糖尿病心肌病的發病機制研究進展

潘余楠 王亞萍

心血管疾病是糖尿病發病和死亡的主要原因。Framingham 研究明確了糖尿病與心力衰竭的流行病學關聯：糖尿病獨立于高血壓、冠狀動脈性疾病之外預測了心力衰竭，排除了既往冠狀動脈或風濕性心臟病后，糖尿病患者的充血性心力衰竭風險仍增加4～5 倍[1]。糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）作為獨立于冠心病、瓣膜病等確定原因之外，在糖尿病環境中發生的心肌疾病分為3 個階段，早期細胞和代謝功能紊亂，但尚未引起收縮功能失調；中期細胞凋亡增加、左心室大小輕度增加和舒張功能障礙以及左心室射血分數（LVEF）＜50%；晚期以收縮期和舒張期功能障礙、微血管損傷、心血管自主神經病變為特征[2]。其發病機制還未完全明確，已知與代謝紊亂、鈣平衡失調、線粒體損傷、氧化應激及炎癥反應加強、血管功能障礙、心臟自主神經病變、微小RNA（MIR）、長鏈非編碼RNA（lncRNAs）等分子調控失調有關，現對糖尿病心肌病的發病機制作一綜述。

1 組織水平

1.1 氧化應激與炎癥反應 氧化應激為氧化超過抗氧化能力，導致自由基相對過剩的狀態。人體中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生主要來源于NADPH 氧化酶（NADPH oxidase，NOX）、黃嘌呤氧化酶/氧化還原酶、線粒體電子傳遞鏈、未偶聯的一氧化氮合酶、花生四烯酸代謝途徑和微粒體酶[3]。當ROS 產生過量時，會損傷DNA、蛋白質、脂質，參與DCM 中的各種病理狀態如心臟炎癥、心肌肥厚、細胞凋亡、纖維化、血管內皮功能障礙、動脈粥樣硬化及動脈僵硬等[4]。有證據表明，氧化應激是炎癥的主要驅動因素，反之亦然[5]。ROS 通過損傷DNA 等改變心肌細胞的基因表達，活化轉錄因子NF-κB（NF-κB 作為無處不在的、可誘導的轉錄因子，能夠控制促炎因子的表達）、降低心肌收縮性，同時NF-κB 還可受到高糖、高脂、晚期糖基化終末產物（advanced glycation end products，AGEs）的活化[6]。最近研究顯示，除了ROS 增加之外，炎性體激活在DCM 中也是至關重要的，NLRP3 炎性體在白細胞、心肌細胞、成纖維細胞中表達，促進心臟炎癥、細胞凋亡、纖維化，促進DCM 心臟結構和功能的變化[5]。

1.2 血管損傷 DCM 患者血管功能損傷與內皮功能障礙、體液因子改變、血管壁纖維化等相關。高血糖時，葡萄糖經多元醇-醛糖還原酶途徑產生3-脫氧葡糖醛酮，形成AGEs，其與受體結合，在內皮細胞引起多種損害例如增加內皮細胞通透性、抑制內皮型一氧化氮合酶活性、影響凝血系統和激活NOX[7]、增加ROS 產生及激活NF-κB[8]；同時，血管活性因子、血管內皮生長因子紊亂、各種血管收縮劑如內皮素、前列腺素的上調引起內皮功能障礙、血管收縮等效應以及血管舒張劑NO 生物利用度不足損害血管內皮依賴性血管舒張[7]，轉錄因子缺氧誘導因子-1α 激活減少引起血管內皮生長因子減少[9]致使毛細血管密度降低及心功能降低，內皮細胞釋放的外泌體Mst1 抑制自噬并促進心肌細胞凋亡[7，9-11]。有研究發現，血管周圍及血管壁的纖維化程度較心肌組織中更為嚴重，血管纖維化膠原堆積以膠原纖維Ⅲ最為顯著，造成了血管損傷[12]。

1.3 自主神經病變 神經元主要依靠葡萄糖作為滿足代謝需求的能量來源[13]，并且其糖攝入不依賴于胰島素，而是與細胞外葡萄糖濃度相關[14]，故而神經元更易受糖毒性損傷。其糖毒性表現在通過激活醛糖還原酶使山梨醇累積從而細胞滲透壓升高，產生AGEs 同高糖一起激活NF-κB 引起氧化應激，誘導NO 生物利用度降低損傷血管內皮細胞以及激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）導致神經營養血管損傷等機制[15]。出現在心臟組織的神經元主要為自主神經，包括交感神經、副交感神經和壁內系統。DCM 患者中可觀察到在疾病的早期，副交感神經去神經化導致交感神經占主導優勢[16]，一方面交感強化引起心肌肥大、間質纖維化[17]，另一方面刺激腎素-血管緊張素-醛固酮系統，增加血管收縮、水鈉潴留[18]、增強心肌纖維化和氧化應激[19]，引起靜息性心動過速、運動不耐受、直立性低血壓、水腫等癥狀；后期壁內系統感覺神經病變，導致無癥狀性心肌缺血，成為糖尿病患者猝死的主要原因，其機制尚不清楚，可能與糖尿病誘導的神經生長因子下調有關[20]。

