恩格列净保护心肌及调控线粒体功能的机制研究

李永光，徐伟泽，魏钧伯，沈成兴

(1.上海交通大学附属第六人民医院心内科，上海 200233； 2.承德医学院临床医学系，河北 承德 067000)

研究显示，糖尿病可导致心力衰竭的发生率增加2～4倍，且糖尿病心肌病变在2型糖尿病患者中普遍存在，因此正确使用具有心肌获益的降糖药物十分重要[1]。二甲双胍、胰高血糖素样肽-1受体激动剂和钠-葡萄糖协同转运蛋白(sodium-dependent glucose transporter，SGLT)2抑制剂均具有心血管保护作用[2]。SGLT2主要定位于近曲小管的S1段近端小管上皮细胞的刷状缘膜中[3-4]。SGLT2位于第16号染色体p11.2着丝粒附近[5]，首次与糖尿病有关的报道见于1994年[6]。SGLT2在糖尿病患者、大鼠和db/db小鼠中的表达均显著增加，且与肾小球滤过、葡萄糖重吸收以及血糖升高相关[7]。而抑制SGLT2表达可导致渗透性利尿、血浆容量收缩、葡萄糖重吸收减少以及血浆葡萄糖浓度降低等[8]。虽然在心肌细胞和心脏中未检测到SGLT2，但SGLT1在人、大鼠和小鼠的心脏及心肌细胞中均高表达，甚至在心肌缺血、心肌肥厚、心力衰竭和糖尿病心肌中表达上调，然而，目前尚无SGLT2抑制剂与SGLT1之间关系的研究报道[9]。此外，多项大规模、随机对照试验证据表明，SGLT2抑制剂除了对糖尿病患者血糖水平、体重、血压和蛋白尿等参数产生有益影响外，还可降低心血管疾病和心力衰竭的发生风险[10-13]。现就SGLT2抑制剂恩格列净保护心肌及调控线粒体功能的机制予以综述。

1 恩格列净在保护心肌方面的作用

SGLT2抑制剂保护心脏的潜在机制主要包括预防心脏炎症和氧化应激、拮抗细胞凋亡、保护离子稳态以及改善线粒体功能等[7]。Durak等[14]对另一种SGLT2抑制剂达格列净相关的心脏保护提出了新见解，即SGLT2抑制剂不一定依靠SGLT2起作用。此外，将达格列净用于射血分数降低的心力衰竭患者，可降低心力衰竭导致的死亡风险[15]。另有研究显示，恩格列净除可改善血糖参数外，还有助于改善脂质代谢、降低收缩压，在利尿的同时又不影响心率[16-17]。

1.1心肌梗死 恩格列净在糖尿病患者心肌梗死中的作用证据较充分。如有研究显示，恩格列净可改善糖尿病心肌梗死患者心肌左心室短缩分数、缩小心肌梗死面积；同时，恩格列净还可降低动物体重、血糖和平均动脉压水平，但胆固醇、三酰甘油和晚期糖基化终末产物水平保持不变[17]。研究表明，恩格列净可通过降低诱导型一氧化氮合酶的表达和脂质过氧化作用改善心功能、减少梗死面积，同时还可改善氧化还原反应，其作用机制与信号转导及转录活化因子3的抗氧化和抗炎作用有关；而信号转导及转录活化因子3水平增加的同时还伴有丙二醛水平降低以及心肌诱导型一氧化氮合酶和白细胞介素-6表达下调，同时恩格列净还可抑制心肌纤维化以及自噬，从而对心肌梗死后的心肌重构起保护作用[17-18]。此外，恩格列净还可保护心肌梗死造成的急性肾损伤，改善糖尿病心肌梗死患者的预后[19]。SGLT2抑制剂可降低主要不良心血管事件的发生率，但对不稳定型心绞痛的发生无作用[20]。还有研究提示，SGLT2抑制剂的应用可降低心力衰竭入院率及心肌梗死的发生率[21]。

1.2心力衰竭 恩格列净在心力衰竭中也具有重要作用。研究证实，恩格列净不仅可调控2型糖尿病患者的尿糖排泄，还可使心血管死亡的相对风险降低38%，同时使因心力衰竭住院的风险降低35%，伴或不伴糖尿病患者的心力衰竭首次住院或心血管死亡复合终点风险降低；这不仅归因于患者血糖、体重及血压的改善，还有其他机制参与其中，但具体机制目前尚不清楚[22-23]。在糖尿病心肌中，脂质过氧化产生的4-羟基壬烯酸表达水平升高，而恩格列净可通过抑制心肌钠氢交换器-1表达、促进线粒体能量代谢，改善线粒体氧化程度，使心肌细胞坏死、肥大程度降低，从而增强其收缩力；恩格列净还具有抗炎作用，可使瘦素水平降低、脂联素水平升高，从而抑制纤维化程度；此外，恩格列净也可使机体间质液减少，从而促进酮体的生成和利用[24]。而Shao等[7]发现，应用恩格列净处理后，糖尿病大鼠射血分数改善，但左心室重构被显著抑制。还有研究者给予3例扩张型心肌病患者恩格列净，每日1次，每次25 mg，共28 d，并于恩格列净治疗前和治疗第28天进行心脏评估(包括心力衰竭指标、容量状态、肾功能、超声心动图和心内膜活检)，结果显示，恩格列净并不全部有效，其效果取决于沉默信息调节因子3(silent information regulator 3，SIRT3)基因是否突变[25]。该研究提示，恩格列净可以作用于心力衰竭，但并不是对所有的心力衰竭均有效。

