糖尿病心肌病與心肌代謝研究進展

羅雪婷 徐昕

(1東華理工大學體育學院，江西 南昌 330013；2上海體育學院運動科學學院)

由于過度營養和久坐不動的生活方式，肥胖和胰島素抵抗等流行病逐年增加。肥胖和胰島素抵抗是2型糖尿病的危險因素，心血管疾病是2型糖尿病患者死亡的主要原因。1972年Rubler等〔1〕首次描述了4例糖尿病患者死后的病理結果，這些患者表現出心力衰竭癥狀，但沒有冠狀動脈或瓣膜病。1974年Framingham心臟研究進一步證實，糖尿病婦女心力衰竭發生率更高〔2〕。目前，認為糖尿病心肌病是與糖尿病相關的心肌結構和功能變化，其發生獨立于其他心臟危險因素，例如冠狀動脈疾病(CAD)和高血壓〔3〕。

糖尿病心肌病一般分為四個階段。第一階段，左心室質量增加，舒張功能障礙，射血分數(EF)正常。即使臨床上無癥狀，心肌纖維化增加，早期舒張期充盈減少，左心室舒張末期壓力升高〔4〕。第二階段的特征是左心室質量增加、室壁增厚、收縮和舒張功能障礙(EF<50%)，輕度心臟擴張。第三階段，舒張功能障礙及動脈高壓促成的收縮功能障礙和微血管病。第四階段，中度-嚴重的收縮功能障礙、心臟擴張、纖維化、微血管和大血管病變〔5〕。

流行病學報告，一般人群中糖尿病患病率為16.9%，糖尿病性心肌病的患病率為1.1%，糖尿病性心肌病患者的死亡率或心力衰竭發生率為31%〔6〕。盡管糖尿病導致糖尿病患者心臟病死亡率較高增加，但目前并沒有針對糖尿病引起的心力衰竭的治療策略。因此，糖尿病心肌病發展的機制需要進行進一步研究，以改善疾病管理策略，降低患者的發病率和死亡率。

1 糖尿病心肌病的心臟胰島素抵抗

E3泛素連接酶TRIM72(或MG53)蛋白可能在維持心肌胰島素信號傳導中起重要的負面作用。2型糖尿病小鼠模型中，升高的心肌MG 53蛋白水平與胰島素受體和胰島素受體底物(IRS)-1的蛋白酶降解增加有關。此外，MG53的小鼠心肌細胞特異性過表達通過上調過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)-α和抑制胰島素信號傳導增加心臟纖維化〔7〕。MG53也可能通過調節轉化生長因子(TGF)-β在心肌纖維化中起重要作用〔8〕。相反，有證據表明，心肌缺血/再灌注損傷可下調心肌MG53蛋白水平，而MG53的升高可保護心肌細胞免受氧化損傷并減輕心臟缺血/再灌注損傷〔9〕。總體而言，在急性心肌梗死和心臟缺血/再灌注損傷中，MG53的短暫升高或短期增加可以預防急性損傷，而特異性抑制其E3連接酶活性可能預防胰島素抵抗和脂質代謝失調，表明心肌MG53可能是治療糖尿病性心肌病的潛在靶點。

促炎性細胞因子，如腫瘤壞死因子(TNF)-α，可通過B淋巴細胞核因子κ-輕鏈增強子(NF-κB)和c-Jun N端激酶(JNK)激活，造成IRS-1磷酸化，導致心肌胰島素抵抗。叉頭框轉錄因子O亞族1(Foxo1)，直接調節IRS-1信號傳導并降低磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號傳導，導致高脂喂養的小鼠產生胰島素抵抗〔10〕。敲除小鼠心肌Foxo1，在很大程度上預防了心力衰竭并導致肌球蛋白重鏈(β-MHC)表達減少〔11〕。因此，Foxo1在促進糖尿病性心肌病中具有重要作用，抑制Foxo1基因表達也可能是防治糖尿病性心肌病的一個潛在靶點。

