骨膜蛋白在糖尿病心肌病發(fā)病中的作用

賀瓊 薄佳琪 張夢圓 王維 何傳輝 劉云峰

1山西醫(yī)科大學，太原 030001; 2山西醫(yī)科大學第一醫(yī)院內分泌科，太原 030001

糖尿病心肌病(DCM)是一種糖尿病患者在排除冠狀動脈疾病、高血壓、瓣膜病、先天性心臟病等其他心血管疾病的條件下，出現(xiàn)的心臟功能障礙[1]。DCM起病隱匿，極易被忽略，在臨床上常常因治療延遲而產生心力衰竭等不良后果。DCM的概念始于1972年，推測其發(fā)病的病理基礎可能為膠原蛋白沉積、心肌型α肌動蛋白減少等[2]。

目前認為高糖血癥、脂代謝紊亂、胰島素抵抗、鈣穩(wěn)態(tài)失調均是DCM發(fā)病的誘因[3]。糖尿病患者的心臟長期處于高糖環(huán)境下，心肌細胞受到糖毒性損傷，進而出現(xiàn)一系列代謝紊亂。心肌細胞攝取、利用葡萄糖功能減弱后，脂代謝、能量代謝隨之出現(xiàn)異常。在此基礎上線粒體受損，下游氧化磷酸化途徑產生大量活性氧簇，活性氧簇進一步激活聚腺苷酸二磷酸核糖轉移酶(PARP)相關心肌損傷信號通路，導致晚期糖基化終末產物(AGEs)大量堆積。增多的AGEs促使心肌細胞外基質的膠原纖維產生增多并相互交聯(lián)，心肌纖維化程度加重，心肌順應性降低，最終發(fā)展為DCM[3-4]。

上述DCM發(fā)病機制中的部分生物分子可能通過旁路，激活骨膜蛋白及其相關信號通路。骨膜蛋白作為一種特殊的細胞基質蛋白，參與多種心臟疾病病理生理機制，包括DCM、瓣膜疾病、心肌梗死、心肌肥大和纖維化、心肌炎等，在心肌重塑及心肌纖維化中起到重要作用[5]。骨膜蛋白大量產生會加速糖尿病患者心肌纖維化，加劇DCM的嚴重程度。

1 骨膜蛋白簡介

骨膜蛋白是一種相對分子質量為90 000的分泌蛋白，在細胞外基質內廣泛存在。生理狀態(tài)下骨膜蛋白在牙周韌帶、皮質骨骨膜、心臟瓣膜等中均有表達，主要分布于細胞外膠原束和母細胞間隙，而在病理狀態(tài)下骨膜蛋白的表達明顯增加[6]。

在動物模型和人體研究中發(fā)現(xiàn)，骨膜蛋白與壓力超載引起的左室肥厚密切相關，而DCM重要的發(fā)病機制之一就是心室壁增厚。骨膜蛋白含量的升高幅度與心室壁肥厚增大程度的一致性提示，骨膜蛋白可能是與心臟重建相關的重要因素[7]。骨膜蛋白在DCM發(fā)病早期即可通過RT-PCR、Western印跡定性定量檢測，因此可能成為未來DCM的診斷與治療靶點。

2 骨膜蛋白與DCM的相關性

鄒翎等[8]發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境下(25 mmol/L)培養(yǎng)成年大鼠心肌成纖維細胞，心肌細胞產生的骨膜蛋白及其mRNA的含量與葡萄糖濃度呈正相關。說明葡萄糖可以濃度依賴性地引起心肌細胞骨膜蛋白的表達增加。進一步研究表明，高糖刺激下，大鼠心肌成纖維細胞產生大量活性氧簇，使c-Jun氨基末端激酶(JNK)磷酸化水平升高，進而提高骨膜蛋白的表達。提示高糖狀態(tài)下心肌細胞可能通過激活蛋白激酶C/活性氧簇/JNK信號通路引起骨膜蛋白產生增多。

Guan等[9]發(fā)現(xiàn), 在鏈脲佐菌素(STZ)誘導的糖尿病大鼠左心室重構中，經由活性氧簇/細胞外信號調節(jié)蛋白激酶(ERK)/轉化生長因子(TGF)-β/骨膜蛋白通路，可生成大量骨膜蛋白和Ⅰ型、Ⅲ型膠原纖維。Wu等[10]使用DCM模型小鼠進行實驗，提出白蘆藜醇通過抑制活性氧簇/ERK/TGF-β/骨膜蛋白信號通路，減少活性氧簇生成，進而改善STZ誘導的糖尿病小鼠心肌纖維化?；钚匝醮?ERK/TGF-β/骨膜蛋白信號通路的激活，可能具有促進成纖維細胞生長，增加細胞外基質表達的作用，從而導致心肌纖維化程度加重。

