糖尿病心肌病發病機制的研究進展

徐 娜，白淑芝

(哈爾濱醫科大學基礎醫學院病理生理學，哈爾濱 150081)

糖尿病是嚴重危害全球人類健康的代謝綜合征，是由遺傳和環境因素導致的胰島素分泌絕對或相對減少而引起的以血糖升高為主要特征的全身代謝性疾病[1]。近年來，糖尿病的發病率迅速增加且呈年輕化趨勢。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyo-pathy,DCM)是糖尿病的重要并發癥之一。最早在1972年Rullber等[2]通過觀察到4例糖尿病腎小球硬化癥患者在沒有明顯的冠狀動脈及心臟瓣膜病變、高血壓及酗酒、先天性心臟病的情況下，患者罹患充血性心力衰竭和心律失常，首次提出DCM的概念。現被人們所廣為接受的定義是發生于糖尿病患者，不能用高血壓性心臟病、冠心病及其他心臟疾病來解釋的心肌疾病。DCM是在機體糖脂代謝異常及微血管管壁增厚、變硬等基礎上引起心肌細胞體積增大，成纖維細胞增殖、大量分泌膠原，心肌廣泛灶性壞死，間質纖維化，造成心室順應性下降，心功能下降，最終引發心力衰竭。目前關于DCM的發病機制還未完全闡明，且臨床缺乏特異性的藥物治療。現就DCM發病機制的研究進展進行綜述。

1 心肌細胞代謝紊亂

1.1高血糖對心臟的影響 持續性高血糖是引起心肌纖維化的一個重要原因。而心肌成纖維細胞是引起心肌纖維化的主要作用細胞,可以在某些因素刺激下，過度增殖并分泌大量的膠原蛋白[3]，造成間質纖維化，心室壁僵硬。對DCM的研究，一直集中在心肌細胞上，對心肌成纖維細胞的研究可以作為一個新的方向。高糖環境下可通過脂質代謝、葡萄糖自身氧化及線粒體氧化磷酸化產生大量的活性氧類，氧化應激增強，加速心肌細胞的凋亡和細胞DNA的損傷，而氧化應激誘導的DNA損傷也會激活DNA相應的修復酶，如聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶等，這種酶可以將葡萄糖代謝從通常的糖酵解中重新調整通向另一種生化途徑的通路，可導致多種介質的產生引起細胞損傷。這些損傷包括增加乙糖胺通路、多元醇通路、蛋白激酶C激活，晚期糖基化終末產物水平增加[4]。晚期糖基化終末產物可以共價交聯細胞內外多種蛋白質，包括彈性蛋白和膠原蛋白交聯會損傷心臟舒張功能，降低心臟順應性，促進心肌纖維化，也是產生糖尿病并發癥的重要因素之一。

1.2胰島素抵抗和高胰島素血癥 胰島素抵抗是指靶器官對胰島素的反應性降低，即對葡萄糖的攝取、利用率下降，導致機體為維持血糖穩定代償性的分泌更多的胰島素，從而造成高胰島素血癥。作為2型糖尿病早期的代謝異常，高胰島素血癥通過各種機制引起心肌細胞肥大、心肌纖維化。研究發現，叉形頭轉錄因子的O亞型(forkhead transcription factors of the O class，FoxO)家族中的FoxO1、FoxO3、FoxO4對心臟應激反應和保護心臟功能發揮一定作用。原代心肌細胞中，通過鈣調神經磷酸酶/蛋白磷酸酶2通路觸發絲氨酸-蘇氨酸激酶磷酸化，可以抑制FoxO表達，從而降低胰島素敏感性和減少葡萄糖代謝受損[5]。這可能為治療胰島素抵抗引起的DCM提供一個新的方向。此外，高胰島素血癥還可引起表觀遺傳和基因改變，激活多種轉錄因子導致細胞外基質蛋白的沉積和心肌細胞肥大，促進DCM的發生、發展[6]。表觀遺傳學是當DNA序列不發生變化時研究基因表達發生的可能性，主要涉及組蛋白修飾、DNA甲基化和微RNA(microRNA,miRNA)干擾等方面，而表觀遺傳是一個可逆的過程[7]。因此，從表觀遺傳學角度出發可為研究DCM的發生、發展提供一個新的方向。

