氧化应激和缺氧在糖尿病胰腺β细胞功能障碍中的作用

游离脂肪酸刺激β细胞活性氧的形成

尽管循环游离脂肪酸（FFA）水平与肥胖、胰岛素抵抗和脂肪代谢失调之间的关系仍存在争议(85)，许多研究表明，胰岛素抵抗患者的FFA浓度较高(119)以及胰岛素反应组织中脂肪含量增加，包括骨骼肌或肝脏(75,96,137). FFA氧化抑制受损和FFA释放到血浆中的速率增加与代谢综合征典型的脂肪分布模式相关，并与内脏肥胖相关(78)和肝脏脂质积聚（非酒精性脂肪性肝病，NAFLD）(46).

高浓度的FFA可诱导多种不同组织产生ROS，包括胰腺β细胞(26,104). 许多研究已经检验了FFA诱导这种生成的机制。在血管平滑肌细胞中，有证据表明这涉及PKC依赖性NAD（P）H氧化酶的激活(72). 相反，在胰岛素分泌BRIN BD11细胞中，棕榈酸诱导的ROS生成伴随着NADPH氧化酶p47phox组分的表达增加(123)虽然这对PKC抑制剂GF109203X的作用也部分敏感。此外，油酸诱导的呼吸链抑制被证明有助于其他因素增强胰岛素分泌细胞中ROS的诱导(95).

最近的研究集中在产生ROS的亚细胞区室，特别是关于脂毒性的研究。可以证明H₂O（运行）₂过氧化物酶体而非线粒体的形成是饱和非酯化脂肪酸（NEFAs）引起毒性的原因(45). 对这些作者的进一步研究表明₂O（运行）₂不饱和NEFA可以阻止饱和NEFAs在过氧化物酶体中的形成(53).

值得注意的是，以及通过络合物I和III的抑制(173)，来自NEFAs的神经酰胺促进心脏线粒体中ROS的生成(37,62). 在β细胞中是否存在类似的机制尚待测试。

胰腺β细胞的抗氧化防御策略

鉴于上述β细胞中活性氧和氮物种的有益和有害作用，可以预计胰腺β细胞的抗氧化特性不同于其他组织。近20年前进行的研究表明，胰岛的抗氧化酶SOD、谷胱甘肽过氧化物酶，尤其是过氧化氢酶的表达水平明显低于大多数其他组织，这支持了这些细胞抵抗氧化应激的能力有限的观点(103). 事实上，过氧化氢酶的水平如此之低，以至于这种酶属于我们定义的β细胞不允许基因的类别(151,152)和其他(197). 后来的研究表明，β细胞特别富含其他基于过氧化物的抗氧化防御，如谷胱甘肽和硫氧还蛋白(74).

有趣的是，根据ROS的产生对正常β细胞功能既有必要又有潜在危险的观察结果，调节不同的抗氧化系统可以根据环境产生有利或不利的影响。例如，微量注射谷胱甘肽增强了NADPH对胞吐的影响，而硫氧还蛋白则拮抗了这种核苷酸的作用(74).

解偶联蛋白2（UCP2）的作用(21)作为β细胞中一种可能的抗氧化机制也已被评估(98,142,149,160,212). 在张的报告中等。(212)，发现UCP2缺陷小鼠具有更高的胰岛素水平，并表现出葡萄糖刺激的胰岛素分泌增加，这归因于这些小鼠中葡萄糖刺激的ATP合成增加。这一观察结果在后来的研究中得到了证实，在多次低剂量链脲佐菌素（STZ）注射诱导高血糖后，UCP2-null小鼠的β细胞功能同样得到了增强(98). 后一份报告提出，UCP2缺陷小鼠中增加慢性ROS信号增强了β细胞功能，但损害了α细胞功能，导致STZ诱导的高血糖减轻。

然而，其他关于UCP2缺失小鼠的研究得出了不同的结论。因此，在回交到高度同源背景的几代动物中检测到，UCP2缺失导致氧化应激显著增加，如抗氧化酶表达增加和硝基酪氨酸染色所示。此外，在同源背景下，UCP2-null小鼠的胰岛显示受损葡萄糖刺激胰岛素分泌，但未观察到明显的高血糖、低胰岛素血症或葡萄糖不耐受体内(142).

