活性氧在糖尿病心肌病中的作用机制研究进展

郭振，樊迪，唐其柱*

1武汉大学人民医院心血管内科，武汉 430060，2代谢与相关慢病湖北省重点实验室，武汉 430060

目前，糖尿病心肌病(DCM)已成为一个日益严重的公共健康问题。据报道，1型糖尿病(T1DM)及2型糖尿病(T2DM)患者的心功能障碍患病率分别高达14.5%、35.0%[1-2]。DCM的风险与血糖控制水平相关：糖化血红蛋白(HbA1c)水平每增加1%，T1DM患者的风险增加30%，T2DM患者的风险增 加8%[3]。

糖尿病引起心脏损害的病理生理学机制比较复杂，由多因素造成，目前提出的机制有以下几种：胰岛素抵抗、微血管损伤、亚细胞成分异常、代谢紊乱、心脏自主神经功能障碍、肾素-血管紧张素-醛固酮系统(せAS)改变及适应性免疫反应不良[4-6]。 其中，氧化应激增强是其发生发展的一个关键因素。在糖尿病早期阶段，缺乏胰岛素或胰岛素抵抗会导致心肌细胞代谢改变，从而增加脂肪酸摄取及β氧化，以维持足够的腺苷三磷酸(ATP)生成水平。然而，随着时间的推移，β氧化不能将所有进入细胞的脂肪酸充分代谢，导致细胞内脂质累积及脂毒性。细胞内的脂肪酸浓度升高及线粒体功能障碍，使活性氧(ROS)及活性氮(RNS)的生成增加，这两种物质共同增强了氧化应激及内质网应激，并抑制了自噬[7]。各种ROS或RNS的过量生成是糖尿病相关炎症及心肌重构的核心机制[8-9]。这些效应共同导致心肌细胞死亡、心肌肥厚及炎症，并诱导了细胞外基质(ECM)重构及进行性纤维化[10]。

1 ROS

ROS可定义为含有一个或两个未成对电子的高ROS中心化学物，这些未成对的电子是在体内氧正常新陈代谢的自然副产品中形成的[11]。心肌中最常见的ROS形式有超氧阴离子(O2·)、羟基自由基(OH·)、过氧化物自由基(ROO·)及H2O2(图1)[8]。是细胞中形成的主要ROS，可引发一系列反应，导致生成其他反应物如过氧亚硝酸盐阴离子(ONOO-)，后者可通过脂质过氧化、抗氧化酶失活和蛋白质氧化、硝化及DNA损伤，进而造成细胞损伤[12]。ROS除了造成分子直接损伤外，还可激活细胞损伤的应力敏感通路[13]。

2 心肌中ROS的来源

糖尿病心肌中R O S 的主要来源是N A D P H氧化酶、线粒体、解偶联内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)及黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，XO，图1)[14]。

2.1 NADPH氧化酶 NADPH氧化酶是一个在心血管系统中广泛表达的膜结合酶家族，主要功能是生成ROS[15]。血管紧张素Ⅱ、内皮素-1和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等一系列刺激物均可激活NADPH氧化酶(Nox)[16]。在病理状态下，NADPH氧化酶产生来摧毁入侵的微生物。NADPH氧化酶复合物由膜结合的催化核心[p22phox、一个Nox亚基(通常为Nox1、Nox2或Nox4)]及4个调节亚基(p47phox、p67phox、p40phox及Rac1)组成。心肌细胞中主要的Nox亚基为Nox2及Nox4(图1)[15]。在疾病中，Nox2产生的超氧化物可能具有很大的破坏性，而Nox4产生的H2O2可能对氧化还原调节及Nox信号的特异性产生不同的影响[16]。与糖尿病关系最密切的高血糖、缺氧及细胞因子均可刺激Nox产生ROS[16]。在临床或实验性糖尿病模型中，心血管Nox的活性或表达明显增强。在伴有心肌肥大及纤维化的T1DM患者中观察到NADPH氧化酶Nox1、Nox2亚单位上调，且存在胰岛素抵抗的心肌中也有类似证据[17]。Nox依赖的ROS过量生成在促进高血糖诱导的氧化应激中发挥了核心作用[14]。线粒体和NADPH氧化酶衍生的ROS可增加糖尿病小鼠的心肌细胞凋亡[18]。NADPH氧化酶的上调导致心肌肥大，同时上调促纤维化基因的表达[18]。Nox4定位于线粒体，在代谢性疾病中容易出现功能障碍，在糖尿病心肌中可能起着重要且复杂的作用[19]。

2.2 线粒体 线粒体呼吸链是心脏内ROS的另一个主要来源(图1)。线粒体是氧化磷酸化的部位，可将葡萄糖/游离脂肪酸(FFA)高效代谢为乙酰辅酶A，为线粒体提供高能电子，从而产生丰富的ATP[20]，是这种能量生成途径的副产品[21]。线粒体呼吸过程中产生的少量ROS在非疾病状态下通常被内源性抗氧化剂分解形成水。然而，在病理条件(如心肌衰竭)下，机体抗氧化能力受到损伤，ROS会加速积累，并导致氧化应激增强[22]。线粒体电子传递链在呼吸链的复合体Ⅰ及复合体Ⅲ中生成副产物，而高血糖引起的线粒体电子传递链产生过剩可能是激活DCM进展涉及的所有途径中的第一个关键事件[7,24]。线粒体ROS生成增加可致心肌细胞的线粒体功能障碍，损害ATP生成并诱导细胞死亡，最终导致心肌功能障碍[25]。线粒体ROS的过量产生也促进心肌重构，这是DCM一个重要的细胞标志[14]。

