缺血性心肌病与能量代谢研究进展

张剑姝,徐 明

(北京大学第三医院心血管内科,血管医学研究所,国家卫生健康委心血管分子生物学与调节肽重点实验室,分子心血管学教育部重点实验室,心血管受体研究北京市重点实验室,北京100191)

1 缺血性心肌病的代谢变化特点

缺血性心肌病是以心脏供血减少为特征的一类疾病.缺血性心肌病指心脏血流受限导致心肌细胞缺血缺氧.由于心脏正常收缩、舒张功能的维持需要大量能量,缺氧时心肌细胞能量供应小于需求,导致心肌的代谢稳态失衡,三大营养物质的代谢均发生改变[1-2].心肌缺血或者心肌梗死时,心肌细胞氧气供应减少,导致能量代谢改变,主要表现为脂肪酸与葡萄糖氧化的变化[3-5].此外,心脏再灌注时氧气快速增加,导致线粒体活性氧(reactive oxygen species,ROS)增加,引起氧化损伤并造成细胞凋亡坏死.近年来,在动物模型中采用比较代谢组学研究发现,心脏再灌注损伤可通过琥珀酸调节.缺血时琥珀酸盐聚集在缺血组织中,再灌注时琥珀酸盐氧化造成线粒体ROS增加,心肌细胞凋亡[6].

目前,已有很多研究表明,采用增加葡萄糖氧化或者抑制脂肪酸氧化的方式调节心脏能量代谢能够改善心脏功能.使用过氧化物酶体增殖剂激活受体α(peroxisome proliferatorsactivated receptors α,PPARα)激动剂[7]、脂肪酸氧化抑制剂曲美他嗪[8]、线粒体脂肪酸摄取抑制剂哌克昔林[9]和丙二酰辅酶A脱羧酶(malonyl CoA decarboxylase,MCD)抑制剂[10]、丙酮酸脱氢酶激动剂(pyruvate dehydrogenase,PDH)[11]、葡萄糖氧化限速酶二氯二乙酸盐[12]等能够改善缺血性心肌病造成的心脏功能下降.

2 缺血性心肌病中三大营养物质的代谢变化及潜在治疗靶点

2.1 缺血性心肌病脂质代谢变化及潜在治疗靶点

2.1.1 缺血性心肌病脂质代谢变化

心脏能量代谢的主底物为脂肪酸和葡萄糖.脂肪酸是心脏的主要能量来源,约50%～70%的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)是由脂肪酸β氧化产生的.在人体中,脂肪酸通过细胞膜上的脂肪酸转运蛋白1/6(fatty acid transport protein,FATP1/6),CD36/FAT(fatty acid transport)和脂肪酸结合蛋白(fatty acid binding protein,FABP)进入细胞.脂肪酸在脂酰CoA合成酶的作用下生成脂酰CoA,并转运到线粒体中.脂酰CoA在肉碱脂酰转移酶1(carnitine palmitoyl transferase 1,CPT-1)作用下将长链脂酰CoA生成脂酰肉碱,通过CPT-1转运到线粒体中.脂酰CoA进入线粒体是脂肪酸氧化的限速步骤,CPT-1是脂肪酸氧化的限速酶.脂酰CoA在线粒体中通过β氧化,生成乙酰CoA进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TAC cycle)[5],生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)和还原型黄素二核苷酸(f l avine adenine dinucleotide,FADH),最终被电子传递链利用生成ATP.

丙二酰CoA(malonyl CoA)是调节脂肪酸氧化的重要分子,通过抑制CPT-1从而抑制长链脂肪酸进入线粒体.丙二酰辅酶A能够与乙酰CoA相互转化,在乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)的作用下,丙二酰CoA生成乙酰CoA；在丙二酰辅酶A脱羧酶(malonyl CoA decarboxylase,MCD)的作用下,乙酰CoA生成丙二酰CoA[2].因此,抑制MCD能够抑制CPT-1的活性,从而降低脂肪酸氧化.Ussher等[13]研究发现,MCD敲除鼠缺血后再灌注的坏死面积减少,心脏功能改善.这种心功能改善作用是通过抑制脂肪酸氧化,提高葡萄糖氧化率实现的.

