糖尿病心肌病发病机制的研究进展

徐 娜，白淑芝

(哈尔滨医科大学基础医学院病理生理学，哈尔滨 150081)

糖尿病是严重危害全球人类健康的代谢综合征，是由遗传和环境因素导致的胰岛素分泌绝对或相对减少而引起的以血糖升高为主要特征的全身代谢性疾病[1]。近年来，糖尿病的发病率迅速增加且呈年轻化趋势。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyo-pathy,DCM)是糖尿病的重要并发症之一。最早在1972年Rullber等[2]通过观察到4例糖尿病肾小球硬化症患者在没有明显的冠状动脉及心脏瓣膜病变、高血压及酗酒、先天性心脏病的情况下，患者罹患充血性心力衰竭和心律失常，首次提出DCM的概念。现被人们所广为接受的定义是发生于糖尿病患者，不能用高血压性心脏病、冠心病及其他心脏疾病来解释的心肌疾病。DCM是在机体糖脂代谢异常及微血管管壁增厚、变硬等基础上引起心肌细胞体积增大，成纤维细胞增殖、大量分泌胶原，心肌广泛灶性坏死，间质纤维化，造成心室顺应性下降，心功能下降，最终引发心力衰竭。目前关于DCM的发病机制还未完全阐明，且临床缺乏特异性的药物治疗。现就DCM发病机制的研究进展进行综述。

1 心肌细胞代谢紊乱

1.1高血糖对心脏的影响 持续性高血糖是引起心肌纤维化的一个重要原因。而心肌成纤维细胞是引起心肌纤维化的主要作用细胞,可以在某些因素刺激下，过度增殖并分泌大量的胶原蛋白[3]，造成间质纤维化，心室壁僵硬。对DCM的研究，一直集中在心肌细胞上，对心肌成纤维细胞的研究可以作为一个新的方向。高糖环境下可通过脂质代谢、葡萄糖自身氧化及线粒体氧化磷酸化产生大量的活性氧类，氧化应激增强，加速心肌细胞的凋亡和细胞DNA的损伤，而氧化应激诱导的DNA损伤也会激活DNA相应的修复酶，如聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶等，这种酶可以将葡萄糖代谢从通常的糖酵解中重新调整通向另一种生化途径的通路，可导致多种介质的产生引起细胞损伤。这些损伤包括增加乙糖胺通路、多元醇通路、蛋白激酶C激活，晚期糖基化终末产物水平增加[4]。晚期糖基化终末产物可以共价交联细胞内外多种蛋白质，包括弹性蛋白和胶原蛋白交联会损伤心脏舒张功能，降低心脏顺应性，促进心肌纤维化，也是产生糖尿病并发症的重要因素之一。

1.2胰岛素抵抗和高胰岛素血症 胰岛素抵抗是指靶器官对胰岛素的反应性降低，即对葡萄糖的摄取、利用率下降，导致机体为维持血糖稳定代偿性的分泌更多的胰岛素，从而造成高胰岛素血症。作为2型糖尿病早期的代谢异常，高胰岛素血症通过各种机制引起心肌细胞肥大、心肌纤维化。研究发现，叉形头转录因子的O亚型(forkhead transcription factors of the O class，FoxO)家族中的FoxO1、FoxO3、FoxO4对心脏应激反应和保护心脏功能发挥一定作用。原代心肌细胞中，通过钙调神经磷酸酶/蛋白磷酸酶2通路触发丝氨酸-苏氨酸激酶磷酸化，可以抑制FoxO表达，从而降低胰岛素敏感性和减少葡萄糖代谢受损[5]。这可能为治疗胰岛素抵抗引起的DCM提供一个新的方向。此外，高胰岛素血症还可引起表观遗传和基因改变，激活多种转录因子导致细胞外基质蛋白的沉积和心肌细胞肥大，促进DCM的发生、发展[6]。表观遗传学是当DNA序列不发生变化时研究基因表达发生的可能性，主要涉及组蛋白修饰、DNA甲基化和微RNA(microRNA,miRNA)干扰等方面，而表观遗传是一个可逆的过程[7]。因此，从表观遗传学角度出发可为研究DCM的发生、发展提供一个新的方向。

1.3非酯化脂肪酸代谢异常 在正常生理情况下，心脏能够利用葡萄糖和脂肪酸作为能量底物。在DCM中，胰岛素抵抗所引起的葡萄糖摄取减少促进心肌基质中非酯化脂肪酸氧化，导致心力衰竭、肥胖和2型糖尿病患者血浆中非酯化脂肪酸水平增高，心脏三酰甘油沉积和脂肪酸摄取增加[8]。过量的脂肪酸的摄取会超过心肌细胞线粒体的氧化能力，并在心脏出现异位脂质沉积从而诱发对心脏的脂毒性。多余的脂肪酸部分将通过非氧化途径产生有毒性的脂肪酸中间产物，如神经酰胺等[8]。这些有毒物质可干扰正常的细胞信号，引起细胞凋亡、细胞损伤、线粒体功能障碍，最终导致心脏舒缩功能降低，线粒体的脂肪酸氧化增加与活性氧类增加有关，活性氧类能将细胞质的脂质氧化成脂质过氧化物。反过来，脂质过氧化物和活性氧类又会导致线粒体和细胞损伤，线粒体氧化代谢不耦合。另有研究发现，泛素连接酶mitsugumin 53很可能通过靶向降解胰岛素信号通路中的蛋白和特定上调过氧化物酶体增殖物激活受体两个过程相互协同促进非酯化脂肪酸氧化，引起心脏不良事件发生[9-10]。由此可见，心脏脂肪代谢异常是引起DCM的一个重要原因，但其确切的机制还需要进一步研究。

