2型糖尿病环境下胰岛β细胞凋亡概述

2型糖尿病环境下胰岛β细胞凋亡概述

翟清李逸峰夏礼斌陈月平

翟清李逸峰夏礼斌陈月平（皖南医学院弋矶山医院内分泌科241001）

【摘要】胰岛β细胞缺陷是糖尿病发生发展过程的中心环节，包括胰岛β细胞量的下降以及胰岛素分泌异常，二者相互影响。造成细胞量减少的最直接原因是凋亡增加。涉及的具体机制众多，目前研究结果包括糖毒性、脂毒性及其协同作用，胰淀粉样多肽（isletamyloidpolypeptide,IAPP）与胰岛淀粉样变性，胰岛纤维化，胰腺星状细胞（pancreaticstellatecells,PSCs）致凋亡等相关方面。深入研究胰岛β细胞凋亡的发生发展机制将有助于为T2DM的防治提供新的思路。

【关键词】胰岛β细胞凋亡

【中图分类号】R587.1【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2013）16-0128-03

糖尿病是由于胰岛素作用不足和（或）胰岛β细胞分泌的胰岛素不能满足机体所需而引起的以血糖升高为特征的临床症候群。胰岛β细胞缺陷是糖尿病发生发展过程的中心环节，包括胰岛β细胞量的下降以及胰岛素分泌异常[1]，二者相互影响。造成细胞量减少的最直接原因是凋亡增加[2]。本文就T2DM环境下胰岛β细胞凋亡作一概述。

1、生理及T2DM情况下胰岛β细胞量特征

正常情况下胰岛β细胞量由4个独立而又相互联系的机制调节，分别为胰岛β细胞复制、新生、凋亡和体积变化[1]。幼儿期由于β细胞复制及新生呈爆发趋势，且凋亡率极低，因而净效应为β细胞量的显著增加；在随后的儿童期、青少年期及成人期，β细胞复制、新生及凋亡率逐步达到平衡；而在老年期，β细胞凋亡率略高于复制及新生率，从而可能导致β细胞量的轻微下降[3,4]。

在发展为糖尿病的过程中，β细胞凋亡率显著增加，远远高于复制及新生率，不可避免地导致β细胞量的大大减少[3-5]。尸检发现，与非糖尿病肥胖人群相比，肥胖伴有空腹血糖（fastingbloodglucose,FBG）升高的患者β细胞量减少达40％，T2DM体重指数（bodymassindex,BMI）正常者β细胞量亦比正常人群减少41％[52]。同时有研究发现T2DM患者相对β细胞量较非糖尿病者明显减少[6]。Sakuraba等对日本人群研究发现，与非糖尿病者相比，T2DM患者β细胞所占胰岛容积减少22％，胰岛β细胞总量减少达30％[7]。虽然各项研究指标不尽相同，但研究结论一致，即糖尿病患者β细胞量较非糖尿病者明显减少。

现有研究发现，糖尿病与非糖尿病人群β细胞复制和新生率并无明显差异，凋亡率却大幅增加，造成细胞量减少的最直接原因是凋亡增加[5]。在T2DM发生发展过程中，β细胞的凋亡呈现持续增加趋势[8]。

2、T2DM胰岛β细胞凋亡的发生机制

多种遗传性及获得性因素综合作用导致T2DM的β细胞损伤，具体机制至今尚未完全阐明。研究发现多种基因与T2DM胰岛细胞机能障碍有关，分别编码转运子、糖代谢蛋白、胰岛素信号转导通路分子以及钙蛋白酶10等[9-11]。在获得性因素中，游离脂肪酸（freefatacid，FFA）、高糖毒性（hyperglycemiatoxcity）、IAPP沉积、细胞因子（IL-1、IL-6、TNF-α）、活性氧簇（reactiveoxygenseries,ROS）等均有研究报道具有致胰岛β细胞凋亡的作用。

