糖尿病冠狀動脈硬化性心臟病中心肌損傷與氧化應激的關(guān)系

孫洋綜述， 趙紅審校

糖尿病冠狀動脈硬化性心臟病中心肌損傷與氧化應激的關(guān)系

孫洋綜述， 趙紅審校

糖尿病心臟病是糖尿病，尤其是II型糖尿病患者致死的主要原因之一。糖尿病患者代謝紊亂，高血糖、高血脂、胰島素抵抗使心肌缺血氧化應激增強。影響心肌細胞應對再灌注損傷的能力：①不斷變化的葡萄糖水平、線粒體紊亂和一氧化氮合成酶解偶聯(lián)降低了抗氧化防御；②細胞信號通路障礙可能導致糖尿病心肌更易損傷，最終導致心壁結(jié)構(gòu)重塑、心力衰竭。本文就糖尿病者冠狀動脈硬化性心臟病氧化應激與心肌損傷關(guān)系的國內(nèi)外研究進展進行綜述。

細胞信號；糖尿?。蝗毖俟嘧?；心肌損傷；氧化應激

近年來,糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥已經(jīng)成為重大的公共衛(wèi)生問題。糖尿病是一種復雜的疾病,其最重要的分子機制是多種代謝紊亂導致細胞水平氧化與抗氧化過程失衡。糖尿病會增加患心血管疾病的風險近五倍[1]。廣義的糖尿病心臟病包括冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)，糖尿病心肌病和糖尿病心臟自主神經(jīng)病變等。本文著重討論糖尿病冠心病。糖尿病患者由于脂質(zhì)代謝紊亂、內(nèi)皮細胞功能紊亂等原因，使冠心病起病較非糖尿病患者早，常表現(xiàn)為無痛性心肌梗死，梗死面積大、多為透壁性梗死，病情較嚴重，預后差，病死率高?；加刑悄虿“楣跔顒用}粥樣硬化的美國成年患者已達2350萬[2]。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者心力衰竭和心肌梗死后死亡的風險增加2到4倍。以保護心肌為目標的冠狀動脈灌注有效重建，是冠狀動脈動脈粥樣硬化的主要治療方法，然而，糖尿病患者無論進行手術(shù)或非手術(shù)的心臟血管再生術(shù) (血管成形術(shù)和血管支架植入)治療，死亡率均較非糖尿病患者高[3]。心肌血管再通后的心肌缺血再灌注損傷是它引起不良后果的一個主要風險因素。

糖尿病心肌損傷增加的原因目前尚不完全明確，臨床數(shù)據(jù)強烈支持糖尿病患者更容易發(fā)生心肌缺血再灌注損傷,且認為糖尿病是一個獨立的危險因素[4]。心肌缺血再灌注損傷涉及復雜的分子機制，代謝異常、線粒體功能障礙、胰島素抵抗和氧化應激共同作用，影響心肌對缺血再灌注損傷的耐受性。

1 自由基與缺血再灌注損傷

自由基生成是細胞損傷的基礎條件，心肌中自由基主要有三個來源:①線粒體受損，線粒體電子傳遞鏈（ETC）功能異常造成電子泄漏和O2.-產(chǎn)生。Ⅱ型糖尿病小鼠模型和糖尿病患者中均出現(xiàn)線粒體形態(tài)和功能受損的表現(xiàn)[5]。②還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶活性升高。Ⅱ型糖尿病動物模型中觀察到心肌和血管組織中NADPH氧化酶活性升高，糖尿病患者中,也可檢測到活化的NADPH氧化酶系統(tǒng)[6]。③一氧化氮合酶（NOS）功能降低。糖尿病動物模型中發(fā)現(xiàn)血管和內(nèi)皮細胞一氧化氮合酶（eNOS）的輔因子四氫生物蝶呤(BH4)減少。BH4減少導致eNOS功能降低，O2.-產(chǎn)生增多，一氧化氮產(chǎn)生減少[7]。

心肌細胞對O2.-的保護性反應為：在過氧化物歧化酶的作用下使O2.-變?yōu)槎拘愿〉腍2O2，隨后通過過氧化氫酶或谷胱甘肽過氧化物酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成水。缺血再灌注損傷時產(chǎn)生大量O2.-，內(nèi)源性自由基清除酶如過氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等耗盡。心肌細胞出現(xiàn)從可逆到致命的損傷[8]。

2 糖尿病心肌氧化應激反應增強

線粒體功能障礙，NADPH氧化酶活性增高及NOS功能降低在糖尿病心肌損傷中的機制仍不清楚。Ⅱ型糖尿病患者氧化蛋白質(zhì)產(chǎn)物增加，脂質(zhì)過氧化程度升高,患者紅細胞中無論是酶類還是非酶類(β-胡蘿卜素、視黃醇、維生素C和E)抗氧化劑的量及活性均比正常受試者少[9]?？寡趸瘎┲委熆梢允固悄虿游镅趸瘧ぎa(chǎn)物正?；痆10]。

