不同心臟病心肌細(xì)胞糖脂代謝與自噬關(guān)系的研究進(jìn)展

李熾昌，張衛(wèi)

心肌細(xì)胞不斷收縮、舒張的主要目的是維持心臟泵血功能，其間需要消耗大量三磷腺苷（ATP），故ATP的產(chǎn)生和心肌收縮緊密耦合是維持心功能的必要條件。心肌能量代謝具有特殊的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中糖脂代謝是其改變的重要特征。自噬廣泛存在于真核細(xì)胞中，是細(xì)胞利用溶酶體清除過(guò)量或受損的長(zhǎng)t1/2蛋白質(zhì)及細(xì)胞器，進(jìn)而滿足細(xì)胞代謝需要的過(guò)程。近年來(lái)越來(lái)越多實(shí)驗(yàn)表明，自噬在心肌能量代謝異常、心肌肥厚等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用［1-2］。心肌細(xì)胞作為永久性細(xì)胞，缺乏增殖能力，因此自噬的改變對(duì)維持心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)具有重要意義。自噬的發(fā)生和調(diào)控主要受細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)影響，不同環(huán)境刺激會(huì)引起細(xì)胞糖脂代謝改變，進(jìn)而引起或抑制自噬，以適應(yīng)能量需求變化。本文主要綜述了不同心臟病心肌細(xì)胞糖脂代謝與自噬關(guān)系的研究進(jìn)展，旨在從能量代謝角度為心臟病提供新的治療思路。

1 心肌細(xì)胞糖脂代謝

心臟是一個(gè)“雜食”器官，其對(duì)能量代謝底物的選擇具有較高的靈活性，可隨循環(huán)中底物濃度及含氧量變化進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換，以有效應(yīng)對(duì)壓力超負(fù)荷和氧化應(yīng)激等情況。一般情況下，成熟的心肌細(xì)胞中脂肪酸β-氧化占ATP供能的80%，葡萄糖氧化占12%，乳酸氧化及糖酵解分別占7%、1%［3］，可見(jiàn)ATP供能主要來(lái)源于脂肪酸β-氧化。正常心臟中，脂肪酰輔酶A和丙酮酸是線粒體的主要能源，糖酵解過(guò)程除用于產(chǎn)能外，還產(chǎn)生5碳糖合成核酸以滿足心肌大量蛋白合成及代謝。

心臟以糖原和三酰甘油形式儲(chǔ)存能源。胚胎發(fā)育時(shí)期，糖原缺乏或貯積均可誘導(dǎo)心臟發(fā)育異常［4］。在成年動(dòng)物心臟中，正常情況下心肌糖原庫(kù)的周轉(zhuǎn)率較低，糖原周轉(zhuǎn)主要應(yīng)對(duì)心臟負(fù)荷增加等情況，以提供關(guān)鍵時(shí)刻的能量；而三酰甘油的周轉(zhuǎn)率較高，生理?xiàng)l件下能產(chǎn)生心肌細(xì)胞中10%的ATP［3］。O'DONNELL等［5］研究發(fā)現(xiàn)，衰老大鼠心臟中三酰甘油轉(zhuǎn)換率降低，提示衰老大鼠心臟出現(xiàn)脂肪蓄積等情況。

控制心臟能量代謝的重要受體途徑如下：（1）心肌細(xì)胞通過(guò)缺氧誘導(dǎo)因子 1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）適應(yīng)缺氧環(huán)境，HIF-1α可通過(guò)上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（glucose transporters 1，GLUT-1）、己糖激酶 1、乳酸脫氫酶A等缺氧誘導(dǎo)因子表達(dá)而調(diào)節(jié)心肌糖攝取能力及糖酵解水平［6］；（2）心肌細(xì)胞通過(guò)激活過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體 γ 共激活因子 1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1α，PGC1-α）/激活過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPAR）α途徑及PGC1-α/PPAR β/δ途徑而增強(qiáng)脂肪酸活化、線粒體脂肪酸攝取及脂肪酸氧化。心肌能量代謝中脂肪酸代謝和葡萄糖代謝相互制約又相互聯(lián)系，缺氧時(shí)糖酵解增強(qiáng)會(huì)抑制脂肪酸氧化，而激活PPAR β/δ又能調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 4（glucose transporters 4，GLUT-4）和磷酸果糖激酶表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞糖代謝、抑制糖酵解［7］。

