糖尿病心肌病中離子通道研究進(jìn)展

劉倩茹，湯依群

(中國(guó)藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與臨床藥學(xué)學(xué)院臨床藥學(xué)教研室，江蘇 南京211198)

在全球十大死因中，糖尿病位列其中。高血糖引起一種復(fù)雜、異質(zhì)性的慢性代謝性疾病。超過(guò)50%的糖尿病患者死亡的原因是由于心血管疾病并發(fā)癥，比如糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)。在沒有冠狀動(dòng)脈疾病的情況下，糖尿病性心肌病也會(huì)引起心肌功能和結(jié)構(gòu)的改變[1]。糖尿病心肌病通常以左室肥厚和舒張功能障礙為特征,隨后是收縮功能障礙，動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)和心率降低，最后是不明機(jī)制的臨床心力衰竭。這些變化的機(jī)制包括高血糖、全身和心臟胰島素抵抗等，而發(fā)生在疾病后期的收縮期功能障礙，可能是DCM進(jìn)展導(dǎo)致的舒張功能障礙和心臟順應(yīng)性下降所致。此外糖尿病性心肌病可觀察到間質(zhì)纖維化、炎癥和心肌細(xì)胞肥大等光鏡特征。糖尿病患者心律失常和心源性猝死的發(fā)生與糖尿病心臟電生理變化密切相關(guān)[2-3]。本文就離子通道在糖尿病心臟電生理紊亂中的作用作綜述，為糖尿病心肌病電生理紊亂的分子機(jī)制提供了依據(jù)，有助于發(fā)展診斷方法和治療策略。

糖尿病患者發(fā)生心律失常、心室顫動(dòng)或猝死概率較高，心電圖有明顯變化，多與心室復(fù)極有關(guān)[4]。糖尿病患者比正常人心率高，心電圖電位振幅低，波反轉(zhuǎn)多。糖尿病導(dǎo)致心臟性猝死，這可能與QT間期增加及心室動(dòng)作電位時(shí)程(action potential duration，APD)延長(zhǎng)有關(guān)[5]。在形成動(dòng)作電位的過(guò)程中，參與其中的離子通道有鈉離子、鉀離子和鈣離子。初始去極化相位是由外向內(nèi)的Na+電流產(chǎn)生的，在隨后的復(fù)極化和平臺(tái)階段，K+電流和L型Ca2+電流參與。鉀離子通道的活性是動(dòng)作電位(AP)持續(xù)時(shí)間的主要決定因素，因?yàn)樗拗屏巳O化時(shí)間、不應(yīng)期以及Ca2+介導(dǎo)的收縮時(shí)間[4,6]。

1 鉀通道與糖尿病心肌病

鉀離子通道是分布最廣的一種離子通道，它跨越細(xì)胞膜，在許多細(xì)胞中起設(shè)定或重置靜息電位的作用。鉀離子通道可調(diào)節(jié)各種細(xì)胞過(guò)程，鉀離子通道功能異?；蛭蓙y可導(dǎo)致疾病，如糖尿病[7]。由于糖尿病引起的復(fù)極鉀電流減少，導(dǎo)致心臟AP持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，而在心肌細(xì)胞所有跨膜離子電流中，ItoK+電流主要負(fù)責(zé)AP的形成，主要參與早期復(fù)極化階段。hERG基因編碼了快速延遲整流鉀電流的通道(Ikr)，它對(duì)AP的3期復(fù)極化至關(guān)重要，若出現(xiàn)功能障礙，會(huì)引起心律失常，有研究表明，hERG受高血糖、腫瘤壞死因子、神經(jīng)酰胺和活性氧等糖尿病組織中積累的細(xì)胞代謝物負(fù)調(diào)控。也有報(bào)道稱胰島素代謝影響hERG表達(dá)和ⅠKr/hERG功能，胰島素很可能通過(guò)不同的機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)不同的離子通道[8-10]。

