缺血性心肌病與能量代謝研究進(jìn)展

張劍姝,徐 明

(北京大學(xué)第三醫(yī)院心血管內(nèi)科,血管醫(yī)學(xué)研究所,國家衛(wèi)生健康委心血管分子生物學(xué)與調(diào)節(jié)肽重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,分子心血管學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,心血管受體研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100191)

1 缺血性心肌病的代謝變化特點(diǎn)

缺血性心肌病是以心臟供血減少為特征的一類疾病.缺血性心肌病指心臟血流受限導(dǎo)致心肌細(xì)胞缺血缺氧.由于心臟正常收縮、舒張功能的維持需要大量能量,缺氧時(shí)心肌細(xì)胞能量供應(yīng)小于需求,導(dǎo)致心肌的代謝穩(wěn)態(tài)失衡,三大營養(yǎng)物質(zhì)的代謝均發(fā)生改變[1-2].心肌缺血或者心肌梗死時(shí),心肌細(xì)胞氧氣供應(yīng)減少,導(dǎo)致能量代謝改變,主要表現(xiàn)為脂肪酸與葡萄糖氧化的變化[3-5].此外,心臟再灌注時(shí)氧氣快速增加,導(dǎo)致線粒體活性氧(reactive oxygen species,ROS)增加,引起氧化損傷并造成細(xì)胞凋亡壞死.近年來,在動物模型中采用比較代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn),心臟再灌注損傷可通過琥珀酸調(diào)節(jié).缺血時(shí)琥珀酸鹽聚集在缺血組織中,再灌注時(shí)琥珀酸鹽氧化造成線粒體ROS增加,心肌細(xì)胞凋亡[6].

目前,已有很多研究表明,采用增加葡萄糖氧化或者抑制脂肪酸氧化的方式調(diào)節(jié)心臟能量代謝能夠改善心臟功能.使用過氧化物酶體增殖劑激活受體α(peroxisome proliferatorsactivated receptors α,PPARα)激動劑[7]、脂肪酸氧化抑制劑曲美他嗪[8]、線粒體脂肪酸攝取抑制劑哌克昔林[9]和丙二酰輔酶A脫羧酶(malonyl CoA decarboxylase,MCD)抑制劑[10]、丙酮酸脫氫酶激動劑(pyruvate dehydrogenase,PDH)[11]、葡萄糖氧化限速酶二氯二乙酸鹽[12]等能夠改善缺血性心肌病造成的心臟功能下降.

2 缺血性心肌病中三大營養(yǎng)物質(zhì)的代謝變化及潛在治療靶點(diǎn)

2.1 缺血性心肌病脂質(zhì)代謝變化及潛在治療靶點(diǎn)

2.1.1 缺血性心肌病脂質(zhì)代謝變化

心臟能量代謝的主底物為脂肪酸和葡萄糖.脂肪酸是心臟的主要能量來源,約50%～70%的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)是由脂肪酸β氧化產(chǎn)生的.在人體中,脂肪酸通過細(xì)胞膜上的脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1/6(fatty acid transport protein,FATP1/6),CD36/FAT(fatty acid transport)和脂肪酸結(jié)合蛋白(fatty acid binding protein,FABP)進(jìn)入細(xì)胞.脂肪酸在脂酰CoA合成酶的作用下生成脂酰CoA,并轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中.脂酰CoA在肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1(carnitine palmitoyl transferase 1,CPT-1)作用下將長鏈脂酰CoA生成脂酰肉堿,通過CPT-1轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中.脂酰CoA進(jìn)入線粒體是脂肪酸氧化的限速步驟,CPT-1是脂肪酸氧化的限速酶.脂酰CoA在線粒體中通過β氧化,生成乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle,TAC cycle)[5],生成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)和還原型黃素二核苷酸(f l avine adenine dinucleotide,FADH),最終被電子傳遞鏈利用生成ATP.

丙二酰CoA(malonyl CoA)是調(diào)節(jié)脂肪酸氧化的重要分子,通過抑制CPT-1從而抑制長鏈脂肪酸進(jìn)入線粒體.丙二酰輔酶A能夠與乙酰CoA相互轉(zhuǎn)化,在乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)的作用下,丙二酰CoA生成乙酰CoA；在丙二酰輔酶A脫羧酶(malonyl CoA decarboxylase,MCD)的作用下,乙酰CoA生成丙二酰CoA[2].因此,抑制MCD能夠抑制CPT-1的活性,從而降低脂肪酸氧化.Ussher等[13]研究發(fā)現(xiàn),MCD敲除鼠缺血后再灌注的壞死面積減少,心臟功能改善.這種心功能改善作用是通過抑制脂肪酸氧化,提高葡萄糖氧化率實(shí)現(xiàn)的.

