缺血后處理與糖尿病心肌的研究進展

祝紅麗，王海英

(1.遵義醫學院麻醉醫學院，貴州 遵義 563000； 2.遵義醫學院附屬醫院麻醉科，貴州 遵義 563000)

糖尿病是一種全球流行病，近年來糖尿病患者的數量急劇上升，其中2型糖尿病約占90%[1]。糖尿病是以高血糖和內源性胰島素分泌不足或抵抗為特點的代謝性疾病。糖尿病是心血管疾病的獨立危險因素，常伴隨冠狀動脈微血管病變，可導致心肌供血不足，使心肌更容易發生缺血損傷，其誘發的糖尿病心肌病是患者死亡的主要原因。對心臟起保護作用的刺激反應會在高血糖的長期刺激下受到抑制或消除。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者發生心肌缺血再灌注損傷的風險更高[2]。Zhao等[3]首次提出缺血后處理(ischemic postconditioning，IPO)的概念并發現IPO可明顯減輕炎癥反應和縮小心肌梗死面積，產生心肌保護效應。IPO是心肌缺血后采取的保護策略，可控性強、臨床實用價值高，故成為國內外研究的熱點。目前，大多數研究是圍繞IPO對健康心肌的心肌缺血再灌注損傷的對抗作用，而對病理性心肌的研究甚少，且糖尿病可弱化IPO對心肌的保護作用。現對IPO與糖尿病心肌缺血再灌注損傷的相關研究予以綜述。

1 糖尿病對心肌缺血再灌注損傷的影響

1.1糖尿病對心肌缺血期的影響 糖尿病存在不同程度的胰島素缺乏或胰島素抵抗，使葡萄糖氧化受到抑制，脂肪酸成為心肌細胞的主要能量來源，導致血糖、血脂和胰島素升高，損傷機體正常蛋白，增加心肌氧化應激，導致能量代謝障礙和炎癥反應的發生，使心肌更易受到缺血損傷[4]。研究表明，高血糖會抑制依賴線粒體復合物Ⅱ的呼吸作用，使琥珀酸為作用底物呼吸率降低40%左右，引起線粒體能量儲備能力下降[5]。Montaigne等[6]研究發現，糖尿病患者心肌細胞中線粒體融合蛋白1表達下降，顯著破壞心肌細胞的內部收縮，增加心肌氧化應激，降低線粒體容量，導致能量代謝紊亂。此外，高血糖還可增加鈣酶蛋白1的表達，通過下調ATP合酶α和抑制ATP合成酶的活性，引起能量供應不足和氧化應激損傷，最終引起心肌細胞凋亡[7]。糖尿病引起的脂代謝紊亂還會升高低密度脂蛋白水平，進而引起氧化應激和炎癥反應，從而加重冠狀動脈內皮細胞和心肌細胞的損傷，最終導致心肌缺血加重[8]。可見，高血糖狀態會增加心肌對缺血損傷的敏感性。

1.2糖尿病對心肌再灌注期的影響 臨床試驗發現，心肌缺血再灌注損傷更容易危及糖尿病患者[9]。但在糖尿病動物模型中卻沒有統一的結論。首先，糖尿病心肌對缺血再灌注損傷的敏感性與糖尿病類型有關。研究顯示，在大鼠缺血再灌注模型中，1型糖尿病模型的心肌對缺血再灌注損傷的耐受性增加，而2型糖尿病模型則表現為損傷加重，這可能與2型糖尿病的病程長且伴有胰島素抵抗或高血壓，從而造成心肌損傷加重有關，但具體機制尚不清楚[10]。其次，糖尿病心肌對缺血再灌注損傷所表現出來的差異性還與糖尿病病程的長短有關。研究表明，糖尿病初期對心肌缺血再灌注損傷的抵抗性增加可能與糖尿病早期階段可激發心臟對抗心肌缺血再灌注損傷的代償性機制有關，如促進抗氧化作用、上調生成通路、下調凋亡基因和促進炎性因子等[11]。Li等[12]的研究卻得到相矛盾的結果，糖尿病早期缺血再灌注表現為心肌的氧化應激增加、抗氧化能量下降、糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase，GSK)3β、信號轉導及轉錄激活因子(signal transducer and activator of transcription，STAT)3的激活受損，使缺血再灌注損傷更易危及糖尿病心肌，并且在糖尿病心肌缺血時間達到45 min時才表現為心肌梗死面積增大，這種矛盾結果可能與模型的差異有關。但在糖尿病晚期的心肌更易受到缺血再灌注介導的損傷，可能與高血糖長期刺激下心肌的炎癥反應加劇有關[13]。可見，糖尿病心肌對缺血再灌注損傷的耐受性不同，并與糖尿病類型以及所處的階段有一定關系。