關(guān)于糖尿病對(duì)心肌鉀電流的影響有兩個(gè)假說(shuō)。第一種假說(shuō)是由于胰島素缺乏，影響了大量蛋白質(zhì)的基因表達(dá)，其中包括鉀通道蛋白。在特異性心肌細(xì)胞胰島素受體敲除小鼠模型中，受損的胰島素信號(hào)導(dǎo)致在心室復(fù)極中K+通道的mRNA和蛋白表達(dá)顯著減少。減輕的Ⅰto反過(guò)來(lái)導(dǎo)致心室AP延長(zhǎng)和心電圖QT間期延長(zhǎng)[11]。第二種假說(shuō)認(rèn)為，糖尿病患者心臟Ⅰto降低的原因是糖代謝缺陷。在代謝增強(qiáng)劑如左旋肉堿、谷胱甘肽或丙酮酸鹽孵育6 h后，糖尿病心肌細(xì)胞的鉀電流逆轉(zhuǎn)至正常水平，支持了這一假設(shè)[12-13]。腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活也在非胰島素依賴型糖尿病大鼠中得到證實(shí)，并且隨著血管緊張素Ⅱ水平的增加，Ⅰto降低。而抑制血管緊張素Ⅱ的產(chǎn)生或作用可逆轉(zhuǎn)糖尿病患者Ⅰto的減少[14]。在鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的1型糖尿病大鼠的心室肌細(xì)胞中，與血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑纈沙坦孵育后，降低的Ⅰto顯著增加。且當(dāng)自突變db/db小鼠的心室肌細(xì)胞與纈沙坦一起孵育可以逆轉(zhuǎn)Ⅰto的降低[15]。這些結(jié)果證實(shí)了心肌細(xì)胞含有在糖尿病中被激活的局部腎素-血管緊張素系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)阻斷血管緊張素Ⅱ的形成或作用，可以消除在慢性釋放時(shí)對(duì)離子電流和AP的影響。

hERG基因編碼快速延遲整流鉀通道，hERG通道異常表達(dá)或hERG功能受損是獲得性長(zhǎng)QT綜合征(LQTs)的主要原因，該綜合征易使個(gè)體發(fā)生心律失?；蜮?。生物學(xué)上，hERG形成鉀通道的作用是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)動(dòng)作電位的持續(xù)時(shí)間，引起細(xì)胞內(nèi)一系列的生化反應(yīng)。既往研究報(bào)道hERG通道異常表達(dá)與糖尿病心肌病密切相關(guān)，但其機(jī)制仍有爭(zhēng)議。糖尿病心肌病伴隨著氧化應(yīng)激的加重，研究發(fā)現(xiàn)ROS的過(guò)量產(chǎn)生可抑制hERG電流，hERG電流降低可通過(guò)hERG蛋白表達(dá)降低引起，這些最終會(huì)引起心肌缺血、心力衰竭和糖尿病性心肌病的QT間期延長(zhǎng)[16-17]。在四氧嘧啶誘導(dǎo)的糖尿病家兔中，ⅠKr電流和hERG表達(dá)顯著降低，QT間隔延長(zhǎng)，而在糖尿病心肌細(xì)胞中ⅠKr電流的激活和失活動(dòng)力學(xué)并沒有改變[10,18-19]。此外在糖尿病家兔中發(fā)現(xiàn)了幾種K+電流下降，包括瞬時(shí)外向K+電流(Ⅰto)，快速延遲整流K+電流(ⅠKr)，緩慢延遲整流K+電流(ⅠKs)[18]。此外糖尿病犬的ⅠKs電流也降低[20]。但以鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)外向鉀電流(Ⅰto)密度顯著增加，其可能原因是，在家兔中Ⅰto主要由Kv1.4通道介導(dǎo)，而不是像大鼠、犬和人那樣由Kv4.3通道介導(dǎo)[15]。

