離子通道對(duì)胰島β細(xì)胞中胰島素分泌的調(diào)控作用

孫慧珍,雷水紅,龔妍春,姚麗華*

(1.江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,中國(guó)江西 南昌 330013;2.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科,中國(guó)江西 南昌 330008)

近年來(lái),糖尿病已成為備受人們關(guān)注的重大疾病之一。有資料顯示,糖尿病與循環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)(包括血管功能障礙)高度相關(guān),而血管功能障礙可能影響各種離子通道[1]。此外,胰島素分泌減少或敏感性降低會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)代謝紊亂[2],這也是糖尿病產(chǎn)生的重要原因。胰島素是機(jī)體內(nèi)唯一降低血糖的激素,由胰島β細(xì)胞分泌[3],可以通過(guò)促進(jìn)肌肉和脂肪組織對(duì)葡萄糖的攝取、合成糖原和生成脂肪來(lái)增加葡萄糖的消耗[4]。研究表明,胰島素分泌是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,在這一過(guò)程中,胰島β細(xì)胞膜上的離子通道起著重要作用,其中起主要調(diào)控作用的是鈉離子通道、鉀離子通道和鈣離子通道。

1 胰島素的分泌機(jī)制

胰島素是維持機(jī)體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)的一種重要激素,是治療糖尿病的主要手段,尤其是對(duì)于1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus,T1DM)患者,胰島素是必需藥物[5]。有資料顯示,胰島β細(xì)胞對(duì)機(jī)體的血糖水平較為敏感,當(dāng)體內(nèi)血糖水平偏高時(shí),胰島β細(xì)胞可通過(guò)分泌胰島素進(jìn)入血液循環(huán)來(lái)促進(jìn)葡萄糖的利用并抑制糖異生,從而使體內(nèi)血糖水平降低;當(dāng)體內(nèi)血糖水平低下時(shí),胰島素分泌則受到抑制[6]。

胰島素的分泌不僅與膜電位變化有關(guān),而且與細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化密切相關(guān),除此之外,動(dòng)作電位(action potential,AP)的產(chǎn)生對(duì)胰島素分泌也至關(guān)重要[7～8]。資料顯示,胰島素的釋放依賴于β細(xì)胞膜上低親和力葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體內(nèi)流的葡萄糖所引發(fā)的動(dòng)作電位,這是β細(xì)胞的主要電信號(hào),主要由離子通道的協(xié)同激活形成[9～10]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)胞外葡萄糖濃度升高時(shí),葡萄糖的快速攝取和隨后的糖代謝會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ATP增加,ATP/ADP比值的升高使ATP敏感鉀離子通道(ATP-sensitive K+channels,KATP)關(guān)閉,這一關(guān)鍵通道的關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致膜去極化,細(xì)胞興奮性增加,從而進(jìn)一步打開(kāi)電壓門控鈣離子通道(voltage-gated calcium channel,CaV),增加鈣內(nèi)流,使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加,激活存儲(chǔ)胰島素分泌通路信號(hào),促進(jìn)胰島素分泌[11～13]。綜上可知,調(diào)節(jié)離子通道的電活動(dòng)可以調(diào)控胰島素分泌,離子通道與胰島素分泌密切相關(guān)(圖1)。

圖1 胰島素的分泌機(jī)制[11～13]Fig.1 The mechanism of insulin secretion[11～13]

2 離子通道與胰島素分泌

糖尿病是一組以高血糖為特征的代謝性疾病。具有電活性的胰島β細(xì)胞可以通過(guò)分泌胰島素來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)血糖水平,而在胰島素分泌這一過(guò)程中,胰島β細(xì)胞膜上離子通道的活動(dòng)在刺激-分泌耦聯(lián)中具有重要作用[9,11],這提示糖尿病的發(fā)生可能與某些離子通道的功能缺陷有關(guān)。因此,研究胰島β細(xì)胞膜上某些離子通道的特性,有助于人們進(jìn)一步解析糖尿病發(fā)病機(jī)制,從而為糖尿病的精準(zhǔn)治療提供重要參考依據(jù)。

