糖尿病心肌病發病機制研究進展*

張雄慧，郭 浩，米卓卓,馬 琴 綜述，張常喜 審校

(1.寧夏醫科大學，寧夏 銀川 750000；2.寧夏回族自治區中醫醫院肺病科，寧夏 銀川750000)

糖尿病心肌病(DCM)是糖尿病的主要并發癥之一，心肌病變作為糖尿病的獨立并發癥而存在，目前認為，多種因素共同促進了 DCM的病程進展，其中高血糖、胰島素抵抗起著關鍵性作用，還包括心肌細胞能量代謝障礙和內皮細胞損傷，導致心肌重塑、凋亡和纖維化[1]。在糖尿病患者中 DCM患病率達到了12%，已受到廣泛關注[2]。因此，現將其發病機制綜述如下。

1 心肌細胞能量代謝紊亂

1.1糖、脂代謝相互競爭 心臟對于底物的選擇有良好的適應性，因糖尿病患者體內存在胰島素缺乏或抵抗，所以，當心肌細胞對葡萄糖的利用受阻時，機體對于脂肪酸的利用明顯增多，此時心肌供能主要依賴于脂肪酸的β氧化，使得這個過程中產生的檸檬酸鹽水平也隨之增多，而檸檬酸能夠通過加強輔酶三磷酸腺苷(ATP)的濃度抑制磷酸果糖激酶的作用，進一步又抑制了糖酵解水平。另一方面，葡萄糖代謝中的限制步驟——丙酮酸氧化脫酸酶(PDH)是催化丙酮酸向乙酰輔酶 A不可逆轉化的關鍵酶，因此，當脂肪酸氧化過程增強時此過程中的產物——乙酰輔酶 A水平相應提高，并會反過來抑制這一過程。糖尿病患者體內PDH磷酸化逐漸減少，也進一步降低了糖酵解過程。可見，DCM的能量代謝紊亂主要為糖代謝和脂代謝紊亂，且為二者相互競爭影響的結果。

1.2糖代謝紊亂 糖酵解過程被抑制后線粒體上的電子傳動鏈產出的反應性氧族——活性氧(ROS)增多，導致DNA受損，引起多聚二磷酸腺苷核糖多聚酶活化，進一步使甘油醛3-磷酸脫氫酶失活，激活了晚期糖基化終末產物(AGEs)、蛋白激酶 C、活化核因子-κB(NF-κB)等途徑。(1)AGEs在 DCM的發生和發展中具有重要作用，體內葡萄糖水平和氧化應激反應均可促進 AGEs生成，AGEs的累積增多會引起血管內膜出現病理性損傷[3]。AGEs與血管內皮細胞、平滑肌細胞表面相關受體結合，導致下游信號激活，出現瀑布效應，從而引起血管內皮局部炎癥、功能受損等，繼而出現高凝傾向，最終加速糖尿病血管病變的發展。另外，AGEs還可釋放大量氧自由基引起心肌細胞死亡[4]。(2)高血糖可以使細胞中的二酰甘油合成增多，也是導致心肌功能異常的關鍵因素，并進一步激活蛋白激酶C，這也是 DCM發生的潛在危險因素。(3)高糖、高脂、晚期糖基化終末產物均可以誘導NF-κB的活化。NF-κB作為無處不在的、可誘導的轉錄因子能夠控制促炎性細胞因子的表達，降低心肌收縮性。

1.3脂代謝紊亂 糖尿病患者主要依賴于脂肪酸氧化供能，但對于脂肪酸的攝取仍要超過其β氧化被利用的過程，導致脂質蓄積在心肌細胞內，游離脂肪酸(FFA)聚集，此過程即為脂毒性，并會損害心肌細胞舒縮功能。(1)心肌細胞通過增加負責線粒體β氧化所需酶的表達水平解決這一現象，而這些酶受過氧化物酶增殖體激活受體(PPAR)調控，PPARα是脂肪酸吸收和利用的重要受體。所以，細胞的脂毒性可激活 PPAR，使心肌細胞對于脂肪氧化的代謝能力減低，導致細胞功能損害。(2)FFA通過抑制PDH影響心肌細胞能量的產生，并造成大量神經酰胺和糖酵解中間產物等的堆積，使細胞發生異常凋亡。(3)脂肪酸堆積引起的細胞肥大性改變影響細胞內信號傳導，并激發細胞內質網應激反應等其他應激反應，進而激活炎癥信號通路，心肌細胞處于慢性炎性反應狀態，導致心肌損壞[5]。

