孫慧珍,雷水紅,龔妍春,姚麗華*

(1.江西科技師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,中國江西 南昌 330013;2.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科,中國江西 南昌 330008)

近年來,糖尿病已成為備受人們關(guān)注的重大疾病之一。有資料顯示,糖尿病與循環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)(包括血管功能障礙)高度相關(guān),而血管功能障礙可能影響各種離子通道[1]。此外,胰島素分泌減少或敏感性降低會導(dǎo)致體內(nèi)代謝紊亂[2],這也是糖尿病產(chǎn)生的重要原因。胰島素是機體內(nèi)唯一降低血糖的激素,由胰島β細胞分泌[3],可以通過促進肌肉和脂肪組織對葡萄糖的攝取、合成糖原和生成脂肪來增加葡萄糖的消耗[4]。研究表明,胰島素分泌是一個極其復(fù)雜的過程,在這一過程中,胰島β細胞膜上的離子通道起著重要作用,其中起主要調(diào)控作用的是鈉離子通道、鉀離子通道和鈣離子通道。

1 胰島素的分泌機制

胰島素是維持機體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)的一種重要激素,是治療糖尿病的主要手段,尤其是對于1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus,T1DM)患者,胰島素是必需藥物[5]。有資料顯示,胰島β細胞對機體的血糖水平較為敏感,當(dāng)體內(nèi)血糖水平偏高時,胰島β細胞可通過分泌胰島素進入血液循環(huán)來促進葡萄糖的利用并抑制糖異生,從而使體內(nèi)血糖水平降低;當(dāng)體內(nèi)血糖水平低下時,胰島素分泌則受到抑制[6]。

胰島素的分泌不僅與膜電位變化有關(guān),而且與細胞內(nèi)Ca2+濃度的變化密切相關(guān),除此之外,動作電位(action potential,AP)的產(chǎn)生對胰島素分泌也至關(guān)重要[7～8]。資料顯示,胰島素的釋放依賴于β細胞膜上低親和力葡萄糖轉(zhuǎn)運體內(nèi)流的葡萄糖所引發(fā)的動作電位,這是β細胞的主要電信號,主要由離子通道的協(xié)同激活形成[9～10]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)胞外葡萄糖濃度升高時,葡萄糖的快速攝取和隨后的糖代謝會導(dǎo)致細胞內(nèi)ATP增加,ATP/ADP比值的升高使ATP敏感鉀離子通道(ATP-sensitive K+channels,KATP)關(guān)閉,這一關(guān)鍵通道的關(guān)閉會導(dǎo)致膜去極化,細胞興奮性增加,從而進一步打開電壓門控鈣離子通道(voltage-gated calcium channel,CaV),增加鈣內(nèi)流,使細胞內(nèi)Ca2+濃度增加,激活存儲胰島素分泌通路信號,促進胰島素分泌[11～13]。綜上可知,調(diào)節(jié)離子通道的電活動可以調(diào)控胰島素分泌,離子通道與胰島素分泌密切相關(guān)(圖1)。

圖1 胰島素的分泌機制[11～13]Fig.1 The mechanism of insulin secretion[11～13]

2 離子通道與胰島素分泌

糖尿病是一組以高血糖為特征的代謝性疾病。具有電活性的胰島β細胞可以通過分泌胰島素來調(diào)節(jié)體內(nèi)血糖水平,而在胰島素分泌這一過程中,胰島β細胞膜上離子通道的活動在刺激-分泌耦聯(lián)中具有重要作用[9,11],這提示糖尿病的發(fā)生可能與某些離子通道的功能缺陷有關(guān)。因此,研究胰島β細胞膜上某些離子通道的特性,有助于人們進一步解析糖尿病發(fā)病機制,從而為糖尿病的精準治療提供重要參考依據(jù)。

2.1 鈉離子通道對胰島素分泌的作用

鈉離子通道是選擇性允許Na+跨膜通過的內(nèi)向離子通道,其功能是維持細胞膜興奮性及其傳導(dǎo),主要存在于神經(jīng)元、內(nèi)分泌細胞和肌肉細胞等興奮性細胞中。目前發(fā)現(xiàn)的存在于胰島β細胞中的鈉離子通道主要包括電壓門控鈉離子通道(voltage-gated sodium channel,VGSC)和乙酰膽堿(acetylcholine,Ach)激活的配體門控鈉離子通道[11]。

