糖尿病心肌纖維化研究進展*

張 毅，李妍菲

(1.湖北科技學院醫(yī)藥研究院糖尿病心腦血管病變湖北省重點實驗室，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學院附屬第二醫(yī)院)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一種常見的代謝障礙疾病，主要由遺傳因素和環(huán)境因素共同作用誘發(fā)。近年來，在全球范圍內其發(fā)病率逐漸增加，2011年全球大約有3.65億DM患者，預計到2035年將有5.92億人口患糖尿病[1]。心血管系統(tǒng)疾病是糖尿病患者的主要死因，糖尿病心肌病(diabetic cardio myopathy，DCM)是糖尿病的主要并發(fā)癥之一，表現(xiàn)為心肌細胞的肥大，間質的纖維化，心肌微血管病變等病理改變，并伴隨著心肌結構和功能的改變，如：左心室室壁厚度增加、心肌肥厚及纖維化、舒張功能下降、心室壁彈性降低等。

糖尿病心肌纖維化(myocardial fibrosis，MF)作為心臟重塑的一種明顯結構特征，主要發(fā)生在糖尿病心肌病的晚期，是最常見且嚴重的糖尿病心血管并發(fā)癥，表現(xiàn)為心肌成纖維細胞(cardiac fibroblasts，CFs)的過度增殖、膠原纖維過量積聚、各型膠原成分發(fā)生改變，比例失衡等。我們將從發(fā)病機制、傳導機制及分子水平等方面對MF的研究現(xiàn)狀作如下綜述。

1 糖尿病心肌纖維化的發(fā)病機制

1.1 高血糖

高血糖癥被認為是糖尿病心肌病的關鍵始動因素，機體在高血糖情況下葡萄糖的清除率降低，增加糖異生，在糖尿病性心肌病發(fā)病機制中起重要作用，同時高血糖持續(xù)時間和心肌纖維化的嚴重程度呈正相關。慢性高血糖可以通過電子傳遞鏈生成過量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)誘導心肌細胞的凋亡，還可以通過直接激活心臟成纖維細胞的增殖以及間接激活NADPH氧化酶活性，增加血管緊張素Ⅱ的產生并增加氧化應激來促進糖尿病心機纖維化[2]。

1.2 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的激活

腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)在機體的神經內分泌系統(tǒng)中占據(jù)著不可或缺的地位，對維持和改變心肌結構有著重要作用，并且與MF有密切聯(lián)系。RAAS系統(tǒng)的激活是心肌纖維化形成的重要病理機制。高糖激活心臟局部RAAS系統(tǒng)，使其以多效應方式發(fā)揮作用。其中，血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)和醛固酮(Ald)是最重要的導致心肌纖維化的兩種物質，在心肌纖維化的形成過程中，可分別通過不同的信號通路發(fā)揮作用[3]。

AngⅡ刺激血管緊張素受體Ⅰ直接作用于心肌細胞和心肌成纖維細胞，使膠原合成增多，分解減少，導致膠原合成降解網的失衡，從而引起心肌肥厚和纖維化。醛固酮是獨立于AngⅡ的心肌纖維化危險因素，通過與鹽皮質素受體結合形成激素受體復合物，從而激活相關信號分子通路，最終合成多種醛固酮誘導蛋白，導致CFs增殖，引起心肌間質及周圍血管的纖維化，從而發(fā)揮心肌纖維化效應。

1.3 轉化生長因子-β1(TGF-β1)

TGF-β1是機體正常組織向纖維化發(fā)展過程中起主要作用的細胞因子。心臟中TGF-β1主要由心肌細胞和成纖維細胞合成，對心肌具有多種作用。持續(xù)性高血糖、胰島素抵抗和高胰島素血癥等代謝紊亂均可刺激TGF-β1分泌。TGF-β1可使心肌成纖維細胞I型、Ⅲ型膠原產生和分泌增加，誘導心肌纖維化[4]。

1.4 胰島素樣生長因子-1(IGF-1)

相關研究表明，在糖尿病動物中IGF-1表達下調，會引起心肌收縮減弱、射血容積減少以及心輸出量降低等問題。而外源性IGF-1可以使這些問題得到改善。同時，有實驗證明IGF-1通過與受體結合并激活磷酸化，然后與PI3K結合并激活下游信號分子AKT，進而激活抗凋亡蛋白Bcl-2的表達，從而抑制心肌細胞的凋亡。

1.5 結締組織生長因子(CTGF)