2.1 鈉離子通道對(duì)胰島素分泌的作用

鈉離子通道是選擇性允許Na+跨膜通過(guò)的內(nèi)向離子通道,其功能是維持細(xì)胞膜興奮性及其傳導(dǎo),主要存在于神經(jīng)元、內(nèi)分泌細(xì)胞和肌肉細(xì)胞等興奮性細(xì)胞中。目前發(fā)現(xiàn)的存在于胰島β細(xì)胞中的鈉離子通道主要包括電壓門控鈉離子通道(voltage-gated sodium channel,VGSC)和乙酰膽堿(acetylcholine,Ach)激活的配體門控鈉離子通道[11]。

VGSC在可興奮性細(xì)胞動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)過(guò)程中具有重要作用[14]。關(guān)于VGSC功能的直接報(bào)道首次出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,當(dāng)時(shí)研究人員在RINm5F細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種短暫內(nèi)向Na+電流,其可以被2.5 mg/mL河豚毒素(tetrodotoxin,TTX)阻斷[15]。后來(lái)也有研究證明,TTX可以抑制Na+電流,阻斷葡萄糖依賴性線粒體[Ca2+]i升高、線粒體代謝活性和ATP的產(chǎn)生,進(jìn)而降低葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)[16～17]。目前,雖然很多研究已經(jīng)證明VGSC與胰島素分泌密切相關(guān),但迄今為止,關(guān)于鈉離子通道在胰島素分泌過(guò)程中的具體作用還存在爭(zhēng)議。有研究通過(guò)敲除C57Bl6/J小鼠的Scn1b基因發(fā)現(xiàn),胰島細(xì)胞中NaV1.7輔助β1亞基(Scn1b)的遺傳缺失會(huì)損害GSIS[18]。但另有研究發(fā)現(xiàn),敲除NaV1.3α亞基Scn3a可抑制GSIS,但小鼠的胰島素分泌不受NaV1.7的影響[19]。而Szabat等[20]發(fā)現(xiàn),敲除NaV1.7(Scn9a)可以顯著增加胰島素含量,即胰島素分泌與NaV1.7有關(guān)。此外,有資料顯示,三分之二NaV1.7功能獲得性突變的患者也發(fā)展為糖尿病[21],這表明VGSC的增加可能導(dǎo)致糖尿病表型,但需要進(jìn)一步的研究來(lái)支持這一結(jié)論。

Ach作為迷走神經(jīng)的遞質(zhì),具有增加胰島β細(xì)胞釋放胰島素和增強(qiáng)葡萄糖依賴的電活動(dòng)的作用[22]。陶峰等[22]指出,Ach能通過(guò)毒蕈堿受體1(muscarinic receptor 1,M1)的介導(dǎo)增強(qiáng)β細(xì)胞電活動(dòng),且Ach能激活TTX敏感的鈉通道,發(fā)生Na+內(nèi)流而使膜去極化。另外,有資料顯示,胰島上具有膽堿能神經(jīng)纖維,電刺激迷走神經(jīng)或服用膽堿能藥物可以增強(qiáng)胰島素釋放,在胰島素釋放受到最大葡萄糖刺激的情況下,Ach能使β細(xì)胞去極化,并延長(zhǎng)動(dòng)作電位的重復(fù)放電周期[23～24]。早期,Gagerman等[23]發(fā)現(xiàn),阿托品可以抑制Ach的電效應(yīng),但不能單獨(dú)抑制葡萄糖的電效應(yīng),這提示膽堿能增強(qiáng)胰島素釋放可能是通過(guò)改變跨膜離子通道活性實(shí)現(xiàn)的。后來(lái)有研究表明,Ach可以促進(jìn)胰島中Na+的攝取[24]。這些結(jié)果都提示,胰島素分泌可能與Ach激活的配體門控鈉離子通道有關(guān)。

