糖尿病心肌纖維化研究進(jìn)展*

張 毅，李妍菲

(1.湖北科技學(xué)院醫(yī)藥研究院糖尿病心腦血管病變湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院附屬第二醫(yī)院)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一種常見(jiàn)的代謝障礙疾病，主要由遺傳因素和環(huán)境因素共同作用誘發(fā)。近年來(lái)，在全球范圍內(nèi)其發(fā)病率逐漸增加，2011年全球大約有3.65億DM患者，預(yù)計(jì)到2035年將有5.92億人口患糖尿病[1]。心血管系統(tǒng)疾病是糖尿病患者的主要死因，糖尿病心肌病(diabetic cardio myopathy，DCM)是糖尿病的主要并發(fā)癥之一，表現(xiàn)為心肌細(xì)胞的肥大，間質(zhì)的纖維化，心肌微血管病變等病理改變，并伴隨著心肌結(jié)構(gòu)和功能的改變，如：左心室室壁厚度增加、心肌肥厚及纖維化、舒張功能下降、心室壁彈性降低等。

糖尿病心肌纖維化(myocardial fibrosis，MF)作為心臟重塑的一種明顯結(jié)構(gòu)特征，主要發(fā)生在糖尿病心肌病的晚期，是最常見(jiàn)且嚴(yán)重的糖尿病心血管并發(fā)癥，表現(xiàn)為心肌成纖維細(xì)胞(cardiac fibroblasts，CFs)的過(guò)度增殖、膠原纖維過(guò)量積聚、各型膠原成分發(fā)生改變，比例失衡等。我們將從發(fā)病機(jī)制、傳導(dǎo)機(jī)制及分子水平等方面對(duì)MF的研究現(xiàn)狀作如下綜述。

1 糖尿病心肌纖維化的發(fā)病機(jī)制

1.1 高血糖

高血糖癥被認(rèn)為是糖尿病心肌病的關(guān)鍵始動(dòng)因素，機(jī)體在高血糖情況下葡萄糖的清除率降低，增加糖異生，在糖尿病性心肌病發(fā)病機(jī)制中起重要作用，同時(shí)高血糖持續(xù)時(shí)間和心肌纖維化的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。慢性高血糖可以通過(guò)電子傳遞鏈生成過(guò)量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的凋亡，還可以通過(guò)直接激活心臟成纖維細(xì)胞的增殖以及間接激活NADPH氧化酶活性，增加血管緊張素Ⅱ的產(chǎn)生并增加氧化應(yīng)激來(lái)促進(jìn)糖尿病心機(jī)纖維化[2]。

1.2 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的激活

腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)在機(jī)體的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)中占據(jù)著不可或缺的地位，對(duì)維持和改變心肌結(jié)構(gòu)有著重要作用，并且與MF有密切聯(lián)系。RAAS系統(tǒng)的激活是心肌纖維化形成的重要病理機(jī)制。高糖激活心臟局部RAAS系統(tǒng)，使其以多效應(yīng)方式發(fā)揮作用。其中，血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)和醛固酮(Ald)是最重要的導(dǎo)致心肌纖維化的兩種物質(zhì)，在心肌纖維化的形成過(guò)程中，可分別通過(guò)不同的信號(hào)通路發(fā)揮作用[3]。

AngⅡ刺激血管緊張素受體Ⅰ直接作用于心肌細(xì)胞和心肌成纖維細(xì)胞，使膠原合成增多，分解減少，導(dǎo)致膠原合成降解網(wǎng)的失衡，從而引起心肌肥厚和纖維化。醛固酮是獨(dú)立于AngⅡ的心肌纖維化危險(xiǎn)因素，通過(guò)與鹽皮質(zhì)素受體結(jié)合形成激素受體復(fù)合物，從而激活相關(guān)信號(hào)分子通路，最終合成多種醛固酮誘導(dǎo)蛋白，導(dǎo)致CFs增殖，引起心肌間質(zhì)及周圍血管的纖維化，從而發(fā)揮心肌纖維化效應(yīng)。

1.3 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)

TGF-β1是機(jī)體正常組織向纖維化發(fā)展過(guò)程中起主要作用的細(xì)胞因子。心臟中TGF-β1主要由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞合成，對(duì)心肌具有多種作用。持續(xù)性高血糖、胰島素抵抗和高胰島素血癥等代謝紊亂均可刺激TGF-β1分泌。TGF-β1可使心肌成纖維細(xì)胞I型、Ⅲ型膠原產(chǎn)生和分泌增加，誘導(dǎo)心肌纖維化[4]。

