钙离子稳态的调控在糖尿病相关心房颤动中的作用

高婧晗 刘飞 杨晓蕾 夏云龙

(大连医科大学附属第一医院，辽宁 大连 116011)

糖尿病是最常见的慢性病并且是心血管疾病的主要危险因素[1]，可明确增加心房颤动(房颤)的发生风险，研究表明糖尿病患者比非糖尿病患者发生房颤的风险高约40%[2]，并且糖尿病与房颤患者症状的严重程度和远期生存质量密切相关[1]。同时，糖尿病患者合并房颤发生脑卒中和心力衰竭等并发症的风险显著高于未罹患糖尿病的患者[3]。另一方面，糖尿病合并房颤的患者大约有1/3预后不良，且死亡率明显高于不合并糖尿病的患者[4]。

糖尿病诱发房颤的机制包括心房结构重构及心房电重构，且两者之间相辅相成，相互影响[5]。心房结构重构的主要表现包括心房扩大和心房间质纤维化[6]。其中，心房间质纤维化可导致心房传导延迟和折返环路的形成[7]。另一方面，心房结构重构的发生往往伴随着电学特征的改变[8]。主要表现为快速心房搏动引起心房肌动作电位时程(action potential duration，APD)及心房有效不应期(atrial effective refractory period，AERP)的缩短、AERP频率适应性下降等[9]，进而导致一系列心律失常的发生。研究表明，细胞内外钙离子稳态的失衡是导致房颤发生和发展的重要原因[10]。近些年越来越多的研究表明，钙离子稳态的异常在糖尿病相关房颤的发生和发展中起关键作用[11]。现综述钙离子稳态的调节失衡在糖尿病患者发生房颤的发病机制方面的相关进展(见图1)。

注：RyR2：雷诺丁受体2；PLN：受磷蛋白；SERCA2a：肌浆网钙离子ATP酶2a。图1 钙离子在调控糖尿病相关房颤中的作用机制

1 钙调蛋白激酶Ⅱ在糖尿病患者中诱发房颤的发生机制

钙离子主要来源于肌浆网钙离子的释放和经细胞膜L型钙通道对细胞外钙离子的摄取[10]。钙离子浓度主要受钙调蛋白信号通路的调节，研究表明，高血糖可引发心肌细胞内钙泵功能的降低，导致心肌细胞内钠钙交换增加和钙通道的激活，进而使得细胞内钙离子浓度升高，从而增加细胞内钙离子和钙调蛋白(calmodulin，CaM)结合的概率，激活CaM和Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase，CaMK)，导致钙调蛋白信号通路的过度激活[12]。同时研究表明，急性高血糖可引起N-乙酰氨基葡萄糖对CaMKⅡ进行共价修饰，从而自动激活CaMKⅡ，进一步促进钙调蛋白信号通路的激活[13]。因此，CaMKⅡ在糖尿病患者发生房颤的作用机制中起重要作用。

1.1 CaMKⅡ对雷诺丁受体的调控作用

钙离子与CaMKⅡ结合后，可激活肌浆网上的雷诺丁受体(ryanodine receptor，RyR)，从而促进钙离子进一步从肌浆网上释放，引发钙诱导钙释放的发生[14]。研究表明，CaMKⅡ的过度激活，增加了RyR的开放频率，从而使得房颤中肌浆网自发性钙释放增加，引起细胞内钙超载[15]。有实验证明，在糖尿病大鼠的心肌细胞中可观察到RyR2激活增强导致的自发性的钙释放[16]。同时高糖饮食的大鼠，CaMKⅡ诱导的RyR2磷酸化程度相比于正常饮食的大鼠明显增加，而RyR2磷酸化会增加肌浆网钙离子泄漏，使得细胞内钙离子浓度增高，促进房颤的发生[17]。因此，CaMKⅡ抑制剂成为糖尿病患者治疗房颤等心律失常的潜在治疗策略[18]。

1.2 CaMKⅡ对肌浆网钙离子ATP酶2a的调控作用

研究表明，CaMKⅡ通过特异性调控受磷蛋白(phospholamban，PLN)磷酸化进而影响肌浆网钙离子ATP酶2a(sarcoplasmic reticulum Ca2+ATPase，SERCA2a)的活性，因此，PLN是CaMKⅡ的特异性磷酸化位点[18]。PLN可与SERCA2a相互作用并抑制其活性，从而抑制钙离子通过SERCA2a进入肌浆网，同时研究表明PLN的磷酸化状态会影响SERCA2a的活性[19]。实验表明磷酸化的PLN通过与心肌细胞内钙离子结合，进一步触发了自发性钙离子释放，促进细胞内钙离子浓度升高，引发钙超载，从而引起房颤等心律失常的发生[18]。研究表明，SERCA2a在糖尿病小鼠模型的心肌内表达明显降低[20]，这与肌浆网对钙离子的摄取减少密切相关[21]。同时，也有研究表明在糖尿病心肌细胞中，总体上SERCA2a水解ATP和转运钙离子的能力相比于正常心肌细胞显著降低[22]，从而引起细胞内钙离子浓度异常，引发房颤等一系列心律失常。

