷?；谝陨涎芯?，認(rèn)為在高糖環(huán)境的角膜內(nèi)皮發(fā)生線粒體功能障礙，激活線粒體自噬，然而長期高糖刺激導(dǎo)致線粒體自噬水平下降[31]，通過影響ATP的生成降低Na+-K+-ATP酶活性，造成糖尿病角膜內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)學(xué)改變。

3.1.2線粒體自噬參與糖尿病角膜內(nèi)皮功能改變 Calvo-Maroto等[3]研究證實(shí)，糖尿病患者角膜內(nèi)皮功能下降。Aldrich等[13]研究認(rèn)為，這種改變與內(nèi)皮細(xì)胞的屏障功能有關(guān)。角膜內(nèi)皮的緊密連接和貼壁連接形成了角膜內(nèi)皮屏障的完整性，對維持角膜基質(zhì)的脫水狀態(tài)至關(guān)重要。在分子水平上，屏障的完整性受到肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和微管的影響。

在糖尿病模型中證實(shí)，內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能障礙會(huì)導(dǎo)致角膜水腫，引起角膜增厚，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙。F-肌動(dòng)蛋白是角膜內(nèi)皮細(xì)胞骨架的重要組成部分，存在于兔及人角膜內(nèi)皮六角形的周邊，在維持角膜內(nèi)皮細(xì)胞形狀及屏障功能上起重要作用。當(dāng)內(nèi)皮細(xì)胞所處的環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，中心張力增加使細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，肌動(dòng)蛋白骨架重排，細(xì)胞間連接發(fā)生改變，細(xì)胞收縮變圓導(dǎo)致細(xì)胞間裂隙形成，內(nèi)皮通透性增高。高糖環(huán)境下細(xì)胞質(zhì)中F-肌動(dòng)蛋白數(shù)量減少，并且絲狀結(jié)構(gòu)變得模糊。線粒體形態(tài)不斷變化，通過分裂、融合形成獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，Shang等[38]研究表明，細(xì)胞骨架系統(tǒng)不僅能調(diào)節(jié)線粒體的運(yùn)動(dòng)，而且能夠調(diào)節(jié)其形態(tài)及功能。線粒體的運(yùn)動(dòng)、融合分裂以及自噬等各種動(dòng)態(tài)變化即為線粒體動(dòng)力學(xué)，可調(diào)節(jié)線粒體的形態(tài)功能以及分布，進(jìn)而滿足細(xì)胞適應(yīng)不斷變化的內(nèi)環(huán)境[39]。Wang等[40]研究表明，高糖環(huán)境會(huì)影響線粒體分裂-融合的平衡使得線粒體從形態(tài)上進(jìn)行代償；Hsieh等[41]研究表明，在饑餓誘導(dǎo)的自噬過程中，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和自噬體的形成之間存在著很強(qiáng)的功能聯(lián)系?；谝陨涎芯靠梢酝茰y高糖環(huán)境下F-肌動(dòng)蛋白數(shù)量減少，影響線粒體裂變?nèi)诤系耐瑫r(shí)造成角膜內(nèi)皮細(xì)胞屏障受損及自噬的形成。但線粒體自噬是否與糖尿病角膜內(nèi)皮功能改變有關(guān)尚待進(jìn)一步研究。

3.2 線粒體自噬與糖尿病角膜內(nèi)皮病變的重要發(fā)病機(jī)制——氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是引起糖尿病角膜病變的重要機(jī)制之一，ROS是介導(dǎo)氧化應(yīng)激的重要成分，AGEs能夠促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)ROS生成，而ROS又能加速AGEs的形成，兩者之間形成惡性循環(huán)。氧化應(yīng)激是指機(jī)體細(xì)胞受到內(nèi)外環(huán)境的刺激后，細(xì)胞內(nèi)ROS和活性氮生成過多，超過機(jī)體內(nèi)抗氧化的清除能力，破壞了機(jī)體氧化與抗氧化系統(tǒng)之間的平衡，引起體內(nèi)氧自由基的蓄積，從而造成對機(jī)體組織及細(xì)胞的損傷。生理狀態(tài)下，線粒體是神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)直接利用氧氣制造能量的主要細(xì)胞器，90%以上吸入神經(jīng)元的氧氣被線粒體消耗。氧是把“雙刃劍”，一方面細(xì)胞利用氧分子制造能量；另一方面氧分子在被利用的過程中會(huì)產(chǎn)生極活潑的中間體(活性氧自由基)傷害神經(jīng)細(xì)胞造成氧毒性。