CTGF是一種由349個氨基酸組成，分子量為34-38KD的富含半胱氨酸的分泌肽。機體在正常情況下，體內的CTGF表達很低或無表達。而在糖尿病模型中，CTGF的表達顯著增加。CTGF與血管、心臟、腎臟等多組織器官纖維化發(fā)生發(fā)展密切相關。相關研究指出[5]，在糖尿病大鼠心肌病模型中，PKC-2被激活，從而導致CTGF的表達明顯增加。

1.6 腫瘤壞死因子(TNF-α)

TNF-α是一種具有廣泛生物學效應的促炎細胞因子，參與各種心血管疾病的病理生理過程。在小鼠模型中，TNF-α的過表達可能導致心臟重塑、總基質金屬蛋白酶活性的升高和纖維化的加重。抑制TNF-α可能通過降低糖尿病心肌病的細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)磷酸化而保護心肌炎癥和心肌纖維化[6]。

在糖尿病模型中，心肌組織TNF-α的表達明顯增加，同時TNF-α可誘導原癌基因c-myc和c-fos的mRNA表達，刺激心肌成纖維細胞增殖，引起心肌間質膠原堆積，最終導致心肌纖維化。

1.7 血管內皮生長因子(VEGF)

在生理和病理條件下，VEGF為新生血管形成的主要介導物質，研究表明下調糖尿病小鼠心臟的VEGF可導致TGF-β1、CTGF、CollagenⅠ等纖維化相關因子的表達上調。

1.8 基質金屬蛋白酶(MMPs)

心肌纖維化的發(fā)生與膠原的過度增生密不可分。正常情況下，心肌間質膠原合成代謝不斷更新，既有新生，又有降解，二者保持一定的動態(tài)平衡。MMPs是參與膠原降解的一類重要的酶，高糖可直接阻礙MMPs的活化。研究表明[7]2型糖尿病大鼠心肌膠原纖維顯著增多，無論是核酸水平、蛋白水平還是酶活MMP-2的表達都顯著降低。由此可見，當MMP-2對膠原的降解作用被削弱，導致糖尿病大鼠心肌膠原蛋白過度沉積，最終導致心肌纖維化的發(fā)生。

1.9 過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)

PPARγ是一種細胞核激素受體，同時也是一種轉錄因子。研究發(fā)現(xiàn)，PPARγ可以通過介導減少巨噬細胞浸潤從而減輕心肌纖維化。李欣等[8]采用了PPARγ的激活劑和抑制劑以及細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)的抑制劑，證明激活PPARγ可以減輕糖尿病心肌纖維化，而抑制PPARγ則加重心肌纖維化。同時抑制ERK也可減輕心肌纖維化，由此可以說明，PPARγ被激活后減輕糖尿病心肌纖維化的主要作用機制是通過抑制TGF-β1/ERK相關通路發(fā)揮作用的。

1.10 內皮素(endothelin，ET)

ET不僅存在于血管內皮，也存在于其他組織器官中，是迄今所知最強的縮血管活性肽。在心臟中，主要由心肌細胞和成纖維細胞合成并分泌，可導致心臟成纖維細胞的增殖、膠原過度合成、一氧化氮生物活性降低，最終引起心臟功能異常。相關研究表明，在糖尿病大鼠模型中，高血糖引起ET受體上調，使得ET受體介導纖維連接蛋白表達增加。因此，使用ET受體拮抗劑、ET抗體或ET阻斷劑可抑制心肌成纖維細胞的增殖，從而抑制心肌纖維化。

2 糖尿病心肌纖維化的信號傳導機制

2.1 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的激活

糖尿病可以激活RAAS系統(tǒng)，而心臟局部RAAS的活性增加可誘導心肌成纖維細胞促纖維化以及心肌細胞功能異常。在糖尿病實驗模型中可檢測到心肌血管緊張素Ⅱ水平的升高及血管緊張素Ⅱ1型受體(AT1)的增加，而抑制血管緊張素信號通路可以減少膠原沉積，降低血管周圍的纖維化水平，同時也降低TGF-β的表達。研究表明AT1阻滯劑可以抑制糖尿病模型中的纖維化水平，這也說明血管緊張素Ⅱ在糖尿病中的促纖維化作用是通過AT1信號途徑介導的。