VGSC在可興奮性細胞動作電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)過程中具有重要作用[14]。關(guān)于VGSC功能的直接報道首次出現(xiàn)在20世紀80年代,當(dāng)時研究人員在RINm5F細胞中發(fā)現(xiàn)了一種短暫內(nèi)向Na+電流,其可以被2.5 mg/mL河豚毒素(tetrodotoxin,TTX)阻斷[15]。后來也有研究證明,TTX可以抑制Na+電流,阻斷葡萄糖依賴性線粒體[Ca2+]i升高、線粒體代謝活性和ATP的產(chǎn)生,進而降低葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose-stimulated insulin secretion,GSIS)[16～17]。目前,雖然很多研究已經(jīng)證明VGSC與胰島素分泌密切相關(guān),但迄今為止,關(guān)于鈉離子通道在胰島素分泌過程中的具體作用還存在爭議。有研究通過敲除C57Bl6/J小鼠的Scn1b基因發(fā)現(xiàn),胰島細胞中NaV1.7輔助β1亞基(Scn1b)的遺傳缺失會損害GSIS[18]。但另有研究發(fā)現(xiàn),敲除NaV1.3α亞基Scn3a可抑制GSIS,但小鼠的胰島素分泌不受NaV1.7的影響[19]。而Szabat等[20]發(fā)現(xiàn),敲除NaV1.7(Scn9a)可以顯著增加胰島素含量,即胰島素分泌與NaV1.7有關(guān)。此外,有資料顯示,三分之二NaV1.7功能獲得性突變的患者也發(fā)展為糖尿病[21],這表明VGSC的增加可能導(dǎo)致糖尿病表型,但需要進一步的研究來支持這一結(jié)論。

Ach作為迷走神經(jīng)的遞質(zhì),具有增加胰島β細胞釋放胰島素和增強葡萄糖依賴的電活動的作用[22]。陶峰等[22]指出,Ach能通過毒蕈堿受體1(muscarinic receptor 1,M1)的介導(dǎo)增強β細胞電活動,且Ach能激活TTX敏感的鈉通道,發(fā)生Na+內(nèi)流而使膜去極化。另外,有資料顯示,胰島上具有膽堿能神經(jīng)纖維,電刺激迷走神經(jīng)或服用膽堿能藥物可以增強胰島素釋放,在胰島素釋放受到最大葡萄糖刺激的情況下,Ach能使β細胞去極化,并延長動作電位的重復(fù)放電周期[23～24]。早期,Gagerman等[23]發(fā)現(xiàn),阿托品可以抑制Ach的電效應(yīng),但不能單獨抑制葡萄糖的電效應(yīng),這提示膽堿能增強胰島素釋放可能是通過改變跨膜離子通道活性實現(xiàn)的。后來有研究表明,Ach可以促進胰島中Na+的攝取[24]。這些結(jié)果都提示,胰島素分泌可能與Ach激活的配體門控鈉離子通道有關(guān)。