近年來(lái),我們團(tuán)隊(duì)通過(guò)全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)以及細(xì)胞生物學(xué)方法對(duì)VGSC在胞外血糖調(diào)節(jié)中的作用進(jìn)行了系列研究。首先,以INS-1細(xì)胞(大鼠胰島細(xì)胞瘤細(xì)胞,胰島素分泌機(jī)制研究的常用模式細(xì)胞,對(duì)葡萄糖具有穩(wěn)定的強(qiáng)烈響應(yīng)特性,適合進(jìn)行生化相關(guān)的分子研究,且不會(huì)增加表型漂移的復(fù)雜性[25])為研究對(duì)象,采用胞外不同濃度的血糖刺激研究了VGSC對(duì)胞外葡萄糖水平的響應(yīng)作用,發(fā)現(xiàn)胞外血糖濃度的增加可以明顯抑制VGSC的活性,且這種抑制作用呈濃度依賴性。同時(shí),我們還發(fā)現(xiàn)18 mmol/L葡糖糖部分抑制了VGSC通道活性,但增加了胞內(nèi)胰島素的合成水平,表明在INS-1細(xì)胞中VGSC活性的改變參與了葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過(guò)程[26]?；谏鲜鲅芯?我們團(tuán)隊(duì)還對(duì)馬齒莧多糖(polysaccharide isolated from Portulaca oleracea L.,POP)基于VGSC調(diào)控INS-1細(xì)胞胰島素分泌的作用進(jìn)行了研究[27～28]。結(jié)果顯示,POP在部分降低VGSC活性的同時(shí),可以明顯提高INS-1細(xì)胞的存活率,促進(jìn)胰島素的合成[27]。目前,針對(duì)VGSC參于血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的爭(zhēng)議主要集中在其活性的改變與胰島素合成分泌的內(nèi)在關(guān)系。有的研究發(fā)現(xiàn),VGSC活性的增加可以促進(jìn)胰島細(xì)胞胰島素的分泌,從而發(fā)揮胞外血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的作用[29],而我們團(tuán)隊(duì)的上述研究卻明確提示,VGSC參與胰島細(xì)胞血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)活動(dòng)與其通道活性的部分抑制密切相關(guān),而且,我們的這一觀點(diǎn)也得到了相關(guān)研究[30]的支持。針對(duì)上述爭(zhēng)議,我們分析可能與以下兩點(diǎn)因素有關(guān):第一,VGSC活性的改變對(duì)細(xì)胞活性狀態(tài)的影響。已有研究發(fā)現(xiàn),VGSC活性的過(guò)度激活,導(dǎo)致細(xì)胞持續(xù)去極化或過(guò)度去極化,從而給細(xì)胞的健康帶來(lái)負(fù)面影響,并最終影響細(xì)胞的胰島素合成與分泌能力[15,30]。因此,適度降低VGSC活性有助于促進(jìn)血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)活動(dòng),很有可能與細(xì)胞健康狀態(tài)的改善相關(guān);第二,VGSC活性的改變與血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)活動(dòng)之間存在其他調(diào)控路徑的復(fù)雜影響。例如:VGSC特異性抑制劑TTX可以抑制線粒體中的胰島素分泌,阻斷葡萄糖依賴性線粒體Ca2+濃度的升高以及線粒體代謝活性和ATP的產(chǎn)生,而線粒體的代謝活性和ATP的產(chǎn)生對(duì)于細(xì)胞膜與線粒體之間的功能互作至關(guān)重要,同時(shí)這些相互作用涉及與β細(xì)胞中胰島素分泌相關(guān)的Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)[16]。這也提示我們,VGSC還可通過(guò)細(xì)胞間Ca2+釋放調(diào)節(jié)胰島素分泌,改變線粒體能量代謝。而我們也通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),POP在部分抑制VGSC活性的同時(shí),可以提高INS-1細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度和線粒體膜電位,引起細(xì)胞膜去極化,促進(jìn)ATP的合成和胰島素分泌[28]。除此之外,我們還發(fā)現(xiàn)POP可以通過(guò)調(diào)控NaV1.3和NaV1.7蛋白的表達(dá),調(diào)節(jié)INS-1細(xì)胞胰島素的分泌與合成[28]。當(dāng)然,要確切闡明VGSC參于血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的具體機(jī)制,開(kāi)展針對(duì)性的離子通道電生理研究與分子生物學(xué)研究還是很有必要的。

