施万细胞线粒体在糖尿病周围神经病变中的作用机制

焦洋，张月华，李清，于洋，李依泽，崔薇，于泳浩

(天津医科大学总医院麻醉科 天津市麻醉学研究所，天津 300052)

糖尿病周围神经病变(diabetic peripheral neuropathy，DPN)是周围神经损害最主要的原因，也是最主要的糖尿病微血管并发症。远端对称性多发性周围神经病变是其最典型的病理类型，常表现为四肢末梢进行性疼痛、麻木和感觉丧失，甚至发展为下肢坏疽导致截肢，严重影响患者的生活质量[1]。然而，目前尚缺乏治疗DPN的有效方法，控制血糖仅对1型糖尿病有效但对2型糖尿病效果不明显，镇痛药物虽然可以一定程度上缓解疼痛但同时伴随巨大的不良反应，因此亟待发现针对病因的有效治疗手段[1]。在高血糖环境下，周围神经的神经元和施万细胞存活依赖于持续的能量供应，特别容易受到线粒体损伤的影响，因此线粒体功能障碍是DPN发生发展的关键因素[2]。尽管胶质细胞作为高血糖损害的重要靶点，对轴突生存的重要性日益得到关注，受高血糖影响其线粒体形态和功能均可发生显著变化[3]，但与神经元相比，有关施万细胞线粒体在DPN中的作用研究较少，作用机制尚不明确。现就施万细胞线粒体在DPN中的作用机制予以综述，以为寻找有效的药物靶点提供帮助。

1 施万细胞线粒体与轴突生存

施万细胞是周围神经的主要组成成分，除了以有髓或无髓的形式包裹和保护神经纤维轴突、加速动作电位传导、分泌神经营养因子等基本作用外，在周围神经损伤的情况下其还会发生表型转换和代谢重编程维持轴突生存、提供代谢支持、参与周围神经修复再生[4-5]。线粒体是调控细胞能量代谢的重要细胞器，对神经、肌肉等高能量需求的组织具有关键作用，因而线粒体功能障碍是神经退行性疾病的主要致病机制。在常见的脱髓鞘性神经病变(如多发性硬化、遗传性运动感觉周围神经病和DPN)的人类或动物神经组织中均发现线粒体结构和功能的异常，表现为神经传导速度减慢、有髓纤维的密度降低和脱髓鞘改变[6-7]。有研究采用电镜对DPN患者的腓肠神经标本分析后发现，这些结构异常的线粒体主要存在于施万细胞而非轴突中[2]，说明施万细胞中的线粒体异常可能作为独立因素参与了神经病变的发展。

在周围神经损伤或疾病情况下，施万细胞正常的线粒体能量代谢对于轴突的生存发育至关重要，一旦损伤加重超过施万细胞的代偿能力，便会损害胶质细胞-轴突通讯和神经稳态，最终导致神经纤维丢失、轴突变性和疼痛[8-9]。近年来，选择性破坏施万细胞线粒体的基因突变小鼠的构建为单独研究施万细胞线粒体功能提供了可能，其中最为典型的是在施万细胞中特异性敲除细胞色素C氧化酶10、线粒体转录因子A和肝激酶B1的基因突变小鼠模型[10-12]。这3种模型的共同特点是均发现了施万细胞能够在没有线粒体呼吸的情况下存活下来，并发生糖脂代谢的适应性转变，以有氧糖酵解的方式继续为轴突提供乳酸维持其生存，且减少自身的脂肪酸合成，增加脂肪酸氧化为轴突供能，直至髓磷脂和能量趋于耗竭才最终导致轴突变性[13]。施万细胞的这种线粒体代谢适应反应使其能在损害初期维持自身存活，继续保证轴突的能量供应，延缓神经病变的进展。此外，以上3种模型的病理特点均表现为自发性进行性加重的周围神经病变，随病程进展依次出现髓鞘异常和轴突变性，且无髓小神经纤维的优先丢失与DPN的病理特点相似[14]。这种现象揭示了施万细胞线粒体异常可能是DPN发病机制的基础。

2 施万细胞线粒体与DPN

糖尿病作为周围神经病变最主要的损害因素，同样存在线粒体功能障碍[15]。目前已知的DPN发病机制十分复杂，代谢旁路的激活、氧化应激、炎症、内质网应激、线粒体功能障碍和凋亡等机制相互串扰，难以明确关键点，而线粒体功能障碍是多种机制的共同通路[1]。一项研究采用靶向代谢组学分析发现，高血糖导致的β细胞进行性代谢紊乱与线粒体功能障碍有关，揭示了线粒体是造成β细胞功能衰竭的潜在靶点[16]。该研究表明，线粒体调控代谢适应性是高血糖导致代谢损害的关键。

