自噬在糖尿病心肌病发病机制中的作用研究进展

朱金秀 吴盛粼 胡佐祺 谭学瑞

糖尿病是常见的内分泌紊乱性疾病，在世界范围内，其流行率从20世纪以来一直在上升。预计到2030年，全球将有7亿糖尿病患者[1]。糖尿病与多种心血管疾病发病率和死亡率的升高密切相关，包括冠状动脉疾病、外周动脉疾病、脑卒中、高血压、心肌病和心力衰竭。虽然糖尿病的心血管并发症主要与冠状动脉粥样硬化等缺血性疾病有关，但一些没有冠状动脉疾病或高血压的糖尿病患者也会受到糖尿病相关心肌病，即糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)的影响，最终导致心力衰竭[2-3]。

1 糖尿病心肌病的定义和流行病学

我国糖尿病的患病率高达11.6%，其中2型糖尿病约占85%[4]。DCM是糖尿病常见且重要的并发症。2013年，美国心脏病学会(ACCF)、美国心脏协会(AHA)、欧洲心脏病学会(ESC)与欧洲糖尿病研究协会(EASD)将DCM定义为糖尿病患者在没有冠状动脉粥样硬化和高血压的情况下出现的心室功能障碍[5]。糖尿病患者中DCM检出率为12%～22%。尽管高血糖和心脏胰岛素抵抗是导致DCM的关键因素，但其发病机制尚未完全明确，现阶段仍缺乏针对性的DCM防治策略[6-7]。

2 自噬在糖尿病心肌病发生发展中的作用

DCM发病的可能机制包括糖基化终产物(AGEs)的堆积、过量活性氧的形成、氧化应激、线粒体功能紊乱、炎症反应、细胞凋亡、纤维化等[8-10]，但上述机制尚不能完全解释DCM的发生发展过程。最近的研究显示，自噬参与了DCM的病理生理过程，且可能在糖尿病及其并发症的发生发展中发挥着关键作用[11]。Xu等[12]通过在多个时间点测定链脲佐菌素(STZ)诱导的1型糖尿病小鼠心肌自噬通量，发现糖尿病所致的心脏损伤在Beclin1和ATG16缺乏的小鼠中明显减轻，氧化应激、间质纤维化和心肌细胞凋亡水平降低，间接表明低自噬水平有利于改善心功能。因此，抑制自噬可能是DCM的潜在治疗策略之一。

2.1 过度自噬导致心肌细胞受损

细胞自噬是真核生物细胞内普遍存在的一种自稳机制，也是一种受到精确调节的生物学过程。它通过溶酶体降解来消除细胞多余和受损的结构，以维持细胞正常生理功能，从而适应各种不良刺激[13]。根据底物进入溶酶体或液泡途径的不同，自噬主要分为三种形式：宏自噬、微自噬以及分子伴侣介导的自噬。通常说的“自噬”即宏自噬，其特点是自噬小体的形成[14]。在生理环境下，自噬活性较低，可维护细胞内环境稳态；过度自噬则会诱导细胞发生自噬性死亡[15]。

心肌细胞在很大程度上依赖于自噬的有效清除异常、受损蛋白质和细胞器功能，以维持正常的心脏功能。然而，越来越多的研究发现，一些心脏疾病与自噬的过度激活有关，这可能是由于过度自噬导致收缩蛋白的降解和自噬性细胞死亡，不利于心肌细胞的存活。研究发现，压力过载或再灌注损伤所引起的过度自噬加重心肌重构，说明过度自噬在心力衰竭进展中是不利因素[16]。在主动脉缩窄小鼠模型中，抑制自噬相关蛋白LC3 Ⅱ/Ⅰ和Beclin1的上调、降低自噬活性可减少小鼠心肌细胞的死亡，从而改善心功能[17]。

研究显示，房颤中内质网应激诱导的自噬与心肌细胞重构有关，过度激活自噬可能导致心肌细胞损伤和肌溶解，加速房颤的进展[18]。另一项研究表明，犬快速心房起搏后以及持续性房颤患者的心房肌细胞均存在AMPK依赖性自噬，提示AMPK激活自噬可能是房颤发生的新机制[19]。AMPK是真核生物细胞中高度保守的关键细胞能量传感器，在各种应激事件中具有重要的自噬激活作用。

在黏液性二尖瓣中可观察到自噬标志物LC3表达的增加[18]。在慢性心力衰竭的发展过程中，Beclin1的上调可激活自噬[19]。这些证据均揭示过度自噬在心脏疾病发生发展中的不利影响。过度的自噬诱导将导致缺血性心肌病或心力衰竭时发生自噬细胞死亡和心肌细胞丢失。这提示自噬的水平及持续时间决定了其在心力衰竭发生发展中发挥不同的作用[17, 22]。

