細胞焦亡及其在糖尿病神經病變中的作用研究進展

劉亞娟，吳小芬，魏紅紅，羅曉紅

1 甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，蘭州 730000；2 中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四〇醫(yī)院內分泌科

糖尿病神經病變（DN）是糖尿病常見的慢性并發(fā)癥之一，由于長期慢性高血糖引起體內代謝紊亂，微循環(huán)障礙造成缺血、缺氧而逐漸發(fā)生的神經系統(tǒng)病變。DN的病因及發(fā)病機制目前尚未完全明確，研究認為可能與長期高血糖、氧化應激、炎癥反應、微血管病變、胰島素信號通路異常等因素相關［1］。細胞焦亡是一種新發(fā)現(xiàn)的細胞程序性死亡形式，其主要依賴于半胱氨酸蛋白酶（Caspase）和消皮素D（GSDMD）蛋白家族，被激活的Caspase 切割GSDMD蛋白，釋放其氮端結構域形成細胞膜孔，使細胞滲透壓發(fā)生變化，表現(xiàn)為細胞不斷脹大直至細胞膜破裂，導致細胞內容物的釋放，進而引起強烈的炎癥反應。研究結果表明，細胞焦亡在DN 中扮演重要角色［2-3］。本文對細胞焦亡在DN 中的調控作用進行綜述，為DN的治療提供理論依據(jù)。

1 細胞焦亡

細胞焦亡又稱細胞炎性壞死，表現(xiàn)為細胞不斷腫脹至細胞膜破裂，細胞內容物釋放，進而引起強烈的炎癥反應。細胞焦亡是一種重要的天然免疫反應，在抗感染中發(fā)揮重要作用。細胞焦亡的發(fā)生可分為Caspase-1 依賴和非Caspase-1 依賴兩種方式。依賴于Caspase-1 的細胞死亡方式稱為經典途徑細胞焦亡；而非Caspase-1依賴的細胞死亡方式則由人類的Caspase-4 和Caspase-5 或小鼠的Caspase-11 誘導，稱為非經典途徑細胞焦亡。

在經典途徑中，在病原體、細菌等信號刺激下，細胞內的模式識別受體識別這些信號，通過銜接蛋白ASC 與Caspase-1 前體結合，激活Caspase-1［4］，活化的Caspase-1，一方面切割GSDMD，形成GSDMD氮端和碳端，活性氮端在細胞膜上聚集并與脂質結合形成大量直徑為10～21 nm 的孔隙，破壞細胞內的滲透壓，使細胞腫脹并最終溶解，誘導焦亡發(fā)生［5-6］；另一方面促進IL-1β、IL-18成熟并釋放到細胞外，引起炎癥反應。非經典途徑則不依賴Caspase-1，Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11 通過Caspase 募集結構域直接與細菌脂多糖等接觸，在胞內形成的大分子蛋白復合體發(fā)生寡聚而活化，直接切割GSDMD導致細胞焦亡［7］。Caspase-4、Caspase-5、Caspase-11也可使成熟的IL-1β 和IL-18分泌［8］，但此機制不明，可能與GSDMD 導致孔隙形成后觸發(fā)P2X7R 膜通道，促使K+外流，激活NLRP3 炎癥小體有關［9］，間接觸發(fā)IL-1β 和IL-18 釋放，隨后通過誘導多種其他促炎細胞因子和黏附分子的表達來加重炎癥。

炎癥因子和炎癥反應是DN 發(fā)生發(fā)展的重要機制，而在細胞焦亡過程中細胞膜穿孔、膨脹破裂，導致炎癥因子IL-1β 和IL-18 釋放，進一步促進了炎癥效應。因此細胞焦亡很可能是調節(jié)DN 的潛在作用靶點。

2 細胞焦亡在神經病變中的調節(jié)作用

細胞焦亡是調節(jié)體內平衡的一把雙刃劍。一方面，它有助于保護多細胞生物免受細菌感染；另一方面，過度的細胞焦亡也可能導致慢性炎癥［10］。研究發(fā)現(xiàn)，過度細胞焦亡可導致質膜破裂以及促炎細胞因子和趨化因子的釋放，如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、IL-1β、IL-6，從而導致神經炎癥［11］，進而引發(fā)神經病變后的一系列繼發(fā)性損傷。促炎因子釋放和過氧化物分泌過量引起的持續(xù)性炎癥也是DN 的重要病理機制，而細胞焦亡恰好是一種炎癥介導的程序性細胞死亡方式。研究表明，高血糖可引發(fā)Caspase-4、Caspase-11 和GSDMD 依賴性細胞焦亡，導致糖尿病腎病期間足細胞丟失［12］。因此推測細胞焦亡也可能是DN 的一個重要調控靶點及發(fā)生發(fā)展的關鍵因素，關于神經病變過程中細胞焦亡的調控機制概括如下。

