糖尿病心肌病發(fā)病機制的研究進(jìn)展

周 江，武建英，楊 佳

隨著人們生活水平的不斷提高以及高糖、高熱量食物的攝入增加，糖尿病人數(shù)不斷增加，該病已經(jīng)成為21世紀(jì)人類健康的主要威脅之一。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)最初由Rubler等提出，其定義為發(fā)生于糖尿病病人，不能用高血壓性心臟病、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病及其他心臟病變來解釋的心肌疾病[1]。糖尿病心肌病的發(fā)生與心肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能改變、冠狀動脈微血管病變和自主神經(jīng)病變有關(guān)，這些病變導(dǎo)致心肌肥厚和心臟結(jié)構(gòu)及功能障礙，最終出現(xiàn)心力衰竭[2]。糖尿病心肌病在心臟結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)為心室肌肥厚、心肌纖維化、心臟微血管改變等[3]。大量研究表明，糖尿病心肌病的心肌功能障礙涉及全心，將對心肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生不可逆性影響，從而引起心力衰竭。現(xiàn)對糖尿病心肌病的發(fā)病機制進(jìn)行綜述。

1 發(fā)病機制

1.1 心肌細(xì)胞代謝紊亂 代謝紊亂在一系列公認(rèn)的心臟結(jié)構(gòu)和功能改變機制中起著重要作用，主要是心肌細(xì)胞能量的變化，包括葡萄糖供應(yīng)和利用的顯著減少、肌膜葡萄糖轉(zhuǎn)運體-4的耗竭、游離脂肪酸β氧化抑制丙酮酸脫氫酶及腫瘤壞死因子α介導(dǎo)的胰島素受體功能障礙。目前認(rèn)為高甘氨酸血癥、游離脂肪酸、心肌細(xì)胞三酰甘油攝取和積聚、氧化應(yīng)激和胰島素抵抗等原因直接或間接影響心肌的結(jié)構(gòu)和功能[4-7]，進(jìn)一步導(dǎo)致心力衰竭。

1.1.1 糖代謝紊亂 大量研究證實高血糖是糖尿病心肌病發(fā)生的始動因素[8]。持續(xù)性高血糖是引起心肌纖維化的一個重要原因。高血糖的具體作用機制包括3個方面：①高血糖能夠促進(jìn)活性氧過度釋放，進(jìn)而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡。正常情況下，心肌細(xì)胞工作所需能量60%～70%來自脂肪酸代謝，30%～40%來自糖酵解，而糖尿病病人由于糖利用障礙，其能量幾乎全部來自非酯化脂肪酸的氧化，導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)及脂質(zhì)中間代謝產(chǎn)物神經(jīng)酰胺、二酰甘油、解偶聯(lián)蛋白-3等的沉積，這些物質(zhì)的蓄積將影響心肌供能，導(dǎo)致心肌纖維化、心肌細(xì)胞壞死和心肌功能障礙[9-10]，最終導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)與功能異常。②機體處于高血糖狀態(tài)可促使晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGE)與其受體相結(jié)合，該受體的表達(dá)是由氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的。AGE/晚期糖基化終末產(chǎn)物受體(RAGE)通路的激活導(dǎo)致核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)信號激活，這可能會導(dǎo)致β-myosin重鏈(MHC)的表達(dá)增加，激活的NF-κB炎性因子和p38絲裂原活化蛋白激酶，使多條炎癥通路被激活，炎性因子大量釋放，對血管產(chǎn)生持續(xù)性的炎性損傷，進(jìn)而增加糖尿病心肌病的發(fā)生風(fēng)險。③高血糖會對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。有研究證明高血糖可改變蛋白結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致膠原分子交聯(lián)，從而破壞膠原降解能力，導(dǎo)致纖維化加重，增加心肌硬度[11]。心肌細(xì)胞膠原蛋白沉積增加可能與轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)、結(jié)締組織生長因子(CTGF)轉(zhuǎn)錄因子、膠原蛋白生產(chǎn)、多聚ADP核糖聚合酶-1(PARP-1)的激活增加有關(guān)。基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的重構(gòu)導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)降解失調(diào)，尤其是基質(zhì)金屬蛋白酶2(MMP-2)表達(dá)減少，使糖尿病心臟結(jié)締組織含量增加，最終導(dǎo)致糖尿病心肌病的發(fā)生。