脂肪酸堆积过量及脂肪酸氧化速率过高是导致糖尿病性心肌病发生发展的重要机制.过量的脂肪酸在心脏中代谢为脂肪酸中间体二酰基甘油(diacylglycerol,DAG)和神经酰胺(ceramide,Cer)产生脂毒性[14].而不饱和脂肪酸(如omega-3)的摄入会起到保护心血管的作用.饱和脂肪酸可增加低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein-cholesterol,LDL-c)的含量,从而增加冠心病易感性.饱和脂肪酸摄入每增加5%,心血管事件的死亡风险就增加8%[15-16].此外,脂肪酸堆积能促进胰岛素信号通路的翻译后修饰,从而促进胰岛素抵抗.

心肌的脂毒性主要位于线粒体和内质网.脂质过度堆积加重内质网应激,导致蛋白酶体降解,从而使错误折叠的蛋白质聚集[17].此外,在伴有肥胖的糖尿病心脏病患者中,糖脂毒性抑制自噬,其机制是由于脂质聚集使转录因子EB(transcription factor EB,TFEB)减少,转录调控受限,从而抑制自噬[18].

神经酰胺是心血管事件的独立危险因素.神经酰胺是由神经鞘氨醇长链碱基与脂肪酸组成的神经鞘脂.神经酰胺通过抑制胰岛素和生长因子信号,破坏线粒体脂质氧化,损害内质网应激以及诱导凋亡,产生心血管脂毒性[19].2018年发表的一项1 637人前瞻性队列研究结果表明,不同血浆神经酰胺比例是冠心病患者心血管事件死亡风险的重要预测因子,比目前临床使用的GRACE评分预测值更优.因此,基于神经酰胺比例预测冠心病患者的危险等级是一种未来可选的方式[20].

PPARα在心脏脂肪代谢中起重要作用.脂肪酸是PPAR的内源性配体,PPAR能够促进参与脂肪酸氧化的酶生成增加,包括CD36,CPT-1,MCD和长链酰基辅酶A脱氢酶(longchain acyl-CoA dehydrogenase,LCAD)表达升高,从而促进心脏中线粒体脂肪酸氧化速率的升高[21].

2.1.2 改善脂质代谢治疗缺血性心肌病

脂肪酸氧化抑制剂是治疗缺血性心肌病的潜在靶点.曲美他嗪抑制3-酮酰基CoA硫解酶(3-ketoacyl CoA thiolase,3-KAT),可减少脂肪酸氧化并促进葡萄糖氧化,从而改善线粒体代谢.已有研究表明,曲美他嗪能增加内源性抗氧化酶(超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶),改善氧化应激,此外还能改善缺血性心肌病ROS介导的炎症反应,降低C反应蛋白 (C-reactive protein,CRP)、肿瘤坏死因子 α(tumor necrosis factor α,TNF-α)和白介素1(interleukin 1,IL-1),白介素8(interleukin 8,IL-8)[22].Liu等[8]的研究表明,曲美他嗪能够通过激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK)和细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase,ERK),在缺血再灌注时发挥保护作用.Ciapponi等[23]的Meta分析,纳入了1 378名患者,结果表明与安慰剂相比,曲美他嗪组每周心绞痛发病次数减少40%[24].此外还有研究表明,曲美他嗪能够改善左心室射血分数,降低心室收缩末期容积[23].

PPARα受体激动剂能够通过改善脂质代谢治疗缺血性心肌病.非诺贝特是PPARα受体激动剂,能降低甘油三酯,促进CYP-450环氧化酶活性.将花生四烯酸代谢为环氧二十碳三烯酸(epoxyeicosatrienoic acid,EET).非诺贝特通过抑制线粒体凋亡,抑制caspase-9剪切,从而预防心肌缺血/再灌注损伤[25].此外,Bukhari等[26]发现,非诺贝特能改善心肌缺血再灌注导致的心律失常.PPARα受体激动剂GW7647处理能使新生儿心肌缺血后的射血分数下降,同时ROS生成减少,内质网应激降低,ATP生成增加[27].