2.2 鉀離子通道對(duì)胰島素分泌的調(diào)控

鉀離子通道是選擇性允許K+跨膜通過(guò)的外向離子通道,是目前發(fā)現(xiàn)的離子通道中種類最多、存在最廣泛且作用最復(fù)雜的一類離子通道,其與多種生命活動(dòng)密切相關(guān),因此在胰島素的內(nèi)分泌調(diào)控研究中,關(guān)于鉀離子通道的研究相對(duì)較多,且爭(zhēng)議也相對(duì)較少。大量研究已經(jīng)表明,胰腺β細(xì)胞中鉀離子通道在胰島素分泌中起著關(guān)鍵作用[1,8,31～45],其中KATP、電壓門控鉀離子通道(voltage-gated K+channels,KV)以及鈣激活的鉀離子通道(Ca2+-activated K+channels,KCa)是參與胰島素分泌的幾個(gè)主要離子通道[15]。

KATP存在于包括大腦、胰腺、平滑肌和骨骼肌在內(nèi)的多種組織中,被認(rèn)為是一種代謝傳感器,通過(guò)控制細(xì)胞膜電位將細(xì)胞代謝與電活動(dòng)聯(lián)系起來(lái),是胰腺β細(xì)胞中刺激-分泌耦聯(lián)的重要組成部分,其介導(dǎo)的K+外流在維持低血糖水平下β細(xì)胞的靜息電位中起著重要作用,且此時(shí)胰島素分泌只發(fā)生在基礎(chǔ)水平[5,8]。Alexander等[31]首次描述了KATP通道,該通道對(duì)鉀具有高度選擇性,可以通過(guò)響應(yīng)血漿葡萄糖水平的波動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)胰島素分泌,因此是葡萄糖穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)器。有研究表明,KATP通道由內(nèi)向整流Kir6和磺酰脲受體(sulfonylurea receptor,SUR)組成,其中,SUR1受體負(fù)責(zé)核苷酸結(jié)合和核苷酸結(jié)合折疊的水解,Kir6.2亞基負(fù)責(zé)孔的形成和離子選擇性。大量資料顯示,KATP通道活性抑制劑——磺酰脲類降糖藥(sulphonylureas,SU)就是通過(guò)與SUR受體或Kir6.2亞基相互作用而發(fā)揮作用[32～33]。Koster等[34]研究發(fā)現(xiàn),在小鼠中過(guò)度表達(dá)ATP不敏感的Kir6.2會(huì)導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)糖尿病癥狀;在新生兒糖尿病患者中,Kir6.2和SUR1基因存在突變。另外,有資料顯示,Kir6.2的E23K變異與口服葡萄糖耐量試驗(yàn)(oral glucose tolerance test,OGTT)后血清胰島素反應(yīng)受損和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)[35]。除此之外,研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP比值影響KATP通道活性,血糖濃度升高會(huì)影響代謝活動(dòng),使細(xì)胞內(nèi)ATP增加,由此產(chǎn)生的ATP/ADP比值升高會(huì)使KATP通道關(guān)閉,進(jìn)而導(dǎo)致膜去極化,促進(jìn)細(xì)胞電活動(dòng)增加,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)Ca2+增加,引起胰島素分泌,而在該通道開(kāi)放情況下,β細(xì)胞會(huì)發(fā)生超極化,使胰島素分泌受到抑制,所以,KATP通道對(duì)ATP/ADP升高的反應(yīng)性降低會(huì)導(dǎo)致胰島素分泌減少和糖尿病[1,34,36]。

