自噬及焦亡在糖尿病性心肌病中作用的研究进展

2023-08-18郭志新

中西医结合心脑血管病杂志 2023年10期

裴欢,郭志新

糖尿病是21世纪日益严重的疾病之一,全世界每11个人当中就有1人患有糖尿病[1]。长期高血糖会对机体的各个组织和器官造成一定的损害,从而导致糖尿病并发症的发生。糖尿病性心肌病是糖尿病常见的慢性并发症之一[2]。糖尿病性心肌病是在糖尿病病人中独立于高血压或心肌缺血而发生的心室功能障碍[3]。研究发现,自噬和焦亡参与了糖尿病性心肌病的发生、发展。综述自噬与焦亡在糖尿病性心肌病中的作用。

1 糖尿病性心肌病的定义

研究表明,心力衰竭与糖尿病之间存在联系,糖尿病可以增加心力衰竭的风险,甚至独立于传统的心力衰竭风险[4]。长期糖尿病会加重心肌梗死后舒张期和收缩期心力衰竭,从而产生心肌特异性微血管并发症[5]。1972年Rubler等首次描述了这种疾病过程,这种独特形式的心血管疾病被称为糖尿病性心肌病[4]。糖尿病性心肌病是指在没有其他心血管疾病(例如冠状动脉疾病、未控制的高血压、严重的瓣膜性心脏病和先天性心脏病)的糖尿病病人中观察到的心功能障碍[6]。

2 自噬在糖尿病性心肌病发展中的作用

2.1 自噬与糖尿病性心肌病自噬是1963年由 Christian de Duve在作为溶酶体介导的处理过程中首次被引入,它是一种分解代谢过程,其通过溶酶体消化去除细胞分子,例如蛋白质聚集体和受损细胞器,故对细胞稳态至关重要[7]。有研究观察到糖尿病性心肌病小鼠中的心肌细胞自噬减少,心肌细胞凋亡增加。表明调控自噬可能为糖尿病性心肌病病人恢复心功能提供一种新策略[8]。越来越多的证据表明自噬在调节心脏稳态和功能中发挥着重要作用。心肌细胞中自噬的失调与心脏肥大、心肌梗死、糖尿病性心肌病和心力衰竭有关[9]。自噬几乎发生在所有类型的心血管细胞中,它是发育阶段心脏形态发生改变的关键过程,还有助于恢复心脏的可塑性。自噬还是一种适应性反应,可保护心肌细胞应对细胞应激,例如营养缺乏、高血糖、高脂血症、缺氧、氧化还原应激和外源性应激。自噬的恢复具有心脏保护作用,而自噬损伤会导致心脏损伤[5]。

2.2 自噬损伤导致心肌细胞受损 2型糖尿病以高血糖和高胰岛素血症为特征,通常伴有细胞内糖原和脂质的积累。糖基化和脂肪酸中间体的积累破坏了线粒体和过氧化物酶的稳定性,导致活性氧的产生和氧化应激的形成。营养过剩也会导致未折叠蛋白质和潜在有毒脂质库的形成,从而导致内质网应激的形成。当这些变化发生在心脏时,则会导致心肌细胞功能障碍和死亡。尽管细胞通过激活自噬来减轻代谢、氧化和内质网应激,但在能量过剩的状态下,自噬明显受到抑制,与2型糖尿病的心肌损伤和心肌病有关[10]。糖尿病心脏的自噬损伤与心脏功能障碍有关。持续的高血糖可抑制心肌细胞的自噬。血脂异常通过增强心肌细胞中的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号进一步抑制心脏自噬。抑制腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)导致的自噬损伤被认为是糖尿病性心肌病的潜在诱因[5]。自噬的损伤会导致糖尿病性心肌病的形成,自噬的恢复有利于减少糖尿病性心肌病的发生。

