发布时间：2019-11-05所属分类：医学论文浏览：1次
摘 要： 摘要 胰岛由分泌胰岛素的细胞、分泌胰高血糖素的细胞以及分泌生长抑素的细胞等多种细胞组成, 其组织内的细胞环路对胰岛稳态和血糖维持有重要的调控作用, 是目前胰岛功能和糖尿病研究的热点. 最近的研究表明, -细胞对话对胰岛环路的建立以及正常细胞的功能的
摘要 胰岛由分泌胰岛素的β细胞、分泌胰高血糖素的α细胞以及分泌生长抑素的δ细胞等多种细胞组成, 其组织内的细胞环路对胰岛稳态和血糖维持有重要的调控作用, 是目前胰岛功能和糖尿病研究的热点. 最近的研究表明, α-β细胞对话对胰岛环路的建立以及正常β细胞的功能的发挥起着重要的调节作用, 而且无论是β-δ环路功能障碍, 还是δ-β环路的过度激活, 都会导致胰岛稳态的破坏和血糖紊乱. 这些研究为胰岛环路如何调节胰岛稳态和血糖水平提供了初步的线索, 但更全面详细的研究尚未充分开展. 因此, 深入阐明胰岛环路的构成与功能, 及其如何在生理和病理过程中发挥作用, 不仅可以更好地理解胰岛如何作为一个组织在血糖代谢中维持自身稳态并发挥其功能, 也可为通过调节和塑造胰岛环路, 开发新型的糖尿病防治策略奠定基础.
关键词 胰岛细胞环路, α细胞, β细胞, δ细胞, 胰岛稳态, 糖代谢
胰岛作为体内唯一分泌胰岛素的组织, 与糖尿病的发生发展密切相关. 长期以来, 胰岛素分泌不足或胰岛素抵抗被认为是糖尿病发生的重要机制. 因此, 针对分泌胰岛素的胰岛β细胞的研究长期以来受到人们的广泛关注. 已有研究表明, 人的胰岛β细胞约占胰岛总量的70%[1]. 在正常生理过程中, 血糖升高会诱导 β细胞分泌胰岛素来降低血糖. 胰岛中所占比例为第二位的细胞为α细胞, 约占胰岛细胞总数的20%. 当血糖降低时, α细胞分泌胰高血糖素, 通过内分泌作用在肝脏等组织促进血糖的升高. 目前已知, 胰岛素是体内唯一直接降糖的激素, 而胰高血糖素与糖皮质激素、生长激素、肾上腺素、去甲肾上腺素等激素或神经递质都有促进血糖升高的作用, 共同调控血糖稳态. 胰岛中第三种主要类型细胞是胰岛δ细胞, 最近国际上以及本实验室的研究表明, 分泌生长抑素的胰岛δ细胞通过胰岛内的旁分泌作用调控血糖稳态[2~5].
同一个胰岛细胞团中α, β, δ等不同种类的细胞之间, 或者β细胞之间通过旁分泌等形式相互对话, 构成胰岛细胞的信号转导环路, 使胰岛可以作为一个整体来面对复杂的生理和病理生理刺激, 来调节其分泌胰岛素和胰高血糖素等功能, 从而适应复杂的环境变化. 除胰岛内不同内分泌细胞之间的相互对话外, 胰岛细胞环路还受到交感神经或副交感神经支配, 从而响应神经环路, 来精细调控胰岛的功能[6,7]. 胰岛在发育的不同阶段和糖尿病的发生发展过程中, 细胞环路会发生变化. 近年来, 胰岛细胞环路如何维持胰岛稳态, 以及胰岛细胞环路与糖尿病发生发展的相关性是糖尿病领域研究的热点和难点. 本文结合本实验室最近的相关研究, 对近期关于胰岛细胞环路的研究进展进行介绍.