1.1.2 心肌細(xì)胞“脂毒性” 糖尿病的病理特點是存在胰島素抵抗或缺乏，這就導(dǎo)致了病人的心肌細(xì)胞幾乎均由脂肪酸的β氧化提供能量，而當(dāng)脂肪酸過度氧化時就會導(dǎo)致三酰甘油、游離脂肪酸在心肌細(xì)胞中積聚，影響心臟灌注量，進(jìn)而影響心臟的舒張、收縮功能。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。在糖尿病病人體內(nèi)，胰島素抵抗所引起的葡萄糖攝取減少促進(jìn)心肌基質(zhì)中非酯化脂肪酸氧化，導(dǎo)致心力衰竭、肥胖和2 型糖尿病病人血漿中非酯化脂肪酸水平升高，心臟三酰甘油沉積和脂肪酸攝取增加[12]。過量脂肪酸的攝取會超過心肌細(xì)胞線粒體的氧化能力，在心臟出現(xiàn)異位脂質(zhì)沉積從而誘發(fā)對心臟的“脂毒性”。過多的脂肪酸將通過非氧化途徑產(chǎn)生有毒性的脂肪酸中間產(chǎn)物，如神經(jīng)酰胺等[12]。這些毒物可以干擾正常的細(xì)胞信號傳導(dǎo)，引起細(xì)胞凋亡、線粒體功能障礙等，最終導(dǎo)致心臟舒縮功能障礙。此外，研究發(fā)現(xiàn)，泛素連接酶mitsugumin 53可能通過靶向降解胰島素信號通路中的蛋白和上調(diào)特定過氧化物酶體增殖物激活受體兩個過程相互協(xié)同促進(jìn)非酯化脂肪酸的氧化，改變心臟的功能及結(jié)構(gòu)[13-14]，進(jìn)而導(dǎo)致心力衰竭。

1.2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)改變

1.2.1 胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常及胰島素抵抗 胰島素抵抗是指在脂肪組織、肝臟和骨骼肌中的胰島素生物學(xué)效能下降。胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)表現(xiàn)為在肌肉和脂肪細(xì)胞中，胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取障礙以及肝臟葡萄糖產(chǎn)生和脂肪分解的抑制作用受損[15]，包括脂肪分解增加、游離脂肪酸釋放增加、葡萄糖攝取減少、脂聯(lián)素分泌減少、瘦素分泌增加以及促炎細(xì)胞因子分泌增加等，這些均可能導(dǎo)致胰島素敏感性降低。

研究表明，胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取障礙廣泛存在，隨著肥胖和血糖水平的改善，近端胰島素信號通路[磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)途徑]的激活可能會持續(xù)存在[16]。而心肌細(xì)胞胰島素信號過度傳導(dǎo)可能導(dǎo)致心肌功能障礙，導(dǎo)致壓力超負(fù)荷進(jìn)而導(dǎo)致心肌肥厚[17]。Battiprolu等[18]研究表明下游心肌胰島素對蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子的信號[Ras/有絲分裂原蛋白活化酶(MAPK)途徑]傳遞受損，這可能作為獨立影響因素導(dǎo)致心肌功能障礙。Bugger等[19]研究表明心肌胰島素信號缺失會損害心肌收縮力、線粒體氧化應(yīng)激能力和氧化磷酸化基因表達(dá)，參與脂肪酸氧化和三羧酸循環(huán)的線粒體蛋白水平降低，氧化磷酸化亞單位在蛋白水平發(fā)生重構(gòu)。因此，胰島素抵抗可能是導(dǎo)致糖尿病心肌病的重要原因。

