糖代謝異常及胰島素抵抗與肺動脈高壓的相關性研究進展

鄧曄 高樹會 龐博 閆莉

肺動脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)是由多種因素引起包括肺血管內皮細胞受損、肺動脈平滑肌細胞增殖、肺血管重構等肺血管結構及功能改變，造成肺循環阻力增大、肺動脈壓力升高的臨床綜合征，最終可導致右心衰竭甚至死亡，對全球人類健康造成威脅。近年來的研究發現肺動脈高壓與糖代謝異常及胰島素抵抗之間存在聯系[1,2]。有研究報道無糖尿病的肺動脈高壓患者存在顯著的糖代謝異常[3,4]，并且可獨立預測疾病預后[5]。一項流行病學調查顯示，肺動脈高壓在老年、肥胖和糖尿病人群中的發生率不斷升高，>20%的50歲以上肺動脈高壓患者共患糖尿病[6]。本研究就糖代謝異常及胰島素抵抗與肺動脈高壓的聯系和相關機制及治療策略展開綜述。

1 糖代謝異常及胰島素抵抗

糖代謝異常包括空腹血糖受損(impaired fasting glucose，IFG)，糖耐量減低(impaired glucose tolerance，IGT)及糖尿病(diabetes mellitus，DM)，三者均存在胰島素抵抗，其中IFG與心血管疾病危險因素及病死率聯系密切[7]。糖尿病是慢性心血管相關血管疾病和急性心血管事件的預測因子，也是心血管疾病的一大危險因素，是由胰島素分泌、利用缺陷導致，可引起糖代謝異常、胰島素抵抗、慢性低度炎癥狀態、血管內皮細胞功能紊亂等多種病理生理改變，可進一步導致大血管及微血管病變。胰島素抵抗是指機體對正常水平胰島素產生的生理應答減低，造成葡萄糖利用及攝取異常，因此常導致高胰島素血癥。胰島素抵抗是多種病理生理狀態及疾病(如肥胖、高血壓、脂代謝紊亂等)的發展基礎，機體出現的慢性炎性反應、氧化應激及自噬等參與其發展過程。胰島素抵抗是獨立于年齡和肥胖以外的一項肺動脈高壓的危險因素，并與其嚴重程度呈正相關，能加速PAH惡化加速右心衰竭、肺移植甚至死亡的進程，是疾病進展和預后不良的有力預測因素[1]。

2 肺動脈高壓的分類及發病機制

肺動脈高壓依據發病機制、病理學及血流動力學特點可分為5大類，分別為動脈性肺動脈高壓、左心疾病所致肺動脈高壓、肺部疾病和(或)低氧所致肺動脈高壓、慢性血栓栓塞性肺動脈高壓和(或)其他肺動脈阻塞性病變所致肺動脈高壓以及未明和(或)多因素所致肺動脈高壓[8]。PAH發病機制復雜，但所有類型均存在相似的肺血管病變，包括內膜和中膜增厚及叢狀病變，表明存在共同的病理機制：(1)肺血管內皮細胞功能障礙：被認為是導致PAH的主要因素。血管內皮細胞功能受損后分泌大量細胞因子和生長因子，刺激血管收縮，同時有利于高度增殖且抗凋亡的肺血管細胞生長，最終血管腔逐漸變窄甚至閉塞[9]，造成血管重構。(2)血管活性物質的失衡：肺動脈高壓時舒、縮血管物質(如一氧化氮、前列環素、5-羥色胺等)失調及離子通道異常，使血管緊張性增加，肺動脈阻力增大[10]。以上機制共同作用、相互促進，最終造成肺血管功能紊亂、肺血管結構改變，進而發展為肺動脈高壓。

