糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

Advance of mechanisms of diabetic cardiomyopathy

潘利亞 張曉卉 尹新華

作者單位：150000　哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心血管內(nèi)科

通訊作者：尹新華，電子信箱：xinhua_yin@163.com

關(guān)鍵詞：糖尿病心肌?。话l(fā)病機(jī)制；心肌纖維化；活性氧

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（81500288）；中國博士后科學(xué)基金項目（2015M571442）

        1972年，Rullber等^[1]觀察到4例糖尿病腎小球硬化癥患者在無明顯的冠狀動脈及瓣膜病變、先天性心臟病、高血壓及酗酒的情況下，罹患充血性心力衰竭和心律失常，首次提出糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy, DCM)的概念。DCM是一種獨立于高血壓、冠心病的特異性心肌病，與糖尿病患者心力衰竭的高發(fā)生率和高死亡率密切相關(guān)。DCM引起心臟微血管病變、心肌代謝紊亂和心肌纖維化，導(dǎo)致左心室肥厚、舒張期和(或)收縮期功能障礙，最終發(fā)展為充血性心力衰竭。目前，有關(guān)糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制尚未完全清楚，且缺乏特異的診治方法。本文就近年有關(guān)糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制的研究結(jié)果綜述如下。

1.1  高糖血癥

        高糖血癥降低葡萄糖清除率，糖異生增加，在糖尿病性心肌病發(fā)病機(jī)制中起重要的作用。慢性高血糖通過電子傳遞鏈生成過量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。ROS激活聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(poly ADP-ribose polymerase, PARP)，直接介導(dǎo)糖基化并抑制磷酸甘油醛脫氫酶，將葡萄糖從糖酵解途徑轉(zhuǎn)移至高糖誘導(dǎo)心肌損傷的其他生化級聯(lián)反應(yīng)，包括晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced gend products, AGEs)增加、己糖胺通路、多元醇通路、蛋白激酶C的激活^[2]。晚期糖基化終產(chǎn)物可以刺激膠原表達(dá)和堆積，促進(jìn)膠原的交聯(lián)，導(dǎo)致心肌纖維化增加，心肌順應(yīng)性下降。高糖狀態(tài)下，葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-4活性降低，減少了葡萄糖向心肌細(xì)胞內(nèi)的跨膜轉(zhuǎn)運，心肌細(xì)胞葡萄糖攝取減少，繼而影響心肌細(xì)胞能量代謝，導(dǎo)致糖尿病心肌病。

1.2　游離脂肪酸增加

        游離脂肪酸(free fatty acids, FFAs)是心臟的重要供能物質(zhì)，心臟收縮的能量2/3來自于脂肪酸氧化。糖尿病時，心肌葡萄糖利用率顯著降低，脂肪β氧化增加，三酯甘油和游離脂肪酸等在心肌細(xì)胞內(nèi)聚積，使需氧量增加和線粒體解耦聯(lián)，損傷心肌鈣調(diào)蛋白，影響心肌細(xì)胞的舒張收縮功能；還可以使ROS生成增多，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡。游離脂肪酸氧化增加產(chǎn)生的神經(jīng)酰胺與脫氧核糖核酸片段斷裂有關(guān)，可激活細(xì)胞凋亡程序，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。另外，過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator activated receptor-α，PPAR-α)活性增強(qiáng)，也可促進(jìn)游離脂肪酸氧化^[3]。2015年，Liu等^[4]發(fā)現(xiàn)泛素連接酶MG53調(diào)控PPAR-α編碼基因的表達(dá)。糖尿病模型中MG53增加，MG53基因沉默可改善細(xì)胞代謝和胰島素抵抗。

1.3　鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)

        心肌細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)的精細(xì)調(diào)節(jié)是保證心臟收縮功能的核心環(huán)節(jié)。ROS作用于L型鈣通道抑制Ca^2＋內(nèi)流，減少肌漿網(wǎng)Ca^2＋-ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca^2＋-ATPase, SERCA2a)激活。ROS誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能障礙可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca^2＋堆積，減少心肌細(xì)胞收縮^[5]。糖尿病心肌細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡，主要與SERCA2a及其抑制劑受磷蛋白(phospholamban，PLB)活性改變有關(guān)。PLB是調(diào)控SERCA2a活性的關(guān)鍵蛋白^[6]。Kim等^[6]發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠心肌PLB及其mRNA表達(dá)明顯增加，SERCA2a的活性降低，肌漿網(wǎng)重攝取Ca^2＋減少，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)鈣超載，松弛性受損，心臟舒張功能障礙。心肌SERCA2a過表達(dá)可改善糖尿病大鼠Ca^2＋穩(wěn)態(tài)和心肌收縮^[7]。