1.4 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)

相關(guān)研究表明，在糖尿病動(dòng)物中IGF-1表達(dá)下調(diào)，會(huì)引起心肌收縮減弱、射血容積減少以及心輸出量降低等問(wèn)題。而外源性IGF-1可以使這些問(wèn)題得到改善。同時(shí)，有實(shí)驗(yàn)證明IGF-1通過(guò)與受體結(jié)合并激活磷酸化，然后與PI3K結(jié)合并激活下游信號(hào)分子AKT，進(jìn)而激活抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)，從而抑制心肌細(xì)胞的凋亡。

1.5 結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(CTGF)

CTGF是一種由349個(gè)氨基酸組成，分子量為34-38KD的富含半胱氨酸的分泌肽。機(jī)體在正常情況下，體內(nèi)的CTGF表達(dá)很低或無(wú)表達(dá)。而在糖尿病模型中，CTGF的表達(dá)顯著增加。CTGF與血管、心臟、腎臟等多組織器官纖維化發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。相關(guān)研究指出[5]，在糖尿病大鼠心肌病模型中，PKC-2被激活，從而導(dǎo)致CTGF的表達(dá)明顯增加。

1.6 腫瘤壞死因子(TNF-α)

TNF-α是一種具有廣泛生物學(xué)效應(yīng)的促炎細(xì)胞因子，參與各種心血管疾病的病理生理過(guò)程。在小鼠模型中，TNF-α的過(guò)表達(dá)可能導(dǎo)致心臟重塑、總基質(zhì)金屬蛋白酶活性的升高和纖維化的加重。抑制TNF-α可能通過(guò)降低糖尿病心肌病的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)磷酸化而保護(hù)心肌炎癥和心肌纖維化[6]。

在糖尿病模型中，心肌組織TNF-α的表達(dá)明顯增加，同時(shí)TNF-α可誘導(dǎo)原癌基因c-myc和c-fos的mRNA表達(dá)，刺激心肌成纖維細(xì)胞增殖，引起心肌間質(zhì)膠原堆積，最終導(dǎo)致心肌纖維化。

1.7 血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)

在生理和病理?xiàng)l件下，VEGF為新生血管形成的主要介導(dǎo)物質(zhì)，研究表明下調(diào)糖尿病小鼠心臟的VEGF可導(dǎo)致TGF-β1、CTGF、CollagenⅠ等纖維化相關(guān)因子的表達(dá)上調(diào)。

1.8 基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)

心肌纖維化的發(fā)生與膠原的過(guò)度增生密不可分。正常情況下，心肌間質(zhì)膠原合成代謝不斷更新，既有新生，又有降解，二者保持一定的動(dòng)態(tài)平衡。MMPs是參與膠原降解的一類重要的酶，高糖可直接阻礙MMPs的活化。研究表明[7]2型糖尿病大鼠心肌膠原纖維顯著增多，無(wú)論是核酸水平、蛋白水平還是酶活MMP-2的表達(dá)都顯著降低。由此可見(jiàn)，當(dāng)MMP-2對(duì)膠原的降解作用被削弱，導(dǎo)致糖尿病大鼠心肌膠原蛋白過(guò)度沉積，最終導(dǎo)致心肌纖維化的發(fā)生。

1.9 過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)

PPARγ是一種細(xì)胞核激素受體，同時(shí)也是一種轉(zhuǎn)錄因子。研究發(fā)現(xiàn)，PPARγ可以通過(guò)介導(dǎo)減少巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)從而減輕心肌纖維化。李欣等[8]采用了PPARγ的激活劑和抑制劑以及細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)的抑制劑，證明激活PPARγ可以減輕糖尿病心肌纖維化，而抑制PPARγ則加重心肌纖維化。同時(shí)抑制ERK也可減輕心肌纖維化，由此可以說(shuō)明，PPARγ被激活后減輕糖尿病心肌纖維化的主要作用機(jī)制是通過(guò)抑制TGF-β1/ERK相關(guān)通路發(fā)揮作用的。

1.10 內(nèi)皮素(endothelin，ET)

