糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展*

張雄慧，郭 浩，米卓卓,馬 琴 綜述，張常喜 審校

(1.寧夏醫(yī)科大學(xué)，寧夏 銀川 750000；2.寧夏回族自治區(qū)中醫(yī)醫(yī)院肺病科，寧夏 銀川750000)

糖尿病心肌病(DCM)是糖尿病的主要并發(fā)癥之一，心肌病變作為糖尿病的獨立并發(fā)癥而存在，目前認(rèn)為，多種因素共同促進(jìn)了 DCM的病程進(jìn)展，其中高血糖、胰島素抵抗起著關(guān)鍵性作用，還包括心肌細(xì)胞能量代謝障礙和內(nèi)皮細(xì)胞損傷，導(dǎo)致心肌重塑、凋亡和纖維化[1]。在糖尿病患者中 DCM患病率達(dá)到了12%，已受到廣泛關(guān)注[2]。因此，現(xiàn)將其發(fā)病機(jī)制綜述如下。

1 心肌細(xì)胞能量代謝紊亂

1.1糖、脂代謝相互競爭 心臟對于底物的選擇有良好的適應(yīng)性，因糖尿病患者體內(nèi)存在胰島素缺乏或抵抗，所以，當(dāng)心肌細(xì)胞對葡萄糖的利用受阻時，機(jī)體對于脂肪酸的利用明顯增多，此時心肌供能主要依賴于脂肪酸的β氧化，使得這個過程中產(chǎn)生的檸檬酸鹽水平也隨之增多，而檸檬酸能夠通過加強(qiáng)輔酶三磷酸腺苷(ATP)的濃度抑制磷酸果糖激酶的作用，進(jìn)一步又抑制了糖酵解水平。另一方面，葡萄糖代謝中的限制步驟——丙酮酸氧化脫酸酶(PDH)是催化丙酮酸向乙酰輔酶 A不可逆轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，因此，當(dāng)脂肪酸氧化過程增強(qiáng)時此過程中的產(chǎn)物——乙酰輔酶 A水平相應(yīng)提高，并會反過來抑制這一過程。糖尿病患者體內(nèi)PDH磷酸化逐漸減少，也進(jìn)一步降低了糖酵解過程?？梢姡珼CM的能量代謝紊亂主要為糖代謝和脂代謝紊亂，且為二者相互競爭影響的結(jié)果。

1.2糖代謝紊亂 糖酵解過程被抑制后線粒體上的電子傳動鏈產(chǎn)出的反應(yīng)性氧族——活性氧(ROS)增多，導(dǎo)致DNA受損，引起多聚二磷酸腺苷核糖多聚酶活化，進(jìn)一步使甘油醛3-磷酸脫氫酶失活，激活了晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs)、蛋白激酶 C、活化核因子-κB(NF-κB)等途徑。(1)AGEs在 DCM的發(fā)生和發(fā)展中具有重要作用，體內(nèi)葡萄糖水平和氧化應(yīng)激反應(yīng)均可促進(jìn) AGEs生成，AGEs的累積增多會引起血管內(nèi)膜出現(xiàn)病理性損傷[3]。AGEs與血管內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞表面相關(guān)受體結(jié)合，導(dǎo)致下游信號激活，出現(xiàn)瀑布效應(yīng)，從而引起血管內(nèi)皮局部炎癥、功能受損等，繼而出現(xiàn)高凝傾向，最終加速糖尿病血管病變的發(fā)展。另外，AGEs還可釋放大量氧自由基引起心肌細(xì)胞死亡[4]。(2)高血糖可以使細(xì)胞中的二酰甘油合成增多，也是導(dǎo)致心肌功能異常的關(guān)鍵因素，并進(jìn)一步激活蛋白激酶C，這也是 DCM發(fā)生的潛在危險因素。(3)高糖、高脂、晚期糖基化終末產(chǎn)物均可以誘導(dǎo)NF-κB的活化。NF-κB作為無處不在的、可誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子能夠控制促炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，降低心肌收縮性。