通过建立β细胞特异性UCP2敲除小鼠模型，进一步深入了解了这些有争议的机制。正如预期的那样，这些小鼠的胰岛细胞内ROS水平升高，但增强葡萄糖刺激胰岛素分泌。然而，UCP2BKO公司小鼠存在葡萄糖不耐症，表现出较大的α细胞面积，较高的胰岛胰高血糖素含量，以及在高糖条件下异常的ROS依赖性胰高血糖激素分泌。因此，可以得出结论，在β细胞中，UCP2有助于调节胰岛内ROS信号，该信号介导α细胞形态和胰高血糖素分泌的变化(160). 然而，应该注意的是Cre公司后一研究中使用的缺失菌株（RIP2Core）(52)众所周知，它会导致包括大脑在内的胰腺外组织的缺失(206)也表达人类生长激素(23)这两种情况都可能使上述研究结果的解释复杂化。

β细胞特异性转基因小鼠过度表达的UCP2号机组该基因没有显著改变血糖和胰岛素水平或葡萄糖诱导的胰岛素分泌(149). 在胰腺β细胞系INS-1中诱导UCP2后获得了类似的结果，其中葡萄糖诱导的胰岛素分泌没有改变。然而，UCP2水平增加导致细胞因子暴露后ROS生成减少(149)，表示潜在的保护作用。在类似的细胞系中进行的UCP2敲除实验证实了这一观察结果，该实验表明，与缺乏该因子的细胞相比，UCP2活性可以阻止葡萄糖诱导的线粒体ROS产生的增加(1).

上述结果说明了氧化磷酸化和ATP生成以及ROS生成的线粒体耦合调节器如何通过多种机制以复杂的方式影响β细胞功能。

关于人类胰岛和啮齿动物胰岛在抗氧化防御方面可能存在的差异，存在一些争议。因此，早期研究表明人类胰岛的抗氧化能力优于啮齿动物胰岛(42,43,205). 然而，这一观点后来受到报告的挑战，报告显示人类胰岛中主要抗氧化系统的水平较低(33,159,198).

有趣的是，在对小鼠的研究中观察到雄性和雌性β细胞中抗氧化水平的差异(33)和人类一样(198)表明女性氧化防御机制降低。这一观察结果在已发表的证据的背景下特别令人感兴趣，这些证据表明女性总体上能够更好地防御氧化应激(150).

作为对这一观察结果的一种可能解释，有人提出，在进化过程中，β细胞失去了一些抗氧化防御能力，以确保在压力增加的情况下减少胰岛素的作用，从而将葡萄糖重新分配给对胰岛素不敏感的器官，尤其是大脑(154). 同一作者假设，女性体内低水平的抗氧化剂有助于ROS对胰岛素分泌的抑制作用，使妊娠期间的葡萄糖水平足以满足生长中胎儿不断增加的营养需求。

图5概述了活性氧以及抗氧化剂在β细胞功能和氧化损伤中的模糊作用。

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图5：。

ROS如何影响GSIS的简单方案。1.β细胞中的葡萄糖代谢产生ROS的短暂增加。与其他葡萄糖衍生信号一起(例如.，ATP/ADP），分泌胰岛素。2.胰岛素对靶组织的作用（由虚线)导致葡萄糖摄取和净血糖水平降低。3.氧化应激促使酶和小分子抗氧化剂的增加，以清除这些自由基。4.这种抗氧化反应也有可能清除1中葡萄糖引起的瞬时生成的活性氧，从而钝化GSIS反应。5.抗氧化剂无法缓解的过度持续氧化应激可导致细胞损伤和死亡；β细胞破坏也会导致GSIS受损。【Pi和Collins转载(143)得到威利的许可]。三磷酸腺苷；活性氧。

胰岛移植中的抗氧化治疗

尽管在T2D中不是一种有用的临床模式，但2000年，Shapiro及其同事的一项研究表明，当使用无类固醇方案时，受体持续存在胰岛素独立性，因此，对1型糖尿病患者进行隔离胰岛移植成为了全器官胰腺移植的替代方案(180). 随后的数据证实了血糖控制的改善，尽管胰岛素非依赖性持续时间更短(99,181).

孤立胰岛和移植胰岛的氧化应激仍然是阻碍胰岛移植成功和功能发挥的一个问题(20). 因此，在移植之前就已经制定了减少氧化应激的策略。通过将这些化合物添加到培养的胰岛中，在分离后用SOD模拟物处理人类胰岛，使胰岛细胞质量显著提高。此外，在移植边缘胰岛块后，经STZ处理的小鼠中，经处理的胰岛在恢复血糖控制方面优于经STZ治疗的小鼠(19). 同样，诱导自由基清除血红素加氧酶-1（HO-1）能够保护胰岛免受凋亡并改善功能表现在体外以及在体内边缘大块胰岛移植模型(144).