ET不僅存在于血管內(nèi)皮，也存在于其他組織器官中，是迄今所知最強(qiáng)的縮血管活性肽。在心臟中，主要由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞合成并分泌，可導(dǎo)致心臟成纖維細(xì)胞的增殖、膠原過(guò)度合成、一氧化氮生物活性降低，最終引起心臟功能異常。相關(guān)研究表明，在糖尿病大鼠模型中，高血糖引起ET受體上調(diào)，使得ET受體介導(dǎo)纖維連接蛋白表達(dá)增加。因此，使用ET受體拮抗劑、ET抗體或ET阻斷劑可抑制心肌成纖維細(xì)胞的增殖，從而抑制心肌纖維化。

2 糖尿病心肌纖維化的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制

2.1 腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)的激活

糖尿病可以激活RAAS系統(tǒng)，而心臟局部RAAS的活性增加可誘導(dǎo)心肌成纖維細(xì)胞促纖維化以及心肌細(xì)胞功能異常。在糖尿病實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭锌蓹z測(cè)到心肌血管緊張素Ⅱ水平的升高及血管緊張素Ⅱ1型受體(AT1)的增加，而抑制血管緊張素信號(hào)通路可以減少膠原沉積，降低血管周圍的纖維化水平，同時(shí)也降低TGF-β的表達(dá)。研究表明AT1阻滯劑可以抑制糖尿病模型中的纖維化水平，這也說(shuō)明血管緊張素Ⅱ在糖尿病中的促纖維化作用是通過(guò)AT1信號(hào)途徑介導(dǎo)的。

在糖尿病模型中，有三種血管緊張素Ⅱ介導(dǎo)糖尿病心肌纖維化的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。第一，血管緊張素介導(dǎo)的AT1信號(hào)激活TGF-β/Smad信號(hào)通路與非Smad依賴信號(hào)通路；第二，血管緊張素Ⅱ通過(guò)誘導(dǎo)TGF-β受體內(nèi)皮因子(Endoglin)的表達(dá)而加重血管緊張素Ⅱ的反應(yīng)；第三，AT1的活化導(dǎo)致糖尿病心肌細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生，促進(jìn)成纖維細(xì)胞活化[9]。

醛固酮也可能是血管緊張素介導(dǎo)的心肌纖維化的重要下游效應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)表明[10]，在I型糖尿病大鼠模型以及飲食誘導(dǎo)肥胖的小鼠模型中，醛固酮的拮抗作用可減輕纖維化。同時(shí)，臨床研究也支持醛固酮信號(hào)在糖尿病和肥胖相關(guān)心肌纖維化中的重要作用，在一項(xiàng)前瞻性隨機(jī)對(duì)照臨床研究中，對(duì)無(wú)其他并發(fā)癥的肥胖患者進(jìn)行6個(gè)月的醛固酮拮抗劑螺內(nèi)酯治療，結(jié)果顯示這些接受治療的肥胖患者中膠原合成相關(guān)的血清學(xué)指標(biāo)降低，并且心肌順應(yīng)性和舒張功能得到改善[11]。

2.2 促炎細(xì)胞因子

促炎細(xì)胞因子可調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞的表型，并參與心肌纖維化導(dǎo)致的心衰的發(fā)病機(jī)制。在心肌成纖維細(xì)胞中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)刺激誘導(dǎo)膠原細(xì)胞增值，促進(jìn)膠原合成，而IL-1β可延緩心肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，上調(diào)基質(zhì)降解的促炎成纖維細(xì)胞表達(dá)[12]。

2.3 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)

TGF-β是一種高度多向性介質(zhì)，廣泛參與組織纖維化的發(fā)病機(jī)制。TGF-β1通過(guò)誘導(dǎo)蛋白酶抑制劑的合成，介導(dǎo)成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化，刺激基質(zhì)轉(zhuǎn)錄。研究表明[13]，無(wú)論在1型糖尿病模型和2型糖尿病模型中，TGF-β在心肌組織內(nèi)表達(dá)均增加，并與心肌纖維化有關(guān)。TGF-β的誘導(dǎo)可能通過(guò)血管緊張素Ⅱ的激活來(lái)介導(dǎo)，也可能涉及高糖和瘦素對(duì)TGF-β的轉(zhuǎn)錄、分泌和激活的直接作用。