近年來,我們團隊通過全細胞膜片鉗技術(shù)以及細胞生物學(xué)方法對VGSC在胞外血糖調(diào)節(jié)中的作用進行了系列研究。首先,以INS-1細胞(大鼠胰島細胞瘤細胞,胰島素分泌機制研究的常用模式細胞,對葡萄糖具有穩(wěn)定的強烈響應(yīng)特性,適合進行生化相關(guān)的分子研究,且不會增加表型漂移的復(fù)雜性[25])為研究對象,采用胞外不同濃度的血糖刺激研究了VGSC對胞外葡萄糖水平的響應(yīng)作用,發(fā)現(xiàn)胞外血糖濃度的增加可以明顯抑制VGSC的活性,且這種抑制作用呈濃度依賴性。同時,我們還發(fā)現(xiàn)18 mmol/L葡糖糖部分抑制了VGSC通道活性,但增加了胞內(nèi)胰島素的合成水平,表明在INS-1細胞中VGSC活性的改變參與了葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)過程[26]。基于上述研究,我們團隊還對馬齒莧多糖(polysaccharide isolated from Portulaca oleracea L.,POP)基于VGSC調(diào)控INS-1細胞胰島素分泌的作用進行了研究[27～28]。結(jié)果顯示,POP在部分降低VGSC活性的同時,可以明顯提高INS-1細胞的存活率,促進胰島素的合成[27]。目前,針對VGSC參于血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的爭議主要集中在其活性的改變與胰島素合成分泌的內(nèi)在關(guān)系。有的研究發(fā)現(xiàn),VGSC活性的增加可以促進胰島細胞胰島素的分泌,從而發(fā)揮胞外血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的作用[29],而我們團隊的上述研究卻明確提示,VGSC參與胰島細胞血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)活動與其通道活性的部分抑制密切相關(guān),而且,我們的這一觀點也得到了相關(guān)研究[30]的支持。針對上述爭議,我們分析可能與以下兩點因素有關(guān):第一,VGSC活性的改變對細胞活性狀態(tài)的影響。已有研究發(fā)現(xiàn),VGSC活性的過度激活,導(dǎo)致細胞持續(xù)去極化或過度去極化,從而給細胞的健康帶來負面影響,并最終影響細胞的胰島素合成與分泌能力[15,30]。因此,適度降低VGSC活性有助于促進血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)活動,很有可能與細胞健康狀態(tài)的改善相關(guān);第二,VGSC活性的改變與血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)活動之間存在其他調(diào)控路徑的復(fù)雜影響。例如:VGSC特異性抑制劑TTX可以抑制線粒體中的胰島素分泌,阻斷葡萄糖依賴性線粒體Ca2+濃度的升高以及線粒體代謝活性和ATP的產(chǎn)生,而線粒體的代謝活性和ATP的產(chǎn)生對于細胞膜與線粒體之間的功能互作至關(guān)重要,同時這些相互作用涉及與β細胞中胰島素分泌相關(guān)的Ca2+信號傳導(dǎo)[16]。這也提示我們,VGSC還可通過細胞間Ca2+釋放調(diào)節(jié)胰島素分泌,改變線粒體能量代謝。而我們也通過實驗發(fā)現(xiàn),POP在部分抑制VGSC活性的同時,可以提高INS-1細胞內(nèi)Ca2+濃度和線粒體膜電位,引起細胞膜去極化,促進ATP的合成和胰島素分泌[28]。除此之外,我們還發(fā)現(xiàn)POP可以通過調(diào)控NaV1.3和NaV1.7蛋白的表達,調(diào)節(jié)INS-1細胞胰島素的分泌與合成[28]。當(dāng)然,要確切闡明VGSC參于血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的具體機制,開展針對性的離子通道電生理研究與分子生物學(xué)研究還是很有必要的。

2.2 鉀離子通道對胰島素分泌的調(diào)控

鉀離子通道是選擇性允許K+跨膜通過的外向離子通道,是目前發(fā)現(xiàn)的離子通道中種類最多、存在最廣泛且作用最復(fù)雜的一類離子通道,其與多種生命活動密切相關(guān),因此在胰島素的內(nèi)分泌調(diào)控研究中,關(guān)于鉀離子通道的研究相對較多,且爭議也相對較少。大量研究已經(jīng)表明,胰腺β細胞中鉀離子通道在胰島素分泌中起著關(guān)鍵作用[1,8,31～45],其中KATP、電壓門控鉀離子通道(voltage-gated K+channels,KV)以及鈣激活的鉀離子通道(Ca2+-activated K+channels,KCa)是參與胰島素分泌的幾個主要離子通道[15]。