2.2 缺血性心肌病糖代谢变化及潜在治疗靶点

葡萄糖代谢是一种高效率的能量代谢方式.葡萄糖是心脏代谢的另一种重要底物,通过糖酵解生成丙酮酸,丙酮酸进入线粒体后在丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)的作用下转化为乙酰CoA和NADH.这一过程是不可逆的,PDH是葡萄糖氧化过程中的关键酶.在PDK(PDH kinases)的作用下,PDH生成磷酸化PDH,磷酸化PDH是无活性的.磷酸化PDH在丙酮酸脱氢酶磷酸盐磷酸酶(pyruvate dehydrogenase phosphate phosphatases,PDP)的作用下可形成有活性的PDH.脂肪酸和葡萄糖代谢的相互调节过程被称为葡萄糖/脂肪酸循环,又称Randle循环.心脏中脂肪酸氧化增加能够抑制葡萄糖氧化,同时葡萄糖氧化增加能抑制脂肪酸氧化.脂肪酸氧化中间产物乙酰CoA和NADH会抑制PDH活性[28].此外,柠檬酸盐增加能抑制糖酵解途径中6-磷酸果糖激酶-1,并通过提高6-磷酸葡萄糖水平间接抑制己糖激酶[5].P/O比值是指氧化磷酸化过程中,每消耗一个氧原子产生ATP的分子数,并根据产生线粒体还原当量(NADH和FADH2)的能量底物而变化.比较脂肪酸(以棕榈酸为例)和葡萄糖的P/O值,可以得出一个葡萄糖分子完全氧化需要消耗12个氧原子,能生成31分子ATP,P/O为2.58.而一个棕榈酸分子完全氧化需要消耗46个氧原子,生成105分子ATP,P/O为2.28.因此,尽管一分子脂肪酸能够产生更多的ATP,但是生成单位分子ATP需要消耗更多的氧气,多消耗12%的能量.因此与脂代谢相比,葡萄糖氧化效率更高[2].

缺血性心肌病状态下葡萄糖氧化减少,ATP减少,ROS增加导致细胞凋亡.缺血性心肌病状态下,葡萄糖氧化减少糖酵解与葡萄糖氧化解偶联增加,导致乳酸生成,降低心脏产能效率,ATP生成减少.质子产生增加,促进ROS生成,导致细胞凋亡.Na+/H+交换器将过多的质子转运出细胞,并将Na+转运到胞内.随后促进Na+/Ca2+转运体,将Na+转运到胞外的同时Ca2+进入胞内[14].心肌缺血时乳酸的增加,主要是由于糖酵解途径激活,NADH/NAD+增加,PDH磷酸化减少,导致丙酮酸通过PDH介导的有氧呼吸减少,更多蓄积的丙酮酸在乳酸脱氢酶的作用下生成乳酸[11].此外,犬类和猪心脏缺血再灌注研究表明,在PDH充足的情况下,增加NADH/NAD+和乙酰CoA/游离CoA,也能抑制丙酮酸介导的有氧氧化[29].

促进葡萄糖氧化能够改善缺血性心肌病.酮盐能够用于多种酰基辅酶A脱氢酶缺乏症(multiple acyl-CoA dehydrogenase def i ciency,MADD)患者的治疗,然而酮盐治疗会给机体带来盐负荷[30].已有研究表明,给予糖代谢途径关键酶PDH刺激或者直接给予丙酮酸能够改善缺血后心脏功能[31].此外,抑制PDK的活性从而促进PDH生成,同样能改善缺血性心肌病的心脏功能[32].Ussher等[33]的研究发现,敲除丙二酰辅酶A(脂肪酸氧化关键酶,可以抑制CPT-1活性)的小鼠,心肌中PDH活性增强,促进葡萄糖氧化,减少梗死面积.此外,在PDHK4(PDH kinase 4)敲除鼠中,缺血再灌注损伤造成的心肌梗死面积也减少了[13].