2 鈣穩態失調

心肌細胞對于鈣的調控指細胞在興奮收縮偶聯過程中鈣離子(Ca2+)發生的一系列變化過程。當心肌細胞興奮時Ca2+通過 L型鈣通道內流，激活肌質網內Ca2+的釋放，則心肌細胞收縮;心肌細胞舒張時Ca2+通過細胞膜和內質網膜上的鈣泵及鈉鈣轉運體從胞質內排出，這是經典的鈣調控過程。有研究表明，糖尿病患者持續性高血糖可通過減少Ca2+從 L型鈣通道的流入、影響肌質網Ca2+的釋放、減慢鈣再攝取的速度、使鈣外流增加從而改變心肌細胞內鈣穩態[6]。因此，鈣穩態失調時鈣信號通路引起Ca2+轉運，通過降低肌膜上的鈉-鉀-ATP酶及肌漿網 Ca2+-ATP酶活性，造成Ca2+超載，導致心肌細胞損傷，同時，此過程使肌動蛋白對于外周Ca2+的敏感度降低，導致心室收縮功能障礙[7]。另外，Ca2+主要的2種調控蛋白——受磷蛋白和肌漿網 Ca2+-ATP的表達和活性出現異常是造成心肌舒縮功能異常的關鍵因素，其在糖尿病狀態下失調時必然引起心肌功能受損[8]。

3 胰島素抵抗及高胰島素血癥

3.1胰島素抵抗和高胰島素血癥 糖尿病狀態下機體出現的胰島素缺乏和對于胰島素的利用障礙會引起全身細胞代謝紊亂，也就是心臟處于胰島素抵抗狀態。當胰島素抵抗時機體對于胰島素的敏感性降低，但為了維持機體的血糖水平機體代償性分泌更多的胰島素，形成高胰島素血癥。所以，胰島素抵抗和高胰島素血癥是糖尿病發生過程中的2個重要特征[9]，并可以引起全身代謝紊亂，激活交感神經系統、腎素-血管緊張素-醛固酮系統，促進氧化應激、細胞內質網應激、線粒體功能障礙和鈣穩態失衡，進一步引起心肌細胞凋亡，心肌纖維化以及微循環障礙，并導致心力衰竭[10]。

3.2胰島素作用機制及在心血管系統中的作用 胰島素在對機體的調節中尤其是心血管系統中具有關鍵作用。主要可以使內皮型一氧化氮合酶(eNOS)被激活，一氧化氮(NO)產生增多[11]，并擴散至平滑肌導致血管舒張，另外，胰島素主要起到調節葡萄糖轉運這一重要環節，此過程中胰島素利用葡萄糖轉運蛋白4參與糖酵解、糖原合成、脂質代謝、蛋白質合成、生長和凋亡過程。可見，胰島素缺乏可直接影響到心血管系統。胰島素主要通過激活磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(Akt)通路和促分裂原活化蛋白激酶/GTP結合蛋白信號通路途徑2個信號通路發揮作用，其中第一途徑能刺激葡萄糖的轉運，還包括糖原、蛋白質及脂肪的生成。FULLMER等[12]研究發現，胰島素過量時傳導這些信號會損害2種激酶，即磷酸肌醇-3激酶和Akt。2種激酶均位于胰島素及受體的下游，Akt在對于心臟的缺血預適應的保護中具有重要作用，過量胰島素使心臟具有Akt依賴性[13]。叉形頭轉錄因子 O亞型(FoxO)家族也對于心臟應激反應具有保護作用。有研究證實了 FoxO家族對心臟的重要作用，氧化應激反應下實驗組小鼠的FoxO1和 FoxO3增多，能夠減輕心肌細胞轉染顯性，抑制FoxO1腺病毒所導致的ROS和細胞死亡效應。糖尿病狀態下心肌細胞可以抑制FoxO的表達，主要是胰島素抵抗時胰島素受體底物的絲氨酸磷酸化增多，使機體對于胰島素敏感性減低，同時，使胰島素受體底物吸引磷脂酰肌醇3激酶的能力降低，影響胰島素及下游信號通路的激活[14]。