KATP存在于包括大腦、胰腺、平滑肌和骨骼肌在內(nèi)的多種組織中,被認為是一種代謝傳感器,通過控制細胞膜電位將細胞代謝與電活動聯(lián)系起來,是胰腺β細胞中刺激-分泌耦聯(lián)的重要組成部分,其介導(dǎo)的K+外流在維持低血糖水平下β細胞的靜息電位中起著重要作用,且此時胰島素分泌只發(fā)生在基礎(chǔ)水平[5,8]。Alexander等[31]首次描述了KATP通道,該通道對鉀具有高度選擇性,可以通過響應(yīng)血漿葡萄糖水平的波動來調(diào)節(jié)胰島素分泌,因此是葡萄糖穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)器。有研究表明,KATP通道由內(nèi)向整流Kir6和磺酰脲受體(sulfonylurea receptor,SUR)組成,其中,SUR1受體負責(zé)核苷酸結(jié)合和核苷酸結(jié)合折疊的水解,Kir6.2亞基負責(zé)孔的形成和離子選擇性。大量資料顯示,KATP通道活性抑制劑——磺酰脲類降糖藥(sulphonylureas,SU)就是通過與SUR受體或Kir6.2亞基相互作用而發(fā)揮作用[32～33]。Koster等[34]研究發(fā)現(xiàn),在小鼠中過度表達ATP不敏感的Kir6.2會導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)糖尿病癥狀;在新生兒糖尿病患者中,Kir6.2和SUR1基因存在突變。另外,有資料顯示,Kir6.2的E23K變異與口服葡萄糖耐量試驗(oral glucose tolerance test,OGTT)后血清胰島素反應(yīng)受損和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)風(fēng)險增加相關(guān)[35]。除此之外,研究發(fā)現(xiàn),細胞內(nèi)ATP/ADP比值影響KATP通道活性,血糖濃度升高會影響代謝活動,使細胞內(nèi)ATP增加,由此產(chǎn)生的ATP/ADP比值升高會使KATP通道關(guān)閉,進而導(dǎo)致膜去極化,促進細胞電活動增加,同時細胞內(nèi)Ca2+增加,引起胰島素分泌,而在該通道開放情況下,β細胞會發(fā)生超極化,使胰島素分泌受到抑制,所以,KATP通道對ATP/ADP升高的反應(yīng)性降低會導(dǎo)致胰島素分泌減少和糖尿病[1,34,36]。

KV是受電壓調(diào)節(jié)的離子通道,是動作電位復(fù)極化、鈣離子通道關(guān)閉和限制胰島素分泌的潛在介質(zhì)[37]。有資料顯示,KV的循環(huán)激活產(chǎn)生向外的“延遲整流”鉀電流,鉀電流驅(qū)動每個脈沖的復(fù)極化階段,這種復(fù)極化會使β細胞CaV關(guān)閉,從而阻斷β細胞CaV所觸發(fā)的胰島素分泌[38～39]。胰腺β細胞中有許多不同的KV通道亞基,如:KV1.4、KV1.6、KV2.1和KV3.2[39],其中KV2.1是哺乳動物β細胞中發(fā)現(xiàn)的延遲整流電流的主要組成部分,其促進β細胞去極化誘導(dǎo)的胰島素胞吐作用,并且在β細胞胰島素分泌爆發(fā)期間參與了空腹血糖的維持[39～41]。研究顯示,敲除KV2.1基因會使KV電流降低,動作電位的持續(xù)時間增加,且在響應(yīng)葡萄糖刺激時胰島β細胞能分泌更多胰島素[41]。另有研究報道,編碼KV1.7的基因位于19號染色體(19q13.3)上的一個區(qū)域,該區(qū)域具有一個糖尿病易感性位點。Finol-Urdaneta等[39]發(fā)現(xiàn)conkunitzin-S1可通過降低KV1.7介導(dǎo)的β細胞延遲整流電流來增加GSIS,從而增加動作電位放電和細胞質(zhì)內(nèi)的游離鈣。其他表達并調(diào)控人類β細胞功能的KV通道還包括HERG通道及編碼KV11.1和KV11.2的相關(guān)基因[21]。KV11.1功能缺失會導(dǎo)致胰島素分泌增加和低血糖[42],而且,編碼KV11.2的KCNH6基因的功能缺失會導(dǎo)致青年成熟型糖尿病[43]。上述成果均為基于KV通道治療糖尿病的研究提供了可能性。

