自噬在糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制中的作用研究進(jìn)展

朱金秀 吳盛粼 胡佐祺 譚學(xué)瑞

糖尿病是常見的內(nèi)分泌紊亂性疾病，在世界范圍內(nèi)，其流行率從20世紀(jì)以來一直在上升。預(yù)計到2030年，全球?qū)⒂?億糖尿病患者[1]。糖尿病與多種心血管疾病發(fā)病率和死亡率的升高密切相關(guān)，包括冠狀動脈疾病、外周動脈疾病、腦卒中、高血壓、心肌病和心力衰竭。雖然糖尿病的心血管并發(fā)癥主要與冠狀動脈粥樣硬化等缺血性疾病有關(guān)，但一些沒有冠狀動脈疾病或高血壓的糖尿病患者也會受到糖尿病相關(guān)心肌病，即糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)的影響，最終導(dǎo)致心力衰竭[2-3]。

1 糖尿病心肌病的定義和流行病學(xué)

我國糖尿病的患病率高達(dá)11.6%，其中2型糖尿病約占85%[4]。DCM是糖尿病常見且重要的并發(fā)癥。2013年，美國心臟病學(xué)會(ACCF)、美國心臟協(xié)會(AHA)、歐洲心臟病學(xué)會(ESC)與歐洲糖尿病研究協(xié)會(EASD)將DCM定義為糖尿病患者在沒有冠狀動脈粥樣硬化和高血壓的情況下出現(xiàn)的心室功能障礙[5]。糖尿病患者中DCM檢出率為12%～22%。盡管高血糖和心臟胰島素抵抗是導(dǎo)致DCM的關(guān)鍵因素，但其發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，現(xiàn)階段仍缺乏針對性的DCM防治策略[6-7]。

2 自噬在糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展中的作用

DCM發(fā)病的可能機(jī)制包括糖基化終產(chǎn)物(AGEs)的堆積、過量活性氧的形成、氧化應(yīng)激、線粒體功能紊亂、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、纖維化等[8-10]，但上述機(jī)制尚不能完全解釋DCM的發(fā)生發(fā)展過程。最近的研究顯示，自噬參與了DCM的病理生理過程，且可能在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[11]。Xu等[12]通過在多個時間點(diǎn)測定鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠心肌自噬通量，發(fā)現(xiàn)糖尿病所致的心臟損傷在Beclin1和ATG16缺乏的小鼠中明顯減輕，氧化應(yīng)激、間質(zhì)纖維化和心肌細(xì)胞凋亡水平降低，間接表明低自噬水平有利于改善心功能。因此，抑制自噬可能是DCM的潛在治療策略之一。

2.1 過度自噬導(dǎo)致心肌細(xì)胞受損

細(xì)胞自噬是真核生物細(xì)胞內(nèi)普遍存在的一種自穩(wěn)機(jī)制，也是一種受到精確調(diào)節(jié)的生物學(xué)過程。它通過溶酶體降解來消除細(xì)胞多余和受損的結(jié)構(gòu)，以維持細(xì)胞正常生理功能，從而適應(yīng)各種不良刺激[13]。根據(jù)底物進(jìn)入溶酶體或液泡途徑的不同，自噬主要分為三種形式：宏自噬、微自噬以及分子伴侶介導(dǎo)的自噬。通常說的“自噬”即宏自噬，其特點(diǎn)是自噬小體的形成[14]。在生理環(huán)境下，自噬活性較低，可維護(hù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)；過度自噬則會誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡[15]。