4 氧化應激

人體在生理狀態下處于氧化還原穩態，在應激狀態下引起氧化應激，氧化還原穩態被改變。氧化應激指氧化抗氧化間比例失衡，細胞膜中的不飽和脂肪發生過度氧化，此過程產生大量的氧化產物導致自由基過盛，人體ROS和活性氮增多是加速機體衰老的重要因素[15]。(1)ROS產生過量時會攻擊生物膜、蛋白質、脂質及 DNA，參與DCM的各種病理狀態，如心肌細胞凋亡、炎癥、心肌肥厚和纖維化、血管內皮功能障礙、動脈粥樣硬化等[16]。有研究表明，氧化應激是炎癥的重要驅動因素，其中活化的NF-κB作為無處不在的、可誘導的轉錄因子具有控制促炎性細胞因子表達的作用，并降低心肌收縮性，同時，NF-κB還可受高糖、高脂、AGEs的活化[17]。(2)NO、NOS也是內源性抗氧化系統中的重要部分，NO是自由基，也是內皮源性舒張因子，因此，NO對心臟有損傷和保護雙重作用。NOS有eNOS、誘導型(iNOS)、神經元型(nNOS)3種亞型，在心肌中均有表達，其中來源于eNOS、nNOS的NO對心臟起保護作用，但來源于iNOS的 NO則會損傷心臟，也是誘發心肌細胞凋亡的重要因素[18]。(3)高糖狀態引起 AGEs生成增加，其與其受體結合后可以激活還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶，ROS生成增多，發生氧化應激，引起NF-κB活化，導致促炎性細胞因子表達增多，iNOS活性上升[19]；另外，AGEs引起超氧化物歧化酶活性降低，過氧化氫大量累積，進一步誘導氧化應激，氧化還原穩態失衡，DCM進一步加重。(4)氧化應激狀態下內源性抗氧化系統中氧化還原體系的天然抗氧化肌肽和谷胱甘肽系統發生了變化[20]。肌肽具有很強的抗氧化活性，可抑制體內過氧化鏈中的每一步氧化反應[21]。谷胱甘肽系統在保持機體維持在還原狀態，能夠防止自由基損傷[22]。有研究表明，DCM患者機體抗氧化能力下降，氧化水平增強，肌肽和谷胱甘肽系統出現異常，另外，NO的含量也較對照組增多，且iNOS活性增強。說明DCM狀態時機體氧化應激作用增加，誘導心肌進一步損傷[23]。

5 心肌細胞的自噬與凋亡

細胞的死亡包括細胞凋亡和自噬2種方式，凋亡是細胞為維持內環境穩定和調控發育而主動結束生命的過程；自噬是細胞為維持細胞器更新和物質代謝的保守生命過程。在不同因素刺激下二者相互拮抗或促進或先后發生[24]。但過量的自噬會導致細胞死亡和組織損傷。(1)持續高血糖狀態導致機體通過線粒體電子傳遞鏈產生大量ROS，并通過激活作用將通過糖酵解途徑利用的葡萄糖轉換為高糖誘導下的其他級聯反應，這些反應會損傷心肌細胞[25]。有研究表明，高糖狀態下的新生大鼠生物鐘基因過表達會下調哺乳動物雷帕霉素蛋白(mTOR)通路，通過細胞自噬起到保護心肌正常細胞的作用;反之當該基因低表達時通過誘導mTOR通路抑制細胞自噬，損傷心肌[26]。(2)FFA蓄積導致心肌細胞凋亡，且隨著 FFA累積，自噬效應蛋白(Beclin-1)和自噬體相關蛋白-膜型自噬體這2種與自噬相關蛋白表達增高，誘導細胞自噬[27]。(3)氧化應激時缺氧引起 ATP水平減低，從而激活腺苷酸活化蛋白激酶，并使mTOR失活，誘導 Beclin-1通路引起自噬，導致心肌肥厚及心功能受損[28]。有研究證實，心肌細胞經抗氧化劑——N-乙酰半胱氨酸的處理后有助于阻斷自噬反應和谷胱甘肽水平的恢復，有效減少心肌細胞繼續受到損害。(4)胰島素抵抗會引起供應心肌的能量不足，并直接引起心肌細胞凋亡和功能異常。胰島素抵抗引起機體對胰島素敏感性明顯減低，導致下游信號傳導障礙，其中FOXO作為一種自噬相關蛋白轉錄因子，通過上調激活自噬調節基因或抗胸腺細胞球蛋白基因發揮作用，有研究發現，FOXO被敲除后的胰島素抵抗DCM糖、脂代謝水平改變，引起心肌細胞自噬。(5)內質網在氧化應激或鈣穩態失調等病理因素的影響下會導致未折疊蛋白質蓄積增多[29]，導致心肌細胞功能異常，發生內質網應激。有研究表明，增強子結合蛋白同源蛋白在內質網應激導致的細胞凋亡中具有重要作用，通過其過度表達可間接引起心肌細胞凋亡[30]。