高血糖可損害電子傳遞鏈（ETC）復合酶的活性，使線粒體中O2.-過多。在體外,已證明高血糖可使NADPH氧化酶活化及NOS功能降低，使產(chǎn)生的O2.-在心肌中堆積[11]。Ⅱ型糖尿病中慢性氧化應激增強可損害線粒體能量代謝，進一步加重線粒體功能障礙，形成不可逆的細胞和組織損傷的惡性代謝循環(huán)。葡萄糖代謝和蛋白質(zhì)的糖基化途徑激活產(chǎn)生的糖基化產(chǎn)物也在氧化應激中發(fā)揮重要作用[12]。此外，糖基化能抑制抗氧化酶，損害心肌抗氧化防御[13]。

糖尿病時游離脂肪酸（FFA）水平升高。FFA可刺激NADPH氧化酶和ETC產(chǎn)生活性氧,還可降低細胞內(nèi)谷胱甘肽還原反應,削弱自由基介導的內(nèi)源性損傷防御[14]。

Ⅱ型糖尿病常伴有高胰島素血癥和胰島素抵抗。使用胰島素處理培養(yǎng)的細胞，可增加NADPH氧化酶的活性，增加自由基的產(chǎn)生。Boudina等[15]報道，在心肌細胞胰島素受體缺失的小鼠模型中，心肌中受損的胰島素信號可誘導線粒體解偶聯(lián)，并促進產(chǎn)生H2O2和氧化應激。Yue等[16]報道，心肌活檢中,糖尿病患者心肌壞死較非糖尿病患者明顯增加。目前多個實驗室正在關(guān)注提高缺血心肌耐受的調(diào)節(jié)策略。

3 糖尿病內(nèi)源性心肌保護作用的信號轉(zhuǎn)導通路受損

缺血再灌注損傷涉及不同的細胞信號轉(zhuǎn)導調(diào)節(jié)機制,包括磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）信號通路,和Janus激酶2/信號轉(zhuǎn)導子和轉(zhuǎn)錄激活子3（JAK2/STAT3）信號通路等，這些通路的關(guān)鍵末端效應器集中在線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)上。心肌缺血時，通過物理或藥物處理，可激活細胞內(nèi)與生存有關(guān)的信號通路，改變心肌自由基反應，減少缺血再灌注損傷。但糖尿病心肌促存活信號轉(zhuǎn)導受損，所以對缺血再灌注損傷的易感性增強，對物理或藥物治療的療效不佳。

具有促存活功能的PI3K/AKT信號通路在缺血再灌注心肌保護過程中極為重要。AKT活化后可通過其下游效應分子誘導細胞保護作用，如NOS和B細胞淋巴瘤因子-2（Bcl-2），以防止線粒體途徑細胞死亡。在大鼠Ⅱ型糖尿病模型中AKT的活化水平顯著下降，張力蛋白同源10號染色體缺失的磷酸酶基因（PTEN）是PI3K/AKT通路的負調(diào)控因子，在Ⅱ型糖尿病模型中表達水平增高。Wang 等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，血糖水平、氧化應激和PTEN水平在人類糖尿病心肌中呈正相關(guān)關(guān)系；AKT的磷酸化程度與糖尿病患者的心肌中PTEN蛋白水平增加呈負相關(guān)關(guān)系,表明在人類糖尿病心肌中也存在PTEN蛋白增加，負調(diào)控AKT下游的促生存信號。游離脂肪酸（FFA）含量增高抑制胰島素誘發(fā)的PI3K/AKT激活,并上調(diào)PTEN表達[18]。這些發(fā)現(xiàn)證實了糖尿病心肌中存在AKT信號活化受損。

STAT3的激活是另一種心肌保護機制。雖然沒有直接的證據(jù)顯示在人類糖尿病中存在STAT3的表達和激活，但在糖尿病大鼠模型中心肌STAT3的表達及活化顯著下降[19]。STAT3基因敲除小鼠更易發(fā)生心肌缺血再灌注損傷和心肌梗死，心肌細胞凋亡和心肌梗死面積增加，心臟功能和存活率降低[20]。相反，表達STAT3的轉(zhuǎn)基因小鼠，缺血和再灌注后與野生型小鼠相比梗死面積較小[21]。

4 糖尿病心肌對氧化劑介導的缺血再灌注損傷更易感

糖尿病時，心肌和血管更易遭受缺血再灌注時產(chǎn)生的氧化劑介導的損傷，心肌肌節(jié)、線粒體、細胞間隙、微血管超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。缺血再灌注損傷中糖尿病心肌中加重的機制，除了基礎氧化狀態(tài)增加和細胞促存活信號受損外，還涉及葡萄糖流量，受損心肌的適應性反應，以及NOS在缺血再灌注中進一步的損害。