1 胰岛α-β细胞环路
作为胰岛中最多的两类细胞, α细胞分泌的胰高血糖素和β细胞分泌的胰岛素在血糖调节中发挥拮抗作用. 在相互调节方面, 胰岛α细胞分泌的胰高血糖素在一定程度内刺激胰岛β细胞的增殖, 增强葡萄糖诱导的胰岛素分泌. 反过来, 胰岛β细胞分泌的胰岛素、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)和锌离子均对α细胞分泌起到抑制作用, 使β细胞分泌的胰岛素更有效地发挥降糖作用(图1A)[8~10]. 同时, 血糖水平是调控胰岛 α-β细胞环路的重要因素. 在生理状态下, 低血糖时α细胞分泌胰高血糖素, 促进血糖升高, 同时促进β细胞的分泌胰岛素功能. 高血糖时β细胞分泌胰岛素, 使血糖降低, 同时抑制α细胞分泌胰高血糖素的功能(图1B).
1.1 胰岛α细胞对话β细胞
胰岛α细胞和β细胞具有同源性, 都是从胰岛前体细胞发育而来. 目前的研究显示, 未成熟的β细胞对葡萄糖的响应较差, 胰岛素基础分泌量相对较高, 胰岛α- β细胞间的环路并未完全建立[11,12]. 大麻素类小分子在胰岛细胞分布以及胰岛环路建立的过程中发挥了重要的作用. 例如, α细胞和β细胞都能产生内源性大麻素 (anandamide, AEA), 可以激活相邻细胞的膜上瞬时受体电位香草酸亚型1通道(transient receptor potential vanilloid type 1, TRPV1), 引起α和β细胞的增殖; 同时 α细胞还产生2-花生酰基甘油(2-arachidonoylglycerol, 2-AG), 作用于相邻β细胞的大麻素受体1(cannabinoid receptor 1, CB1R), 调节其迁移过程, 决定胰岛的结构, 最终促进胰岛环路的形成[13]. 还有研究发现, 胰高血糖素在β细胞的分化、增殖中发挥了重要的作用. 胰高血糖素的前体胰高血糖素原1-61(proglucagon 1-61) 也调控胰岛素的分泌[14]. 这些结果都表明, 在发育过程和正常生理状态下, 胰岛α细胞通过旁分泌对胰岛环路的建立和稳定发挥了至关重要的作用(图1A). 值得注意的是, 在糖尿病发展过程中, 尤其是1型糖尿病病人的胰岛β细胞被自身免疫攻击后数目减少, 胰岛α 细胞增殖明显[15,16]; 但是这些新增殖的α细胞并不具有正常的分泌胰高血糖素的功能, 因此对于重建胰岛α-β 细胞环路没有作用[17]. 因此, 如何恢复糖尿病病人中胰岛α-β细胞环路的正常功能, 对于能否控制或者逆转糖尿病的病程至关重要.
1.2 胰岛β细胞对话α细胞
在胰岛β细胞与α细胞的对话中, β细胞分泌胰岛素抑制α细胞分泌胰高血糖素, 这样胰岛素能够更有效地降低血糖. 值得注意的是, 在胰岛素抵抗中, 胰岛素对胰岛α细胞的抑制作用不明显, 使体内同时存在较高水平的胰高血糖素和胰岛素, 使血糖稳态发生紊乱[18]. 胰岛β细胞分泌的GABA和锌离子也能抑制α细胞功能. 但是最近的研究表明, 长时间GABA刺激能使α细胞向β细胞转分化并促进胰岛β细胞新生, 改善糖代谢, 对胰岛稳态起到非常重要的维持作用[19]. 因此在α细胞与β细胞环路中, 两种细胞分泌的物质, 分泌的时间和分泌量, 以及两种细胞在胰岛中的位置对胰岛稳态和血糖稳态起到非常重要的作用.