长期以来，针对DPN的研究大多以神经元为目标，近年来施万细胞在DPN中的作用得到越来越多的关注[17-18]。施万细胞特异性表达醛糖还原酶、晚期糖基化终末产物受体等代谢旁路关键酶和受体，以及葡萄糖转运蛋白和肉碱脂酰转移酶等糖脂受体，造成了山梨醇、果糖、长链脂肪酸的聚集，因此是代谢性应激损害的主要靶点[3]。在糖尿病神经病变患者和糖尿病动物的腓肠神经标本中均发现施万细胞形态和线粒体超微结构异常，表现为线粒体肿胀、空泡变、嵴消失，同时病理特点表现为节段性脱髓鞘和再髓鞘化，而轴突结构和轴突线粒体均未发生变化[19-20]，说明在轴突损害之前，施万细胞病变可能是糖尿病导致的周围神经损伤的第一步，而线粒体功能障碍可能是DPN的发病基础。除形态学改变外，还有研究采用蛋白组学和代谢组学进一步证明了线粒体功能的改变，无论在1型糖尿病大鼠的周围神经还是在慢性高血糖下培养的离体施万细胞中均发现施万细胞线粒体蛋白质组的巨大改变，表现为与糖酵解、脂质代谢、三羧酸循环、氧化磷酸化和线粒体呼吸链复合体有关的蛋白表达水平显著升高，线粒体总耗氧率增加，但有氧呼吸效率降低，腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)的生成减少[21-22]，其原因均与施万细胞线粒体功能损害有关。可见，以施万细胞线粒体功能障碍为治疗靶点，将为DPN的治疗提供新思路。

3 施万细胞线粒体功能障碍参与DPN的机制

线粒体自身存在多种调控机制，它们的协调运行维持着线粒体稳态，而线粒体功能障碍是多种线粒体调控机制受损的结果，相关因素包括线粒体能量代谢紊乱、线粒体氧化应激、线粒体钙调控异常、线粒体生物发生失衡、线粒体动力学紊乱及线粒体自噬受损等，每个环节的细微变化均可能干扰机体的能量供应导致疾病[23]。糖尿病条件下，高血糖引起的全身能量代谢紊乱可能从多个方面破坏线粒体功能，进而造成细胞毒性损害[15]。因此明确高血糖导致线粒体功能障碍的内在机制，将为深入理解DPN的病因提供帮助。

3.1线粒体能量代谢紊乱 轴突存活依赖于施万细胞提供能量和代谢底物，但糖尿病引起的施万细胞糖脂代谢改变会引起线粒体ATP生成减少，造成轴突能量供应不足[3]。在生理情况下，葡萄糖和脂肪酸分别通过糖酵解/三羧酸循环和β-氧化/三羧酸循环代谢生成丙酮酸和乙酰辅酶A，经三羧酸循环产生电子供体还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH)和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸，它们通过线粒体电子传递链在线粒体内外膜之间产生质子梯度和膜电位，这是ATP生成的主要驱动力，对线粒体的生存、代谢和供能至关重要。而在高葡萄糖或高脂肪通量条件下，过量的代谢底物使NADH和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸过量产生，线粒体电子传递链超负荷，线粒体膜上的质子梯度升高，正常梯度解偶联，从而破坏氧化磷酸化，使ATP生成减少，而副产物活性氧类(reactive oxygen species，ROS)产生增多。此外，施万细胞内过量的毒性代谢产物还会进一步破坏轴突的线粒体功能。糖代谢产物乳酸的大量聚积会破坏线粒体氧化磷酸化能力，引起线粒体损伤、线粒体分裂和线粒体氧化应激[24-25]，同时脂肪酸代谢产物酰基肉碱也会扩散进入轴突，通过触发轴突的线粒体Ca2+超载、线粒体动力学损伤和线粒体自噬等继发轴突损伤[13,26]。因此，施万细胞能量代谢紊乱是引起DPN线粒体功能障碍的起始因素，长期持续的施万细胞底物超负荷会进一步损害轴突线粒体功能，最终导致轴突变性。