心肌細(xì)胞在很大程度上依賴于自噬的有效清除異常、受損蛋白質(zhì)和細(xì)胞器功能，以維持正常的心臟功能。然而，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，一些心臟疾病與自噬的過度激活有關(guān)，這可能是由于過度自噬導(dǎo)致收縮蛋白的降解和自噬性細(xì)胞死亡，不利于心肌細(xì)胞的存活。研究發(fā)現(xiàn)，壓力過載或再灌注損傷所引起的過度自噬加重心肌重構(gòu)，說明過度自噬在心力衰竭進(jìn)展中是不利因素[16]。在主動脈縮窄小鼠模型中，抑制自噬相關(guān)蛋白LC3 Ⅱ/Ⅰ和Beclin1的上調(diào)、降低自噬活性可減少小鼠心肌細(xì)胞的死亡，從而改善心功能[17]。

研究顯示，房顫中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的自噬與心肌細(xì)胞重構(gòu)有關(guān)，過度激活自噬可能導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷和肌溶解，加速房顫的進(jìn)展[18]。另一項研究表明，犬快速心房起搏后以及持續(xù)性房顫患者的心房肌細(xì)胞均存在AMPK依賴性自噬，提示AMPK激活自噬可能是房顫發(fā)生的新機(jī)制[19]。AMPK是真核生物細(xì)胞中高度保守的關(guān)鍵細(xì)胞能量傳感器，在各種應(yīng)激事件中具有重要的自噬激活作用。

在黏液性二尖瓣中可觀察到自噬標(biāo)志物L(fēng)C3表達(dá)的增加[18]。在慢性心力衰竭的發(fā)展過程中，Beclin1的上調(diào)可激活自噬[19]。這些證據(jù)均揭示過度自噬在心臟疾病發(fā)生發(fā)展中的不利影響。過度的自噬誘導(dǎo)將導(dǎo)致缺血性心肌病或心力衰竭時發(fā)生自噬細(xì)胞死亡和心肌細(xì)胞丟失。這提示自噬的水平及持續(xù)時間決定了其在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮不同的作用[17, 22]。

2.2 Nrf2對自噬具有負(fù)向調(diào)控作用

NF-E2相關(guān)因子2(Nrf2)存在于細(xì)胞質(zhì)中，是抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子[23]。研究表明，Nrf2基因敲除的糖尿病小鼠心肌細(xì)胞中活性氧水平較對照組顯著升高，此后，Nrf2作為糖尿病心臟抵抗活性氧的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子受到了廣泛關(guān)注[24]。Nrf2通過調(diào)控數(shù)以百計的抗氧化反應(yīng)元件(AREs)，包括抗氧化酶、異生物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和其他應(yīng)激反應(yīng)蛋白等在其啟動子中的表達(dá)來對抗氧化反應(yīng)機(jī)制[23]。在生理條件下，Nrf2主要受其抑制劑Kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白1(Keap1)的調(diào)控，該抑制劑針對Nrf2進(jìn)行泛素化降解，以維持低細(xì)胞水平的Nrf2；在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，Nrf2與Keap1迅速分離，游離Nrf2轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，在核內(nèi)與ARE序列結(jié)合，激活A(yù)RE調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[25]。此外，活性Nrf2與多種自噬調(diào)節(jié)因子的ARE序列結(jié)合，如P62、ATG4、ATG5、ATG7，提示Nrf2也通過調(diào)控自噬對抗氧化損傷，對自噬有調(diào)控作用[26]。

在高糖環(huán)境下，線粒體產(chǎn)生的大量活性氧誘導(dǎo)氧化損傷是糖尿病進(jìn)展為DCM的重要驅(qū)動因素[27]。當(dāng)活性氧和氧化應(yīng)激損傷增加自噬活性而又不能適時抑制時，過度自噬可通過降解細(xì)胞內(nèi)重要成分誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[28]。在氧化應(yīng)激過程中，Nrf2作為主要的調(diào)節(jié)因子可負(fù)性調(diào)控自噬[29]，以避免自噬性細(xì)胞死亡[23]。然而，Nrf2在DCM小鼠模型的心肌組織中處于低表達(dá)狀態(tài)[30]。

