骨膜蛋白在糖尿病心肌病发病中的作用

贺琼 薄佳琪 张梦圆 王维 何传辉 刘云峰

1山西医科大学，太原 030001; 2山西医科大学第一医院内分泌科，太原 030001

糖尿病心肌病(DCM)是一种糖尿病患者在排除冠状动脉疾病、高血压、瓣膜病、先天性心脏病等其他心血管疾病的条件下，出现的心脏功能障碍[1]。DCM起病隐匿，极易被忽略，在临床上常常因治疗延迟而产生心力衰竭等不良后果。DCM的概念始于1972年，推测其发病的病理基础可能为胶原蛋白沉积、心肌型α肌动蛋白减少等[2]。

目前认为高糖血症、脂代谢紊乱、胰岛素抵抗、钙稳态失调均是DCM发病的诱因[3]。糖尿病患者的心脏长期处于高糖环境下，心肌细胞受到糖毒性损伤，进而出现一系列代谢紊乱。心肌细胞摄取、利用葡萄糖功能减弱后，脂代谢、能量代谢随之出现异常。在此基础上线粒体受损，下游氧化磷酸化途径产生大量活性氧簇，活性氧簇进一步激活聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶(PARP)相关心肌损伤信号通路，导致晚期糖基化终末产物(AGEs)大量堆积。增多的AGEs促使心肌细胞外基质的胶原纤维产生增多并相互交联，心肌纤维化程度加重，心肌顺应性降低，最终发展为DCM[3-4]。

上述DCM发病机制中的部分生物分子可能通过旁路，激活骨膜蛋白及其相关信号通路。骨膜蛋白作为一种特殊的细胞基质蛋白，参与多种心脏疾病病理生理机制，包括DCM、瓣膜疾病、心肌梗死、心肌肥大和纤维化、心肌炎等，在心肌重塑及心肌纤维化中起到重要作用[5]。骨膜蛋白大量产生会加速糖尿病患者心肌纤维化，加剧DCM的严重程度。

1 骨膜蛋白简介

骨膜蛋白是一种相对分子质量为90 000的分泌蛋白，在细胞外基质内广泛存在。生理状态下骨膜蛋白在牙周韧带、皮质骨骨膜、心脏瓣膜等中均有表达，主要分布于细胞外胶原束和母细胞间隙，而在病理状态下骨膜蛋白的表达明显增加[6]。

在动物模型和人体研究中发现，骨膜蛋白与压力超载引起的左室肥厚密切相关，而DCM重要的发病机制之一就是心室壁增厚。骨膜蛋白含量的升高幅度与心室壁肥厚增大程度的一致性提示，骨膜蛋白可能是与心脏重建相关的重要因素[7]。骨膜蛋白在DCM发病早期即可通过RT-PCR、Western印迹定性定量检测，因此可能成为未来DCM的诊断与治疗靶点。

2 骨膜蛋白与DCM的相关性

邹翎等[8]发现，在高糖环境下(25 mmol/L)培养成年大鼠心肌成纤维细胞，心肌细胞产生的骨膜蛋白及其mRNA的含量与葡萄糖浓度呈正相关。说明葡萄糖可以浓度依赖性地引起心肌细胞骨膜蛋白的表达增加。进一步研究表明，高糖刺激下，大鼠心肌成纤维细胞产生大量活性氧簇，使c-Jun氨基末端激酶(JNK)磷酸化水平升高，进而提高骨膜蛋白的表达。提示高糖状态下心肌细胞可能通过激活蛋白激酶C/活性氧簇/JNK信号通路引起骨膜蛋白产生增多。

Guan等[9]发现, 在链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠左心室重构中，经由活性氧簇/细胞外信号调节蛋白激酶(ERK)/转化生长因子(TGF)-β/骨膜蛋白通路，可生成大量骨膜蛋白和Ⅰ型、Ⅲ型胶原纤维。Wu等[10]使用DCM模型小鼠进行实验，提出白芦藜醇通过抑制活性氧簇/ERK/TGF-β/骨膜蛋白信号通路，减少活性氧簇生成，进而改善STZ诱导的糖尿病小鼠心肌纤维化。活性氧簇/ERK/TGF-β/骨膜蛋白信号通路的激活，可能具有促进成纤维细胞生长，增加细胞外基质表达的作用，从而导致心肌纤维化程度加重。