1.3脂代謝紊亂 糖尿病患者主要依賴于脂肪酸氧化供能，但對于脂肪酸的攝取仍要超過其β氧化被利用的過程，導(dǎo)致脂質(zhì)蓄積在心肌細(xì)胞內(nèi)，游離脂肪酸(FFA)聚集，此過程即為脂毒性，并會損害心肌細(xì)胞舒縮功能。(1)心肌細(xì)胞通過增加負(fù)責(zé)線粒體β氧化所需酶的表達(dá)水平解決這一現(xiàn)象，而這些酶受過氧化物酶增殖體激活受體(PPAR)調(diào)控，PPARα是脂肪酸吸收和利用的重要受體。所以，細(xì)胞的脂毒性可激活 PPAR，使心肌細(xì)胞對于脂肪氧化的代謝能力減低，導(dǎo)致細(xì)胞功能損害。(2)FFA通過抑制PDH影響心肌細(xì)胞能量的產(chǎn)生，并造成大量神經(jīng)酰胺和糖酵解中間產(chǎn)物等的堆積，使細(xì)胞發(fā)生異常凋亡。(3)脂肪酸堆積引起的細(xì)胞肥大性改變影響細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)，并激發(fā)細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)等其他應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而激活炎癥信號通路，心肌細(xì)胞處于慢性炎性反應(yīng)狀態(tài)，導(dǎo)致心肌損壞[5]。

2 鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)

心肌細(xì)胞對于鈣的調(diào)控指細(xì)胞在興奮收縮偶聯(lián)過程中鈣離子(Ca2+)發(fā)生的一系列變化過程。當(dāng)心肌細(xì)胞興奮時Ca2+通過 L型鈣通道內(nèi)流，激活肌質(zhì)網(wǎng)內(nèi)Ca2+的釋放，則心肌細(xì)胞收縮;心肌細(xì)胞舒張時Ca2+通過細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的鈣泵及鈉鈣轉(zhuǎn)運體從胞質(zhì)內(nèi)排出，這是經(jīng)典的鈣調(diào)控過程。有研究表明，糖尿病患者持續(xù)性高血糖可通過減少Ca2+從 L型鈣通道的流入、影響肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+的釋放、減慢鈣再攝取的速度、使鈣外流增加從而改變心肌細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)[6]。因此，鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)時鈣信號通路引起Ca2+轉(zhuǎn)運，通過降低肌膜上的鈉-鉀-ATP酶及肌漿網(wǎng) Ca2+-ATP酶活性，造成Ca2+超載，導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷，同時，此過程使肌動蛋白對于外周Ca2+的敏感度降低，導(dǎo)致心室收縮功能障礙[7]。另外，Ca2+主要的2種調(diào)控蛋白——受磷蛋白和肌漿網(wǎng) Ca2+-ATP的表達(dá)和活性出現(xiàn)異常是造成心肌舒縮功能異常的關(guān)鍵因素，其在糖尿病狀態(tài)下失調(diào)時必然引起心肌功能受損[8]。

3 胰島素抵抗及高胰島素血癥

3.1胰島素抵抗和高胰島素血癥 糖尿病狀態(tài)下機(jī)體出現(xiàn)的胰島素缺乏和對于胰島素的利用障礙會引起全身細(xì)胞代謝紊亂，也就是心臟處于胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)胰島素抵抗時機(jī)體對于胰島素的敏感性降低，但為了維持機(jī)體的血糖水平機(jī)體代償性分泌更多的胰島素，形成高胰島素血癥。所以，胰島素抵抗和高胰島素血癥是糖尿病發(fā)生過程中的2個重要特征[9]，并可以引起全身代謝紊亂，激活交感神經(jīng)系統(tǒng)、腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)，促進(jìn)氧化應(yīng)激、細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體功能障礙和鈣穩(wěn)態(tài)失衡，進(jìn)一步引起心肌細(xì)胞凋亡，心肌纖維化以及微循環(huán)障礙，并導(dǎo)致心力衰竭[10]。