此外，Lou等[11]將161名研究對象分為正常糖耐量組和新診斷2型糖尿病組。結果顯示，新診斷2型糖尿病組血漿骨膜蛋白水平明顯高于正常糖耐量組。

由此可見骨膜蛋白在DCM發(fā)病早期即有表達，在DCM心臟重構和心肌纖維化過程中發(fā)揮重要作用。

3 骨膜蛋白參與DCM發(fā)病的機制

3.1 脂代謝紊亂 糖尿病患者的心肌細胞中存在脂代謝異常，具體表現(xiàn)為葡萄糖利用減少而脂肪酸利用增加。但因為脂肪酸氧化產能效率遠低于葡萄糖，所以高糖狀態(tài)下心肌細胞脂代謝增多致使體內耗氧量增加。缺氧條件下，脂肪酸氧化中間產物脂酰輔酶A大量堆積，心肌細胞內脂酰輔酶A濃度升高，使細胞膜上KATP通道開放，心肌細胞鈣流量降低，心肌收縮功能受損[12]。除了缺氧的不利條件，心肌內脂質累積也會影響線粒體的正常功能，線粒體受損后活性氧簇異常表達并逐步積累，造成心肌細胞損傷、凋亡。Burkart等[13]研究發(fā)現(xiàn)，活性氧簇在心肌中大量堆積，加速過氧化物酶體增殖物活化受體(PPAR)α與脂肪酸結合，隨后參與脂肪酸氧化的一系列基因上調，心肌內脂肪酸累積增加，形成惡性循環(huán)，加快DCM的發(fā)生、發(fā)展[14]。此外，JNK信號通路作為絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的重要分支，在脂代謝紊亂引起DCM中起到不容忽視的作用。研究顯示，JNK抑制肝臟脂肪酸氧化，擾亂肝臟正常脂肪代謝功能[15]。JNK通路的過度激活可導致脂肪代謝紊亂、肥胖和胰島素抵抗[16]。

骨膜蛋白在上述JNK/PPARα信號通路中發(fā)揮作用，加重脂代謝紊亂程度，加速DCM進程。骨膜蛋白通過JNK信號通路下調PPARα的表達，導致脂代謝紊亂。在肥胖與2型糖尿病小鼠模型中，Lu等[15]發(fā)現(xiàn)，肝臟中過度表達的骨膜蛋白通過JNK信號通路，下調PPARα表達含量，最終出現(xiàn)肝脂肪變性和高甘油三酯血癥。PPARα具備調節(jié)線粒體內脂肪酸氧化和過氧化物酶體的功能，是維護心臟正常功能的保護性因子。基因層面的分子實驗證實，敲除小鼠骨膜蛋白基因或接種骨膜蛋白中和抗體，實驗小鼠的脂代謝趨近于正常水平。與未敲除骨膜蛋白基因的小鼠相比，敲除骨膜蛋白基因的小鼠體內甘油三酯含量顯著降低。骨膜蛋白含量與總膽固醇、甘油三酯水平呈正相關，而與高密度脂蛋白-膽固醇水平呈負相關。推斷骨膜蛋白與脂代謝，特別是其中的總膽固醇、甘油三酯代謝紊亂密切相關[11, 15]。在調整了年齡、性別和體重指數(shù)多因素變量之后，甘油三酯可作為獨立危險因素，影響血漿骨膜蛋白水平，由此推測骨膜蛋白和脂代謝間可能存在雙向影響關系。

另外，內臟脂肪中骨膜蛋白的低表達水平還有利于維持現(xiàn)有脂肪組織的健康。Nakazeki等[17]發(fā)現(xiàn)巨噬細胞主要存在于肥胖小鼠脂肪組織缺氧區(qū)。在模擬缺氧條件的巨噬細胞中，骨膜蛋白的表達含量與缺氧誘導因子下游的基因葡萄糖轉運蛋白(GLUT)1和磷酸甘油酸激酶1(PGK1)表達同步升高，由此推測缺氧可能會引起巨噬細胞分泌骨膜蛋白。此外，骨膜蛋白基因敲除小鼠的脂肪組織中冠狀結構形成和纖維化水平較低，可以有效防止肝臟中出現(xiàn)脂肪組織變性。

3.2 胰島素抵抗 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白-核糖體蛋白S6激酶1(mTOR-S6K1)信號通路是導致胰島素抵抗的關鍵信號通路，胰島素抵抗形成后進一步通過磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路引發(fā)DCM。胰島素代謝途徑高度保守，S6K1是一種進化保守的色氨酸激酶，其磷酸化水平可以調節(jié)胰島素代謝信號通路[18]。在營養(yǎng)過剩等非正常情況下，腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)激活[19]，觸發(fā)S6K1慢性活化，通過增加下游胰島素代謝關鍵信號途徑胰島素受體底物-1中的色氨酸磷酸化，導致胰島素抵抗。靶細胞在胰島素抵抗狀態(tài)下，PI3K、Akt活性下降[20]，PI3K/Akt信號通路障礙使募集到質膜的GLUT4數(shù)量減少。心肌細胞葡萄糖攝取障礙，Ca2+ATP酶活性被抑制，經Ca2+泵作用回到肌漿網的Ca2+減少，細胞質內鈣離子儲留，使心臟舒張功能發(fā)生障礙[21]。