TGF-β的促纖維化作用可能同時(shí)涉及Smad依賴性和非依賴性途徑。對(duì)2型糖尿病小鼠模型的研究表明[14]，敲除Smad3可減少心肌纖維化，改善心肌順應(yīng)性，減輕心肌氧化應(yīng)激。

2.4 氧化應(yīng)激

活性氧簇(ROS)的產(chǎn)生與心肌纖維化的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，細(xì)胞質(zhì)和線粒體主要通過(guò)4種酶的催化而產(chǎn)生ROS：線粒體呼吸鏈、NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)、黃嘌呤氧化酶和內(nèi)皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthases，eNOS)。細(xì)胞內(nèi)同樣存在一系列具有抗氧化作用的酶，主要包括血紅素氧化酶-1(hemoxigenase-1，HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、還原型谷胱甘肽(reduced glutathione，GSH)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)和過(guò)氧化氫酶。這些酶可以清除ROS的產(chǎn)生，從而使ROS的產(chǎn)生和降解處于動(dòng)態(tài)平衡。

研究表明在1型和2型糖尿病模型中氧化應(yīng)激均加重，心肌谷胱甘肽氧化增加，脂質(zhì)過(guò)氧化水平升高。在糖尿病模型心臟中，ROS的線粒體生成明顯增加，并與脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的過(guò)氧化有關(guān)。高血糖和胰島素抵抗也會(huì)增加糖尿病動(dòng)物心肌ROS的生成。因此，通過(guò)降低氧化修飾水平或抑制氧化應(yīng)激可以減輕心肌間質(zhì)和血管周圍纖維化水平，從而減輕心肌細(xì)胞增生和心肌細(xì)胞肥大，減少舒張功能障礙[15]。

2.5 基質(zhì)細(xì)胞蛋白作用

心肌細(xì)胞損傷后，細(xì)胞外基質(zhì)通過(guò)沉積細(xì)胞外蛋白而富集。基質(zhì)細(xì)胞蛋白包括凝血酶素(TSPs)、黏合素C和X、骨膜蛋白、骨連接蛋白和骨橋蛋白。在心臟重塑過(guò)程中，骨膜蛋白被誘導(dǎo)，參與并調(diào)節(jié)炎癥、纖維化和血管生成反應(yīng)[16]。

研究發(fā)現(xiàn)高糖引起TSP-1的表達(dá)上調(diào)，并在糖尿病、肥胖和代謝紊亂的動(dòng)物模型和人類患者中持續(xù)升高。TSP-1具有促進(jìn)糖尿病心肌基質(zhì)的保護(hù)作用，同時(shí)通過(guò)對(duì)血管生成素Ⅱ合成的影響而對(duì)糖尿病小鼠毛細(xì)血管發(fā)生作用。因此，TSP-1可能介導(dǎo)糖尿病心肌的纖維化以及血管損傷[17]。

3 microRNA與糖尿病心肌纖維化

microRNAs(miRNAs)是一種由20-23個(gè)核苷酸組成的非編碼小RNA，它們通過(guò)抑制mRNA翻譯或促進(jìn)mRNA降解而成為基因表達(dá)的天然調(diào)節(jié)因子，在體內(nèi)幾乎參與了所有的細(xì)胞反應(yīng)，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)表明miRNAs在心肌纖維化中起著關(guān)鍵作用。miRNAs具有多種靶點(diǎn)，包括細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、蛋白酶和基質(zhì)大分子。對(duì)糖尿病小鼠模型心肌中的miRNA進(jìn)行研究，結(jié)果表明[18]，多個(gè)miRNAs參與纖維化的發(fā)病機(jī)制，在心肌纖維化中起著關(guān)鍵作用。

3.1 miR-21

miR-21在心臟、腎、肝、肺等多器官纖維化中起著重要的作用，因此，受到了廣泛的關(guān)注。其中在心肌成纖維細(xì)胞中，與正常組相比，高糖模型組的miR-21表達(dá)顯著增加。研究表明[19]，在小鼠心肌梗死模型中，miR-21通過(guò)抑制缺血區(qū)TGF-β受體Ⅲ的活性，激活TGF-β/Smad通路，促進(jìn)膠原的合成，促進(jìn)成纖維細(xì)胞向病理性肌成纖維細(xì)胞分化。而且miR-21水平的變化與在纖維化過(guò)程中關(guān)鍵標(biāo)記物CollagenⅠ和纖維連接蛋白的改變表現(xiàn)出相關(guān)性。