由此可見，糖尿病與健康心肌相比更易加重心肌損傷，嚴重影響患者預后。因此，尋找減輕糖尿病心肌缺血再灌注損傷的方法對提高患者生存率和改善預后具有重大的經濟意義和社會價值。IPO與缺血預處理具有相同的心肌保護效應，具有可控性和可操作性，一直是國內外研究的熱點，并已成功應用于臨床。有研究表明，臨床急性心肌梗死經皮冠狀動脈介入術中實施IPO策略能明顯減輕心肌的炎癥反應并縮小心肌梗死面積，加快患者術后恢復[14]。可見，IPO是健康心肌對抗心肌缺血再灌注損傷的有效干預策略。

2 IPO對健康心肌的保護作用

IPO作為健康心肌對抗心肌缺血再灌注損傷的經典手段，減輕心肌缺血再灌注損傷可能的相關機制可抑制中性粒細胞活化和介導的損傷、抑制心肌細胞的凋亡、激活抗氧化通路來抑制再灌注時氧自由基介導的損傷、抑制細胞內鈣超載、增強內源性腺苷的心肌保護作用、激活線粒體ATP敏感性鉀通道的開放，從而減輕心肌缺血再灌注損傷[15-21]。IPO還可誘導腺苷、阿片類等內源性觸發因子的釋放，觸發細胞表面受體，然后激活再灌注損傷補救激酶途徑和生存活化因子增強途徑等信號通路，激活線粒體ATP敏感性鉀通道的開放，減輕氧化應激和抑制鈣超載，從而抑制線粒體通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)的開放，減少心肌細胞壞死[22]。研究發現，IPO可抑制琥珀酸脫氫酶-黃蛋白亞基的表達量，調節能量代謝，增強心肌功能，減小心肌梗死面積，發揮抗心肌缺血再灌注損傷的作用[23]。由此可見，IPO對健康心肌有保護作用，但對糖尿病心肌的保護作用較弱。

3 糖尿病狀態下心肌保護作用弱化的機制

高血糖狀態下，IPO對心肌的保護作用減弱或消失，但具體機制尚不清楚。IPO保護手段在糖尿病心肌的臨床應用較局限，其抗糖尿病心肌缺血再灌注損傷弱化的可能機制主要有自噬作用、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3 kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)與酪氨酸激酶2(janus kinase 2，JAK2)/STAT3信號通路、GSK3β、MPTP和能量代謝等。

3.1自噬作用 自噬是細胞內一種保守而重要的自我消化過程，主要介導細胞質成分和不需要的大分子物質等蛋白質的降解以及細胞器的更新，也為細胞器的構建和細胞結構的再循環提供原料[24]。對于維持正常細胞穩態和不利條件下細胞的保護反應必不可少，而過度或不充分的自噬作用都不利于細胞的新陳代謝和生存，故維持適當水平的自噬作用有助于減少目標器官的損害。有充分證據表明，適當的自噬水平對維持心血管穩態和功能至關重要，過量或不足的自噬均可能是導致心臟疾病的發病機制[25]。但糖尿病心肌細胞的自噬作用卻受到抑制。Zhou等[26]研究發現，腺苷酸活化蛋白激酶的激活劑可恢復IPO對糖尿病心肌的保護作用，而這種保護作用可被自我吞噬抑制劑逆轉，可能與高血糖抑制腺苷酸活化蛋白激酶的磷酸化和消除心肌細胞的自我吞噬作用有關；同時還發現，高血糖會減少心肌自噬調節劑的表達，使下游AMP活化的蛋白激酶/哺乳動物雷帕毒素靶蛋白信號通路的激活受損，從而消除心肌的自噬作用，導致糖尿病心肌損傷加重[27]。可見，糖尿病使心肌的自噬作用消除或抑制，打破細胞新陳代謝平衡，導致細胞異常甚至死亡，這可能是糖尿病心肌對IPO反應遲鈍的原因之一。

