糖尿病心肌病的發(fā)病機制、治療及沉默信息調節(jié)因子6的調控機制

張浩，賈志毅，李文靜，田曉晨，劉玉勝，鄺江瑩，鹿慶華

1972年，RUBLER等［1］首次通過尸檢證實了糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）的存在。DCM指由糖尿病引起的，不能用冠狀動脈粥樣硬化性心臟病、高血壓心臟病、瓣膜性心臟病及其他心臟病解釋的心肌病變［2］。自1972年RUBLER等［1］首次提出DCM的概念以來，國內外學者針對DCM進行了大量的基礎研究和臨床研究。本文主要綜述了DCM的發(fā)病機制、治療及沉默信息調節(jié)因子6（silent information regulator 6，SIRT6）的調控機制，以期為DCM的治療提供一定參考。

1 DCM的流行病學

糖尿病是世界范圍內發(fā)病率較高的慢性代謝綜合征，也是21世紀最嚴重的公共衛(wèi)生問題之一［3］。心力衰竭作為糖尿病的嚴重并發(fā)癥之一，是糖尿病患者發(fā)病和死亡的首要原因，其在糖尿病患者中的發(fā)病率高達19%～26%［2］。Framingham研究［4］入選了5 209例糖尿病患者并對其隨訪18年，結果顯示，在校正其他風險因素（包括年齡、冠狀動脈疾病和高血壓）后，女性糖尿病患者心力衰竭發(fā)生率明顯高于男性。一項長達43個月的觀察性研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者心力衰竭發(fā)生風險高于無糖尿病患者（OR=1.3）［2］。RAEV［5］研究結果顯示，1型糖尿病患者發(fā)生心臟舒張功能障礙較收縮功能障礙更常見。一項包括20 985例1型糖尿病患者的觀察性研究結果顯示，HbA1c每增加1%，心力衰竭發(fā)生風險就會增加30%［6］。一項納入25 958例男性和22 900例女性2型糖尿病患者的觀察性研究表明，HbA1c每增加1%，心力衰竭發(fā)生風險就會增加8%［7］。一項回顧性研究表明，HbA1c每降低1%，心力衰竭發(fā)生風險就會降低16%［8］。

上述研究表明，女性糖尿病患者DCM發(fā)生風險高于男性，而血糖控制效果與DCM發(fā)生風險相關。

2 DCM的發(fā)病機制

DCM的發(fā)病機制十分復雜，主要包括心肌代謝紊亂、心臟胰島素轉導信號受損、氧化應激與炎癥、線粒體功能障礙、內質網(wǎng)應激與細胞內鈣離子處理異常及腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS）激活等［9-10］。

2.1 心肌代謝紊亂 研究表明，高血糖能夠促進晚期糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycation end products，AGEs）形成、沉積及心肌細胞蛋白的O-乙酰葡糖胺糖基化修飾（O-GlcNAcylation），而AGEs可以誘導氧化應激與炎癥反應，增加結締組織交聯(lián)和心肌纖維化，進而導致心臟僵硬和心臟舒張功能損傷；同樣，O-GlcNAcylation能夠誘導線粒體功能紊亂及左心室功能損傷［9］。

在胰島素抵抗和/或2型糖尿病狀態(tài)下，血液中的游離脂肪酸含量增加，心肌利用葡萄糖的能力降低，但利用脂肪酸的能力增強；這種能量轉換增加了心肌耗氧量，降低了心臟效率，同時脂肪酸攝取和β-氧化的不匹配還會使心肌細胞中的脂質過量堆積，導致心肌脂毒性；此外，心臟組織中脂肪酸的過量攝取及其脂毒性增加不僅直接影響心肌細胞代謝和收縮功能，還可以通過減少生理性自噬、增加活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成和促進內質網(wǎng)應激而促進心肌細胞凋亡［9］。

