線粒體能量代謝在糖尿病心肌病中的作用研究進展

王瓊才 陳楊清 黃統(tǒng)生 唐 妹

1 廣東省高州市人民醫(yī)院 525200； 2 廣東省深圳福永人民醫(yī)院

糖尿病是由多種病因引起的一種高血糖為特征的慢性代謝性疾病，主要由于胰島素分泌作用缺陷或胰島素抵抗所致。中國的糖尿病患病人群數(shù)量占據(jù)全球約1/3，數(shù)量極其龐大。糖尿病會導致眾多器官或組織的損害，其中大血管并發(fā)癥包括冠心病、腦卒中及外周血管??；微血管并發(fā)癥糖尿病腎病、視網(wǎng)膜病變、神經(jīng)病變等，而糖尿病心肌病(Diabetic cardiomyoaihy，DCM)是糖尿病的主要死亡原因。近年來，研究提示對糖尿病心肌細胞有直接影響的因素包括高血糖癥、能量代謝紊亂以及胰島素抵抗和血管緊張素活性的變化，其中特別要注意這些因素對心臟線粒體能量代謝的改變以及氧化應激在介導心肌細胞損傷中的作用[1]。本文將根據(jù)近年來國內(nèi)外文獻研究進展，重點闡述線粒體能量代謝對DCM的影響。

1 糖尿病心肌病概述

2013年發(fā)表在JAMA的流行病學資料顯示：我國成人糖尿病(Diabetes mellitus，DM)患病率為10.9%，糖尿病前期流行率達35.7%[2]，而6年后的今天，這個數(shù)據(jù)應該又達新高，中國無疑已成為DM大國。DM在對國民健康帶來嚴重危害的同時，也給我國帶來極其沉重的經(jīng)濟負擔。隨著降糖藥物的不斷研發(fā)，以及胰島素的普遍使用，現(xiàn)在DM患者的壽命不斷延長，原本隱匿或晚發(fā)的糖尿病心肌損傷“從幕后走到前臺”。DCM是糖尿病患者的重要心臟并發(fā)癥，是增加糖尿病患者心力衰竭風險和死亡率的主要原因之一，而且不依賴血管病理學，其病理特點是心肌細胞肥大、間質纖維化、PAS 陽性物質浸潤、冠狀小動脈基底膜增厚、心肌內(nèi)微血管病變等，并包括左心室功能障礙、心肌細胞凋亡和心肌纖維化[3]。DCM會造成糖尿病患者心臟收縮功能下降，并最終導致嚴重心律失常和心力衰竭，顯著降低患者的生活質量和壽命。因此，糖尿病心肌損傷的基礎研究已成為糖尿病心臟病理學領域的前沿和熱點，有效預防和治療 DCM 也是臨床醫(yī)療的重要目標之一。

1.1 糖尿病患者心臟的能量代謝 心臟的最佳收縮功能依賴于線粒體不斷地氧化代謝，以生成維持每日心輸出量所需的ATP。為了完成能量供應的任務，心肌細胞線粒體可以通過氧化磷酸化的作用將存儲在燃料底物(脂肪酸、葡萄糖、乳酸、酮體和氨基酸)中的化學能轉化為ATP。正常情況下，心肌細胞可以通過脂肪酸氧化獲得60%的能量，其余40%來自其他物質如葡萄糖等底物的氧化，并且可以根據(jù)環(huán)境的條件靈活地將底物轉換為ATP供能。心肌細胞的這一特征對于滿足能量需求供給的能力至關重要，因為底物具有不同的能量效率。能量效率定義為所消耗的氧氣量所產(chǎn)生的ATP量，并通過P/O比進行評估。脂肪酸氧化通過需要使用最多的氧氣來產(chǎn)生最多的ATP，其P/O比為2.30；而葡萄糖是最有效的能量底物，其P/O比為2.58[4]。葡萄糖氧化是正常心臟代謝所必需的，如果氧化降低會引起心臟舒張功能障礙[5]。胎兒的心臟代謝狀態(tài)是過度依賴葡萄糖氧化和脂肪酸氧化，在心臟衰竭時同樣發(fā)生了類似的能量轉換，可能與“能量饑餓”狀態(tài)相關，因為葡萄糖雖然是低氧消耗的底物，同時也是低ATP產(chǎn)量的燃料。相反，糖尿病患者的心臟對脂肪酸氧化過度依賴，這可能導致糖尿病患者對心臟的負性調(diào)控并不靈敏。

1.2 糖尿病心肌細胞能量利用率的改變 糖尿病患者早期無癥狀階段便可出現(xiàn)心臟脂肪酸利用率增加，線粒體代謝變化可能先于心臟病理結構的改變，這些改變對心臟是有害的。既往在胰島素抵抗和肥胖的模型上發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗并非此能量代謝轉變發(fā)生的關鍵原因。心肌細胞特異性敲除胰島素受體導致胰島素刺激的葡萄糖攝取和氧化能力降低，脂肪酸氧化升高，但在沒有全身性胰島素抵抗的情況下，僅有輕微的心功能障礙。盡管心臟胰島素抵抗是肥胖和2型糖尿病過程中的一個重要事件，但是只有全身性胰島素抵抗導致的心肌細胞脂肪酸代謝增加才是觸發(fā)糖尿病心臟功能障礙的必要條件。