1.2.2 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)激活 實驗證明糖尿病心肌病與RAAS系統(tǒng)成分活性失衡有關(guān)[20]。血管緊張素轉(zhuǎn)換酶(ACE)由血管緊張素Ⅰ合成血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)，而ACE2將AngⅡ轉(zhuǎn)化為血管緊張素(17)。血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)血管收縮和增殖，而血管緊張素(17)刺激血管舒張和凋亡。肺組織中RAAS血管收縮活性的增加導(dǎo)致肺血管異常，包括小動脈平均壁厚增加和右室肥大。這些現(xiàn)象可以通過RAAS血管保護(hù)分支活性的增加來預(yù)防，RAAS血管保護(hù)分支的活性是由ACE介導(dǎo)的[20-21]。因此，糖尿病可能導(dǎo)致肺動脈壓升高，進(jìn)而導(dǎo)致肺血管血流動力學(xué)紊亂、內(nèi)皮功能障礙[22]、血管平滑肌增厚和局部血管張力增強，最終導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)及功能受損。

1.3 心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡失調(diào) 心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+是引起心肌收縮的主要離子。心肌細(xì)胞Ca2+對于心肌細(xì)胞興奮收縮耦聯(lián)至關(guān)重要。心肌細(xì)胞興奮導(dǎo)致Ca2+通過Ⅰ型Ca通道內(nèi)流，進(jìn)而觸發(fā)基質(zhì)網(wǎng)釋放Ca2+，導(dǎo)致肌動蛋白的相互作用和機械作用。當(dāng)Ca2+被主動重吸收入基質(zhì)網(wǎng)時肌肉松弛。Li等[23]研究表明，在糖尿病小鼠模型的心肌細(xì)胞中細(xì)胞內(nèi)靜息Ca2+濃度升高，Ca2+內(nèi)流時間延長，細(xì)胞內(nèi)外Ca2+濃度差變小，對細(xì)胞外Ca2+變化的反應(yīng)性降低，肌漿網(wǎng)鈣泵(SERCA)活性降低，進(jìn)而將導(dǎo)致基質(zhì)網(wǎng) Ca2+再攝取受損。Pereira等[24-26]研究發(fā)現(xiàn)糖尿病或高血糖水平會改變KN-93-Ca2+-鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的功能，肌漿網(wǎng)鈣泵受損，連接單糖的信號分子傳遞功能障礙。眾多研究表明Ca2+代謝受損與糖尿病心肌病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)。

1.4 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體功能障礙 線粒體是細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和存活的關(guān)鍵細(xì)胞器，參與能量的生成和細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移，在調(diào)節(jié)氧化還原、鈣穩(wěn)態(tài)、游離脂肪酸氧化和細(xì)胞凋亡方面起重要作用[27]。正常生理情況下，心肌細(xì)胞內(nèi)線粒體氧化磷酸化可產(chǎn)生90%的活性氧(ROS)；在高血糖狀態(tài)下，脂質(zhì)代謝紊亂和葡萄糖氧化增加等多種情況可促使ROS大量產(chǎn)生[28]。在不同肥胖程度、胰島素抵抗程度、胰島素依賴型及非依賴型糖尿病的動物模型中，均觀察到線粒體受損。Anderson等[29]研究顯示，受損的線粒體氧化應(yīng)激增加，產(chǎn)生大量過氧化物及ROS，損傷心肌細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)或磷脂。受損的心肌細(xì)胞內(nèi)的線粒體表現(xiàn)出錯誤的組配、嵴結(jié)構(gòu)紊亂、密度降低、膜破裂和聚集的現(xiàn)象。這些改變將增加心肌細(xì)胞損傷，可能進(jìn)一步導(dǎo)致心肌結(jié)構(gòu)及功能的異常。