KCa是同時受Ca2+濃度和膜電壓調(diào)節(jié)的離子通道,其響應(yīng)細胞內(nèi)Ca2+濃度的升高而激活,可以調(diào)節(jié)細胞膜電位與細胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流的關(guān)系,而Ca2+內(nèi)流是囊泡胞吐的主要決定因素[44]。KCa通道按照其電導(dǎo)大小分為小電導(dǎo)鈣激活的鉀離子通道(small-conductance Ca2+-activated K+channel,SK)和大電導(dǎo)鈣激活的鉀離子通道(large-conductance Ca2+-activated K+channel,BK),其中BK通道在調(diào)節(jié)細胞內(nèi)新陳代謝和Ca2+的平衡中發(fā)揮了重要作用。Braun等[17]研究發(fā)現(xiàn),阻斷BK通道可使動作電位振幅增加70%,促進胰島素分泌,且膜復(fù)極化過程需要BK通道參與。隨后,也有研究發(fā)現(xiàn),阻斷BK通道可使流入β細胞的Ca2+和GSIS增加[45]。以上這些研究都說明,胰島素分泌與KCa通道有關(guān)。

2.3 鈣離子通道對胰島素分泌的調(diào)控

鈣離子通道是Ca2+在細胞內(nèi)外以及細胞器和細胞質(zhì)之間流動的蛋白質(zhì)復(fù)合體[36]。它存在于機體各種組織細胞中,是調(diào)節(jié)細胞內(nèi)Ca2+濃度的主要途徑。一般認為,膜上主要存在兩類鈣離子通道,即CaV和受體激活的鈣通道。大量研究已經(jīng)表明,CaV與胰島素分泌有密切關(guān)系[46～51]。

CaV是可興奮細胞參與多種生理功能所必需的,包括遞質(zhì)釋放和激素分泌、興奮-轉(zhuǎn)錄耦合和興奮-收縮耦合[46],也是β細胞外鈣內(nèi)流的主要通道[7],在胰島β細胞維持血糖穩(wěn)態(tài)這一過程中具有重要作用。葡萄糖誘發(fā)的胰島素分泌需要細胞外Ca2+的存在,Ca2+通過CaV通道流入胞內(nèi)觸發(fā)胰島素分泌,是該通道調(diào)節(jié)胰島β細胞分泌胰島素的一個重要途徑[17]。根據(jù)電生理學(xué)特點,CaV通道主要包括L、P/Q、N、R和T等幾種分型,可能所有類型的CaV通道都參與了胰島素分泌的調(diào)節(jié)[38],但L型CaV通道是觸發(fā)胰島素分泌所必需的[7,47]。已有資料顯示,刺激胰島素分泌所需的Ca2+濃度的持久變化只能通過緩慢失活的L型Ca2+通道實現(xiàn),而不能通過快速失活的T型Ca2+通道實現(xiàn),且在人β細胞中,阻斷L型Ca2+通道可完全抑制葡萄糖誘導(dǎo)的動作電位和胰島素分泌[46]。另外,作為一種旁神經(jīng)元,β細胞具有多種CaV通道,主要包括CaV1、CaV2和CaV3[48],但在Ca2+觸發(fā)的胰島素分泌過程中,CaV1通道亞型起主要作用[39]。位于β細胞上的CaV1通道有兩種亞型,即CaV1.2和CaV1.3[48]。研究發(fā)現(xiàn),缺乏CaV1.2亞型的小鼠β細胞CaV通道會使電流降低且胰島素分泌減少,從而使機體出現(xiàn)糖耐量受損現(xiàn)象[49]。Yang等[50]通過對CaV1通道敲除的小鼠胰腺β細胞進行研究發(fā)現(xiàn),CaV1.2和CaV1.3通道的超極化能使全細胞的CaV通道電流加強,CaV通道的開放率和通道數(shù)量增加,且增加胰島素分泌。另有研究報道,Tdp-43(TARDBP編碼的TAR DNA結(jié)合蛋白43 kD)缺失通過下調(diào)CaV1.2通道來抑制胞吐,從而減少MIN6細胞和TARDBP基因敲除小鼠的早期胰島素分泌;過表達CaV1.2通道可使TARDBP基因敲除的MIN6細胞恢復(fù)早期胰島素分泌[51]。此外,有研究證明CaV的功能獲得性突變會導(dǎo)致高胰島素血癥和低血糖癥。例如:與Timothy相關(guān)的CaV1.2通道的功能獲得性突變會導(dǎo)致間歇性低血糖,這可能是胰島素分泌增強所致[52];CaV1.3通道的功能獲得性突變會導(dǎo)致高胰島素血癥和低血糖[53]。由于增強的CaV激活會導(dǎo)致胰島素分泌增加,所以可以預(yù)測CaV活性降低會減少胰島素分泌并導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生[21]。以上這些結(jié)果無疑都表明,胰島素的分泌與CaV1.2通道和CaV1.3通道有著密切關(guān)系,所以CaV1.2通道和CaV1.3通道可能可以作為潛在的治療糖尿病的靶點。

