摘要
葡萄糖脂毒性(glucolipotoxicity)的概念是指葡萄糖和脂肪酸水平升高，對胰腺β-細胞功能和存活的組合的有害影響。近年來，為了更好地理解β細胞中葡萄糖脂毒性的細胞和分子基礎，已經取得了顯著的進展。葡萄糖升高的允許作用(permissive effect)對脂肪酸幹(fatty acids stems)的有害作用，源於葡萄糖對細胞內脂肪酸代謝的影響，促進細胞脂質的合成。過量水平的脂肪酸和葡萄糖的組合，因此導致胰島素分泌的減少，胰島素基因表達的受損和通過凋亡的β細胞死亡，所有這些可能具有不同的基礎機制。最近的研究已經確定了，涉及脂肪酸抑制胰島素基因表達的幾種途徑，包括細胞外調節激酶（ERK1 / 2）途徑；代謝傳感器Per-Arnt-Sim激酶（PASK）；和ATF6分支的展開蛋白反應。還已經在大鼠體內證實，胰島素基因表達的減少是在任何可檢測的胰島素分泌異常之前的早期缺陷。雖然葡萄糖脂毒性在人類中的作用仍然爭論，慢性升高的脂肪酸水平的抑制作用，已經在幾項研究中清楚地證明，至少在遺傳易感發展為2型糖尿病的個體中。因此，醣脂毒性有可能導致2型糖尿病中的β細胞衰竭，以及在疾病發作後觀察到的β細胞功能的下降。
關鍵詞：脂肪酸，葡萄糖，朗格漢斯的胰島，糖尿病，胰島素
一、前言
在過去的20年中，胰腺β細胞功能障礙在2型糖尿病發展中的中心作用，已經越來越受歡迎。現在普遍接受的是，當胰島素阻抗響應於環境線索，如肥胖症時，一種遺傳傾向個體的子集不能充分補償增加的胰島素需求，並且隨後發生β細胞衰竭。此外，人類的縱向研究已經清楚地表明，在診斷2型糖尿病後的幾年中，β細胞功能惡化，而不管治療方案。雖然這種代謝惡化的原因是未知的，已經提出了幾種假設。在他們之中，慢性高血糖症（葡萄糖毒性），慢性血脂異常（脂毒性），或兩者的組合（醣脂毒性），已經假定有助於β細胞功能隨時間的惡化，造成代謝異常損害胰島素分泌的惡性循環，這進一步加劇了代謝紊亂等。儘管葡萄糖或脂肪酸的水平升高，本身可以證明在許多實驗系統中對β細胞功能具有有害影響，但是兩種營養素的組合是協同有害的，這導致了醣脂毒性的概念。然而，儘管多年的調查和重大進展，發現的基本的分子和細胞機制的醣脂毒性，其對β細胞衰竭2型糖尿病的貢獻仍然有爭議。研究推測這種不確定性源於幾個原因。首先，由於其長期設計的本質，測試慢性代謝干擾和功能結果之間的因果關係的實驗是混雜的變量，因此很難解釋。第二，體內模型的固有局限性，促使許多體外系統的發展來測試假設和定義其基礎機制。如本評論中進一步討論的，這些系統也有重要的警告。第三，也許最重要的是，對於糖脂毒性的定義沒有明確的共識。雖然其根（毒性）意味著細胞死亡的存在，但是它通常更寬鬆地用於指高葡萄糖和升高的脂質的組合對β細胞的功能作用，例如胰島素分泌或基因表達。此外，雖然醣脂毒性的概念隱含地指慢性情況，但慢性的概念是可變的，跨越從離體細胞培養的幾小時到糖尿病患者的多年。這是特別有問題的，因為脂肪酸對β細胞功能，急性刺激但長期抑制具有雙重和時間依賴性效應。因此，實際上與研究它的組一樣多的術語醣脂毒性的定義，其在該領域中造成混亂。為了本文的目的，建議定義葡萄糖脂毒性作為升高的葡萄糖和脂肪酸水平對胰腺β-細胞功能和/或存活的組合的有害影響。這項審查的重點是在體外和體內研究醣脂毒性領域的最新發展。
二、β細胞中葡萄糖脂毒性的細胞和分子機制
考慮到在體內設計機械研究，以研究燃料過量供應的慢性效應的複雜性，已經使用許多使用胰島素分泌細胞和分離的胰島的體外模型來鑑定醣脂毒性的細胞和分子基礎。在這些系統中相關於，長時間暴露於升高水平的脂肪酸與葡萄糖誘導的胰島素分泌的抑制，胰島素基因表達的障礙，以及通過凋亡誘導細胞死亡。重要的是，幾個這些研究提供了證據表明，脂毒性僅發生在伴隨升高的葡萄糖水平的存在，觀察也證實在體內。葡萄糖的這種允許效應的生物化學基礎將首先在本節中討論，隨後是對β細胞上葡萄醣脂毒性的功能表現（胰島素分泌，胰島素基因表達和細胞存活）的機制的綜述。
2.1.
