自噬在糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制中的作用研究進(jìn)展

朱金秀 吳盛粼 胡佐祺 譚學(xué)瑞

糖尿病是常見(jiàn)的內(nèi)分泌紊亂性疾病，在世界范圍內(nèi)，其流行率從20世紀(jì)以來(lái)一直在上升。預(yù)計(jì)到2030年，全球?qū)⒂?億糖尿病患者[1]。糖尿病與多種心血管疾病發(fā)病率和死亡率的升高密切相關(guān)，包括冠狀動(dòng)脈疾病、外周動(dòng)脈疾病、腦卒中、高血壓、心肌病和心力衰竭。雖然糖尿病的心血管并發(fā)癥主要與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化等缺血性疾病有關(guān)，但一些沒(méi)有冠狀動(dòng)脈疾病或高血壓的糖尿病患者也會(huì)受到糖尿病相關(guān)心肌病，即糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)的影響，最終導(dǎo)致心力衰竭[2-3]。

1 糖尿病心肌病的定義和流行病學(xué)

我國(guó)糖尿病的患病率高達(dá)11.6%，其中2型糖尿病約占85%[4]。DCM是糖尿病常見(jiàn)且重要的并發(fā)癥。2013年，美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)(ACCF)、美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(AHA)、歐洲心臟病學(xué)會(huì)(ESC)與歐洲糖尿病研究協(xié)會(huì)(EASD)將DCM定義為糖尿病患者在沒(méi)有冠狀動(dòng)脈粥樣硬化和高血壓的情況下出現(xiàn)的心室功能障礙[5]。糖尿病患者中DCM檢出率為12%～22%。盡管高血糖和心臟胰島素抵抗是導(dǎo)致DCM的關(guān)鍵因素，但其發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，現(xiàn)階段仍缺乏針對(duì)性的DCM防治策略[6-7]。

2 自噬在糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展中的作用

DCM發(fā)病的可能機(jī)制包括糖基化終產(chǎn)物(AGEs)的堆積、過(guò)量活性氧的形成、氧化應(yīng)激、線粒體功能紊亂、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、纖維化等[8-10]，但上述機(jī)制尚不能完全解釋DCM的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。最近的研究顯示，自噬參與了DCM的病理生理過(guò)程，且可能在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[11]。Xu等[12]通過(guò)在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)定鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的1型糖尿病小鼠心肌自噬通量，發(fā)現(xiàn)糖尿病所致的心臟損傷在Beclin1和ATG16缺乏的小鼠中明顯減輕，氧化應(yīng)激、間質(zhì)纖維化和心肌細(xì)胞凋亡水平降低，間接表明低自噬水平有利于改善心功能。因此，抑制自噬可能是DCM的潛在治療策略之一。

2.1 過(guò)度自噬導(dǎo)致心肌細(xì)胞受損

細(xì)胞自噬是真核生物細(xì)胞內(nèi)普遍存在的一種自穩(wěn)機(jī)制，也是一種受到精確調(diào)節(jié)的生物學(xué)過(guò)程。它通過(guò)溶酶體降解來(lái)消除細(xì)胞多余和受損的結(jié)構(gòu)，以維持細(xì)胞正常生理功能，從而適應(yīng)各種不良刺激[13]。根據(jù)底物進(jìn)入溶酶體或液泡途徑的不同，自噬主要分為三種形式：宏自噬、微自噬以及分子伴侶介導(dǎo)的自噬。通常說(shuō)的“自噬”即宏自噬，其特點(diǎn)是自噬小體的形成[14]。在生理環(huán)境下，自噬活性較低，可維護(hù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)；過(guò)度自噬則會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生自噬性死亡[15]。

心肌細(xì)胞在很大程度上依賴于自噬的有效清除異常、受損蛋白質(zhì)和細(xì)胞器功能，以維持正常的心臟功能。然而，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，一些心臟疾病與自噬的過(guò)度激活有關(guān)，這可能是由于過(guò)度自噬導(dǎo)致收縮蛋白的降解和自噬性細(xì)胞死亡，不利于心肌細(xì)胞的存活。研究發(fā)現(xiàn)，壓力過(guò)載或再灌注損傷所引起的過(guò)度自噬加重心肌重構(gòu)，說(shuō)明過(guò)度自噬在心力衰竭進(jìn)展中是不利因素[16]。在主動(dòng)脈縮窄小鼠模型中，抑制自噬相關(guān)蛋白LC3 Ⅱ/Ⅰ和Beclin1的上調(diào)、降低自噬活性可減少小鼠心肌細(xì)胞的死亡，從而改善心功能[17]。

