AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的作用研究進展

李泳潔，王江

(新疆醫科大學第一附屬醫院麻醉科，烏魯木齊 830054)

自2000年開始，糖尿病的患病率迅速增長，預計到2045年，全球20～79歲的糖尿病患者將達6.29億[1]。心血管疾病是導致糖尿病患者死亡的首要原因[2]。糖尿病性心血管疾病包括許多病理生理過程，如代謝異常、慢性炎癥和心肌纖維化等[3]。其發病機制和保護性分子機制已成為近年的研究重點。AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)由α、β、γ三個亞基結構組成[4]。AMPK作為細胞能量代謝的關鍵調節因子，在糖尿病和腫瘤中起重要作用，也是心血管系統中多個生理過程中潛在的重要治療靶標[5-6]。在劇烈運動、缺氧或營養缺乏的狀態下，增加細胞內AMP和ATP的轉運，可導致絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，進而激活AMPK，達到優化心肌損傷的目的[7]。在心肌缺血再灌注損傷過程中，活化的AMPK對心肌缺血期間發生的心肌細胞適應性應激反應有重要作用。在再灌注過程中，活化的AMPK可調節糖代謝、脂代謝、線粒體功能、內質網應激、細胞自噬和細胞凋亡[7-8]。同時，AMPK也可以通過藥物激活，防止缺血再灌注過程中的心肌壞死和收縮功能障礙，這可能作為治療缺血性心肌病的心肌保護策略[9]。現就AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的作用予以綜述。

1 AMPK概述

AMPK是由α、β和γ三個亞基組成的一種進化保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，每個亞基均具有多個同工型，并由不同的基因編碼，包括α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3[4]。在心肌組織中，AMP和ATP與γ亞基結合形成復合物后發生構象變化，會促進α亞基的一個重要殘基(蘇氨酸172)位點磷酸化，激活AMPK[7,9-10]。AMPK的上游激酶包括肝激酶B1和鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶2，其中肝激酶B1介導了心肌線粒體損傷和低能量狀態下的AMPK活化；鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶2則通過感應鈣離子流直接引起蘇氨酸172位點磷酸化，從而將鈣信號轉導與AMPK調節能量代謝聯系起來，最終達到活化AMPK的目的[11]。此外，AMPK通過增加葡萄糖的攝取和葡萄糖轉運蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)的易位在缺血性心肌中發揮保護作用，從而減少細胞凋亡，改善缺血后心肌恢復，有效對抗心肌梗死[12]。同時，活化蛋白C可激活AMPK，保護心肌免受缺血再灌注損傷，并通過抑制c-Jun氨基端激酶信號通路對抗心肌細胞缺氧/復氧期間的炎癥反應[13]。

2 AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的作用

在糖尿病缺血性心肌病中，能量平衡紊亂導致心肌收縮功能障礙和細胞死亡，可能與AMPK信號通路密切相關。有研究顯示，在胰島素抵抗動物模型的橫紋肌、肝臟和脂肪組織中AMPK的活性均降低[14-15]。給予小鼠高脂飲食喂養，可抑制小鼠心肌中的AMPK活化和葡萄糖代謝[14]。經鏈脲佐菌素治療后，胰島素缺乏小鼠心肌中的AMPK活性降低[15]。用二甲雙胍或白藜蘆醇治療胰島素缺乏小鼠后，可激活AMPK、誘導自噬，改善心臟微血管功能[9,15]。心肌需要ATP維持電興奮性所需的膜離子梯度和肌原纖維蛋白的收縮功能，當缺血性心肌的氧化代謝減少時，激活AMPK可有效調節心肌葡萄糖吸收和代謝平衡[16]。在心肌缺血狀態下，局部心肌收縮力降低導致ATP的需求量減少，但AMPK可通過抑制蛋白質的合成、增強能量的轉運，提高心肌能量代謝，有效對抗缺血性心肌損傷[7-8,16]。因此，內源性AMPK通路既具有能量產生作用，又具有能量守恒作用，平衡心肌在缺血再灌注過程中的ATP水平。目前，AMPK保護糖尿病缺血性心肌病的具體作用機制尚未完全闡明，主要通過以下幾種方式發揮保護作用。