涉及葡萄糖脂毒性的生物化學途徑和脂質中間體
葡萄糖的允許效應關於慢性脂肪酸幹的有害作用，從其對脂肪酸的細胞內代謝的影響。Prentki和Corkey首先提出葡萄糖決定在胰腺β細胞中的脂肪酸分配（圖1）。在低葡萄糖濃度下，脂肪酸通過肉鹼 - 棕櫚醯轉移酶-1（CPT-1）轉運到線粒體用於β-氧化，其基本上沒有功能結果。相比之下，當葡萄糖和脂肪酸濃度都升高時，葡萄糖的細胞內代謝導致cataplerotic信號（例如檸檬酸鹽）的形成和在細胞溶質中丙二醯輔酶A的產生。由於脂肪酸合酶活性低於β細胞中的乙醯-CoA羧化酶，丙二醯輔酶A的主要作用是抑制CPT-1活性，其反過來阻斷脂肪酸氧化，並導致累積長鏈醯基輔酶A（LC-CoA）在細胞質中。胞質LC-輔酶A的積累，無論是直接或通過產生脂質衍生的信號，都不利地影響β細胞功能。除了它的代謝作用引導脂肪酸分割成酯化，葡萄糖協同激活涉及脂肪生成基因的表達。在這種機制的關鍵角色是酶AMP活化蛋白激酶（AMPK），作為代謝傳感器，在面對營養過量供給時，將β細胞導向“儲存模式”如在肌細胞中，肝細胞。事實上，AMPK活性與葡萄糖濃度成反比，並且由棕櫚酸(palmitate)刺激在β細胞。在AMPK的下游，轉錄因子固醇調節元件結合蛋白1c（SREBP1c），其調節控制脂肪酸合成的基因的表達，將AMPK感測的代謝信號轉化為基因表達的變化，導致脂肪生成的增強。葡萄糖還增加肝X受體（LXR）的表達，其然後有助於增強SREBP1c表達和脂質合成。
圖
1、葡萄糖對β細胞中脂質分配的影響。
在葡萄糖和脂肪酸（FA）水平同時升高的情況下，葡萄糖代謝引起的胞質丙二醯輔酶A的增加，抑制肉鹼棕櫚醯轉移酶-1（CPT-1）。長鏈醯基輔酶A（LC-CoA）在粒線體中的運輸減少，酯化途徑優先激活，導致脂質衍生的信號分子，例如神經醯胺，甘油二酯（DG），磷脂酸（PA），磷脂（PL）和甘油三酯（TG）的胞質積累。
雖然現在普遍接受的是，脂肪酸分配朝向酯化和細胞脂質合成，支持胰腺β-細胞中葡萄醣脂毒性的細胞機制，但是直接負責脂肪酸有害作用的脂質衍生代謝物的性質仍然是難以捉摸的。甘油三酯積累本身不可能是罪魁禍首，因為甘油三酯代表相對無害的脂肪儲存形式，實際上可以防止脂質毒性。有研究表明，單元不飽和脂肪酸毒性較小，可以保護不飽和脂肪酸的有害作用，因為它們更容易被酯化成甘油三酯。與此觀點一致的是，硬脂醯輔酶A去飽和酶-1（SCD1）保護免於由棕櫚酸酯誘導的脂肪細胞凋亡細胞死亡。實際上，在小鼠中SCD1的缺失改善了胰島素敏感性，當被引入肥胖，瘦蛋白缺陷的ob / ob背景時，SCD1缺失導致胰島中甘油三酯和膽固醇過多的糖尿病惡化。
Prentki及其同事提出的優雅概念，增加甘油脂/脂肪酸循環，代表β細胞嘗試保護自身免受營養過剩的平均值，同時保持對燃料有響應性，以便能夠在面對需求增加時釋放胰島素。反過來，這種燃料解毒機制的非預期後果，是從通過循環的增加的通量產生有害的中間體。問題仍然是，如果甘油三酯積累只是增強酯化通量的標誌，但不會導致葡萄醣脂毒性本身，那麼什麼是脂質衍生的分子，直接負責β細胞功能的損害？已經提出了酯化途徑的中間體（例如溶血磷脂酸，磷脂酸，二醯基甘油）的作用，但是，據我們所知，沒有正式證明。神經醯胺的從頭合成，已經顯示起作用，在這二者脂肪酸誘導的β細胞死亡和脂肪酸抑制胰島素基因表達，但不是在胰島素分泌的損害。這些觀察結果說明了一個重要的點，其可以部分解釋為什麼介導醣脂毒性的脂質衍生的中間體仍然難以捉摸：葡萄糖脂毒性的各種功能表現的機制有可能是不同的。例如，神經醯胺的積累損害胰島素基因表達，並且在某些情況下誘導細胞死亡，而不影響胰島素分泌。因此，我們認為，與葡萄醣脂毒性病症相關的功能缺陷的全部陣列，是由於產生作用於各種信號通路和細胞功能的幾種細胞內代謝物而不是單一中間體。