研究顯示，房顫中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的自噬與心肌細(xì)胞重構(gòu)有關(guān)，過(guò)度激活自噬可能導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷和肌溶解，加速房顫的進(jìn)展[18]。另一項(xiàng)研究表明，犬快速心房起搏后以及持續(xù)性房顫患者的心房肌細(xì)胞均存在AMPK依賴性自噬，提示AMPK激活自噬可能是房顫發(fā)生的新機(jī)制[19]。AMPK是真核生物細(xì)胞中高度保守的關(guān)鍵細(xì)胞能量傳感器，在各種應(yīng)激事件中具有重要的自噬激活作用。

在黏液性二尖瓣中可觀察到自噬標(biāo)志物L(fēng)C3表達(dá)的增加[18]。在慢性心力衰竭的發(fā)展過(guò)程中，Beclin1的上調(diào)可激活自噬[19]。這些證據(jù)均揭示過(guò)度自噬在心臟疾病發(fā)生發(fā)展中的不利影響。過(guò)度的自噬誘導(dǎo)將導(dǎo)致缺血性心肌病或心力衰竭時(shí)發(fā)生自噬細(xì)胞死亡和心肌細(xì)胞丟失。這提示自噬的水平及持續(xù)時(shí)間決定了其在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮不同的作用[17, 22]。

2.2 Nrf2對(duì)自噬具有負(fù)向調(diào)控作用

NF-E2相關(guān)因子2(Nrf2)存在于細(xì)胞質(zhì)中，是抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子[23]。研究表明，Nrf2基因敲除的糖尿病小鼠心肌細(xì)胞中活性氧水平較對(duì)照組顯著升高，此后，Nrf2作為糖尿病心臟抵抗活性氧的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子受到了廣泛關(guān)注[24]。Nrf2通過(guò)調(diào)控?cái)?shù)以百計(jì)的抗氧化反應(yīng)元件(AREs)，包括抗氧化酶、異生物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和其他應(yīng)激反應(yīng)蛋白等在其啟動(dòng)子中的表達(dá)來(lái)對(duì)抗氧化反應(yīng)機(jī)制[23]。在生理?xiàng)l件下，Nrf2主要受其抑制劑Kelch樣ECH關(guān)聯(lián)蛋白1(Keap1)的調(diào)控，該抑制劑針對(duì)Nrf2進(jìn)行泛素化降解，以維持低細(xì)胞水平的Nrf2；在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，Nrf2與Keap1迅速分離，游離Nrf2轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，在核內(nèi)與ARE序列結(jié)合，激活A(yù)RE調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄[25]。此外，活性Nrf2與多種自噬調(diào)節(jié)因子的ARE序列結(jié)合，如P62、ATG4、ATG5、ATG7，提示Nrf2也通過(guò)調(diào)控自噬對(duì)抗氧化損傷，對(duì)自噬有調(diào)控作用[26]。

在高糖環(huán)境下，線粒體產(chǎn)生的大量活性氧誘導(dǎo)氧化損傷是糖尿病進(jìn)展為DCM的重要驅(qū)動(dòng)因素[27]。當(dāng)活性氧和氧化應(yīng)激損傷增加自噬活性而又不能適時(shí)抑制時(shí)，過(guò)度自噬可通過(guò)降解細(xì)胞內(nèi)重要成分誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[28]。在氧化應(yīng)激過(guò)程中，Nrf2作為主要的調(diào)節(jié)因子可負(fù)性調(diào)控自噬[29]，以避免自噬性細(xì)胞死亡[23]。然而，Nrf2在DCM小鼠模型的心肌組織中處于低表達(dá)狀態(tài)[30]。

