心肌脂肪酸代谢和心肌脂毒性损伤研究进展

2018-02-10孙晓鹏李辞霞郭志坤

新乡医学院学报 2018年7期

孙晓鹏，李辞霞，郭志坤

(新乡医学院河南省医用组织再生重点实验室，河南新乡 453003)

心脏是人体物质代谢最为活跃的器官，为了实现其功能，心脏需要持续的能量供应。心肌的供能物质有葡萄糖、脂肪酸(fatty acids，FA)、乳酸、酮体、氨基酸等，其中FA是心肌最主要的能量来源，健康成年人的心肌三磷腺苷(adenosine triphosphate，ATP)50%～70%来自于长链脂肪酸(long-chain fatty acids，LCFA)的β氧化[1]。正常心肌FA的摄取和氧化维持在一个动态平衡，缺血性心脏病、心力衰竭、2型糖尿病、代谢综合征等疾病可导致FA的氧化减少，糖的无氧酵解增多，造成非氧化脂肪酸衍生的脂质积累，削弱心脏的功能，使心肌细胞结构发生改变，如心肌纤维化、心肌脂肪变性、收缩功能降低。这些改变主要与脂质积累对线粒体功能的破坏有关。脂质积累可以导致和加剧心功能障碍，被称为心肌脂毒性，减少毒性脂质可以改善心肌代谢和功能。本文就正常和疾病状态下心肌FA的代谢进行综述，从而进一步阐述心肌的脂毒性损伤。

1 心肌FA代谢

1.1FA的来源及细胞转运心肌的FA主要来自于白蛋白结合的游离脂肪酸(free fatty acids，FFA)以及乳糜微粒(chylomicron，CM)和极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)中三酰甘油(triacylglycerol，TG)释放的FA。FFA来自激素敏感性FA水解脂肪组织中的TG，大部分FFA会与白蛋白结合，通过血液循环运送至心脏而被利用。CM和VLDL中TG释放的FA是由脂蛋白脂肪酶水解产生。心脏所利用的FA大部分来自CM，小部分来自VLDL，还有一小部分来自心肌细胞重新合成。心肌细胞获取的FA除供线粒体氧化供能外，多余部分以TG的形式储存于心肌细胞的脂滴中，并在需要时由三酰甘油酯酶(triacylglycerol lipase，ATGL)水解为FA和甘油[2]。

FFA通过被动扩散或者载体蛋白介导的信号通路进入心肌细胞[3]。这些载体蛋白包括脂肪酸转位酶(fatty acid transposition enzyme，FAT)/CD36、膜型脂肪酸结合蛋白(membrane fatty acid binding protein，FABPpm)和脂肪酸转运蛋白(fatty acid transporter protein，FATP)。为了确保心肌细胞适当利用FA，许多蛋白质对心肌细胞脂肪酸的摄取进行了协同调节，在这个过程中最关键的第1步是使FA进入细胞内[1]。蛋白质介导的FA摄取涉及FA与FABPpm结合，结合后的FA可以被动扩散，或通过FAT/CD36、FATP介导摄取[4]。FAT/CD36在转移FA通过心肌细胞膜过程中起主要作用。CD36表达于内皮细胞和心肌细胞中，它的功能包括促进心肌细胞从白蛋白、CM及VLDL中摄取FA，也可以转导细胞内的信号，这些信号参与FA的利用和介导FA代谢[5]。研究表明，心肌50%～60%FA的摄取和氧化是通过FAT/CD36介导的[6]。CD36缺乏患者的FA摄取率较低。CD36含量及功能的变化可引起心肌代谢的改变，这与某些心血管疾病病理生理密切相关[6]。LCFA进入心肌细胞首先被长链脂酰辅酶A合成酶(long-chain acyl-CoA synthetase，ACSL)激活为长链脂酰辅酶A[7]。