雖然大多數研究調查β細胞中醣脂毒性的機制，集中在酯化途徑和甘油三酯合成，但膽固醇代謝最近已顯示也發揮重要作用。β細胞暴露於氧化低密度脂蛋白（LDL）誘導細胞凋亡，並降低胰島素基因表達，而天然LDL顆粒不會產生影響，高密度脂蛋白（HDL）是保護性的。ATP結合盒轉運子亞族的β細胞特異性敲除（KO）介導反向膽固醇流出的成員1（ABCA1），導致細胞膽固醇含量增加和葡萄糖代謝下游的胰島素分泌受損，可能處於水平胰島素胞吐。此外，噻唑烷二酮羅格列酮改善高脂肪飲食餵養小鼠中葡萄糖耐量的能力，在β細胞中需要功能性ABCA1。最後，通過SREBP2在大鼠胰島素啟動子下的轉基因過度表達，迫使β細胞中的膽固醇合成，導致β細胞團塊和糖尿病表型的嚴重損失。由於LXR調節ABCA1表達，並且本身由葡萄糖直接調節，因此葡萄糖協同地增加脂肪酸酯化反應和細胞內膽固醇的合成。
對於上述假說的前提是，在甘油三酯或膽固醇合成期間產生的中間體機械性地參與葡萄醣脂毒性是細胞外脂肪酸首先轉運穿過質膜並在細胞內起作用。這個概念已被G-蛋白偶聯受體GPR40的去孤立化(deorphanization)挑戰。GPR40在胰腺β細胞中特異性表達並被長鏈脂肪酸活化，這提高了脂肪酸對β細胞的一些功能作用可能通過細胞表面受體的激活介導的可能性。與這種可能性一致，GPR40在介導胰島素分泌的脂肪酸抑制中的作用，已經由來自GPR40KO小鼠的胰島對長時間脂肪酸的抑制作用的敏感性的觀察提出。使用不同系列的GPR40 KO小鼠，不能再現這些發現，並發現該受體的缺失不保護胰島免受脂肪酸抑制葡萄糖誘導的胰島素分泌。此外，隨後的研究也利用全身KO發現，GPR40缺失不能保護小鼠免於高脂肪飲食誘導的葡萄糖不耐受。這一結論進一步支持小分子GPR40激動劑，改善高脂肪飲食誘導的肥胖小鼠的葡萄糖耐量的觀察結果。因此，學者不贊成GPR40在β細胞中葡萄糖脂毒性的機制中起主要作用的觀點。
2.2.
葡萄糖脂毒性功能表現的機理
2.2.1. 胰島素分泌的脂肪酸損傷
β細胞暴露於脂肪酸體外抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌，在大鼠和人類中也觀察到體內的現象。近年來，已經研究了若干潛在的機制，包括解偶聯蛋白2（UCP2）的上調，蛋白激酶CPKCε的新型同種型的激活，以及晚期胞吐事件。
UCP2是一種普遍表達的粒線體載體，已被建議從ATP合成中解離呼吸鏈，雖然它的生物學功能還不清楚。最初的證據表明UCP2可能調節胰島素分泌，從而在葡萄糖脂毒性中發揮作用。這是基於以下觀察：增加β細胞中的UCP2表達損害胰島素分泌並且在混合遺傳背景上的UCP2 KO動物，具有增加的循環胰島素水平並且免於糖尿病。這個論點最近的挑戰是，觀察到UCP2的KO在小鼠的3個不同同源背景上，導致氧化應激和受損的胰島素分泌。因而，在囓齒動物中高脂肪餵養後在胰島中觀察到的UCP2表達的增加或在體外暴露於脂肪酸，可能代表針對燃料過載和氧化應激的細胞防禦機制，而不是有害的響應。與這種可能性一致的觀察是，UCP2的轉基因過度表達，不改變粒線體功能或葡萄糖誘導的胰島素分泌，但是減少活性氧產生。總體而言，響應於脂肪酸的UCP2表達的增加，似乎不可能表示在葡萄醣脂毒性條件下，胰島素分泌受損的因果機制。
脂質調節的同種型PKCε的激活，也已被建議作為胰島素分泌在葡萄糖脂中毒中的減少潛在的可能的候選信號分子。由拜登(Biden)的工作已經表明，在高脂肪餵養PKCεKO小鼠糖耐量的正常化，是由於改善胰島素分泌。另外，他們表明，從PKCε敲除小鼠分離的胰島受到保護免於對胰島素分泌的體外脂肪酸的不利影響，並且PKCε的抑制能夠恢復來自db / db小鼠的胰島中的胰島素分泌。最近，這個組已經表明，在醣脂毒性中，PKCε敲除胰島中胰島素分泌的改善，是由於胰島素釋放的放大途徑的選擇性恢復，可能是由於脂肪分解中間體的產生。有趣的是，這是與由Prentki及其同事提出的概念一致，即脂解產生的信號有助於調節胰島素分泌，而且，更一般地，β細胞中的甘油脂/脂肪酸循環為胰島素分泌提供必需的偶聯因子，但在燃料過剩的條件下變得有害。