3 糖代謝異常對肺動脈高壓的影響及相關機制

糖代謝異常的典型表現為血糖水平升高，可進一步進展為糖尿病。近年來肺動脈高壓與代謝紊亂的聯系被廣泛討論，涉及多種病理機制。糖尿病可降低第1秒用力呼氣容積(FEV1)，影響肺功能，造成肺結構與功能破壞，形成糖尿病肺[11]。合并糖尿病者肺動脈順應性降低、肺動脈彈性增加、右心室壁厚度增大、6 min 步行試驗距離縮短，且其10年生存率顯著降低，表明糖代謝異常影響其疾病嚴重程度、右心功能及預后[2,12]。作為糖代謝異常的標志，糖化血紅蛋白(HbA1c)也可獨立預測肺動脈高壓患者的預后。HbA1c<5.7%的患者5年生存率明顯優于HbA1c≥5.7%的患者，且每增加1個單位HbA1c的危險比為2.23[5]。通過對PAH患者及健康人群進行血糖鉗夾實驗及代謝組學分析后觀察到PAH患者乙酰肉堿和β羥基酸丁酯水平升高，這兩者分別代表脂質代謝及酮代謝，表明肺高壓時優先進行脂質和酮的代謝，導致葡萄糖在體內累積，同時PAH患者胰島素對高血糖的調節效應減低，肝臟胰島素攝取及骨骼肌胰島素敏感性增加，造成血糖水平進一步升高[13]。有研究發現糖代謝異常時較高的血糖水平會導致內皮細胞功能障礙，造成大血管和微血管病變[14]。慢性高血糖促使機體產生促炎糖基化蛋白質，沉積在小血管和結締組織中[15]，而肺組織膠原糖基化會造成肺實質破壞，繼而損傷肺血管。高血糖水平誘導晚期糖基化終末產物產生，造成細胞內、外蛋白質的結構及功能改變，間接影響信號通路，造成促炎基因的上調、血管收縮蛋白產生增加及血管內凝血途徑激活[16]，并上調VCAM-1、ICAM-1等血管細胞黏附因子，加速血管壁上的白細胞粘附和遷移，加重各器官的血管損傷。同時這些黏附因子觸發活性氧(ROS)過量分泌，使血管結構及功能損傷進一步加重[17]。一項體外細胞培養實驗表明高血糖時細胞產生較多的超氧陰離子自由基和過氧化氫，造成蛋白質、脂質及DNA受損，影響后續代謝，刺激肺動脈平滑肌細胞增殖和遷移。受氧化應激影響，高血糖時細胞蛋白質水解、膜結合受體和酶失活導致其功能受損甚至溶解，推動肺動脈高壓發展[18]。

機體內的糖代謝存在多種途徑，包括糖酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途徑等。6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3(PFKFB3)是糖酵解中的限速酶之一。肺動脈平滑肌細胞內的PFKFB3激活calain-2，上調糖酵解，促進乳酸生成，導致細胞過度增殖。而在肺動脈內皮細胞中，PFKFB3間接上調HIF-2α，釋放生長因子和炎性細胞因子，促進肺動脈高壓發生[19,20]。氨基己糖生物合成途徑(HBP)是糖代謝的特異性途徑，通過此途徑產生的能量較有氧糖酵解增多，高增殖狀態的細胞常發生該途徑的上調。有學者在特發性肺動脈高壓(IPAH)患者的肺組織和肺動脈平滑肌細胞中發現經由HBP的糖代謝增加，該途徑上調O-GlcNAc轉移酶(OGT)的水平及活性，使特異性蛋白水解并激活宿主細胞因子-1，增加蛋白質糖基化，促進肺動脈平滑肌細胞產生[19]。IPAH時細胞內OGT的水平升高與其預后不良有關，可評估肺動脈高壓的嚴重程度[21]。

有學者表示，低氧血癥時氣體交換障礙可能會影響糖代謝[22]。一項動物實驗表明，慢性缺氧性糖尿病(DH)小鼠的肺內皮細胞超氧化物歧化酶2(SOD2)水平下調，導致線粒體ROS濃度升高，造成肺動脈內皮舒張功能顯著減弱，且用線粒體氧清除劑清除ROS可恢復DH小鼠肺動脈內皮舒張功能。與非糖尿病小鼠相比，糖尿病小鼠更易受缺氧影響發展為PAH，并使右心室收縮壓升高，加重PAH[23]。且有學者稱低氧血癥的氣體交換障礙可能會影響糖代謝[22]。