2.4 鈉鉀鈣三種離子通道相互作用對胰島素分泌的調(diào)控

胰島β細胞功能的發(fā)揮和存活依賴于一系列離子事件組成的復(fù)雜電信號系統(tǒng),即Na+、K+、Ca2+等離子的跨細胞膜活動,這些電信號系統(tǒng)可以對β細胞的多種活動進行調(diào)控,尤其是GSIS[38]。而在調(diào)控胰島素分泌過程中鈉離子通道、鉀離子通道和鈣離子通道之間是互相作用的。

胰島素分泌是由Ca2+依賴的動作電位爆發(fā)引起的,而β細胞電活動的目標(biāo)是生成啟動胰島素分泌的信號,即細胞內(nèi)Ca2+濃度增加[54]。在血漿葡萄糖水平升高的情況下,葡萄糖的攝取、β細胞的代謝被啟動,并導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)核苷酸濃度變化,從而使KATP通道關(guān)閉,抑制K+外流,引起細胞膜緩慢去極化[55]。當(dāng)去極化進行到某一臨界值,即達到細胞膜的閾電位時,鈉離子通道和鈣離子通道開放,胞外的Na+、Ca2+內(nèi)流,使細胞膜進一步去極化,從而刺激胰島β細胞分泌胰島素。之后,KV通道開放,產(chǎn)生緩慢激活的K+電流,并以此參與細胞膜復(fù)極化階段,復(fù)極化使CaV通道關(guān)閉,阻斷CaV通道介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流及其所誘發(fā)的胰島素分泌作用[37,39](圖2)。另外,當(dāng)血糖水平降低時,代謝被抑制,KATP通道打開,開放的KATP通道通過調(diào)節(jié)葡萄糖濃度和K+外排,維持β細胞膜的負電位,而這個負電位會導(dǎo)致CaV通道關(guān)閉,從而抑制β細胞的電活動和胰島素分泌作用[1,54]。由此可見,胰島β細胞膜上Na+、K+、Ca2+等離子通道之間的相互影響、相互作用在胞外血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。

圖2 鈉鉀鈣3種離子通道相互作用對胰島素分泌的調(diào)控[36～37,39,55]Fig.2 Regulation of insulin secretion by interaction between ion channels[36～37,39,55]

3 離子通道藥物在糖尿病臨床治療中的應(yīng)用

離子通道是一種膜蛋白,參與了細胞眾多的生理功能和病理過程。研究發(fā)現(xiàn),多種疾病與離子通道的突變或功能障礙有關(guān),因此,離子通道是多種疾病的重要治療靶點。迄今為止,有1 300多種藥物被批準用于治療不同類型的疾病,其中13.4%(170～180種)的藥物靶向于離子通道[1]。鑒于離子通道與胰島素的分泌密切相關(guān),很多離子通道抑制劑[32～33,56～60](表1)在糖尿病的臨床治療中發(fā)揮著不可或缺的作用。

表1 可用于糖尿病治療的離子通道抑制劑及其潛在的藥物靶點Table 1 Ion channel inhibitors for the treatment of diabetes and their potential drug targets