1.4　胰島素抵抗

        胰島素抵抗(insulin resistance，IR)是糖尿病心血管并發(fā)癥的重要危險因素。細(xì)胞胰島素信號有兩個關(guān)鍵信號通路。一個是胰島素受體底物1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)通路，它是磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K/AKT)的上游信號，負(fù)責(zé)主要的代謝反應(yīng)。另一個是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路，與血管重構(gòu)，導(dǎo)致心肌肥厚、心肌纖維化、細(xì)胞凋亡有關(guān)^[8]。胰島素抵抗可能使脂肪酸堆積，抑制IRS和AKT，使胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取減少。研究顯示，TNF-α以及ROS產(chǎn)生過多導(dǎo)致的內(nèi)皮功能紊亂都是IR的重要機(jī)制。IR除了會加重心肌能量機(jī)制紊亂以外，還可以直接造成左心室結(jié)構(gòu)和功能損傷。胰島素抵抗與高胰島素血癥可能增加全身代謝紊亂，激活交感神經(jīng)系統(tǒng)和RAAS系統(tǒng)，促進(jìn)氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與鈣穩(wěn)態(tài)失衡，導(dǎo)致心肌纖維化，心肌肥厚，心肌細(xì)胞凋亡和冠脈微循環(huán)障礙，最終引起心力衰竭^[9]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxO家族中的FoxO1、FoxO3、FoxO4，對保護(hù)心功能和心臟應(yīng)激反應(yīng)有一定作用。在原代心肌細(xì)胞中，抑制FoxO表達(dá)，可以通過鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/PP2A通路觸發(fā)AKT磷酸化，最終降低胰島素敏感性和減少葡萄糖代謝受損^[10]。這可能是用于治療代謝綜合征和胰島素抵抗引起的糖尿病心肌病的新途徑。

2.1　RAAS系統(tǒng)

        腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)在糖尿病發(fā)展為心力衰竭中的機(jī)制已經(jīng)為人熟知。研究證實糖尿病患者中RAAS系統(tǒng)激活與心肌肥厚和纖維化密切相關(guān)。血管緊張素Ⅱ刺激血管緊張素受體-1直接作用于心肌細(xì)胞和心臟的成纖維細(xì)胞，使膠原合成增多，分解減少，引起心肌肥厚和纖維化，導(dǎo)致心室順應(yīng)性降低，心臟收縮和舒張功能不全^[11]。目前，ARB和ACEI已應(yīng)用于臨床，服用ARB和ACEI的糖尿病患者心血管病發(fā)病率和死亡率有所下降，但效果并不明顯^[12]。

2.2　基質(zhì)金屬蛋白酶

        心肌細(xì)胞外基質(zhì)膠原處于不斷合成和降解的平衡狀態(tài)。其中，基質(zhì)金屬蛋白酶類(matrix metalloproteinases, MMPs)與其組織型抑制物(tissue inhibitor of metallo-proteinase, TIMPs)是細(xì)胞外基質(zhì)降解調(diào)節(jié)過程中重要的拮抗物質(zhì)。MMP-2和MMP-9已被證實在動脈粥樣硬化、心肌病和充血性心衰中起著重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，STZ誘導(dǎo)的糖尿病小鼠心肌細(xì)胞中MMP-2表達(dá)下調(diào)，膠原降解減少，促進(jìn)心肌纖維化^[13]。也有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠ROS生成增多，與胞質(zhì)谷胱甘肽相互作用，激活心肌細(xì)胞MMP-2^[14]，活化的MMP-2裂解PARP，并通過線粒體凋亡途徑誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡。長期高糖刺激，可能誘導(dǎo)炎性因子促進(jìn)膠原合成，影響MMPs和TIMPs之間的平衡，膠原蛋白分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，細(xì)胞外基質(zhì)膠原合成和降解失衡，促進(jìn)心肌纖維化，導(dǎo)致心室收縮及舒張功能障礙，但具體機(jī)制尚不明確。