4 胰島素抵抗對肺動脈高壓的相關影響及機制

4.1 炎性反應及自噬 胰島素抵抗常與肥胖相關，肥胖時脂肪細胞產生的白介素-6(IL-6)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1)、瘦素等誘導炎性反應，造成血管內皮細胞增殖重構。此外脂肪組織分泌TNF-α促進MCP-1產生，誘導巨噬細胞分泌信號因子，進一步刺激各種炎性因子生成誘導肺動脈高壓[24,25]。一項針對IPAH的研究發現，IPAH患者體內胰島素對高血糖的反應減弱，靜息所需能量增加，并與IL-6、CXC趨化因子配體10(CXCL10)介導的炎性反應相關。研究發現，CXCL10可誘導胰島β細胞衰竭，造成胰島素抵抗，導致肺動脈壓力逐漸升高[3]。餐后IL-6水平每增加1 ng/ml，PAH患者住院危險程度增加23%[3]。動物研究表明，IL-6通過誘導Th17細胞在肺內聚集并增加細胞產生IL-21，促進缺氧誘導的巨噬細胞的生成和極化，導致肺動脈平滑肌細胞增殖[26]。TNF-α是肺動脈高壓和肺氣腫的關鍵促炎細胞因子，應用TNF-α抑制劑可改善小鼠的平均肺動脈壓及血流動力學狀態，抑制肺血管重構[27]。瘦素能夠促炎、促細胞增殖和誘導血栓前狀態，有學者發現PAH時內皮細胞中存在瘦素過度表達，并可能與其發病機制有關[28]。

自噬與肺動脈高壓相關，自噬相關的信號通路通過參與炎癥、氧化應激等反應，影響肺動脈高壓進展。在MCT誘導的肺動脈高壓大鼠中，依賴BNIP3的Beclin-1自噬信號通路、NF-κB信號通路等均參與細胞自噬[29]。而在胰島素抵抗時也存在自噬水平的變化。肥胖患者的脂類分解增加造成過多游離脂肪酸入血，刺激NF-κB通路影響胰島素功能。高脂飲食誘導的小鼠能夠激活NF-κB及其下游炎性因子，促進肝臟內促炎細胞因子產生，造成胰島素抵抗[24]。而有報道指出在MCT誘導的肺動脈高壓大鼠模型中，Belin1、LC3A、LC3B、LC3B/LC3A 的比值增高，而NF-κB抑制劑可抑制其肺裂解液中細胞核內NF-κB p65蛋白水平的上升以及胞質內該蛋白水平的下降。上述現象表明NF-κB激活可誘導該大鼠模型的細胞自噬[24,29]。雖有研究發現胰島素抵抗與肺動脈高壓均與自噬相關，但細胞自噬的過程復雜，涉及多種信號通路，其對肺動脈高壓的機制作用仍需深入研究[2]。

4.2 脂質代謝 PAH患者胰島素抵抗的特點是HbA1c升高以及脂質和脂蛋白動態軸的改變。動態軸的改變表現為三酰甘油/高密度脂蛋白(TG/HDL)比值升高，循環中中長鏈酰肉堿和脂蛋白升高，導致遠端肺小動脈叢狀病變時氧化型低密度脂蛋白(OX-LDL)和重組人氧化型低密度脂蛋白受體1(OLR1)升高，而OX-LDL又在巨噬細胞中富集，表明OX-LDL及其受體OLR1可能在肺動脈高壓中起到促炎作用[30]。胰島素抵抗還與循環中較高的游離脂肪酸水平有關，可能是由于葡萄糖缺乏的脂肪細胞和肝細胞的直接作用增加所致[16]。脂肪細胞釋放過多游離脂肪酸釋放入血，造成胰島素信號改變、NO產生受到抑制、氧化應激上調等變化促進內皮細胞損傷，降低受損血管的修復能力[31,32]。有學者對IPAH患者與健康人群進行代謝組學分析后發現游離脂肪酸與右心室收縮壓相關[13]，進一步促進肺動脈高壓惡化。脂聯素是一種主要由脂肪細胞生成的蛋白質，發揮抗炎和抗增殖作用。一項動物研究中脂聯素缺乏的小鼠存在嚴重的肺動脈肌化和肺動脈高壓[30]。對巨噬細胞的體外研究發現，脂聯素可抑制NF-κB活化和IFN-γ、CXCL10/IFN-γ誘導的10-κD蛋白和TNF-α的產生，抑制CCL11產生，減輕炎性反應，抑制肺血管重構[33]。缺氧性肺動脈高壓大鼠肺動脈平滑肌細胞及肺組織中脂肪酸合酶(Fas)的表達和活性均增高，而抑制Fas可改善胰島素抵抗及糖酵解，抑制細胞增殖及自噬，誘導肺動脈平滑肌細胞凋亡及葡萄糖氧化，使線粒體功能得到改善，ROS及線粒體膜電位恢復正常，減弱肺血管重塑并降低右心室壓力，抑制心肌肥厚[34]。