脂肪酸堆積過量及脂肪酸氧化速率過高是導(dǎo)致糖尿病性心肌病發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制.過量的脂肪酸在心臟中代謝為脂肪酸中間體二酰基甘油(diacylglycerol,DAG)和神經(jīng)酰胺(ceramide,Cer)產(chǎn)生脂毒性[14].而不飽和脂肪酸(如omega-3)的攝入會起到保護(hù)心血管的作用.飽和脂肪酸可增加低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein-cholesterol,LDL-c)的含量,從而增加冠心病易感性.飽和脂肪酸攝入每增加5%,心血管事件的死亡風(fēng)險(xiǎn)就增加8%[15-16].此外,脂肪酸堆積能促進(jìn)胰島素信號通路的翻譯后修飾,從而促進(jìn)胰島素抵抗.

心肌的脂毒性主要位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng).脂質(zhì)過度堆積加重內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,導(dǎo)致蛋白酶體降解,從而使錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)聚集[17].此外,在伴有肥胖的糖尿病心臟病患者中,糖脂毒性抑制自噬,其機(jī)制是由于脂質(zhì)聚集使轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)減少,轉(zhuǎn)錄調(diào)控受限,從而抑制自噬[18].

神經(jīng)酰胺是心血管事件的獨(dú)立危險(xiǎn)因素.神經(jīng)酰胺是由神經(jīng)鞘氨醇長鏈堿基與脂肪酸組成的神經(jīng)鞘脂.神經(jīng)酰胺通過抑制胰島素和生長因子信號,破壞線粒體脂質(zhì)氧化,損害內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及誘導(dǎo)凋亡,產(chǎn)生心血管脂毒性[19].2018年發(fā)表的一項(xiàng)1 637人前瞻性隊(duì)列研究結(jié)果表明,不同血漿神經(jīng)酰胺比例是冠心病患者心血管事件死亡風(fēng)險(xiǎn)的重要預(yù)測因子,比目前臨床使用的GRACE評分預(yù)測值更優(yōu).因此,基于神經(jīng)酰胺比例預(yù)測冠心病患者的危險(xiǎn)等級是一種未來可選的方式[20].

PPARα在心臟脂肪代謝中起重要作用.脂肪酸是PPAR的內(nèi)源性配體,PPAR能夠促進(jìn)參與脂肪酸氧化的酶生成增加,包括CD36,CPT-1,MCD和長鏈酰基輔酶A脫氫酶(longchain acyl-CoA dehydrogenase,LCAD)表達(dá)升高,從而促進(jìn)心臟中線粒體脂肪酸氧化速率的升高[21].

2.1.2 改善脂質(zhì)代謝治療缺血性心肌病

脂肪酸氧化抑制劑是治療缺血性心肌病的潛在靶點(diǎn).曲美他嗪抑制3-酮酰基CoA硫解酶(3-ketoacyl CoA thiolase,3-KAT),可減少脂肪酸氧化并促進(jìn)葡萄糖氧化,從而改善線粒體代謝.已有研究表明,曲美他嗪能增加內(nèi)源性抗氧化酶(超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶),改善氧化應(yīng)激,此外還能改善缺血性心肌病ROS介導(dǎo)的炎癥反應(yīng),降低C反應(yīng)蛋白 (C-reactive protein,CRP)、腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor α,TNF-α)和白介素1(interleukin 1,IL-1),白介素8(interleukin 8,IL-8)[22].Liu等[8]的研究表明,曲美他嗪能夠通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK),在缺血再灌注時(shí)發(fā)揮保護(hù)作用.Ciapponi等[23]的Meta分析,納入了1 378名患者,結(jié)果表明與安慰劑相比,曲美他嗪組每周心絞痛發(fā)病次數(shù)減少40%[24].此外還有研究表明,曲美他嗪能夠改善左心室射血分?jǐn)?shù),降低心室收縮末期容積[23].

PPARα受體激動劑能夠通過改善脂質(zhì)代謝治療缺血性心肌病.非諾貝特是PPARα受體激動劑,能降低甘油三酯,促進(jìn)CYP-450環(huán)氧化酶活性.將花生四烯酸代謝為環(huán)氧二十碳三烯酸(epoxyeicosatrienoic acid,EET).非諾貝特通過抑制線粒體凋亡,抑制caspase-9剪切,從而預(yù)防心肌缺血/再灌注損傷[25].此外,Bukhari等[26]發(fā)現(xiàn),非諾貝特能改善心肌缺血再灌注導(dǎo)致的心律失常.PPARα受體激動劑GW7647處理能使新生兒心肌缺血后的射血分?jǐn)?shù)下降,同時(shí)ROS生成減少,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激降低,ATP生成增加[27].