1.2FA的β氧化由于游离LCFA不溶于细胞质，它们在细胞内的转运需要脂肪酸结合蛋白(fatty acid binding protein，FABP)帮助，FABP是细胞质内可溶性的小分子蛋白(相对分子质量14 000～15 000)家族，它可以结合长链FA[8]。心型脂肪酸结合蛋白(heart-type fatty acid binding protein，H-FABP)是FABP家族主要成员，由FABPs3基因编码，主要分布于心肌和骨骼肌。其主要功能是结合并转运LCFA至线粒体进行β氧化。由于长链脂酰辅酶A不能通过线粒体内膜，因此，在β氧化前长链脂酰辅酶A必须通过肉碱依赖系统转运到线粒体内。肉毒碱棕榈酰转移酶-1(carnitine palmitoyl transterase-1，CPT-1)是线粒体摄取FA和β氧化的限速酶，它位于线粒体外膜，可以转化长链脂酰辅酶A为相应的脂酰肉碱[3]，CPT-1敲除的小鼠可发展为心肌脂毒性损伤，并表现出心脏压力过载，心肌细胞肥大[9]。同样，长期CPT-1抑制的大鼠高脂饮食饲养会导致骨骼肌TG的积累和脂毒性，脂酰肉碱随后被肉碱转位酶转运到线粒体基质，再被位于线粒体内膜的肉毒碱棕榈酰转移酶-2(carnitine palmitoyl transterase-2，CPT-2)转换为长链脂酰辅酶A[10]。在4种酶的催化下于线粒体基质和内膜附近进行FA的β氧化[11]。FA的β氧化调节发生在心脏的多个层面，其中在FA的利用和摄取方面最为重要。细胞内的丙二酸单酰辅酶A对CPT-1进行强有力的调节，丙二酸单酰辅酶A是CPT-1介导的线粒体FA摄取的内源性抑制剂[12]。当心肌细胞的丙二酸单酰辅酶A减少时，心功能却在通过主动脉缩窄造成的压力过载后得到改善[13]，心功能的改善与心肌细胞的FA氧化增多以及左心室质量的降低有关[14]。心肌FA的β氧化酶的转录控制水平很大程度上取决于核受体转录因子的活性，核受体转录因子是涉及脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)的中心调节因子，这个家族有3个成员，即过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)α、PPARβ/δ、PPARγ。PPARα调节心脏和骨骼肌的FAO，PPARβ/δ激活心脏FAO，PPARγ是脂肪生成的主要调节因子[15]，也有助于心脏和骨骼肌的FAO的调节[16]。PPARα敲除导致FA的β氧化下降，而心脏特异性PPARα过表达可增加β氧化基因表达和β氧化率[17]。

2 心肌脂毒性和潜在性的脂毒性物质

2.1心肌脂毒性脂毒性指由于细胞内脂质及其代谢的中间产物增多，导致细胞功能障碍和死亡，最终造成整个器官的功能障碍。心肌脂毒性可造成心肌胰岛素抵抗、心肌细胞凋亡和心脏收缩功能障碍[18-19]。肥胖是造成心肌脂毒性的最常见原因，肥胖最早的表现是血液循环中FFA和TG的增多[20]。增多的FA被心肌细胞摄取，首先进行β氧化，多余的FA以TG的形式贮存于心肌细胞中[20]。然而当心肌细胞FA的摄取大大超过β氧化能力，大量的TG及其代谢中间产物甘油二酯(diacylglycerol，DG)、神经酰胺、长链脂酰辅酶A和脂酰肉碱开始积累[21-22]。

2.2潜在性的脂毒性物质

2.2.1TGTG在细胞质中以脂滴的形式存在，脂滴是一种由TG和胆固醇酯为核心，外包裹单层磷脂或游离胆固醇的中性物质。摄取的FA在进行β氧化之前先进入心肌细胞的TG池，TG池根据需要不断扩大和水解，始终保持一种稳定状态。肥胖症、2型糖尿病、JCRLA肥胖大鼠、Zucker肥胖大鼠、肥胖小鼠、糖尿病小鼠以及慢性高脂饮食小鼠心肌TG升高与葡萄糖代谢受损有关[23]。虽然心肌TG含量升高常与收缩功能障碍和胰岛素抵抗相关，但TG可能不会对心肌有直接毒性，因为它们是惰性中性脂质的贮存形式。尽管如此，心肌TG含量的升高可能作为一种生物学标志以表明其他多个反应和(或)DG、长链脂酰辅酶A正在积累。

2.2.2DG与TG相比，一系列相对非极性脂质也在心脏等组织器官中积累，但是以非分泌形式存在。这些部分带电的脂质游离在细胞质中，在细胞膜内部结合，并与载体蛋白相关。二酯酰甘油酰基转移酶(diacylgycerol acyltransferase，DGAT)结合脂肪酰基-辅酶A并将毒性DG转化为TG。DGAT有DGAT1和DGAT2 2种同工酶。在脂毒性模型小鼠的心脏中过表达DGAT1，虽然脂质积累增加，但可以逆转心脏功能障碍[24-25]。此外，DGAT1的心肌细胞特异性表达可以改善缺血后的心脏功能。因此，DGAT1介导的TG合成有保护心脏的功能。相反，DGAT1缺陷小鼠可以抵抗饮食诱导的肥胖。当心肌细胞摄取的FA超过其转化TG的能力时，即当TG酯化途径饱和时，DG在心肌细胞中积累。DGAT1的过表达可减少心脏DG，增加TG储存，并改善某些形式的心脏脂质诱导的毒性[24-26]。严重心力衰竭患者的心脏组织中DGAT1表达减少，心肌中出现DG积累，选择性DGAT1敲除小鼠心肌细胞也会出现DG积累，并导致心力衰竭[27]。因此，DGAT1可能对心脏毒性脂质的细胞内浓度有控制作用。