2.3 Sirtuin蛋白质家族(SIRTs)对自噬的调控作用乙酰化和去乙酰化调节细胞增殖、凋亡、自噬、能量稳态、炎症和氧化应激。SIRTs是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性脱乙酰酶,可作为转录活性的细胞内调节剂[11]。有研究表明,Sirtuin作为一种抗衰老生化酶,限制热量摄入后其表达水平可增加,从而对机体产生益处,表现在恶性肿瘤、心血管疾病和糖尿病发病率降低等[12]。SIRTs包括7个家族成员SIRT1-7,在真核生物中,SIRT1-7共享高度保守的中央NAD+结合和催化结构域序列,称为Sirtuin核心结构域。Sirtuins具有不同的亚细胞位置,这些细胞定位的不同反映了Sirtuins的广泛生物学功能和作用[13]。SIRTs的酶活性依赖于作为辅因子的NAD+,在控制基因表达、DNA修复、代谢、氧化应激反应等方面发挥重要作用。其活动失调可能导致组织特异性退行性变,包括癌症、糖尿病和心血管疾病[14]。SIRT1、SIRT2、SIRT3和SIRT6可以通过调节几种转录蛋白的乙酰化状态来调节自噬[5]。SIRT1 调节代谢途径、细胞存活、细胞衰老和炎症,并在糖尿病等慢性疾病的发病机制中也起作用[14]。SIRT1通过其去乙酰化介导的叉头转录因子O(FOXOs)的激活来激活自噬基因,SIRT1还可以与自噬相关的成分(Atg5、Atg7和Atg8)形成分子复合物,并恢复自噬。研究发现,SIRT1缺陷小鼠中必需的自噬因子的高乙酰化可抑制心脏自噬,从而导致受损细胞器的增加、能量稳态紊乱,同时研究发现SIRT1的药理学激活可通过恢复1型糖尿病小鼠的心脏自噬来减轻心肌病[5]。SIRT1通过使核转录因子-κB(NF-κB)复合物的p65亚基去乙酰化直接抑制NF-κB信号传导。有研究表明,白藜芦醇治疗可激活SIRT1,导致NF-κB p65去乙酰化,从而减轻心脏氧化应激和糖尿病并发症[15]。SIRT1的轻度至中度上调可防止心脏衰老,SIRT1在广泛的实验模型中被发现具有心脏保护作用。SIRT1的激活可激活抗氧化机制并减少氧化应激,促进线粒体发挥正常生物学功能,并减少心肌细胞中的促炎途径,以促进细胞存活。SIRT1还可介导氧化还原调节剂和炎性体抑制剂从而减轻心脏肥大和减少心肌损伤后细胞衰老和死亡的发生。一项研究表明,小鼠心脏特异性SIRT1缺失增加了活性氧的线粒体产生,增强了氧化和内质网应激,并使心脏对压力超负荷和缺血/再灌注损伤敏感,从而导致心脏功能障碍和心肌病。相反,SIRT1的激活可改善心脏功能并防止实验性心肌梗死后的不良心室重构,减轻由不同细胞应激产生的心脏损伤和线粒体功能障碍,并改善由压力过载产生的纤维化。在心力衰竭的实验模型中,SIRT1的激活可恢复肌内质网Ca2+-三磷酸腺苷(ATP)酶的功能并改善心脏功能,而SIRT1的抑制会减少血管生成并导致收缩和舒张异常[16]。SIRT2也与自噬有关。SIRT2通过与AMPK的上游激酶肝激酶B1结合来恢复肥大心脏中的AMPK活性,从而恢复心脏中的自噬[5]。有研究发现,在1型糖尿病大鼠中,当心肌细胞中微管含量过高时,心室的收缩功能将受损,进而导致糖尿病性心肌病的发生,而SIRT2的底物之一是α-微管蛋白,SIRT2可以使其去乙酰化,从而降低微管的稳定性,这可以有效缓解心室收缩功能障碍,延缓糖尿病引起的心肌病的发展[17]。高糖诱导的活性氧的产生可引起糖尿病性心肌病,而SIRT2可以降低活性氧的含量,从而阻止糖尿病性心肌病的发生[17]。SIRT3参与细胞能量代谢、氧化应激、线粒体膜电位和脂肪酸氧化,SIRT3缺失可能诱发心血管疾病、肝脏疾病、肾脏疾病、代谢疾病、肿瘤、老年性听力损失和神经系统疾病。这些结果表明SIRT3是心血管、代谢和其他衰老相关疾病的潜在治疗靶点[18]。SIRT3位于线粒体内,广泛表达于心脏,被认为是主要的线粒体去乙酰酶。SIRT3的耗竭使心脏线粒体和心功能受损。同时,SIRT3对心肌细胞有保护作用,以维持心脏功能。SIRT3还参与调控心肌细胞凋亡和自噬。有研究发现,糖尿病小鼠心脏中SIRT3的表达降低,褪黑激素抑制Mst1磷酸化并促进糖尿病性心肌病中SIRT3的表达[8]。说明褪黑素可能通过调节SIRT3的表达发挥其保护作用。给SIRT3敲除小鼠和129S1/SvImJ 野生型小鼠注射链脲佐菌素(STZ),发现 SIRT3缺乏的糖尿病小鼠表现出心脏功能障碍加重、血清乳酸脱氢酶水平升高、心肌中ATP水平降低、心肌损伤加剧,并导致了心肌活性氧的积累,从而说明SIRT3的激活可抑制糖尿病心肌细胞的受损[18]。SIRT3可通过触发FOXO3A去乙酰化、AMPK激活、电压依赖性阴离子选择性通道-Parkin相互作用在高糖环境下诱导心肌细胞自噬。Apelin基因介导的SIRT3激活可通过增加心脏自噬来预防糖尿病病人的心力衰竭[5]。有实验发现,SIRT3在心肌缺血再灌注损伤后缺血再灌注组的表达和活性均显著降低[19]。另有实验表明,SIRT5通过AMPK/哺乳动物雷帕霉素靶标(mTOR)/自噬途径调节HCG27细胞自噬[20]。SIRT6可以调节心脏自噬,还可以支持自噬诱导因子[Atg5和溶酶体膜蛋白2(LAMP2)],并抑制自噬抑制因子(p53和mTORC)[5]。实验表明SIRT6的过表达可以抑制HK-2细胞的凋亡并进一步诱导自噬[21]。