2 L型钙通道在糖尿病心肌病中对钙稳态的调控

心房电重构主要涉及L型钙通道功能改变以及电压依赖性L型钙通道蛋白的失活[10]。研究表明，糖尿病导致的病理损伤可引起离子通道发生改变[11]。有实验研究表明，高糖状态可引起L型钙通道表达减少[23]，引起细胞内钙离子浓度异常，使得APD缩短，导致异常的心房电冲动和糖尿病相关性房颤的发生。另一方面，糖尿病大鼠心肌细胞在舒张期肌质网钙离子储存减少[23]，而房颤发作时出现的快速心房收缩，使得肌浆网钙离子摄取异常，进一步促进了细胞内钙超载的发生[24]。由于细胞内钙离子的升高，心房肌细胞进一步下调L型钙通道蛋白的表达[25]，引起钙电流密度进一步降低[23]，导致APD和AERP缩短，进而导致心房传导速度降低和折返激动得以维持，促进了房颤的发生和发展[10，26]。此外，房颤发作时不仅下调L型钙通道蛋白的表达，还可通过蛋白的去磷酸化、促进通道蛋白降解等途径来降低L型钙通道的功能和活性，进一步抑制了钙离子内流[27]。

3 小分子核糖核酸在糖尿病心肌病中对钙稳态的调控作用

小分子核糖核酸(microRNA，miRNA)参与了包括细胞凋亡、细胞增殖等在内的生命活动。近些年，研究表明miRNA的表达失调可导致多种离子通道表达异常，最终导致心房重构[10]。而糖尿病对于miRNA的表达具有重要调控作用。miRNA通过与Argonaute蛋白家族结合形成RNA诱导沉默复合体[28]，使得目标mRNA的翻译水平下降，从而抑制目的基因的表达。

miRNA-1是心脏中表达量最高的miRNA。miRNA-1的过度表达可抑制细胞L型钙通道的表达，促进房颤的发生[29]。研究表明，糖尿病的细胞高糖状态导致的细胞毒性作用，可引起心肌细胞miRNA-1过度表达[30]。miRNA-1过度表达会促进RyR2的磷酸化，使得细胞内钙离子释放增加，引起细胞内钙离子浓度异常，引起房颤等心律失常的发生[28]。同时研究表明，在糖尿病兔心脏中miRNA-133水平显著上调[30]，miRNA-133过度表达可抑制蛋白磷酸酶的活性，导致RyR2过度磷酸化，引起肌浆网钙离子释放增加和钙超载的发生，增加发生房颤等心律失常的风险[29]。另一方面，miRNA-133的过度表达能降低心肌细胞葡萄糖转运蛋白4水平，降低胰岛素诱导的葡萄糖水平，导致心肌细胞中葡萄糖摄取减少[30]。故而miRNA-1和miRNA-133的过度表达，可引起RyR2过度磷酸化，进而细胞内钙释放增加，导致房颤的发生与发展[31]。

因此miRNA可能参与了糖尿病患者房颤诱导的心房电重构，引起细胞内钙稳态异常，导致持续性房颤的发生[32]。故而针对miRNA的特异性治疗成为了抗心律失常治疗的潜在靶点。有研究证明，在转基因小鼠中磷酸化向去磷酸化的转化可能具有抗心律失常的作用，这些结果表明，心律失常事件的增加可能是由于miRNA-1和miRNA-133介导的RyR2磷酸化的结果，这为建立特异性miRNA-1和miRNA-133治疗靶点提供了理论基础[31]。

4 展望

糖尿病是目前最常见的慢性疾病之一，可明显增加房颤的发生风险，并且两者常常合并存在，严重威胁人类的生命健康。糖尿病不仅会增加房颤患者的死亡率，并且会降低患者远期生存率，降低长期生存质量。糖尿病通过调控离子通道异常和CaMKⅡ的过度激活，引起细胞内钙离子稳态异常，进而导致房颤的发生。另一方面miRNA介导的钙离子通道表达异常和CaMKⅡ介导的SERCA2a表达的减少，也在细胞内钙离子稳态失衡中发挥了重要作用。但关于具体的分子调控机制以及潜在的治疗靶点仍需进一步的研究。