KV是受電壓調(diào)節(jié)的離子通道,是動(dòng)作電位復(fù)極化、鈣離子通道關(guān)閉和限制胰島素分泌的潛在介質(zhì)[37]。有資料顯示,KV的循環(huán)激活產(chǎn)生向外的“延遲整流”鉀電流,鉀電流驅(qū)動(dòng)每個(gè)脈沖的復(fù)極化階段,這種復(fù)極化會(huì)使β細(xì)胞CaV關(guān)閉,從而阻斷β細(xì)胞CaV所觸發(fā)的胰島素分泌[38～39]。胰腺β細(xì)胞中有許多不同的KV通道亞基,如:KV1.4、KV1.6、KV2.1和KV3.2[39],其中KV2.1是哺乳動(dòng)物β細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的延遲整流電流的主要組成部分,其促進(jìn)β細(xì)胞去極化誘導(dǎo)的胰島素胞吐作用,并且在β細(xì)胞胰島素分泌爆發(fā)期間參與了空腹血糖的維持[39～41]。研究顯示,敲除KV2.1基因會(huì)使KV電流降低,動(dòng)作電位的持續(xù)時(shí)間增加,且在響應(yīng)葡萄糖刺激時(shí)胰島β細(xì)胞能分泌更多胰島素[41]。另有研究報(bào)道,編碼KV1.7的基因位于19號(hào)染色體(19q13.3)上的一個(gè)區(qū)域,該區(qū)域具有一個(gè)糖尿病易感性位點(diǎn)。Finol-Urdaneta等[39]發(fā)現(xiàn)conkunitzin-S1可通過(guò)降低KV1.7介導(dǎo)的β細(xì)胞延遲整流電流來(lái)增加GSIS,從而增加動(dòng)作電位放電和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的游離鈣。其他表達(dá)并調(diào)控人類β細(xì)胞功能的KV通道還包括HERG通道及編碼KV11.1和KV11.2的相關(guān)基因[21]。KV11.1功能缺失會(huì)導(dǎo)致胰島素分泌增加和低血糖[42],而且,編碼KV11.2的KCNH6基因的功能缺失會(huì)導(dǎo)致青年成熟型糖尿病[43]。上述成果均為基于KV通道治療糖尿病的研究提供了可能性。

KCa是同時(shí)受Ca2+濃度和膜電壓調(diào)節(jié)的離子通道,其響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的升高而激活,可以調(diào)節(jié)細(xì)胞膜電位與細(xì)胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流的關(guān)系,而Ca2+內(nèi)流是囊泡胞吐的主要決定因素[44]。KCa通道按照其電導(dǎo)大小分為小電導(dǎo)鈣激活的鉀離子通道(small-conductance Ca2+-activated K+channel,SK)和大電導(dǎo)鈣激活的鉀離子通道(large-conductance Ca2+-activated K+channel,BK),其中BK通道在調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)新陳代謝和Ca2+的平衡中發(fā)揮了重要作用。Braun等[17]研究發(fā)現(xiàn),阻斷BK通道可使動(dòng)作電位振幅增加70%,促進(jìn)胰島素分泌,且膜復(fù)極化過(guò)程需要BK通道參與。隨后,也有研究發(fā)現(xiàn),阻斷BK通道可使流入β細(xì)胞的Ca2+和GSIS增加[45]。以上這些研究都說(shuō)明,胰島素分泌與KCa通道有關(guān)。

2.3 鈣離子通道對(duì)胰島素分泌的調(diào)控

鈣離子通道是Ca2+在細(xì)胞內(nèi)外以及細(xì)胞器和細(xì)胞質(zhì)之間流動(dòng)的蛋白質(zhì)復(fù)合體[36]。它存在于機(jī)體各種組織細(xì)胞中,是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的主要途徑。一般認(rèn)為,膜上主要存在兩類鈣離子通道,即CaV和受體激活的鈣通道。大量研究已經(jīng)表明,CaV與胰島素分泌有密切關(guān)系[46～51]。