2.2.3磷脂磷脂是构成心脏脂毒性的另一种脂类。磷脂的毒性作用归因于磷脂代谢途径与TAG或其他脂质的代谢途径间接串扰或由磷脂含量变化触发的直接信号传导。非酯化脂肪酸(non esterified fatty acids，NEFA)含量的增加促进大鼠心肌细胞中磷脂的降解并增加细胞死亡[28]。相反，磷脂合成的增加对大鼠心脏具有保护作用[29]。与心肌细胞膜相关的磷脂酶水解某些膜磷脂并产生脂质衍生的信号传导分子如DG，对心脏功能有毒性[30]。除磷脂酶降解磷脂外，也可通过调节磷脂合成而调节其细胞含量。一项对果蝇的研究表明，抑制磷脂酰乙醇胺(一种丰富的膜磷脂)的合成可引起与心脏TAG浓度升高相关的心脏功能障碍。磷脂酰乙醇胺耗竭可激活促进FA合成和脂肪生成的固醇调节元件结合蛋白途径[31]，抑制这些果蝇的固醇调节元件结合蛋白通路可减轻心脏脂质积累，并改善心脏功能[31]。磷酸乙醇胺胞苷酰转移酶2(phosphoethanolamine cytidylyltransferase 2，Pcyt2)和磷脂酰乙醇胺合成酶缺陷的小鼠具有较低的FA代谢基因表达、高三酰甘油血症，其肝脏和骨骼中的TG和DG水平也相应升高[32]。另一项研究表明，Pcyt2+/-雄性小鼠的心脏功能障碍与PPARα和CD36的表达下降、活性氧自由基增加以及抑制心脏胰岛素信号传导有关[33]。这些发现表明，心脏代谢率降低可能导致毒性脂质积聚增加。因此，磷脂代谢的改变会影响细胞脂质体内平衡和信号传导以及心脏功能。

3 脂质在心脏毒性中的作用

脂质毒性作为人类心力衰竭的原因或重要的致病因素正被人们逐渐接受。脂质可能单独导致心力衰竭，并且其可能加重由缺血或其他形式的心肌病引起的疾病。除了在具有严重心力衰竭患者的心脏中DG和神经酰胺的浓度升高之外，一些实验研究证明，在心脏急性缺血后可出现脂质蓄积[34]。这可能是因为缺血心脏继续获得FA，而缺氧将心脏代谢转向葡萄糖途径，造成FA氧化减少而出现的一种不平衡状态。

有研究证实，单独脂质累积可导致小鼠出现心力衰竭，甚至出现猝死[35]，其可能原因为：(1)增加脂质摄取路径或增加NEFA的捕获导致心脏脂质过载；(2)PPARα和PPARγ的过表达增加了FA氧化，从而导致心脏脂质代谢的不平衡，当FA的摄取超过氧化时出现脂质积累；(3)FA氧化明显减少也可导致脂质蓄积和心力衰竭[36-38]。ATGL-/-小鼠表现出FAO的减少、大面积心脏脂肪积累和严重的心脏功能障碍，当药物活化PPARα时，心脏脂肪积累和心脏功能障碍可得到纠正[37]。这表明FA介导的PPARα活化依赖于细胞内TG脂解作用，而ATGL过表达对具有压力超负荷的小鼠是有益的[38]。然而，这种益处不能归因于FA氧化的增加，可能是由于增加了葡萄糖的利用。在激素敏感性脂肪酶基因缺失小鼠中，心脏TG脂肪酶活性降低，但心脏TG没有显著变化。心肌细胞脂质摄取减少、脂质分泌增加和毒性脂质向非极性储存形式的更大转化都参与心脏功能的改善[39]。有些激素可直接影响心脏脂质含量，从而改善心脏功能，如胰高血糖素样肽1可改善DGAT1遗传缺失小鼠的心功能[27]。

4 脂毒性心肌病的治疗

目前，对于脂毒性心肌病的治疗主要从代谢调节进行干预。有限的数据表明，身体质量减轻可减少心脏TG水平，减少FA摄取，改善舒张功能[40]。但减肥在纠正肥胖和糖尿病中对心脏脂质积累的作用是有争议的。短期禁食(例如隔夜)可以增加心脏脂滴和TG含量，可能是葡萄糖供应缺乏导致FAO受损的结果[41-43]，但禁食不会导致心脏功能减退。这进一步说明不是所有TG积累都是有害的。在心力衰竭的动物模型中，使用CPT-1抑制剂对FAO进行抑制是有益的。在心力衰竭患者中，通过降低血浆NEFA水平来减少FAO是不利的[44-45]。有些药物如哌可昔林已经用于缺血性和非缺血性心力衰竭患者，并取得了改善心功能和缓解症状之疗效[46-47]，其作用机制就是通过抑制CPT-1和CPT-2阻断线粒体FA。曲美他嗪可减少FAO，并轻微改善特发性扩张性缺血患者的心功能和胰岛素敏感性[47]。降血脂药物治疗心力衰竭可以消耗循环FA从而降低心肌FA摄入，但没有改善心功能，因此，在心力衰竭中减少FAO的益处仍然不清楚。心力衰竭患者是否需要减少心肌底物摄取仍不明确。此外，标准化底物摄取和减少脂毒性是心力衰竭治疗的主要目标还是辅助治疗措施仍然有待观察。最近报道显示，使用钠葡萄糖辅助转运蛋白2抑制剂可以减少心力衰竭患者心脏葡萄糖摄取，增加FAO和脂质累积，显著改善心功能[48]。