糖尿病心肌病中離子通道研究進展

劉倩茹，湯依群

(中國藥科大學基礎醫學與臨床藥學學院臨床藥學教研室，江蘇 南京211198)

在全球十大死因中，糖尿病位列其中。高血糖引起一種復雜、異質性的慢性代謝性疾病。超過50%的糖尿病患者死亡的原因是由于心血管疾病并發癥，比如糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)。在沒有冠狀動脈疾病的情況下，糖尿病性心肌病也會引起心肌功能和結構的改變[1]。糖尿病心肌病通常以左室肥厚和舒張功能障礙為特征,隨后是收縮功能障礙，動作電位持續時間延長和心率降低，最后是不明機制的臨床心力衰竭。這些變化的機制包括高血糖、全身和心臟胰島素抵抗等，而發生在疾病后期的收縮期功能障礙，可能是DCM進展導致的舒張功能障礙和心臟順應性下降所致。此外糖尿病性心肌病可觀察到間質纖維化、炎癥和心肌細胞肥大等光鏡特征。糖尿病患者心律失常和心源性猝死的發生與糖尿病心臟電生理變化密切相關[2-3]。本文就離子通道在糖尿病心臟電生理紊亂中的作用作綜述，為糖尿病心肌病電生理紊亂的分子機制提供了依據，有助于發展診斷方法和治療策略。

糖尿病患者發生心律失常、心室顫動或猝死概率較高，心電圖有明顯變化，多與心室復極有關[4]。糖尿病患者比正常人心率高，心電圖電位振幅低，波反轉多。糖尿病導致心臟性猝死，這可能與QT間期增加及心室動作電位時程(action potential duration，APD)延長有關[5]。在形成動作電位的過程中，參與其中的離子通道有鈉離子、鉀離子和鈣離子。初始去極化相位是由外向內的Na+電流產生的，在隨后的復極化和平臺階段，K+電流和L型Ca2+電流參與。鉀離子通道的活性是動作電位(AP)持續時間的主要決定因素，因為它限制了去極化時間、不應期以及Ca2+介導的收縮時間[4,6]。

1 鉀通道與糖尿病心肌病

鉀離子通道是分布最廣的一種離子通道，它跨越細胞膜，在許多細胞中起設定或重置靜息電位的作用。鉀離子通道可調節各種細胞過程，鉀離子通道功能異常或紊亂可導致疾病，如糖尿病[7]。由于糖尿病引起的復極鉀電流減少，導致心臟AP持續時間延長，而在心肌細胞所有跨膜離子電流中，ItoK+電流主要負責AP的形成，主要參與早期復極化階段。hERG基因編碼了快速延遲整流鉀電流的通道(Ikr)，它對AP的3期復極化至關重要，若出現功能障礙，會引起心律失常，有研究表明，hERG受高血糖、腫瘤壞死因子、神經酰胺和活性氧等糖尿病組織中積累的細胞代謝物負調控。也有報道稱胰島素代謝影響hERG表達和ⅠKr/hERG功能，胰島素很可能通過不同的機制來調節不同的離子通道[8-10]。

關于糖尿病對心肌鉀電流的影響有兩個假說。第一種假說是由于胰島素缺乏，影響了大量蛋白質的基因表達，其中包括鉀通道蛋白。在特異性心肌細胞胰島素受體敲除小鼠模型中，受損的胰島素信號導致在心室復極中K+通道的mRNA和蛋白表達顯著減少。減輕的Ⅰto反過來導致心室AP延長和心電圖QT間期延長[11]。第二種假說認為，糖尿病患者心臟Ⅰto降低的原因是糖代謝缺陷。在代謝增強劑如左旋肉堿、谷胱甘肽或丙酮酸鹽孵育6 h后，糖尿病心肌細胞的鉀電流逆轉至正常水平，支持了這一假設[12-13]。腎素-血管緊張素系統的激活也在非胰島素依賴型糖尿病大鼠中得到證實，并且隨著血管緊張素Ⅱ水平的增加，Ⅰto降低。而抑制血管緊張素Ⅱ的產生或作用可逆轉糖尿病患者Ⅰto的減少[14]。在鏈脲佐菌素誘導的1型糖尿病大鼠的心室肌細胞中，與血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑纈沙坦孵育后，降低的Ⅰto顯著增加。且當自突變db/db小鼠的心室肌細胞與纈沙坦一起孵育可以逆轉Ⅰto的降低[15]。這些結果證實了心肌細胞含有在糖尿病中被激活的局部腎素-血管緊張素系統。實驗結果表明通過阻斷血管緊張素Ⅱ的形成或作用，可以消除在慢性釋放時對離子電流和AP的影響。