葡萄糖氧化能够与脂质代谢相互转化.葡萄糖毒性和脂质毒性共存能够诱发胎儿高胰岛素血症[34],胎儿高胰岛素血症会影响胎儿心脏发育,改变心脏蛋白表达,促进ROS升高,内质网应激并引起晚期糖基化产物(advanced glycation end products,AGEs)的增加,造成内皮功能障碍[35].同时,高血糖能促进氧化还原敏感蛋白蛋白激酶C,多元醇和己糖胺途径激活,加剧线粒体功能障碍,造成氧化应激和细胞损伤[36].与成人不同,胎儿心脏能量来源主要依赖于糖代谢,而成人的心脏能量来源主要为脂代谢[11].

2.3 缺血性心肌病氨基酸代谢变化及潜在治疗靶点

氨基酸能够调节细胞中蛋白质合成,提高氧耗率,促进葡萄糖氧化.在厌氧条件下,氨基酸能够刺激线粒体能量生成,促进心肌细胞中蛋白合成,加速肽链形成.已有研究发现,支链氨基酸(branched-chain amino acids,BCAA)是一种异常氨基酸,支链氨基酸升高能够增加心血管事件风险[37].

干预支链α-酮酸脱氢酶(branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase,BCKDH)是治疗氨基酸代谢障碍的核心环节.支链氨基酸包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸,是哺乳动物必需的氨基酸.蛋白质转换率、BCAA摄入量和分解代谢率是调节体内BCAA稳态的关键机制.在BCAA的分解代谢途径中,BCAAs首先通过支链氨基酸转移酶(branched-chain amino-transferase,BCAT)转化为支链α-酮酸(branched-chain alpha-ketoacids,BCKAs),这一步骤是可逆的.然后在BCKDH的作用下进行不可逆的脱羧反应,最终生成乙酰CoA或者琥珀酰CoA,随后进入三羧酸循环,其中BCKDH是这一过程的限速酶,BCKDH会在线粒体2C类型丝苏氨酸蛋白磷酸酶(protein phosphatase 2Cm,PP2Cm)的作用下去磷酸化而激活.已有研究表明,在PP2Cm敲除鼠中,抑制BCAA的分解代谢,氧化应激增加,会导致斑马鱼心脏和神经发育异常[38].

促进BCAA分解代谢能够改善缺血性心肌病的心肌损伤.已有研究表明,BCAA的代谢水平与胰岛素抵抗和冠心病的发生关系密切[39].在小鼠支链氨基酸代谢障碍模型中(PPM1K敲除,增加BCAA降解),葡萄糖氧化降低50%,同时脂肪酸氧化增加到2倍.这种能量来源变化是由于BCAA介导的丙酮酸脱氢酶活性受到抑制,丙酮酸进入线粒体障碍,从而使得葡萄糖氧化减少.补充BCAA能够改善运动能力,并改善中年动物线粒体功能[40-41].

氨基酸代谢能够与葡萄糖代谢相互转化.BCAA的分解代谢对于葡萄糖代谢的调节也有重要作用.BCAA分解障碍模型鼠中,BCAA的积累能够抑制PDH活性,从而降低体内葡萄糖氧化并促进脂肪酸氧化,选择性破坏线粒体丙酮酸利用.另外,BCAA分解障碍模型鼠中,BCAA的积累抑制葡萄糖代谢并使心脏对缺血性损伤敏感,抑制O-连N-乙酰氨基葡萄糖(O-linked N-acetylglucosamine,O-GlcNAc)的修饰,导致葡萄糖摄取、氧化、糖原含量和蛋白质糖基化显著降低,从而加重缺血再灌注损伤[42].

3 展望

心脏是一个耗能器官,心脏代谢稳态对于维持心脏正常功能至关重要.在缺血性心肌病状态下,为了适应这种缺氧环境,心肌细胞中葡萄糖代谢减少,脂肪酸氧化增加.尽管增加了单位能量物质生成ATP的数量,但是生成每单位ATP消耗的氧气更多,因此造成更多的脂肪酸代谢产物的堆积.这些堆积的脂肪酸代谢产物会产生脂质毒性,使心肌细胞内环境紊乱,促进心肌细胞凋亡.随着代谢组学检测技术的发展,针对缺血性心肌病进行早期代谢产物检测手段和机制探索的研究更加深入.越来越多的研究者开始关注心肌细胞代谢稳态的维持与调控.未来希望通过改善缺血性心肌病代谢,治疗疾病,改善疾病预后.