缺血后處理對糖尿病患者缺血再灌注心肌保護作用弱化機制的研究進展

李佳馨，王江

(新疆醫科大學第一附屬醫院，烏魯木齊830054)

心肌缺血/再灌注損傷是指心肌在長時間缺血基礎上，若再灌注恢復其血流，心肌及相關組織器官功能的損傷反而加重，甚至會發生不可逆損傷[1]。糖尿病患者代謝異常及病理改變如冠狀動脈(冠脈)閉塞、血管順應性下降、微血管病變等，將導致心肌順應性降低、收縮舒張功能障礙及心室肥厚、心肌纖維化等結構改變，更進一步導致其對缺血缺氧損傷的耐受性遠低于正常心肌[2]。缺血后處理即在心肌持續缺血性損傷發作后，于再灌注前重復進行2～4次短暫(10～30 s)的局部冠脈缺血處理，從而在一定程度上保護冠脈內皮功能，限制心肌梗死面積，對正常心肌提供保護作用[3]。而本課題組前期研究顯示，對于糖尿病缺血再灌注心肌，缺血后處理不能減少其心肌梗死面積發揮心肌保護作用[4]。現對糖尿病缺血再灌注損傷心肌缺血后處理保護作用弱化的可能機制綜述如下。

1 糖尿病對心肌缺血再灌注損傷的影響

糖尿病是一種由高血糖和體內內源性胰島素分泌或利用不足所致的代謝紊亂性疾病，是導致心血管疾病圍術期并發癥和死亡的高危險因素[5]。糖尿病缺血再灌注損傷心肌的病理改變包括毛細血管增殖與退化、微血管基底膜增厚、內皮細胞增生、血管周圍及心肌間質纖維化并且毛細血管通透性增加，內皮間氧彌散減少。另有研究發現糖尿病患者較非糖尿病患者心肌缺血發生率高1.45～2.99倍，其可能與糖尿病患者冠脈閉塞程度大大增加且冠脈側支循環建立受限，冠脈阻力增加灌流減少，血管順應性下降，血流儲備顯著降低，存在明顯的心肌微循環障礙有關[6]。上述病理改變會導致心肌廣泛結構異常，甚至使心肌收縮與舒張功能不全。

高血糖引起線粒體功能損傷后導致線粒體能量代謝異常，氧化應激增強及活性氧(ROS)生成明顯增加，影響線粒體膜的流動性和通透性轉換，與此同時三磷酸腺苷(ATP)合成受阻將促進細胞凋亡及疾病發展。上述高血糖導致的病理變化將直接引起心臟組織缺血缺氧程度進一步加重，且心肌組織對此代償性反應如增加周圍血管血液供給、建立側支循環的能力明顯降低，導致其缺血再灌注損傷更為嚴重[7]。另有研究發現糖尿病患者心肌對缺血再灌注損傷的敏感性與正常心肌相比有一定程度增高，可能與高血糖所致的基礎氧化應激增加、內源性抗氧化應激系統受損及過量ROS產生有關[8]。

正常人體內內源性胰島素通過調節葡萄糖轉運、糖酵解、糖原合成、脂質代謝、蛋白質合成及心肌細胞凋亡來調節心肌代謝。而研究證實糖尿病大鼠心肌和心肌細胞中胰島素刺激作用降低，發生胰島素抵抗現象，此可能是糖尿病患者心肌缺血再灌注后損傷增加的另一主要原因[9]。糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)是一種抑制糖原合成的限速酶，可調節細胞增殖和凋亡，當2型糖尿病發生時，人體內GSK-3β的功能活性可出現異常增高，而其高表達很可能與胰島素敏感性顯著降低有關[10]。在正常生理狀態下，胰島素可通過磷酰肌醇脂-3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶(PI3K-Akt)信號傳導通路調節葡萄糖的代謝，具體作用為PI3K/Akt信號傳導通路通過使其下游信號分子GSK-3β的殘基ser9磷酸化，抑制GSK-3β的活性，從而發揮抗凋亡作用[11]。然而，在糖尿病患者心肌中發生了胰島素抵抗現象，使PI3K/Akt信號傳導通路的活化受到一定程度的抑制，GSK-3β的磷酸化水平降低，從而上調GSK-3β的基因表達，誘導心肌細胞凋亡[12]。上述觀點證實,與正常心肌相比,糖尿病患者心肌在其特有的病理改變影響之下，對于缺血再灌注的損傷更加敏感，因此針對糖尿病患者缺血再灌注損傷的保護措施就更加迫切且難以實施。