1.3非酯化脂肪酸代謝異常 在正常生理情況下，心臟能夠利用葡萄糖和脂肪酸作為能量底物。在DCM中，胰島素抵抗所引起的葡萄糖攝取減少促進心肌基質中非酯化脂肪酸氧化，導致心力衰竭、肥胖和2型糖尿病患者血漿中非酯化脂肪酸水平增高，心臟三酰甘油沉積和脂肪酸攝取增加[8]。過量的脂肪酸的攝取會超過心肌細胞線粒體的氧化能力，并在心臟出現異位脂質沉積從而誘發對心臟的脂毒性。多余的脂肪酸部分將通過非氧化途徑產生有毒性的脂肪酸中間產物，如神經酰胺等[8]。這些有毒物質可干擾正常的細胞信號，引起細胞凋亡、細胞損傷、線粒體功能障礙，最終導致心臟舒縮功能降低，線粒體的脂肪酸氧化增加與活性氧類增加有關，活性氧類能將細胞質的脂質氧化成脂質過氧化物。反過來，脂質過氧化物和活性氧類又會導致線粒體和細胞損傷，線粒體氧化代謝不耦合。另有研究發現，泛素連接酶mitsugumin 53很可能通過靶向降解胰島素信號通路中的蛋白和特定上調過氧化物酶體增殖物激活受體兩個過程相互協同促進非酯化脂肪酸氧化，引起心臟不良事件發生[9-10]。由此可見，心臟脂肪代謝異常是引起DCM的一個重要原因，但其確切的機制還需要進一步研究。

1.4鈣穩態失調 鈣參與細胞代謝、肌肉收縮和細胞信號傳遞等多項生理活動。一般情況下，在心臟興奮-收縮偶聯時，在肌纖維膜去極化后，Ca2+通過電壓敏感L型Ca2+通道進入細胞質，觸發肌質網Ca2+釋放，Ca2+與肌鈣蛋白C結合，誘導肌纖維收縮。在心臟舒張時，鈣大部分儲存在肌質網，小部分通過細胞膜上的Na+/Ca2+交換體和Ca2+泵泵出。有文獻報道在DCM中參與鈣轉運的蛋白受損，使心臟舒張期時間延長[11]。在實驗中記錄到，2型糖尿病小鼠心臟中，細胞內游離Ca2+升高，細胞內Ca2+衰減時間延長，Ca2+瞬變減慢、肌質網鈣泵減少、肌質網對Ca2+重新攝取受損[12]。在1型糖尿病動物模型中也有類似變化[13]。以上數據表明，在DCM中細胞內鈣穩態紊亂在心臟舒張及收縮功能障礙中起重要作用。

2 腎素-血管緊張素-醛固酮系統激活

有研究表明，與非糖尿病患者相比，糖尿病患者心肌細胞內血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)水平高3.4倍[14]。高血糖激活心臟內腎素-血管緊張素-醛固酮系統(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS),AngⅡ的升高通過細胞表面血管緊張素受體1刺激心肌成纖維細胞的增殖和膠原合成代謝的改變，引起心肌間質和血管周圍纖維化，刺激心肌細胞增生和心肌細胞肥大，引起舒張功能紊亂，最終導致心肌肥厚、心肌纖維化。此外，鹽皮質激素受體信號激活以及AngⅡ通過激活雷帕霉素S6在哺乳動物上的靶點相關激酶1信號轉導通路，可能會進一步促進胰島素抵抗[15]。而胰島素抵抗會反過來作用于RAAS。臨床和實驗研究顯示，應用RAAS抑制劑對糖尿病引起的相關心臟功能障礙有所改善，而對血壓無顯著影響[16]。RAAS抑制劑近年來雖已用于DCM心肌細胞凋亡和心肌纖維化的治療，但效果并不令人滿意。動物模型實驗證明，AngⅡ在加重早期糖尿病誘導的心肌肥大中起關鍵作用，這可能與氨基端激酶通路的激活以及隨后的miR-221介導的自噬抑制有關[16]。因此,在糖尿病患者中抑制AngⅡ或miR-221可能是一種潛在的延緩DCM發生或減輕其嚴重程度的方法。