6 心肌纖維化

心肌纖維化是心肌重塑的重要病理基礎，指心肌組織中各種膠原排列紊亂和比例失衡的過程，導致過量膠原纖維沉積。超過90%的心肌細胞是成纖維細胞，可以合成膠原等細胞外基質成分，其中膠原中的Ⅰ型膠原占85%，其良好的韌性決定了心臟的僵硬度，小部分Ⅲ型膠原決定室壁的彈性，正常時二者比例適當，心肌纖維化時二者比例失衡并沉積于心肌細胞中，心肌僵硬度變大且順應性下降，使心肌的收縮、舒張功能出現異常。

在心肌纖維化中，最關鍵的因素是腎素-血管緊張素系統的激活，二者之間緊密相關[31]。機體受到刺激使腎素-血管緊張素系統激活后產生的血管緊張素Ⅱ與血管緊張素Ⅰ受體結合，又激活了NADPH氧化酶導致ROS產生增加的經典過程，心肌細胞受損，另外，血管緊張素Ⅱ會刺激成纖維細胞增生、膠原代謝異常，心肌變僵硬并影響心臟舒張功能，導致心肌纖維化。

引起心肌纖維的常見因素還有：(1)轉化生長因子-β(TGF-β)信號通路與心肌纖維化，TGF-β細胞因子具有多種功能，可以刺激組織纖維化，并調節炎癥、細胞外基質沉積、細胞增殖分化和生長，誘導膠原蛋白Ⅰ和膠原蛋白Ⅲ基因的表達。TGF-β/Smad信號通路是調節心肌纖維化的主要通路[32]。(2)微小RNA(miRNA)作為一種小型非編碼單鏈 RNA，是重要的調節因子。參與了心律失常、心臟肥大、心力衰竭和心肌纖維化等心血管疾病的發生和發展，受到生物學和醫學領域的關注[33]。(3)同源蛋白(TRB)可以激活促分裂原活化蛋白激酶系統進而導致心肌間質纖維化。(4)絲氨酸蛋白水解酶異常增生，因其具有生成血管緊張素Ⅱ的作用，所以，當心肌細胞缺血受損時進入細胞外基質引起心肌細胞肥大增生和基質纖維化[34]。

7 心室重塑是DCM發生和進展的關鍵

DCM最典型的特征是心臟發生代謝紊亂，為應對這種應激狀態下的代謝紊亂心臟發生代謝和電生理重構，引起心室重構，引起的心臟功能障礙合并脂毒性進一步促進心力衰竭的發生。可見心臟的代謝性重構是心肌損傷的基礎環節[35]。微觀上心室重塑時心肌細胞和細胞外基質發生變化，二者比例失衡，使心臟形狀、大小均發生變化，心室重塑的主要機制有以下4個方面：(1)微血管病變。糖尿病時的病理改變為微循環障礙，微血管病變中的微循環障礙和微血管基膜增厚等[36]。代謝障礙、氧化應激可以使微血管結構、功能出現改變，使心肌缺血、缺氧，并誘發心肌細胞凋亡，使心肌形成微小壞死灶、心肌間形成纖維瘢痕灶，引發心室重塑。(2)代謝障礙致心臟代謝性重構。代謝紊亂是心肌重塑的主要環節，主要涉及高糖狀態下AGEs產生增多，不僅可以導致血管病變，釋放的大量NO直接損傷心肌細胞，引起心室重塑及心血管并發癥。(3)心臟腎素-血管緊張素系統被激活。心臟的腎素-血管緊張素系統系統受到刺激被激活，使心肌纖維化增多，心臟僵硬度增加，影響心室舒張，引發心室重塑現象[37]。(4)自主神經病變。此時交感神經功能亢進占主導地位，導致心肌肥大和間質纖維化，并刺激腎素-血管緊張素系統系統，心肌發生彌漫性壞死，形成心室重塑[38]。

綜上所述，DCM現已成為威脅人類生命健康的一大危險因素，但發病機制尚不完全清楚，主要涉及心肌細胞代謝紊亂、鈣穩態失調、胰島素抵抗、氧化應激、心肌細胞自噬與凋亡、心肌纖維化及心室重塑等方面且相互作用和影響。因此，還需尋求各個機制具體的靶點以指導臨床。