在糖尿病模型中，有三種血管緊張素Ⅱ介導糖尿病心肌纖維化的信號傳導機制。第一，血管緊張素介導的AT1信號激活TGF-β/Smad信號通路與非Smad依賴信號通路；第二，血管緊張素Ⅱ通過誘導TGF-β受體內皮因子(Endoglin)的表達而加重血管緊張素Ⅱ的反應；第三，AT1的活化導致糖尿病心肌細胞中ROS的產生，促進成纖維細胞活化[9]。

醛固酮也可能是血管緊張素介導的心肌纖維化的重要下游效應器。實驗表明[10]，在I型糖尿病大鼠模型以及飲食誘導肥胖的小鼠模型中，醛固酮的拮抗作用可減輕纖維化。同時，臨床研究也支持醛固酮信號在糖尿病和肥胖相關心肌纖維化中的重要作用，在一項前瞻性隨機對照臨床研究中，對無其他并發(fā)癥的肥胖患者進行6個月的醛固酮拮抗劑螺內酯治療，結果顯示這些接受治療的肥胖患者中膠原合成相關的血清學指標降低，并且心肌順應性和舒張功能得到改善[11]。

2.2 促炎細胞因子

促炎細胞因子可調節(jié)成纖維細胞的表型，并參與心肌纖維化導致的心衰的發(fā)病機制。在心肌成纖維細胞中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)刺激誘導膠原細胞增值，促進膠原合成，而IL-1β可延緩心肌成纖維細胞的轉化，上調基質降解的促炎成纖維細胞表達[12]。

2.3 轉化生長因子-β(TGF-β)

TGF-β是一種高度多向性介質，廣泛參與組織纖維化的發(fā)病機制。TGF-β1通過誘導蛋白酶抑制劑的合成，介導成纖維細胞的轉分化，刺激基質轉錄。研究表明[13]，無論在1型糖尿病模型和2型糖尿病模型中，TGF-β在心肌組織內表達均增加，并與心肌纖維化有關。TGF-β的誘導可能通過血管緊張素Ⅱ的激活來介導，也可能涉及高糖和瘦素對TGF-β的轉錄、分泌和激活的直接作用。

TGF-β的促纖維化作用可能同時涉及Smad依賴性和非依賴性途徑。對2型糖尿病小鼠模型的研究表明[14]，敲除Smad3可減少心肌纖維化，改善心肌順應性，減輕心肌氧化應激。

2.4 氧化應激

活性氧簇(ROS)的產生與心肌纖維化的發(fā)病機制密切相關，細胞質和線粒體主要通過4種酶的催化而產生ROS：線粒體呼吸鏈、NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)、黃嘌呤氧化酶和內皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthases，eNOS)。細胞內同樣存在一系列具有抗氧化作用的酶，主要包括血紅素氧化酶-1(hemoxigenase-1，HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、還原型谷胱甘肽(reduced glutathione，GSH)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)和過氧化氫酶。這些酶可以清除ROS的產生，從而使ROS的產生和降解處于動態(tài)平衡。

研究表明在1型和2型糖尿病模型中氧化應激均加重，心肌谷胱甘肽氧化增加，脂質過氧化水平升高。在糖尿病模型心臟中，ROS的線粒體生成明顯增加，并與脂質和蛋白質的過氧化有關。高血糖和胰島素抵抗也會增加糖尿病動物心肌ROS的生成。因此，通過降低氧化修飾水平或抑制氧化應激可以減輕心肌間質和血管周圍纖維化水平，從而減輕心肌細胞增生和心肌細胞肥大，減少舒張功能障礙[15]。

2.5 基質細胞蛋白作用

心肌細胞損傷后，細胞外基質通過沉積細胞外蛋白而富集。基質細胞蛋白包括凝血酶素(TSPs)、黏合素C和X、骨膜蛋白、骨連接蛋白和骨橋蛋白。在心臟重塑過程中，骨膜蛋白被誘導，參與并調節(jié)炎癥、纖維化和血管生成反應[16]。

研究發(fā)現(xiàn)高糖引起TSP-1的表達上調，并在糖尿病、肥胖和代謝紊亂的動物模型和人類患者中持續(xù)升高。TSP-1具有促進糖尿病心肌基質的保護作用，同時通過對血管生成素Ⅱ合成的影響而對糖尿病小鼠毛細血管發(fā)生作用。因此，TSP-1可能介導糖尿病心肌的纖維化以及血管損傷[17]。