2 缺血后處理對糖尿病患者缺血再灌注心肌保護作用的弱化機制

缺血后處理是通過上調心肌對缺血再灌注損傷的耐受性，限制心肌梗死面積從而起到保護作用。但臨床前期實驗研究表明，在糖尿病心肌中發生的上述所提及的一系列結構及功能的改變，使得缺血后處理這一保護作用在糖尿病患者中受到一定程度的限制[5,13]。缺血后處理在正常心肌發生缺血再灌注損傷時誘發ROS、一氧化氮(NO)等釋放，刺激相關信號通路與各個調控因子的表達，作用于最終靶效應器線粒體，由此在一系列過程中減弱了缺血再灌注損傷而起到心肌保護作用。但糖尿病的存在使缺血后處理這一心肌保護作用在前述觸發、調控及最終效應階段均受到不同程度的影響，缺血后處理保護作用弱化的機制很可能與下列分子機制相關。

2.1 心肌保護作用的觸發 心肌缺血再灌注損傷時刺激內源性化學物質如ROS、NO及緩激肽等釋放從而觸發心臟保護作用。在缺血再灌注期間少量的ROS可通過細胞質激酶的氧化反應起到心肌保護的作用，但是若ROS產生過多或者抗氧化酶類活性下降，可引發鏈式脂質過氧化反應損傷細胞膜，進而導致細胞壞死與凋亡[14]。

NO是內皮細胞所分泌的血管舒張因子，因其可舒張血管、調節血壓并參與免疫系統的防御功能，從而起到心肌保護作用[15]。NO在心肌缺血再灌注損傷時，舒張冠脈血管平滑肌，增加冠脈的血流量，降低心肌耗氧量，以提升缺血心肌的收縮能力，除此之外NO還具有保護內皮功能，抵抗中性粒細胞等重要作用。內皮素1(ET-1)是血管收縮因子，對冠脈有強烈的收縮作用，使其血流量減少加重細胞水腫，直接造成內皮細胞損傷，在缺血心肌組織中大量存在。而NO可抑制ET-1的分泌起到心肌保護作用，因此NO減少很可能是使心肌缺血再灌注損傷加重的重要機制。

而糖尿病患者ROS可更多地通過脂質代謝、葡萄糖自身氧化等途徑產生，故其生成量大大增加。因此1、2型糖尿病患者心臟有可能存在線粒體腫脹變形、ROS生成明顯增多及NO減少等現象，造成心肌肥厚、纖維化及左心室功能損傷。

2.2 心肌保護作用的調控

2.2.1 磷酰肌醇脂-3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶(PI3K-Akt)信號通路 糖尿病患者的心肌保護效應減弱與PI3K/Akt信號通路損傷及葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)的表達異常或易位相關。PI3K/Akt信號通路是一種細胞內信號傳導通路，在細胞存活、生長、遷移等過程中發揮重要作用。研究表明，PI3K/Akt信號通路激活可調節心肌細胞的大小和存活，在缺血后處理中發揮著重要的作用，而糖尿病心肌缺血后處理的保護作用弱化，可能與PI3K/Akt信號通路功能障礙有關[16]。

糖尿病心肌細胞中磷酸化絲氨酸/蘇氨酸激酶(p-Akt)表達逐漸減少，從而使PI3K/Akt信號通路介導的心臟保護作用受到抑制[17]。實際上多種激酶的異常磷酸化都是導致其缺血后處理的心肌保護作用失效的原因，如在糖尿病心肌中可能由于多種磷酸酶包括人第10號染色體缺失的磷酸酶-張力蛋白(PTEN)、MAPK磷酸酶及蛋白磷酸激酶-2C等增加，使蛋白激酶C(PKC)、細胞外調節蛋白激酶以及GSK-3β等磷酸化異常，以至于誘導細胞凋亡[18]。PTEN是PI3K/Akt信號通路中能拮抗PI3K作用的重要負調控因子，糖尿病患者持續高血糖和氧化應激狀態導致PTEN的高表達，從而抑制PI3K/Akt信號通路的激活，由此將導致缺血后處理作用在糖尿病心肌中保護作用弱化。缺血后處理可通過降低非糖尿病心肌中PTEN的表達，激活PI3K/Akt信號通路起到保護心肌的作用，但缺血后處理并不能降低糖尿病心肌中PTEN的表達[19]。另外持續高血糖的狀態也會誘導超氧陰離子的產生從而導致過氧亞硝基陰離子生成過量，過量的過氧亞硝基陰離子將阻斷PI3K/Akt信號通路的正常調節，是缺血后處理對糖尿病心肌保護作用弱化的另一誘因[20]。此外，上述提到的NO亦是一種存在雙重作用的自由基，如NO減少會導致心肌缺血再灌注損傷加重，而NO過量則可形成亞硝酸鹽，損傷線粒體，降低心肌收縮能力，進一步加重心肌細胞脂質過氧化損傷[21]。

2.2.2 低氧誘導因子(HIF) 糖尿病缺血再灌注心肌應對上述微血管病變常見的代償反應是缺血心肌組織產生某些誘導因子，通過與微血管內皮細胞上的特異性受體結合，向細胞內傳遞血管新生的信號，引起細胞DNA合成和有絲分裂反應，促使新的毛細血管網絡形成，重建側支循環以改善心肌血供。由此可見新生血管的建立與缺血后處理的心肌保護作用息息相關。