2.1糖毒性、脂毒性及其协同作用

体外研究已证明，高糖毒性可引起β细胞对葡萄糖的“脱敏作用”，同时，随着糖浓度的上升，β细胞凋亡率亦增加[12-13]。临床研究发现，T2DM及葡萄糖耐量降低的病人，降低血糖水平有利于提高急性胰岛素反应水平。在高糖条件下，胰岛细胞促凋亡基因Βad、Βid、Βik表达上调，抗凋亡基因Βcl-x1表达下调，Βcl-2无明显变化[14]。高糖对胰岛细胞的其他损伤作用机制还包括氧化磷酸化作用、过度激活的氨基已糖通路以及蛋白C活性增强等等，从而引起ROS产生增多，以及随之而来的氧化应激作用。

引起β细胞机能障碍的另一重要因素为高脂毒性，在胰岛素抵抗、糖耐量异常及显性糖尿病中可以观察到累积的脂肪酸及其代谢产物对于β细胞的有害作用。研究表明，长期高FFA环境影响可导致人及大鼠胰岛β细胞脂质过载，细胞增殖下降、凋亡增加，胰岛素分泌减少[15-16]。FFA介导凋亡的作用与其饱和度密切相关[17-18]。饱和脂肪酸促进β细胞凋亡，抑制其增殖和胰岛素分泌；单不饱和脂肪酸则促进β细胞增殖，同时不影响其凋亡水平。具体机制涉及神经酰胺的产量增加及胰岛素基因表达受抑[19-20]。

有研究发现，FFA需代谢为长链脂酰CoA才能发挥致凋亡效应，脂肪酸氧化可抑制此代谢。高浓度葡萄糖可抑制脂肪氧化，明显增强软脂酸诱导的细胞凋亡[21]；Piro等证实高糖可加速FFA诱导的β细胞凋亡，却不增加其凋亡细胞数量[22]。上述研究提示高糖与FFA诱导β细胞凋亡有协同效应，FFA在高糖环境下毒性增强。

2.2IAPP与胰岛淀粉样变性

人类胰淀素（amylin）及IAPP基因序列于1987年分析阐明[23-24]，胰淀素共含37个氨基酸，其中第20～29位氨基酸序列是胰淀素形成IAPP沉积的结构基础。IAPP基因几乎只在β细胞中表达，并与胰岛素同时分泌。机体对胰岛素的过高需求必然引起胰岛素及IAPP大量合成及分泌，从而致使IAPP沉积、纤维形成，并最终导致胰岛的淀粉样变性。这一过程中，淀粉样蛋白纤维及IAPP低聚物的形成过程存在细胞毒性作用[25-26]。人IAPP可诱导β细胞凋亡[27]，并且，处于有丝分裂期的胰岛β细胞较分裂间期时更敏感[28]。以高糖、高脂饮食、生长激素或糖皮质激素处理转入人IAPP基因的纯合子肥胖小鼠，其胰岛内很快出现大量IAPP沉积，β细胞凋亡水平超过复制水平，数量减少，最终发展为T2DM[29]。这些证据表面，IAPP沉积、纤维形成，并最终导致胰岛的淀粉样变性这一过程对β细胞造成损伤，致其数量下降。具体机制包括激活凋亡信号蛋白、损伤β细胞膜、诱导氧化应激及抑制胰岛β细胞长寿基因表达和提高促凋亡基因表达等。

IAPP在T2DM胰岛β细胞损伤及功能障碍发生进展中发挥着重要作用，在T2DM早期，针对性抑制IAPP沉积有助减少β细胞凋亡，延长β细胞寿命，保护β细胞功能，保证胰岛素正常分泌。

2.3胰岛纤维化

国内外研究通过对T2DM动物模型胰岛进行动态免疫组织化学分析，随着病程的迁延，以collagenⅠ、collagenⅢ、FN等沉积为主的纤维化显著增加，β细胞体积显著减小，胰岛结构严重破坏，纤维化区域胰岛素分泌缺失明显[30-31]。Zhao等对多名T2DM及非糖尿病患者进行尸体解剖，病理检查发现胰岛及胰岛周围区域的纤维化改变与胰岛淀粉样蛋白沉积同样常见。经免疫组织化学染色鉴定，纤维化区域同样存在大量collagenⅠ、collagenⅢ[32]。