2.2 心臟胰島素轉導信號受損 肥胖和RAAS的不適當激活可通過增強哺乳動物雷帕霉素/S6激酶1信號通路的激活而損傷心臟胰島素代謝信號，減少胰島素受體底物（insulin receptor substrate Irs，IRS）-1/2的酪氨酸磷酸化，進而抑制磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）通路的激活，降低冠狀動脈血管內皮一氧化氮合酶的活性、抑制NO生成、增加細胞內鈣離子濃度，進而導致心室壁僵硬和舒張功能障礙［10］。

2.3 氧化應激與炎癥 高血糖與胰島素抵抗均可導致ROS的生成增加，而增加的ROS又會直接導致參與DCM發(fā)生發(fā)展的主要通路被激活，即多元醇通路、AGEs通路、蛋白激酶C通路及己糖胺通路，而這些通路本身也是ROS的額外來源。炎癥是DCM發(fā)生發(fā)展的主要機制之一，而氧化應激可引起炎癥，進而導致心肌纖維化、細胞凋亡和心臟功能障礙［9］。

2.4 線粒體功能障礙 線粒體結構和功能異常在DCM發(fā)生發(fā)展中起關鍵作用，其常出現(xiàn)在DCM發(fā)展早期。研究表明，心肌細胞中約90%的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）是由線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生［9］。線粒體結構與功能異常可導致ATP生成減少、氧化應激增加、線粒體鈣處理異常及細胞凋亡，進而促進DCM的發(fā)生發(fā)展［9］。

2.5 內質網(wǎng)應激與細胞內鈣離子再攝取障礙 氧化應激、炎癥、脂毒性及未折疊蛋白的沉積均可導致內質網(wǎng)應激，進而抑制細胞蛋白的合成、錯誤折疊或受損蛋白的降解，最終促進細胞凋亡和自噬［9］。

研究表明，細胞內鈣離子在調控細胞代謝、肌肉收縮及細胞信號轉導等方面發(fā)揮著重要的生理作用［9］。在DCM中，肌漿網(wǎng)鈣泵活性降低導致了心肌細胞內鈣離子再攝取障礙，進而延長了動作電位的持續(xù)時間及舒張期松弛時間，最終導致心肌收縮與舒張功能損傷［9］。

2.6 RAAS激活 高血糖與胰島素抵抗誘導的局部及系統(tǒng)RAAS激活是DCM及心力衰竭的重要發(fā)病機制。有大型隨機對照試驗表明，通過阻斷鹽皮質激素受體激活而抑制醛固酮活性可降低糖尿病患者輕/中度心力衰竭的發(fā)病率及死亡率；RAAS激活可促進心肌胰島素抵抗、增強氧化應激與炎癥反應，從而導致心肌纖維化與心肌功能障礙［9］。

2.7 其他 研究表明，繼發(fā)于糖尿病的心臟自主神經(jīng)病變及微血管功能障礙均與DCM的病理學改變有關，其最初表現(xiàn)為心肌細胞肥大、心肌功能降低、彌漫性心肌纖維化及心臟舒張功能障礙，逐漸進展為心臟收縮功能障礙，最終發(fā)展為心力衰竭［10］。

3 DCM的治療

DCM的發(fā)病機制復雜，目前尚無特異性治療方法。高血糖是導致DCM的始動因素，故控制血糖是防治DCM的基石，同時需要控制血壓、血脂等因素。此外，對于由DCM引起的心力衰竭患者，應依據(jù)指南盡早啟動抗心力衰竭治療［11］。既往研究表明，強化降血糖并沒有降低糖尿病患者心力衰竭風險或心力衰竭住院風險，在某種情況下，甚至還增加了其心力衰竭風險或心力衰竭住院風險［12］。近年來隨著研究深入，臨床上發(fā)現(xiàn)了DCM新的治療靶點，如SIRT6，其是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依賴性組蛋白去乙酰化酶，在衰老相關疾病如癌癥、骨丟失、腎臟病、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病中起關鍵作用［13］。