2.2 缺血性心肌病糖代謝變化及潛在治療靶點(diǎn)

葡萄糖代謝是一種高效率的能量代謝方式.葡萄糖是心臟代謝的另一種重要底物,通過糖酵解生成丙酮酸,丙酮酸進(jìn)入線粒體后在丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)的作用下轉(zhuǎn)化為乙酰CoA和NADH.這一過程是不可逆的,PDH是葡萄糖氧化過程中的關(guān)鍵酶.在PDK(PDH kinases)的作用下,PDH生成磷酸化PDH,磷酸化PDH是無活性的.磷酸化PDH在丙酮酸脫氫酶磷酸鹽磷酸酶(pyruvate dehydrogenase phosphate phosphatases,PDP)的作用下可形成有活性的PDH.脂肪酸和葡萄糖代謝的相互調(diào)節(jié)過程被稱為葡萄糖/脂肪酸循環(huán),又稱Randle循環(huán).心臟中脂肪酸氧化增加能夠抑制葡萄糖氧化,同時(shí)葡萄糖氧化增加能抑制脂肪酸氧化.脂肪酸氧化中間產(chǎn)物乙酰CoA和NADH會抑制PDH活性[28].此外,檸檬酸鹽增加能抑制糖酵解途徑中6-磷酸果糖激酶-1,并通過提高6-磷酸葡萄糖水平間接抑制己糖激酶[5].P/O比值是指氧化磷酸化過程中,每消耗一個(gè)氧原子產(chǎn)生ATP的分子數(shù),并根據(jù)產(chǎn)生線粒體還原當(dāng)量(NADH和FADH2)的能量底物而變化.比較脂肪酸(以棕櫚酸為例)和葡萄糖的P/O值,可以得出一個(gè)葡萄糖分子完全氧化需要消耗12個(gè)氧原子,能生成31分子ATP,P/O為2.58.而一個(gè)棕櫚酸分子完全氧化需要消耗46個(gè)氧原子,生成105分子ATP,P/O為2.28.因此,盡管一分子脂肪酸能夠產(chǎn)生更多的ATP,但是生成單位分子ATP需要消耗更多的氧氣,多消耗12%的能量.因此與脂代謝相比,葡萄糖氧化效率更高[2].

缺血性心肌病狀態(tài)下葡萄糖氧化減少,ATP減少,ROS增加導(dǎo)致細(xì)胞凋亡.缺血性心肌病狀態(tài)下,葡萄糖氧化減少糖酵解與葡萄糖氧化解偶聯(lián)增加,導(dǎo)致乳酸生成,降低心臟產(chǎn)能效率,ATP生成減少.質(zhì)子產(chǎn)生增加,促進(jìn)ROS生成,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡.Na+/H+交換器將過多的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞,并將Na+轉(zhuǎn)運(yùn)到胞內(nèi).隨后促進(jìn)Na+/Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)體,將Na+轉(zhuǎn)運(yùn)到胞外的同時(shí)Ca2+進(jìn)入胞內(nèi)[14].心肌缺血時(shí)乳酸的增加,主要是由于糖酵解途徑激活,NADH/NAD+增加,PDH磷酸化減少,導(dǎo)致丙酮酸通過PDH介導(dǎo)的有氧呼吸減少,更多蓄積的丙酮酸在乳酸脫氫酶的作用下生成乳酸[11].此外,犬類和豬心臟缺血再灌注研究表明,在PDH充足的情況下,增加NADH/NAD+和乙酰CoA/游離CoA,也能抑制丙酮酸介導(dǎo)的有氧氧化[29].

促進(jìn)葡萄糖氧化能夠改善缺血性心肌病.酮鹽能夠用于多種酰基輔酶A脫氫酶缺乏癥(multiple acyl-CoA dehydrogenase def i ciency,MADD)患者的治療,然而酮鹽治療會給機(jī)體帶來鹽負(fù)荷[30].已有研究表明,給予糖代謝途徑關(guān)鍵酶PDH刺激或者直接給予丙酮酸能夠改善缺血后心臟功能[31].此外,抑制PDK的活性從而促進(jìn)PDH生成,同樣能改善缺血性心肌病的心臟功能[32].Ussher等[33]的研究發(fā)現(xiàn),敲除丙二酰輔酶A(脂肪酸氧化關(guān)鍵酶,可以抑制CPT-1活性)的小鼠,心肌中PDH活性增強(qiáng),促進(jìn)葡萄糖氧化,減少梗死面積.此外,在PDHK4(PDH kinase 4)敲除鼠中,缺血再灌注損傷造成的心肌梗死面積也減少了[13].

葡萄糖氧化能夠與脂質(zhì)代謝相互轉(zhuǎn)化.葡萄糖毒性和脂質(zhì)毒性共存能夠誘發(fā)胎兒高胰島素血癥[34],胎兒高胰島素血癥會影響胎兒心臟發(fā)育,改變心臟蛋白表達(dá),促進(jìn)ROS升高,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激并引起晚期糖基化產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)的增加,造成內(nèi)皮功能障礙[35].同時(shí),高血糖能促進(jìn)氧化還原敏感蛋白蛋白激酶C,多元醇和己糖胺途徑激活,加劇線粒體功能障礙,造成氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷[36].與成人不同,胎兒心臟能量來源主要依賴于糖代謝,而成人的心臟能量來源主要為脂代謝[11].

