自噬在糖尿病心肌病發病機制中的作用研究進展

朱金秀 吳盛粼 胡佐祺 譚學瑞

糖尿病是常見的內分泌紊亂性疾病，在世界范圍內，其流行率從20世紀以來一直在上升。預計到2030年，全球將有7億糖尿病患者[1]。糖尿病與多種心血管疾病發病率和死亡率的升高密切相關，包括冠狀動脈疾病、外周動脈疾病、腦卒中、高血壓、心肌病和心力衰竭。雖然糖尿病的心血管并發癥主要與冠狀動脈粥樣硬化等缺血性疾病有關，但一些沒有冠狀動脈疾病或高血壓的糖尿病患者也會受到糖尿病相關心肌病，即糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)的影響，最終導致心力衰竭[2-3]。

1 糖尿病心肌病的定義和流行病學

我國糖尿病的患病率高達11.6%，其中2型糖尿病約占85%[4]。DCM是糖尿病常見且重要的并發癥。2013年，美國心臟病學會(ACCF)、美國心臟協會(AHA)、歐洲心臟病學會(ESC)與歐洲糖尿病研究協會(EASD)將DCM定義為糖尿病患者在沒有冠狀動脈粥樣硬化和高血壓的情況下出現的心室功能障礙[5]。糖尿病患者中DCM檢出率為12%～22%。盡管高血糖和心臟胰島素抵抗是導致DCM的關鍵因素，但其發病機制尚未完全明確，現階段仍缺乏針對性的DCM防治策略[6-7]。

2 自噬在糖尿病心肌病發生發展中的作用

DCM發病的可能機制包括糖基化終產物(AGEs)的堆積、過量活性氧的形成、氧化應激、線粒體功能紊亂、炎癥反應、細胞凋亡、纖維化等[8-10]，但上述機制尚不能完全解釋DCM的發生發展過程。最近的研究顯示，自噬參與了DCM的病理生理過程，且可能在糖尿病及其并發癥的發生發展中發揮著關鍵作用[11]。Xu等[12]通過在多個時間點測定鏈脲佐菌素(STZ)誘導的1型糖尿病小鼠心肌自噬通量，發現糖尿病所致的心臟損傷在Beclin1和ATG16缺乏的小鼠中明顯減輕，氧化應激、間質纖維化和心肌細胞凋亡水平降低，間接表明低自噬水平有利于改善心功能。因此，抑制自噬可能是DCM的潛在治療策略之一。

2.1 過度自噬導致心肌細胞受損

細胞自噬是真核生物細胞內普遍存在的一種自穩機制，也是一種受到精確調節的生物學過程。它通過溶酶體降解來消除細胞多余和受損的結構，以維持細胞正常生理功能，從而適應各種不良刺激[13]。根據底物進入溶酶體或液泡途徑的不同，自噬主要分為三種形式：宏自噬、微自噬以及分子伴侶介導的自噬。通常說的“自噬”即宏自噬，其特點是自噬小體的形成[14]。在生理環境下，自噬活性較低，可維護細胞內環境穩態；過度自噬則會誘導細胞發生自噬性死亡[15]。

心肌細胞在很大程度上依賴于自噬的有效清除異常、受損蛋白質和細胞器功能，以維持正常的心臟功能。然而，越來越多的研究發現，一些心臟疾病與自噬的過度激活有關，這可能是由于過度自噬導致收縮蛋白的降解和自噬性細胞死亡，不利于心肌細胞的存活。研究發現，壓力過載或再灌注損傷所引起的過度自噬加重心肌重構，說明過度自噬在心力衰竭進展中是不利因素[16]。在主動脈縮窄小鼠模型中，抑制自噬相關蛋白LC3 Ⅱ/Ⅰ和Beclin1的上調、降低自噬活性可減少小鼠心肌細胞的死亡，從而改善心功能[17]。

研究顯示，房顫中內質網應激誘導的自噬與心肌細胞重構有關，過度激活自噬可能導致心肌細胞損傷和肌溶解，加速房顫的進展[18]。另一項研究表明，犬快速心房起搏后以及持續性房顫患者的心房肌細胞均存在AMPK依賴性自噬，提示AMPK激活自噬可能是房顫發生的新機制[19]。AMPK是真核生物細胞中高度保守的關鍵細胞能量傳感器，在各種應激事件中具有重要的自噬激活作用。

在黏液性二尖瓣中可觀察到自噬標志物LC3表達的增加[18]。在慢性心力衰竭的發展過程中，Beclin1的上調可激活自噬[19]。這些證據均揭示過度自噬在心臟疾病發生發展中的不利影響。過度的自噬誘導將導致缺血性心肌病或心力衰竭時發生自噬細胞死亡和心肌細胞丟失。這提示自噬的水平及持續時間決定了其在心力衰竭發生發展中發揮不同的作用[17, 22]。