3 線粒體損傷

DCM患者心肌對葡萄糖的利用率明顯下降，心臟供能主要來源于脂肪酸的β氧化，同時產生的非酯化脂肪酸等可導致線粒體耗氧量增加和功能障礙，也生成了大量的神經酰胺等中間產物，而這些物質可干擾正常的細胞信號，引起細胞凋亡、細胞損傷。而且，線粒體代謝脂肪酸的同時也增加了心臟耗氧量，引起心臟結構和功能改變，從而導致DCM，但是其確切原理還需要進一步研究。在正常情況下，線粒體內活性氧類生成與清除處于動態平衡。糖尿病時，高血糖環境下可引起線粒體三羧酸循環中電子供體生成增多，線粒體膜電位升高超過一定范圍后引發大量活性氧類生成，氧化應激增強，同時超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等抗氧化酶的基因表達下調，活性基團發生糖基化，引起機體的抗氧化能力降低、大量的活性氧類堆積，造成對細胞結構和成分的破壞。由線粒體等所生成的活性氧類主要經過多元醇通路、己糖胺通路、蛋白激酶C通路、心肌細胞內晚期糖基化終末產物4個信號通路引起DCM。因此，DCM線粒體氧化應激的增加是導致DCM發病的一個主要因素。線粒體膜的主要組分是磷脂，上面鑲嵌著膜蛋白，負責傳遞和運輸電子。大部分心磷脂位于其內膜磷脂雙層的基質面[17]。研究表明，機體心肌缺血早期造成線粒體氧化應激增加，引起線粒體膜上心磷脂結構的改變，從而阻礙線粒體內電子的傳遞，損傷線粒體功能、最終心肌細胞死亡及組織病變[18]。對糖尿病小鼠心肌細胞進行病理分析發現，病變的心肌細胞早期，四亞油酰心磷脂水平出現明顯下降，而給予二甲雙胍降糖藥物處理后的心肌細胞四亞油酰心磷脂水平接近正常。根據這些研究和實驗，線粒體膜上心磷脂結構和其水平的改變與DCM發病機制的潛在聯系還需進一步研究證明。

4 微循環損傷

糖尿病性微血管病變的主要場所為糖尿病性視網膜病變、糖尿病腎病、糖尿病神經病變。研究顯示，在2型糖尿病、胰島素抵抗、DCM患者中均能觀察到冠狀動脈微血管病變，出現內皮損傷、基膜增厚、纖維素沉積,促進冠狀動脈松弛[11]。上述病變可能與一氧化氮水平降低有關。胰島素敏感性降低的情況下，一氧化氮降解增多，產生減少。在糖尿病患者的心臟微循環中可觀察到毛細血管密度減少以及中、小動脈壁結構發生改變[19]。微循環功能障礙導致糖尿病患者血液供應減少，從而進一步損傷糖尿病心臟的中、小動脈，引起心肌纖維化、順應性降低、心功能障礙。血管周圍纖維化和間隙的改變，小血管中微動脈瘤的形成，毛細血管基膜增厚導致糖尿病心臟微血管缺血，而缺血又會進一步導致心肌纖維化、僵硬、出現功能障礙。高胰島素血癥和胰島素抵抗與小血管和大血管的僵硬度有關[20]。有研究表明，高胰島素血癥可以促進血管平滑肌細胞向成骨細胞分化，而成骨細胞在促進血管僵硬度上發揮一定作用[21]。

