糖尿病心肌病中离子通道研究进展

刘倩茹，汤依群

(中国药科大学基础医学与临床药学学院临床药学教研室，江苏 南京211198)

在全球十大死因中，糖尿病位列其中。高血糖引起一种复杂、异质性的慢性代谢性疾病。超过50%的糖尿病患者死亡的原因是由于心血管疾病并发症，比如糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)。在没有冠状动脉疾病的情况下，糖尿病性心肌病也会引起心肌功能和结构的改变[1]。糖尿病心肌病通常以左室肥厚和舒张功能障碍为特征,随后是收缩功能障碍，动作电位持续时间延长和心率降低，最后是不明机制的临床心力衰竭。这些变化的机制包括高血糖、全身和心脏胰岛素抵抗等，而发生在疾病后期的收缩期功能障碍，可能是DCM进展导致的舒张功能障碍和心脏顺应性下降所致。此外糖尿病性心肌病可观察到间质纤维化、炎症和心肌细胞肥大等光镜特征。糖尿病患者心律失常和心源性猝死的发生与糖尿病心脏电生理变化密切相关[2-3]。本文就离子通道在糖尿病心脏电生理紊乱中的作用作综述，为糖尿病心肌病电生理紊乱的分子机制提供了依据，有助于发展诊断方法和治疗策略。

糖尿病患者发生心律失常、心室颤动或猝死概率较高，心电图有明显变化，多与心室复极有关[4]。糖尿病患者比正常人心率高，心电图电位振幅低，波反转多。糖尿病导致心脏性猝死，这可能与QT间期增加及心室动作电位时程(action potential duration，APD)延长有关[5]。在形成动作电位的过程中，参与其中的离子通道有钠离子、钾离子和钙离子。初始去极化相位是由外向内的Na+电流产生的，在随后的复极化和平台阶段，K+电流和L型Ca2+电流参与。钾离子通道的活性是动作电位(AP)持续时间的主要决定因素，因为它限制了去极化时间、不应期以及Ca2+介导的收缩时间[4,6]。

1 钾通道与糖尿病心肌病

钾离子通道是分布最广的一种离子通道，它跨越细胞膜，在许多细胞中起设定或重置静息电位的作用。钾离子通道可调节各种细胞过程，钾离子通道功能异常或紊乱可导致疾病，如糖尿病[7]。由于糖尿病引起的复极钾电流减少，导致心脏AP持续时间延长，而在心肌细胞所有跨膜离子电流中，ItoK+电流主要负责AP的形成，主要参与早期复极化阶段。hERG基因编码了快速延迟整流钾电流的通道(Ikr)，它对AP的3期复极化至关重要，若出现功能障碍，会引起心律失常，有研究表明，hERG受高血糖、肿瘤坏死因子、神经酰胺和活性氧等糖尿病组织中积累的细胞代谢物负调控。也有报道称胰岛素代谢影响hERG表达和ⅠKr/hERG功能，胰岛素很可能通过不同的机制来调节不同的离子通道[8-10]。

关于糖尿病对心肌钾电流的影响有两个假说。第一种假说是由于胰岛素缺乏，影响了大量蛋白质的基因表达，其中包括钾通道蛋白。在特异性心肌细胞胰岛素受体敲除小鼠模型中，受损的胰岛素信号导致在心室复极中K+通道的mRNA和蛋白表达显著减少。减轻的Ⅰto反过来导致心室AP延长和心电图QT间期延长[11]。第二种假说认为，糖尿病患者心脏Ⅰto降低的原因是糖代谢缺陷。在代谢增强剂如左旋肉碱、谷胱甘肽或丙酮酸盐孵育6 h后，糖尿病心肌细胞的钾电流逆转至正常水平，支持了这一假设[12-13]。肾素-血管紧张素系统的激活也在非胰岛素依赖型糖尿病大鼠中得到证实，并且随着血管紧张素Ⅱ水平的增加，Ⅰto降低。而抑制血管紧张素Ⅱ的产生或作用可逆转糖尿病患者Ⅰto的减少[14]。在链脲佐菌素诱导的1型糖尿病大鼠的心室肌细胞中，与血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂缬沙坦孵育后，降低的Ⅰto显著增加。且当自突变db/db小鼠的心室肌细胞与缬沙坦一起孵育可以逆转Ⅰto的降低[15]。这些结果证实了心肌细胞含有在糖尿病中被激活的局部肾素-血管紧张素系统。实验结果表明通过阻断血管紧张素Ⅱ的形成或作用，可以消除在慢性释放时对离子电流和AP的影响。