2.2 Nrf2对自噬具有负向调控作用

NF-E2相关因子2(Nrf2)存在于细胞质中，是抗氧化应激反应的主要转录调控因子[23]。研究表明，Nrf2基因敲除的糖尿病小鼠心肌细胞中活性氧水平较对照组显著升高，此后，Nrf2作为糖尿病心脏抵抗活性氧的关键调节因子受到了广泛关注[24]。Nrf2通过调控数以百计的抗氧化反应元件(AREs)，包括抗氧化酶、异生物转运蛋白和其他应激反应蛋白等在其启动子中的表达来对抗氧化反应机制[23]。在生理条件下，Nrf2主要受其抑制剂Kelch样ECH关联蛋白1(Keap1)的调控，该抑制剂针对Nrf2进行泛素化降解，以维持低细胞水平的Nrf2；在氧化应激状态下，Nrf2与Keap1迅速分离，游离Nrf2转移到细胞核，在核内与ARE序列结合，激活ARE调控基因转录[25]。此外，活性Nrf2与多种自噬调节因子的ARE序列结合，如P62、ATG4、ATG5、ATG7，提示Nrf2也通过调控自噬对抗氧化损伤，对自噬有调控作用[26]。

在高糖环境下，线粒体产生的大量活性氧诱导氧化损伤是糖尿病进展为DCM的重要驱动因素[27]。当活性氧和氧化应激损伤增加自噬活性而又不能适时抑制时，过度自噬可通过降解细胞内重要成分诱导细胞死亡[28]。在氧化应激过程中，Nrf2作为主要的调节因子可负性调控自噬[29]，以避免自噬性细胞死亡[23]。然而，Nrf2在DCM小鼠模型的心肌组织中处于低表达状态[30]。

较少有研究关注长期氧化应激过程中自噬活性的动态改变，以及自噬的有利或不利影响。Nrf2可能通过降低自噬活性，避免自噬过度激活的不利影响，促进细胞的存活[29]。遗传学研究发现，在长期氧化应激环境下，负向调节自噬有利于维持细胞内稳态，可能是由于在长期氧化应激的心肌细胞中AMPK水平降低，导致自噬被抑制[31]。

现有研究中，当氧化应激时间较短时，并未发现这种负性调控效应；随氧化应激时间延长而出现的自噬水平下调现象提示，在疾病的不同阶段，自噬的活跃程度不同。然而，要确定究竟是哪些因子，以及它们如何参与对长期氧化应激的适应，则需要进行更深入的机制研究。

2.3 激活Nrf2可能抑制过度自噬

有研究提示，Nrf2的沉默导致AMPK的持续活跃，诱导氧化应激时自噬的过度激活。而Nrf2可直接调控AMPK的进化保守机制，并通过这种调控将自噬的激活降低到生理水平。这可能是细胞的一种自卫机制，使自身在长时间的氧化应激下免于过度自噬导致的细胞死亡[29]。研究发现，胚胎肾HEK293T细胞和人结肠Caco-2细胞在利用叔丁基过氧化氢(TBHP)模拟的氧化应激环境下，Nrf2以及AMPK的mRNA水平对TBHP的处理呈时间依赖性变化：TBHP的作用时间越长，Nrf2的含量越高，AMPK表达越少。沉默Nrf2后再进行TBHP处理，AMPK的mRNA水平并没有下降。这表明在氧化应激状态下，Nrf2对AMPK具有调节作用。当TBHP作用1 h后，AMPK和ULK1均被磷酸化，提示AMPK在长期的氧化应激中被短暂地激活；随后，AMPK活性迅速下降，表明在氧化应激期间AMPK活性存在延迟负反馈。自噬关键标记物LC3和P62的表达变化也表明，自噬在氧化应激期间表现出一个激活峰，但长期使用氧化剂可抑制自噬。而在Nrf2 siRNA预处理的细胞中，TBHP处理4 h后，自噬底物的P62水平显著下降，证明Nrf2通过AMPK负调控自噬[29]。

多酚类化合物通过调节胰岛素信号转导通路和AMPK通路，干预脂联素的mRNA和蛋白表达，改善心肌糖脂素能量代谢[32]；茶多酚通过刺激AMPK活性而增加自噬，避免由于脂质代谢紊乱引起的过度β-氧化和产生的有毒物质所致的心肌损伤[33]。给予多酚类化合物杨梅酮处理，可促进Nrf2的表达和核易位，继而改善DCM小鼠模型的心脏损伤[30]。

综上，除已知的AGEs堆积、活性氧形成、氧化应激、线粒体功能紊乱、炎症反应、细胞凋亡、纤维化等，自噬在糖尿病及其并发症的发生中亦起到关键作用。过度自噬导致的心肌受损可能是DCM发生发展的机制之一。因此，通过增加Nrf2的表达而抑制过度自噬，可减轻DCM所致心肌损伤，有望为DCM的防治提供新的方向。