研究顯示，降低骨膜蛋白的表達對減輕小鼠全身胰島素抵抗有改善作用，但仍沒有實驗直接證明骨膜蛋白可以引發(fā)或加重胰島素抵抗。Nakazeki等[17]發(fā)現(xiàn)，同在高脂飲食條件下，骨膜蛋白-/-(骨膜蛋白基因敲除)小鼠的葡萄糖耐量試驗結果優(yōu)于野生型小鼠。此外，與野生型小鼠相比，骨膜蛋白-/-小鼠的附睪脂肪中Akt磷酸化水平顯著增強。這意味著骨膜蛋白缺失情況下，由胰島素介導的葡萄糖攝取更多，體內血糖呈現(xiàn)較低水平。而在肝臟脂肪細胞中，也表現(xiàn)出與之相似的情況，即骨膜蛋白含量降低有助于緩解胰島素抵抗程度。故可以推測出骨膜蛋白低表達在胰島素抵抗的發(fā)病中起保護作用，可以延緩DCM進程。但上述骨膜蛋白通過PI3K/Akt信號通路影響胰島素抵抗的相關實驗尚不完全充分，仍有待詳實的實驗研究揭示其背后的分子機制。

3.3 RAAS Shen和Young[22]發(fā)現(xiàn)，體內醛固酮活性較低的糖尿病患者，其心力衰竭的發(fā)病率和死亡率也更低，因此有理由認為RAAS激活是DCM的危險因素。目前認為RAAS激活后導致DCM的主要病理生理學機制為：血管緊張素與醛固酮增加，下游NADPH氧化酶活性增強從而加重氧化應激，產生大量活性氧簇，干擾正常心肌細胞代謝活動；還可以通過PI3K/Akt信號轉導途徑[19]導致胰島素抵抗的發(fā)生，間接引起DCM；心肌細胞中血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)含量增加，與鹽皮質激素共同使心機細胞產生免疫反應和炎性反應，如白細胞黏附、巨噬細胞浸潤、細胞因子表達增多等[20]，容易導致心肌的慢性炎性反應。以上RAAS激活的后果將使心臟出現(xiàn)心肌纖維化、收縮舒張功能障礙，嚴重時產生心力衰竭等[21]。

RAAS激活后，通過Ang Ⅱ-TGFβ1-p38MAPK/ERK1/2信號途徑增加Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白和骨膜蛋白的表達，介導心肌細胞纖維化出現(xiàn)，最終在器官層面上表現(xiàn)為DCM[23-24]。Li等[24]在小鼠實驗中使用ERK1/2上游激酶抑制劑和p38MAPK抑制劑后，顯著抑制小鼠心肌骨膜蛋白的表達，而使用JNK抑制劑則沒有上述抑制效果。上述實驗結果均證實了AngⅡ-TGFβ1-p38MAPK/ERK1/2信號通路發(fā)揮促進DCM發(fā)生、發(fā)展的作用。抑制此信號通路可以抑制骨膜蛋白的表達，達到保護心肌的目的。研究已經發(fā)現(xiàn)，多種藥物可以通過抑制AngⅡ-TGFβ1-p38MAPK/ERK1/2信號通路，減少骨膜蛋白含量和緩解心肌纖維化程度。洛沙坦拮抗AT1受體后，阻斷了AngⅡ信號通路進而抑制骨膜蛋白表達。Chen等[25]研究發(fā)現(xiàn)，丹參酮亞磺酸鈉(ds-201)緩解心肌纖維化的機制是通過抑制AngⅡ，使下游TGF-β1活化減少，致使骨膜蛋白表達下調，發(fā)揮維持心肌細胞正常功能的作用。與之類似，Kuo等[26]實驗證明辛伐他汀可以緩解AngⅡ觸發(fā)下游骨膜蛋白引起的心肌纖維化。

綜上所述，目前已有大量研究表明骨膜蛋白與DCM發(fā)病機制及病程進展聯(lián)系密切，骨膜蛋白是導致DCM發(fā)生、發(fā)展的重要因素之一。糖尿病病程中的糖脂代謝紊亂、胰島素抵抗形成和RAAS激活均會使骨膜蛋白含量增加，引起心肌纖維化程度加重。骨膜蛋白與DCM間的聯(lián)系使其可能成為未來預防、緩解、乃至治療DCM的靶點。已經證實在DCM發(fā)病早期即可測得骨膜蛋白的表達，說明骨膜蛋白有很大潛力成為診斷和預測DCM的生物標志物。然而關于骨膜蛋白與DCM的研究仍然十分有限，且以體外動物實驗為主，其在DCM中的作用機制仍有待于進一步臨床試驗研究加以證實。