2 糖尿病心肌病糖脂代謝異常

在高血糖、胰島素抵抗和高三酰甘油血癥的情況下，心肌使用葡萄糖作為能量來源的能力降低，隨后轉為以游離脂肪酸(FFA)作為能量底物，這種轉換伴隨著氧化磷酸化受損和線粒體質子漏增加，導致活性氧(ROS)的生成增多〔12〕。由于心臟抗氧化能力有限，線粒體ROS產生增加導致一氧化氮(NO)生成破壞并降低NO生物可用性，這是糖尿病性心肌病的標志〔13〕。糖尿病患者心臟在代謝基質之間的轉換可提供新的生物標記物，最近一項研究表明，磷酸肌酸(PCr)/三磷酸腺苷(ATP)比值能夠預測無心血管危險因素的肥胖患者心臟舒張功能障礙〔14〕。

心臟脂質沉積是糖尿病心肌病的標志。FA結合蛋白(FABP)3，是一種心臟特異性PPAR誘導的蛋白質，通過肉毒堿棕櫚酰轉移酶(CPT)-1與肉毒堿結合后，將脂肪酸從質膜轉運到線粒體進行氧化，在收縮功能障礙或心力衰竭患者發生細胞損傷后，被釋放到血漿〔15〕。FABP3還在心肌細胞中發揮抗細胞凋亡作用〔16〕。因此，FABP3可能不僅是糖尿病心肌病一種合適的診斷工具，而且是有希望的治療靶點。Perilipin 5(Plin5)是一種在心臟中大量表達的Perilipin蛋白家族成員，在生理條件下促進脂滴儲存，減少脂肪酸氧化來調節心臟代謝。Plin5敲除小鼠沒有表現出心肌異常的脂質沉積及過量ROS產生，還表現出二酰基甘油(DAG)/神經酰胺-蛋白激酶(PK)C途徑抑制，表現出對糖尿病誘發的心臟功能障礙有抵抗作用〔17〕。

2.1糖基化終末產物(AGE) 高血糖是心血管疾病發病的重要危險因素。心肌細胞中葡萄糖濃度升高增加AGE積累，產生心肌膠原和纖連蛋白，造成結締組織交聯和纖維化增加，激活AGE受體(RAGEs)，誘導產生ROS并促成氧化應激〔18〕。研究表明，鈣泵肌漿網和內質網的Ca2+-ATP酶的糖化會改變其活性并破壞糖尿病大鼠心肌細胞的舒張特性〔19〕。研究顯示，AGE抑制劑氨基胍可逆轉鏈脲佐菌素(STZ)誘導的糖尿病小鼠心肌自噬抑制、內質網應激和促肥大信號分子Akt和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)磷酸化，表明抑制AGE形成可通過調節自噬和內質網應激改善糖尿病誘導的心臟重塑和收縮功能障礙〔20〕。

2.2O-乙酰氨基葡萄糖(O-GLcNAc) 高血糖與O-連接的N-乙酰葡糖胺糖基化修飾增加有關，O-GlcNAc附著于絲氨酸和蘇氨酸殘基上的多種蛋白質，可能與相同位點上的蛋白質競爭磷酸化，從而改變其功能。糖尿病患者心臟中，O-GlcNAc修飾Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ水平升高，誘導其自主性激活，促進自發性內質網鈣釋放，改變心肌鈣穩態，造成舒張功能障礙〔21〕。因此，在糖尿病患者心臟中，O-GlcNAc信號持續升高介導心臟胰島素代謝信號受損，影響鈣穩態、線粒體功能、心肌收縮特性和心肌細胞肥大〔22〕。己糖胺生物合成和O-GlcNAc可能是糖尿病心肌病防治的一個有效靶點。

2.3鈉-葡萄糖共轉運蛋白(SGLT)2 2型糖尿病通常與生酮作用降低有關〔23〕。在高血糖和胰島素抵抗中，由于SGLT1，葡萄糖轉運蛋白(GLUT)2和GLUT5的高表達，通過腸黏膜的葡萄糖和果糖吸收增加，刷狀緣二糖酶、蔗糖酶、麥芽糖酶和乳糖酶活性增加。SGLT2在糖尿病人、大鼠和db/db小鼠中腎臟中表達顯著增加，與腎小球高濾過、葡萄糖重吸收增加和血漿葡萄糖升高有關〔24〕。相反，SGLT2抑制導致尿鈉排泄、滲透性利尿、血漿容量收縮、血壓和動脈僵硬度降低，都可能是減輕糖尿病性心肌病和心力衰竭的機制。此外，SGLT2抑制劑治療可以將細胞代謝從葡萄糖轉變為脂肪酸氧化。因此，SGLT2的心臟有益作用包括制備更多的酮體、B-羥基丁酸酯，B-羥基丁酸酯是一種心臟代謝的高能效底物。靶向SGLT2已被證明可改善2型糖尿病患者的心血管結局和死亡率〔25〕。SGLT2可能在糖尿病患者心衰的防治中起作用。