脂肪酸攝取和線粒體氧化的變構激活先于代謝重建的轉錄調(diào)控。高脂血癥常見于肥胖和糖尿病，起因于飲食和脂肪分解增加，從而循環(huán)的脂肪酸增加。過量的脂肪酸可以繼發(fā)被心肌細胞攝取，這表明心肌細胞對脂肪酸的利用在很大程度上是由循環(huán)脂質的有效性所驅動的。脂肪酸一旦進入心肌細胞，就會被脂肪酰輔酶a酯化，并被運輸?shù)骄€粒體中作為能量燃料被氧化供能，轉運到細胞核，或被酯化成甘油三酯(TG)用于細胞儲存在細胞核內(nèi)[6]，脂肪酸激活轉錄因子，如細胞核過氧化物酶體增殖激活受體-α(PPARα)，進一步促進線粒體FA氧化，而PPARc共激活因子1a (PGC-1a)通過協(xié)調(diào)轉錄程序，驅動代謝重建，提高線粒體氧化能力[7]。然后心肌細胞可以特異性過表達PPARα，可以促進脂肪酸分解利用并抑制葡萄糖氧化。盡管脂肪酸的利用增加了，但仍然存在過多的甘油三酯在心肌細胞內(nèi)堆積，導致不完全氧化和可能有害的脂質代謝產(chǎn)物[8]，從而導致心肌細胞損傷。但目前對于脂毒性在DCM中的作用機制尚未明確。盡管過多的脂肪酸對糖尿病心肌細胞不利，但有趣的是，在糖尿病的動物模型中發(fā)現(xiàn)加入棕櫚酸鹽短期內(nèi)對心臟有保護作用[9]，然而具體機制仍未明確，需要進一步研究。

2 DCM的重要致病機制研究：線粒體代謝變化

2.1 線粒體氧化應激(Oxidative Stress，OS)的改變 氧化應激是指體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡，傾向于氧化，導致中性粒細胞炎性浸潤，蛋白酶分泌增加，產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物[10]。氧化應激是由自由基在體內(nèi)產(chǎn)生的一種負面作用，并被認為是導致衰老和疾病發(fā)生的一個重要因素。DCM的兩個主要病理特征對抗氧化治療特別敏感，分別是心肌肥厚和纖維化，這提示我們抗氧化治療可能成為DCM的一個治療策略。正常生理情況下，ROS在線粒體內(nèi)生成較少，而糖尿病時心肌細胞中的ROS急劇增加，主要來源可能有NADPH氧化酶、一氧化氮耦合酶、單胺氧化酶等。通過對1型糖尿病大鼠模型體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，高血糖狀態(tài)心肌細胞線粒體形態(tài)發(fā)生變化，ROS水平升高[11]。最近Nakamura報道了在1型和2型糖尿病模型發(fā)現(xiàn)一種心臟中氧化應激增加的新途徑，即氧化應激可以激活P53信號通路導致細胞色素c氧化酶增加，從而組裝蛋白，隨后線粒體呼吸鏈、脂肪酸氧化和ROS生成增加[12]。此外，他們提出了一個有趣的假設，即線粒體的電子流動是增加的而不是減少的，這可能會增加糖尿病患者心臟的氧化應激。ROS能夠導致糖尿病心肌線粒體結構損害，增強了氧化應激對蛋白質、核酸和脂質的損傷，最后引起細胞及組織的結構、生理和代謝機制破壞和調(diào)節(jié)異常，同時通過誘導粒體內(nèi)膜通透性孔道的開放，進一步損傷線粒體功能。

過多能量來源的氧化是否導致了氧化應激的增加？例如葡萄糖、脂肪酸等底物。由于內(nèi)皮細胞在沒有胰島素的情況下很容易滲透到葡萄糖中，因此線粒體氧化過多的葡萄糖和隨后生成的ROS被認為是糖尿病并發(fā)癥的致病機制。在肥胖和DM的發(fā)展過程中，心肌細胞氧化了過量的脂肪酸，增加了還原性的NADH和FADH2，導致脂肪酸增加等，從而產(chǎn)生用來驅動ATP合酶的線粒體內(nèi)膜電化學梯度。氧化應激可以引起惡性循環(huán)，即線粒體既是氧化損傷的部位又是靶點。誘導線粒體過渡孔開放對氧化應激的敏感，可以增加線粒體功能障礙，并且誘導細胞凋亡[13]。這提示氧化應激誘導線粒體解偶聯(lián)蛋白消耗內(nèi)膜電位，這提示它們可能通過降低底物過度氧化所產(chǎn)生的電子壓力來保護線粒體。