hERG基因編碼快速延遲整流鉀通道，hERG通道異常表達或hERG功能受損是獲得性長QT綜合征(LQTs)的主要原因，該綜合征易使個體發生心律失常或猝死。生物學上，hERG形成鉀通道的作用是調節細胞內動作電位的持續時間，引起細胞內一系列的生化反應。既往研究報道hERG通道異常表達與糖尿病心肌病密切相關，但其機制仍有爭議。糖尿病心肌病伴隨著氧化應激的加重，研究發現ROS的過量產生可抑制hERG電流，hERG電流降低可通過hERG蛋白表達降低引起，這些最終會引起心肌缺血、心力衰竭和糖尿病性心肌病的QT間期延長[16-17]。在四氧嘧啶誘導的糖尿病家兔中，ⅠKr電流和hERG表達顯著降低，QT間隔延長，而在糖尿病心肌細胞中ⅠKr電流的激活和失活動力學并沒有改變[10,18-19]。此外在糖尿病家兔中發現了幾種K+電流下降，包括瞬時外向K+電流(Ⅰto)，快速延遲整流K+電流(ⅠKr)，緩慢延遲整流K+電流(ⅠKs)[18]。此外糖尿病犬的ⅠKs電流也降低[20]。但以鏈脲佐菌素(STZ)誘導的糖尿病大鼠模型發現瞬時外向鉀電流(Ⅰto)密度顯著增加，其可能原因是，在家兔中Ⅰto主要由Kv1.4通道介導，而不是像大鼠、犬和人那樣由Kv4.3通道介導[15]。

2 鈉離子與糖尿病心肌病

Na+離子在細胞中發揮著重要作用，如AP的上升期、Ca2+循環(NCX)、代謝過程(Na+-葡萄糖共轉運體)和調節細胞內pH(Na+/H+交換器)[21-23]。心肌細胞鈉電流是心肌細胞產生動作電位去極化的主要組成部分，心肌細胞上的鈉離子通道受到刺激時發生去極化，當細胞膜電壓去極化達到閾電位時，鈉離子通道大量激活，引發大量鈉離子內流，使得心肌細胞內的鈉離子濃度不斷增加，形成心肌細胞動作電位的上升支，產生興奮[24-25]。早期研究表明，與DCM相關的NaV通道沒有顯著變化，而最近的研究顯示糖尿病心肌細胞的ⅠNa電流改變。研究發現糖尿病兔心室的ⅠNa電流振幅顯著下降，而通道動力學沒有改變。并且在4周糖尿病大鼠心室肌細胞的ⅠNa電流沒有變化，而在7～8周時顯著下降[25-27]。

3 鈣離子與糖尿病心肌病

現已在1型和2型糖尿病中均有證明，細胞內Ca2+失調是DCM明確的并發癥，并且胞質鈣的積累在惡性心律失常中起著關鍵的誘導作用[16]。表現在Ca2+瞬態增加，這可能與SR中Ca2+含量減少、釋放和吸收減少以及L型Ca2+通道和NCX通道活性降低有關[28]。

其中NCX 是鈉鈣交換體，它們可介導細胞內Ca2+外流，從而維持細胞內 Ca2+穩態，其中 NCX1 在心臟中大量表達。NCX1通過將 3 個 Na+和 1 個 Ca2+進行交換來維持心肌細胞內外的 Ca2+平衡，它有兩種工作模式，正向模式為排出 Ca2+，而反向模式為吸收 Ca2+，排出 Na+。在穩態條件下，正向模式 NCX 幾乎去除所有在去極化過程中進入細胞的Ca2+，此電流與心律失常密切相關[29]。研究發現，鏈脲唑菌素誘導的糖尿病大鼠心室肌細胞，NCX電流顯著減少，且NCX1蛋白和mRNA水平下降，而胰島素治療可預防NCX電流的降低及蛋白和mRNA水平的降低[30-33]。