        細(xì)胞凋亡與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。STZ誘導(dǎo)的糖尿病動物模型中心肌細(xì)胞凋亡增加，導(dǎo)致心肌肥厚和心肌纖維化，心臟舒縮功能降低。Zhang等^[15]發(fā)現(xiàn)高糖可以激活心肌細(xì)胞外源性和內(nèi)源性凋亡通路關(guān)鍵啟動子caspase-8和caspase-9，隨后激活下游凋亡執(zhí)行者caspase-3，介導(dǎo)高糖誘導(dǎo)的乳鼠心肌細(xì)胞凋亡。此外，近年研究表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激成為凋亡發(fā)生的另一機(jī)制。Li等^[16]發(fā)現(xiàn)在STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠中，GRP78表達(dá)上調(diào)，caspase-12、CHOP激活，介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致糖尿病心肌病。

        糖尿病微血管病變導(dǎo)致糖尿病心肌病的機(jī)制尚未明確。高糖血癥、脂代謝紊亂、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、一氧化氮(NO)合成減少及內(nèi)皮受損、血小板功能受損和凝血異常、PPAR過度表達(dá)，都可能造成血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷或功能紊亂，導(dǎo)致微血管舒縮異常、血管壁通透性增加、基底膜增厚，最終發(fā)展為DCM^[17]。高血糖激活PKC，使血管內(nèi)皮NO生成減少，前列腺素合成增加，引起內(nèi)皮功能障礙。此外，PKC還能調(diào)控其他蛋白激酶的活性，如PI3K/AKT和MAPK，損傷血管內(nèi)皮功能，增加血管收縮^[18]。血管活性激素失衡，血管平滑肌代謝缺陷和內(nèi)皮損傷使毛細(xì)血管基底膜增厚，進(jìn)一步導(dǎo)致心肌纖維化和血流量減少，引起心臟早期舒張功能障礙和晚期收縮異常。除了心臟功能的改變，糖尿病微血管病變還可以改變心臟結(jié)構(gòu)，使心肌肥厚、心臟擴(kuò)大，增加心衰發(fā)病率。

        核因子E2相關(guān)因子(nuclear erythroid-related factor 2, Nrf2)-抗氧化反應(yīng)元件(antioxidantresponseelement, ARE)通路是一種抗氧化防御系統(tǒng)。活化的Nrf2從Keap1解離后進(jìn)入細(xì)胞核，與ARE序列結(jié)合，激活A(yù)RE調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。目前研究表明Nrf2-ARE通路參與腫瘤、應(yīng)激、凋亡、炎癥反應(yīng)。Nrf2作為氧化還原敏感性轉(zhuǎn)錄因子，可以調(diào)節(jié)抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄，參與炎癥反應(yīng)，細(xì)胞凋亡，線粒體生物反應(yīng)和干細(xì)胞調(diào)節(jié)。同時，Nrf2還可抑制高糖誘導(dǎo)的NF-ΚB活化，改善舒張和收縮功能，防止左室舒張末期壓力增加與心室擴(kuò)張，改善心肌灌注，并減少心肌細(xì)胞凋亡和間質(zhì)纖維化。在糖尿病小鼠模型中，蘿卜硫素可恢復(fù)主動脈Nrf2和Nrf2依賴性抗氧化基因表達(dá)水平，預(yù)防糖尿病引起的室壁變厚，心臟脂質(zhì)沉積，纖維化，炎癥(腫瘤壞死因子α和血管細(xì)胞粘附分子-1的表達(dá))，凋亡和細(xì)胞增殖[^19]。此外，Nrf2可以減少ROS生成，改善氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的胰島素抵抗，減少由氧化應(yīng)激介導(dǎo)的自噬性胰島β細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病患者的心臟中，ROS大量生成，Nrf2蛋白明顯減少。He等^[20]發(fā)現(xiàn)，高糖通過ROS系統(tǒng)損傷心肌細(xì)胞誘發(fā)糖尿病心肌病，Nrf2基因敲除大鼠血糖即使輕度升高，也可在短時間內(nèi)引起糖尿病心肌損傷。因此，Nrf2-ARE通路可能參與糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展。