糖尿病狀態(tài)下體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)顯著增強(qiáng)，高血糖導(dǎo)致的氧化應(yīng)激是糖尿病角膜病變發(fā)生的重要原因之一。氧化應(yīng)激的增加不僅是由于氧自由基的加速產(chǎn)生，而且由于機(jī)體對這些分子清除能力的降低，導(dǎo)致氧自由基在體內(nèi)蓄積[8]。研究表明，線粒體呼吸鏈?zhǔn)羌?xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生的主要位點(diǎn)，是氧化應(yīng)激的根源[29]。

氧化應(yīng)激水平的升高使線粒體膜脂質(zhì)過氧化增多，膜的剛性增加和流動(dòng)性降低造成線粒體損傷，形成線粒體自噬。Marasco等[42]研究表明，白細(xì)胞介素-6通過自噬減輕胰島β細(xì)胞氧化應(yīng)激。線粒體靶向抗氧化劑MitoQ通過Nrf2/Pink介導(dǎo)線粒體自噬，對糖尿病腎病的腎小管損傷發(fā)揮有益作用[43]。Bai等[44]研究表明，線粒體自噬是一種修復(fù)糖尿病心肌氧化還原狀態(tài)和保護(hù)心臟的潛在方法。硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein，TXNIP)是硫氧還蛋白功能的負(fù)調(diào)節(jié)因子，抑制其還原能力，促進(jìn)細(xì)胞氧化應(yīng)激。研究證明，高糖刺激TXNIP的過表達(dá)使細(xì)胞更容易受到氧化應(yīng)激的影響，促進(jìn)細(xì)胞凋亡和過度的基質(zhì)生成[45-46]，并且還能夠通過mTOR信號(hào)傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)糖尿病腎病中的管狀自噬和線粒體自噬[47]。Lee等[48]研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)糖尿病患者血小板中的線粒體自噬可以防止嚴(yán)重氧化應(yīng)激的發(fā)生。Seillier等[49]研究表明，通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激維持線粒體穩(wěn)態(tài)能夠預(yù)防代謝綜合征。因此，可以認(rèn)為線粒體ROS產(chǎn)生的增加是糖尿病發(fā)病機(jī)制的中心環(huán)節(jié)，過多的ROS將刺激線粒體損傷，增加線粒體自噬能夠及時(shí)清除損傷的線粒體，推測線粒體自噬在糖尿病角膜內(nèi)皮病變的氧化應(yīng)激中可能具有保護(hù)作用。

隨著人們對自噬過程的不斷深入了解，發(fā)現(xiàn)自噬在細(xì)胞生長、發(fā)育和穩(wěn)態(tài)中是必不可少的，其在細(xì)胞成分的合成、降解和隨后的循環(huán)之間保持平衡。目前，關(guān)于糖尿病角膜病變的研究主要集中在角膜上皮細(xì)胞，而角膜內(nèi)皮病變是糖尿病角膜病變的重要組分。大量研究表明在糖尿病患者中，角膜內(nèi)皮形態(tài)和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，進(jìn)而造成糖尿病角膜內(nèi)皮功能營養(yǎng)不良。同時(shí)證實(shí)高糖刺激能夠?qū)е翿OS水平升高，造成線粒體損傷。現(xiàn)已有針對自噬調(diào)控的靶向藥物氯喹的研究，具有廣泛的應(yīng)用前景，可保護(hù)角膜內(nèi)皮細(xì)胞、控制角膜炎癥、抑制細(xì)胞凋亡等。總之，自噬在糖尿病角膜病變的發(fā)生和發(fā)展中具有重要作用，但其調(diào)控機(jī)制尚未完全明確，進(jìn)一步研究線粒體自噬在糖尿病角膜內(nèi)皮病變中的作用及調(diào)控機(jī)制有可能為糖尿病角膜內(nèi)皮病變的治療提供新的思路。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突