2 心肌細(xì)胞自噬

細(xì)胞自噬是通過(guò)吞噬自身細(xì)胞質(zhì)蛋白或細(xì)胞器并使其包被進(jìn)入囊泡，與溶酶體融合形成自噬溶酶體，進(jìn)而降解其所包裹的內(nèi)容物，如蛋白質(zhì)聚集體、功能失調(diào)的亞細(xì)胞器、感染的病原體及儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)素（糖原和脂滴）等，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)［8］。細(xì)胞自噬在蛋白質(zhì)質(zhì)量調(diào)控和保持正常心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能方面發(fā)揮著重要作用，異常蛋白質(zhì)和細(xì)胞器積累尤其是線粒體積累可能直接導(dǎo)致心功能異常。目前，已確定的3種自噬類型分別為巨自噬、微自噬及分子伴侶介導(dǎo)的自噬，其中巨自噬最常見(jiàn)［8］。自噬的誘導(dǎo)和發(fā)生需要一系列自噬相關(guān)蛋白及其他信號(hào)共同參與，其通常以低基礎(chǔ)水平維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，主要生理刺激因素為營(yíng)養(yǎng)不良和/或生長(zhǎng)因子剝奪。

哺乳動(dòng)物細(xì)胞中存在短期激酶和長(zhǎng)期轉(zhuǎn)錄因子兩種能量傳感器，以根據(jù)能量代謝狀態(tài)做出準(zhǔn)確的自噬反應(yīng)。AMP依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是快速調(diào)節(jié)自噬的兩種主要短期能量傳感器，二者均能被多種生理及病理?xiàng)l件激活，如缺氧、熱量限制和運(yùn)動(dòng)鍛煉等；另外，脂聯(lián)素、瘦素及藥物（如二甲雙胍）等可激活心肌AMPK，高葡萄糖、高糖原、高脂肪及亮氨酸等可抑制心肌AMPK活性［9］。mTOR主要通過(guò)調(diào)節(jié)糖酵解能力而對(duì)胚胎心肌細(xì)胞發(fā)育產(chǎn)生至關(guān)重要的影響［10］。mTOR根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為mTOR C1和mTOR C2，其中mTOR C1可適應(yīng)不同環(huán)境和細(xì)胞代謝改變，是自噬的重要負(fù)調(diào)節(jié)因子，其活性部分抑制能改善老齡化心臟舒張功能障礙、心臟肥厚及激活自噬現(xiàn)象。AMPK、mTOR C1及UNC-51樣激酶1（UNC-51 like kinase 1，ULK1）是構(gòu)成調(diào)節(jié)自噬的重要通路，其中ULK1是人自噬相關(guān)蛋白1的同源物，可啟動(dòng)自噬的發(fā)生。為了應(yīng)對(duì)能量應(yīng)激，AMPK直接磷酸化mTOR上游的TSC1和mTOR復(fù)合物中的Raptor，關(guān)閉能量消耗的mTOR C1途徑，鈍化mTOR C1活性［11］，此外AMPK還能直接激活ULK1復(fù)合物而誘發(fā)自噬；相反，在營(yíng)養(yǎng)豐富的情況下，mTOR C1磷酸化能抑制ULK1，從而抑制AMPK-ULK1的相互作用［12］。此外，AMPK/mTOR還能通過(guò)調(diào)節(jié)Ⅲ型磷脂酰肌醇3激酶復(fù)合物而多層次地調(diào)節(jié)參與調(diào)控自噬的過(guò)程［13］。