2 鈉離子與糖尿病心肌病

Na+離子在細(xì)胞中發(fā)揮著重要作用，如AP的上升期、Ca2+循環(huán)(NCX)、代謝過(guò)程(Na+-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)體)和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)pH(Na+/H+交換器)[21-23]。心肌細(xì)胞鈉電流是心肌細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位去極化的主要組成部分，心肌細(xì)胞上的鈉離子通道受到刺激時(shí)發(fā)生去極化，當(dāng)細(xì)胞膜電壓去極化達(dá)到閾電位時(shí)，鈉離子通道大量激活，引發(fā)大量鈉離子內(nèi)流，使得心肌細(xì)胞內(nèi)的鈉離子濃度不斷增加，形成心肌細(xì)胞動(dòng)作電位的上升支，產(chǎn)生興奮[24-25]。早期研究表明，與DCM相關(guān)的NaV通道沒有顯著變化，而最近的研究顯示糖尿病心肌細(xì)胞的ⅠNa電流改變。研究發(fā)現(xiàn)糖尿病兔心室的ⅠNa電流振幅顯著下降，而通道動(dòng)力學(xué)沒有改變。并且在4周糖尿病大鼠心室肌細(xì)胞的ⅠNa電流沒有變化，而在7～8周時(shí)顯著下降[25-27]。

3 鈣離子與糖尿病心肌病

現(xiàn)已在1型和2型糖尿病中均有證明，細(xì)胞內(nèi)Ca2+失調(diào)是DCM明確的并發(fā)癥，并且胞質(zhì)鈣的積累在惡性心律失常中起著關(guān)鍵的誘導(dǎo)作用[16]。表現(xiàn)在Ca2+瞬態(tài)增加，這可能與SR中Ca2+含量減少、釋放和吸收減少以及L型Ca2+通道和NCX通道活性降低有關(guān)[28]。

其中NCX 是鈉鈣交換體，它們可介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)Ca2+外流，從而維持細(xì)胞內(nèi) Ca2+穩(wěn)態(tài)，其中 NCX1 在心臟中大量表達(dá)。NCX1通過(guò)將 3 個(gè) Na+和 1 個(gè) Ca2+進(jìn)行交換來(lái)維持心肌細(xì)胞內(nèi)外的 Ca2+平衡，它有兩種工作模式，正向模式為排出 Ca2+，而反向模式為吸收 Ca2+，排出 Na+。在穩(wěn)態(tài)條件下，正向模式 NCX 幾乎去除所有在去極化過(guò)程中進(jìn)入細(xì)胞的Ca2+，此電流與心律失常密切相關(guān)[29]。研究發(fā)現(xiàn)，鏈脲唑菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠心室肌細(xì)胞，NCX電流顯著減少，且NCX1蛋白和mRNA水平下降，而胰島素治療可預(yù)防NCX電流的降低及蛋白和mRNA水平的降低[30-33]。

此外STZ大鼠心肌細(xì)胞中的L-Ca2+電流也減少，糖尿病患者L-Ca2+電流密度小于正常心肌細(xì)胞[34]。在糖尿病家兔模型中心臟L型Ca2+電流峰值幅度降低，失活動(dòng)力學(xué)減緩[18]。

導(dǎo)致DCM中L-Ca2+電流減少的機(jī)制可能是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/Akt途徑[35]。PI3K/Akt通路的激活可使L-Ca2+電流增加，由于糖尿病，該通路被下調(diào)，這種降低使得糖尿病心肌細(xì)胞中L-Ca2+電流減少[36]。研究表明，PI3K/PIP3/Akt途徑通過(guò)提供LTCC CAVβ2亞單位的磷酸化來(lái)發(fā)揮作用[37]。PI3K是一個(gè)大分子家族，其中PI3Kα屬于Ⅰ類，是心肌細(xì)胞LTCC激活的主要介質(zhì)之一。在PI3Kα-空細(xì)胞中由于LTCC的下調(diào)，L-Ca2+電流密度降低[38]?，F(xiàn)已證明用輸注PIP3激活A(yù)kt可以逆轉(zhuǎn)鈣電流的降低，并且CaVβ2磷酸化可以保護(hù)CaV1.2成孔亞單位免受蛋白水解酶降解[39]。另一方面PI3K缺乏時(shí)橫管破壞，而LTCC主要位于橫管，因此鈣電流密度降低，細(xì)胞內(nèi)Ca2+瞬變減少[40]。

