活性氧在糖尿病心肌病中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

郭振，樊迪，唐其柱*

1武漢大學(xué)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，武漢 430060，2代謝與相關(guān)慢病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430060

目前，糖尿病心肌病(DCM)已成為一個(gè)日益嚴(yán)重的公共健康問題。據(jù)報(bào)道，1型糖尿病(T1DM)及2型糖尿病(T2DM)患者的心功能障礙患病率分別高達(dá)14.5%、35.0%[1-2]。DCM的風(fēng)險(xiǎn)與血糖控制水平相關(guān)：糖化血紅蛋白(HbA1c)水平每增加1%，T1DM患者的風(fēng)險(xiǎn)增加30%，T2DM患者的風(fēng)險(xiǎn)增 加8%[3]。

糖尿病引起心臟損害的病理生理學(xué)機(jī)制比較復(fù)雜，由多因素造成，目前提出的機(jī)制有以下幾種：胰島素抵抗、微血管損傷、亞細(xì)胞成分異常、代謝紊亂、心臟自主神經(jīng)功能障礙、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(せAS)改變及適應(yīng)性免疫反應(yīng)不良[4-6]。 其中，氧化應(yīng)激增強(qiáng)是其發(fā)生發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。在糖尿病早期階段，缺乏胰島素或胰島素抵抗會導(dǎo)致心肌細(xì)胞代謝改變，從而增加脂肪酸攝取及β氧化，以維持足夠的腺苷三磷酸(ATP)生成水平。然而，隨著時(shí)間的推移，β氧化不能將所有進(jìn)入細(xì)胞的脂肪酸充分代謝，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)累積及脂毒性。細(xì)胞內(nèi)的脂肪酸濃度升高及線粒體功能障礙，使活性氧(ROS)及活性氮(RNS)的生成增加，這兩種物質(zhì)共同增強(qiáng)了氧化應(yīng)激及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并抑制了自噬[7]。各種ROS或RNS的過量生成是糖尿病相關(guān)炎癥及心肌重構(gòu)的核心機(jī)制[8-9]。這些效應(yīng)共同導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡、心肌肥厚及炎癥，并誘導(dǎo)了細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)重構(gòu)及進(jìn)行性纖維化[10]。

1 ROS

ROS可定義為含有一個(gè)或兩個(gè)未成對電子的高ROS中心化學(xué)物，這些未成對的電子是在體內(nèi)氧正常新陳代謝的自然副產(chǎn)品中形成的[11]。心肌中最常見的ROS形式有超氧陰離子(O2·)、羥基自由基(OH·)、過氧化物自由基(ROO·)及H2O2(圖1)[8]。是細(xì)胞中形成的主要ROS，可引發(fā)一系列反應(yīng)，導(dǎo)致生成其他反應(yīng)物如過氧亞硝酸鹽陰離子(ONOO-)，后者可通過脂質(zhì)過氧化、抗氧化酶失活和蛋白質(zhì)氧化、硝化及DNA損傷，進(jìn)而造成細(xì)胞損傷[12]。ROS除了造成分子直接損傷外，還可激活細(xì)胞損傷的應(yīng)力敏感通路[13]。

2 心肌中ROS的來源

糖尿病心肌中R O S 的主要來源是N A D P H氧化酶、線粒體、解偶聯(lián)內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)及黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase，XO，圖1)[14]。

2.1 NADPH氧化酶 NADPH氧化酶是一個(gè)在心血管系統(tǒng)中廣泛表達(dá)的膜結(jié)合酶家族，主要功能是生成ROS[15]。血管緊張素Ⅱ、內(nèi)皮素-1和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等一系列刺激物均可激活NADPH氧化酶(Nox)[16]。在病理狀態(tài)下，NADPH氧化酶產(chǎn)生來摧毀入侵的微生物。NADPH氧化酶復(fù)合物由膜結(jié)合的催化核心[p22phox、一個(gè)Nox亞基(通常為Nox1、Nox2或Nox4)]及4個(gè)調(diào)節(jié)亞基(p47phox、p67phox、p40phox及Rac1)組成。心肌細(xì)胞中主要的Nox亞基為Nox2及Nox4(圖1)[15]。在疾病中，Nox2產(chǎn)生的超氧化物可能具有很大的破壞性，而Nox4產(chǎn)生的H2O2可能對氧化還原調(diào)節(jié)及Nox信號的特異性產(chǎn)生不同的影響[16]。與糖尿病關(guān)系最密切的高血糖、缺氧及細(xì)胞因子均可刺激Nox產(chǎn)生ROS[16]。在臨床或?qū)嶒?yàn)性糖尿病模型中，心血管Nox的活性或表達(dá)明顯增強(qiáng)。在伴有心肌肥大及纖維化的T1DM患者中觀察到NADPH氧化酶Nox1、Nox2亞單位上調(diào)，且存在胰島素抵抗的心肌中也有類似證據(jù)[17]。Nox依賴的ROS過量生成在促進(jìn)高血糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激中發(fā)揮了核心作用[14]。線粒體和NADPH氧化酶衍生的ROS可增加糖尿病小鼠的心肌細(xì)胞凋亡[18]。NADPH氧化酶的上調(diào)導(dǎo)致心肌肥大，同時(shí)上調(diào)促纖維化基因的表達(dá)[18]。Nox4定位于線粒體，在代謝性疾病中容易出現(xiàn)功能障礙，在糖尿病心肌中可能起著重要且復(fù)雜的作用[19]。