国外Melvin[33]等认为，胰岛局部微循环的破坏在影响胰岛内部血供的同时，也破坏了分泌物的正常输出，从而导致胰岛素第一时相分泌高峰的缺失。已有研究证实改善胰岛纤维化，可使胰岛β细胞凋亡减少，增殖增加，恢复胰岛素分泌的一相分泌[34-35]。在组织器官纤维化发生进展过程中多种细胞因子、蛋白发挥着重要作用（如IL-1、IL-6、TGF-β、TNF-α等）。目前已证实等上述因子均可促进β细胞的凋亡，并抑制其增殖，其对β细胞胰岛素的分泌亦有抑制作用[36-37]。因此胰岛纤维化过程可能介导了胰岛β细胞的凋亡，加速了T2DM的发生发展。

胰岛纤维化的发生机制主要涉及局部RAS激活、局部炎症反应、MMPs及TIMPs失衡、TGF-β过度表达以及PSCs活化等。近年来，已有众多学者开始研究PSCs对胰岛纤维化的影响。PSC于1998年首先由德国Ulm大学临床生化研究所Bachem教授从胰腺基质中分离并命名[38]，主要定位于胰腺小叶之间及胰腺腺泡周围。IL-1、TGF-β、PDGF、TNF-α及酒精等可刺激PSC由静止型转化为活化型，开始表达α-SMA，并分泌大量ECM及多种细胞因子，成为胰腺癌及慢性胰腺炎等病理状态下胰腺发生纤维化的主要始动与效应细胞[39]。T2DM胰岛局部微环境改变包括：局部RAS激活、局部炎症反应、TGF-β过度表达等，均可诱导PSC活化。近年来国外有研究发现，高糖、高胰岛素刺激亦可诱导静息状态的PSC活化、增殖[40-41]，且有学者认为T2DM纤维化的胰岛中存在活化的PSC[42]。因此，PSC可能为T2DM胰岛纤维化及胰岛β细胞功能减退的中心环节。

2.4PSCs的诱导凋亡作用

活化PSCs分泌多种产物，包括IL-1、IL-6、TNF-α、单核细胞趋化蛋白-1（monocytechemotacticprotein-1,MCP-1）及半乳糖苷凝集素-1（galectin-1,Gal-1）等，导致胰岛局部炎症反应，促进ROS生成，从而诱导胰岛β细胞凋亡，促进糖尿病进展。研究发现，众多细胞因子可诱导β细胞表达Fas，包括白细胞介素-1β（interleukin-1β,IL-1β）、干扰素-γ（interferon-γ,IFN-γ）、TNF-α[43-45]，其中IL-1β为最重要的β细胞凋亡诱导因子，IL-1β+IFN-γ和(或)TNF-α组合应用常用于诱导大量β细胞凋亡的体外实验。多种核转录因子控制上述因子，诱导β细胞凋亡通过活化复杂的β细胞基因网络实现[46]。IL-1β与β细胞膜上的IL-1受体结合后可激活NF-κB、MAP/SAPK和PKC三条通路；IFN-γ与β细胞膜上的IFN-γ受体结合后激活信号转导与转录激活因子-1(STAT-1)，后者可调节caspase表达；TNF-α诱导β细胞凋亡呈时间和剂量依赖方式[47]，除通过死亡受体介导的途径诱导β细胞凋亡外，尚可通过NF-κB诱导的蛋白激酶激活NF-κB（其中，NF-κB既是其蛋白激酶的诱导剂又是该蛋白激酶的作用底物），并激活c-JunN末端激酶和MAPK，最终通过活化caspase介导细胞凋亡。