2.45′-AMP活化蛋白激酶AMPK活化受損 AMPK是心臟能量代謝的關鍵調節因子。AMPK介導的Akt/糖原合成酶激酶(GSK)-3β/缺氧誘導因子(HIF)-1α信號傳導減少糖尿病患者的缺血性損傷、心臟肥大和心肌細胞凋亡〔26〕。外源性增加血漿中H2S的含量可降低氧化應激，減少線粒體損傷，激活自噬，并最終通過AMPK / mTOR途徑保護心臟〔27〕。在糖尿病中，高血糖導致心肌中的AMPK上游激酶肝激酶(LK)B-1和AMPK的活性顯著降低〔28〕。激活LKB-1/AMPK/Akt途徑，抑制GSK-3β和p38絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)活性，可減輕糖尿病大鼠心臟中細胞凋亡和心肌肥大〔29〕。研究表明，成纖維細胞生長因子(FGF)21對2型糖尿病的心臟保護主要歸因于脂毒性而非葡萄糖毒性，FGF21通過激活AMPK-AKT2-NRF2介導的抗氧化途徑和AMPK-ACC-CPT1介導的心臟脂質降低來預防2型糖尿病脂毒性誘導的心肌病〔30〕。可見，AMPK的活化逆轉了糖尿病患者心臟的不良反應。因此，AMPK信號傳導已成為改善糖尿病心肌病的重要治療靶點。

2.5PPARs的激活改變 PPARs是核激素受體，脂肪酸誘導的PPAR活化導致編碼參與細胞脂肪酸利用的各種蛋白質和酶的基因表達上調〔31〕。心臟中表達多種不同的PPAR同種型，即α，β/δ和γ，在葡萄糖、脂質代謝和能量穩態中起關鍵作用。PPARα在心臟中表達水平相對較高，糖尿病胰島素信號傳導受損和心肌FFA攝取增加與PPARα活化有關〔32〕。胰高血糖素樣肽(GLP)-1作為糖尿病的新型治療靶標，通過抑制Rho相關蛋白激酶(ROCK)/PPARα途徑來保護心臟功能，改善糖尿病性心肌病的脂毒性〔33〕。研究表明，糖尿病小鼠心臟PPARα的早期下調和晚期上調都與心臟Krüppel樣因子5(KLF)5基因表達的變化相關。而心肌細胞KLF5是PPARα的轉錄正調節因子，其抑制導致心臟功能障礙〔34〕。因此，心臟KLF5可能是治療糖尿病性心肌病的新靶標。

與PPARα相似，PPARδ也在心臟中大量表達。高葡萄糖培養的心肌細胞中PPARδ表達水平降低，而PPARδ活化可抑制信號轉導與轉錄激活因子(STAT)3活化，通過PPARδ-STAT3信號通路降低糖尿病大鼠心臟結締組織生長因子(CCN2)和纖連蛋白表達，改善心臟功能和纖維化〔35〕。高脂飲食誘導的糖尿病小鼠心臟中PPARγ表達增加，通過上調線粒體代謝酶3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合酶(HMGCS2)，β-羥基丁酸脫氫酶(BDH1)和丙酮酸脫氫酶激酶同種型(PDK)4而導致心功能不全〔36〕。靶向PPARγ及其下游線粒體酶將為預防糖尿病的代謝和心肌功能障礙提供新的策略。此外，PPARγ激動劑還通過抑制AGE-RAGE介導的氧化應激和炎癥改善糖尿病大鼠的心肌損傷〔37〕。

3 糖尿病心肌病線粒體功能障礙

線粒體功能障礙與糖尿病性心肌病的發病機制密切相關。在2型糖尿病中，伴隨著線粒體ROS生成增加、氧化磷酸化受損、線粒體Ca2+穩態失衡，進一步促進了線粒體呼吸功能障礙。代謝應激也增加Ca2+超載誘導的線粒體通透性轉換孔的開放，導致心肌細胞自噬和心臟壞死。