2.1 線粒體功能障礙 線粒體在維持體內細胞穩(wěn)態(tài)中具有重要作用。當線粒體功能障礙時，可產生大量的活性氧（ROS）。ROS 被認為是炎癥反應的關鍵調控因子，在神經系統(tǒng)疾病中顯著促進NLRP3 炎癥小體的激活［13］。有研究表明，松果菊苷可顯著降低ROS 水平，升高線粒體膜電位，阻斷核因子（NF-κB）的激活，從而抑制NLRP3炎癥小體的激活，促進脊髓損傷（SCI）后大鼠運動功能的恢復［14］。而糖尿病相關的高血糖、高胰島素血癥和胰島素抵抗導致線粒體損傷，ROS產生過多，最終導致細胞氧化還原失衡，也是DN 重要的發(fā)病機制［15］。過量的ROS 可能導致硫氧還蛋白相互作用蛋白（TXNIP）與硫氧化還原蛋白解離，然后TXNIP 與NLRP3 結合，形成一個活躍的炎癥小體復合體［16］；而TXNIP 過表達誘導損傷脊髓中NLRP3 炎癥小體的激活，并激發(fā)依賴于焦亡的神經元細胞死亡。有研究發(fā)現(xiàn)，馬錢素通過抑制DPN 中的氧化應激和NF-κB-P2X7RTNXIP 信號通路，抑制NLRP3 炎癥小體的形成和激活，從而減少細胞焦亡［17］。以上研究表明，線粒體功能障礙產生過量的ROS 是糖尿病神經損傷的重要機制。因此，通過改善線粒體功能和抑制氧化應激減少細胞焦亡對神經損傷的恢復以及神經細胞的存活具有重要意義。

2.2 星形膠質細胞的激活 星形膠質細胞是腦內分布最廣泛的一種細胞，在神經系統(tǒng)炎癥中有重要作用。神經細胞受損后，星形膠質細胞肥大、增生并延伸至嚴重損傷部位，參與致密星形膠質細胞瘢痕的形成［18］。因此維持星形膠質細胞的正常功能在損傷后神經功能的修復中具有重要作用。反應性星形膠質細胞可產生大量的促炎因子而加重炎癥反應，其中發(fā)現(xiàn)的有NLRP1、NLRP3、NLRP6和NLRC4等炎癥小體［19］。既往研究表明，星形膠質細胞中NLRP1炎癥小體的過度激活與SCI 恢復困難和血栓栓塞性卒中密切相關。最近有研究發(fā)現(xiàn)，在氧糖剝奪/復氧損傷模型下，星形膠質細胞中NLRP6 的表達顯著增加，導致神經細胞過度炎癥反應和焦亡［20］；而長期慢性高血糖可激活星形膠質細胞，使得正常神經細胞生長受到干擾，并誘導炎癥小體激活［21］。以上研究結果提示星形膠質細胞的激活可能是糖尿病導致神經系統(tǒng)細胞焦亡的一個重要靶點，抑制星形膠質細胞激活可作為DN 的潛在治療方案進一步探索。

2.3 小膠質細胞的激活 小膠質細胞是神經膠質細胞的一種，作為在中樞神經系統(tǒng)的免疫效應細胞，小膠質細胞及其介導的神經炎癥在中樞神經系統(tǒng)的損傷及疾病轉歸過程中起重要作用。既往研究表明，小膠質細胞激活可在感染性神經損傷、急性中樞神經系統(tǒng)損傷和神經退行性疾病期間啟動和維持炎癥反應。小膠質細胞的過度激活促進TNF-α、IL-1β、L-18、IL-6、ROS 和一氧化氮等細胞毒性因子的產生，導致神經炎癥、氧化應激和神經元功能障礙［22］。研究發(fā)現(xiàn)，SCI 后小膠質細胞被激活，受損傷脊髓中分泌的促炎因子（TNF-α和IL-6）和M1表型標記蛋白顯著增加［23］；而高血糖可激活NF-κB，增加脊髓損傷區(qū)周圍小膠質細胞的炎癥反應，加重糖尿病小鼠SCI后的繼發(fā)性損傷。此外，高血糖還可激活NLRP3 炎癥小體，觸發(fā)視網膜小膠質細胞焦亡，導致糖尿病視網膜病變［24］。因此，小膠質細胞的過度激活是DN細胞焦亡的重要調控機制，因此抑制小膠質細胞的激活對改善神經元細胞焦亡和保護神經元具有積極作用，可能是DN過程中過度焦亡的重要途徑。