4.3 遺傳因素 骨形態發生蛋白受體2(BMPR2)在胚胎發育、維持組織穩態及細胞增殖等生理過程中發揮重要作用同時也是導致遺傳性肺動脈高壓的主要因素之一，超過70%的遺傳性肺動脈高壓可觀察到BMPR2突變，而其他類型肺動脈高壓中也觀察到了BMPR2的表達下調或突變[35]。一項動物實驗發現,BMPR2突變與早期胰島素抵抗和血糖穩態失調有關，而BMPR2介導的肺動脈高壓在發生肺血管病變之前就已發生代謝改變，提示胰島素抵抗在肺動脈高壓中起致病作用。同時高脂飲食造成的胰島素抵抗也可對肺血管床產生影響，在疾病發展過程中起直接作用[34]。高脂飲食喂養的BMPR2突變小鼠胰島素抵抗程度增加，且其肺動脈高壓程度較正常喂養的小鼠重，表明胰島素抵抗能在BMPR2突變的基礎上促進肺動脈高壓的發展[36]。此外，有研究發現BMPR2突變可使ROS增加，造成內皮細胞功能障礙和胰島素抵抗，而內皮特異性胰島素抵抗也可上調ROS水平，最終造成肺血管反應性降低，肺血管損傷。[2,37]。West等[36]通過動物實驗猜測BMPR2突變通過調節絲切蛋白影響糖皮質激素受體激活，造成細胞骨架調節缺陷，進而導致胰島素抵抗。而一項體外細胞實驗表明BMPR2突變通過減少葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)轉位，引起細胞肌動蛋白骨架缺陷，并可能在心肌細胞中發揮作用，從而影響心臟功能[36]。同時BMPR2突變造成GLUT4功能障礙，并使胰島素介導的內皮葡萄糖攝取減少，造成高胰島素血癥，從而影響肺動脈壓力[36,37]。

BMPR2通路的許多下游靶點，包括載脂蛋白E(ApoE)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)等也與許多心血管疾病的發生有關[38]。ApoE與PPARγ參與糖代謝，并有動物實驗表明，ApoE缺陷小鼠的胰島素抵抗和轉基因小鼠平滑肌細胞中PPARγ的表達參與了小鼠肺動脈高壓的發展[39]。

5 干預策略

由于肺動脈高壓的發病機制復雜、病因多樣，針對肺動脈高壓的診療手段較為有限，對控制其發展也造成一定困難。雖然目前已有多種藥物對控制肺動脈高壓有效，但肺動脈高壓死亡率仍居高不下，尋找有效治療藥物也是目前及未來研究的重點。目前臨床治療的機制主要是阻斷內皮素受體、抑制磷酸二酯酶5(PDE5)、激動可溶鳥苷酸環化酶(sGC)和激活前列環素(PGI2)途徑，而糖代謝異常及胰島素抵抗與肺動脈高壓對肺動脈高壓的影響可能提供了新的診療思路。