3.1線粒體氧化應激 糖尿病心肌病大鼠心臟組織中產生過量ROS，激活Toll樣受體(TLR)-4/髓樣分化因子(MyD)-88信號傳導導致心肌細胞凋亡〔38〕。NADPH氧化酶(NOX)是心肌細胞ROS的另一重要來源。在飲食誘導的肥胖和心臟胰島素抵抗中，心肌細胞NOX活性增加〔39〕。腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)介導的NOX活性的增加也可通過激活促纖維化轉化生長因子(TGF)-β1/Smad2/3信號通路直接促進心臟纖維化〔40〕。Peroxiredoxin-3(Prx-3)是一種線粒體抗氧化劑，在糖尿病大鼠中，槲皮素誘導的Prx-3可減少脂質過氧化物4-羥基壬烯酸(HNE)和線粒體解耦聯蛋白(UCP)3的表達，減少糖尿病氧化應激、心肌凋亡、肥大和纖維化，改善心臟收縮功能，心肌細胞中過表達Prx-3可顯著降低高葡萄糖造成的線粒體氧化損傷和細胞凋亡，表明提高Prx-3水平可以為糖尿病患者心臟提供廣泛的保護〔41〕。

3.2線粒體結構改變 在高能量要求的心肌細胞中，線粒體形成相互連接的網狀網絡，而線粒體網絡的破壞導致心肌細胞功能障礙和死亡〔42〕。Tsushima等使用心肌長鏈酰基輔酶A合成酶(ACSL)1過表達的轉基因小鼠模型，顯示心肌脂肪酸攝取增加導致線粒體結構重構，表現為線粒體狹窄而細長，形狀曲折，線粒體短軸直徑顯著降低60%。脂質超載顯著改變年齡依賴性線粒體結構重構，其特征在于最小直徑的減少和線粒體網絡結構碎片化。在棕櫚酸處理的心室肌細胞中也觀察到ROS生成增加，并伴有線粒體網絡結構喪失，提示線粒體裂變增加模式。脂質誘導的線粒體通過增加A-激酶錨蛋白(AKAP)121的泛素化而增加裂變，導致Ser637上的發動蛋白相關蛋白(DRP)1磷酸化降低和Optic Atrophy 1(Opal)蛋白水解過程改變，清除線粒體ROS則恢復線粒體形態〔43〕。這些發現為脂毒性心肌病線粒體功能障礙提供了新的機制。

3.3線粒體Ca2+穩態失衡 心臟功能障礙與Ca2+瞬時頻率逐漸下降有關。糖尿病大鼠心肌細胞蘭尼堿受體(RyR)2，肌漿網Ca2+-ATP酶和Na+/Ca2+交換蛋白表達減少，可能部分導致了心臟功能障礙〔44〕。糖尿病患者的心臟中線粒體鈣離子攝入蛋白(MICU)1過表達激活抗氧化系統，減少心肌纖維化及心臟肥大，部分阻止了糖尿病心肌病的發展〔45〕。心臟中高度表達的絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim1，介導心肌肌鈣蛋白(cTn)I磷酸化，從而降低Ca2+敏感性。Pim1在糖尿病小鼠心臟中的表達顯著降低，伴隨著cTnI磷酸化降低，說明Pim1/cTnI軸在糖尿病性心肌病發展中具有病理學意義〔46〕。此外，糖尿病性心肌病中異常的O-GlcNAc修飾改變Ca2+敏感性，引起肌絲收縮力度降低。調節O-GlcNAc轉移酶(OGT)和O-GlcNAc水解酶(OGA)的異常位點，可恢復糖尿病大鼠心臟中肌絲對Ca2+的反應〔47〕。

4 結 論

糖尿病心肌病在糖尿病人群中具有較高的患病率。心臟胰島素抵抗和糖脂代謝紊亂是糖尿病的早期特征，心肌增加脂肪酸攝取和氧化導致心肌利用葡萄糖減少，心臟脂質沉積引起心肌脂毒性。隨著病程的發展，線粒體氧化應激加劇，Ca2+穩態失衡，線粒體代謝障礙，心臟功能受損。針對心肌代謝異常，實驗數據支持MG53，Foxo1，SGLT2，Prx-3，Pim-1成為糖尿病心肌病的新治療靶點，AMPK、PPAR相關的代謝信號通路，也代表了新的治療策略。進一步闡明糖尿病心肌病的機制，對于制定有效和有針對性的治療至關重要。