2.3 缺血性心肌病氨基酸代謝變化及潛在治療靶點(diǎn)

氨基酸能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞中蛋白質(zhì)合成,提高氧耗率,促進(jìn)葡萄糖氧化.在厭氧條件下,氨基酸能夠刺激線粒體能量生成,促進(jìn)心肌細(xì)胞中蛋白合成,加速肽鏈形成.已有研究發(fā)現(xiàn),支鏈氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)是一種異常氨基酸,支鏈氨基酸升高能夠增加心血管事件風(fēng)險(xiǎn)[37].

干預(yù)支鏈α-酮酸脫氫酶(branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase,BCKDH)是治療氨基酸代謝障礙的核心環(huán)節(jié).支鏈氨基酸包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸,是哺乳動物必需的氨基酸.蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換率、BCAA攝入量和分解代謝率是調(diào)節(jié)體內(nèi)BCAA穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵機(jī)制.在BCAA的分解代謝途徑中,BCAAs首先通過支鏈氨基酸轉(zhuǎn)移酶(branched-chain amino-transferase,BCAT)轉(zhuǎn)化為支鏈α-酮酸(branched-chain alpha-ketoacids,BCKAs),這一步驟是可逆的.然后在BCKDH的作用下進(jìn)行不可逆的脫羧反應(yīng),最終生成乙酰CoA或者琥珀酰CoA,隨后進(jìn)入三羧酸循環(huán),其中BCKDH是這一過程的限速酶,BCKDH會在線粒體2C類型絲蘇氨酸蛋白磷酸酶(protein phosphatase 2Cm,PP2Cm)的作用下去磷酸化而激活.已有研究表明,在PP2Cm敲除鼠中,抑制BCAA的分解代謝,氧化應(yīng)激增加,會導(dǎo)致斑馬魚心臟和神經(jīng)發(fā)育異常[38].

促進(jìn)BCAA分解代謝能夠改善缺血性心肌病的心肌損傷.已有研究表明,BCAA的代謝水平與胰島素抵抗和冠心病的發(fā)生關(guān)系密切[39].在小鼠支鏈氨基酸代謝障礙模型中(PPM1K敲除,增加BCAA降解),葡萄糖氧化降低50%,同時(shí)脂肪酸氧化增加到2倍.這種能量來源變化是由于BCAA介導(dǎo)的丙酮酸脫氫酶活性受到抑制,丙酮酸進(jìn)入線粒體障礙,從而使得葡萄糖氧化減少.補(bǔ)充BCAA能夠改善運(yùn)動能力,并改善中年動物線粒體功能[40-41].

氨基酸代謝能夠與葡萄糖代謝相互轉(zhuǎn)化.BCAA的分解代謝對于葡萄糖代謝的調(diào)節(jié)也有重要作用.BCAA分解障礙模型鼠中,BCAA的積累能夠抑制PDH活性,從而降低體內(nèi)葡萄糖氧化并促進(jìn)脂肪酸氧化,選擇性破壞線粒體丙酮酸利用.另外,BCAA分解障礙模型鼠中,BCAA的積累抑制葡萄糖代謝并使心臟對缺血性損傷敏感,抑制O-連N-乙酰氨基葡萄糖(O-linked N-acetylglucosamine,O-GlcNAc)的修飾,導(dǎo)致葡萄糖攝取、氧化、糖原含量和蛋白質(zhì)糖基化顯著降低,從而加重缺血再灌注損傷[42].

3 展望

心臟是一個(gè)耗能器官,心臟代謝穩(wěn)態(tài)對于維持心臟正常功能至關(guān)重要.在缺血性心肌病狀態(tài)下,為了適應(yīng)這種缺氧環(huán)境,心肌細(xì)胞中葡萄糖代謝減少,脂肪酸氧化增加.盡管增加了單位能量物質(zhì)生成ATP的數(shù)量,但是生成每單位ATP消耗的氧氣更多,因此造成更多的脂肪酸代謝產(chǎn)物的堆積.這些堆積的脂肪酸代謝產(chǎn)物會產(chǎn)生脂質(zhì)毒性,使心肌細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂,促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡.隨著代謝組學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展,針對缺血性心肌病進(jìn)行早期代謝產(chǎn)物檢測手段和機(jī)制探索的研究更加深入.越來越多的研究者開始關(guān)注心肌細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)的維持與調(diào)控.未來希望通過改善缺血性心肌病代謝,治療疾病,改善疾病預(yù)后.