3 不同心臟病心肌細(xì)胞糖脂代謝與自噬的關(guān)系

3.1 心肌肥厚 心肌肥厚是心肌細(xì)胞對(duì)各種生理病理?xiàng)l件的適應(yīng)結(jié)果，常見(jiàn)原因?yàn)楦哐獕汉托呐K瓣膜狹窄，其病理過(guò)程中存在心肌代謝重新編程，主要特征是對(duì)葡萄糖的依賴性增加和脂肪酸氧化下降，又稱為心肌細(xì)胞“胚胎化”。ALLARD等［14］研究發(fā)現(xiàn)，糖酵解占肥厚心臟ATP供能的19%，而棕櫚酸氧化占55%。既往研究表明，在主動(dòng)脈縮窄術(shù)動(dòng)物模型及去氧腎上腺素誘導(dǎo)的肥厚心肌中觀察到HIF-1α表達(dá)增強(qiáng)、GLUT-1表達(dá)減弱、PPARα表達(dá)被抑制；另外，盡管在肥厚心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)葡萄糖攝取能力增加，但整體糖原及ATP含量均下降，且己糖激酶2表達(dá)下調(diào)，提示肥厚心肌中糖氧化減弱，而攝取的糖主要通過(guò)糖酵解代謝［15-17］。此外，糖酵解增加還可導(dǎo)致心肌細(xì)胞中O-乙酰氨基葡萄糖增加，進(jìn)而導(dǎo)致胰島素抵抗［18］；在去氧腎上腺素誘導(dǎo)的肥大心肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，胰島素降低、氧耗減少［19］。因此，心肌細(xì)胞“胚胎化”代謝特征不適用于維持心肌能量和心功能。

越來(lái)越多證據(jù)表明，自噬在心肌肥厚和心臟重塑過(guò)程中發(fā)揮著重要作用［1，20］。心肌肥厚早期，為了適應(yīng)心肌細(xì)胞肥大性生長(zhǎng)，自噬被明顯抑制；在主動(dòng)脈縮窄術(shù)后1～2周及短期去氧腎上腺素誘導(dǎo)的肥厚心肌細(xì)胞中觀察到，AMPK磷酸化/AMPK下降，而mTOR磷酸化水平升高，心肌細(xì)胞自噬微管相關(guān)蛋白輕鏈3BⅡ/Ⅰ比例下降，p62蛋白增加，分析其原因可能為心肌肥厚早期脂肪酸無(wú)明顯變化，糖攝取及糖酵解增加ATP合成以適應(yīng)蛋白質(zhì)合成的能量需求，進(jìn)而抑制AMPK磷酸化及自噬發(fā)生［21-23］。在主動(dòng)脈縮窄術(shù)后4～12周［24-25］或長(zhǎng)期去氧腎上腺素誘導(dǎo)的肥厚心肌細(xì)胞［26］中觀察到，心肌肥厚、心肌纖維化及胚胎基因心鈉肽、腦尿鈉肽水平升高，AMPK磷酸化水平升高或不變，自噬水平明顯升高并伴有糖酵解增加［27］。為了適應(yīng)后負(fù)荷變大導(dǎo)致的心肌耗氧量增加，當(dāng)糖酵解提供ATP不足以應(yīng)對(duì)肥厚心肌需求時(shí)，自噬增加并通過(guò)產(chǎn)生、回收和補(bǔ)充關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)和代謝產(chǎn)物而增加生物合成。肥厚心肌中上調(diào)的葡萄糖攝取和磷酸化抑制了脂肪酸氧化；另外，為了適應(yīng)高自噬水平膜合成對(duì)脂質(zhì)的需求，脂質(zhì)氧化進(jìn)一步降低。GUO等［28］在癌癥模型中發(fā)現(xiàn)，自噬活動(dòng)可維持中間代謝產(chǎn)物水平及通過(guò)三羧酸循環(huán)的流量。自噬水平改變存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其可能是心肌細(xì)胞能量代謝從代償向失代償轉(zhuǎn)換的標(biāo)志。