此外，Lou等[11]将161名研究对象分为正常糖耐量组和新诊断2型糖尿病组。结果显示，新诊断2型糖尿病组血浆骨膜蛋白水平明显高于正常糖耐量组。

由此可见骨膜蛋白在DCM发病早期即有表达，在DCM心脏重构和心肌纤维化过程中发挥重要作用。

3 骨膜蛋白参与DCM发病的机制

3.1 脂代谢紊乱 糖尿病患者的心肌细胞中存在脂代谢异常，具体表现为葡萄糖利用减少而脂肪酸利用增加。但因为脂肪酸氧化产能效率远低于葡萄糖，所以高糖状态下心肌细胞脂代谢增多致使体内耗氧量增加。缺氧条件下，脂肪酸氧化中间产物脂酰辅酶A大量堆积，心肌细胞内脂酰辅酶A浓度升高，使细胞膜上KATP通道开放，心肌细胞钙流量降低，心肌收缩功能受损[12]。除了缺氧的不利条件，心肌内脂质累积也会影响线粒体的正常功能，线粒体受损后活性氧簇异常表达并逐步积累，造成心肌细胞损伤、凋亡。Burkart等[13]研究发现，活性氧簇在心肌中大量堆积，加速过氧化物酶体增殖物活化受体(PPAR)α与脂肪酸结合，随后参与脂肪酸氧化的一系列基因上调，心肌内脂肪酸累积增加，形成恶性循环，加快DCM的发生、发展[14]。此外，JNK信号通路作为丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的重要分支，在脂代谢紊乱引起DCM中起到不容忽视的作用。研究显示，JNK抑制肝脏脂肪酸氧化，扰乱肝脏正常脂肪代谢功能[15]。JNK通路的过度激活可导致脂肪代谢紊乱、肥胖和胰岛素抵抗[16]。

骨膜蛋白在上述JNK/PPARα信号通路中发挥作用，加重脂代谢紊乱程度，加速DCM进程。骨膜蛋白通过JNK信号通路下调PPARα的表达，导致脂代谢紊乱。在肥胖与2型糖尿病小鼠模型中，Lu等[15]发现，肝脏中过度表达的骨膜蛋白通过JNK信号通路，下调PPARα表达含量，最终出现肝脂肪变性和高甘油三酯血症。PPARα具备调节线粒体内脂肪酸氧化和过氧化物酶体的功能，是维护心脏正常功能的保护性因子。基因层面的分子实验证实，敲除小鼠骨膜蛋白基因或接种骨膜蛋白中和抗体，实验小鼠的脂代谢趋近于正常水平。与未敲除骨膜蛋白基因的小鼠相比，敲除骨膜蛋白基因的小鼠体内甘油三酯含量显著降低。骨膜蛋白含量与总胆固醇、甘油三酯水平呈正相关，而与高密度脂蛋白-胆固醇水平呈负相关。推断骨膜蛋白与脂代谢，特别是其中的总胆固醇、甘油三酯代谢紊乱密切相关[11, 15]。在调整了年龄、性别和体重指数多因素变量之后，甘油三酯可作为独立危险因素，影响血浆骨膜蛋白水平，由此推测骨膜蛋白和脂代谢间可能存在双向影响关系。

另外，内脏脂肪中骨膜蛋白的低表达水平还有利于维持现有脂肪组织的健康。Nakazeki等[17]发现巨噬细胞主要存在于肥胖小鼠脂肪组织缺氧区。在模拟缺氧条件的巨噬细胞中，骨膜蛋白的表达含量与缺氧诱导因子下游的基因葡萄糖转运蛋白(GLUT)1和磷酸甘油酸激酶1(PGK1)表达同步升高，由此推测缺氧可能会引起巨噬细胞分泌骨膜蛋白。此外，骨膜蛋白基因敲除小鼠的脂肪组织中冠状结构形成和纤维化水平较低，可以有效防止肝脏中出现脂肪组织变性。

3.2 胰岛素抵抗 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白-核糖体蛋白S6激酶1(mTOR-S6K1)信号通路是导致胰岛素抵抗的关键信号通路，胰岛素抵抗形成后进一步通过磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路引发DCM。胰岛素代谢途径高度保守，S6K1是一种进化保守的色氨酸激酶，其磷酸化水平可以调节胰岛素代谢信号通路[18]。在营养过剩等非正常情况下，肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)激活[19]，触发S6K1慢性活化，通过增加下游胰岛素代谢关键信号途径胰岛素受体底物-1中的色氨酸磷酸化，导致胰岛素抵抗。靶细胞在胰岛素抵抗状态下，PI3K、Akt活性下降[20]，PI3K/Akt信号通路障碍使募集到质膜的GLUT4数量减少。心肌细胞葡萄糖摄取障碍，Ca2+ATP酶活性被抑制，经Ca2+泵作用回到肌浆网的Ca2+减少，细胞质内钙离子储留，使心脏舒张功能发生障碍[21]。