以上機(jī)制導(dǎo)致了鈣瞬態(tài)增加，胞漿內(nèi)鈣超載，心肌的興奮性和收縮功能產(chǎn)生障礙，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的心律失常，更有甚者心衰。

4 TRPM7與糖尿病心肌病

在糖尿病性心肌病中可觀察到間質(zhì)纖維化，也可稱為代償性纖維化，它在肌細(xì)胞壞死和肌原纖維逐漸消失后,由細(xì)胞間結(jié)締組織膠原合成增多而引起。纖維化增加可導(dǎo)致心室僵硬，最終導(dǎo)致舒張和收縮功能障礙[41]。病理性心臟纖維化主要由肌成纖維細(xì)胞主導(dǎo)，肌成纖維細(xì)胞是激活的成纖維細(xì)胞，其特征是過(guò)度生產(chǎn)生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、趨化因子、蛋白酶和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)蛋白[42]。而TRPM7是一種重要的促纖維化介質(zhì)，可促進(jìn)成纖維細(xì)胞的增殖和分化，增加Ⅰ型膠原等ECM的合成[43]。TRPM7在成人心臟高表達(dá),TGF-β1可誘導(dǎo)心房成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化，同時(shí)上調(diào)TRPM7[44]。

瞬時(shí)受體電位(TRP)通道，主要包含6個(gè)亞家族：TRPA、TRPC、TRPM、TRPV、 TRPML、TRPP。其中TRPM亞家族在各種生理和病理情況中起著至關(guān)重要的作用[45]。TRPM7具有蛋白激酶和陽(yáng)離子通道雙重功能，對(duì)Ca2+和Mg2+具有通透性。TRPM7參與了心臟纖維化過(guò)程中的氧化應(yīng)激。TRPM7可被與氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病激活，如阿爾茨海默病、缺氧、缺血/再灌注損傷和糖尿病等。在缺氧、H2O2等氧化應(yīng)激及促炎因子脂多糖刺激下，心肌成纖維細(xì)胞中 TRPM7 蛋白表達(dá)顯著升高，胞內(nèi)鈣離子濃度升高，且心肌成纖維細(xì)胞表現(xiàn)出較強(qiáng)的增殖、分化和膠原分泌能力[45-46]。本實(shí)驗(yàn)室先前的研究表明，在體外和體內(nèi)，異丙腎上腺素(ISO)誘導(dǎo)的心臟纖維化中，TRPM7的表達(dá)和電流均上調(diào)[47-48]。而TGF - β1可以通過(guò)磷酸化下游Smad2/3來(lái)促進(jìn)心臟纖維化，而激活的Smad7可以通過(guò)觸發(fā)TGF - β受體Ⅰ和Smad蛋白降解來(lái)改善纖維化[49]。

當(dāng)給予TRPM7抑制劑2-APB或者用siRNA沉默TRPM7后，可明顯降低成纖維細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度，從而可抑制心肌纖維化。但目前關(guān)于TRPM7與糖尿病心肌病相關(guān)報(bào)道較少，有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

糖尿病心肌病是不容忽視的疾病，獨(dú)立于冠心病和高血壓，并且病人發(fā)生心律失常、心室顫動(dòng)或猝死概率較高。糖尿病患者心功能和心電圖的異常大多與離子通道的改變有關(guān)，通道蛋白物理特性改變和表達(dá)改變來(lái)影響通道的振幅和動(dòng)力學(xué)。本綜述結(jié)合動(dòng)物模型與臨床表型分析，希望通過(guò)對(duì)離子通道的分析討論，為治療DCM以及藥物研究提供理論依據(jù)。