最後，證據表明脂肪酸可能改變胰島素胞外β細胞的一個或多個晚期步驟。Kato 等人已經表明顆粒蛋白(granuphilin)的表達，作為SREBP1c上調的結果，暴露於棕櫚酸的胰島中，小GTP結合蛋白Rab27a的效應子增加，所述小GTP結合蛋白Rab27a在胰島素分泌顆粒對質膜中起關鍵作用。這反過來抑制響應於燃料和非燃料刺激的胰島素分泌。此外，Olofsson等人證實，小鼠胰島長時間暴露於葡萄糖和脂肪酸，通過干擾胰島素在融合孔處的釋放在非常晚的胞吐期抑制胰島素分泌。這些研究結果表明，脂肪酸影響胰島素分泌的機制可能，至少部分，在於胞吐機制的水平，並因此，損害胰島素分泌不僅響應葡萄糖，而且對其他secretagogues。
2.2.2. 脂肪酸損傷胰島素基因表達
研究已經表明，在高葡萄糖的存在下，長期暴露於脂肪酸會損害胰島素基因表達。脂肪酸影響胰島素基因表達的機制，不同於它們損害胰島素分泌的機制。首先，雖然這二者棕櫚酸(palmitate)和油酸(oleate)都抑制胰島素分泌，只有棕櫚酸(palmitate)影響胰島素基因表達。這是由於只有棕櫚酸可以作為從頭神經醯胺(ceramide)合成的受質。棕櫚酸抑制胰島素基因表達的轉錄機制，不涉及胰島素mRNA穩定性的變化，而是葡萄糖誘導的胰島素啟動子活性的抑制。這是與轉錄因子胰十二指腸同源框1（PDX-1）和MafA的結合活性降低有關。PDX-1在其轉運到細胞核的能力受到影響，而MafA在其表達水平上受到影響。這與葡萄糖毒性的機制相反，其涉及MafA的轉譯後修飾。
雖然最近的研究已經確定了潛在的候選人，但從棕櫚酸中神經醯胺產生損害PDX-1亞細胞定位和MafA表達的機制是未知的。c-jun NH 2
- 末端激酶JNK是神經醯胺的已知靶標，並可抑制胰島素基因轉錄，這兩者都通過c-jun依賴性抑制E1介導的轉錄，和c-jun獨立抑制PDX-1結合。此外，Solinas等人已經表明，棕櫚酸激活β細胞中的JNK，並且在損害胰島素信號傳導的位點處胰島素受體受質1和2的所得磷酸化降低了胰島素基因轉錄。
最近的研究，也試圖確定涉及棕櫚酸抑制胰島素基因表達的信號傳導機制。首先，研究已經表明棕櫚酸增強葡萄糖誘導細胞外調節激酶（ERK）1/2的磷酸化，並且ERK1 / 2的藥理學抑制部分恢復胰島素分泌細胞中的胰島素基因表達，以及分離的胰島暴露於棕櫚酸或神經醯胺。第二，研究已經觀察到棕櫚酸阻斷Per-Arnt-Sim激酶（PASK）的誘導。PASK是一種進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，含有對細胞內環境敏感的PAS結構域，其調節激酶結構域以轉導信號。在芽殖酵母，它協調糖儲存和蛋白質合成與碳水化合物的可用性。在哺乳動物中，已經證明它是糖原合酶和細胞能量平衡的重要調節劑。在胰腺β細胞中，PASK是葡萄糖誘導的胰島素基因轉錄所必需的。在最近的研究中，觀察到PASK的過表達防止棕櫚酸酯對胰島素mRNA和PDX-1 mRNA和MIN6細胞中的蛋白質表達的抑制作用。此外，野生型PASK的腺病毒介導的過度表達增加，而PASK的激酶死亡突變體作為顯性陰性減少，胰島素和胰島素中的PDX-1蛋白表達。有趣的是，PASK途徑似乎是獨立於ERK1 / 2路徑，並且對系統中的MafA表達沒有影響，表明至少3個獨立的信號傳導臂促成胰島素基因表達的總體減少（圖2）。雖然初步研究表明，棕櫚酸主要影響PDX-1在其亞細胞定位而不是其全細胞表達水平，過度表達的激酶死亡突變體PASK也降低PDX-1 mRNA水平。這表明PDX-1表達的減少也可能有助於降低其在糖脂體毒性條件下的結合活性。PASK是否可以直接磷酸化PDX-1，從而改變其核轉位是未知的，並且目前正在研究中。最近，表達CAAT增強子結合蛋白β（C /EBPβ），胰島素基因的轉錄負調節，已被證明能增加在β細胞響應於脂肪酸。有趣的是，研究還觀察到在MIN6細胞中顯性負性PASK突變體過表達時C /EBPβmRNA水平的顯著增加。這提出瞭如在葡萄糖脂毒性條件下所證實的，C / EBP-β結合胰島素啟動子上的活化T細胞（NFAT）的轉錄因子核因子，並由此抑制MafA結合活性的可能性。
