脂质超负荷心肌胰岛素抵抗及其防治策略*

李春艳

(武汉体育学院健康科学学院，湖北 武汉 430079)

脂质超负荷心肌胰岛素抵抗及其防治策略*

李春艳△

(武汉体育学院健康科学学院，湖北 武汉 430079)

长链脂肪酸； 肉碱软脂酰转移酶； CD36； 胰岛素抵抗

胰岛素抵抗 (insulin resistance,IR)是2型糖尿病 (type 2 diabetes mellitus,T2DM) 最基本也是最重要的病理机制，常出现在T2DM之前，并贯穿于整个病程始终。糖尿病心肌病是T2DM的常见并发症，也是引起心力衰竭，导致60-75％T2DM患者死亡或残废的主要原因[1]。

从糖尿病到心力衰竭的分子机制比较复杂，包括血管内皮功能紊乱、糖基化终产物沉积、动脉硬化和冠状动脉病变等。而心肌IR是诱导心脏功能障碍的主要因素。研究发现，心肌细胞内长链脂肪酸 (long-chain fatty acids,LCFAs)代谢物的持续蓄积是心肌IR的重要特征，也是糖尿病心肌病和心力衰竭的重要诱因[2]。因此，研究心肌LCFAs摄入与利用机制，明确其限速步骤，并提出心肌IR的治疗策略，对于避免心肌IR的恶化，防止糖尿病心肌病及心力衰竭的发生具有重要意义。

1 心肌细胞对LCFAs的摄取和利用

LCFAs是心肌收缩活动的主要能量来源。由于心脏贮存合成LCFAs的能力有限，心肌收缩的能源主要依赖于循环系统持续提供的LCFAs。LCFAs进入心肌细胞主要由脂肪酸转运载体质膜脂肪酸结合蛋白(plasma membrane fatty acid-binding protein,FABPpm)和CD36介导[3]。这2种载体组成一个LCFAs转运系统，通过从胞浆内相应的FABPpm池/CD36池向细胞膜的转位来调节LCFAs的摄入过程[4]，见图1。当心脏收缩活动增强时，需要有更多的能量供应，此时，FABPpm和CD36的转位相应增加，来提高心肌细胞对LCFAs的摄入[3,5]。

跨膜转运后，LCFAs与细胞质内的心型脂肪酸结合蛋白 (cardiac FABP.FABPc) 结合。FABPc是细胞内的脂质伴侣，负责将进入细胞内的LCFAs从细胞质向线粒体转运。在线粒体外膜处，LCFAs由酰基辅酶A合成酶(acyl-CoA synthetase,ACS)捕获转化为酰基辅酶A (acyl-CoAs) ，见图1。心肌收缩时，大量的酰基辅酶A通过肉毒碱穿梭系统吸收进入线粒体，经β氧化合成ATP。未被用于β氧化的酰基辅酶A主要被酯化为三酰甘油 (triacylglycerol,TAG)贮存起来。

负责将酰基辅酶A转运进入线粒体的肉毒碱软穿梭系统由2种酶组成：肉毒碱软脂酰转移酶-I(carnitine palmitoyltransferase-Ⅰ,CPT-Ⅰ)和CPT-II,见图1。位于线粒体外膜上的CPT-I将酰基辅酶A转化为酰基-肉毒碱，酰基-肉毒碱由肉毒碱-脂酰基-肉毒碱转移酶 (CAT) 转运进入线粒体。CPT-II分布于线粒体内膜，催化与CPT-I相反的反应。CPT-I催化的反应是LCFAs进入线粒体的限速步骤，是心肌细胞内LCFAs通量的主要调节位点。丙二酰辅酶A是CPT-I抑制剂，能调节线粒体的β氧化。因此，有观点认为CPT-I是LCFAs胞内利用的限速酶。

但是，许多研究认为CPT-I不是心肌细胞LCFAs利用的主要限速步骤。心肌内丙二酰辅酶A的含量约为1-10 μmol/L，远远超过丙二酰辅酶A对CPT-I的极限抑制浓度(0.02 μmol/L)。如果CPT-I是限速酶，理论上看，β氧化会被阻止。提示，CPT-I的活性可能不是心肌细胞内β氧化的限速步骤[6]；db/db小鼠心再灌注研究显示，LCFAs氧化提高4倍，与CPT-I活性无关[7]；CD36基因敲除小鼠内CPT-I蛋白表达未改变，而LCFAs氧化明显削弱[8]，CD36可能是决定β氧化速率的关键因子；用β氧化抑制剂乙莫克舍处理鼠心肌细胞，CPT-I活性明显降低 (约50％)，LCFA的摄入和氧化未见改变[9]，提示心脏中CPT-I活性下降至少50％时，并不影响心肌LCFA利用。