2 細胞水平

2.1 代謝紊亂 在非糖尿病的情況下，心肌ATP的70%約從脂肪酸氧化中產生，其余大部分來自葡萄糖代謝[21]。而糖尿病患者代謝紊亂，具有糖攝取及氧化降低、脂肪酸攝取及氧化升高的特點。在DCM中葡萄糖利用受損，部分是因為葡萄糖攝取減少、糖酵解活力降低、丙酮酸氧化減少[22]。葡萄糖跨膜轉運由葡萄糖轉運蛋白（glucose transporter，GLUT）介導，DCM 時GLUT 在細胞膜表面的含量下調，致使葡萄糖攝取減少[23]。糖酵解過程中磷酸果糖激酶作為限速酶，受到增加的脂肪酸β-氧化產生的檸檬酸鹽抑制，導致果糖6 磷酸增加，而甘油醛-3-磷酸脫氫酶受到ROS 的抑制，導致果糖6 磷酸從糖酵解途徑轉移到替代生化途徑，包括多元醇旁路、己糖胺旁路、PKC 的激活、AGEs 形成等[24]。多元醇途徑的激活降低NADPH/NADP+比率、減少NO 產生，增加ROS 和山梨醇積累，己糖胺旁路的激活增加O-N-乙酰氨基葡萄糖糖基化引起Ca2+失衡以及損傷胰島素代謝信號傳導，PKC 的激活促進心肌肥大，影響L 型鈣通道功能，AGEs 增加促進心肌膠原交聯和纖維化、誘導炎癥反應[17，25-27]。丙酮酸脫羧形成乙酰CoA 的過程中，增加的脂肪酸氧化使丙酮酸脫氫酶激酶磷酸化及失活，抑制丙酮酸脫氫酶活性[22]，乙酰CoA 氧化過程受到線粒體功能障礙的影響，線粒體轉錄因子A 活性降低，氧化磷酸化水平受到抑制[24]。以上途徑共同導致DCM，其同時也是脂毒性的表現之一。另外脂毒性還表現在增加脂肪沉積、ROS 產生、PKC 激活、Ca2+失衡、心磷脂含量降低等途徑[24，28]。

糖尿病患者代謝紊亂的另一個特點即為胰島素抵抗。胰島素信號主要通過兩個途徑發揮作用：（1）通過胰島素受體底物1 作用于磷脂酰肌醇3 激酶-蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase-protein kinaseB，PI3K-AKT）信號途徑轉導。其中雷帕霉素-S6 激酶1 途徑慢性激活損害了胰島素與PI3K 接合及AKT 活化[29]。另外，AKT 的活化通過GLUT4 易位至心肌細胞的細胞膜增加葡萄糖攝取，而DCM 時GLUT4 量減少[23]，導致胰島素抵抗。（2）通過促分裂原活化蛋白激酶途徑傳導[30]，促進細胞重塑以及導致心肌肥大、心臟纖維化、心肌-內皮細胞傳導受損和內皮細胞死亡[31]，胰島素抵抗時，該途徑占優勢[32]，由此促進DCM 進展。

2.2 鈣調節失衡 細胞內鈣離子是觸發收縮偶聯的主要調節因子，在心肌細胞中經鈣觸發、鈣釋放機制引起收縮。肌膜去極化時，鈣離子通過L 型鈣通道少量內流，進入胞質觸發肌質網，鈣離子通過蘭尼堿受體2、肌醇三磷酸受體大量釋放而引起收縮。當心肌舒張時，肌質網的鈣泵將鈣泵入肌質網，肌膜中鈣泵、鈉鈣交換體將鈣排出胞外[20]。有文獻報道，DCM 時，L 型鈣通道密度降低[33]、蘭尼堿受體2及肌醇三磷酸受體功能受損[20]、鈉鈣交換體活性降低及水平下調、線粒體膜通透性轉換孔開放[34-35]等引起鈣離子超載。另外，最新研究發現CCDC47 是一種獨特的鈣調節蛋白，在DCM 的心肌細胞中過度表達引起細胞內鈣的增加[36]。正常的鈣穩態對于心臟功能非常重要，鈣超載通過心肌舒張及收縮功能障礙導致心肌損傷、心臟功能降低。