2.1調節心肌細胞糖代謝 在心肌缺血期間，AMPK介導的GLUT4易位可能通過葡萄糖攝取對心肌起保護作用[12]。有研究表明，AMPK可以通過調節GLUT4維持缺血性心肌的能量穩態[17]。在糖尿病性缺血心肌中，活化的AMPK通過激活細胞內含GLUT4的膜囊泡，與胞內的GLUT4形成復合物后向肌膜轉運，促進細胞的葡萄糖吸收；此外，AMPK還可抑制細胞中GLUT4的內吞循環，進一步增加GLUT4在其活性位點的含量，增強AMPK的活化作用[18]。AMPK作為調控能量代謝的關鍵因子，可調控細胞和全身的能量代謝平衡。在代謝應激狀態下激活AMPK，可促進葡萄糖攝取，抑制脂肪酸合成，有助于提高胰島素敏感性[19]。活化的AMPK通過增加葡萄糖的利用和糖酵解，進而增加ATP的產生，其中糖酵解的ATP具有維持膜離子梯度的功能，這對于保持細胞的功能和生存力均非常重要[8,17]。在心肌缺血期間，AMPK可通過抑制糖原合酶的活性抑制糖原的合成，既減少了ATP的消耗，同時又可間接促進能量代謝期間的糖原轉運[19]。AMPK活化可在心肌缺血再灌注損傷狀態下通過與胞膜上GLUT4的結合轉運，加強心肌葡萄糖的攝入，減輕內質網應激，抑制心肌細胞凋亡，從而對抗心肌缺血再灌注損傷[12,20]。同時在心肌缺血再灌注狀態下，AMPK通過促進葡萄糖攝取和糖酵解、抑制合成代謝過程、保持再灌注期間線粒體完整性、刺激心肌細胞生存而發揮心肌保護作用[20]。作為一種早期的適應性機制，AMPK可通過促進糖酵解產生ATP來維持細胞膜離子梯度，保持細胞功能，維持心肌能量平衡；同時，其還可通過激活細胞內含有GLUT4的膜囊泡向肌膜的轉運，促進細胞葡萄糖的吸收[12]。此外，心肌缺血再灌注損傷還可促進糖酵解和葡萄糖氧化的有害解偶聯，導致心肌內產生大量的乳酸和質子，致使心肌發生酸中毒和有害的鈣超載反應[19]。

2.2調節心肌細胞脂代謝 脂肪酸是心肌生理條件下的優先能量來源，AMPK可促進脂蛋白脂酶從胞質轉運至血管內皮細胞，在血管內皮細胞中催化三酰甘油轉化為脂肪酸[21]；隨后，AMPK通過轉運蛋白CD36促進脂肪酸代謝，使乙酰輔酶A羧化酶磷酸化，并降低細胞內丙二酰輔酶A水平[22-23]。脂肪酸代謝產生的ATP在正常心肌細胞有氧反應中占比較大，活化的AMPK通過促進脂肪酸的攝取和氧化，增加脂蛋白脂酶從心肌細胞到心肌血管內皮細胞表面功能位置的轉運；而活化的脂蛋白脂酶也可通過促進脂肪酸的釋放，進而促進脂肪酸代謝，提高能量的運用[20]。因此，AMPK具有促進心肌細胞攝取以及利用心肌脂肪酸的雙重作用。活化的AMPK對于線粒體中胞質脂肪酸的產生也至關重要，AMPK磷酸化并滅活乙酰輔酶A羧化酶，導致細胞內的丙二酰輔酶A水平降低，由于丙二酰輔酶A是肉堿棕櫚酰轉移酶1的負調節劑，因此活化的AMPK可有效減少肉堿棕櫚酰轉移酶1的抑制并促進脂肪酰基肉堿進入線粒體[24]。在有氧狀態下，AMPK通過促進脂肪酰基肉堿進入線粒體這種機制加速脂肪酸的氧化，促進心肌細胞的脂代謝[23]。在局部缺血的情況下，脂肪酸氧化會受缺氧條件的限制，但當再灌注過程中恢復氧的輸送時，AMPK則會加速脂肪酸的氧化[23-24]。因此，AMPK對糖尿病缺血性心肌病患者心肌細胞脂代謝保護作用的具體機制仍需大量試驗驗證。

2.3調節心肌細胞氧化應激 心肌內氧化與抗氧化作用失衡導致大量的活性氧類(reactive oxygen species，ROS)產生，而大量的ROS產生被認為是參與心肌缺血再灌注損傷的重要機制之一[25]。有研究發現，AMPK參與了抗氧化酶(硫氧還蛋白還原酶2、超氧化物歧化酶以及谷胱甘肽過氧化物酶等)的轉錄調節過程[26]。AMPK可通過抑制下游因子c-Jun氨基端激酶的活化，抑制線粒體膜通透性轉換孔開放，減少ROS的生成和氧化應激，進一步減輕缺血心肌損傷[13,27]。同時，AMPK也可通過間接抑制心肌細胞中的ROS產生達到對抗心肌缺血再灌注損傷的目的。有研究表明，二甲雙胍和活化的AMPK可通過維持能量供應和抗氧化應激對抗心肌缺血和缺血再灌注損傷；在H9C2心肌細胞中，二甲雙胍通過AMPK/c-Jun氨基端激酶信號通路減弱了心肌細胞高糖培養條件下缺氧/復氧誘導的細胞損傷、線粒體功能障礙、ROS的過度生成和炎癥反應[28]。另有研究表明，使用二甲雙胍上調AMPK的表達后，可減小大鼠心肌缺血再灌注損傷后的梗死面積；而通過增加AMPK磷酸化，在再灌注前15 min注射二甲雙胍可使大鼠的心肌梗死面積減小40%～50%[29]。因此，通過激活糖尿病缺血性心肌的AMPK、減少氧化應激可有效減輕缺血心肌損傷，但其具體作用機制需進一步探討。

