AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的作用研究进展

李泳洁，王江

(新疆医科大学第一附属医院麻醉科，乌鲁木齐 830054)

自2000年开始，糖尿病的患病率迅速增长，预计到2045年，全球20～79岁的糖尿病患者将达6.29亿[1]。心血管疾病是导致糖尿病患者死亡的首要原因[2]。糖尿病性心血管疾病包括许多病理生理过程，如代谢异常、慢性炎症和心肌纤维化等[3]。其发病机制和保护性分子机制已成为近年的研究重点。AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)由α、β、γ三个亚基结构组成[4]。AMPK作为细胞能量代谢的关键调节因子，在糖尿病和肿瘤中起重要作用，也是心血管系统中多个生理过程中潜在的重要治疗靶标[5-6]。在剧烈运动、缺氧或营养缺乏的状态下，增加细胞内AMP和ATP的转运，可导致丝氨酸/苏氨酸磷酸化，进而激活AMPK，达到优化心肌损伤的目的[7]。在心肌缺血再灌注损伤过程中，活化的AMPK对心肌缺血期间发生的心肌细胞适应性应激反应有重要作用。在再灌注过程中，活化的AMPK可调节糖代谢、脂代谢、线粒体功能、内质网应激、细胞自噬和细胞凋亡[7-8]。同时，AMPK也可以通过药物激活，防止缺血再灌注过程中的心肌坏死和收缩功能障碍，这可能作为治疗缺血性心肌病的心肌保护策略[9]。现就AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的作用予以综述。

1 AMPK概述

AMPK是由α、β和γ三个亚基组成的一种进化保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，每个亚基均具有多个同工型，并由不同的基因编码，包括α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3[4]。在心肌组织中，AMP和ATP与γ亚基结合形成复合物后发生构象变化，会促进α亚基的一个重要残基(苏氨酸172)位点磷酸化，激活AMPK[7,9-10]。AMPK的上游激酶包括肝激酶B1和钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶2，其中肝激酶B1介导了心肌线粒体损伤和低能量状态下的AMPK活化；钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶2则通过感应钙离子流直接引起苏氨酸172位点磷酸化，从而将钙信号转导与AMPK调节能量代谢联系起来，最终达到活化AMPK的目的[11]。此外，AMPK通过增加葡萄糖的摄取和葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)的易位在缺血性心肌中发挥保护作用，从而减少细胞凋亡，改善缺血后心肌恢复，有效对抗心肌梗死[12]。同时，活化蛋白C可激活AMPK，保护心肌免受缺血再灌注损伤，并通过抑制c-Jun氨基端激酶信号通路对抗心肌细胞缺氧/复氧期间的炎症反应[13]。

2 AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的作用

在糖尿病缺血性心肌病中，能量平衡紊乱导致心肌收缩功能障碍和细胞死亡，可能与AMPK信号通路密切相关。有研究显示，在胰岛素抵抗动物模型的横纹肌、肝脏和脂肪组织中AMPK的活性均降低[14-15]。给予小鼠高脂饮食喂养，可抑制小鼠心肌中的AMPK活化和葡萄糖代谢[14]。经链脲佐菌素治疗后，胰岛素缺乏小鼠心肌中的AMPK活性降低[15]。用二甲双胍或白藜芦醇治疗胰岛素缺乏小鼠后，可激活AMPK、诱导自噬，改善心脏微血管功能[9,15]。心肌需要ATP维持电兴奋性所需的膜离子梯度和肌原纤维蛋白的收缩功能，当缺血性心肌的氧化代谢减少时，激活AMPK可有效调节心肌葡萄糖吸收和代谢平衡[16]。在心肌缺血状态下，局部心肌收缩力降低导致ATP的需求量减少，但AMPK可通过抑制蛋白质的合成、增强能量的转运，提高心肌能量代谢，有效对抗缺血性心肌损伤[7-8,16]。因此，内源性AMPK通路既具有能量产生作用，又具有能量守恒作用，平衡心肌在缺血再灌注过程中的ATP水平。目前，AMPK保护糖尿病缺血性心肌病的具体作用机制尚未完全阐明，主要通过以下几种方式发挥保护作用。