1.3心房颤动 恩格列净在心房颤动中的作用仍存在争议。糖尿病是心房颤动的重要危险因素，而恩格列净可改善线粒体功能、调控线粒体合成，从而参与高脂饮食/链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠心房重构和电重构；恩格列净治疗可通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α/核呼吸因子-1/线粒体转录因子A信号转导通路减少糖尿病相关的心房颤动[7]。但另有研究显示，使用SGLT2抑制剂与使用安慰剂治疗的糖尿病患者心房颤动发生率比较差异无统计学意义[20]。因此，对糖尿病患者进行深入的系统研究可以更好地理解SGLT2抑制剂在心房颤动中的潜在应用价值。

1.4其他 恩格列净在心血管的其他方面也具有一定作用。研究表明，恩格列净可通过调控线粒体功能激活AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)，从而恢复AMP/ATP比值，进而抑制动力相关蛋白1 S616磷酸化、增加动力相关蛋白1 S637磷酸化，改善线粒体功能，保护心肌细胞，而持续内皮型一氧化氮合酶磷酸化和内皮依赖性舒张可改善微血管密度和灌注[16]。以上研究提示，恩格列净在治疗糖尿病微血管病变中具有调控和改善作用。此外，恩格列净还可作用于心肌代谢方面，使心肌倾向于从糖代谢到脂代谢的转变，同时降低胰岛素、血糖、尿酸水平[26]。但该代谢调整可能加重糖尿病患者心肌缺血，因此心肌脂代谢增加不能解释其所导致的心血管病死率降低等问题。有研究显示，恩格列净可清除和使用心肌中的酮体，提高线粒体氧化水平和心肌工作效率，从而降低尿酸、炎症、氧化应激程度以及晚期糖基化终末产物水平[24]。但酮体增加也给临床工作带来较大挑战，因此恩格列净在调控酮体和糖脂代谢方面的作用以及在心血管方面的获益仍需进一步研究。恩格列净诱导的尿糖和能量损失可以被看作是一种能量消耗模型，它可以增加线粒体的生物生成，模拟食物限制或运动状态，通过减少核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体的激活起到保护作用，但其具体机制仍有待进一步研究证实[27]。

2 恩格列净调控线粒体功能

恩格列净可调控线粒体功能，而线粒体与细胞能量代谢、氧化应激、炎症反应以及凋亡等密切相关。其中，线粒体代谢相关的酶、氧化呼吸链、离子通道以及线粒体正常的结构在维持细胞功能中均具有重要作用。

2.1线粒体酶 恩格列净通过调控线粒体SIRT3参与心肌保护作用。SIRT3参与清除活性氧，还可抑制细胞凋亡和肿瘤细胞形成，对细胞核基因表达、肿瘤、心血管疾病、神经保护、衰老以及代谢调控等均有深远影响[28-30]。经恩格列净处理后，阿霉素诱导的心肌病模型的Toll样受体9(Toll-like receptor 9，TLR9)可与Beclin1和线粒体SIRT3结合，从而保护心脏免受阿霉素毒性；TLR9和SIRT3均是恩格列净发挥保护作用所必需，SIRT3点突变和酶活性降低的扩张型心肌病患者TLR9激活减少、线粒体反应降低，导致SGLT2抑制剂疗效减弱，表明恩格列净促进TLR9激活和心脏诱导的线粒体呼吸速率增加受SIRT3基因调控；恩格列净对线粒体Beclin1-TLR9-SIRT3复合物的调控可能是心力衰竭的一种潜在治疗策略，而SIRT3相关通路在其中起重要作用[25]。然而，通过观察心肌梗死模型发现，恩格列净并未直接改变线粒体钙潴留能力，恩格列净预处理并未激活蛋白激酶B、内皮型一氧化氮合酶、糖原合成酶激酶-3β磷酸化，也未激活胞外信号调节激酶以及AMPKα磷酸化，但恩格列净可下调心肌诱导型一氧化氮合酶和白细胞介素-6的表达，且其在减少心肌梗死中的作用可能依赖于STAT3[17]。另有研究表明，恩格列净可通过线粒体合成相关信号通路(如过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α/核呼吸因子-1/线粒体转录因子A)的信号转导预防糖尿病大鼠心肌重构[31]。