另外，有研究发现肌细胞膜CD36或FABPpm的含量与心肌或骨骼肌摄入LCFAs速率正相关[3]，提示CD36-FABPpm可能是心肌LCFA利用的另一限速步骤。

2 T2DM心肌LCFAs的利用

在糖尿病心脏，心肌糖代谢出现障碍，葡萄糖作为心肌能源底物被转运与利用受到限制，此时的能量来源几乎完全依赖LCFAs。在血糖未控制的糖尿病患者，脂肪酸氧化可达心脏能量供应的90％-100％[10]。T2DM啮齿动物研究发现，心肌LCFAs的摄入利用显著增加，线粒体内LCFAs含量不一定增加，肉毒碱穿梭系统标记酶、β氧化通路及电子传递链等并未见提高，而胞内脂质聚集增加[11]，且心肌脂质聚集的增长与其LCFAs利用的上升相一致。由于脂质对细胞功能(包括收缩)的副作用，脂质蓄积预示细胞毒性[2]，能加速胰岛素抵抗的发展。

胞内脂质的聚集通常是由于LCFAs的摄入超出了心肌的氧化能力[12]。T2DM啮齿动物研究显示，细胞膜CD36和FABPpm含量提高2倍，这种提高与细胞膜LCFA转运能力增强2倍相一致。有趣的是，细胞膜CD36和FABPpm含量上升并不是蛋白表达总量的提高，而是从胞内储存库向细胞膜转运的加速[13],见图1。结合循环中LCFA供给增加2-3倍，T2DM心脏LCFAs的摄入将显著加强。

然而，T2DM啮齿动物研究发现，胞内游离的LCFAs浓度仅仅只是少许增加[14]。可以解释为，大量转运进入的LCFAs被ACS快速硫酯化为酰基辅酶A。由于ACS的超强催化能力，过量摄入的LCFAs被有效转化为酰基辅酶A。在LCFAs供给增加时，线粒体β氧化速率可以在一定限度内增加至超过健康心脏对能量的利用速率。但是，在持续增加LCFAs摄入情况下，线粒体β氧化能力是不足的。这样，酰基辅酶A的蓄积，或者转化为神经酰胺、二酰甘油(diacylglycerol,DAG)的聚集，以及DAG进一步转化为TAG的聚集均可引起胰岛素抵抗[15],见图1。TAG位于在肌丝之间，能阻碍肌丝滑行，使心肌纤维收缩功能下降，引起心脏功能丧失。因此，胞内脂质聚集是胰岛素抵抗的早期特点[2]。

3 过量的LCFAs诱导心脏胰岛素抵抗的机制

糖是仅次于LCFAs的心脏第二重要能源，正常心脏活动中30％ATP由其提供。糖利用的限速步骤即为细胞膜的摄入步骤，由葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter type 4,GLUT4)介导，通过从胞内贮存池向包膜的转位完成。胰岛素刺激的GLUT4转位包括胰岛素受体构型的改变，随后胰岛素受体底物 (insulin receptor substrate,IRS) 酪氨酸磷酸化，顺序激活PI3K、Akt/PKB、AS160等信号通路。而糖尿病心脏的这一通路会出现故障[16]。前已述及，糖尿病心脏存在脂质蓄积现象。TAG、神经酰胺、DAG、酰基辅酶A等脂质的超荷会影响肌纤维收缩，干扰胰岛素信号传递。例如，DAG有可能导致蛋白激酶C- θ和C-ε的活化抑制IRS-1酪氨酸激酶的活性，阻碍胰岛素通过GLUT4转位途径刺激的葡萄糖转运[17]；神经酰胺有可能在更下游水平上干扰胰岛素信号途径，被认为是Akt/PKB活化的特异性抑制剂，神经酰胺还可促进心肌细胞的凋亡，损伤心肌功能[18]；酰基辅酶A可能通过改变糖分解酶的活性直接影响葡萄糖的利用[19]。