进一步的研究旨在通过通过主胰管输注L-谷氨酰胺来治疗移植胰腺，从而在胰岛移植过程的早期引入抗氧化剂。这导致胰岛产量增加，用谷氨酰胺处理的胰岛移植使糖尿病小鼠血糖正常的百分比高于用对照胰岛移植的小鼠(7). 最近的研究表明，通过给予埃森丁-4（一种胰高血糖素样肽-1类似物），也可以降低孤立胰岛的活性氧，改善胰岛移植结果，提高糖尿病受体小鼠的存活率(136).

缺氧在β细胞死亡中的作用

长期缺氧会导致胰岛β细胞死亡，通常是坏死(55). 然而，缺氧暴露后细胞凋亡相关途径的诱导也有描述。因此，激活的caspase-3(146)HIF-1α与胰岛共定位(124)这表明细胞凋亡的激活主要发生在缺氧最严重的胰岛部分。然而，缺氧是细胞凋亡的原因还是后果仍存在争议(60).

虽然HIF诱导促凋亡途径的研究已经被描述(185)，HIF激活被认为主要是一种适应性反应，允许细胞生存当氧气含量低时。通过比较野生型胰岛和缺乏HIF-1α的胰岛的凋亡率和移植成功率，证实了这一结论(188). 后者表现出生存率受损和凋亡增加。同一项研究对HIF-1α被化学试剂上调的人类胰岛也给出了类似的结果。

的作用锌²⁺氧化应激和缺氧

锌除了在胰岛β细胞中的胰岛素储存和分泌中发挥特殊作用外，还以其抗氧化特性而闻名(22,27,147)并在动物模型中作为糖尿病的可能治疗方案进行了广泛研究(三,208,211)以及人类患者(50,63). 然而，结果并不确定，可能是因为锌摄入量的变化太小，无法改变细胞内锌的水平²⁺在一定程度上允许对氧化应激产生可测量的影响。然而，补充锌可以降低T2D常见等位基因携带者的空腹血糖水平，rs11558471(84)，在糖尿病啮齿类动物模型中的研究表明有改善胰岛素敏感性的作用(9).

在代谢综合征的治疗或预防策略中使用补锌的另一个挑战是，提供有益影响的细胞内浓度范围可能有限：从神经元组织的研究来看，众所周知，细胞内高水平的锌²⁺能够诱导活性氧的产生，并且这种影响可以通过抗氧化处理减弱(145,169). 抗氧化剂的剂量依赖性与用分离的脑线粒体也证明了锌的氧化应激诱导作用(179).

同样，Zn²⁺在缺氧作用方面具有“Janus-face”特性。如上所述，缺氧诱导胰岛细胞凋亡。锌是凋亡蛋白酶caspase-3的有效抑制剂(141)，提高缺氧暴露后的细胞存活率(15)，保护组织免受缺血诱导的损伤(203). 相反，根据对神经组织进行的实验，人们认为锌水平升高会增加组织缺血期间缺氧介导的细胞死亡(120,189). 相应地，锌可以减少这种影响²⁺螯合剂N，N，N'，N'-四（2-吡啶甲基）乙烷-1,2-二胺（TPEN）(108,204).

在胰腺β细胞中，锌对低氧介导效应的影响尚未详细研究。一般来说，众所周知，高水平的锌具有细胞毒性，并会导致胰岛细胞死亡(28,89). 相反，锌增加金属硫蛋白的表达(39,93,126)它们是胰岛和其他组织中对抗缺氧和氧化应激有害影响的保护因子(90,105).

我们自己的研究(54)揭示了缺氧对细胞溶质锌的深刻影响²⁺在胰腺β细胞中，下调锌转运蛋白ZnT8并降低细胞溶质锌水平。当比较完全缺乏ZnT8的胰岛对缺氧的反应时，我们发现在老年小鼠中这些胰岛亚群的细胞死亡率降低。因此，我们得出结论，ZnT8表达减少，细胞溶质Zn减少²⁺低氧诱导的水平可能反映了β细胞的适应性反应，通过减少高水平锌在这种急性应激情况下可能产生的有害影响，使其能够在低氧条件下存活(图9).

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图9：。

ZnT8在β细胞缺氧适应中的可能作用。缺氧诱导锌转运蛋白ZnT8下调。这可能会损害胰岛素分泌，但由此也会减少缺氧的进一步加重。此外，细胞溶质锌的连续减少²⁺在低氧应激状态下，锌的浓度可能会阻止锌的有害影响。