較少有研究關(guān)注長期氧化應(yīng)激過程中自噬活性的動態(tài)改變，以及自噬的有利或不利影響。Nrf2可能通過降低自噬活性，避免自噬過度激活的不利影響，促進(jìn)細(xì)胞的存活[29]。遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在長期氧化應(yīng)激環(huán)境下，負(fù)向調(diào)節(jié)自噬有利于維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，可能是由于在長期氧化應(yīng)激的心肌細(xì)胞中AMPK水平降低，導(dǎo)致自噬被抑制[31]。

現(xiàn)有研究中，當(dāng)氧化應(yīng)激時間較短時，并未發(fā)現(xiàn)這種負(fù)性調(diào)控效應(yīng)；隨氧化應(yīng)激時間延長而出現(xiàn)的自噬水平下調(diào)現(xiàn)象提示，在疾病的不同階段，自噬的活躍程度不同。然而，要確定究竟是哪些因子，以及它們?nèi)绾螀⑴c對長期氧化應(yīng)激的適應(yīng)，則需要進(jìn)行更深入的機(jī)制研究。

2.3 激活Nrf2可能抑制過度自噬

有研究提示，Nrf2的沉默導(dǎo)致AMPK的持續(xù)活躍，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激時自噬的過度激活。而Nrf2可直接調(diào)控AMPK的進(jìn)化保守機(jī)制，并通過這種調(diào)控將自噬的激活降低到生理水平。這可能是細(xì)胞的一種自衛(wèi)機(jī)制，使自身在長時間的氧化應(yīng)激下免于過度自噬導(dǎo)致的細(xì)胞死亡[29]。研究發(fā)現(xiàn)，胚胎腎HEK293T細(xì)胞和人結(jié)腸Caco-2細(xì)胞在利用叔丁基過氧化氫(TBHP)模擬的氧化應(yīng)激環(huán)境下，Nrf2以及AMPK的mRNA水平對TBHP的處理呈時間依賴性變化：TBHP的作用時間越長，Nrf2的含量越高，AMPK表達(dá)越少。沉默Nrf2后再進(jìn)行TBHP處理，AMPK的mRNA水平并沒有下降。這表明在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，Nrf2對AMPK具有調(diào)節(jié)作用。當(dāng)TBHP作用1 h后，AMPK和ULK1均被磷酸化，提示AMPK在長期的氧化應(yīng)激中被短暫地激活；隨后，AMPK活性迅速下降，表明在氧化應(yīng)激期間AMPK活性存在延遲負(fù)反饋。自噬關(guān)鍵標(biāo)記物L(fēng)C3和P62的表達(dá)變化也表明，自噬在氧化應(yīng)激期間表現(xiàn)出一個激活峰，但長期使用氧化劑可抑制自噬。而在Nrf2 siRNA預(yù)處理的細(xì)胞中，TBHP處理4 h后，自噬底物的P62水平顯著下降，證明Nrf2通過AMPK負(fù)調(diào)控自噬[29]。

多酚類化合物通過調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和AMPK通路，干預(yù)脂聯(lián)素的mRNA和蛋白表達(dá)，改善心肌糖脂素能量代謝[32]；茶多酚通過刺激AMPK活性而增加自噬，避免由于脂質(zhì)代謝紊亂引起的過度β-氧化和產(chǎn)生的有毒物質(zhì)所致的心肌損傷[33]。給予多酚類化合物楊梅酮處理，可促進(jìn)Nrf2的表達(dá)和核易位，繼而改善DCM小鼠模型的心臟損傷[30]。

綜上，除已知的AGEs堆積、活性氧形成、氧化應(yīng)激、線粒體功能紊亂、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、纖維化等，自噬在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生中亦起到關(guān)鍵作用。過度自噬導(dǎo)致的心肌受損可能是DCM發(fā)生發(fā)展的機(jī)制之一。因此，通過增加Nrf2的表達(dá)而抑制過度自噬，可減輕DCM所致心肌損傷，有望為DCM的防治提供新的方向。