hERG基因编码快速延迟整流钾通道，hERG通道异常表达或hERG功能受损是获得性长QT综合征(LQTs)的主要原因，该综合征易使个体发生心律失常或猝死。生物学上，hERG形成钾通道的作用是调节细胞内动作电位的持续时间，引起细胞内一系列的生化反应。既往研究报道hERG通道异常表达与糖尿病心肌病密切相关，但其机制仍有争议。糖尿病心肌病伴随着氧化应激的加重，研究发现ROS的过量产生可抑制hERG电流，hERG电流降低可通过hERG蛋白表达降低引起，这些最终会引起心肌缺血、心力衰竭和糖尿病性心肌病的QT间期延长[16-17]。在四氧嘧啶诱导的糖尿病家兔中，ⅠKr电流和hERG表达显著降低，QT间隔延长，而在糖尿病心肌细胞中ⅠKr电流的激活和失活动力学并没有改变[10,18-19]。此外在糖尿病家兔中发现了几种K+电流下降，包括瞬时外向K+电流(Ⅰto)，快速延迟整流K+电流(ⅠKr)，缓慢延迟整流K+电流(ⅠKs)[18]。此外糖尿病犬的ⅠKs电流也降低[20]。但以链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠模型发现瞬时外向钾电流(Ⅰto)密度显著增加，其可能原因是，在家兔中Ⅰto主要由Kv1.4通道介导，而不是像大鼠、犬和人那样由Kv4.3通道介导[15]。

2 钠离子与糖尿病心肌病

Na+离子在细胞中发挥着重要作用，如AP的上升期、Ca2+循环(NCX)、代谢过程(Na+-葡萄糖共转运体)和调节细胞内pH(Na+/H+交换器)[21-23]。心肌细胞钠电流是心肌细胞产生动作电位去极化的主要组成部分，心肌细胞上的钠离子通道受到刺激时发生去极化，当细胞膜电压去极化达到阈电位时，钠离子通道大量激活，引发大量钠离子内流，使得心肌细胞内的钠离子浓度不断增加，形成心肌细胞动作电位的上升支，产生兴奋[24-25]。早期研究表明，与DCM相关的NaV通道没有显著变化，而最近的研究显示糖尿病心肌细胞的ⅠNa电流改变。研究发现糖尿病兔心室的ⅠNa电流振幅显著下降，而通道动力学没有改变。并且在4周糖尿病大鼠心室肌细胞的ⅠNa电流没有变化，而在7～8周时显著下降[25-27]。

3 钙离子与糖尿病心肌病

现已在1型和2型糖尿病中均有证明，细胞内Ca2+失调是DCM明确的并发症，并且胞质钙的积累在恶性心律失常中起着关键的诱导作用[16]。表现在Ca2+瞬态增加，这可能与SR中Ca2+含量减少、释放和吸收减少以及L型Ca2+通道和NCX通道活性降低有关[28]。

其中NCX 是钠钙交换体，它们可介导细胞内Ca2+外流，从而维持细胞内 Ca2+稳态，其中 NCX1 在心脏中大量表达。NCX1通过将 3 个 Na+和 1 个 Ca2+进行交换来维持心肌细胞内外的 Ca2+平衡，它有两种工作模式，正向模式为排出 Ca2+，而反向模式为吸收 Ca2+，排出 Na+。在稳态条件下，正向模式 NCX 几乎去除所有在去极化过程中进入细胞的Ca2+，此电流与心律失常密切相关[29]。研究发现，链脲唑菌素诱导的糖尿病大鼠心室肌细胞，NCX电流显著减少，且NCX1蛋白和mRNA水平下降，而胰岛素治疗可预防NCX电流的降低及蛋白和mRNA水平的降低[30-33]。