另一与脂质诱导的胰岛素抵抗有关的细胞机制是活性氧簇 (reactive oxygen species,ROS)。ROS是线粒体β氧化的副产物。低水平时，ROS参与多种细胞功能。细胞可通过内源性的抗氧化剂和抗氧化酶来中和ROS，维持其低水平。在胰岛素抵抗早期，LCFAs氧化增加，电子释放增多，产生较多的ROS。LCFAs氧化持续增加时，细胞自身的抗氧化能力不足以阻止ROS水平的增加。这样，随着胰岛素抵抗的发展，ROS水平增加，ROS与线粒体DNA、蛋白质和脂质作用，引起线粒体功能紊乱[20,21]。因此，在糖尿病早期心肌和骨骼肌中，LCFAs供给增加，细胞膜CD36持续转位，线粒体的β氧化增强；在胰岛素抵抗后期，由于ROS损伤线粒体，线粒体β氧化会下降。线粒体β氧化下降有两种不利后果：一是恶化胰岛素抵抗状态，因为部分LCFAs去向是线粒体β氧化。当线粒体β氧化下降时，LCFAs会转化为TAG、DAG和神经酰胺，这些脂质的堆积会加剧胰岛素抵抗；二是降低胰岛素抵抗心脏的能量储备，因为糖尿病心脏的能量来源几乎完全依赖LCFAs，β氧化的下降使LCFAs用作能源维持心脏收缩活动的会更少。

4 预防和逆转脂质超荷心肌胰岛素抵抗的策略

研究发现胰岛素抵抗早期线粒体β氧化阻滞剂能使心脏减轻LCFA代谢对糖分解酶-丙酮酸脱氢酶 (pyruvate dehydrogenase,PDH) 的抑制，增加糖的摄入，对糖尿病心脏有利。目前，曲美他嗪和乙莫克舍常用于临床。其中，曲美他嗪是LCFAs β氧化过程最后的酶，能改善心肌ATP/磷酸肌酸比例，临床用作β氧化抑制剂，有效抑制人类心肌β氧化。乙莫克舍是一种环氧乙烷羧酸衍生物，用作CPT-I 抑制剂[22,23]。CPT-I在长链酰基辅酶A转运入线粒体起关键作用，因此乙莫克舍能抑制脂肪酸代谢，但可加速糖代谢。

逆转心肌IR的另一策略是修复IR心脏的代谢紊乱。常用的药物有：噻唑烷二酮类(thiazolidinediones.TZDs，胰岛素增敏剂)、PPARγ共激活因子α (PGC-α)表达诱导剂及ROS清除剂。TZDs作用靶标为PPARγ，是PPARγ的高效激动剂。作为调节目标基因表达的核内受体转录因子超家族成员，PPARγ在啮齿类动物中主要表达于脂肪组织，调控某些参与脂质代谢的酶的表达[24]。可见，TZDs是通过激活PPARγ来调节脂代谢，进而对心脏产生间接益处的。但是超荷的LCFAs重新分配，离开心脏进入脂肪组织，容易引起肥胖[25]。IR早期，PGC-1α的诱导将促进线粒体生物合成，线粒体呼吸作用和β氧化增加[12]。线粒体内LCFAs含量增加，酰基辅酶A转化为TAG、DAG和神经酰胺减少，可避免脂质堆积，恢复心脏的胰岛素敏感性。但是，线粒体生物合成增加意味着产生更多的ROS，会增加线粒体损伤，心脏也不会被迫增加糖的利用。ROS清除剂在胰岛素抵抗的后期能够阻止线粒体的损伤，但是在胰岛素抵抗的早期不能阻止TAG、DAG和神经酰胺的聚集。显然，这些药物仅仅只是在某一方面有利，使用存在局限性。不过可以考虑和其它对抗胰岛素抵抗的策略联合使用。

CD36和FABPpm抑制剂是降低LCFAs摄入的又一措施。研究发现， T2DM啮齿动物使用CD36药物抑制剂磺基-N-琥珀酰亚胺油酸盐 (sulfo-N-succinimidyl oleate,SSO)，心脏LCFAs摄入下降，LCFAs酯化减少，TAG、DAG和神经酰胺水平降低，胰岛素信号通路恢复，胰岛素刺激的糖摄入增加[14,26]。该措施有两种基本思路：一种直接方法，通过药物改变两种转运载体来阻止其转运活性；另一种是间接方法，通过药物来抑制两种转运载体的转位。