1.3 神经递质与激素对胰岛α-β细胞环路的调控
交感神经主要释放去甲肾上腺素, 而肾上腺分泌大量的肾上腺素, 二者对胰岛功能有重要的调节作用, 它们共同调节α和β细胞间的对话. 它们通过β-肾上腺素能受体促进α细胞分泌[20], 同时通过α2A-肾上腺素能受体抑制β细胞分泌[21]; 二者的协同作用促进血糖的升高(图1F). 研究表明, 2型糖尿病病人的β细胞中 α2A-肾上腺素能受体表达增加, 进一步抑制胰岛素分泌[22]. 但是近期的研究却发现低浓度的肾上腺素或者 α细胞上β-肾上腺素能受体表达减少, α细胞的分泌功能会受到抑制, 将造成糖尿病病人的持续低血糖[23]. 因此在生理状态下, 肾上腺素能系统调控α-β细胞对话从而促进α细胞功能, 抑制β细胞功能; 而在糖尿病状态下, α细胞和β细胞的功能都被抑制.
副交感神经主要分泌乙酰胆碱, 对胰岛功能也有重要的调控作用. 目前研究表明, 乙酰胆碱对不同种属的α细胞作用不同, 但是能直接诱导胰岛β细胞的分泌, 进而抑制α细胞. 在人的进食过程中, 血糖没有升高之前, 乙酰胆碱对于胰岛β-α细胞环路的作用对于后续的血糖调节至关重要. 例如, 如果使用N2-乙酰胆碱受体阻断剂咪噻吩, 人进食后5 min左右, 其胰岛素分泌下降, 并且30 min到1 h的血糖比对照组高[24]. 近期的研究还发现, 人的α细胞也能分泌乙酰胆碱, 直接与β 细胞对话[25].
除神经递质外, 血液中由其他组织分泌的激素对胰岛环路也有重要的调控作用[26,27]. 例如, 胃肠激素胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide 1, GLP-1)对胰岛α-β细胞环路有重要的调控作用, 它抑制α细胞分泌, 增强高糖诱导的胰岛素分泌, 总的来说, 促进β细胞功能[20], 抑制α细胞功能[27]. 目前, 许多GLP-1受体的激动剂都是治疗糖尿病的一线药物.
2 胰岛β-δ细胞环路
在胰岛中, 除了α细胞和β细胞之间的对话外, δ细胞也直接与α细胞和β细胞对话, 调节着胰岛细胞稳态和血糖稳态. 由于胰岛δ细胞分泌的生长抑素作用于靶细胞上的生长抑素受体(somatostatin receptor, SSTR), 通过Gi信号途径抑制靶细胞的激素分泌, 因此我们和国际上的一些同行认为, δ细胞可能类似于中枢神经系统的抑制性中间神经元, 在胰岛局部发挥作用.
2.1 胰岛δ与β细胞对话
胰岛δ细胞和β细胞一样, 葡萄糖和氨基酸等代谢产物可以诱导其分泌相应的激素(图1B). 葡萄糖浓度升高时, δ细胞分泌生长抑素, β细胞分泌胰岛素, 同时生长抑素通过β细胞的生长抑素受体抑制胰岛素的分泌(图1C). 目前认为, δ细胞分泌的生长抑素主要作用于β细胞上的SSTR5, 在胰岛素分泌过程中起到抑制作用. 但是长期以来, 对于胰岛δ细胞和β细胞对话的精确机制, 以及δ-β细胞环路对胰岛稳态的调节作用一直缺乏深入的研究. 部分原因是由于, 尽管生长抑素基因敲除的小鼠胰岛素和胰高血糖素的分泌会升高, 但是这些小鼠(Mus musculus)的生长发育、胰岛的结构以及糖代谢均表现正常, 所以胰岛δ细胞在胰岛细胞环路和血糖稳态中的作用一直被人们低估.