3、结语

T2DM特征性病理生理改变是胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能障碍，仅存在胰岛素抵抗，并不足以导致血糖的升高，因为胰岛β细胞尚可通过代偿性分泌胰岛素维持血糖稳定。随着β细胞量的下降以及胰岛素分泌减少的加剧，胰岛素代偿性分泌不足以抵消胰岛素抵抗带来的影响，血糖出现波动。而造成细胞量减少的最直接原因是凋亡增加。目前对于β细胞凋亡的潜在机制研究范围较广，已取得众多可喜的研究结果，包括遗传性及获得性因素的研究，相互之间亦存在着协同作用。对于T2DM捐赠者的胰岛研究发现，部分后天因素引起的不利影响可予及时干预及逆转，有利于β细胞功能保护，保证胰岛素正常分泌。现有的糖尿病治疗以增加胰岛素敏感性、促进胰岛素分泌和降低血糖来改善β细胞的代谢环境保护β细胞功能为主。深入研究胰岛β细胞凋亡的发生发展机制将有助于为T2DM的防治提供新的思路。

参考文献

[1]RhodesCJ.Type2diabetes:amatterofβ-celllifeanddeath?[J].Science,2005,7:380-384.

[2]ButlerAE,JansonJ,Bonner-WeirS,etal.β-celldeficitandincreasedβ-cellapoptosisinhumanswithtype2diabetes[J].Diabetes,2003,52:102-110.

[3]PieroM,FrancescoD,DavideL,etal.Anoverviewofpancreaticbeta-celldefectsinhumantype2diabetes:Implicationsfortreatment[J].RegulatoryPeptides,2008,146:4-11.

[4]Marchetti,P.,Lupi,R.,DelGuerra,S.,Bugliani,M.,Marselli,L.,&Boggi,U.(2010).Theβ-CellinHumanType2Diabetes.TheIsletsofLangerhans,501-514.

[5]FerranniniE,MariA.Beta-cellfunctionanditsrelationtoinsulinactioninhumans:acriticalappraisal[J].Diabetologia,2004,47:943-956.

[6]KunHY,SeungHK,JaeHC,etal.Selectiveβ-celllossandβ-cellexpansioninpatientswithtype2diabetesmellitusinKorea[J].ClinEndocrinMetabo,2003,88:2300-2308.

[7]SakurabaH,MizukamiH,YagihashiN,etal.Reducedβ-cellmassandexpressionofoxidativestress-relatedDNAdamageintheisletofJapanesetype2diabetespatients[J].Diabetologia,2002,45:85-96.

[8]RhodesCJ.Type2diabetes:amatterofβ-celllifeanddeath?[J].Science,2005,7:380-384.

[9]JurgensCA,ToukatlyMN,FlignerCL,etal.β-celllossandβ-cellapoptosisinhumantype2diabetesarerelatedtoisletamyloiddeposition[J].TheAmericanjournalofpathology,2011,178(6):2632-2640.

[10]DonathMY,B?ni-SchnetzlerM,EllingsgaardH,etal.Isletinflammationimpairsthepancreaticβ-cellintype2diabetes[J].Physiology,2009,24(6):325-331.

[11].MathewsAEW,MathewsCE.Inheritedβ-CellDysfunctioninLeanInpidualsWithType2Diabetes[J].Diabetes,2012,61(7):1659-1660.

[12]AndreozziF,D'AlessandrisC,FedericiM,etal.ActivationofthehexosaminepathwayleadstophosphorylationofIRS-1onSer307andSer612andimpairsthephosphatidylinositol3-kinase/Akt/mTORinsulinbiosyntheticpathwayinRINpancreaticbeta-cells[J].Endocrinology,2004,145:2845-2857.

[13]LIY,DENGH,MIG,etal.Correlationsbetweenbloodglucose,lipid,oxidativestressandpancreaticβ-cellfunctioninpatientswithtype2diabetesmellitus[J].MedicalJournalofChinesePeople'sLiberationArmy,2011,36(6):636-638.