2.3 線粒體損傷 線粒體是眾所周知的細胞動力源，其被認為是心肌梗死和心肌病心肌細胞死亡的關鍵因素[37]。對于DCM，糖氧化降低、胰島素抵抗、脂肪酸氧化增加刺激ROS 產生，損害線粒體DNA、蛋白質，促進線粒體解偶聯減少ATP 合成和利用[38]。線粒體損傷后，質控系統將會通過裂變/融合的方式使其分隔（但其發生在心肌細胞中的比率似乎很低）或者通過線粒體自噬去除，當損傷嚴重時導致細胞死亡[37]。心肌細胞具有很高的線粒體自噬率，其在維持心肌細胞中的線粒體穩態中起重要作用，線粒體自噬等質控機制的破壞，與DCM 等心臟病理情況相關[39]。有實驗證明，在已建立1 型糖尿病模型的OVE26 小鼠中，自噬在心臟中被下調[40]，而2 型糖尿病中線粒體自噬的作用尚不清楚。

3 分子水平

3.1 MIR MIR 是一類新的非編碼的RNA，它們通過mRNA 降解或翻譯抑制調節基因表達[41]，在包括DCM 的各類心血管疾病中起到重要作用。從目前研究來看，MIR 在心臟肥大及纖維化、氧化應激、細胞凋亡多方面有重要調節作用：（1） 細胞肥大：MIR-133a 在DCM 中下調后血清和糖皮質激素調節激酶（SGK）1 和胰島素樣生長因子受體（IGFR）1上調，MIR-373 的下調受到p38 激酶途徑調節，兩者均激活肌細胞增強因子2C（心肌肥大的關鍵轉錄因子），促進心肌肥大，并活化p300 基因介導心臟纖維化[42]；MIR-208a 在2 型糖尿病小鼠DCM 早期上調增強β-MHC 表達，促進心肌肥大[43]；（2）纖維化：MIR-142-3p 及MIR-700 調節纖維化的因子如增加重組人轉化生長因子β3、Col1A1 加強纖維化，是致纖維化的重要分子[44]；血管內皮細胞損傷后，MIR-200b 在DCM 小鼠內皮細胞中下調，其對阻止內皮-間質轉化的能力減弱，引起心肌纖維化[45]；（3）氧化應激：MIR-144 在高糖環境中上調，通過核因子紅系2 相關因子2 加重氧化應激[46]；MIR-30c 抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活因子（PGC）-1β，降低過氧化物酶體增殖物激活受體（PPAR）α 的轉錄活性，從而減少ROS 的產生和心肌脂質積累，在DCM 小鼠中MIR-30c 表達下調，引起心肌損傷[47]；（4）細胞凋亡：MIR-186-5p 在高糖誘導的心肌細胞中表達下調，其通過上調toll 樣受體3 誘導細胞凋亡[48]；MIR-1 在高糖誘導的大鼠心肌H9C2 細胞中表達顯著增加，調節肝X 受體α，誘導細胞凋亡[49]。現如今，僅有部分MIR 對DCM 的影響機制明確，大量MIR 機制以及如何利用其中的機制和靶點治療疾病的問題尚需解決。

3.2 長鏈非編碼RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs） lncRNAs 是一類不能翻譯成蛋白質的超過200 個核苷酸的轉錄物，它可以調節順式或反式轉錄、核結構域組織、RNA 分子以及蛋白質等發揮作用[50]。新的研究發現，lncRNAs 對DCM 有調節影響作用，但僅有少數得到驗證。HOX 轉錄物反義RNA 和肺癌轉移相關轉錄因子（MALAT）1 作為lncRNAs 之一，前者在糖尿病小鼠和高糖刺激的肌細胞中降低，后者在糖尿病大鼠中上調，加重氧化應激和炎癥反應[51-52]；lncRNA H19、KCNQ1 重疊轉錄物1、心肌梗死相關轉錄因子（MIAT）均與心肌細胞凋亡有關，H19 表達減少通過H19/MIR675 軸促進VDAC1 靶向通道表達參與高糖誘導的細胞凋亡[53]、KCNQ1 重疊轉錄物1 在DCM 中過表達增強pyroptosis（一種與炎癥相關的程序性細胞死亡）[54]、MIAT 在DCM 中上調，作為競爭性內源RNA 通過MIR-22-3p 上調死亡相關蛋白激酶2 促進細胞凋亡[55]。lncRNAs 作為新出現的可能的DCM 診斷和治療靶點，需要更多的研究以明確其種類和作用機制。

4 結語

DCM 的發病機制目前尚未完全清楚，目前了解的代謝紊亂、鈣調節失衡、線粒體損傷、氧化應激及炎癥反應、血管損傷、自主神經病變和MIR 及lncRNAs 的機制相互作用、互相影響，共同促進了DCM心血管功能障礙，未來仍需繼續研究抗氧化應激、減少線粒體自噬、促進心臟血管生成、靶向特異性基因療法等相關機制，更有效地治療DCM。