3.2胰島素作用機(jī)制及在心血管系統(tǒng)中的作用 胰島素在對機(jī)體的調(diào)節(jié)中尤其是心血管系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用。主要可以使內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)被激活，一氧化氮(NO)產(chǎn)生增多[11]，并擴(kuò)散至平滑肌導(dǎo)致血管舒張，另外，胰島素主要起到調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運這一重要環(huán)節(jié)，此過程中胰島素利用葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4參與糖酵解、糖原合成、脂質(zhì)代謝、蛋白質(zhì)合成、生長和凋亡過程?？梢姡葝u素缺乏可直接影響到心血管系統(tǒng)。胰島素主要通過激活磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(Akt)通路和促分裂原活化蛋白激酶/GTP結(jié)合蛋白信號通路途徑2個信號通路發(fā)揮作用，其中第一途徑能刺激葡萄糖的轉(zhuǎn)運，還包括糖原、蛋白質(zhì)及脂肪的生成。FULLMER等[12]研究發(fā)現(xiàn)，胰島素過量時傳導(dǎo)這些信號會損害2種激酶，即磷酸肌醇-3激酶和Akt。2種激酶均位于胰島素及受體的下游，Akt在對于心臟的缺血預(yù)適應(yīng)的保護(hù)中具有重要作用，過量胰島素使心臟具有Akt依賴性[13]。叉形頭轉(zhuǎn)錄因子 O亞型(FoxO)家族也對于心臟應(yīng)激反應(yīng)具有保護(hù)作用。有研究證實了 FoxO家族對心臟的重要作用，氧化應(yīng)激反應(yīng)下實驗組小鼠的FoxO1和 FoxO3增多，能夠減輕心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)染顯性，抑制FoxO1腺病毒所導(dǎo)致的ROS和細(xì)胞死亡效應(yīng)。糖尿病狀態(tài)下心肌細(xì)胞可以抑制FoxO的表達(dá)，主要是胰島素抵抗時胰島素受體底物的絲氨酸磷酸化增多，使機(jī)體對于胰島素敏感性減低，同時，使胰島素受體底物吸引磷脂酰肌醇3激酶的能力降低，影響胰島素及下游信號通路的激活[14]。

4 氧化應(yīng)激

人體在生理狀態(tài)下處于氧化還原穩(wěn)態(tài)，在應(yīng)激狀態(tài)下引起氧化應(yīng)激，氧化還原穩(wěn)態(tài)被改變。氧化應(yīng)激指氧化抗氧化間比例失衡，細(xì)胞膜中的不飽和脂肪發(fā)生過度氧化，此過程產(chǎn)生大量的氧化產(chǎn)物導(dǎo)致自由基過盛，人體ROS和活性氮增多是加速機(jī)體衰老的重要因素[15]。(1)ROS產(chǎn)生過量時會攻擊生物膜、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及 DNA，參與DCM的各種病理狀態(tài)，如心肌細(xì)胞凋亡、炎癥、心肌肥厚和纖維化、血管內(nèi)皮功能障礙、動脈粥樣硬化等[16]。有研究表明，氧化應(yīng)激是炎癥的重要驅(qū)動因素，其中活化的NF-κB作為無處不在的、可誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子具有控制促炎性細(xì)胞因子表達(dá)的作用，并降低心肌收縮性，同時，NF-κB還可受高糖、高脂、AGEs的活化[17]。(2)NO、NOS也是內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)中的重要部分，NO是自由基，也是內(nèi)皮源性舒張因子，因此，NO對心臟有損傷和保護(hù)雙重作用。NOS有eNOS、誘導(dǎo)型(iNOS)、神經(jīng)元型(nNOS)3種亞型，在心肌中均有表達(dá)，其中來源于eNOS、nNOS的NO對心臟起保護(hù)作用，但來源于iNOS的 NO則會損傷心臟，也是誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡的重要因素[18]。(3)高糖狀態(tài)引起 AGEs生成增加，其與其受體結(jié)合后可以激活還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶，ROS生成增多，發(fā)生氧化應(yīng)激，引起NF-κB活化，導(dǎo)致促炎性細(xì)胞因子表達(dá)增多，iNOS活性上升[19]；另外，AGEs引起超氧化物歧化酶活性降低，過氧化氫大量累積，進(jìn)一步誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡，DCM進(jìn)一步加重。(4)氧化應(yīng)激狀態(tài)下內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)中氧化還原體系的天然抗氧化肌肽和谷胱甘肽系統(tǒng)發(fā)生了變化[20]。肌肽具有很強(qiáng)的抗氧化活性，可抑制體內(nèi)過氧化鏈中的每一步氧化反應(yīng)[21]。谷胱甘肽系統(tǒng)在保持機(jī)體維持在還原狀態(tài)，能夠防止自由基損傷[22]。有研究表明，DCM患者機(jī)體抗氧化能力下降，氧化水平增強(qiáng)，肌肽和谷胱甘肽系統(tǒng)出現(xiàn)異常，另外，NO的含量也較對照組增多，且iNOS活性增強(qiáng)。說明DCM狀態(tài)時機(jī)體氧化應(yīng)激作用增加，誘導(dǎo)心肌進(jìn)一步損傷[23]。