此外STZ大鼠心肌细胞中的L-Ca2+电流也减少，糖尿病患者L-Ca2+电流密度小于正常心肌细胞[34]。在糖尿病家兔模型中心脏L型Ca2+电流峰值幅度降低，失活动力学减缓[18]。

导致DCM中L-Ca2+电流减少的机制可能是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt途径[35]。PI3K/Akt通路的激活可使L-Ca2+电流增加，由于糖尿病，该通路被下调，这种降低使得糖尿病心肌细胞中L-Ca2+电流减少[36]。研究表明，PI3K/PIP3/Akt途径通过提供LTCC CAVβ2亚单位的磷酸化来发挥作用[37]。PI3K是一个大分子家族，其中PI3Kα属于Ⅰ类，是心肌细胞LTCC激活的主要介质之一。在PI3Kα-空细胞中由于LTCC的下调，L-Ca2+电流密度降低[38]。现已证明用输注PIP3激活Akt可以逆转钙电流的降低，并且CaVβ2磷酸化可以保护CaV1.2成孔亚单位免受蛋白水解酶降解[39]。另一方面PI3K缺乏时横管破坏，而LTCC主要位于横管，因此钙电流密度降低，细胞内Ca2+瞬变减少[40]。

以上机制导致了钙瞬态增加，胞浆内钙超载，心肌的兴奋性和收缩功能产生障碍，导致出现严重的心律失常，更有甚者心衰。

4 TRPM7与糖尿病心肌病

在糖尿病性心肌病中可观察到间质纤维化，也可称为代偿性纤维化，它在肌细胞坏死和肌原纤维逐渐消失后,由细胞间结缔组织胶原合成增多而引起。纤维化增加可导致心室僵硬，最终导致舒张和收缩功能障碍[41]。病理性心脏纤维化主要由肌成纤维细胞主导，肌成纤维细胞是激活的成纤维细胞，其特征是过度生产生长因子、细胞因子、趋化因子、蛋白酶和细胞外基质(ECM)蛋白[42]。而TRPM7是一种重要的促纤维化介质，可促进成纤维细胞的增殖和分化，增加Ⅰ型胶原等ECM的合成[43]。TRPM7在成人心脏高表达,TGF-β1可诱导心房成纤维细胞向肌成纤维细胞转化，同时上调TRPM7[44]。

瞬时受体电位(TRP)通道，主要包含6个亚家族：TRPA、TRPC、TRPM、TRPV、 TRPML、TRPP。其中TRPM亚家族在各种生理和病理情况中起着至关重要的作用[45]。TRPM7具有蛋白激酶和阳离子通道双重功能，对Ca2+和Mg2+具有通透性。TRPM7参与了心脏纤维化过程中的氧化应激。TRPM7可被与氧化应激相关的疾病激活，如阿尔茨海默病、缺氧、缺血/再灌注损伤和糖尿病等。在缺氧、H2O2等氧化应激及促炎因子脂多糖刺激下，心肌成纤维细胞中 TRPM7 蛋白表达显著升高，胞内钙离子浓度升高，且心肌成纤维细胞表现出较强的增殖、分化和胶原分泌能力[45-46]。本实验室先前的研究表明，在体外和体内，异丙肾上腺素(ISO)诱导的心脏纤维化中，TRPM7的表达和电流均上调[47-48]。而TGF - β1可以通过磷酸化下游Smad2/3来促进心脏纤维化，而激活的Smad7可以通过触发TGF - β受体Ⅰ和Smad蛋白降解来改善纤维化[49]。

当给予TRPM7抑制剂2-APB或者用siRNA沉默TRPM7后，可明显降低成纤维细胞内的钙离子浓度，从而可抑制心肌纤维化。但目前关于TRPM7与糖尿病心肌病相关报道较少，有待进一步研究。

5 结语与展望

糖尿病心肌病是不容忽视的疾病，独立于冠心病和高血压，并且病人发生心律失常、心室颤动或猝死概率较高。糖尿病患者心功能和心电图的异常大多与离子通道的改变有关，通道蛋白物理特性改变和表达改变来影响通道的振幅和动力学。本综述结合动物模型与临床表型分析，希望通过对离子通道的分析讨论，为治疗DCM以及药物研究提供理论依据。