在直接策略中，体外研究虽然提示CD36或者FABPpm的抑制可使心脏对LCFAs摄入减少高达80％，但在体研究却显示，心肌LCFAs的摄入难以达到如此大幅度的减少，因为LCFAs对心脏收缩的能量供应仍然是非常重要的。由于CD36和FABPpm在各种组织中有广泛表达，FABPpm存在于几乎所有哺乳动物组织中[3]。因此，直接策略使用的抑制剂不仅使心脏中的CD36改变，也会使其它许多组织中的CD36发生改变，而CD36在其它组织的功能与细胞膜LCFAs的转运是无关的，如在血小板与凝血酶敏感蛋白(thrombospondin,TSP)结合，在巨噬细胞中充当清道夫受体[27]。这些功能的抑制并不是我们期望的。目前，LCFAs与CD36的结合位点还不明确。如果这个位点与已经明确的TSP结合域没有重叠，那么在理论上便存在这样一种可能：开发一种药物来阻止CD36对LCFAs的转运，而不影响CD36的其它功能。但是，药物抑制剂阻止CD36和FABPpm对细胞膜LCFAs转运的同时，也将限制各种组织中LCFAs的摄入，并带来多种负效应，如合成ATP能源丧失、血浆LCFAs上升、胰腺β细胞的毒性等。

在间接策略中，胰岛素抵抗心脏由于胞内CD36的重新定位，肌细胞膜CD36水平升高，因此，以标准CD36亚细胞定位为目的的分子策略可能是治疗胰岛素抵抗，预防糖尿病心肌病发生的有效措施。CD36的转位需要相应运输蛋白的参与，CD36是高度特异性的，运输蛋白的表达也是组织特异性的，这样可能存在某种运输蛋白或者蛋白复合物来独立作用于CD36的转位。假如这种运输蛋白成为预防或者逆转细胞胰岛素抵抗的靶标，除了CD36的转位外，其它过程(特别是GLUT4转位)将不会受到影响。来自各种哺乳动物细胞的研究也暗示了CD36亚细胞运输机制的组织特异性[28]。因此，当CD36在其它细胞中大量表达并表现多种功能时，心肌纤维中以CD36相关的运输蛋白为靶标的治疗将有望是心肌特异性的，这为糖尿病的治疗提供了一个特别有吸引力的靶标。

5 结语

健康心脏中，CD36和FABPpm介导的心肌纤维膜LCFAs的转运可能是主要的限速步骤。在胰岛素抵抗的早期，CD36和FABPpm持续向心肌纤维膜转位，LCFAs的胞内摄入持续增加超过了线粒体的β氧化能力，LCFAs酯化增加，造成TAG、DAG和神经酰胺等脂质聚集，加剧IR状态。由于LCFAs的2种转运载体CD36和FABPpm的广泛表达，研究其亚细胞分布，识别有助于心肌亚细胞CD36/FABPpm运输的心脏特异性蛋白，并明确这些蛋白在IR心脏中的表达及活性，将会成为未来新的研究方向之一。

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Strategiesforpreventingandcuringinsulinresistanceinlipid-overloadedcardiacmyocytes

LI Chun-yan
(CollegeofHealthScience,WuhanSportsUniversity,Wuhan430079,China.E-mail:lichunyan2009@yahoo.com.cn)

Insulin resistance is a central pathological mechanism of type 2 diabetes mellitus.Diabetic cardiomyopathy and heart failure are frequent co-morbid conditions in type 2 diabetic patients.Long-chain fatty acids (LCFAs) are the major energy source for the heart to sustain contractile activity,and the diabetic heart becomes almost entirely dependent on LCFAs for energy production.Elevated intracellular levels and prolonged accumulation of LCFA metabolites worsen the state of insulin resistance,and further induce diabetic cardiomyopathy and heart failure.It is indicated that sarcolemmal fatty acid uptake and mitochondrial β-oxidation are the rate-limiting steps in cardiac LCFA flux and utilization.Therefore,the inhibitions of carnitine palmitoyltransferase (CPT-I),β-oxidation enzymes and CD36/plasma membrane fatty acid-binding protein (FABPpm) translocation are the preferable strategies of limiting LCFA entry and LCFA metabolite accumulation,thus regressing cardiac insulin resistance,and eventually preventing diabetic heart failure.

Long-chain fatty acid; Carnitine palmitoyltransferase; CD36; Insulin resistance

1000-4718(2011)05-1029-05

R589.2

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2011.05.039

2010-08-18

2010-11-30

湖北省教育厅重点资助项目(No.D20104104)

△通讯作者Tel: 027-87191806; E-mail: lichunyan2009@yahoo.com.cn