3 焦亡在糖尿病性心肌病发展中的作用

3.1 焦亡与糖尿病性心肌病糖尿病性心肌病的进展与慢性炎症和心脏细胞死亡有关,并可能最终导致心力衰竭。心脏炎症是糖尿病的早期反应,并参与糖尿病性心肌病的发展[22]。焦亡是一种程序性细胞死亡形式,与炎症反应密切相关,由Gasdermin家族蛋白(GSDMD)介导,取决于半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶(Caspase)的活性。细胞焦亡的典型特征是细胞膜肿胀和破裂,促炎因子和细胞内容物从质膜释放到细胞外环境,从而加重炎症反应[23]。2002年,Tschopp等首次将炎性体确定为触发炎性Caspase激活的重要物质。炎症小体是多蛋白复合物,由传感器、衔接蛋白ASC和Caspase-1组成。目前为止,已确定了几种类型的炎性体,包括核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白(NLRP)1、NLRP3、NLRC4、NLRP6和黑素瘤缺失基因2(AIM2)炎性体。在这些不同类型的炎性小体中,NLRP3炎性小体已在多种哺乳动物细胞中得到广泛研究,并与多种疾病有关[24]。NLRP3炎性体参与糖尿病的发病机制和进展。同时葡萄糖可作为NLRP3炎性小体的有效激活剂发挥作用。NLRP3被激活后,会分泌大量促炎细胞因子[白细胞介素(IL)-1β和IL-18等],从而加重葡萄糖耐受不良和胰岛素抵抗。有研究表明,1型糖尿病小鼠胰腺淋巴结中NLRP3、凋亡相关斑点样蛋白(ASC)和pro-IL-1β的mRNA表达以及NLRP3和IL-1β的蛋白水平均升高;IL-1受体(IL-1R)小鼠在链脲佐菌素治疗后可减缓1型糖尿病的进展,表明 NLRP3-IL-1β 信号传导会导致胰岛炎症、β细胞损伤,最终导致1型糖尿病的发生发展[22]。大量证据表明慢性炎症与2型糖尿病之间存在关联,尤其是NLRP3炎性小体在肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病发展中发挥重要作用。NLRP3 和Pycard 小鼠的血糖和胰岛素水平均较低,表明NLRP3炎性体的缺失与葡萄糖稳态的改善有关。NLRP3和促炎细胞因子可导致2型糖尿病小鼠的血管功能障碍[22]。糖尿病性心肌病的进展与NLRP3炎性体有关。通过激活NLRP3,刺激IL-1β和IL-18的产生,引发细胞焦亡,最终导致糖尿病性心肌病的发展[25]。