1.5 凋亡和自噬 自噬是一種生理過程，是指蛋白質(zhì)、核糖體、脂質(zhì)甚至整個細(xì)胞器被雙膜結(jié)構(gòu)吞噬，隨后被溶酶體靶向降解的過程。低水平的自噬對維持心臟正常的細(xì)胞功能、蛋白質(zhì)和器官質(zhì)量控制非常重要。而當(dāng)細(xì)胞壓力增加時，自噬會導(dǎo)致心功能障礙和心力衰竭。Mellor等[30]實驗發(fā)現(xiàn)，自噬標(biāo)記物L(fēng)C3B和p62水平升高與心肌胰島素抵抗有關(guān)，同時發(fā)現(xiàn)p62水平的增加提高了自噬體被破壞的可能性，PI3K/蛋白激酶B(Akt)信號會通過抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)調(diào)節(jié)自噬。因此，心肌胰島素抵抗可能會引發(fā)自噬，進(jìn)一步減少PI3K/Akt信號傳導(dǎo)。表明自噬水平的增強將會對糖尿病心肌病產(chǎn)生不良影響。

1.6 基因調(diào)控的改變

1.6.1 轉(zhuǎn)錄因子、miRNA激活 糖尿病心肌病與基因表達(dá)模式的改變有關(guān)，這些基因表達(dá)模式與microRNA相關(guān)。基因表達(dá)調(diào)控因子是內(nèi)源性、非編碼的單鏈RNA，平均長度為22個核苷酸，由基因組內(nèi)的反向重復(fù)序列編碼。miRNA通過抑制翻譯或促進(jìn)靶mRNA降解兩種機制調(diào)控基因表達(dá)。體內(nèi)miRNA水平的變化已被證明在包括糖尿病在內(nèi)的多種疾病的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。最新研究表明，miR-143、miR-181、miR-103、miR-107和miR-802在調(diào)節(jié)全身葡萄糖代謝和胰島素敏感性方面發(fā)揮作用，從而提示miRNA參與胰島素抵抗和2型糖尿病的發(fā)病機制[31]。

有研究表明，心肌細(xì)胞miRNA含量的變化可能與心功能變化相關(guān)。心肌細(xì)胞dicer酶的缺失[該酶是一種核糖核酸內(nèi)切酶，屬于RNase Ⅲ家族中特異識別雙鏈RNA的一員，能以一種三磷酸腺苷(ATP)依賴的方式逐步切割由外源導(dǎo)入或者由轉(zhuǎn)基因、病毒感染等各種方式引入的雙鏈RNA，將RNA降解為21～23 bp的雙鏈RNAs(dsRNAs)，每個片段的3′端都有2個堿基突出]，導(dǎo)致miRNA功能及含量在心肌細(xì)胞中的失衡，進(jìn)而出現(xiàn)擴張型心肌病和心力衰竭的快速進(jìn)展。Feng等[32]研究也將特異性miRNA的失衡與糖尿病心肌病的病理生理學(xué)聯(lián)系起來。microRNA-1約占心肌總miRNA的40%，其已被證明在糖尿病小鼠中下調(diào)Pim-1水平，因此，恢復(fù)Pim-1水平可防止心肌細(xì)胞凋亡、心室擴張和心力衰竭[33]。

1.6.2 表觀遺傳學(xué)改變 表觀遺傳學(xué)研究顯示，組蛋白修飾，尤其是組蛋白乙酰化，是調(diào)控基因表達(dá)的主要表觀遺傳機制。組蛋白乙酰化的平衡在很大程度上是通過催化組蛋白乙酰化的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和去除乙酰基的組蛋白去乙酰化酶(HDACs)之間的功能相互作用來維持的。組蛋白乙酰化失調(diào)導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，抑制HDAC是目前被廣泛關(guān)注的治療方案，可能用于治療多種常見疾病，如癌癥和神經(jīng)退行性疾病、炎癥和心血管疾病[34]。HDACs可以根據(jù)序列標(biāo)識和域組織分為4類。Ⅱ類HDACs(HDAC5、HDAC9)抑制心肌肥厚，而Ⅰ類HDACs促進(jìn)心肌肥厚。Gaikwad等[35]的實驗顯示，在2型糖尿病小鼠心臟中，單側(cè)腎切除引起的腎衰竭增加了賴氨酸和賴氨酸組蛋白3的心肌乙酰化，這與心肌病相關(guān)基因表達(dá)增加和心肌肥厚有關(guān)。這些研究表明，2型糖尿病病人的尿毒癥和心肌肥厚之間存在相互作用，其機制是通過心肌細(xì)胞組蛋白3的表觀遺傳修飾介導(dǎo)的。