CaV是可興奮細(xì)胞參與多種生理功能所必需的,包括遞質(zhì)釋放和激素分泌、興奮-轉(zhuǎn)錄耦合和興奮-收縮耦合[46],也是β細(xì)胞外鈣內(nèi)流的主要通道[7],在胰島β細(xì)胞維持血糖穩(wěn)態(tài)這一過(guò)程中具有重要作用。葡萄糖誘發(fā)的胰島素分泌需要細(xì)胞外Ca2+的存在,Ca2+通過(guò)CaV通道流入胞內(nèi)觸發(fā)胰島素分泌,是該通道調(diào)節(jié)胰島β細(xì)胞分泌胰島素的一個(gè)重要途徑[17]。根據(jù)電生理學(xué)特點(diǎn),CaV通道主要包括L、P/Q、N、R和T等幾種分型,可能所有類型的CaV通道都參與了胰島素分泌的調(diào)節(jié)[38],但L型CaV通道是觸發(fā)胰島素分泌所必需的[7,47]。已有資料顯示,刺激胰島素分泌所需的Ca2+濃度的持久變化只能通過(guò)緩慢失活的L型Ca2+通道實(shí)現(xiàn),而不能通過(guò)快速失活的T型Ca2+通道實(shí)現(xiàn),且在人β細(xì)胞中,阻斷L型Ca2+通道可完全抑制葡萄糖誘導(dǎo)的動(dòng)作電位和胰島素分泌[46]。另外,作為一種旁神經(jīng)元,β細(xì)胞具有多種CaV通道,主要包括CaV1、CaV2和CaV3[48],但在Ca2+觸發(fā)的胰島素分泌過(guò)程中,CaV1通道亞型起主要作用[39]。位于β細(xì)胞上的CaV1通道有兩種亞型,即CaV1.2和CaV1.3[48]。研究發(fā)現(xiàn),缺乏CaV1.2亞型的小鼠β細(xì)胞CaV通道會(huì)使電流降低且胰島素分泌減少,從而使機(jī)體出現(xiàn)糖耐量受損現(xiàn)象[49]。Yang等[50]通過(guò)對(duì)CaV1通道敲除的小鼠胰腺β細(xì)胞進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),CaV1.2和CaV1.3通道的超極化能使全細(xì)胞的CaV通道電流加強(qiáng),CaV通道的開(kāi)放率和通道數(shù)量增加,且增加胰島素分泌。另有研究報(bào)道,Tdp-43(TARDBP編碼的TAR DNA結(jié)合蛋白43 kD)缺失通過(guò)下調(diào)CaV1.2通道來(lái)抑制胞吐,從而減少M(fèi)IN6細(xì)胞和TARDBP基因敲除小鼠的早期胰島素分泌;過(guò)表達(dá)CaV1.2通道可使TARDBP基因敲除的MIN6細(xì)胞恢復(fù)早期胰島素分泌[51]。此外,有研究證明CaV的功能獲得性突變會(huì)導(dǎo)致高胰島素血癥和低血糖癥。例如:與Timothy相關(guān)的CaV1.2通道的功能獲得性突變會(huì)導(dǎo)致間歇性低血糖,這可能是胰島素分泌增強(qiáng)所致[52];CaV1.3通道的功能獲得性突變會(huì)導(dǎo)致高胰島素血癥和低血糖[53]。由于增強(qiáng)的CaV激活會(huì)導(dǎo)致胰島素分泌增加,所以可以預(yù)測(cè)CaV活性降低會(huì)減少胰島素分泌并導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生[21]。以上這些結(jié)果無(wú)疑都表明,胰島素的分泌與CaV1.2通道和CaV1.3通道有著密切關(guān)系,所以CaV1.2通道和CaV1.3通道可能可以作為潛在的治療糖尿病的靶點(diǎn)。

2.4 鈉鉀鈣三種離子通道相互作用對(duì)胰島素分泌的調(diào)控

胰島β細(xì)胞功能的發(fā)揮和存活依賴于一系列離子事件組成的復(fù)雜電信號(hào)系統(tǒng),即Na+、K+、Ca2+等離子的跨細(xì)胞膜活動(dòng),這些電信號(hào)系統(tǒng)可以對(duì)β細(xì)胞的多種活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控,尤其是GSIS[38]。而在調(diào)控胰島素分泌過(guò)程中鈉離子通道、鉀離子通道和鈣離子通道之間是互相作用的。