3.2 miR-29

miR-29家族包含miR-29a、miR-29b和miR-29c三個(gè)成員，在心肌纖維化過(guò)程中，miR-29也起著關(guān)鍵作用。研究表明[20]miR-29不僅對(duì)TGF-β傳導(dǎo)的纖維化通路起抑制作用，而且還可以直接抑制多種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的表達(dá)。通過(guò)尾靜脈注射技術(shù)向糖尿病心肌纖維化小鼠模型注射miR-29的抑制劑，然后檢測(cè)纖維化相關(guān)基因的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表達(dá)顯著降低，進(jìn)一步說(shuō)明miR-29與細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的表達(dá)密切相關(guān)。同時(shí)，miR-29b對(duì)CollagenⅠ、MMP以及CTGF的表達(dá)具有負(fù)向調(diào)控作用，從而調(diào)控心肌纖維化。

在糖尿病心肌纖維化小鼠中，與正常組相比miR-29c的表達(dá)顯著降低，纖維化相關(guān)蛋白如膠原蛋白及纖連蛋白等表達(dá)升高。給予治療后，miR-29c的表達(dá)增加，纖維化相關(guān)蛋白表達(dá)降低，說(shuō)明miR-29c在心肌纖維化中起著關(guān)鍵作用[21]。

3.3 miR-133

在心肌組織中，miR-133表達(dá)豐富，其可通過(guò)抑制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白表達(dá)，從而抑制心肌纖維化。研究發(fā)現(xiàn)[22]，通過(guò)沉默心肌細(xì)胞和心肌成纖維細(xì)胞的miR-133，可以使CTGF的表達(dá)增加。而過(guò)表達(dá)miR-133后，CTGF表達(dá)顯著降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與正常人相比在心臟病患者中，miR-133呈下調(diào)趨勢(shì)，同時(shí)心肌細(xì)胞中CTGF及細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)增加，進(jìn)而促進(jìn)心肌纖維化的形成。

3.4 miR-208

miR-208是一種與心肌肥大和纖維化相關(guān)的miRNA，具有心肌表達(dá)特異性并且在激素調(diào)節(jié)的心肌生長(zhǎng)中起重要作用。miR-208是肌球蛋白miRNA家族中的一員，分為miR-208a和miR-208b兩個(gè)亞型。當(dāng)心臟負(fù)荷過(guò)大時(shí)，miR-208可以調(diào)控肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain，MHC)向β-MHC轉(zhuǎn)化，使β-MHC表達(dá)增加，進(jìn)而促進(jìn)心肌細(xì)胞增生，導(dǎo)致心肌纖維化。

研究表明[23]心肌梗死后，miR-208表達(dá)量增加，內(nèi)皮糖蛋白的表達(dá)增加，進(jìn)而誘導(dǎo)心肌梗死后的纖維化。而給予降脂藥治療后，內(nèi)皮糖蛋白的表達(dá)受到抑制，心肌梗死后的心臟纖維化得到緩解。

4 總結(jié)與展望

糖尿病心肌纖維化是導(dǎo)致心臟衰竭和心律失常發(fā)生的主要原因之一，其發(fā)病是一個(gè)復(fù)雜的病理過(guò)程，諸多因素如腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)、心肌細(xì)胞凋亡、信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)和microRNA等都參與了糖尿病心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展。

目前對(duì)參與心肌纖維化發(fā)病機(jī)制的信號(hào)通路及分子機(jī)制的了解仍然有限，針對(duì)糖尿病心肌纖維化的有效治療方法仍然欠缺。因此，需要對(duì)激活心臟間質(zhì)成纖維細(xì)胞的糖尿病相關(guān)分子信號(hào)進(jìn)行深入研究，對(duì)糖尿病心肌纖維化發(fā)病機(jī)制的相關(guān)因素進(jìn)行調(diào)控、干預(yù)。

隨著對(duì)糖尿病心肌纖維化研究機(jī)制的深入，將為糖尿病性心肌病的預(yù)防、治療提供新視野，為臨床提供更好的治療手段，對(duì)于提高糖尿病心肌纖維化病患者生命質(zhì)量具有重要的社會(huì)價(jià)值。