2.4 離子穩(wěn)態(tài)失衡 細胞內離子穩(wěn)態(tài)失衡與細胞焦亡有一定關系。有研究表明K+外流參與炎癥小體的激活［25］。P2X7R 是一種由鉀離子為載體和三磷酸腺苷介導的配體門控離子通道，可通過K+外流和Ca2+內流來激活炎癥小體的組裝，隨后激活Caspase-1 并放大促炎信號［26］。在糖尿病小鼠牙周炎模型和細菌脂多糖刺激的巨噬細胞模型中發(fā)現(xiàn)，過表達的P2X7R 通過K+外流增加細胞膜的通透性，從而增加細胞發(fā)生焦亡的可能性［27］。此外，P2X7R/NLRP1/Caspase-1也是糖尿病患者受損神經元炎癥級聯(lián)反應的重要通路之一。在糖尿病患者海馬神經元損傷的研究結果顯示，抑制P2X7R/NLRP1/Caspase-1通路可減輕神經細胞損傷［28］。因此，P2X7R 離子通道可能是調節(jié)DN 細胞焦亡的潛在靶點，有待進一步深入研究。

2.5 細胞自噬 細胞自噬在細胞焦亡過程中也具有重要作用。自噬與細胞焦亡在糖尿病相關并發(fā)癥中的作用也受到越來越多的關注。在正常生物體中，自噬通過清除損傷線粒體而抑制IL-1β、IL-18的成熟和分泌，減少細胞焦亡的發(fā)生發(fā)展。有研究表明，二甲雙胍可激活腺苷酸激活蛋白激酶/自噬，抑制NLRP3 炎癥小體的激活而減少細胞焦亡，從而對糖尿病性心肌病發(fā)揮心臟保護和抗炎作用［29］。此外，亞低溫可通過增強糖尿病腦缺血后的自噬來抑制細胞焦亡，從而減輕腦損傷［30］。因此，自噬也可能是DN 的一個重要調控機制，但在神經病變過程中減少細胞焦亡的分子機制尚未明確，仍需深入研究。

以上研究結果提示，線粒體、神經細胞、離子通道和細胞自噬均參與調節(jié)神經病變過程中的細胞焦亡，這是一個非常復雜的過程，彼此相互作用共同導致細胞焦亡的發(fā)生。例如離子通道破壞和線粒體損傷均可促進氧化應激，而離子通道的破壞可通過促進線粒體功能障礙，直接激活細胞焦亡，都不利于DN患者神經損傷的修復。此外，小膠質細胞和星形膠質細胞中過度的炎癥反應是細胞焦亡發(fā)生的最終原因。因此，在DN 的治療中要綜合評估各方面因素，全方面抑制細胞焦亡的發(fā)生和發(fā)展。

3 細胞焦亡在DN中的作用

糖尿病可導致多種神經系統(tǒng)疾病，如糖尿病周圍神經病變、糖尿病性腦病、糖尿病胃腸神經病變等。有數(shù)據(jù)顯示，在診斷為糖尿病時，約10%的患有DN，而約50%的糖尿病患者在疾病進展的10 年內發(fā)展為DN［31］。DN的發(fā)生是多種代謝因素共同作用的結果，包括長期高血糖、氧化應激、慢性炎癥、線粒體功能障礙及胰島素缺乏或抵抗引起的胰島素信號通路異常等。近年來的研究結果表明，細胞焦亡在DN 中也扮演重要角色，以下將細胞焦亡在DN 中的作用進行總結。

3.1 糖尿病周圍神經病變（DPN） DPN 是最常見的糖尿病慢性并發(fā)癥，也是糖尿病足潰瘍發(fā)展的主要危險因素，嚴重者可導致下肢截肢。在DPN 中，高糖誘導的ROS 過度產生是公認的DPN 發(fā)病機制，這主要與高血糖引起的周圍神經炎癥和損傷，導致神經傳導速度減慢，過度釋放ROS 有關。在DPN 發(fā)展過程中，Loganin可通過減少細胞內ROS的產生和抑制NF-κB 及NLRP3 炎癥小體的激活而減少雪旺細胞的焦亡［17］。此外，成纖維細胞生長因子（FGF）也被發(fā)現(xiàn)具有抗細胞焦亡的特性，尤其是FGF21［32］。這些研究表明，細胞焦亡參與DPN 的發(fā)生發(fā)展，抑制ROS 產生和NLRP3 炎癥小體的活性是治療DPN的重要治療方法。然而，在DPN 治療中，細胞焦亡的潛在靶點仍有待進一步探索。