胰島素分泌是由Ca2+依賴的動(dòng)作電位爆發(fā)引起的,而β細(xì)胞電活動(dòng)的目標(biāo)是生成啟動(dòng)胰島素分泌的信號(hào),即細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加[54]。在血漿葡萄糖水平升高的情況下,葡萄糖的攝取、β細(xì)胞的代謝被啟動(dòng),并導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)核苷酸濃度變化,從而使KATP通道關(guān)閉,抑制K+外流,引起細(xì)胞膜緩慢去極化[55]。當(dāng)去極化進(jìn)行到某一臨界值,即達(dá)到細(xì)胞膜的閾電位時(shí),鈉離子通道和鈣離子通道開(kāi)放,胞外的Na+、Ca2+內(nèi)流,使細(xì)胞膜進(jìn)一步去極化,從而刺激胰島β細(xì)胞分泌胰島素。之后,KV通道開(kāi)放,產(chǎn)生緩慢激活的K+電流,并以此參與細(xì)胞膜復(fù)極化階段,復(fù)極化使CaV通道關(guān)閉,阻斷CaV通道介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流及其所誘發(fā)的胰島素分泌作用[37,39](圖2)。另外,當(dāng)血糖水平降低時(shí),代謝被抑制,KATP通道打開(kāi),開(kāi)放的KATP通道通過(guò)調(diào)節(jié)葡萄糖濃度和K+外排,維持β細(xì)胞膜的負(fù)電位,而這個(gè)負(fù)電位會(huì)導(dǎo)致CaV通道關(guān)閉,從而抑制β細(xì)胞的電活動(dòng)和胰島素分泌作用[1,54]。由此可見(jiàn),胰島β細(xì)胞膜上Na+、K+、Ca2+等離子通道之間的相互影響、相互作用在胞外血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。

圖2 鈉鉀鈣3種離子通道相互作用對(duì)胰島素分泌的調(diào)控[36～37,39,55]Fig.2 Regulation of insulin secretion by interaction between ion channels[36～37,39,55]

3 離子通道藥物在糖尿病臨床治療中的應(yīng)用

離子通道是一種膜蛋白,參與了細(xì)胞眾多的生理功能和病理過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn),多種疾病與離子通道的突變或功能障礙有關(guān),因此,離子通道是多種疾病的重要治療靶點(diǎn)。迄今為止,有1 300多種藥物被批準(zhǔn)用于治療不同類型的疾病,其中13.4%(170～180種)的藥物靶向于離子通道[1]。鑒于離子通道與胰島素的分泌密切相關(guān),很多離子通道抑制劑[32～33,56～60](表1)在糖尿病的臨床治療中發(fā)揮著不可或缺的作用。

表1 可用于糖尿病治療的離子通道抑制劑及其潛在的藥物靶點(diǎn)Table 1 Ion channel inhibitors for the treatment of diabetes and their potential drug targets