5 心肌細(xì)胞的自噬與凋亡

細(xì)胞的死亡包括細(xì)胞凋亡和自噬2種方式，凋亡是細(xì)胞為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和調(diào)控發(fā)育而主動結(jié)束生命的過程；自噬是細(xì)胞為維持細(xì)胞器更新和物質(zhì)代謝的保守生命過程。在不同因素刺激下二者相互拮抗或促進(jìn)或先后發(fā)生[24]。但過量的自噬會導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織損傷。(1)持續(xù)高血糖狀態(tài)導(dǎo)致機(jī)體通過線粒體電子傳遞鏈產(chǎn)生大量ROS，并通過激活作用將通過糖酵解途徑利用的葡萄糖轉(zhuǎn)換為高糖誘導(dǎo)下的其他級聯(lián)反應(yīng)，這些反應(yīng)會損傷心肌細(xì)胞[25]。有研究表明，高糖狀態(tài)下的新生大鼠生物鐘基因過表達(dá)會下調(diào)哺乳動物雷帕霉素蛋白(mTOR)通路，通過細(xì)胞自噬起到保護(hù)心肌正常細(xì)胞的作用;反之當(dāng)該基因低表達(dá)時通過誘導(dǎo)mTOR通路抑制細(xì)胞自噬，損傷心肌[26]。(2)FFA蓄積導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡，且隨著 FFA累積，自噬效應(yīng)蛋白(Beclin-1)和自噬體相關(guān)蛋白-膜型自噬體這2種與自噬相關(guān)蛋白表達(dá)增高，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬[27]。(3)氧化應(yīng)激時缺氧引起 ATP水平減低，從而激活腺苷酸活化蛋白激酶，并使mTOR失活，誘導(dǎo) Beclin-1通路引起自噬，導(dǎo)致心肌肥厚及心功能受損[28]。有研究證實，心肌細(xì)胞經(jīng)抗氧化劑——N-乙酰半胱氨酸的處理后有助于阻斷自噬反應(yīng)和谷胱甘肽水平的恢復(fù)，有效減少心肌細(xì)胞繼續(xù)受到損害。(4)胰島素抵抗會引起供應(yīng)心肌的能量不足，并直接引起心肌細(xì)胞凋亡和功能異常。胰島素抵抗引起機(jī)體對胰島素敏感性明顯減低，導(dǎo)致下游信號傳導(dǎo)障礙，其中FOXO作為一種自噬相關(guān)蛋白轉(zhuǎn)錄因子，通過上調(diào)激活自噬調(diào)節(jié)基因或抗胸腺細(xì)胞球蛋白基因發(fā)揮作用，有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OXO被敲除后的胰島素抵抗DCM糖、脂代謝水平改變，引起心肌細(xì)胞自噬。(5)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在氧化應(yīng)激或鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)等病理因素的影響下會導(dǎo)致未折疊蛋白質(zhì)蓄積增多[29]，導(dǎo)致心肌細(xì)胞功能異常，發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。有研究表明，增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡中具有重要作用，通過其過度表達(dá)可間接引起心肌細(xì)胞凋亡[30]。

6 心肌纖維化

心肌纖維化是心肌重塑的重要病理基礎(chǔ)，指心肌組織中各種膠原排列紊亂和比例失衡的過程，導(dǎo)致過量膠原纖維沉積。超過90%的心肌細(xì)胞是成纖維細(xì)胞，可以合成膠原等細(xì)胞外基質(zhì)成分，其中膠原中的Ⅰ型膠原占85%，其良好的韌性決定了心臟的僵硬度，小部分Ⅲ型膠原決定室壁的彈性，正常時二者比例適當(dāng)，心肌纖維化時二者比例失衡并沉積于心肌細(xì)胞中，心肌僵硬度變大且順應(yīng)性下降，使心肌的收縮、舒張功能出現(xiàn)異常。