2.1调节心肌细胞糖代谢 在心肌缺血期间，AMPK介导的GLUT4易位可能通过葡萄糖摄取对心肌起保护作用[12]。有研究表明，AMPK可以通过调节GLUT4维持缺血性心肌的能量稳态[17]。在糖尿病性缺血心肌中，活化的AMPK通过激活细胞内含GLUT4的膜囊泡，与胞内的GLUT4形成复合物后向肌膜转运，促进细胞的葡萄糖吸收；此外，AMPK还可抑制细胞中GLUT4的内吞循环，进一步增加GLUT4在其活性位点的含量，增强AMPK的活化作用[18]。AMPK作为调控能量代谢的关键因子，可调控细胞和全身的能量代谢平衡。在代谢应激状态下激活AMPK，可促进葡萄糖摄取，抑制脂肪酸合成，有助于提高胰岛素敏感性[19]。活化的AMPK通过增加葡萄糖的利用和糖酵解，进而增加ATP的产生，其中糖酵解的ATP具有维持膜离子梯度的功能，这对于保持细胞的功能和生存力均非常重要[8,17]。在心肌缺血期间，AMPK可通过抑制糖原合酶的活性抑制糖原的合成，既减少了ATP的消耗，同时又可间接促进能量代谢期间的糖原转运[19]。AMPK活化可在心肌缺血再灌注损伤状态下通过与胞膜上GLUT4的结合转运，加强心肌葡萄糖的摄入，减轻内质网应激，抑制心肌细胞凋亡，从而对抗心肌缺血再灌注损伤[12,20]。同时在心肌缺血再灌注状态下，AMPK通过促进葡萄糖摄取和糖酵解、抑制合成代谢过程、保持再灌注期间线粒体完整性、刺激心肌细胞生存而发挥心肌保护作用[20]。作为一种早期的适应性机制，AMPK可通过促进糖酵解产生ATP来维持细胞膜离子梯度，保持细胞功能，维持心肌能量平衡；同时，其还可通过激活细胞内含有GLUT4的膜囊泡向肌膜的转运，促进细胞葡萄糖的吸收[12]。此外，心肌缺血再灌注损伤还可促进糖酵解和葡萄糖氧化的有害解偶联，导致心肌内产生大量的乳酸和质子，致使心肌发生酸中毒和有害的钙超载反应[19]。

2.2调节心肌细胞脂代谢 脂肪酸是心肌生理条件下的优先能量来源，AMPK可促进脂蛋白脂酶从胞质转运至血管内皮细胞，在血管内皮细胞中催化三酰甘油转化为脂肪酸[21]；随后，AMPK通过转运蛋白CD36促进脂肪酸代谢，使乙酰辅酶A羧化酶磷酸化，并降低细胞内丙二酰辅酶A水平[22-23]。脂肪酸代谢产生的ATP在正常心肌细胞有氧反应中占比较大，活化的AMPK通过促进脂肪酸的摄取和氧化，增加脂蛋白脂酶从心肌细胞到心肌血管内皮细胞表面功能位置的转运；而活化的脂蛋白脂酶也可通过促进脂肪酸的释放，进而促进脂肪酸代谢，提高能量的运用[20]。因此，AMPK具有促进心肌细胞摄取以及利用心肌脂肪酸的双重作用。活化的AMPK对于线粒体中胞质脂肪酸的产生也至关重要，AMPK磷酸化并灭活乙酰辅酶A羧化酶，导致细胞内的丙二酰辅酶A水平降低，由于丙二酰辅酶A是肉碱棕榈酰转移酶1的负调节剂，因此活化的AMPK可有效减少肉碱棕榈酰转移酶1的抑制并促进脂肪酰基肉碱进入线粒体[24]。在有氧状态下，AMPK通过促进脂肪酰基肉碱进入线粒体这种机制加速脂肪酸的氧化，促进心肌细胞的脂代谢[23]。在局部缺血的情况下，脂肪酸氧化会受缺氧条件的限制，但当再灌注过程中恢复氧的输送时，AMPK则会加速脂肪酸的氧化[23-24]。因此，AMPK对糖尿病缺血性心肌病患者心肌细胞脂代谢保护作用的具体机制仍需大量试验验证。

2.3调节心肌细胞氧化应激 心肌内氧化与抗氧化作用失衡导致大量的活性氧类(reactive oxygen species，ROS)产生，而大量的ROS产生被认为是参与心肌缺血再灌注损伤的重要机制之一[25]。有研究发现，AMPK参与了抗氧化酶(硫氧还蛋白还原酶2、超氧化物歧化酶以及谷胱甘肽过氧化物酶等)的转录调节过程[26]。AMPK可通过抑制下游因子c-Jun氨基端激酶的活化，抑制线粒体膜通透性转换孔开放，减少ROS的生成和氧化应激，进一步减轻缺血心肌损伤[13,27]。同时，AMPK也可通过间接抑制心肌细胞中的ROS产生达到对抗心肌缺血再灌注损伤的目的。有研究表明，二甲双胍和活化的AMPK可通过维持能量供应和抗氧化应激对抗心肌缺血和缺血再灌注损伤；在H9C2心肌细胞中，二甲双胍通过AMPK/c-Jun氨基端激酶信号通路减弱了心肌细胞高糖培养条件下缺氧/复氧诱导的细胞损伤、线粒体功能障碍、ROS的过度生成和炎症反应[28]。另有研究表明，使用二甲双胍上调AMPK的表达后，可减小大鼠心肌缺血再灌注损伤后的梗死面积；而通过增加AMPK磷酸化，在再灌注前15 min注射二甲双胍可使大鼠的心肌梗死面积减小40%～50%[29]。因此，通过激活糖尿病缺血性心肌的AMPK、减少氧化应激可有效减轻缺血心肌损伤，但其具体作用机制需进一步探讨。