值得注意的是, 在先天性高胰岛素血症(congenital hyerinsulinism, CHI)患者胰岛中, 人们发现胰岛β细胞与δ细胞的比例高于正常, 导致婴儿时期的胰岛素分泌过多和持续性的低血糖[28~30]. 与此现象密切相关的是, 我们最近将小鼠中表达生长抑素的细胞敲除后, 新生小鼠胰岛β细胞的数目增加, 胰岛素的合成和分泌增强, 血糖降低, 最后导致围产期小鼠死亡. 如果对这些新生鼠补充葡萄糖, 能显著延长新生小鼠的生存期. 进一步研究表明, 胰岛δ细胞除了分泌生长抑素外[5], 仍分泌其他激素防止胰岛素分泌过多, 导致低血糖. 我们这一部分研究结果说明了胰岛δ细胞功能的重要性.
另一方面, 在胰岛β细胞对δ细胞的对话中, β细胞分泌的激素包括胰岛素、尿皮素3(UCN3)和GABA; 其相应的受体在胰岛δ细胞上均有表达. 最近的研究还表明, 胰岛β细胞和δ细胞之间存在缝隙连接(gap junction), 传递从β细胞到δ细胞的兴奋性[31]. 因此胰岛β细胞对δ细胞的调控作用最近被人们广泛关注.
胰岛素对于δ细胞的作用在不同实验条件下结果不同. 通过灌流胰岛素抗体[32]发现胰岛生长抑素的释放量增加20倍, 但是直接给予胰岛素刺激发现既有增强生长抑素分泌的现象, 也有对生长抑素分泌具有抑制作用或者没有影响的现象[33~35]; 而长时间24 h的胰岛素刺激导致胰岛δ细胞分泌功能下降(未发表数据). 尿皮素3是一种压力激素, 在成熟的胰岛β细胞中表达, 随着胰岛素的分泌而释放到细胞间隙中作用于δ细胞[31]. 最近的研究表明, 糖尿病病人的尿皮素3含量明显减少, 而尿皮素3敲除的小鼠会导致糖代谢异常.
本实验室近期发现短期的尿皮素3刺激能够促进生长抑素分泌, 同时4个小时以上的尿皮素3刺激通过降低CRL4B/PRC2转录抑制复合物中的关键蛋白 Cul4B和EZH2的表达, 使胰岛δ细胞中的钙离子通道 Cav1.2和腺苷酸环化酶AC6的表达增加, 增强δ细胞的分泌功能, 使胰岛δ-β细胞环路受到适应性调节. 进一步将Cul4B在胰岛δ细胞中敲除, 能显著抑制胰岛素的正常分泌功能, 破坏胰岛和血糖稳态(图1D)[4]. 研究表明, 胰岛δ-β环路的缺失或者过度激活都会导致胰岛功能的紊乱, 充分说明了胰岛δ-β环路在胰岛稳态和血糖稳态调节中的重要性.
总的来说, 胰岛δ-β细胞环路是一个负反馈环路, β 细胞分泌的激素一般情况下使δ细胞分泌增强, 而δ细胞分泌的激素反过来抑制β细胞分泌功能.
2.2 胰岛δ-β细胞环路的调节
神经系统和多种激素对胰岛δ-β环路具有调节作用, 但相关研究仍然较少. 我们最近的研究表明, β肾上腺素受体在胰岛δ细胞中表达, 促进δ细胞中生长抑素的合成与分泌, 促进δ细胞对β细胞的抑制作用(图 1F). 肾上腺素激活胰岛中的β1/2-肾上腺素受体后, 会通过Gs-PKA-CREB以及β-arrestin-1-ERK-Pax6信号通路促进生长抑素的合成, 对胰岛稳态有重要的调节作用[2].