5 自 噬

自噬是存在于真核生物細胞中，具有高度保守，達到維持胞內正常生理活動及穩態的一種細胞代謝過程。而自噬在近年來被發現在DCM中具有獨特的細胞適應性機制，調節DCM病變進程。一般情況下，心肌持續低水平的自噬是對自身細胞的應激保護機制[22]。而在營養缺乏、能量不足、缺氧、胰島素抵抗、內質網應激、機體損傷、病原體感染等不良因素下可誘導自噬。在這些不良情況下，心肌細胞誘導多種途徑調節自噬活性，包括哺乳動物雷帕霉素靶蛋白敏感型復合體途徑、AMP活化的蛋白激酶途徑、三磷酸肌醇受體途徑、蛋白激酶A途徑等，減少有害物質對細胞內的損傷，同時加速分解非酯化脂肪酸和晚期糖基化終末產物等，改善DCM心肌代謝紊亂、緩解胰島素抵抗、減少氧化應激發生、延緩心肌纖維化、微血管病變，從而延緩DCM的發展進程[23]。研究表明，Beclin 1是調節心臟自噬的重要基因[24]。當Bcl-2或Bcl-2樣蛋白1與Beclin 1結合，能夠負向調節自噬。通過磷酸化Beclin 1的BH3結構域的第108位酪氨酸，Bcl-2和Beclin 1相互作用，Beclin 1失去活性，抑制自噬，誘導凋亡，使蛋白質受損導致心臟功能異常[25]。有文獻報道，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1亦可以通過磷酸化Beclin 1的第119位酪氨酸，使Bcl-2和Beclin 1相互分離，此時可以促進自噬[26]。然而，目前對DCM自噬亢進還是減弱報道不一，有望進一步的證明闡述。

6 亞細胞組分異常

內質網應激、鈣處理障礙和線粒體功能障礙與DCM的發生、發展密切相關。機體產生過多的活性氧類會破壞翻譯后的蛋白質在粗面內質網中修飾和折疊的過程，對內質網產生有害影響。內質網應激誘導產生針對有害影響的適應性反應，促進錯誤折疊蛋白酶體的降解。機體在脂肪和糖類的過量攝入和胰島素抵抗的條件下，過多的營養物質進入細胞內會導致電子傳遞到氧氣上時不產生腺苷三磷酸，同時也促進了活性氧類的增加，這可能會導致線粒體內的氧化損傷[27]。因此，線粒體產生過多的活性氧類，細胞內DNA、蛋白質和脂質膜成分會受到破壞，而活性氧類介導的纖維化也會促進心臟舒張功能障礙，進而導致心力衰竭。內質網和氧化應激會影響心肌細胞鈣穩態，進而導致舒張功能障礙和DCM。活性氧類、長鏈酰基肉毒堿和線粒體膜上異常的膜脂質含量通過影響各種轉運蛋白，從而影響細胞內鈣的處理[28]。鈣處理異常、活性氧類和內質網應激三者之間的相互作用能促進亞細胞組分功能障礙，最終導致細胞自噬、壞死、凋亡[29-30]，具體機制還有待進一步研究。

7 不適應性免疫應答

8 結 語

糖尿病的發病率逐年升高，且呈年輕化趨勢，相當一部分患者最終將發生心力衰竭、猝死。DCM的發病機制十分復雜，目前尚不完全清楚，已經發現其與慢性高血糖相關的代謝、胰島素抵抗、脂毒性、鈣穩態失調、RAAS和微血管病變等有關。目前研究熱點主要集中在靶向線粒體、細胞自噬、亞細胞組分異常、基因療法、免疫反應及各方面機制的內在聯系等，繼續深入研究有望進一步揭示DCM的發生、發展機制，為臨床提供堅實的理論基礎，最終實現基礎研究向臨床治療的轉化。