3.2PI3K/Akt和JAK2/STAT3信號通路 PI3K/Akt和JAK2/STAT3信號通路是心臟的內源性保護途徑，參與缺血后處理的心肌保護作用機制，而高血糖會引起心肌一些調節因子水平的改變，最終導致保護信號通路受損。研究發現，糖尿病心肌的第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源物的表達量增加，而這種蛋白同源物作為PI3K/Akt的主要負調節因子，其表達異常可引起PI3K/Akt和JAK2/STAT3信號通路受損，最終引起細胞凋亡，導致糖尿病心肌對IPO不敏感[28]。對糖尿病大鼠心肌的研究發現，患糖尿病4周的大鼠心肌脂聯素表達受到抑制，導致脂聯素受體1/小窩蛋白3通路受損，引起線粒體STAT3的失活，使線粒體功能受損，激活或恢復脂聯素信號通路可恢復糖尿病大鼠的心臟保護作用；而患糖尿病8周的大鼠心臟，由于脂聯素受體1/小窩蛋白3信號通路嚴重受損，喪失的保護作用已不能逆轉，可見，通過恢復脂聯素信號激活STAT3可能是治療早期糖尿病心肌缺血再灌注損傷的有效途徑[29]。糖尿病大鼠心肌中PI3K/Akt信號蛋白的改變會增加心肌梗死面積和過度的氧化應激，從而加重心肌缺血再灌注損傷[30]。因此，長期糖尿病刺激下，內源性保護通路受損可能是導致IPO對糖尿病心肌弱化的原因。

3.3GSK3β GSK3β是一種蛋白激酶，在細胞凋亡、氧化應激和線粒體損傷等病理過程中起重要作用，并且還與糖尿病、老年癡呆癥、缺血性疾病等的病理過程有關。Badalzadeh等[31]發現，糖尿病組心肌GSK3β(Ser9)的磷酸化程度明顯低于正常對照組，而IPO對糖尿病心肌保護作用的弱化可能與糖尿病狀態抑制GSK3β磷酸化并增加心肌的氧化應激有關。研究發現，單獨IPO或環孢素A均不能保護1型糖尿病心肌免受缺血再灌注損傷，而環孢素A 處理結合IPO才可激活GSK3β的磷酸化，從而減少細胞凋亡和減輕炎癥反應，恢復IPO的保護作用[32]。由此可見，糖尿病心肌中GSK3β的磷酸化受損可能影響IPO對糖尿病心肌的保護效應。

3.4MPTP MPTP是線粒體內膜的一種非特異性孔。缺血期間細胞pH降低，MPTP保持閉合狀態，再灌注一旦開始就會迅速打開，而MPTP的開放會導致線粒體去極化、腫脹、細胞凋亡和壞死。MPTP是心肌缺血再灌注損傷條件下的關鍵效應器[33]。同時，MPTP也是IPO保護作用機制的終末效應器，故MPTP被認為是IPO減輕心肌缺血再灌注損傷的重要作用靶點。Najafi等[34]研究發現，慢性1型糖尿病單獨應用IPO不能改善心肌的循環動力學、減小心肌梗死面積以及心肌酶大量釋放導致的組織損傷，而MPTP抑制劑環孢素A卻可以恢復IPO的保護作用效力。由此推斷，通過有效抑制MPTP的過度開放，可以克服IPO在糖尿病狀態下心肌保護作用的喪失，也為減輕糖尿病心肌缺血再灌注損傷提供了新的治療途徑。