此外STZ大鼠心肌細胞中的L-Ca2+電流也減少，糖尿病患者L-Ca2+電流密度小于正常心肌細胞[34]。在糖尿病家兔模型中心臟L型Ca2+電流峰值幅度降低，失活動力學減緩[18]。

導致DCM中L-Ca2+電流減少的機制可能是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt途徑[35]。PI3K/Akt通路的激活可使L-Ca2+電流增加，由于糖尿病，該通路被下調，這種降低使得糖尿病心肌細胞中L-Ca2+電流減少[36]。研究表明，PI3K/PIP3/Akt途徑通過提供LTCC CAVβ2亞單位的磷酸化來發揮作用[37]。PI3K是一個大分子家族，其中PI3Kα屬于Ⅰ類，是心肌細胞LTCC激活的主要介質之一。在PI3Kα-空細胞中由于LTCC的下調，L-Ca2+電流密度降低[38]。現已證明用輸注PIP3激活Akt可以逆轉鈣電流的降低，并且CaVβ2磷酸化可以保護CaV1.2成孔亞單位免受蛋白水解酶降解[39]。另一方面PI3K缺乏時橫管破壞，而LTCC主要位于橫管，因此鈣電流密度降低，細胞內Ca2+瞬變減少[40]。

以上機制導致了鈣瞬態增加，胞漿內鈣超載，心肌的興奮性和收縮功能產生障礙，導致出現嚴重的心律失常，更有甚者心衰。

4 TRPM7與糖尿病心肌病

在糖尿病性心肌病中可觀察到間質纖維化，也可稱為代償性纖維化，它在肌細胞壞死和肌原纖維逐漸消失后,由細胞間結締組織膠原合成增多而引起。纖維化增加可導致心室僵硬，最終導致舒張和收縮功能障礙[41]。病理性心臟纖維化主要由肌成纖維細胞主導，肌成纖維細胞是激活的成纖維細胞，其特征是過度生產生長因子、細胞因子、趨化因子、蛋白酶和細胞外基質(ECM)蛋白[42]。而TRPM7是一種重要的促纖維化介質，可促進成纖維細胞的增殖和分化，增加Ⅰ型膠原等ECM的合成[43]。TRPM7在成人心臟高表達,TGF-β1可誘導心房成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化，同時上調TRPM7[44]。

瞬時受體電位(TRP)通道，主要包含6個亞家族：TRPA、TRPC、TRPM、TRPV、 TRPML、TRPP。其中TRPM亞家族在各種生理和病理情況中起著至關重要的作用[45]。TRPM7具有蛋白激酶和陽離子通道雙重功能，對Ca2+和Mg2+具有通透性。TRPM7參與了心臟纖維化過程中的氧化應激。TRPM7可被與氧化應激相關的疾病激活，如阿爾茨海默病、缺氧、缺血/再灌注損傷和糖尿病等。在缺氧、H2O2等氧化應激及促炎因子脂多糖刺激下，心肌成纖維細胞中 TRPM7 蛋白表達顯著升高，胞內鈣離子濃度升高，且心肌成纖維細胞表現出較強的增殖、分化和膠原分泌能力[45-46]。本實驗室先前的研究表明，在體外和體內，異丙腎上腺素(ISO)誘導的心臟纖維化中，TRPM7的表達和電流均上調[47-48]。而TGF - β1可以通過磷酸化下游Smad2/3來促進心臟纖維化，而激活的Smad7可以通過觸發TGF - β受體Ⅰ和Smad蛋白降解來改善纖維化[49]。

當給予TRPM7抑制劑2-APB或者用siRNA沉默TRPM7后，可明顯降低成纖維細胞內的鈣離子濃度，從而可抑制心肌纖維化。但目前關于TRPM7與糖尿病心肌病相關報道較少，有待進一步研究。

5 結語與展望

糖尿病心肌病是不容忽視的疾病，獨立于冠心病和高血壓，并且病人發生心律失常、心室顫動或猝死概率較高。糖尿病患者心功能和心電圖的異常大多與離子通道的改變有關，通道蛋白物理特性改變和表達改變來影響通道的振幅和動力學。本綜述結合動物模型與臨床表型分析，希望通過對離子通道的分析討論，為治療DCM以及藥物研究提供理論依據。