圖
2、脂肪酸抑制胰島素基因表達機制的工作模型
在存在同時升高水平的棕櫚酸和葡萄糖的情況下，在β細胞中激活幾種信號傳導途徑。首先，從頭神經醯胺合成導致的ERK½持續活化和從核室排除PDX-1。第二，棕櫚酸阻斷葡萄糖誘導的PASK表達，這導致PDX-1表達減少和C /EBPβ表達增加。第三，棕櫚酸少MafA表達式。
這3個途徑導致PDX-1和MafA對胰島素啟動子的結合活性降低。此外，棕櫚酸誘導ATF6的切割，其也抑制胰島素基因轉錄（未公開的數據）。
在過去幾年中，未折疊的蛋白質應答（UPR）和內質網（ER）應激在β細胞衰竭中的作用，已經受到相當大的關注，部分是因為β細胞的強烈分泌活性，使其特別容易受到ER穩態的干擾。如在下一節更詳細討論，已顯示出ER應激的標誌物，由長期暴露於脂肪酸在幾個研究誘導。在大多數情況下，ER應激標記物響應脂肪酸的強誘導與凋亡相關。在培養條件下，在葡萄糖和棕櫚酸的存在下，與大的細胞死亡不相關的分離的大鼠胰島，沒有能夠檢測任何激活的肌醇，需要ER到核信號激酶（IRE）或蛋白激酶R樣ER激酶（PERK）分支的UPR（未公佈數據）。相比之下，觀察到在這些條件下轉錄因子ATF6的切割。因為ATF6是胰島素基因的轉錄負調節，這些初步結果推測，暴露於脂肪酸後，未折疊蛋白質反應的ATF6分支的早期激活可能代表保護機制，其中β細胞試圖通過抑制胰島素基因表達進一步降低對ER的負荷。這這將作為展開的蛋白質反應的一部分發生，之前明顯的ER應力和相關的凋亡發展。在與細胞死亡相關的更嚴重的ER應激的晚期，PDX-1功能的改變或胰島素mRNA穩定性，也有可能導致胰島素基因表達的減少。
總的來說，關於胰島素基因的脂肪酸抑制機制的可用數據，揭示了複雜的圖片，其似乎涉及幾個獨立的途徑，所有這些途徑都同意降低其表達，這是在面對營養過剩時，β細胞的早期和可能保護性反應（圖2）。重要的是，也在體內觀察到在葡萄醣脂毒性條件下胰島素基因表達的降低（見下文第三節）。
2.2.3. 脂肪酸誘導β細胞死亡
飽和脂肪酸可以通過在高葡萄糖存在下凋亡誘導β細胞死亡，而不飽和脂肪酸通常是保護性的。如上所述，這種差異可能是由於不飽和脂肪酸更大能力形成細胞內甘油三酯。已經涉及幾種機制，包括神經醯胺形成，氧化應激和炎症。近日，如上所述，已經提供了相當多的證據支持UPR和ER應激在飽和脂肪酸誘導的細胞死亡中的作用。飽和脂肪酸例如棕櫚酸誘導ER應力的機制，被認為涉及ER鈣儲存的耗盡，並導致JNK的活化，儘管JNK活化在一些條件下可以是在ER應激的出現之前檢測到。有趣的是，棕櫚酸顯示誘導羧肽酶E的快速降解，這不僅導致改變胰島素原成熟，而且在ER應力和凋亡中。CPE水平的變化被證明發生在ER應激的任何徵兆的發展之前，並需要棕櫚酸代謝和鈣流入，雖然棕櫚酸酯引發CPE降解的精確機制仍有待澄清。然而，值得注意的是，Lai等人使用胰島素分泌細胞和分離的胰島提供了棕櫚酸誘導的細胞凋亡也可以在不存在可檢測的ER應激時發生的證據。最後，在2型糖尿病患者的胰腺切片中ER應力的標記增加。
這些觀察提出了關於脂肪酸誘導的β細胞凋亡，是否主要由ER應力或粒線體死亡途徑介導的問題。粒線體功能的內在缺陷已經在營養過載的條件下被充分證明，並且在β細胞中脂肪酸誘導的細胞死亡的發展早期，觀察到粒線體通透性的擾動。Luciani等人最近已經表明，ER應力條件下ER鈣儲存的消耗可導致其次線粒體功能障礙，表明也許在葡萄醣脂毒性條件下，ER應力是導致幾種促細胞凋亡途徑觸發的主要事件，包括粒線體介導的細胞死亡