2.4调节心肌细胞自噬自噬是细胞维持动态平衡、调节能量来源和分配能量效应的一种自我降解过程[30]。AMPK活性降低和心肌细胞自噬减少是糖尿病缺血性心肌病发生、发展的关键。自噬通过降解不需要的蛋白质，将胞质内容物运送至溶酶体进行降解，降解后的产物再被运回细胞质内进行生物合成或产生能量[30]。自噬作为一种细胞自身防御机制，还可恢复线粒体功能并清除过量产生的ROS，发挥对心肌细胞的保护作用，通过激活AMPK及其下游因子内皮型一氧化氮合酶和过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α，显著改善心肌细胞中线粒体的呼吸功能和ATP的合成[30-31]。有研究表明，在心肌缺血期间，AMPK被激活后，适当的自噬可减小心肌梗死面积、抑制心肌细胞凋亡，改善再灌注后心肌功能；作为细胞生长、增殖的重要调节因子，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)参与了细胞的营养平衡和生长；在充足的营养条件下，mTOR通过抑制部分自噬促进细胞生长；在营养不足的条件下，mTOR失活导致自噬增强[32]。mTOR作为mTOR复合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的抑制剂，可以促进细胞自噬，从而提高细胞存活率，起到心肌保护作用[31]。Yu等[30]证明，AMPK可通过抑制mTORC1的活性增强心肌细胞自噬，从而对抗缺血性心肌损伤；同时，AMPK也可使mTORC1与结节性硬化复合物蛋白2磷酸化，从而抑制mTORC1活性，促进细胞自噬。除了通过抑制mTORC1间接增强细胞自噬外，AMPK还可通过磷酸化Unc-51样自噬激活蛋白激酶1复合物直接诱导自噬[32]。可见，活化AMPK可通过直接或间接方式诱导自噬在糖尿病性心肌缺血再灌注损伤中的保护作用。

2.5抑制心肌细胞凋亡 凋亡是细胞死亡的一种能量依赖过程，其特征是细胞特定的形态和生化改变，这些变化导致细胞的组织破坏，包括细胞收缩、染色质浓缩和凋亡小体形成；此外，凋亡还是一个高度调控的过程，细胞膜上的凋亡小体或线粒体通透性的增加可以促进细胞的凋亡，细胞凋亡失调与人体各个器官，特别是心肌的病理改变有关[33]。而AMPK作为细胞凋亡的重要调节剂，既可促进细胞凋亡又可对抗细胞凋亡[34-35]。有研究表明，AMPK在包括胰腺肿瘤细胞、肝细胞和血管平滑肌细胞在内的各种细胞中发挥促凋亡作用[34]。在新生大鼠心肌细胞中，学者发现缺血诱导的AMPK激活可导致p38促分裂原活化的蛋白激酶信号通路介导的Bcl-2相关X蛋白易位，进而使促凋亡蛋白从细胞质进入线粒体诱导细胞凋亡[35]。以上研究表明AMPK激活与凋亡相关，但另有研究发现AMPK激活可保护心肌细胞免于凋亡[36-37]。在缺血性心肌中，AMPK的激活能够预防由应激产生的心肌细胞凋亡，如ROS的产生、缺氧环境、脂肪酸代谢和缺血再灌注损伤[36]。有研究表明，在心肌AMPK活性降低的小鼠模型的缺血再灌注过程中，细胞凋亡加剧，而恢复AMPK激活可以抑制细胞凋亡[37]。同样，AMPK失活可导致心肌细胞凋亡。如二甲双胍对AMPK的药理激活可以消除异丙肾上腺素诱导的细胞凋亡以及氧化应激引起的心肌细胞凋亡[15]。此外，AMPK激动剂氨基咪唑-4-羧酰胺核糖核苷和二甲双胍对AMPK的激活还可减少细胞凋亡并减慢糖尿病性心肌病的进展[38]，进一步证明了AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的重要性。可见，AMPK在介导心肌细胞凋亡中起重要作用，且AMPK激活可以保护糖尿病缺血性心肌免受应激诱导的细胞凋亡。

3 小 结

激活AMPK在糖尿病缺血性心肌病中发挥重要作用，但其具体作用机制目前尚不明确。AMPK能否成为治疗糖尿病缺血性心肌病的重要靶标，仍有一些问题需要解决：①AMPK具有许多亚型，且在全身各个器官、组织中均有表达，导致AMPK激动剂由动物实验转化为临床试验更加困难；②AMPK信号通路非常复杂，未来还需大量研究证实激活AMPK在其他通路中的作用；③AMPK活化持续的时间和程度是否会对器官和组织造成不利影响也有待继续研究。因此，AMPK在糖尿病缺血性心肌病中的具体作用机制以及如何通过调节AMPK改善糖尿病缺血性心肌病患者的预后，将成为未来研究发展的方向。