2.2 Nrf2對自噬具有負向調控作用

NF-E2相關因子2(Nrf2)存在于細胞質中，是抗氧化應激反應的主要轉錄調控因子[23]。研究表明，Nrf2基因敲除的糖尿病小鼠心肌細胞中活性氧水平較對照組顯著升高，此后，Nrf2作為糖尿病心臟抵抗活性氧的關鍵調節因子受到了廣泛關注[24]。Nrf2通過調控數以百計的抗氧化反應元件(AREs)，包括抗氧化酶、異生物轉運蛋白和其他應激反應蛋白等在其啟動子中的表達來對抗氧化反應機制[23]。在生理條件下，Nrf2主要受其抑制劑Kelch樣ECH關聯蛋白1(Keap1)的調控，該抑制劑針對Nrf2進行泛素化降解，以維持低細胞水平的Nrf2；在氧化應激狀態下，Nrf2與Keap1迅速分離，游離Nrf2轉移到細胞核，在核內與ARE序列結合，激活ARE調控基因轉錄[25]。此外，活性Nrf2與多種自噬調節因子的ARE序列結合，如P62、ATG4、ATG5、ATG7，提示Nrf2也通過調控自噬對抗氧化損傷，對自噬有調控作用[26]。

在高糖環境下，線粒體產生的大量活性氧誘導氧化損傷是糖尿病進展為DCM的重要驅動因素[27]。當活性氧和氧化應激損傷增加自噬活性而又不能適時抑制時，過度自噬可通過降解細胞內重要成分誘導細胞死亡[28]。在氧化應激過程中，Nrf2作為主要的調節因子可負性調控自噬[29]，以避免自噬性細胞死亡[23]。然而，Nrf2在DCM小鼠模型的心肌組織中處于低表達狀態[30]。

較少有研究關注長期氧化應激過程中自噬活性的動態改變，以及自噬的有利或不利影響。Nrf2可能通過降低自噬活性，避免自噬過度激活的不利影響，促進細胞的存活[29]。遺傳學研究發現，在長期氧化應激環境下，負向調節自噬有利于維持細胞內穩態，可能是由于在長期氧化應激的心肌細胞中AMPK水平降低，導致自噬被抑制[31]。

現有研究中，當氧化應激時間較短時，并未發現這種負性調控效應；隨氧化應激時間延長而出現的自噬水平下調現象提示，在疾病的不同階段，自噬的活躍程度不同。然而，要確定究竟是哪些因子，以及它們如何參與對長期氧化應激的適應，則需要進行更深入的機制研究。

2.3 激活Nrf2可能抑制過度自噬

有研究提示，Nrf2的沉默導致AMPK的持續活躍，誘導氧化應激時自噬的過度激活。而Nrf2可直接調控AMPK的進化保守機制，并通過這種調控將自噬的激活降低到生理水平。這可能是細胞的一種自衛機制，使自身在長時間的氧化應激下免于過度自噬導致的細胞死亡[29]。研究發現，胚胎腎HEK293T細胞和人結腸Caco-2細胞在利用叔丁基過氧化氫(TBHP)模擬的氧化應激環境下，Nrf2以及AMPK的mRNA水平對TBHP的處理呈時間依賴性變化：TBHP的作用時間越長，Nrf2的含量越高，AMPK表達越少。沉默Nrf2后再進行TBHP處理，AMPK的mRNA水平并沒有下降。這表明在氧化應激狀態下，Nrf2對AMPK具有調節作用。當TBHP作用1 h后，AMPK和ULK1均被磷酸化，提示AMPK在長期的氧化應激中被短暫地激活；隨后，AMPK活性迅速下降，表明在氧化應激期間AMPK活性存在延遲負反饋。自噬關鍵標記物LC3和P62的表達變化也表明，自噬在氧化應激期間表現出一個激活峰，但長期使用氧化劑可抑制自噬。而在Nrf2 siRNA預處理的細胞中，TBHP處理4 h后，自噬底物的P62水平顯著下降，證明Nrf2通過AMPK負調控自噬[29]。

多酚類化合物通過調節胰島素信號轉導通路和AMPK通路，干預脂聯素的mRNA和蛋白表達，改善心肌糖脂素能量代謝[32]；茶多酚通過刺激AMPK活性而增加自噬，避免由于脂質代謝紊亂引起的過度β-氧化和產生的有毒物質所致的心肌損傷[33]。給予多酚類化合物楊梅酮處理，可促進Nrf2的表達和核易位，繼而改善DCM小鼠模型的心臟損傷[30]。

綜上，除已知的AGEs堆積、活性氧形成、氧化應激、線粒體功能紊亂、炎癥反應、細胞凋亡、纖維化等，自噬在糖尿病及其并發癥的發生中亦起到關鍵作用。過度自噬導致的心肌受損可能是DCM發生發展的機制之一。因此，通過增加Nrf2的表達而抑制過度自噬，可減輕DCM所致心肌損傷，有望為DCM的防治提供新的方向。