最後，Lovis等人最近的一項研究，顯示微RNA miR34a和miR146的增加的表達，也直接有助於胰島素分泌細胞和分離的胰島中的棕櫚酸酯誘導的細胞死亡，並且微RNA在醣脂毒性中的總體作用，將希望隨著對理解它們的影響的進展而變得更加清楚在β細胞功能繼續做。
2.3. 葡萄糖脂毒性的體外研究的局限性
儘管使用胰島素分泌細胞和分離的胰島的體外模型，已經證明在解剖醣脂毒性的細胞和分子機制中是非常有價值的，但是當解釋在這些系統中獲得的結果時，它們也具有顯著的限制。首先，對脂肪酸誘導的細胞死亡的敏感性似乎存在物種相關的差異。例如，人胰島對升高的葡萄糖和棕櫚酸的24小時暴露足以觀察到凋亡，在類似條件下培養72小時後，我們沒有檢測到大鼠胰島中的任何細胞死亡。第二，體外使用的脂肪酸的濃度根據出版物而不同。脂肪酸效力的關鍵決定因素是未結合BSA的級分，其取決於脂肪酸與白蛋白的摩爾比以及製備方式。使用特異性測量的脂肪酸未結合部分的熒光探針，我們觀察到當總濃度為0.5mM的棕櫚酸酯預先複合到牛血清白蛋白中，脂肪酸：白蛋白的摩爾比為5:1 ，未結合的濃度在200nM的範圍內（圖3），其表示通過相同方法在瘦個體的血漿中測量的未結合濃度的約3倍。最後，在體內β-細胞附近的脂肪酸的濃度是未知的，並且可能由幾種不同的因素決定，包括脂蛋白脂肪酶的活性，其考慮到脂肪酸到細胞的一些局部遞送。事實上，脂蛋白脂肪酶活性可能是脂肪酸遞送到β細胞的重要控制點，因為β細胞特異性缺失和其在小鼠中的基因的過度表達損害葡萄糖穩態和胰島素分泌。因此，應當謹慎地解釋使用脂肪酸的體外實驗的結果，特別是當觀察到明顯的細胞毒性時。
未結合的脂肪酸是使用熒光探針ADIFAB 測定。數據是2次獨立實驗的平均值。也表示為平均值±用同樣的方法，由[人血漿中測得的未結合的FA水平的SD。
三、體內研究
3.1
糖脂毒性的囓齒類動物模型
由於上述原因，體外研究的發現應該在體外進行確認，然後才能推斷到生理或病理情況。在這方面，Unger在Zucker糖尿病肥胖（ZDF）大鼠中的開創性研究有助於建立脂毒性的概念並鑑定其一些基本機制。特別是，這些研究首先確定了神經醯胺作為葡萄糖脂中毒的細胞內介質的關鍵作用。因此，在這種模型中，在β細胞功能障礙之前，胰島內神經醯胺的積累被檢測到，並且抑制神經醯胺合成阻止β細胞死亡。在最近的研究上，藥理學抑制鞘脂(sphingolipid)合成對β細胞功能和糖尿病進展的有益效果，不僅在ZDF大鼠中證實，而且在其他囓齒動物模型中證實。然而，神經醯胺也參與胰島素阻抗的機制，在這些體內研究中，難以區分治療對胰島素敏感性的作用和對β細胞功能的作用。
已經開發了非糖基體毒性的遺傳模型，並且最常使用長期輸注的Intralipid，一種大豆油乳劑，其產生的多為不飽和脂肪酸的混合物，當與肝素(heparin)共注射時。在這些模型中，Intralipid或脂肪酸輸注對β細胞功能的影響是不一致的，導致不受影響，增強或減少胰島素的分泌。這些差異可能是由於應變，性別，年齡或輸注速率的差異。例如，Mason等人和吳(Goh)等人認為雌性Wistar大鼠更容易受長期高脂肪酸水平的有害影響，並且斯太爾(Steil)等人已經觀察到，96小時Intralipid輸注不影響雄性Sprague-Dawley大鼠的胰島素分泌。遺傳傾向對過量脂肪酸水平的胰島素分泌響應的影響，還通過觀察到在胰島素輸注後，在Wistar大鼠中胰島素分泌在更大程度上，在雜合的瘦ZDF大鼠中受損進行說明。最近的研究，也突出了動物年齡對慢性燃料超載反應的重要性。在第一項研究中，輸注8週齡的雄性Wistar大鼠交替使用葡萄糖4小時和Intralipid +肝素共4小時，總共72小時。在輸注結束時進行的高血糖鉗夾未能檢測到葡萄糖+
Intralipid輸注方案對體內胰島素分泌的任何影響，與對照，注入鹽水的動物相比。類似地，響應於分離的胰島中的葡萄糖的胰島素分泌不受影響。在僅注射葡萄糖的動物中，研究觀察到胰島中胰島素mRNA水平，PDX-1核定位和PDX-1結合至內源胰島素基因啟動子的增加。相反，在註射葡萄糖+