目前,雖已有大量研究證實,鈉鉀鈣3種離子通道均與胰島素分泌密切相關(guān),但在糖尿病臨床治療上所使用的藥物主要是針對鉀離子通道不同亞型的一些離子通道抑制劑,其中應(yīng)用較為廣泛的是SU。SU是臨床應(yīng)用最早、最廣泛,種類最多的口服降糖藥。SU用于通過飲食、鍛煉控制無效,且身體消瘦的2型糖尿病患者。該類藥物主要通過KATP通道發(fā)揮降糖作用,即KATP通道上的一個特定位置被SU占據(jù),導(dǎo)致KATP通道關(guān)閉,隨后鈣離子通道打開,胞內(nèi)Ca2+濃度增加,觸發(fā)胰島素分泌[61～62]。該類藥物有一個共同的分子結(jié)構(gòu)R1-SO4NHCONH-R2,其中R1和R2被不同的基團取代,構(gòu)成不同的降糖藥物[63]。第一代SU(如甲苯磺丁脲、氯黃丙脲)副作用較大,已很少使用,目前臨床上常用的SU為二代和三代,如第二代的格列本脲、格列齊特、格列吡嗪、格列喹酮以及第三代的格列美脲。除刺激胰島細胞釋放胰島素外,磺酰脲類藥物還可以降低肝胰島素清除率,減少胰高血糖素分泌,增強外周組織對胰島素的敏感性[62,64]。需要指出的是,該類藥物的安全性和臨床實用性仍需要關(guān)注,特別是該類藥物使用所帶來的一些潛在副作用(如低血糖、體重增加、心血管風(fēng)險)[61]。

除上述藥物之外,天然產(chǎn)物也是離子通道調(diào)節(jié)劑的重要來源。目前,已有資料顯示,天然產(chǎn)物及其活性成分(多糖類、黃酮類、生物堿類、苷類等)在治療糖尿病方面有顯著的療效且副作用小,其作用機制與多種因素有關(guān),其中包括調(diào)控胰島β細胞膜上的離子通道[36]。有研究發(fā)現(xiàn),文多靈(vindoline,長春花生物堿)可以通過抑制KV2.1通道,降低電壓依賴性外向鉀電流,促進胰島素分泌,并且其在抑制KV2.1后,可以使β細胞免受細胞因子誘導(dǎo)的凋亡[65];京尼平苷(geniposide,梔子提取物)不僅作用于KV通道,而且可以激活CaV通道,增強向內(nèi)的Ca2+電流密度,促進胰島素分泌[66]。相信,隨著離子通道對胰島素分泌調(diào)控機制研究的不斷深入,未來可供臨床選擇的以離子通道為靶點的降糖藥物會越來越多。

4 小結(jié)與展望

胰島β細胞的主要生理功能是分泌胰島素,在維持體內(nèi)血糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用,而其在釋放胰島素過程中會發(fā)生一系列離子活動,即Na+、K+、Ca2+等離子的跨膜轉(zhuǎn)運。由上所述可知,鉀離子通道和鈣離子通道是β細胞膜上最活躍的離子通道,也是研究較為深入的離子通道。研究表明,KATP通道介導(dǎo)的K+外流對維持細胞的靜息膜電位以及β細胞低水平興奮性具有重要作用;CaV介導(dǎo)的外鈣內(nèi)流能直接刺激胰島素分泌顆粒的運輸和胞外分泌,是調(diào)節(jié)β細胞分泌胰島素的重要途徑;而KV通道可以在去極化后緩慢激活并產(chǎn)生向外的“延遲整流”鉀電流,介導(dǎo)動作電位的復(fù)極化階段,從而抑制胰島素的分泌。目前,針對鉀通道、鈣通道的研究已經(jīng)較為明朗,但鈉離子通道的作用還具有爭議性。雖然我們團隊的研究結(jié)果已經(jīng)表明鈉離子通道活性的改變在胰島素分泌過程中同樣發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用,但具體調(diào)控機制仍有待進一步確定,所以接下來我們將繼續(xù)借助膜片鉗技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)等手段,在已有研究的基礎(chǔ)上,對 VGSC 以及 Na+、K+、Ca2+等離子通道參與機體血糖穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系進行深入研究。相信,人們對離子通道在調(diào)控胰島素分泌方面的深入研究,將有助于進一步解析糖尿病的發(fā)病機制,最終為糖尿病的精準治療提供理論依據(jù)。