4 SIRT6的結構與功能

SIRT6僅存在于細胞核中［14］，其是由N端、C端和保守的中心結構組成，N端的有序化有助于增強其催化活性，C端含有的核定位信號、中心結構域至關重要，只要一個組氨酸突變就能使其喪失催化活性和與染色質結合的能力［15］。與Sirtuins其他家族成員不同，SIRT6可誘導自身ADP-核糖基化，但不發(fā)揮其他生理功能［14］。研究表明，SIRT6可催化PARP1的K521殘基ADP-核糖基化，進而促進氧化應激下的DNA修復［16］，但其催化的KAP1 ADP-核糖基化在細胞中的生理作用尚不清楚。直到2008年，SIRT6的第一個特異性去乙酰化底物H3K9被發(fā)現(xiàn)，隨后其另一個同類底物H3K56被發(fā)現(xiàn)［16］。近年研究發(fā)現(xiàn)，SIRT6可以去乙酰化H3K18及非組蛋白，其通過靶基因啟動子上的組蛋白H3K9、H3K56和H3K18去乙酰化來調節(jié)轉錄因子，并控制下游基因表達，從而維持細胞內環(huán)境穩(wěn)定［13］。研究表明，SIRT6的乙酰化酶活性較Sirtuins家族其他成員低近1 000倍［17］。除了具有ADP-核糖基轉移酶活性和NAD+依賴的去乙酰化酶活性外，SIRT6還具有催化長鏈脂肪去酰基化酶活性［18］以及腫瘤壞死因子α和多種分泌蛋白的脫酰基酶活性［19］。

5 SIRT6調控DCM的機制

5.1 減輕心肌纖維化 在糖尿病狀態(tài)下，為了適應代謝改變，心肌細胞及細胞外基質（extracellular matrix，ECM）會發(fā)生一系列重構，主要表現(xiàn)為心肌細胞肥大及心肌纖維化。心肌纖維化指心肌間質內ECM蛋白過度沉積和發(fā)生基質交聯(lián)，導致心臟結構重構和肌壁僵硬度增加，從而影響心臟舒張功能，甚至發(fā)生心律失常和心力衰竭，是DCM發(fā)展末期的主要病理學特征之一［20-21］。WONG等［22］通過磁共振成像評估糖尿病患者心肌ECM體積分數(shù)，發(fā)現(xiàn)間質纖維化增加與糖尿病患者心力衰竭病死率和住院率升高相關。

研究表明，核轉錄因子（nuclear factor，NF）-κB轉錄活性增加與心肌纖維化密切相關，而SIRT6介導的H3K9乙酰化可降低NF-κB轉錄活性，從而減輕心肌纖維化程度［23］。轉錄生長因子β（transforming growth factor β，TGF-β）通路是心肌纖維化的經(jīng)典通路，活化的TGF-β可結合膜受體并啟動一系列磷酸化依賴性信號級聯(lián)，最終激活SMAD家族轉錄因子。研究表明，SIRT6能通過去乙酰化Smad3而抑制TGF-β信號通路的激活，進而抑制心肌纖維化［24］。血管緊張素轉換酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）被認為是腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制劑治療高血壓和心力衰竭的潛在治療靶點，其可將血管生成素（Angiogenin，Ang）Ⅱ轉化為Ang1-7，進而對抗AngⅡ的分子和細胞效應。研究表明，AMP依賴的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）能夠上調ACE2表達，而SIRT6能通過AMPK/ACE2通路而減輕心肌纖維化［25］。近年有研究表明，內皮細胞是肌成纖維細胞的重要來源，而在內皮向間充質細胞轉化（endothelialto-mesenchymal transition，EndMT）過程中，內皮細胞增殖和遷移能力逐漸增加，并獲得了間充質標志性——α平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，α-SMA），失去了內皮細胞標志物CD31［26］。高血糖、脂肪酸氧化及炎癥均能激活EndMT過程，因此EndMT可能是DCM的一個治療靶點。有動物模型實驗表明，特異性敲除內皮細胞SIRT6能加重小鼠血管周圍纖維化及心功能不全嚴重程度［26］。一項高糖高棕櫚酸培養(yǎng)的內皮細胞模型表明，敲除SIRT6能夠增強內皮細胞的遷移能力和增殖能力，并誘導間充質標志物α-SMA的表達［26］。