Intralipid的動物的胰島中，胰島素mRNA水平降低，PDX-1定位向細胞溶質移動，並且PDX-1對內源性胰島素啟動子的佔據顯著減少。這些結果表明，胰島素基因的脂肪酸抑制也在體內發生，並且代表在胰島素分泌的任何改變之前可以檢測的早期缺陷。在8週齡大鼠中缺乏輸注對胰島素分泌的作用，促使研究評估較大的動物是否更容易受營養物超載。為了測試這種可能性，最近進行了第二個研究，其中葡萄糖和Intralipid被同時並連續地輸注到8週齡或6個月大的Wistar大鼠（未公開的結果）72小時。如在第一個研究中，該輸注方案不改變8週齡大鼠中的胰島素分泌，如通過在輸注結束時的高血糖鉗夾所評估的。與之形成鮮明對比的是，在6個月齡的大鼠中輸注葡萄糖+ Intralipid導致明顯的胰島素阻抗，其不能通過體內胰島素分泌的充分增加，以及在分離胰島的體外缺陷胰島素分泌充分補償。這兩個研究的結果產生兩個重要結論。首先，在葡萄醣脂毒性條件下，缺陷性胰島素基因表達在體內發生，並且在胰島素分泌的異常之前。這證實了先前的體外研究結果的生理相關性，並表明受損的胰島素基因轉錄，可能代表營養物誘導的β細胞衰竭的早期缺陷。第二，年輕大鼠對營養過剩的影響有抵抗力，這樣的研究可能更好地在老年動物中進行，這更類似於人類2型糖尿病的典型情況。。不論這個年齡依賴性易患營養過剩有關，在老年囓齒類動物縮小的胰島β細胞增殖能力是未知的，目前正在研究中。
3.2.
在人類的研究
如在實驗動物中，研究延長的脂肪酸對人胰島素分泌的影響的研究，導致了矛盾的結果。從博登(Boden)和他的同事的初步報告表明，48小時脂質輸注在健康受試者中誘導合適的胰島素分泌反應，但在2型糖尿病患者中有缺陷。相反，Carpentier等人在非糖尿病個體中顯示，急性（90分鐘）脂質輸注引起胰島素分泌的增加，當輸注延長48小時時胰島素分泌消失。胰島素分泌的喪失是對葡萄糖的反應特異性的，因為對精氨酸的反應保持正常。同一組進一步表明，肥胖，但不是糖尿病患者對脂質對葡萄糖誘導的胰島素分泌的抑制作用敏感。重要的是，如果脂質與葡萄糖同時注入，在非糖尿病受試者中觀察到，響應24小時葡萄糖輸注的胰島素分泌增加不會發生。Xiao等證實，當口服攝入時，脂肪酸也改變肥胖個體的β細胞功能，並觀察到飽和和多不飽和脂肪酸之間的有趣差異。雖然多元不飽和脂肪酸直接損害胰島素分泌，但飽和脂肪酸誘導胰島素阻抗，其不能通過β細胞功能的增加來充分補償。同組還觀察到，抗氧化物牛磺酸(taurine)的同時施用，改善了人體內Intralipid輸注所誘導的胰島素阻抗和β細胞功能障礙，表明氧化應激的可能作用。
最後，Cusi和De Fronzo的團隊在具有和不具有2型糖尿病家族史的非糖尿病受試者中進行了一系列研究，其清楚地突出了遺傳傾向對慢性升高的脂肪酸在人類中的影響的重要性。它們表明，為期4天的Intralipid輸注增強胰島素分泌（考慮到胰島素敏感性）在對照受試者，但抑制個體葡萄糖誘導的胰島素分泌與2型糖尿病家族史。這表明，發生2型糖尿病的遺傳傾向性，可能至少部分依賴於β細胞響應於升高的脂肪酸水平而增加胰島素分泌的能力。重要的是，用阿昔單抗(Acipimox)治療敏感受試者以減少循環脂肪酸水平改善胰島素分泌。
四、結論
近年來，為了更好地理解β細胞中葡萄醣脂毒性的細胞和分子機制已經取得了重大進展。更好地描述了葡萄糖升高對脂肪酸有害作用的允許效應的生物化學基礎；過量水平的脂肪酸和葡萄糖的組合，改變β細胞功能的機制開始被解開；並且變得清楚的是，脂肪酸的各種功能效應（即降低的胰島素分泌，受損的胰島素基因表達和通過凋亡的β細胞死亡）具有不同的基礎機制。然而，儘管取得了重大進展，但仍有一些重要問題。雖然現在清楚的是甘油三酯積累，比葡萄糖脂中毒性的原因更多的症狀，但是直接負責脂肪酸的有害作用的脂質衍生的中間體的性質仍然是難以捉摸的。在這方面，膽固醇積聚的作用也很可能。