糖尿病心肌中葡萄糖過量可激活醛糖還原酶、山梨醇脫氫酶，以及果糖和葡萄糖的轉(zhuǎn)化等多條通路促進氧化應激。缺血再灌注激活醛糖還原酶導致細胞NADPH枯竭，在缺血再灌注的大鼠心臟,醛糖還原酶介導的氧化應激增強，mPTP孔打開，促使心肌收縮功能障礙和組織損傷[22]。

除了高血糖，缺血再灌注期間通過己糖生物合成途徑產(chǎn)生了高血脂和大量的活性氮氧化合物（RONS）。這可能會促進乙酰葡糖胺改變,并調(diào)節(jié)絲氨酸/蘇氨酸磷酸化位點，導致PI3K/AKT信號通路異常，啟動BCL-2相關(guān)死亡途徑。在糖尿病患者皮膚活檢中發(fā)現(xiàn)高血糖水平患者BCL-2的表達較低[23]，BCL-2低表達增加心肌細胞死亡。

心肌對抗氧化劑介導損傷的保護性代償機制包括,①上調(diào)氧化還原系統(tǒng)的自由基清除劑金屬硫蛋白MT1和MT2。MT1和MT2的靶基因參與了STAT3介導的心肌保護。糖尿病心肌中STAT3的表達減少, 不僅可能使心肌對缺血再灌注過程的產(chǎn)生的RONS產(chǎn)物更加敏感,而且使MT1/MT2的調(diào)控缺乏靶點, 加劇心肌缺血缺氧損傷[24]。②血紅素加氧酶HO-1表達下調(diào)，HO-1是體內(nèi)參與亞鐵血紅素代謝的一種具有多種功能的線粒體氧化酶，在氧化應激中起重要的細胞保護作用，已證明HO-1缺乏與心肌梗死后的死亡率增加有關(guān)[25]。糖尿病時無法有效誘導HO-1表達增高，可能是加劇糖尿病心肌缺血再灌注損傷的另一個原因。③硫氧還蛋白TRX-1失活，TRX-1是細胞內(nèi)的關(guān)鍵抗氧化劑，可調(diào)節(jié)細胞生存通路。糖尿病時eNOS可誘導TRX-1硝化，高血糖可誘導TRX-1糖化[26]，使TRX-1失活，可能是心肌缺血再灌注損傷的另一個重要機制。

5 糖尿病心肌梗死后的心肌變性和功能障礙

糖尿病心臟中氧化應激增強, Smith等[27]證明了在糖尿病心肌梗死動物中氧化應激水平升高，氧化型谷胱甘肽，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶表達增加與心肌梗死4周后心功能指數(shù)降低有關(guān)。Aragno等[28]發(fā)現(xiàn)，在實驗性慢性高血糖動物模型中，氧化應激誘導促進纖維化的基因表達和細胞外基質(zhì)沉積，從而導致心肌纖維化和功能障礙。這些證據(jù)支持氧化應激是糖尿病心肌梗死后心肌功能障礙和變性的發(fā)病機制中的一個關(guān)鍵因素。

氧化應激誘導心肌重塑涉及多個機制, 包括①RONS影響脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸變性所引起的心肌細胞凋亡，直接損害心臟收縮功能，激活心臟炎癥反應，調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)重塑，由RONS刺激的一系列響應肥大細胞反應的激酶蛋白激活。②糖尿病心肌的胰島素受體信號傳導受損，加速心肌梗死后左心室功能障礙。③人類糖尿病心肌中線粒體減少，鈣的耐受性降低，鈣誘導mPTP開放的傾向增強，線粒體細胞死亡蛋白酶caspase-9的水平增加。

6 結(jié)論

糖尿病的氧化應激增強，直接或間接地與高血糖癥，高脂血癥，高胰島素血癥，胰島素抵抗有關(guān)。這些異常，能導致線粒體功能障礙、高NADPH氧化酶激活和NOS解偶聯(lián)，從而造成了過多的自由基產(chǎn)生。糖尿病心肌對缺血再灌注損傷的耐受力較差。葡萄糖流量改變，抗氧化防御下降和促存活細胞信號受損導致線粒體紊亂，可能導致糖尿病心肌更容易受到損傷、重塑和心臟衰竭。

目前臨床尚無有效針對糖尿病人群中減輕心肌損傷的治療策略。心肌穩(wěn)態(tài)自由基生物學機制較復雜，加強心肌損傷和修復相關(guān)的生物學機制的探索，有助于防治糖尿病患者心肌損傷，一些有關(guān)的臨床研究正在開展。針對圍手術(shù)期心肌組織血糖控制，抑制氧化應激，激活細胞促生存信號已有嘗試，這可能成為有效的治療Ⅱ型糖尿病圍手術(shù)期患者的療法。

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2014-03-04）

（編輯：王寶茹）

100037 北京市，中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 國家心血管病中心 阜外心血管病醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室 病理科

孫洋 實習研究員 博士 主要從事心肌病、心臟移植病理及心肌保護方面的研究 Email:sunyangyjs@sina.com 通訊作者：趙紅

Email:zhaohongfw@aliyun.com

R54

A

1000-3614（2014）11-0952-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2014.11.026