3 microRNA與糖尿病心肌纖維化

microRNAs(miRNAs)是一種由20-23個核苷酸組成的非編碼小RNA，它們通過抑制mRNA翻譯或促進mRNA降解而成為基因表達的天然調節(jié)因子，在體內幾乎參與了所有的細胞反應，越來越多的實驗表明miRNAs在心肌纖維化中起著關鍵作用。miRNAs具有多種靶點，包括細胞因子、生長因子、細胞外基質蛋白、蛋白酶和基質大分子。對糖尿病小鼠模型心肌中的miRNA進行研究，結果表明[18]，多個miRNAs參與纖維化的發(fā)病機制，在心肌纖維化中起著關鍵作用。

3.1 miR-21

miR-21在心臟、腎、肝、肺等多器官纖維化中起著重要的作用，因此，受到了廣泛的關注。其中在心肌成纖維細胞中，與正常組相比，高糖模型組的miR-21表達顯著增加。研究表明[19]，在小鼠心肌梗死模型中，miR-21通過抑制缺血區(qū)TGF-β受體Ⅲ的活性，激活TGF-β/Smad通路，促進膠原的合成，促進成纖維細胞向病理性肌成纖維細胞分化。而且miR-21水平的變化與在纖維化過程中關鍵標記物CollagenⅠ和纖維連接蛋白的改變表現(xiàn)出相關性。

3.2 miR-29

miR-29家族包含miR-29a、miR-29b和miR-29c三個成員，在心肌纖維化過程中，miR-29也起著關鍵作用。研究表明[20]miR-29不僅對TGF-β傳導的纖維化通路起抑制作用，而且還可以直接抑制多種細胞外基質蛋白的表達。通過尾靜脈注射技術向糖尿病心肌纖維化小鼠模型注射miR-29的抑制劑，然后檢測纖維化相關基因的表達，結果發(fā)現(xiàn)表達顯著降低，進一步說明miR-29與細胞外基質蛋白的表達密切相關。同時，miR-29b對CollagenⅠ、MMP以及CTGF的表達具有負向調控作用，從而調控心肌纖維化。

在糖尿病心肌纖維化小鼠中，與正常組相比miR-29c的表達顯著降低，纖維化相關蛋白如膠原蛋白及纖連蛋白等表達升高。給予治療后，miR-29c的表達增加，纖維化相關蛋白表達降低，說明miR-29c在心肌纖維化中起著關鍵作用[21]。

3.3 miR-133

在心肌組織中，miR-133表達豐富，其可通過抑制細胞外基質蛋白表達，從而抑制心肌纖維化。研究發(fā)現(xiàn)[22]，通過沉默心肌細胞和心肌成纖維細胞的miR-133，可以使CTGF的表達增加。而過表達miR-133后，CTGF表達顯著降低。進一步研究發(fā)現(xiàn)，與正常人相比在心臟病患者中，miR-133呈下調趨勢，同時心肌細胞中CTGF及細胞外基質的表達增加，進而促進心肌纖維化的形成。

3.4 miR-208

miR-208是一種與心肌肥大和纖維化相關的miRNA，具有心肌表達特異性并且在激素調節(jié)的心肌生長中起重要作用。miR-208是肌球蛋白miRNA家族中的一員，分為miR-208a和miR-208b兩個亞型。當心臟負荷過大時，miR-208可以調控肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain，MHC)向β-MHC轉化，使β-MHC表達增加，進而促進心肌細胞增生，導致心肌纖維化。

研究表明[23]心肌梗死后，miR-208表達量增加，內皮糖蛋白的表達增加，進而誘導心肌梗死后的纖維化。而給予降脂藥治療后，內皮糖蛋白的表達受到抑制，心肌梗死后的心臟纖維化得到緩解。

4 總結與展望

糖尿病心肌纖維化是導致心臟衰竭和心律失常發(fā)生的主要原因之一，其發(fā)病是一個復雜的病理過程，諸多因素如腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、心肌細胞凋亡、信號傳導系統(tǒng)和microRNA等都參與了糖尿病心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展。

目前對參與心肌纖維化發(fā)病機制的信號通路及分子機制的了解仍然有限，針對糖尿病心肌纖維化的有效治療方法仍然欠缺。因此，需要對激活心臟間質成纖維細胞的糖尿病相關分子信號進行深入研究，對糖尿病心肌纖維化發(fā)病機制的相關因素進行調控、干預。

隨著對糖尿病心肌纖維化研究機制的深入，將為糖尿病性心肌病的預防、治療提供新視野，為臨床提供更好的治療手段，對于提高糖尿病心肌纖維化病患者生命質量具有重要的社會價值。