在幾個候選人最近提出解釋脂肪酸抑制胰島素分泌，UCP2的作用已變得不清楚，而令人信服的證據似乎暗示新的同種型PKCε以及晚期胞吐(exocytotic)事件。關於胰島素基因的脂肪酸損傷，出現了複雜的圖片，其包括通過從頭神經醯胺合成延長ERK1 / 2的活化，下調PASK，以及改變轉錄因子PDX-1，MafA和C / EBPβ。在輕度葡萄糖脂毒性（即，與細胞死亡不相關）的條件下，UPR的作用似乎是有限的，雖然目前的假設是ATF6的早期激活抑制胰島素基因轉錄，從而有助於減少胰島素原生物合成，試圖減少負載到ER。隨著條件惡化，未解決和持續的解折疊蛋白反應可能導致ER應激，並因此導致在嚴重葡萄糖毒性條件下的β細胞凋亡。在生理條件下證實體外發現的必要性，促使若干組在體內模型中解決這些問題。研究已經證實，胰島素基因表達的減少，是早於胰島素分泌的任何可檢測的異常的早期缺陷，並已經確定葡萄糖和Intralipid的延長的輸注損害老年的，但不是年輕的動物的β細胞功能，提醒小心關於使用年輕的囓齒動物檢查β細胞衰竭的機制。雖然仍然爭論，醣脂毒性在人類中的作用已經在幾項研究中清楚地證明，至少在遺傳易感發展為2型糖尿病的個體中。
建議關於醣脂毒性及其表現的作用的不確定性源自它的事實，正如它的名字所暗示的，作為一個有害的現象，而事實上，β細胞對營養過剩的反應，可能代表一個連續，包括所有β細胞補償和β細胞衰竭的階段。在這個意義上說，一些醣脂毒性的早期表現，實際上應看作是一個積極的響應，將被更恰當地命名為«glucolipoadaptation»，由Prentki和諾蘭(Nolan)提議。這種適應性反應的實例，是胰島素基因表達的早期減少，作為保護ER免於過載的嘗試，或在UCP2表達的增加，如對氧化應激防禦機制。
醣脂毒性表示從適應性反應到有害結果的連續體的假說在圖4中示出。根據這種觀點，在經歷體重增加的血糖正常的個體中，β細胞產生補償性反應以抵抗與肥胖症相關的胰島素阻抗。這種反應涉及β細胞量，胰島素生物合成和胰島素分泌的協同增加，並且可能依賴於對脂肪酸的增強的反應性。補償性β-細胞反應的大小可能是遺傳決定的，並且反過來，是個體在面對胰島素阻抗時，維持葡萄糖內穩態的長期能力的主要決定因素。相反，在遺傳傾向個體中，β細胞補償最終變得不足，並且β細胞不再能夠維持與胰島素阻抗所施加的需求匹配的分泌應答。可能在這個失代償期期間，葡萄糖脂中毒性起主要作用，因為高血糖是升高的脂肪酸影響β細胞功能的允許因素。研究數據表明，這一階段的第一個功能缺陷之一是胰島素基因表達的減少，這可能有助於最終的β細胞衰竭，因為維持足夠的胰島素細胞內儲存是必要的，以維持增加的分泌需求。當發生空腹高血糖時，β細胞失代償向β細胞衰竭發展。在這個階段，這二者葡萄糖毒性(glucotoxicity)和葡萄糖脂毒性(glucolipotoxicity)都有可能導致在診斷2型糖尿病後的幾年中，觀察到的胰島素分泌的下降。該模型基於在體外和囓齒類動物中獲得的廣泛的實驗證據，但是需要另外的研究來確定，葡萄醣脂毒性對人類2型糖尿病的發病機理的確切貢獻。
圖
4、假設表示從β細胞補償到面對肥胖誘導的胰島素抵抗的失敗，以及葡萄糖中毒的作用
根據該假設，(1)胰島素敏感性的降低最初通過胰島素分泌，胰島素基因表達和β細胞群的顯著增加來匹配。在這個階段，β細胞適應通過切換到的脂肪酸優先利用，作為補償響應的一部分過剩養分（glucolipo adaptation）。(2)在遺傳易感個體中，β細胞最終變得不能進一步補償，並且葡萄糖適應演變成葡萄醣脂毒性，其中在正常範圍之外的血糖水平的偏移變得容許升高的脂肪酸的有害作用。該階段的特徵在於胰島素基因表達的早期喪失，胰島素分泌降低（相對於胰島素阻抗的程度）和降低的β細胞量。(3)最後，當葡萄糖水平永遠處於高血糖範圍時，發生β細胞衰竭。在該階段，葡萄糖毒性和葡萄糖毒性有助於β細胞功能的持續惡化。
沒有留言:
張貼留言