2.2 線粒體生物合成減少 線粒體的生物合成有賴于所有線粒體合成組件的協(xié)調(diào)作用。這一過程由PGC-1α協(xié)同激活核呼吸因子1和2(Nuclear respiratory factors，NRF-1和NRF-2)，增強核編碼線粒體轉錄因子A (Transcription factor A，TFAM)的表達。TFAM與線粒體DNA結合，啟動線粒體轉錄和基因組復制[14]。PGC-1α一向被認為是線粒體生物合成的主要調(diào)節(jié)因子，在發(fā)育過程中對心功能是有益的，但過度表達能導致心肌病。在基礎條件下，PGC-1α對維持成人心臟的線粒體密度和心臟功能是必不可少的。早期便發(fā)現(xiàn)遺傳上缺乏PGC-1α基因可以誘發(fā)糖尿病[15]，然而在高脂飲食誘導的胰島素抵抗模型上發(fā)現(xiàn)，PGC-1α基因最初是表達升高的，后期表達降低[16]。在糖尿病模型中報道過 PGC-1α的表達升高后線粒體DNA表達也隨之升高，但是線粒體的質量并沒有升高，這提示可能存在缺陷線粒體的堆積[17]。而在糖尿病進展期患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體的生物合成確實減少[18]。

2.3 線粒體鈣調(diào)控紊亂 心肌細胞的收縮依賴于細胞內(nèi)Ca2+濃度和線粒體產(chǎn)生的ATP。Ca2+內(nèi)流主要通過L型Ca2+通道觸發(fā)肌漿網(wǎng)Ca2+釋放，這樣可以增加胞漿外的Ca2+，然后觸發(fā)心肌細胞收縮。心室舒張和充盈主要是由AT>依賴的心肌肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶(SERCA2a)將Ca2+從胞質中攝回肌漿網(wǎng)。SERCA2a減少可以誘導心肌細胞收縮偶聯(lián)蛋白興奮性減少。近年來，DCM中開始關注線粒體鈣調(diào)控的紊亂。正常情況下線粒體不僅作為Ca2+緩沖器，以防止細胞內(nèi)Ca2+超載，而且作為傳感器與Ca2+敏感的線粒體脫氫酶激活，以提高線粒體氧化能力[19]。線粒體內(nèi)堆積的游離脂肪酸、氧化應激增加、鈣離子負荷、線粒體的膜電位降低、ATP耗竭等因素均可引起線粒體膜通道孔開放，從而導致細胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)失衡，促使位于線粒體內(nèi)外膜間隙中的細胞色素C等多種促凋亡因子釋放，進入胞質后與凋亡蛋白酶激活因子結合，從而誘發(fā)半胱天冬酶的級聯(lián)反應，促進心肌細胞死亡，最后引起心臟功能衰竭[20]。線粒體Ca2+攝取減少往往先于心肌收縮功能的下降，表明Ca2+調(diào)控在糖尿病心肌細胞中受損紊亂。糖尿病心肌細胞內(nèi)Ca2+超負荷可引起氧化磷酸化過程受損、線粒體呼吸作用以及ROS增加[21]。

總的來說，線粒體生物合成和代謝的改變與氧化應激、Ca2+調(diào)控紊亂導致的心肌細胞收縮功能障礙有關，可能導致舒張功能下降。然而，在這些關鍵的致病循環(huán)之前驅動代謝不靈活的早期事件尚未被發(fā)現(xiàn)。

3 展望未來

DCM并發(fā)的心力衰竭是一個極其復雜的病理過程，其機制目前仍未清楚。綜上所述，線粒體能量代謝紊亂在 DCM 發(fā)病過程中起到重要的調(diào)控作用，可導致線粒體氧化應激增加、ROS產(chǎn)生增多、鈣離子調(diào)控紊亂，從而導致心肌細胞收縮功能障礙和進一步改變心臟結構，加快DCM心力衰竭發(fā)病的進程。同時糖尿病也能引起機體糖脂代謝紊亂，進一步加劇線粒體能量代謝紊亂，它們并非一個獨立的過程， 而是互相影響，形成惡性循環(huán)。因此，保持糖尿病心肌細胞線粒體糖、脂代謝均衡，維持心肌細胞正常的能量供應，不僅是DCM新的病理機制，更加是未來防治的方向。然而，當前的研究證據(jù)仍不夠充分地闡明這一機制，需要進一步探尋更多的臨床實驗證據(jù)支持這一觀點，并進一步闡明具體分子機制。在闡明DCM線粒體代謝病理學的基礎上，有助于研究者和臨床醫(yī)生全面理解線粒體代謝在DCM中的作用和價值，為糖尿病心肌損傷增添新的理論依據(jù)，豐富和完善糖尿病并發(fā)心肌損傷的防治策略，為未來心血管疾病、糖尿病等重大疾病的防治提供重要靶點和理論基礎，最終實現(xiàn)從基礎研究向臨床防治的轉化。