1.4钙稳态失调 钙参与细胞代谢、肌肉收缩和细胞信号传递等多项生理活动。一般情况下，在心脏兴奋-收缩偶联时，在肌纤维膜去极化后，Ca2+通过电压敏感L型Ca2+通道进入细胞质，触发肌质网Ca2+释放，Ca2+与肌钙蛋白C结合，诱导肌纤维收缩。在心脏舒张时，钙大部分储存在肌质网，小部分通过细胞膜上的Na+/Ca2+交换体和Ca2+泵泵出。有文献报道在DCM中参与钙转运的蛋白受损，使心脏舒张期时间延长[11]。在实验中记录到，2型糖尿病小鼠心脏中，细胞内游离Ca2+升高，细胞内Ca2+衰减时间延长，Ca2+瞬变减慢、肌质网钙泵减少、肌质网对Ca2+重新摄取受损[12]。在1型糖尿病动物模型中也有类似变化[13]。以上数据表明，在DCM中细胞内钙稳态紊乱在心脏舒张及收缩功能障碍中起重要作用。

2 肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活

有研究表明，与非糖尿病患者相比，糖尿病患者心肌细胞内血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)水平高3.4倍[14]。高血糖激活心脏内肾素-血管紧张素-醛固酮系统(renin-angiotensin-aldosterone system，RAAS),AngⅡ的升高通过细胞表面血管紧张素受体1刺激心肌成纤维细胞的增殖和胶原合成代谢的改变，引起心肌间质和血管周围纤维化，刺激心肌细胞增生和心肌细胞肥大，引起舒张功能紊乱，最终导致心肌肥厚、心肌纤维化。此外，盐皮质激素受体信号激活以及AngⅡ通过激活雷帕霉素S6在哺乳动物上的靶点相关激酶1信号转导通路，可能会进一步促进胰岛素抵抗[15]。而胰岛素抵抗会反过来作用于RAAS。临床和实验研究显示，应用RAAS抑制剂对糖尿病引起的相关心脏功能障碍有所改善，而对血压无显著影响[16]。RAAS抑制剂近年来虽已用于DCM心肌细胞凋亡和心肌纤维化的治疗，但效果并不令人满意。动物模型实验证明，AngⅡ在加重早期糖尿病诱导的心肌肥大中起关键作用，这可能与氨基端激酶通路的激活以及随后的miR-221介导的自噬抑制有关[16]。因此,在糖尿病患者中抑制AngⅡ或miR-221可能是一种潜在的延缓DCM发生或减轻其严重程度的方法。

3 线粒体损伤

DCM患者心肌对葡萄糖的利用率明显下降，心脏供能主要来源于脂肪酸的β氧化，同时产生的非酯化脂肪酸等可导致线粒体耗氧量增加和功能障碍，也生成了大量的神经酰胺等中间产物，而这些物质可干扰正常的细胞信号，引起细胞凋亡、细胞损伤。而且，线粒体代谢脂肪酸的同时也增加了心脏耗氧量，引起心脏结构和功能改变，从而导致DCM，但是其确切原理还需要进一步研究。在正常情况下，线粒体内活性氧类生成与清除处于动态平衡。糖尿病时，高血糖环境下可引起线粒体三羧酸循环中电子供体生成增多，线粒体膜电位升高超过一定范围后引发大量活性氧类生成，氧化应激增强，同时超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等抗氧化酶的基因表达下调，活性基团发生糖基化，引起机体的抗氧化能力降低、大量的活性氧类堆积，造成对细胞结构和成分的破坏。由线粒体等所生成的活性氧类主要经过多元醇通路、己糖胺通路、蛋白激酶C通路、心肌细胞内晚期糖基化终末产物4个信号通路引起DCM。因此，DCM线粒体氧化应激的增加是导致DCM发病的一个主要因素。线粒体膜的主要组分是磷脂，上面镶嵌着膜蛋白，负责传递和运输电子。大部分心磷脂位于其内膜磷脂双层的基质面[17]。研究表明，机体心肌缺血早期造成线粒体氧化应激增加，引起线粒体膜上心磷脂结构的改变，从而阻碍线粒体内电子的传递，损伤线粒体功能、最终心肌细胞死亡及组织病变[18]。对糖尿病小鼠心肌细胞进行病理分析发现，病变的心肌细胞早期，四亚油酰心磷脂水平出现明显下降，而给予二甲双胍降糖药物处理后的心肌细胞四亚油酰心磷脂水平接近正常。根据这些研究和实验，线粒体膜上心磷脂结构和其水平的改变与DCM发病机制的潜在联系还需进一步研究证明。