2.4調節心肌細胞自噬自噬是細胞維持動態平衡、調節能量來源和分配能量效應的一種自我降解過程[30]。AMPK活性降低和心肌細胞自噬減少是糖尿病缺血性心肌病發生、發展的關鍵。自噬通過降解不需要的蛋白質，將胞質內容物運送至溶酶體進行降解，降解后的產物再被運回細胞質內進行生物合成或產生能量[30]。自噬作為一種細胞自身防御機制，還可恢復線粒體功能并清除過量產生的ROS，發揮對心肌細胞的保護作用，通過激活AMPK及其下游因子內皮型一氧化氮合酶和過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α，顯著改善心肌細胞中線粒體的呼吸功能和ATP的合成[30-31]。有研究表明，在心肌缺血期間，AMPK被激活后，適當的自噬可減小心肌梗死面積、抑制心肌細胞凋亡，改善再灌注后心肌功能；作為細胞生長、增殖的重要調節因子，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)參與了細胞的營養平衡和生長；在充足的營養條件下，mTOR通過抑制部分自噬促進細胞生長；在營養不足的條件下，mTOR失活導致自噬增強[32]。mTOR作為mTOR復合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的抑制劑，可以促進細胞自噬，從而提高細胞存活率，起到心肌保護作用[31]。Yu等[30]證明，AMPK可通過抑制mTORC1的活性增強心肌細胞自噬，從而對抗缺血性心肌損傷；同時，AMPK也可使mTORC1與結節性硬化復合物蛋白2磷酸化，從而抑制mTORC1活性，促進細胞自噬。除了通過抑制mTORC1間接增強細胞自噬外，AMPK還可通過磷酸化Unc-51樣自噬激活蛋白激酶1復合物直接誘導自噬[32]。可見，活化AMPK可通過直接或間接方式誘導自噬在糖尿病性心肌缺血再灌注損傷中的保護作用。

2.5抑制心肌細胞凋亡 凋亡是細胞死亡的一種能量依賴過程，其特征是細胞特定的形態和生化改變，這些變化導致細胞的組織破壞，包括細胞收縮、染色質濃縮和凋亡小體形成；此外，凋亡還是一個高度調控的過程，細胞膜上的凋亡小體或線粒體通透性的增加可以促進細胞的凋亡，細胞凋亡失調與人體各個器官，特別是心肌的病理改變有關[33]。而AMPK作為細胞凋亡的重要調節劑，既可促進細胞凋亡又可對抗細胞凋亡[34-35]。有研究表明，AMPK在包括胰腺腫瘤細胞、肝細胞和血管平滑肌細胞在內的各種細胞中發揮促凋亡作用[34]。在新生大鼠心肌細胞中，學者發現缺血誘導的AMPK激活可導致p38促分裂原活化的蛋白激酶信號通路介導的Bcl-2相關X蛋白易位，進而使促凋亡蛋白從細胞質進入線粒體誘導細胞凋亡[35]。以上研究表明AMPK激活與凋亡相關，但另有研究發現AMPK激活可保護心肌細胞免于凋亡[36-37]。在缺血性心肌中，AMPK的激活能夠預防由應激產生的心肌細胞凋亡，如ROS的產生、缺氧環境、脂肪酸代謝和缺血再灌注損傷[36]。有研究表明，在心肌AMPK活性降低的小鼠模型的缺血再灌注過程中，細胞凋亡加劇，而恢復AMPK激活可以抑制細胞凋亡[37]。同樣，AMPK失活可導致心肌細胞凋亡。如二甲雙胍對AMPK的藥理激活可以消除異丙腎上腺素誘導的細胞凋亡以及氧化應激引起的心肌細胞凋亡[15]。此外，AMPK激動劑氨基咪唑-4-羧酰胺核糖核苷和二甲雙胍對AMPK的激活還可減少細胞凋亡并減慢糖尿病性心肌病的進展[38]，進一步證明了AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的重要性。可見，AMPK在介導心肌細胞凋亡中起重要作用，且AMPK激活可以保護糖尿病缺血性心肌免受應激誘導的細胞凋亡。

3 小 結

激活AMPK在糖尿病缺血性心肌病中發揮重要作用，但其具體作用機制目前尚不明確。AMPK能否成為治療糖尿病缺血性心肌病的重要靶標，仍有一些問題需要解決：①AMPK具有許多亞型，且在全身各個器官、組織中均有表達，導致AMPK激動劑由動物實驗轉化為臨床試驗更加困難；②AMPK信號通路非常復雜，未來還需大量研究證實激活AMPK在其他通路中的作用；③AMPK活化持續的時間和程度是否會對器官和組織造成不利影響也有待繼續研究。因此，AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的具體作用機制以及如何通過調節AMPK改善糖尿病缺血性心肌病患者的預后，將成為未來研究發展的方向。