2.2 線粒體 線粒體呼吸鏈?zhǔn)切呐K內(nèi)ROS的另一個(gè)主要來源(圖1)。線粒體是氧化磷酸化的部位，可將葡萄糖/游離脂肪酸(FFA)高效代謝為乙酰輔酶A，為線粒體提供高能電子，從而產(chǎn)生豐富的ATP[20]，是這種能量生成途徑的副產(chǎn)品[21]。線粒體呼吸過程中產(chǎn)生的少量ROS在非疾病狀態(tài)下通常被內(nèi)源性抗氧化劑分解形成水。然而，在病理?xiàng)l件(如心肌衰竭)下，機(jī)體抗氧化能力受到損傷，ROS會加速積累，并導(dǎo)致氧化應(yīng)激增強(qiáng)[22]。線粒體電子傳遞鏈在呼吸鏈的復(fù)合體Ⅰ及復(fù)合體Ⅲ中生成副產(chǎn)物，而高血糖引起的線粒體電子傳遞鏈產(chǎn)生過?？赡苁羌せ頓CM進(jìn)展涉及的所有途徑中的第一個(gè)關(guān)鍵事件[7,24]。線粒體ROS生成增加可致心肌細(xì)胞的線粒體功能障礙，損害ATP生成并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致心肌功能障礙[25]。線粒體ROS的過量產(chǎn)生也促進(jìn)心肌重構(gòu)，這是DCM一個(gè)重要的細(xì)胞標(biāo)志[14]。

2.4 XO 黃嘌呤氧化還原酶包括黃嘌呤脫氫酶及XO兩種可相互轉(zhuǎn)化的形式，它們在嘌呤末端代謝過程中催化次黃嘌呤轉(zhuǎn)化為黃嘌呤，然后再轉(zhuǎn)化為尿酸，從而產(chǎn)生超氧化物(圖1)[30]。XO是影響糖尿病血管氧化應(yīng)激及功能障礙的主要因素，而別嘌呤醇可增強(qiáng)高尿酸糖尿病患者的NO依賴性血管舒張功能[31]。在糖尿病引起心肌重構(gòu)的小鼠模型中，XO被激活，而別嘌呤醇可抑制XO，進(jìn)而減輕高血糖引起的肥厚、纖維化、心臟擴(kuò)張及功能障礙[32]。

圖1 ROS與糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制Fig. 1 ROS and pathogenesis of diabetic cardiomyopathy

3 氧化應(yīng)激介導(dǎo)的DCM的改變及其損害

氧化應(yīng)激在DCM發(fā)病機(jī)制中的作用主要是對組織和細(xì)胞的細(xì)胞毒性損傷。糖尿病患者心臟中的ROS生成增加，可直接使脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)氧化及DNA損傷引起心臟功能障礙，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡(圖1)[33]。

3.1 脂質(zhì)過氧化 氧化應(yīng)激的一個(gè)重要生物標(biāo)志是脂質(zhì)過氧化(圖1)，脂質(zhì)過氧化是指ROS與生物膜的脂質(zhì)反應(yīng)生成脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，從而導(dǎo)致生物膜的流動性和通透性改變[34]。脂質(zhì)過氧化可破壞膜脂的雙層分子排列，使膜結(jié)合受體及酶失活，并可增加組織的滲透性[35]。當(dāng)氧化損傷程度超過細(xì)胞的修復(fù)能力時(shí)，高水平的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞損傷，從而促進(jìn)DCM的發(fā)展[36]。在糖尿病患者心臟中，脂質(zhì)過氧化可產(chǎn)生高度反應(yīng)活性的醛類物質(zhì)，如丙二醛(MDA)及4-羥基壬烯醛(4-HNE)[37]。 有研究顯示，糖尿病大鼠心肌中MDA及4-HNE水平均升高，提示過氧化損傷可能參與了DCM的發(fā)病機(jī)制[34,38]。氧化應(yīng)激引起的4-HNE水平升高可能通過形成聚合物干擾蛋白質(zhì)及線粒體等亞細(xì)胞細(xì)胞器而導(dǎo)致心肌損傷和功能障礙。ROS還可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞線粒體膜極化，導(dǎo)致內(nèi)膜通透性增加及ATP耗竭，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡[39]。