另一個公認(rèn)的表觀遺傳調(diào)控因子是細(xì)胞核DNA的甲基化。DNA甲基化主要發(fā)生在許多基因的5′調(diào)控區(qū)域的CpG島。在許多疾病過程中，基因啟動子中的CpG島異常高甲基化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄沉默。M?nkemann等[36]利用糖尿病大鼠模型心肌細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，編碼p21的基因在糖尿病大鼠心臟中過表達(dá)，編碼cyclin D1的基因在糖尿病大鼠心臟中表達(dá)受其5′側(cè)區(qū)去甲基化和高甲基化調(diào)控。這些參與細(xì)胞周期調(diào)控的蛋白，在糖尿病組織中被誘導(dǎo)或抑制。表觀遺傳修飾有可能影響整個基因組的表達(dá)，這可能是一個尚未被研究的機制，可能有助于糖尿病心肌病發(fā)病機制的研究。

1.7 其他引起糖尿病心肌病損傷的機制 肥胖對心血管系統(tǒng)的影響與脂肪組織提供的內(nèi)分泌環(huán)境密切相關(guān)。脂肪含量的增加，尤其是內(nèi)臟脂肪含量的增加，與心臟抑制細(xì)胞因子和纖維化介質(zhì)的增強釋放以及胰島素抵抗的增強有關(guān)，即使在體質(zhì)指數(shù)(BMI)正常的受試者中也是如此。即使沒有癥狀，個體的腹部脂肪沉積程度與心肌細(xì)胞纖維化程度、胰島素敏感性降低、炎癥激活獨立相關(guān)[5]。旁分泌機制也是心外膜脂肪不良影響的一個組成部分。心外膜脂肪組織分泌體可誘導(dǎo)心肌纖維化，這可能解釋了心外膜脂肪與心肌纖維化之間的關(guān)系[5]。

糖尿病微血管病變與許多病理改變有關(guān)，這些可能進(jìn)一步導(dǎo)致心肌結(jié)構(gòu)及功能上的變化，特別是毛細(xì)血管稀疏、基底膜增厚而通透性降低、氧向心肌細(xì)胞線粒體擴散距離增加、內(nèi)皮功能障礙而一氧化氮的有效性和半衰期縮短等[6]。這都將導(dǎo)致糖尿病心肌病的發(fā)生。

2 小 結(jié)

多種分子機制協(xié)同作用，損害心臟結(jié)構(gòu)功能，促進(jìn)糖尿病心肌病的發(fā)生，包括代謝異常，改變信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、腎素血管緊張素信號轉(zhuǎn)導(dǎo))，心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡失調(diào)，氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，細(xì)胞內(nèi)平衡的改變?nèi)绲蛲龊妥允梢约盎蛘{(diào)控中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，基因調(diào)控的變化(轉(zhuǎn)錄因子、miRNA的激活及表觀遺傳學(xué)機制)，其他引起糖尿病心肌病右心功能損傷的機制(代謝性疾病、糖尿病肺動脈損傷、心肌微血管改變等)。大量的證據(jù)支持糖尿病性心肌病的存在及糖尿病作為獨立危險因素導(dǎo)致右心衰竭，糖尿病病人更容易出現(xiàn)心血管并發(fā)癥和右心衰竭，這突出了開發(fā)新的治療方法的重要性。研究其發(fā)病機制并開發(fā)靶向藥物對預(yù)防和延緩疾病的發(fā)生發(fā)展具有重要意義。許多潛在的機制已經(jīng)被提出和研究，一些干預(yù)措施已經(jīng)在臨床前模型中證明了對糖尿病心肌病相關(guān)病理特征的有益作用。一些機制如自噬、miRNA和表觀遺傳機制，仍然相對缺乏研究。因此，有必要進(jìn)一步研究糖尿病心肌病右心損害的基本機制，并將臨床前模型中有希望的治療方法通過臨床試驗并應(yīng)用于臨床。