上述研究表明，SIRT6可能通過NF-κB、TGF-β、ACE2通路而減輕心肌纖維化，進而干預DCM進展。

5.2 減輕心肌脂毒性 研究表明，SIRT6在糖脂代謝中具有重要的調控作用［27］，但其調控糖尿病心肌脂質代謝的具體機制尚不完全清楚。有研究報道，在高脂喂養(yǎng)的小鼠模型中，特異性敲除心肌細胞中的SIRT6基因能夠促進小鼠心臟脂質積聚并誘導肉堿棕櫚酰轉移酶1A（carnitine palmitoyltransferase 1A，CPT-1A）表達減少［28］。CPT-1A可將長鏈脂肪酸轉運到線粒體，是脂肪酸氧化的關鍵酶。在棕櫚酸誘導的心肌細胞體外模型中，SIRT6能夠通過轉錄后調控核酸內切酶G（endonuclease G，ENDOG）和超氧化物歧化酶2（superoxide dismutase 2，SOD2）的表達而減輕心肌細胞中脂質積聚及氧化應激，但具體機制尚不清楚［28］。脂肪酸攝取在脂質積累中起關鍵作用，心臟對脂肪酸的攝取主要通過被動攝取或各種轉運蛋白攝取，如脂肪酸轉運酶、脂肪轉運蛋白1（fatty acid transport protein 1，F(xiàn)ATP-1）和小窩蛋白1。KHAN等［29］研究發(fā)現(xiàn)，SIRT6能夠負調控心肌細胞中脂肪酸轉運蛋白的表達，進而減少脂肪酸的攝取及心肌脂質積聚。

上述研究表明，SIRT6可作為減輕心臟脂毒性損傷的潛在靶點。

5.3 抗氧化應激與抗炎 SIRT6具有潛在的抗氧化應激、抗炎作用。一項心肌缺血再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）損傷體外模型研究表明，SIRT6過表達可通過AMPK-FOXO3a軸上調內源性抗氧化基因表達，進而減輕氧化應激、保護心肌細胞免受I/R損傷［30］。研究顯示，在阿霉素誘導的體內及體外心肌損傷模型中，SITR6能通過上調內源性抗氧化劑水平而減輕心肌細胞損傷［31］。NF-κB是炎癥反應的中心環(huán)節(jié)，SIRT6缺乏可增加內皮細胞NF-κB轉錄活性，進而誘導大量炎癥因子合成［32］。SIRT6可減輕糖尿病氧化應激、炎癥導致的心肌纖維化及減少心肌細胞凋亡［33］。Nrf2是SIRT6抗氧化應激的重要靶點，其可通過與抗氧化反應元件（antioxidant response element，ARE）結合而促進許多抗氧化基因的轉錄，如血紅素加氧酶1（heme oxygenase-1，HO-1），進而在誘導機體抗氧化應答中起重要作用［34］。Nrf2與Kelch樣ECH相關蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，KEAP1）結合是調節(jié)其活性的主要機制之一，KEAP1可與Cul3和Rbx1組裝成功能性E3泛素連接酶復合物，進而降解Nrf2、抑制Nrf2依賴的相關基因的轉錄［35］。KANWAL等［36］研究發(fā)現(xiàn)，在棕櫚酸處理的心肌細胞和高糖高脂誘導的代謝綜合征小鼠模型中，SIRT6過表達能穩(wěn)定心肌細胞中Nrf2水平，進而穩(wěn)定Nrf2依賴性抗氧化基因的表達，包括SIRT3、HO1等。在高脂誘導的代謝綜合征小鼠模型中，SIRT6可通過ENDOG/SOD2通路而減輕心臟脂質沉積、氧化應激、心肌細胞肥大及心肌纖維化［29］。ENDOG是一種在細胞核編碼并位于線粒體的DNA酶，其可調節(jié)線粒體生物發(fā)生，其缺乏可誘導心肌細胞線粒體氧化應激水平升高，而心肌細胞中的SIRT6能夠誘導ENDOG表達，增加ATP合成，進而減輕線粒體氧化應激和功能障礙［29］。在鏈脲佐菌素誘導的1型糖尿病小鼠模型中，SIRT6特異性抑制劑OSS-128167增加了糖尿病導致的心肌炎癥、氧化應激、心肌細胞凋亡及心肌纖維化程度；在H9c2細胞中，OSS-128167增加了高糖誘導的炎癥、氧化應激及細胞凋亡程度［33］。