乙酰胆碱对胰岛δ-β细胞环路的调节较复杂. 在小鼠和大鼠(Rattus norvegicus)胰岛中, 乙酰胆碱作用于胰岛δ细胞的M3和M4型乙酰胆碱受体, 其中M3型受体激活Gq信号途径, 促进生长抑素的分泌, 而M4型受体激活Gi信号途径, 抑制生长抑素的分泌; 但是作用于胰岛β细胞的M3和M5型乙酰胆碱受体都促进胰岛素的分泌[36]. 而在人的胰岛中, 乙酰胆碱作用于δ细胞上的M1受体和β细胞上的M3和M5乙酰胆碱受体, 同时刺激生长抑素和胰岛素的产生[25,37], 但是对胰岛δ-β细胞环路和血糖稳态的调节还需要进一步探索.
3 胰岛α-δ细胞环路
胰岛α细胞和δ细胞之间的对话研究较少, 但是研究胰岛α细胞如何被δ细胞调控对理解血糖稳态至关重要. 糖尿病病人在低血糖时, 胰高血糖素分泌受损, 通过使用生长抑素拮抗剂可以改善低血糖时的胰高血糖素分泌不足的现象, 暗示糖尿病病人低血糖时胰岛δ细胞分泌功能过强, 并且通过旁分泌作用于α细胞[38](图 1E). 生长抑素作用于胰岛α细胞生长抑素受体SSTR, 进而通过Gi抑制腺苷酸环化酶活性, 降低cAMP水平,抑制胰高血糖素分泌; 同时抑制电压门控性Ca2+通道, 激活G蛋白偶联调节的内向整流K+ 通道, 从而抑制α细胞的电生理活动[39]. 此外, 还有研究报道, β细胞首先与δ细胞对话, 接着δ细胞抑制α细胞功能. 通过光遗传学方法特异性光刺激β细胞, 从而激活与β细胞缝隙连接偶联的δ细胞产生电活动, 分泌生长抑素, 然后通过旁分泌方式作用于α细胞上, 抑制胰高血糖素的分泌. 这种缝隙连接/旁分泌的方式约占高糖抑制胰高血糖素分泌总体效果的23%[31]. 胰岛δ细胞同时还调控胰岛 α细胞的增殖和胰高血糖素的合成. 本实验室的近期工作表明, 胰岛δ细胞敲除的新生小鼠胰岛中α细胞增多, 胰高血糖素合成增加, 但是血浆中胰高血糖素的水平并没有升高, 而血浆中胰岛素的水平明显增加[5]. 这些研究说明胰岛δ细胞调控α细胞的方式多样, 在不同发育时期, 不同血糖浓度下调控方式不同, 但具体调控机制仍有待研究.
另一方面, 胰岛α细胞如何调控胰岛δ细胞目前知之甚少. 胰高血糖素可以作用于δ细胞膜上受体, 导致胞内cAMP增加, 增强钙诱发的钙释放(calcium-induced calcium release, CICR), 触发生长抑素的释放[40]. 但是, δ细胞膜上的胰高血糖素受体表达较少, 在生理状态及疾病状态下胰岛α细胞如何与δ细胞进行对话仍不清楚.
期刊推荐：《中国科学：生命科学》(月刊)曾用刊名：中国科学C辑;中国科学(C辑:生命科学)，1996年创刊，是自然科学专业性学术刊物。任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。
4 展望
胰岛由多种细胞组成, 除了人们研究较多的胰岛β 细胞和α细胞外, 胰岛δ细胞、ε细胞和PP细胞也逐渐引起人们的兴趣. 胰岛内不同细胞之间的对话构成了胰岛环路, 对胰岛稳态的维持和正常血糖的调节发挥重要作用. 然而, 由于胰岛δ细胞、ε细胞和PP细胞数目较少, 其相关研究相对较少, 是目前胰岛功能研究的热点和难点. 应用特异的细胞标记技术, 我们和国内外同行在胰岛环路的研究中取得了初步的进展, 尤其是较深入地了解了胰岛δ细胞与β细胞之间的对话. 希望将来可以通过更深入地对胰岛环路的研究, 更好地阐明胰岛环路在胰岛功能和稳态中的调节作用, 并以此为基础, 发展出防治糖尿病的新策略.
SCISSCIAHCI