[14]BeijersHJBH,FerreiraI,SpronkHMH,etal.Impairedglucosemetabolismandtype2diabetesareassociatedwithhypercoagulability:potentialroleofcentraladiposityandlow-gradeinflammation–TheHoornStudy[J].Thrombosisresearch,2012,129(5):557-562.

[15]BaldwinAC,GreenCD,OlsonLK,etal.AroleforaberrantproteinpalmitoylationinFFA-inducedERstressandβ-celldeath[J].AmericanJournalofPhysiology-EndocrinologyAndMetabolism,2012,302(11):E1390-E1398.

[16]GiaccaA,XiaoC,OprescuAI,etal.Lipid-inducedpancreaticβ-celldysfunction:focusoninvivostudies[J].AmericanJournalofPhysiology-EndocrinologyAndMetabolism,2011,300(2):E255-E262.

[17]AshcroftFM,RorsmanP.Diabetesmellitusandtheβcell:thelasttenyears[J].Cell,2012,148(6):1160-1171.

[18]TangC,OprescuAI,GiaccaA.Nutrient‐DerivedEndogenousToxinsinthePathogenesisofType2Diabetesattheβ‐CellLevel[J].EndogenousToxins:TargetsforDiseaseTreatmentandPrevention,2010:525-555.

[19]UngerRH.Lipotoxicdiseases[J].AnnuRevMed,2002;53:319-336.

[20]PrentkiM,OlanCJ.Isletbetacellfailureintype2diabetes[J].ClinInvest,2006,116:1802-1812.

[21]KursaweR,CaprioS,GianniniC,etal.DecreasedTranscriptionofChREBP-α/βIsoformsinAbdominalSubcutaneousAdiposeTissueofObeseAdolescentsWithPrediabetesorEarlyType2DiabetesAssociationsWithInsulinResistanceandHyperglycemia[J].Diabetes,2013,62(3):837-844.

[22]PiroS,AnelloM,DiPietroC,etal.Chronicexposuretofreefattyacidorhighglucoseinducesapoptosisinratpancreaticislets:possibleroleofoxidativestress[J].Metabolism,2002,51:1340-1347.

[23]WestermarkP,WernstedtC,WilanderE,etal.AmyloidfibrilsinhumaninsulinomaandisletsofLangerhansofthediabeticcatarederivedfromaneuopeptide-likeproteinalsopresentinnormalisletcells[J].ProcNatlAcadSciUSA,1987,84:3881-3885.

[24]CooperGJS,WillisAC,ClarkA,etal.Purificationandcharacterizationofapeptidefromamyloid-richpancreasesoftype2diabeticpatients[J].ProcNatlAcadSciUSA,1987,84:8628-8632.

[25]RitzelRA,ButlerPC.Replicationincreasesbetacellvulnerabilitytohumanisletamyloidpolypeptide-inducedapoptosis[J].Diabetes,2003,52:1701-1708.

[26]MeierJJ,KayedR,LinCY,etal.InhibitionofhumanUAPPfibrilformationdoesnotpreventbetacelldeath:evidencefordistinctactionsofoligomersandfibrilsofhumanIAPP[J].PhysiolEndocrinolMetab,2006,291:E1317-1324.

[27]CostesS,LangenR,GurloT,etal.β-CellFailureinType2Diabetes:ACaseofAskingTooMuchofTooFew?[J].Diabetes,2013,62(2):327-335.

[28]Guardado-MendozaR,DavalliAM,ChavezAO,etal.Pancreaticisletamyloidosis,β-cellapoptosis,andα-cellproliferationaredeterminantsofisletremodelingintype-2diabeticbaboons[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2009,106(33):13992-13997.

[29]ButlerAE,JangJ,GurloT,etal.Diabetesduetoaprogressivedefectinbeta-cellmassinratstransgenicforhumanisletamyloidpolypeptide(HIPRat):anewmodelforType2diabetes[J].Diabetes,2004,53:1509-1516.