3.2 糖尿病性心肌病 糖尿病患者不能用高血壓、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化及其他心臟病解釋的心肌疾病被認(rèn)為是糖尿病性心肌病。2型糖尿病患者盡管存在高糖及高胰島素血癥，但由于胰島素抵抗導(dǎo)致胰島素信號(hào)傳導(dǎo)受損，因此葡萄糖攝取和氧化減少；另外，糖尿病患者易合并高脂血癥，由于脂肪酸跨膜不依賴激素，因此糖尿病患者脂肪酸攝取和氧化增加，當(dāng)?shù)孜锕?yīng)超過(guò)ATP合成需要時(shí)，盡管脂肪酸氧化增加，但心臟中仍有大量脂質(zhì)堆積，進(jìn)而影響心功能，又稱為“脂毒性心肌病”［29］。既往研究表明，在糖尿病性心肌病模型中觀察到，心肌耗氧量增加，而細(xì)胞中線粒體的耗氧率、呼吸指數(shù)及膜電位均降低，同時(shí)伴有心功能降低及氧化應(yīng)激增加；另外，心肌細(xì)胞中PPARα和PPARγ表達(dá)減少，提示盡管脂肪酸攝取增加，但心肌中線粒體脂肪酸的活化和氧化效能降低并伴有線粒體氧化應(yīng)激的發(fā)生［29-32］。當(dāng)心臟脂質(zhì)供應(yīng)增加超過(guò)氧化速率增加時(shí)，脂肪酸氧化下降，有毒脂質(zhì)及其衍生物增加，心臟收縮功能障礙［33-34］。YU等［35］研究表明，減少脂肪酸攝入或增強(qiáng)心臟儲(chǔ)存脂質(zhì)的能力均能有效減輕小鼠脂毒性損傷。上述研究提示，糖尿病性心肌病的根源在于脂質(zhì)供應(yīng)和氧化能力不匹配。

既往研究表明，糖尿病大鼠心肌自噬基因及泛素化基因表達(dá)短暫升高后逐漸降低［36-37］；短期高糖培養(yǎng)的心肌細(xì)胞自噬水平無(wú)明顯變化，分析其原因可能為短期高糖環(huán)境引起的能量過(guò)剩導(dǎo)致自噬被抑制；但隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，心肌細(xì)胞內(nèi)ATP含量降低［36，38］，自噬水平升高并伴有細(xì)胞凋亡增加［39］，分析其原因可能為長(zhǎng)時(shí)間高糖環(huán)境導(dǎo)致線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷，活性氧簇增加，進(jìn)而激發(fā)自噬以降解損傷的蛋白質(zhì)，但過(guò)度自噬又會(huì)引起Ⅱ型程序性細(xì)胞死亡。值得注意的是，高糖培養(yǎng)的心肌細(xì)胞胚胎基因表達(dá)升高，蛋白質(zhì)合成增加［36，40］，提示高糖是誘導(dǎo)心肌肥厚的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。

既往研究表明，脂質(zhì)培養(yǎng)的心肌細(xì)胞和動(dòng)物模型存在收縮功能障礙、心肌纖維化、線粒體損傷及AMPK磷酸化水平降低等現(xiàn)象，同時(shí)伴有自噬水平明顯下降［41-42］，自噬流阻斷及PPARα激活減少［43-44］，而使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡增加，提示自噬在心肌脂代謝障礙中具有重要調(diào)節(jié)作用。WEN等［44］研究表明，增加共軛亞油酸和高密度脂蛋白可分別激活PPARα和PPARγ，進(jìn)而增強(qiáng)脂代謝，減輕脂肪酸對(duì)心肌細(xì)胞造成的損傷。因此，游離脂肪酸增多導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)破壞時(shí)，激活自噬能緩解心肌氧耗及清除有毒的脂肪酸中間產(chǎn)物，從而保護(hù)心肌細(xì)胞，維持心肌細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。