研究显示，降低骨膜蛋白的表达对减轻小鼠全身胰岛素抵抗有改善作用，但仍没有实验直接证明骨膜蛋白可以引发或加重胰岛素抵抗。Nakazeki等[17]发现，同在高脂饮食条件下，骨膜蛋白-/-(骨膜蛋白基因敲除)小鼠的葡萄糖耐量试验结果优于野生型小鼠。此外，与野生型小鼠相比，骨膜蛋白-/-小鼠的附睾脂肪中Akt磷酸化水平显著增强。这意味着骨膜蛋白缺失情况下，由胰岛素介导的葡萄糖摄取更多，体内血糖呈现较低水平。而在肝脏脂肪细胞中，也表现出与之相似的情况，即骨膜蛋白含量降低有助于缓解胰岛素抵抗程度。故可以推测出骨膜蛋白低表达在胰岛素抵抗的发病中起保护作用，可以延缓DCM进程。但上述骨膜蛋白通过PI3K/Akt信号通路影响胰岛素抵抗的相关实验尚不完全充分，仍有待详实的实验研究揭示其背后的分子机制。

3.3 RAAS Shen和Young[22]发现，体内醛固酮活性较低的糖尿病患者，其心力衰竭的发病率和死亡率也更低，因此有理由认为RAAS激活是DCM的危险因素。目前认为RAAS激活后导致DCM的主要病理生理学机制为：血管紧张素与醛固酮增加，下游NADPH氧化酶活性增强从而加重氧化应激，产生大量活性氧簇，干扰正常心肌细胞代谢活动；还可以通过PI3K/Akt信号转导途径[19]导致胰岛素抵抗的发生，间接引起DCM；心肌细胞中血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)含量增加，与盐皮质激素共同使心机细胞产生免疫反应和炎性反应，如白细胞黏附、巨噬细胞浸润、细胞因子表达增多等[20]，容易导致心肌的慢性炎性反应。以上RAAS激活的后果将使心脏出现心肌纤维化、收缩舒张功能障碍，严重时产生心力衰竭等[21]。

RAAS激活后，通过Ang Ⅱ-TGFβ1-p38MAPK/ERK1/2信号途径增加Ⅰ型、Ⅲ型胶原蛋白和骨膜蛋白的表达，介导心肌细胞纤维化出现，最终在器官层面上表现为DCM[23-24]。Li等[24]在小鼠实验中使用ERK1/2上游激酶抑制剂和p38MAPK抑制剂后，显著抑制小鼠心肌骨膜蛋白的表达，而使用JNK抑制剂则没有上述抑制效果。上述实验结果均证实了AngⅡ-TGFβ1-p38MAPK/ERK1/2信号通路发挥促进DCM发生、发展的作用。抑制此信号通路可以抑制骨膜蛋白的表达，达到保护心肌的目的。研究已经发现，多种药物可以通过抑制AngⅡ-TGFβ1-p38MAPK/ERK1/2信号通路，减少骨膜蛋白含量和缓解心肌纤维化程度。洛沙坦拮抗AT1受体后，阻断了AngⅡ信号通路进而抑制骨膜蛋白表达。Chen等[25]研究发现，丹参酮亚磺酸钠(ds-201)缓解心肌纤维化的机制是通过抑制AngⅡ，使下游TGF-β1活化减少，致使骨膜蛋白表达下调，发挥维持心肌细胞正常功能的作用。与之类似，Kuo等[26]实验证明辛伐他汀可以缓解AngⅡ触发下游骨膜蛋白引起的心肌纤维化。

综上所述，目前已有大量研究表明骨膜蛋白与DCM发病机制及病程进展联系密切，骨膜蛋白是导致DCM发生、发展的重要因素之一。糖尿病病程中的糖脂代谢紊乱、胰岛素抵抗形成和RAAS激活均会使骨膜蛋白含量增加，引起心肌纤维化程度加重。骨膜蛋白与DCM间的联系使其可能成为未来预防、缓解、乃至治疗DCM的靶点。已经证实在DCM发病早期即可测得骨膜蛋白的表达，说明骨膜蛋白有很大潜力成为诊断和预测DCM的生物标志物。然而关于骨膜蛋白与DCM的研究仍然十分有限，且以体外动物实验为主，其在DCM中的作用机制仍有待于进一步临床试验研究加以证实。