4 微循环损伤

糖尿病性微血管病变的主要场所为糖尿病性视网膜病变、糖尿病肾病、糖尿病神经病变。研究显示，在2型糖尿病、胰岛素抵抗、DCM患者中均能观察到冠状动脉微血管病变，出现内皮损伤、基膜增厚、纤维素沉积,促进冠状动脉松弛[11]。上述病变可能与一氧化氮水平降低有关。胰岛素敏感性降低的情况下，一氧化氮降解增多，产生减少。在糖尿病患者的心脏微循环中可观察到毛细血管密度减少以及中、小动脉壁结构发生改变[19]。微循环功能障碍导致糖尿病患者血液供应减少，从而进一步损伤糖尿病心脏的中、小动脉，引起心肌纤维化、顺应性降低、心功能障碍。血管周围纤维化和间隙的改变，小血管中微动脉瘤的形成，毛细血管基膜增厚导致糖尿病心脏微血管缺血，而缺血又会进一步导致心肌纤维化、僵硬、出现功能障碍。高胰岛素血症和胰岛素抵抗与小血管和大血管的僵硬度有关[20]。有研究表明，高胰岛素血症可以促进血管平滑肌细胞向成骨细胞分化，而成骨细胞在促进血管僵硬度上发挥一定作用[21]。

5 自 噬

自噬是存在于真核生物细胞中，具有高度保守，达到维持胞内正常生理活动及稳态的一种细胞代谢过程。而自噬在近年来被发现在DCM中具有独特的细胞适应性机制，调节DCM病变进程。一般情况下，心肌持续低水平的自噬是对自身细胞的应激保护机制[22]。而在营养缺乏、能量不足、缺氧、胰岛素抵抗、内质网应激、机体损伤、病原体感染等不良因素下可诱导自噬。在这些不良情况下，心肌细胞诱导多种途径调节自噬活性，包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白敏感型复合体途径、AMP活化的蛋白激酶途径、三磷酸肌醇受体途径、蛋白激酶A途径等，减少有害物质对细胞内的损伤，同时加速分解非酯化脂肪酸和晚期糖基化终末产物等，改善DCM心肌代谢紊乱、缓解胰岛素抵抗、减少氧化应激发生、延缓心肌纤维化、微血管病变，从而延缓DCM的发展进程[23]。研究表明，Beclin 1是调节心脏自噬的重要基因[24]。当Bcl-2或Bcl-2样蛋白1与Beclin 1结合，能够负向调节自噬。通过磷酸化Beclin 1的BH3结构域的第108位酪氨酸，Bcl-2和Beclin 1相互作用，Beclin 1失去活性，抑制自噬，诱导凋亡，使蛋白质受损导致心脏功能异常[25]。有文献报道，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1亦可以通过磷酸化Beclin 1的第119位酪氨酸，使Bcl-2和Beclin 1相互分离，此时可以促进自噬[26]。然而，目前对DCM自噬亢进还是减弱报道不一，有望进一步的证明阐述。

6 亚细胞组分异常

内质网应激、钙处理障碍和线粒体功能障碍与DCM的发生、发展密切相关。机体产生过多的活性氧类会破坏翻译后的蛋白质在粗面内质网中修饰和折叠的过程，对内质网产生有害影响。内质网应激诱导产生针对有害影响的适应性反应，促进错误折叠蛋白酶体的降解。机体在脂肪和糖类的过量摄入和胰岛素抵抗的条件下，过多的营养物质进入细胞内会导致电子传递到氧气上时不产生腺苷三磷酸，同时也促进了活性氧类的增加，这可能会导致线粒体内的氧化损伤[27]。因此，线粒体产生过多的活性氧类，细胞内DNA、蛋白质和脂质膜成分会受到破坏，而活性氧类介导的纤维化也会促进心脏舒张功能障碍，进而导致心力衰竭。内质网和氧化应激会影响心肌细胞钙稳态，进而导致舒张功能障碍和DCM。活性氧类、长链酰基肉毒碱和线粒体膜上异常的膜脂质含量通过影响各种转运蛋白，从而影响细胞内钙的处理[28]。钙处理异常、活性氧类和内质网应激三者之间的相互作用能促进亚细胞组分功能障碍，最终导致细胞自噬、坏死、凋亡[29-30]，具体机制还有待进一步研究。

7 不适应性免疫应答

8 结 语

糖尿病的发病率逐年升高，且呈年轻化趋势，相当一部分患者最终将发生心力衰竭、猝死。DCM的发病机制十分复杂，目前尚不完全清楚，已经发现其与慢性高血糖相关的代谢、胰岛素抵抗、脂毒性、钙稳态失调、RAAS和微血管病变等有关。目前研究热点主要集中在靶向线粒体、细胞自噬、亚细胞组分异常、基因疗法、免疫反应及各方面机制的内在联系等，继续深入研究有望进一步揭示DCM的发生、发展机制，为临床提供坚实的理论基础，最终实现基础研究向临床治疗的转化。