5.4 調控線粒體功能 SIRT6可調控DCM的線粒體功能。線粒體的融合、分裂、生物發(fā)生、自噬及其錯綜復雜的相互作用構成了線粒體的質量控制系統(tǒng)。過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（PPARγ coactivator 1α，PGC-1α）是線粒體生物發(fā)生的主要調節(jié)因子，其可由發(fā)育信號、內部和環(huán)境刺激激活。線粒體發(fā)生融合、分裂的過程也被稱為線粒體動力學，是線粒體的常態(tài)生理過程，其分別受線粒體融合蛋白（mitofusin，MFN）1、MFN2、視神經(jīng)萎縮蛋白1（atrophy protein 1，OPA1）和動力相關蛋白1（dynamin related protein 1，Drp-1）的調控［37］。線粒體分裂可以分離受損的線粒體，并通過線粒體自噬作用被充分清除。研究表明，隨著DCM的發(fā)展，心肌細胞中線粒體分裂逐漸增多，生物發(fā)生及線粒體自噬減少［38-40］。

AMPK是調節(jié)細胞能量代謝及線粒體功能的重要分子［41］，AMPK-PGC-1α通路激活可通過抑制Drp-1 ser616磷酸化而減少糖尿病患者心臟中線粒體分裂［42-43］；此外，蛋白激酶C也可通過抑制Drp-1 ser616磷酸化而減少線粒體分裂［44］。AMPK-PGC-1α介導的Nrf1-Tfam通路激活促進了糖尿病患者心臟中線粒體的生物發(fā)生［45］，AMPK激活可通過增強線粒體自噬而減少心肌I/R損傷［46］，但目前AMPK在線粒體自噬中的調節(jié)機制尚不明確。YU等［40］研究報道，在高脂飲食聯(lián)合小劑量鏈脲佐菌素誘導的2型糖尿病小鼠模型中，SIRT6可通過激活AMPK-PGC-1α-AKT通路而抑制Drp-1 ser616磷酸化，提高了線粒體氧化磷酸化復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ及FUNDC1和Parkin蛋白表達水平，進而抑制了線粒體分裂，促進了線粒體生物發(fā)生和自噬，最終減輕了DCM及心肌I/R損傷。此外，SIRT6還能調控線粒體融合的MFN1、OPA1的表達，在棕櫚酸處理的心肌細胞和高糖高脂誘導的代謝綜合征小鼠模型中，SIRT6過表達提高了MFN1、OPA1的表達水平，減輕了線粒體功能損傷［29］。

6 小結與展望

DCM是糖尿病患者死亡的首要原因，已成為威脅人類生命健康的危險因素之一。目前，DCM的發(fā)病機制尚不清楚，強化降糖并未能進一步改善患者預后，因此還需要尋求新的治療靶點。SIRT6是新近發(fā)現(xiàn)的治療DCM的基因靶點，其可通過減輕心肌纖維化和脂毒性、抗氧化應激和抗炎、調控線粒體功能而延緩DCM的發(fā)生發(fā)展，有望成為治療DCM的新靶點。

作者貢獻：張浩、鹿慶華進行文章的構思與設計；劉玉勝、鄺江瑩進行研究的實施與可行性分析；張浩、賈志毅、李文靜、田曉晨進行文獻收集；張浩進行文獻整理，論文撰寫；鄺江瑩進行論文的修訂；鄺江瑩、鹿慶華負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責、監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。