糖尿病心肌病发病机制的研究进展
Advance of mechanisms of diabetic cardiomyopathy
潘利亚 张晓卉 尹新华
作者单位：150000 哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科
通讯作者：尹新华，电子信箱：xinhua_yin@163.com
关键词：糖尿病心肌病；发病机制；心肌纤维化；活性氧
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（81500288）；中国博士后科学基金项目（2015M571442）
1972年，Rullber等[1]观察到4例糖尿病肾小球硬化症患者在无明显的冠状动脉及瓣膜病变、先天性心脏病、高血压及酗酒的情况下，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是一种独立于高血压、冠心病的特异性心肌病，与糖尿病患者心力衰竭的高发生率和高死亡率密切相关。DCM引起心脏微血管病变、心肌代谢紊乱和心肌纤维化，导致左心室肥厚、舒张期和(或)收缩期功能障碍，最终发展为充血性心力衰竭。目前，有关糖尿病心肌病的发病机制尚未完全清楚，且缺乏特异的诊治方法。本文就近年有关糖尿病心肌病发病机制的研究结果综述如下。
1.1 高糖血症
高糖血症降低葡萄糖清除率，糖异生增加，在糖尿病性心肌病发病机制中起重要的作用。慢性高血糖通过电子传递链生成过量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，诱导细胞凋亡。ROS激活聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶(poly ADP-ribose polymerase, PARP)，直接介导糖基化并抑制磷酸甘油醛脱氢酶，将葡萄糖从糖酵解途径转移至高糖诱导心肌损伤的其他生化级联反应，包括晚期糖基化终产物(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]。晚期糖基化终产物可以刺激胶原表达和堆积，促进胶原的交联，导致心肌纤维化增加，心肌顺应性下降。高糖状态下，葡萄糖转运蛋白-4活性降低，减少了葡萄糖向心肌细胞内的跨膜转运，心肌细胞葡萄糖摄取减少，继而影响心肌细胞能量代谢，导致糖尿病心肌病。
1.2 游离脂肪酸增加
游离脂肪酸(free fatty acids, FFAs)是心脏的重要供能物质，心脏收缩的能量2/3来自于脂肪酸氧化。糖尿病时，心肌葡萄糖利用率显著降低，脂肪β氧化增加，三酯甘油和游离脂肪酸等在心肌细胞内聚积，使需氧量增加和线粒体解耦联，损伤心肌钙调蛋白，影响心肌细胞的舒张收缩功能；还可以使ROS生成增多，诱导内质网应激，促进心肌细胞凋亡。游离脂肪酸氧化增加产生的神经酰胺与脱氧核糖核酸片段断裂有关，可激活细胞凋亡程序，促进细胞凋亡。另外，过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator activated receptor-α，PPAR-α)活性增强，也可促进游离脂肪酸氧化[3]。2015年，Liu等[4]发现泛素连接酶MG53调控PPAR-α编码基因的表达。糖尿病模型中MG53增加，MG53基因沉默可改善细胞代谢和胰岛素抵抗。
1.3 钙稳态失调
心肌细胞钙稳态的精细调节是保证心脏收缩功能的核心环节。ROS作用于L型钙通道抑制Ca2＋内流，减少肌浆网Ca2＋-ATP酶(sarcoplasmic reticulum Ca2＋-ATPase, SERCA2a)激活。ROS诱导的内质网功能障碍可导致细胞内Ca2＋堆积，减少心肌细胞收缩[5]。糖尿病心肌细胞内钙稳态失衡，主要与SERCA2a及其抑制剂受磷蛋白(phospholamban，PLB)活性改变有关。PLB是调控SERCA2a活性的关键蛋白[6]。Kim等[6]发现糖尿病大鼠心肌PLB及其mRNA表达明显增加，SERCA2a的活性降低，肌浆网重摄取Ca2＋减少，导致细胞质钙超载，松弛性受损，心脏舒张功能障碍。心肌SERCA2a过表达可改善糖尿病大鼠Ca2＋稳态和心肌收缩[7]。
1.4 胰岛素抵抗
胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)是糖尿病心血管并发症的重要危险因素。细胞胰岛素信号有两个关键信号通路。一个是胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate-1，IRS-1)通路，它是磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinases，PI3K/AKT)的上游信号，负责主要的代谢反应。另一个是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信号通路，与血管重构，导致心肌肥厚、心肌纤维化、细胞凋亡有关[8]。胰岛素抵抗可能使脂肪酸堆积，抑制IRS和AKT，使胰岛素介导的葡萄糖摄取减少。研究显示，TNF-α以及ROS产生过多导致的内皮功能紊乱都是IR的重要机制。IR除了会加重心肌能量机制紊乱以外，还可以直接造成左心室结构和功能损伤。胰岛素抵抗与高胰岛素血症可能增加全身代谢紊乱，激活交感神经系统和RAAS系统，促进氧化应激、线粒体功能障碍、细胞内质网应激与钙稳态失衡，导致心肌纤维化，心肌肥厚，心肌细胞凋亡和冠脉微循环障碍，最终引起心力衰竭[9]。近年来研究发现，FoxO家族中的FoxO1、FoxO3、FoxO4，对保护心功能和心脏应激反应有一定作用。在原代心肌细胞中，抑制FoxO表达，可以通过钙调神经磷酸酶/PP2A通路触发AKT磷酸化，最终降低胰岛素敏感性和减少葡萄糖代谢受损[10]。这可能是用于治疗代谢综合征和胰岛素抵抗引起的糖尿病心肌病的新途径。
2.1 RAAS系统
肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS)在糖尿病发展为心力衰竭中的机制已经为人熟知。研究证实糖尿病患者中RAAS系统激活与心肌肥厚和纤维化密切相关。血管紧张素Ⅱ刺激血管紧张素受体-1直接作用于心肌细胞和心脏的成纤维细胞，使胶原合成增多，分解减少，引起心肌肥厚和纤维化，导致心室顺应性降低，心脏收缩和舒张功能不全[11]。目前，ARB和ACEI已应用于临床，服用ARB和ACEI的糖尿病患者心血管病发病率和死亡率有所下降，但效果并不明显[12]。
2.2 基质金属蛋白酶
心肌细胞外基质胶原处于不断合成和降解的平衡状态。其中，基质金属蛋白酶类(matrix metalloproteinases, MMPs)与其组织型抑制物(tissue inhibitor of metallo-proteinase, TIMPs)是细胞外基质降解调节过程中重要的拮抗物质。MMP-2和MMP-9已被证实在动脉粥样硬化、心肌病和充血性心衰中起着重要的作用。有研究发现，STZ诱导的糖尿病小鼠心肌细胞中MMP-2表达下调，胶原降解减少，促进心肌纤维化[13]。也有研究发现，糖尿病大鼠ROS生成增多，与胞质谷胱甘肽相互作用，激活心肌细胞MMP-2[14]，活化的MMP-2裂解PARP，并通过线粒体凋亡途径诱导心肌细胞凋亡。长期高糖刺激，可能诱导炎性因子促进胶原合成，影响MMPs和TIMPs之间的平衡，胶原蛋白分子的结构发生改变，细胞外基质胶原合成和降解失衡，促进心肌纤维化，导致心室收缩及舒张功能障碍，但具体机制尚不明确。
细胞凋亡与心血管疾病的发生发展密切相关。STZ诱导的糖尿病动物模型中心肌细胞凋亡增加，导致心肌肥厚和心肌纤维化，心脏舒缩功能降低。Zhang等[15]发现高糖可以激活心肌细胞外源性和内源性凋亡通路关键启动子caspase-8和caspase-9，随后激活下游凋亡执行者caspase-3，介导高糖诱导的乳鼠心肌细胞凋亡。此外，近年研究表明内质网应激成为凋亡发生的另一机制。Li等[16]发现在STZ诱导的糖尿病大鼠中，GRP78表达上调，caspase-12、CHOP激活，介导内质网应激，诱导细胞凋亡，最终导致糖尿病心肌病。
糖尿病微血管病变导致糖尿病心肌病的机制尚未明确。高糖血症、脂代谢紊乱、氧化应激、炎症反应、一氧化氮(NO)合成减少及内皮受损、血小板功能受损和凝血异常、PPAR过度表达，都可能造成血管内皮细胞损伤或功能紊乱，导致微血管舒缩异常、血管壁通透性增加、基底膜增厚，最终发展为DCM[17]。高血糖激活PKC，使血管内皮NO生成减少，前列腺素合成增加，引起内皮功能障碍。此外，PKC还能调控其他蛋白激酶的活性，如PI3K/AKT和MAPK，损伤血管内皮功能，增加血管收缩[18]。血管活性激素失衡，血管平滑肌代谢缺陷和内皮损伤使毛细血管基底膜增厚，进一步导致心肌纤维化和血流量减少，引起心脏早期舒张功能障碍和晚期收缩异常。除了心脏功能的改变，糖尿病微血管病变还可以改变心脏结构，使心肌肥厚、心脏扩大，增加心衰发病率。