3.5能量代謝 ATP作為生物體內最直接的能量來源，可為細胞提供能量，大部分生物的ATP主要來源于線粒體的氧化磷酸化過程，在線粒體膜上存在4種與能量產生相關的酶，它們參與線粒體氧化磷酸化合成ATP的過程，因此這些酶結構或功能的異常都不利于能量代謝的平衡。2型糖尿病伴隨胰島素抵抗，葡萄糖氧化受到抑制，與能量合成相關的酶功能也受到影響。研究發現，IPO只能降低糖尿病大鼠心臟熱激蛋白20的表達量，卻不能下調線粒體蛋白F1亞基-ATP合成酶復合物和烯脂酰輔酶A水合酶短鏈1，故2型糖尿病大鼠的心肌缺血再灌注損傷無法避免[35]。線粒體蛋白可以調節細胞ATP的消耗和產生以及對缺血應激的防御反應，表明糖尿病心肌中酶功能紊亂[F(1)-ATP酶、烯脂酰輔酶A水合酶短鏈1、HSP20]可能是IPO保護作用丟失的潛在靶點。IPO對糖尿病心肌保護作用減弱的機制可能與使ATP產生和消耗的酶功能紊亂有關。

4 恢復IPO對糖尿病心肌保護作用的策略

4.1藥物干預 IPO可激發內源性物質并通過細胞內的信號通路產生保護作用。糖尿病可引起保護通路受損，從而影響IPO的保護效應。使用藥理性方法可恢復信號通路的保護作用，如使用AMP活化的蛋白激酶激活劑A-769662可逆轉糖尿病對心肌細胞自噬作用的抑制作用；維達格列汀可以減少氧自由基的產生和恢復線粒體膜電位，改善線粒體功能，調節缺血再灌注心肌的自噬活性，從而恢復IPO對抗糖尿病心肌缺血再灌注損傷[26,36]。有研究顯示，MPTP抑制劑環孢素A可抑制MPTP的過度開放，還可促進GSK3β的磷酸化和增加抗炎因子B細胞淋巴瘤2水平，從而減輕心肌炎癥反應和細胞凋亡，恢復IPO對糖尿病心肌的保護作用[32,34]。使用阿托伐他汀鈣也可增加磷酸化GSK3β和熱激蛋白70的表達，減輕糖尿病心肌缺血再灌注損傷[37]。可見，藥物可恢復糖尿病所阻斷的保護信號通路，恢復IPO的保護作用，從而降低糖尿病患者心血管疾病的病死率。

4.2基因剔除 高血糖狀態可引起一些內源性物質的異常表達，基因剔除可改變這些物質的DNA表達，從而恢復IPO的保護效應。Xue等[28]的研究發現，PTEN基因剔除可促進PI3K/Akt和JAK2/STAT3信號通路的磷酸化作用，恢復缺氧后處理的心肌保護效應。基因剔除可減輕心肌缺血再灌注損傷對糖尿病心肌的損傷作用。

5 小 結

心肌缺血再灌注損傷給患者造成不可忽視的危害，減輕其損傷一直是國內外研究的重點。IPO對健康心肌的保護作用具有重大的臨床使用價值，但糖尿病心肌會弱化IPO的保護作用，目前具體機制尚不清楚，可能與ATP產生和消耗的酶功能紊亂有關。琥珀酸脫氫酶作為線粒體氧化磷酸化過程中最關鍵的酶，對電子傳遞、能量代謝調節起至關重要的作用。Cao等[23]研究發現，IPO能明顯抑制大鼠缺血再灌注心肌細胞中SDHA琥珀酸脫氫酶-黃蛋白亞基的表達，發揮抗心肌缺血再灌注損傷的作用。糖尿病狀態下，IPO對心肌的保護作用減弱與琥珀酸脫氫酶活性改變的關系有待深入研究，可為恢復IPO對糖尿病心肌的保護作用提供新的作用靶點。