3.2 糖尿病性腦?。―E） 近年來，糖尿病引起的腦損傷受到越來越多的關注。糖尿病可加重腦損傷后的炎癥反應，表現(xiàn)為神經退行性變、腦梗死和進行性認知功能下降［33］。有研究表明，小膠質細胞的激活可產生大量的促炎細胞因子，導致神經元壞死和凋亡，從而加重糖尿病腦缺血/再灌注損傷。進一步研究發(fā)現(xiàn)，長鏈非編碼RNA-Fendrr 在糖尿病腦缺血/再灌注模型和高糖或缺氧/復氧處理的小膠質細胞中高表達，通過E3 泛素連接酶保護NLRC4 蛋白的泛素化和降解，增加小膠質細胞的焦亡，加重糖尿病腦缺血/再灌注損傷［34］；而NLRP3 特異性抑制劑MCC950 可改善糖尿病小鼠的腦缺血/再灌注損傷，提高糖尿病缺血性腦卒中小鼠的存活率［35］。DE 是個極其復雜的過程，細胞焦亡在各種腦病中的具體作用有待進一步探討；但可以肯定的是，NLRP3 是DE 發(fā)生的重要因素。因此，靶向炎癥小體特別是NLRP3 很可能是DE 治療的重要策略，可選擇NLRP3抑制劑來進一步探索其在DE中的作用。

3.3 糖尿病合并SCI SCI 主要表現(xiàn)為損傷節(jié)段以下區(qū)域出現(xiàn)嚴重的運動功能障礙。已有研究表明，NF-κB 通路在SCI 后被觸發(fā)，并激活NLRP3 炎癥小體。進一步研究發(fā)現(xiàn)，SCI增強了SCI后細胞焦亡相關蛋白標記物（GSDMD、Caspase-1、Caspase-11）和炎癥介質（IL-1β、IL-18）的表達，表明細胞焦亡在SCI中發(fā)揮重要作用［3］。糖尿病合并SCI 的特點是恢復能力差且病死率高，高血糖可促進SCI 后神經元功能的進行性損傷。關于糖尿病合并SCI 細胞焦亡的研究較少，但有研究結果顯示，高血糖通過激活NFκB 促進小膠質細胞的炎癥反應，加重繼發(fā)性損傷，從而抑制SCI 后的恢復［36］。以上研究結果表明，細胞焦亡在糖尿病合并SCI 中具有重要作用，但具體調控機制仍需進一步研究。

3.4 糖尿病胃腸神經病變（DGID） DGID 是糖尿病常見并發(fā)癥之一，主要由于糖尿病患者長期血糖控制不良，引起胃腸神經發(fā)生功能性改變的情況。在一項給小鼠高脂飲食的研究中發(fā)現(xiàn)，Caspase-11依賴的細胞焦亡可導致小鼠腸神經細胞丟失，使其結腸運輸延遲和舒張反應減少［37］；且肥胖受試者肌腸神經節(jié)中Caspase-1 的分裂水平高于正常體質量受試者。細胞焦亡在糖尿病胃腸神經病變中的相關研究較少，具體調控機制仍需進一步探索。

細胞焦亡作為一種與炎癥相關的細胞程序性死亡方式，在DN 中的作用受到越來越多研究者的關注。目前的研究表明，線粒體、神經細胞、離子通道和細胞自噬均參與調節(jié)神經細胞焦亡，而DN 過程中的線粒體損傷、慢性炎癥、氧化應激、長期高血糖、ROS過量產生和離子通道障礙可能是引發(fā)神經細胞焦亡、神經損傷，最后導致神經功能障礙的分子機制。雖然臨床上DN 的治療仍以控制血糖為最關鍵和最基本的步驟，但除控制血糖外，NLRP3 炎癥小體抑制劑、ROS 抑制劑等具有抗炎和抗氧化特性的藥物也可選擇治療DN。目前DN 中細胞焦亡的各種調控機制及具體分子靶點尚不明確，仍需進一步研究及探討，為未來DN 靶向治療治療提供理論依據(jù)。