[30]MasuyamaT,KomedaK,HaraA,etal.ChronologicalcharacterizationofdiabetesdevelopmentinmaleSpontaneouslyDiabeticToriirats[J].BiochemBiophysResCommun,2004,314:870-877.

[31]ZhouYP,MadjidiA,WilsonME,etal.MatrixmetalloproteinasescontributetoinsulininsufficiencyinZuckerDiabeticFattyrats[J].Diabetes,2005,54(9):2612-2619.

[32]ZhaoHL,LaiFM,TongPC,etal.PrevalenceandClinicopathologicalCharacteristicsofIsletAmyloidinChinesePatientswithType2Diabetes[J].Diabetes,2003,52:2759-2766.

[33]MelvinR.Hayden,MD.IsletAmyloidandFibrosisintheCardiometabolicSyndromeandType2DiabetesMellitus[J].CardiometabolicSyndrome,2007,2(1):70-75.

[34]KoSH,KwonHS,KimSR,etal.RamipriltreatmentsuppressesisletfibrosisinOtsukaLong-EvansTokushimafattyrats[J].BiochemBiophysResCommun,2004,316:114-122.

[35]TikellisC,WookeyPJ,CandidoR,etal.Improvedisletmorphologyafterblockadeoftherenin-angiotensinsystemintheZDFrat[J].Diabetes,2004,53(4):989-997.

[36]MaedlerK,DonathMY.ß-CellsinType2Diabetes:ALossofFunctionandMass[J].HormRes,2004,62Suppl3:67-73.

[37]OrtisF,MianiM,ColliML,etal.DifferentialusageofNF-κBactivatingsignalsbyIL-1βandTNF-αinpancreaticbetacells[J].FEBSletters,2012.

[38]BachemMG,SchneiderE,GrossH,etal.Identification,culture,andcharacterizationofpancreaticstellatecellsinratsandhumans[J].Gastroenterology,1998,115(2):421-432.

[39]OmaryMB,LugeaA,loweAW,etal.Thepancreaticstellatecell:astarontheriseinpancreaticdiseases[J].ClinInvest,2007,117(1):50-59.

[40]NomiyamaY,TashiroM,YamaguchiT,etal.HighglucoseactivatesratpancreaticstellatecellsthroughproteinkinaseCandp38mitogen-activatedproteinkinasepathway[J].Pancreas,2007,34(3):364-372.

[41]HongOK,LeeSH,RheeM,etal.Hyperglycemiaandhyperinsulinemiahaveadditiveeffectsonactivationandproliferationofpancreaticstellatecells:Possibleexplanationofislet-specificfibrosisintype2diabetesmellitus[J].CellBiochem,2007,101(3):665-675.

[42]李凤飞,孙子林,殷俊梅,等.胰腺星状细胞在2型糖尿病胰岛纤维化进程中的影响[J].世界最新医学信息文摘(电子版),2012,12(2):37-40.

[43]DonathMY,StorlingJ,MaedlerK,etal.Inflammatorymediatorsandisletβ-cellfailure:alinkbetweentype1andtype2diabetes[J].MolMed,2003,81:455-470.

[44]ParkSK,KwonKB,RyuDG,etal.ProtectiveeffectofNeorhodomelaaculeatamethanolicextractthroughthesuppressiveactiononNF-κBandSTATpathwayinIL-1βandIFN-γinducedβ-celldamage[J].Genes&Genomics,2010,32(3):239-246.

[45]22.DinarelloCA.AclinicalperspectiveofIL‐1βasthegatekeeperofinflammation[J].Europeanjournalofimmunology,2011,41(5):1203-1217.

[46]CnopM,WelshN,JonasJC,etal.Mechanismsofpancreaticbeta-celldeathintype1andtype2diabetes:manydifferences,fewsimilarities[J].Diabetes,2005,54(Suppl2):97-107.

[47]IshizukaN,YaguiK,TokuyamaY,etal.Tumornecrosisfactoralphasignalingpathwayandapoptosisinpancreaticbeta-cells[J].Metabolism,1999,48:1485-1492.