3.3 缺血性心臟病 BODI等［45］研究發(fā)現(xiàn)，急性心肌缺血或慢性缺氧心肌中存在ATP產(chǎn)生減少及脂肪酸代謝紊亂，分析其原因可能如下：為了適應(yīng)缺氧環(huán)境，心肌處于“冬眠”狀態(tài)，心臟收縮功能減弱，心肌細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致乳酸堆積；另外，缺氧環(huán)境使細(xì)胞HIF-1α通路激活，PPARα表達(dá)下調(diào)，脂肪酸氧化效能降低，脂肪酸不完全氧化導(dǎo)致乙酰輔酶A產(chǎn)生增加。既往研究表明，缺血心肌中存在線粒體功能障礙，而線粒體功能障礙又使線粒體中ATP合成酶活性及豐度降低，進(jìn)而導(dǎo)致ATP合成減少［46］。

既往研究表明，在急性心肌缺血?jiǎng)游锬Ｐ图暗脱鹾吞莿儕Z心肌細(xì)胞中觀察到，AMPK磷酸化明顯增強(qiáng)，mTOR磷酸化被抑制，自噬微管相關(guān)蛋白輕鏈3BⅡ/Ⅰ比例升高，提示缺血缺氧環(huán)境下自噬明顯激活［47-48］；而使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可擴(kuò)大心肌梗死面積，使用雷帕霉素可增加細(xì)胞自噬水平，進(jìn)而發(fā)揮心肌保護(hù)作用［47］；上調(diào)己糖激酶2表達(dá)能增強(qiáng)葡萄糖利用并增加自噬水平，進(jìn)而減輕心肌細(xì)胞損傷程度［48］?？傊?，自噬在心肌短暫性缺血缺氧過(guò)程中具有保護(hù)作用，其可維持細(xì)胞ATP供應(yīng)，但長(zhǎng)時(shí)間缺血引起的過(guò)度自噬則增加細(xì)胞凋亡。

3.4 心力衰竭 心力衰竭的“能量危機(jī)”刺激自噬的強(qiáng)烈激活，而過(guò)度自噬又導(dǎo)致線粒體數(shù)量減少及功能改變，進(jìn)而加劇“能量危機(jī)”，形成惡性循環(huán)。BEER等［49］研究表明，晚期心力衰竭患者心肌ATP水平較健康對(duì)照者下降30%～40%，分析其原因可能為增強(qiáng)AMPK磷酸化和ULK1可啟動(dòng)自噬，脂肪酸氧化能力明顯減弱，進(jìn)而出現(xiàn)脂肪酸和乳酸蓄積；另外，脂肪酸不完全氧化可產(chǎn)生活性氧簇，當(dāng)降解系統(tǒng)不堪重負(fù)時(shí)過(guò)量活性氧簇會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和細(xì)胞器產(chǎn)生氧化性損傷，從而直接誘導(dǎo)自噬；再者，心力衰竭患者泵血功能減弱導(dǎo)致缺氧環(huán)境，而缺氧環(huán)境又是自噬的有效激活劑。

自噬主要應(yīng)對(duì)糖脂代謝極度減弱，但過(guò)度自噬可能引發(fā)必需代謝酶和線粒體的非特異性降解，進(jìn)一步減弱糖脂代謝，導(dǎo)致能量危機(jī)。STARLING等［50］研究表明，壓力超負(fù)荷的心力衰竭出現(xiàn)明顯線粒體自噬。ZHU等［51］研究表明，自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可以保持線粒體豐度，改善心肌收縮功能。另有研究表明，采用線粒體分離和線粒體自噬抑制劑治療后線粒體自噬標(biāo)志物表達(dá)減少，心功能得到有效改善［52］，提示抑制線粒體自噬可以改善心功能及逆轉(zhuǎn)心臟病理學(xué)改變。

4 展望

心肌細(xì)胞通過(guò)調(diào)節(jié)糖脂代謝引起能量變化及自噬水平改變，以維持心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。因此，了解心肌細(xì)胞糖脂代謝與自噬的關(guān)系，有利于從能量代謝角度研究心臟病的治療方案。此外，心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激、炎性通路及生長(zhǎng)因子轉(zhuǎn)錄亦對(duì)自噬產(chǎn)生重要影響，因此自噬與能量改變的具體機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究探索。