目前,雖已有大量研究證實(shí),鈉鉀鈣3種離子通道均與胰島素分泌密切相關(guān),但在糖尿病臨床治療上所使用的藥物主要是針對(duì)鉀離子通道不同亞型的一些離子通道抑制劑,其中應(yīng)用較為廣泛的是SU。SU是臨床應(yīng)用最早、最廣泛,種類最多的口服降糖藥。SU用于通過(guò)飲食、鍛煉控制無(wú)效,且身體消瘦的2型糖尿病患者。該類藥物主要通過(guò)KATP通道發(fā)揮降糖作用,即KATP通道上的一個(gè)特定位置被SU占據(jù),導(dǎo)致KATP通道關(guān)閉,隨后鈣離子通道打開(kāi),胞內(nèi)Ca2+濃度增加,觸發(fā)胰島素分泌[61～62]。該類藥物有一個(gè)共同的分子結(jié)構(gòu)R1-SO4NHCONH-R2,其中R1和R2被不同的基團(tuán)取代,構(gòu)成不同的降糖藥物[63]。第一代SU(如甲苯磺丁脲、氯黃丙脲)副作用較大,已很少使用,目前臨床上常用的SU為二代和三代,如第二代的格列本脲、格列齊特、格列吡嗪、格列喹酮以及第三代的格列美脲。除刺激胰島細(xì)胞釋放胰島素外,磺酰脲類藥物還可以降低肝胰島素清除率,減少胰高血糖素分泌,增強(qiáng)外周組織對(duì)胰島素的敏感性[62,64]。需要指出的是,該類藥物的安全性和臨床實(shí)用性仍需要關(guān)注,特別是該類藥物使用所帶來(lái)的一些潛在副作用(如低血糖、體重增加、心血管風(fēng)險(xiǎn))[61]。

除上述藥物之外,天然產(chǎn)物也是離子通道調(diào)節(jié)劑的重要來(lái)源。目前,已有資料顯示,天然產(chǎn)物及其活性成分(多糖類、黃酮類、生物堿類、苷類等)在治療糖尿病方面有顯著的療效且副作用小,其作用機(jī)制與多種因素有關(guān),其中包括調(diào)控胰島β細(xì)胞膜上的離子通道[36]。有研究發(fā)現(xiàn),文多靈(vindoline,長(zhǎng)春花生物堿)可以通過(guò)抑制KV2.1通道,降低電壓依賴性外向鉀電流,促進(jìn)胰島素分泌,并且其在抑制KV2.1后,可以使β細(xì)胞免受細(xì)胞因子誘導(dǎo)的凋亡[65];京尼平苷(geniposide,梔子提取物)不僅作用于KV通道,而且可以激活CaV通道,增強(qiáng)向內(nèi)的Ca2+電流密度,促進(jìn)胰島素分泌[66]。相信,隨著離子通道對(duì)胰島素分泌調(diào)控機(jī)制研究的不斷深入,未來(lái)可供臨床選擇的以離子通道為靶點(diǎn)的降糖藥物會(huì)越來(lái)越多。

4 小結(jié)與展望

胰島β細(xì)胞的主要生理功能是分泌胰島素,在維持體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用,而其在釋放胰島素過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列離子活動(dòng),即Na+、K+、Ca2+等離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。由上所述可知,鉀離子通道和鈣離子通道是β細(xì)胞膜上最活躍的離子通道,也是研究較為深入的離子通道。研究表明,KATP通道介導(dǎo)的K+外流對(duì)維持細(xì)胞的靜息膜電位以及β細(xì)胞低水平興奮性具有重要作用;CaV介導(dǎo)的外鈣內(nèi)流能直接刺激胰島素分泌顆粒的運(yùn)輸和胞外分泌,是調(diào)節(jié)β細(xì)胞分泌胰島素的重要途徑;而KV通道可以在去極化后緩慢激活并產(chǎn)生向外的“延遲整流”鉀電流,介導(dǎo)動(dòng)作電位的復(fù)極化階段,從而抑制胰島素的分泌。目前,針對(duì)鉀通道、鈣通道的研究已經(jīng)較為明朗,但鈉離子通道的作用還具有爭(zhēng)議性。雖然我們團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果已經(jīng)表明鈉離子通道活性的改變?cè)谝葝u素分泌過(guò)程中同樣發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用,但具體調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步確定,所以接下來(lái)我們將繼續(xù)借助膜片鉗技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)等手段,在已有研究的基礎(chǔ)上,對(duì) VGSC 以及 Na+、K+、Ca2+等離子通道參與機(jī)體血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入研究。相信,人們對(duì)離子通道在調(diào)控胰島素分泌方面的深入研究,將有助于進(jìn)一步解析糖尿病的發(fā)病機(jī)制,最終為糖尿病的精準(zhǔn)治療提供理論依據(jù)。