2.2线粒体呼吸链 恩格列净可作用于线粒体呼吸链，而线粒体呼吸链是细胞提供能量、氧化应激、代谢以及增殖调控的重要组成部分。线粒体呼吸链由5种复合物酶组成，通过电子传递驱动ATP产生，而ATP可作为细胞过程的主要能量载体，呼吸链活动的改变以及线粒体复合物的组装均涉及多种人类疾病的调控和进展[32]。研究显示，恩格列净可增加离体缺血再灌注大鼠心肌线粒体呼吸链复合物Ⅱ的功能，并作用于线粒体内膜通透性和解偶联，从而改善缺血再灌注后的心肌重构；而SGLT2抑制剂可通过抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ、提高AMP/ADP比值改变AMPK活性，但这种效应只在高浓度的卡格列净中观察到，在恩格列净和达格列净中并未观察到[9]。恩格列净可促进HEK-293细胞内的AMPKγ Thr172磷酸化，且可通过抑制线粒体呼吸链复合物Ⅰ表达而作用于细胞质内的AMP/ADP起作用[33]。由此可见，不同SGLT2抑制剂的作用信号通路也不完全相同，这可能导致其作用机制不同。恩格列净可通过线粒体呼吸链复合物Ⅰ和线粒体呼吸链复合物Ⅱ起作用，但目前仍缺乏有力证据支持。因此，恩格列净调控线粒体呼吸链的具体机制仍需未来进一步探索，这也可能是恩格列净保护心功能机制中的重要环节。

2.3线粒体离子通道 恩格列净可作用于离子通道，而线粒体的离子稳态可直接调节氧化代谢，任何离子稳态的破坏均会导致线粒体功能障碍，最终导致心力衰竭。线粒体稳态与线粒体内膜电位密切相关，为了调节和维持离子稳态，线粒体膜配备了多种离子转运蛋白，且涉及多个不同的离子通道[34]。研究显示，恩格列净可通过抑制钠氢交换器活性导致细胞质钠离子和钙离子水平降低、线粒体钙离子水平升高[22]。目前在哺乳动物中共发现10种钠质子反转运蛋白，在心肌细胞中主要表达钠氢交换器-1[35]。而钠氢交换器-1是细胞内多种信号转导通路的重要下游分子，参与介导心肌肥大和心肌纤维化以及心力衰竭的病理生理过程[36]。恩格列净可促进线粒体生物生成以及酮体氧化增加，导致ATP生成增加，而心肌细胞质中钠离子和钙离子水平升高和线粒体中的钙离子水平降低是心力衰竭和心肌细胞死亡的驱动因素，恩格列净可通过抑制大鼠和兔心脏的钠氢交换器活性，降低心肌细胞质内的钠离子水平[22]。恩格列净还可维持人类诱导性多能干细胞内的钙平衡，而人类诱导性多能干细胞中还存在SGLT2，这与既往的研究结果不一致[37]，仍需未来研究进一步探索。

2.4线粒体合成和超微结构 恩格列净治疗有助于维持糖尿病患者心肌线粒体完整性。线粒体可进行复制、裂变和融合，还可与其他线粒体或细胞结构形成网络，以提高ATP产生的效率并提供细胞内信号以响应生理和病理刺激。线粒体融合与裂变的平衡以及生物合成和复制的过程可保证线粒体种类的维持与能量需求相适应。线粒体的分裂和融合可以使细胞器的功能障碍部分切割成小的球形碎片，随后被降解，其中线粒体自噬参与了细胞凋亡、焦亡以及活性氧的生成[38]。而线粒体分裂可导致线粒体嵴紊乱、膜通透性和促凋亡蛋白释放以及细胞死亡，最终导致高血糖心肾损伤，而恩格列净可保护糖尿病小鼠心功能及心肌纤维化[16]。经恩格列净治疗的db/db小鼠线粒体较大，但线粒体密度保持不变，且小鼠心肌过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α和细胞色素C氧化酶亚基8b信使RNA水平以及细胞色素C氧化酶亚基4蛋白均发生改变，但线粒体融合/裂变却未发现改变[39]。因此，恩格列净对线粒体的作用机制仍需进一步研究验证。

3 小 结

SGLT2抑制剂恩格列净在心血管领域用途广泛，可作用于心力衰竭、急性心肌梗死，但其在心房颤动、心肌代谢等方面的作用仍需进一步深入研究。虽然恩格列净在线粒体呼吸链复合物Ⅱ以及线粒体离子通道方面有调控作用，可通过SIRT3参与心肌保护，还可通过调控线粒体合成相关信号通路(如过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子-1α/核呼吸因子-1/线粒体转录因子A)的信号转导预防糖尿病大鼠心肌重构，但未来仍需进一步探索并评估其心脏保护的分子机制。同时，SGLT2抑制剂在不同心血管疾病中的作用存在差异，这将有助于细化评估糖尿病或非糖尿病患者心血管疾病获益，为针对SGLT2抑制剂的临床试验以及安全应用提供依据。