3.2 蛋白質(zhì)氧化 蛋白質(zhì)氧化是ROS增加導(dǎo)致的氧化應(yīng)激失控的另一個(gè)后果(圖1)[40]。ROS通過氨基酸側(cè)鏈及蛋白質(zhì)骨架的氧化、電荷的改變及交聯(lián)使蛋白質(zhì)發(fā)生斷裂。這些修飾反過來又以不同的方式影響蛋白質(zhì)，包括其構(gòu)象、結(jié)構(gòu)、溶解度及對蛋白質(zhì)水解的敏感性[35]。氧化蛋白損傷可改變抗氧化蛋白酶的功能及結(jié)構(gòu)，從而降低細(xì)胞的抗氧化能力[41]。 ROS介導(dǎo)的糖尿病心肌蛋白質(zhì)氧化修飾可影響膜結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)折疊、酶活性、轉(zhuǎn)錄因子、興奮收縮偶聯(lián)及收縮性，最終導(dǎo)致心肌功能障礙[42-43]。此外，ROS可使糖尿病心肌中參與抗氧化防御的關(guān)鍵蛋白失活，氧化應(yīng)激增強(qiáng)，從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷[8]。 研究表明，誘導(dǎo)大鼠糖尿病4周后，O2·明顯增加，使細(xì)胞抵御氧化應(yīng)激的第一道防線[包括心肌中的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和還原型谷胱甘肽(GSH)]的防御能力明顯降低[44]。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠心肌中蛋白質(zhì)羰基含量增加，表明蛋白質(zhì)的氧化增加，可進(jìn)一步造成心肌細(xì)胞損傷，從而導(dǎo)致DCM的發(fā)生[45-46]。

3.3 DNA損傷 ROS增加致DNA損傷是DCM發(fā)病的主要因素之一(圖1)[47]。據(jù)報(bào)道，高血糖與DNA氧化損傷之間存在明顯的相關(guān)性[48]。當(dāng)ROS導(dǎo)致的DNA損傷程度超過細(xì)胞的DNA修復(fù)能力時(shí)，即可發(fā)生不可逆的DNA損傷，造成細(xì)胞凋亡及死亡[49]。T2DM大鼠的心肌組織中ROS水平增加，進(jìn)而導(dǎo)致了DNA氧化及碎片增加[50]。多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)在應(yīng)對嚴(yán)重DNA損傷時(shí)被過度激活，可通過減緩糖酵解及線粒體呼吸速度而導(dǎo)致細(xì)胞死亡及功能障礙[51]。已有的研究表明，糖尿病心肌中氧化應(yīng)激介導(dǎo)的DNA損傷及PARP-1過度激活可能是通過激活細(xì)胞死亡機(jī)制及炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致心臟損傷的主要因素[52]。氧化DNA損傷誘導(dǎo)PARP-1過度激活可能會導(dǎo)致糖尿病患者心功能不全及心力衰竭進(jìn)展[53]。此外，氧化DNA損傷可導(dǎo)致DNA修復(fù)障礙，進(jìn)而阻斷DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄，造成DNA損傷的富集和基因組不穩(wěn)定，最終誘發(fā)心肌功能障礙。

總之，氧化應(yīng)激是心血管疾病及糖尿病并發(fā)癥發(fā)生的基礎(chǔ)，其中，ROS的生成過量及抗氧化機(jī)制失衡是氧化應(yīng)激的主要原因。糖尿病或高血糖等代謝失衡可增加細(xì)胞內(nèi)ROS的來源，過量的ROS可對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及DNA造成損傷，且可明顯干擾糖尿病患者正常細(xì)胞及分子的生理功能，導(dǎo)致心肌及血管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能異常，進(jìn)而導(dǎo)致DCM。針對糖尿病ROS生成增多機(jī)制的新見解可幫助開發(fā)治療DCM的新藥物和方法。這一方向的臨床相關(guān)轉(zhuǎn)化研究也有助于進(jìn)一步闡明DCM的潛在機(jī)制。