在心肌纖維化中，最關(guān)鍵的因素是腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活，二者之間緊密相關(guān)[31]。機(jī)體受到刺激使腎素-血管緊張素系統(tǒng)激活后產(chǎn)生的血管緊張素Ⅱ與血管緊張素Ⅰ受體結(jié)合，又激活了NADPH氧化酶導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加的經(jīng)典過程，心肌細(xì)胞受損，另外，血管緊張素Ⅱ會刺激成纖維細(xì)胞增生、膠原代謝異常，心肌變僵硬并影響心臟舒張功能，導(dǎo)致心肌纖維化。

引起心肌纖維的常見因素還有：(1)轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)信號通路與心肌纖維化，TGF-β細(xì)胞因子具有多種功能，可以刺激組織纖維化，并調(diào)節(jié)炎癥、細(xì)胞外基質(zhì)沉積、細(xì)胞增殖分化和生長，誘導(dǎo)膠原蛋白Ⅰ和膠原蛋白Ⅲ基因的表達(dá)。TGF-β/Smad信號通路是調(diào)節(jié)心肌纖維化的主要通路[32]。(2)微小RNA(miRNA)作為一種小型非編碼單鏈 RNA，是重要的調(diào)節(jié)因子。參與了心律失常、心臟肥大、心力衰竭和心肌纖維化等心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展，受到生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注[33]。(3)同源蛋白(TRB)可以激活促分裂原活化蛋白激酶系統(tǒng)進(jìn)而導(dǎo)致心肌間質(zhì)纖維化。(4)絲氨酸蛋白水解酶異常增生，因其具有生成血管緊張素Ⅱ的作用，所以，當(dāng)心肌細(xì)胞缺血受損時進(jìn)入細(xì)胞外基質(zhì)引起心肌細(xì)胞肥大增生和基質(zhì)纖維化[34]。

7 心室重塑是DCM發(fā)生和進(jìn)展的關(guān)鍵

DCM最典型的特征是心臟發(fā)生代謝紊亂，為應(yīng)對這種應(yīng)激狀態(tài)下的代謝紊亂心臟發(fā)生代謝和電生理重構(gòu)，引起心室重構(gòu)，引起的心臟功能障礙合并脂毒性進(jìn)一步促進(jìn)心力衰竭的發(fā)生?？梢娦呐K的代謝性重構(gòu)是心肌損傷的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[35]。微觀上心室重塑時心肌細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生變化，二者比例失衡，使心臟形狀、大小均發(fā)生變化，心室重塑的主要機(jī)制有以下4個方面：(1)微血管病變。糖尿病時的病理改變?yōu)槲⒀h(huán)障礙，微血管病變中的微循環(huán)障礙和微血管基膜增厚等[36]。代謝障礙、氧化應(yīng)激可以使微血管結(jié)構(gòu)、功能出現(xiàn)改變，使心肌缺血、缺氧，并誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡，使心肌形成微小壞死灶、心肌間形成纖維瘢痕灶，引發(fā)心室重塑。(2)代謝障礙致心臟代謝性重構(gòu)。代謝紊亂是心肌重塑的主要環(huán)節(jié)，主要涉及高糖狀態(tài)下AGEs產(chǎn)生增多，不僅可以導(dǎo)致血管病變，釋放的大量NO直接損傷心肌細(xì)胞，引起心室重塑及心血管并發(fā)癥。(3)心臟腎素-血管緊張素系統(tǒng)被激活。心臟的腎素-血管緊張素系統(tǒng)系統(tǒng)受到刺激被激活，使心肌纖維化增多，心臟僵硬度增加，影響心室舒張，引發(fā)心室重塑現(xiàn)象[37]。(4)自主神經(jīng)病變。此時交感神經(jīng)功能亢進(jìn)占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致心肌肥大和間質(zhì)纖維化，并刺激腎素-血管緊張素系統(tǒng)系統(tǒng)，心肌發(fā)生彌漫性壞死，形成心室重塑[38]。

綜上所述，DCM現(xiàn)已成為威脅人類生命健康的一大危險因素，但發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚，主要涉及心肌細(xì)胞代謝紊亂、鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)、胰島素抵抗、氧化應(yīng)激、心肌細(xì)胞自噬與凋亡、心肌纖維化及心室重塑等方面且相互作用和影響。因此，還需尋求各個機(jī)制具體的靶點以指導(dǎo)臨床。