3.2线粒体ROS的作用 线粒体功能障碍的另一个主要原因为氧化应激，线粒体既是体内ROS的主要来源，也是细胞内ROS的主要靶标。研究证实，高血糖条件下外周神经中过量的ROS并非来自轴突，而是来自施万细胞[17，27]。一方面，高血糖导致氧化应激的主要机制(多元醇代谢旁路、糖基化终末产物受体通路、氨基己糖通路及多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶通路的激活等)均以施万细胞为主要靶点，底物超负荷使线粒体电子传递链解偶联、质子漏增加和有氧呼吸效率降低，导致ROS大量蓄积[17]。另一方面，糖尿病条件下代谢旁路的激活还会耗尽细胞储存的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)，使机体的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、谷胱甘肽等氧化还原系统失衡，导致ROS产生增多而清除减少[27]。研究发现，高血糖培养会导致施万细胞线粒体ROS增多、线粒体膜电位降低、ATP生成减少，而采用褪黑素和丹酚酸等具有强抗氧化性的药物处理可以有效清除线粒体ROS和恢复线粒体膜电位，并通过上调抗氧化系统核转录因子红系2相关因子2的基因表达减少施万细胞氧化应激和凋亡[28]。另外，由于线粒体DNA几乎完全由编码区组成，缺乏组蛋白保护，对ROS的损害十分敏感[29]；且过量的ROS还会导致施万细胞线粒体DNA损伤和线粒体基因突变，造成线粒体功能障碍和进一步的氧化损伤，在线粒体内形成恶性循环，甚至导致细胞死亡和轴突变性[30-31]。因此，尽早抑制施万细胞线粒体的氧化应激或提高其抗氧化能力有望改善DPN。

3.3线粒体钙调控异常 线粒体是细胞内除内质网之外的第二大钙缓冲库，线粒体Ca2+内流对维持线粒体代谢和细胞生理需要十分重要。线粒体的钙摄取受线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道1(voltage dependent anion channel 1，VDAC1)和线粒体内膜上的钙单向转运体调控。Ino等[32]发现在生理条件下，钙单向转运体介导的施万细胞线粒体Ca2+内流会刺激线粒体代谢和氧化磷酸化，在髓鞘形成过程中起关键作用。而病理情况下，施万细胞线粒体基质中的Ca2+过度积聚造成Ca2+超载时，又会引起线粒体外膜通透性转换孔的持续开放，导致严重的细胞损害和脱髓鞘病变。DPN的脱髓鞘与线粒体钙稳态失衡导致的施万细胞线粒体功能障碍有关，在糖尿病小鼠模型中，VDAC1活性发生改变，引起线粒体钙超载和线粒体外膜通透性转换孔的开放，导致线粒体内Ca2+外泄，释放入胞质的Ca2+通过激活促分裂原活化的蛋白激酶信号通路触发施万细胞的脱髓鞘；而采用VDAC1的抑制剂干预可以减少线粒体钙释放，显著改善脱髓鞘性神经病变[6]。线粒体内的Ca2+超载一方面会导致线粒体膜去极化，影响ATP的产生，另一方面还会增加线粒体内的ROS水平，与氧化应激形成正反馈损害[33-34]。因此，恢复线粒体Ca2+稳态将为线粒体功能障碍相关的疾病提供新思路。

3.4线粒体生物发生失衡 损伤的线粒体可以通过激活线粒体生物发生或再生新的线粒体进行自我修复。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)是影响全身能量代谢的核转录共激活因子，通过改变线粒体转录因子A和核呼吸因子的转录活性影响线粒体DNA的复制和线粒体的呼吸功能，在线粒体生物发生中起中心调控作用[15]。PGC-1α的活性主要受AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)和沉默信息调节因子(sirtuin，SIRT)两条通路调控，与细胞能量状态密切相关的AMP/ATP和NAD+/NADH的比值分别决定两者的激活水平，并影响PGC-1α的表达和翻译后修饰(包括乙酰化和磷酸化)。有证据表明，在1型或2型糖尿病小鼠模型的背根神经节神经元中，过量的葡萄糖通量会降低AMP/ATP和NAD+/NADH比值，抑制SIRT和AMPK信号转导，引起PGC-1α的失活导致线粒体生物发生受损，出现周围神经脱髓鞘和轴突变性[35-36]。此外，PGC-1α基因敲除加重了链脲佐菌素造成的1型糖尿病神经病变[37]，而代谢型谷氨酸受体2/3激动剂等药物能够通过上调背根神经节中的SIRT1、PGC-1α和线粒体转录因子A水平改善糖尿病神经病变[38]。但目前有关施万细胞中的线粒体生物发生在DPN中的作用研究较少。有研究发现，与神经元一致，高血糖培养同样可以引起施万细胞中的AMPK活性下调[39]；还有研究通过突变施万细胞中NAD+生物合成的限速酶造成NAD+耗竭，诱发了施万细胞的分化障碍和成熟缺陷，出现与DPN病理改变极为类似的脱髓鞘性周围神经病变[40]。因此，以AMPK-SIRT-PGC-1α轴为治疗靶点改善施万细胞线粒体生物发生可能成为DPN有潜力的治疗方法。