核因子E2相关因子(nuclear erythroid-related factor 2, Nrf2)-抗氧化反应元件(antioxidantresponseelement, ARE)通路是一种抗氧化防御系统。活化的Nrf2从Keap1解离后进入细胞核，与ARE序列结合，激活ARE调控基因转录。目前研究表明Nrf2-ARE通路参与肿瘤、应激、凋亡、炎症反应。Nrf2作为氧化还原敏感性转录因子，可以调节抗氧化酶的转录，参与炎症反应，细胞凋亡，线粒体生物反应和干细胞调节。同时，Nrf2还可抑制高糖诱导的NF-ΚB活化，改善舒张和收缩功能，防止左室舒张末期压力增加与心室扩张，改善心肌灌注，并减少心肌细胞凋亡和间质纤维化。在糖尿病小鼠模型中，萝卜硫素可恢复主动脉Nrf2和Nrf2依赖性抗氧化基因表达水平，预防糖尿病引起的室壁变厚，心脏脂质沉积，纤维化，炎症(肿瘤坏死因子α和血管细胞粘附分子-1的表达)，凋亡和细胞增殖[19]。此外，Nrf2可以减少ROS生成，改善氧化应激诱导的胰岛素抵抗，减少由氧化应激介导的自噬性胰岛β细胞凋亡。研究发现，在糖尿病患者的心脏中，ROS大量生成，Nrf2蛋白明显减少。He等[20]发现，高糖通过ROS系统损伤心肌细胞诱发糖尿病心肌病，Nrf2基因敲除大鼠血糖即使轻度升高，也可在短时间内引起糖尿病心肌损伤。因此，Nrf2-ARE通路可能参与糖尿病心肌病发生发展。
心磷脂是线粒体内膜的特征性物质，可以保证线粒体内膜流动性和参与线粒体细胞凋亡。Ferreira等[21]发现糖尿病大鼠心肌中心磷脂明显减少。糖尿病时，ROS生成增多，心磷脂受到损伤，进一步影响线粒体膜流动性，线粒体电子传递链和ATP合成的代谢能力和效率降低，促进细胞凋亡。心磷脂含量改变可能是糖尿病心肌病的潜在发病机制。心磷脂易位至线粒体外膜后还可激活NLRP3炎症体，并与之结合，参与糖尿病心肌病的发生发展。
近年来研究发现能量代谢异常和慢性炎症的发生关系密切，认为促炎性细胞因子和趋化因子诱导的慢性炎症过程是糖尿病心肌病心肌损伤的重要发病机制之一。糖尿病患者血清中炎性细胞因子如TNF-α和白介素-6的浓度升高，提示慢性炎症和舒张功能障碍有关[22]。TNF-α可引发炎症和细胞损伤，最终导致心肌纤维化[23]。在糖尿病心肌病大鼠模型中，抑制TNF-α可以减少心肌纤维化，改善心脏功能[24]。核转录因子(Nuclear factor-κ-gene binding，NF-кB)是各种炎症因子的转录因子，调控促炎、促纤维化和肥大相关基因的表达。糖尿病患者体内过量的糖和蛋白质产生非酶糖化反应，生成AGEs，与细胞膜上的特异性受体结合，释放大量ROS，激活NF-кB ，继而启动TNF-α、白介素-6等炎症因子的转录[25]，最终导致血管内皮细胞损伤和平滑肌细胞增殖，促进糖尿病心肌病的发生。在巨噬细胞中，NF-κB可引起NLRP3表达上调。当相关信号刺激时，NLRP3与凋亡相关点样蛋白(Apoptosis-associated speck-like protein containing a CARD, ASC)及半胱氨酸蛋白水解酶-1(caspase-1)组成炎症复合体，促进pro-caspase-1自我剪切，形成具有活性的caspase-1 p10/p20，促进IL-1β和IL-18的成熟和分泌。2014年，Luo等[26]发现NLRP3炎症小体和IL-1β在糖尿病心肌病中表达增高，促进DCM发展，而NLRP3基因沉默可以改善糖尿病心脏重构和心功能受损。NLRP3炎症小体可能是临床治疗糖尿病心肌病的潜在靶点。
糖尿病引起的高糖状态通过各种机制和信号通路使心肌细胞及其间质纤维化，促进心室重构、肥大，导致心律失常和心力衰竭，介导糖尿病心肌病的发生发展，严重降低患者的生活质量。代谢紊乱、心肌纤维化、心肌细胞凋亡、微血管病变、氧化应激、炎症反应、线粒体结构功能改变等都参与糖尿病心肌病的发生发展过程。糖尿病心肌病各信号通路间联系密切，发病机制复杂，对找到治疗糖尿病心肌病的有效靶点造成困难。虽然近年来，RAAS系统抑制剂和β受体拮抗剂已经用于糖尿病心肌病心肌细胞凋亡和心肌纤维化的治疗，但效果并不令人满意。了解糖尿病心肌病的发病机制，发现新的靶点和治疗手段，可以为改善糖尿病心肌病预后提供新方向。
参考文献（略）
本文来源：潘利亚, 张晓卉, 尹新华. 糖尿病心肌病发病机制的研究进展 [J]. 中国心血管杂志,2017,22( 2 ): 143-146.
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