3.2 抑制NLRP3炎性体可减缓细胞焦亡 NLRP3、ASC、Caspase-1和IL-1β的mRNA表达在糖尿病小鼠心脏中均较高。除了改善糖尿病大鼠的心脏功能外,NLRP3基因沉默还能减轻心脏炎症和纤维化。一项针对H9c2细胞的体外研究表明,NLRP3、ASC、Caspase-1和IL-1β mRNA表达的增加遵循葡萄糖浓度依赖性模式,证实葡萄糖是NLRP3炎性体的有效激活剂[22]。越来越多的证据表明,抑制NLRP3炎性体可能会减缓糖尿病病人的细胞焦亡和相关并发症[25]。NLRP3炎性体的NLR蛋白包含一个保守的核苷酸结合和寡聚化结构域、C端富含亮氨酸的重复序列和用于多聚化的pyrin结构域。在NLRP3炎性体激活后,NLR通过NACHT结构域寡聚化,然后通过PYD-PYD相互作用募集衔接蛋白ASC。ASC形成大的斑点状结构并通过CARD-CARD相互作用招募pro-Caspase-1。pro-Caspase-1随后自催化切割成p10和p20亚基,形成活性Caspase-1 p10/p20四聚体,介导IL-1β和IL-18的成熟和分泌,Caspase-1还可以裂解GSDMD生成GSDMD-NT,后者形成质膜孔以诱导细胞焦亡[24]。心肌纤维化是糖尿病性心肌病发生的主要原因之一。有研究表明,在高糖处理的糖尿病小鼠和心脏成纤维细胞中,lncRNA-肺腺癌转移相关转录因子1(MALAT1)的表达升高,褪黑激素抑制lncRNA-MALAT1/miR-141介导的NLRP3炎性体的炎症激活和转化生长因子-β1/Smads信号传导以产生抗心肌纤维化作用;研究发现,lncRNA-Kcnq1ot1在糖尿病心肌组织和高糖培养的心脏成纤维细胞(CFs)中高度上调,在沉默lncRNA-Kcnq1重叠转录后,由于Kcnq1ot1和miR-214-3p之间的竞争性结合变得松散,miR-214-3p可以抑制Caspase-1;另外,其下游炎性细胞因子IL-1β可减少胶原沉积和心肌纤维化[26]。因此,Kcnq1ot1/miR-214-3p/Caspase-1调控信号通路对于调控糖尿病性心肌病心肌纤维化至关重要。表明lncRNA可能通过减轻NLRP3炎性体激活、纤维化和细胞凋亡而成为糖尿病性心肌病的潜在治疗靶点。生长停滞特异性转录本5 (GAS5)是一种lncRNA,参与心血管疾病的发展。Xu等[27]实验用GAS5慢病毒过表达载体(LV-GAS5)转染HL-1细胞以诱导GAS5过表达,发现GAS5过表达导致 HL-1细胞中NLRP3、Caspase-1、pro-Caspase-1、IL-1β和IL-18的表达显著降低;并且发现在高糖诱导的HL-1细胞中Caspase-1的活性增强,GAS5过表达降低了HL-1细胞中的Caspase-1活性,同时IL-1β和IL-18的水平也受到HL-1细胞中GAS5上调的抑制。总之,这些数据提供了强有力的证据,证明GAS5过表达在体外抑制NLRP3炎性小体激活介导的细胞焦亡以改善糖尿病性心肌病[27]。

有实验将甲基转移酶样蛋白14慢病毒过表达载体(LV-METTL14)注射到糖尿病性心肌病大鼠中,显著增加了m6A水平,超声心动图提示METTL14的过表达增加了左室射血分数(LVEF)、短轴缩短率(FS),同时,电镜显示心肌细胞损伤减轻;同时,增强的METTL14抑制心肌组织中的细胞焦亡水平,包括NLRP3、Caspase-1和GSDMD-N的下调。表明METTL14介导的m6A修饰可能通过调节细胞焦亡来抑制糖尿病性心肌病。为了在体外证实这一假设,实验人员沉默了H9c2和乳鼠心室肌细胞(NRVMs)中的METTL14和m6A修饰水平。在METTL14 沉默后观察到细胞焦亡的逆转形态学变化。蛋白免疫印迹显示sh-METTL14引起上调的NLRP3、切割的Caspase-1和GSDMD-N[28]。总之,上述实验证明了METTL14介导的 m6A修饰通过调节心肌细胞焦亡在糖尿病性心肌病中起重要作用。骨形态发生蛋白(BMP)是心脏形态发生和发育的关键调节剂。BMP介导的信号通路通过与同源Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体的相互作用发挥作用。BMP-2促进存活并抑制心肌细胞的凋亡。外源性BMP-2显著抑制NLRP3过表达诱导的细胞焦亡和活性氧生成。NLRP3过表达导致A型利钠肽(ANP)、B型利钠肽(BNP)、IL-1β和IL-18增加,而BMP-2的存在抑制了这些作用。最后,BMP-2抑制了NLRP3诱导的细胞焦亡标志物的增加。这些结果表明,BMP-2通过减轻过度表达NLRP3诱导的NLRP3炎性体活化和细胞焦亡以减轻糖尿病性心肌病[29]。有研究表明,与糖尿病性心肌病组相比,针对炎性体形成的BMP-7治疗显示Toll样受体4(TLR4)和NLRP3的表达显著降低,并且BMP-7会减弱TLR4和NLRP3的表达[30]。这些结果表明BMP-7抑制糖尿病心脏中TLR4-NLRP3炎性体的形成并改善糖尿病性心肌病的心脏重塑。上述研究结果提示抑制NLRP3炎性体可减缓细胞焦亡以改善糖尿病性心肌病。