        心磷脂是線粒體內(nèi)膜的特征性物質(zhì)，可以保證線粒體內(nèi)膜流動性和參與線粒體細(xì)胞凋亡。Ferreira等^[21]發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠心肌中心磷脂明顯減少。糖尿病時，ROS生成增多，心磷脂受到損傷，進(jìn)一步影響線粒體膜流動性，線粒體電子傳遞鏈和ATP合成的代謝能力和效率降低，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。心磷脂含量改變可能是糖尿病心肌病的潛在發(fā)病機(jī)制。心磷脂易位至線粒體外膜后還可激活NLRP3炎癥體，并與之結(jié)合，參與糖尿病心肌病的發(fā)生發(fā)展。

        近年來研究發(fā)現(xiàn)能量代謝異常和慢性炎癥的發(fā)生關(guān)系密切，認(rèn)為促炎性細(xì)胞因子和趨化因子誘導(dǎo)的慢性炎癥過程是糖尿病心肌病心肌損傷的重要發(fā)病機(jī)制之一。糖尿病患者血清中炎性細(xì)胞因子如TNF-α和白介素-6的濃度升高，提示慢性炎癥和舒張功能障礙有關(guān)^[22]。TNF-α可引發(fā)炎癥和細(xì)胞損傷，最終導(dǎo)致心肌纖維化^[23]。在糖尿病心肌病大鼠模型中，抑制TNF-α可以減少心肌纖維化，改善心臟功能^[24]。核轉(zhuǎn)錄因子(Nuclear factor-κ-gene binding，NF-кB)是各種炎癥因子的轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控促炎、促纖維化和肥大相關(guān)基因的表達(dá)。糖尿病患者體內(nèi)過量的糖和蛋白質(zhì)產(chǎn)生非酶糖化反應(yīng)，生成AGEs，與細(xì)胞膜上的特異性受體結(jié)合，釋放大量ROS，激活NF-кB ，繼而啟動TNF-α、白介素-6等炎癥因子的轉(zhuǎn)錄^[25]，最終導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷和平滑肌細(xì)胞增殖，促進(jìn)糖尿病心肌病的發(fā)生。在巨噬細(xì)胞中，NF-κB可引起NLRP3表達(dá)上調(diào)。當(dāng)相關(guān)信號刺激時，NLRP3與凋亡相關(guān)點樣蛋白(Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, ASC)及半胱氨酸蛋白水解酶-1(caspase-1)組成炎癥復(fù)合體，促進(jìn)pro-caspase-1自我剪切，形成具有活性的caspase-1 p10/p20，促進(jìn)IL-1β和IL-18的成熟和分泌。2014年，Luo等^[26]發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體和IL-1β在糖尿病心肌病中表達(dá)增高，促進(jìn)DCM發(fā)展，而NLRP3基因沉默可以改善糖尿病心臟重構(gòu)和心功能受損。NLRP3炎癥小體可能是臨床治療糖尿病心肌病的潛在靶點。

        糖尿病引起的高糖狀態(tài)通過各種機(jī)制和信號通路使心肌細(xì)胞及其間質(zhì)纖維化，促進(jìn)心室重構(gòu)、肥大，導(dǎo)致心律失常和心力衰竭，介導(dǎo)糖尿病心肌病的發(fā)生發(fā)展，嚴(yán)重降低患者的生活質(zhì)量。代謝紊亂、心肌纖維化、心肌細(xì)胞凋亡、微血管病變、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、線粒體結(jié)構(gòu)功能改變等都參與糖尿病心肌病的發(fā)生發(fā)展過程。糖尿病心肌病各信號通路間聯(lián)系密切，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，對找到治療糖尿病心肌病的有效靶點造成困難。雖然近年來，RAAS系統(tǒng)抑制劑和β受體拮抗劑已經(jīng)用于糖尿病心肌病心肌細(xì)胞凋亡和心肌纖維化的治療，但效果并不令人滿意。了解糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新的靶點和治療手段，可以為改善糖尿病心肌病預(yù)后提供新方向。