較少有研究關(guān)注長(zhǎng)期氧化應(yīng)激過(guò)程中自噬活性的動(dòng)態(tài)改變，以及自噬的有利或不利影響。Nrf2可能通過(guò)降低自噬活性，避免自噬過(guò)度激活的不利影響，促進(jìn)細(xì)胞的存活[29]。遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期氧化應(yīng)激環(huán)境下，負(fù)向調(diào)節(jié)自噬有利于維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，可能是由于在長(zhǎng)期氧化應(yīng)激的心肌細(xì)胞中AMPK水平降低，導(dǎo)致自噬被抑制[31]。

現(xiàn)有研究中，當(dāng)氧化應(yīng)激時(shí)間較短時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)這種負(fù)性調(diào)控效應(yīng)；隨氧化應(yīng)激時(shí)間延長(zhǎng)而出現(xiàn)的自噬水平下調(diào)現(xiàn)象提示，在疾病的不同階段，自噬的活躍程度不同。然而，要確定究竟是哪些因子，以及它們?nèi)绾螀⑴c對(duì)長(zhǎng)期氧化應(yīng)激的適應(yīng)，則需要進(jìn)行更深入的機(jī)制研究。

2.3 激活Nrf2可能抑制過(guò)度自噬

有研究提示，Nrf2的沉默導(dǎo)致AMPK的持續(xù)活躍，誘導(dǎo)氧化應(yīng)激時(shí)自噬的過(guò)度激活。而Nrf2可直接調(diào)控AMPK的進(jìn)化保守機(jī)制，并通過(guò)這種調(diào)控將自噬的激活降低到生理水平。這可能是細(xì)胞的一種自衛(wèi)機(jī)制，使自身在長(zhǎng)時(shí)間的氧化應(yīng)激下免于過(guò)度自噬導(dǎo)致的細(xì)胞死亡[29]。研究發(fā)現(xiàn)，胚胎腎HEK293T細(xì)胞和人結(jié)腸Caco-2細(xì)胞在利用叔丁基過(guò)氧化氫(TBHP)模擬的氧化應(yīng)激環(huán)境下，Nrf2以及AMPK的mRNA水平對(duì)TBHP的處理呈時(shí)間依賴性變化：TBHP的作用時(shí)間越長(zhǎng)，Nrf2的含量越高，AMPK表達(dá)越少。沉默Nrf2后再進(jìn)行TBHP處理，AMPK的mRNA水平并沒(méi)有下降。這表明在氧化應(yīng)激狀態(tài)下，Nrf2對(duì)AMPK具有調(diào)節(jié)作用。當(dāng)TBHP作用1 h后，AMPK和ULK1均被磷酸化，提示AMPK在長(zhǎng)期的氧化應(yīng)激中被短暫地激活；隨后，AMPK活性迅速下降，表明在氧化應(yīng)激期間AMPK活性存在延遲負(fù)反饋。自噬關(guān)鍵標(biāo)記物L(fēng)C3和P62的表達(dá)變化也表明，自噬在氧化應(yīng)激期間表現(xiàn)出一個(gè)激活峰，但長(zhǎng)期使用氧化劑可抑制自噬。而在Nrf2 siRNA預(yù)處理的細(xì)胞中，TBHP處理4 h后，自噬底物的P62水平顯著下降，證明Nrf2通過(guò)AMPK負(fù)調(diào)控自噬[29]。

多酚類化合物通過(guò)調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和AMPK通路，干預(yù)脂聯(lián)素的mRNA和蛋白表達(dá)，改善心肌糖脂素能量代謝[32]；茶多酚通過(guò)刺激AMPK活性而增加自噬，避免由于脂質(zhì)代謝紊亂引起的過(guò)度β-氧化和產(chǎn)生的有毒物質(zhì)所致的心肌損傷[33]。給予多酚類化合物楊梅酮處理，可促進(jìn)Nrf2的表達(dá)和核易位，繼而改善DCM小鼠模型的心臟損傷[30]。

綜上，除已知的AGEs堆積、活性氧形成、氧化應(yīng)激、線粒體功能紊亂、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、纖維化等，自噬在糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生中亦起到關(guān)鍵作用。過(guò)度自噬導(dǎo)致的心肌受損可能是DCM發(fā)生發(fā)展的機(jī)制之一。因此，通過(guò)增加Nrf2的表達(dá)而抑制過(guò)度自噬，可減輕DCM所致心肌損傷，有望為DCM的防治提供新的方向。