3.5线粒体动力学改变 线粒体是具有融合和分裂能力的动态细胞器，可以根据机体不同的能量代谢需求调控线粒体的形态、数量和分布，这种动力学改变是线粒体质量控制的关键。线粒体通过分裂和融合可以促进新线粒体形成，修复有缺陷的线粒体DNA，并将线粒体重新分布到高能量需求部位[41]。糖脂代谢、能量产生、钙信号、ROS的产生均影响分裂和融合的平衡，相反，线粒体动力学受损，即过度碎裂/伸长会导致细胞产能效率下降，引起各种神经退行性疾病[42]。分裂和融合均依赖鸟苷三磷酸酶的活性，其中分裂主要受动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)和线粒体分裂蛋白1的调控，融合涉及线粒体融合蛋白1、线粒体融合蛋白2、视神经萎缩蛋白1等[43]。线粒体分裂过多和融合减少是许多疾病的早期事件，抑制分裂或促进融合均可以防止细胞进一步损害。研究表明，高血糖暴露可以刺激背根神经节神经元的线粒体分裂，最初Drp1上调引起的分裂是保护性的，有利于提高细胞的代谢能力和适应性，然而长期的葡萄糖暴露会启动线粒体的促凋亡分裂，Drp1会招募促凋亡蛋白Bcl-2相关X蛋白并与之形成Drp1/Bcl-2相关X蛋白复合体，破坏线粒体膜的完整性和通透性导致线粒体凋亡[44]。尽管施万细胞线粒体动力学在DPN发病中的作用尚不明确，但其重要性在遗传性运动感觉周围神经病中已得到证实。有研究表明，施万细胞中与线粒体分裂有关的神经节苷脂诱导分化相关蛋白1的突变与脱髓鞘型遗传性运动感觉周围神经病密切相关[42]；而另一项研究采用多光子显微镜延时成像技术在活体小鼠中发现，施万细胞中视神经萎缩蛋白1的基因突变会引起线粒体融合缺陷，引发脱髓鞘和轴突变性[45]。说明施万细胞线粒体对神经元和轴突存活至关重要，可作为独立因素引起周围神经病变的发生。然而，施万细胞线粒体动力学在糖尿病中的改变及与DPN的潜在关系尚待进一步研究和探讨。

3.6线粒体自噬受损 线粒体自噬是指受损或功能障碍的线粒体被细胞自噬体系靶向吞噬并被溶酶体降解的过程，是线粒体进行质量控制维持细胞存活的最后一道防线，一旦其受损便会启动细胞死亡信号。线粒体自噬和线粒体氧化应激加剧与生物发生受损密切相关，主要由PETN诱导假定激酶1/Parkin、Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3/NIX和线粒体FUN14结构域包含蛋白1三条通路介导，进一步与泛素和自噬相关蛋白微管相关蛋白1轻链3直接相互作用，介导线粒体清除。在糖尿病db/db小鼠模型的心肌、视网膜和肾脏中均存在线粒体自噬受损，且在高糖培养的视网膜色素上皮细胞、肾小管上皮细胞中均发现线粒体内存在继发于氧化应激损害的自噬能力减弱，即PETN诱导假定激酶1/Parkin受到抑制、Bcl-2/腺病毒E1B相互作用蛋白3的表达减少、异常线粒体聚集等，最终造成细胞凋亡[46-48]；而采用线粒体靶向抗氧化剂mitoQ、mitoTEMPO等药物减少线粒体ROS可以恢复线粒体自噬能力，部分逆转高血糖造成的线粒体损害[49-50]。尽管目前针对糖尿病神经病变中线粒体自噬的研究十分有限，但有研究发现DPN小鼠的周围神经和高糖培养的施万细胞中均存在细胞自噬能力下降，而采用药物增强自噬可改善DPN并减少施万细胞凋亡[39,51]。另外，脱髓鞘性神经病变的发展与髓鞘碎片的清除效率有关，施万细胞自噬能力下降会使受损髓鞘的碎片不能及时清除，延迟神经修复和再生；而采用神经生长因子提高施万细胞的自噬能力会加速周围神经的损伤后修复[26,52]。鉴于施万细胞线粒体在轴突维持中的重要作用及高血糖对自噬的抑制作用，线粒体自噬作为一种靶向受损细胞器的精准自噬形式，可能成为治疗DPN的又一个潜在靶点。

4 小 结

由于线粒体是维持细胞能量稳态的关键，线粒体功能障碍可能通过多种机制导致代谢性疾病和神经退行性病变的发生。在疾病状态下，代谢紊乱、氧化应激和钙超载是导致线粒体产能效率下降、出现功能障碍的起因，而线粒体生物发生和动力学等质控体系的失衡进一步推进了线粒体损害，受损线粒体经线粒体自噬被移除和替换是保全正常线粒体数量的最后一道防线，一旦线粒体自噬溃败，便会发生细胞死亡。尽管施万细胞对维持轴突生存的重要性受到越来越多的关注，但在DPN中施万细胞线粒体受损的具体机制尚未得到充分研究。因此，进一步探讨施万细胞线粒体功能障碍及其内在机制将为明确DPN的致病机制提供更多依据。