2.4 XO 黄嘌呤氧化还原酶包括黄嘌呤脱氢酶及XO两种可相互转化的形式，它们在嘌呤末端代谢过程中催化次黄嘌呤转化为黄嘌呤，然后再转化为尿酸，从而产生超氧化物(图1)[30]。XO是影响糖尿病血管氧化应激及功能障碍的主要因素，而别嘌呤醇可增强高尿酸糖尿病患者的NO依赖性血管舒张功能[31]。在糖尿病引起心肌重构的小鼠模型中，XO被激活，而别嘌呤醇可抑制XO，进而减轻高血糖引起的肥厚、纤维化、心脏扩张及功能障碍[32]。

图1 ROS与糖尿病心肌病的发病机制Fig. 1 ROS and pathogenesis of diabetic cardiomyopathy

3 氧化应激介导的DCM的改变及其损害

氧化应激在DCM发病机制中的作用主要是对组织和细胞的细胞毒性损伤。糖尿病患者心脏中的ROS生成增加，可直接使脂质过氧化、蛋白质氧化及DNA损伤引起心脏功能障碍，从而导致心肌细胞死亡(图1)[33]。

3.1 脂质过氧化 氧化应激的一个重要生物标志是脂质过氧化(图1)，脂质过氧化是指ROS与生物膜的脂质反应生成脂质过氧化产物，从而导致生物膜的流动性和通透性改变[34]。脂质过氧化可破坏膜脂的双层分子排列，使膜结合受体及酶失活，并可增加组织的渗透性[35]。当氧化损伤程度超过细胞的修复能力时，高水平的脂质过氧化产物可诱导心肌细胞损伤，从而促进DCM的发展[36]。在糖尿病患者心脏中，脂质过氧化可产生高度反应活性的醛类物质，如丙二醛(MDA)及4-羟基壬烯醛(4-HNE)[37]。 有研究显示，糖尿病大鼠心肌中MDA及4-HNE水平均升高，提示过氧化损伤可能参与了DCM的发病机制[34,38]。氧化应激引起的4-HNE水平升高可能通过形成聚合物干扰蛋白质及线粒体等亚细胞细胞器而导致心肌损伤和功能障碍。ROS还可诱导心肌细胞线粒体膜极化，导致内膜通透性增加及ATP耗竭，从而导致心肌细胞死亡[39]。

3.2 蛋白质氧化 蛋白质氧化是ROS增加导致的氧化应激失控的另一个后果(图1)[40]。ROS通过氨基酸侧链及蛋白质骨架的氧化、电荷的改变及交联使蛋白质发生断裂。这些修饰反过来又以不同的方式影响蛋白质，包括其构象、结构、溶解度及对蛋白质水解的敏感性[35]。氧化蛋白损伤可改变抗氧化蛋白酶的功能及结构，从而降低细胞的抗氧化能力[41]。 ROS介导的糖尿病心肌蛋白质氧化修饰可影响膜结构、蛋白质折叠、酶活性、转录因子、兴奋收缩偶联及收缩性，最终导致心肌功能障碍[42-43]。此外，ROS可使糖尿病心肌中参与抗氧化防御的关键蛋白失活，氧化应激增强，从而导致细胞损伤[8]。 研究表明，诱导大鼠糖尿病4周后，O2·明显增加，使细胞抵御氧化应激的第一道防线[包括心肌中的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和还原型谷胱甘肽(GSH)]的防御能力明显降低[44]。研究发现，糖尿病大鼠心肌中蛋白质羰基含量增加，表明蛋白质的氧化增加，可进一步造成心肌细胞损伤，从而导致DCM的发生[45-46]。

3.3 DNA损伤 ROS增加致DNA损伤是DCM发病的主要因素之一(图1)[47]。据报道，高血糖与DNA氧化损伤之间存在明显的相关性[48]。当ROS导致的DNA损伤程度超过细胞的DNA修复能力时，即可发生不可逆的DNA损伤，造成细胞凋亡及死亡[49]。T2DM大鼠的心肌组织中ROS水平增加，进而导致了DNA氧化及碎片增加[50]。多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)在应对严重DNA损伤时被过度激活，可通过减缓糖酵解及线粒体呼吸速度而导致细胞死亡及功能障碍[51]。已有的研究表明，糖尿病心肌中氧化应激介导的DNA损伤及PARP-1过度激活可能是通过激活细胞死亡机制及炎症反应，最终导致心脏损伤的主要因素[52]。氧化DNA损伤诱导PARP-1过度激活可能会导致糖尿病患者心功能不全及心力衰竭进展[53]。此外，氧化DNA损伤可导致DNA修复障碍，进而阻断DNA的复制与转录，造成DNA损伤的富集和基因组不稳定，最终诱发心肌功能障碍。

总之，氧化应激是心血管疾病及糖尿病并发症发生的基础，其中，ROS的生成过量及抗氧化机制失衡是氧化应激的主要原因。糖尿病或高血糖等代谢失衡可增加细胞内ROS的来源，过量的ROS可对蛋白质、脂质及DNA造成损伤，且可明显干扰糖尿病患者正常细胞及分子的生理功能，导致心肌及血管系统的结构及功能异常，进而导致DCM。针对糖尿病ROS生成增多机制的新见解可帮助开发治疗DCM的新药物和方法。这一方向的临床相关转化研究也有助于进一步阐明DCM的潜在机制。