高糖時肺動脈平滑肌細胞受氧化應激影響導致其增殖增多、功能受損，維生素D3和維生素E可發揮其抗氧化功能，清除自由基與自由基反應，恢復代謝途徑的氧化還原狀態，抑制其細胞增殖[18]。3-BrPA是一種糖酵解抑制劑，也是抗癌物之一，它能夠調節甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)、己糖激酶2(HK-2)、琥珀酸脫氫酶等代謝酶活性誘導大量癌細胞迅速死亡。在肺動脈高壓中，它通過增加促凋亡介質(如CytoC)和Casp3的釋放，抑制HK-2、葡萄糖轉運蛋白1(GLUT1)活性，減少有氧糖酵解并激活線粒體凋亡通路，促進細胞凋亡，抑制炎性反應，從而抑制肺小動脈血管重構、減低右心室收縮壓、抑制右心室肥厚，對肺動脈高壓起到一定治療作用[40]。

PPARγ是脂肪生成和葡萄糖代謝穩態的主要調節因子，并與血管重構和肺動脈高壓的發生有關。Calvier等[41]發現,PPARγ與Smad3及STAT3相互作用，減弱BMPR2功能障礙，抑制轉化生長因子β1(TGF-β1)途徑在肺動脈平滑肌細胞中的表達，同時通過上調增殖抑制因子miR-148A和糖酵解關鍵酶miR-331-5p激活BMP2/BMPR2-PPARγ軸，在肺動脈平滑肌細胞中降低TGF-β1途徑的表達，抑制其糖酵解水平上調及細胞增殖。在肺動脈高壓小鼠中應用PPARγ激活劑噻唑烷二酮類藥物，如吡格列酮，可影響肺內巨噬細胞浸潤，降低BNP的基因表達，減少炎癥信號，從而降低肺動脈收縮壓、減弱肺小動脈肌化及血管中膜增厚、逆轉右心室肥厚及心肌纖維化[42]。

二甲雙胍是一種常用抗糖尿病藥物，它能夠減少糖異生，增加脂肪酸氧化，減輕氧化應激。有研究表示二甲雙胍通過上調SIRT3-AMPK-GLUT4通道改善胰島素敏感性并促進葡萄糖攝取，抑制肺血管重構[43]。同時二甲雙胍可激活血管內皮生長因子和一氧化氮合酶，抑制心肌細胞凋亡和TNF-α表達，并調節肥胖時產生的瘦素、脂聯素水平，減少炎性反應及氧化應激[44]。最近一項關于二甲雙胍治療肺動脈高壓機制的Ⅱ期臨床實驗報道稱應用二甲雙胍后肺動脈高壓患者血漿中細胞氧化應激的標記物呈減少趨勢，使其右心室功能得到改善，減少右室脂質沉積并減弱右心室面積變化[45]。一項動物實驗也證實，早期長期應用前列環素類似物(如曲前列環素)可改善小鼠的高血糖及肺動脈高壓；同時，二甲雙胍聯合曲前列環素可激活骨骼肌AMPK-GLUT4通路改善胰島素抵抗及代謝綜合征相關左心射血分數保留的心力衰竭所致的肺動脈高壓(PH-HFpEF)，并改善右心功能[46]。此外，在代謝綜合征合并PH-HFpEF的小鼠模型中，早期應用亞硝酸鹽聯合二甲雙胍治療可激活骨骼肌SIRT3-AMPK-GLUT4通道改善高血糖，減弱血管重構，下調肺動脈壓[43]。

糖代謝異常及胰島素抵抗可以通過調節機體代謝、促進炎性反應、誘導基因突變、影響多種信號通路等因素參與肺動脈高壓發展，有關糖代謝異常及胰島素抵抗在肺動脈高壓發病機制中的作用的諸多研究能夠為肺動脈高壓的治療及預防提供理論指導。通過了解其誘導肺動脈高壓的機制，也有助于我們探尋相關的治療靶點，為我們今后選擇診療方案提供可靠證據。然而，糖代謝異常和胰島素抵抗對肺動脈高壓發病的具體機制及其影響因素仍有待發掘和進一步研究，為尋找其他的肺動脈高壓治療靶點提供可能。