HIF是在心肌氧平衡中起關鍵作用的轉錄因子，可通過介導下游相關基因如血管內皮生長因子(VEGF)等的轉錄和表達，增加缺血心肌新生血管的生成，從而使機體對缺血、缺氧產生代償性適應反應。VEGF與受體VEGFR1、VEGFR2結合可促進內皮細胞分裂遷移生成血管，增加血管尤其是微血管的通透性，增加心輸出量降低外周阻力，愈合血管損傷細胞使內膜內皮化。若應用缺血后處理可激活HIF信號通路，使HIF-1α結合于VEGF這一基因的缺氧反應元件(HREs)上，進而介導下游的VEGF轉錄表達，促使局部缺血組織側支循環建立，改善心肌缺血缺氧狀態，從而緩解缺血癥狀[8]。而糖尿病心肌能量代謝紊亂，同時高糖狀態影響心肌線粒體呼吸功能和呼吸鏈酶活性，在缺氧及高糖條件下HIF-1α信號通路受損表達減弱，VEGF及其受體顯著減少，其缺血后處理的心肌保護作用亦受到影響[22]。

2.3 心肌保護作用的效應器 線粒體是心肌保護作用的重要效應器，為維持細胞內外離子梯度提供ATP，從而保證心肌細胞的完整性。有證據表明，在糖尿病患者中，缺血后處理通過調控信號通路的下游靶基因以及終末效應器所誘導的心肌保護作用受到嚴重破壞，缺血期缺乏氧氣供應而抑制線粒體呼吸鏈的功能，誘導線粒體內膜去極化限制ATP的形成，再灌注初期Ca2+濃度升高mPTP通道開放，線粒體內外離子紊亂、基質腫脹致心肌不可逆損傷[23]。

2.3.1 線粒體ATP敏感性K+通道(mitoKATP) 在缺血再灌注時主要是線粒體內膜上的KATP通道激活而起到了重要的心肌保護作用。在正常心肌中，缺血后處理可以通過熱休克蛋白將PKC的亞型PKC-ε介導進入線粒體內，而mitoKATP作為PKC-ε的下游重要靶點在此時激活開放，生成少量ROS發揮心肌保護作用，與此同時釋放出的少量ROS又可正反饋激活PKC-ε形成一個有效的循環保護作用[24]。除此之外，mitoKATP的激活可以在一定程度下抑制線粒體通透性轉運孔mPTP的開放，減少心肌梗死面積，發揮心肌保護作用[25]。

然而，研究發現高血糖使缺血后處理保護作用弱化的機制，可能與患者心肌細胞內的線粒體膜、細胞膜和肌漿網的功能明顯失調，尤其是mitoKATP通道的受損緊密相關。高血糖這一改變可以更大程度的刺激PKC-ε進入線粒體，以激活mitoKATP產生比正常心肌更多的過量ROS，此時過量的ROS不再具有保護作用而是產生與之相反的損傷作用[26, 27]。另外，mitoKATP活性主要由ATP及葡萄糖代謝產生的ADP分子控制。當糖酵解被激活時，細胞內ATP/ADP比值越高mitoKATP越有可能關閉，而這一通道關閉也會導致缺血后處理的保護作用失效[28]。

2.3.2 線粒體通透性轉運孔(mPTP) 糖尿病缺血再灌注損傷心肌中缺血后處理的保護作用失效，實驗發現若應用缺血后處理的同時阻斷或延遲mPTP開放，則缺血后處理的保護作用在一定程度上能夠恢復，因此推測缺血后處理保護作用失效可能與mPTP相關[29]。臨床研究發現，盡管糖尿病患者和非糖尿病患者的心臟組織總線粒體含量沒有差異，但是其功能障礙方面卻差異極大，而這一差異很可能是由于高血糖這一代謝應激因素所致[19]。在高血糖環境中，心肌組織中mPTP對Ca2+敏感性大大增加，而這一增加的敏感性與線粒體ROS的增加相關，ROS生成過量、Ca2+超載及心臟半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9活性增加促進mPTP通道開放，水和溶質進入使線粒體外膜破裂釋放細胞色素C和凋亡因子，導致基質嚴重腫脹、密度降低、嵴紊亂、空泡形成等諸多病理變化，進一步導致線粒體氧化應激和細胞凋亡，最終導致心肌嚴重的不可逆性損傷。

綜上所述，心肌缺血再灌注損傷仍是目前臨床存在的重要問題，盡管缺血后處理可起到良好的心肌保護作用，但越來越多的證據表明，在糖尿病狀態下，缺血后處理的心肌保護作用受到很大程度的弱化。而其弱化機制很可能與ROS的過量釋放、PI3K/Akt信號通路改變、HIF活性降低及線粒體功能障礙而致mitoKATP通道及mPTP的表達和活性改變等相關。因此針對上述機制改善缺血后處理對糖尿病缺血再灌注心肌的保護作用尤為重要。