鈣離子參與糖尿病心肌病發(fā)生發(fā)展過(guò)程的研究進(jìn)展

宋嬌瑩，郭航遠(yuǎn)

（紹興文理學(xué)院醫(yī)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

糖尿病心肌?。╠iabetic cardiomyopathy，DCM）是一種在糖尿病患者中發(fā)現(xiàn)的心力衰竭綜合征，是由糖尿病引起的可導(dǎo)致心力衰竭（HF）的病理生理狀態(tài)[1]，其特征是心肌舒張動(dòng)力學(xué)受損或舒張功能障礙，結(jié)構(gòu)異常致左心室肥厚（LVH），或上述兩者的結(jié)合[2]。目前，DCM 被定義為糖尿病患者在沒有高血壓和結(jié)構(gòu)性心臟?。ㄈ绨昴ば孕呐K病或冠心病）情況下的心肌功能障礙（MD）[3]。由于糖尿病對(duì)心臟功能的影響相當(dāng)隱蔽和緩慢，因此人們對(duì)DCM 的早期階段知之甚少，并且在許多情況下，只有在達(dá)到嚴(yán)重程度的功能障礙后才能診斷出心臟疾病。因此，探索和認(rèn)識(shí)導(dǎo)致DCM 心功能不全的初始病理生理機(jī)制，對(duì)于本病的及時(shí)診斷和治療至關(guān)重要[4]。在DCM 的復(fù)雜機(jī)制中，鈣離子（Ca2+）異常已被證實(shí)為關(guān)鍵的早期過(guò)程[5]。Ca2+是一種重要的第二信使，Ca2+穩(wěn)態(tài)對(duì)維持心臟功能至關(guān)重要[6]。大量的研究表明，心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+信號(hào)的改變是DCM 的標(biāo)志。Ca2+在DCM 的發(fā)生發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。Ca2+異常是導(dǎo)致DCM 中心肌收縮力下降、舒張緩慢、觸發(fā)心律失常和細(xì)胞改變的主要原因[6]。1 型糖尿病動(dòng)物模型的心臟機(jī)械活動(dòng)缺陷歸因于收縮期[Ca2+]i降低和[Ca2+]i短暫延長(zhǎng)，除了L 型Ca2+通道的Ca2+電流降低外[7]，收縮期[Ca2+]i短暫延長(zhǎng)主要由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（SR）功能障礙引起[8-9]。目前關(guān)于2 型糖尿病引起心肌病的鈣處理研究有限且尚未明確。例如，胰島素抵抗肥胖型2 型糖尿病（cp/cp）大鼠模型顯示SR-Ca2+攝取增強(qiáng)，但肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase2a（SERCA2a）水平和SR-Ca2+負(fù)荷不變[10]。本文就Ca2+參與DCM 發(fā)生發(fā)展過(guò)程的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為DCM 的靶向治療提供新的方向。

1 Ca2+在正常心肌細(xì)胞中的作用

心肌細(xì)胞興奮- 收縮耦聯(lián)（ECC）是在細(xì)胞表面水平將膜去極化與細(xì)胞內(nèi)驅(qū)動(dòng)收縮的肌纖維相互作用聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程。Ca2+是這兩個(gè)過(guò)程之間的紐帶。SR 協(xié)調(diào)ECC，主要參與者是Ca2+。Ryanodine 受體2（RyR2）和SERCA2a 受多種蛋白質(zhì)和激酶的高度精確調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鈣循環(huán)的精確同步，從而完成心臟收縮和舒張過(guò)程[11]。收縮期間從SR 釋放的Ca2+通過(guò)SERCA2a 由肌漿泵入SR 管腔（人類的比例約為70%），剩余的Ca2+主要通過(guò)Na+/Ca2+交換器（NCX）進(jìn)入細(xì)胞外，但也可通過(guò)線粒體Ca2+單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MCU）和肌膜Ca2+-ATP 酶（PMCA）進(jìn)入細(xì)胞外，維持心肌細(xì)胞Ca2+穩(wěn)態(tài)[10]。在舒張期，SERCA2a 主動(dòng)將Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)至SR 管腔，約占Ca2+瞬時(shí)再攝取的70%左右[10]。

2 調(diào)控細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)的相關(guān)受體

2.1 L 型Ca2+通道

L 型Ca2+通道（Cav1.2）是Ca2+進(jìn)入心肌細(xì)胞的主要途徑[12]，在興奮- 收縮耦合中起關(guān)鍵作用。在心肌細(xì)胞中，二氫吡啶受體（DHPR）位于SR 錨定蛋白、肌漿網(wǎng)RyR2 附近，這種空間接近性允許去極化的質(zhì)膜轉(zhuǎn)化為從ER 儲(chǔ)存中釋放Ca2+。在電壓依賴性鈣激活過(guò)程中，Ca2+通過(guò)周期性振蕩細(xì)胞質(zhì)中Ca2+的濃度介導(dǎo)心肌細(xì)胞的收縮和舒張，精確調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度，以避免發(fā)生細(xì)胞損傷。

2.2 RyR2

RyR2 是RyR 家族的成員，它是一種大分子同四聚體蛋白復(fù)合物，可在心臟的興奮- 收縮耦合過(guò)程中調(diào)節(jié)SR 釋放Ca2+。肌膜去極化導(dǎo)致少量Ca2+進(jìn)入心肌細(xì)胞，這種Ca2+的流入刺激了RyR2 通過(guò)SR 大量釋放Ca2+，導(dǎo)致胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的濃度瞬時(shí)升高。事實(shí)上，單個(gè)RyR2簇（8 ～100 個(gè)通道）的激活導(dǎo)致的胞質(zhì)Ca2+濃度增加稱為Ca2+流[13]。所有Ca2+的總和激活的RyR2 簇在整個(gè)心肌細(xì)胞中產(chǎn)生的Ca2+流會(huì)導(dǎo)致Ca2+瞬變，從而導(dǎo)致心肌收縮。RyR2 是由調(diào)節(jié)其活性的不同相互作用的蛋白高度控制的，如FK506 結(jié)合蛋白-12.6（FKBP12.6）、鈣調(diào)素（CaM）、鈣Sequestrin-2（CASQ2）、連接蛋白（JCTN）、三氮雜氨酸（TRDN）和β2微球蛋白。RyR2復(fù)合物中的其他蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)RyR2 翻譯后修飾的水平，如蛋白激酶A（PKA）、鈣離子/ 鈣調(diào)蛋白依賴激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ）、橫紋肌特異性表達(dá)的蛋白激酶（SPEG）及蛋白磷酸酶1 型和2A 型（PP1、PP2A）。RyR2 在心臟收縮期間的興奮- 收縮耦合中起關(guān)鍵作用，包括心臟的節(jié)律性收縮和舒張。已有實(shí)驗(yàn)表明，活性羰基化合物（RCS）、活性氧（ROS）和活性氮（RNS）應(yīng)激會(huì)在蘭尼堿受體（RyR）的一些翻譯后修飾中影響其門控和Ca2+敏感性，這會(huì)導(dǎo)致DCM 中的RyR 失調(diào)[14]。

2.3 肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase（SERCA）

SERCA 泵在心臟興奮- 收縮耦合和心臟收縮力中起主要作用。該泵由三個(gè)基因家族編碼，分別是SERCA1、2 和3，它們以幾種同種型剪接。迄今為止，已經(jīng)在蛋白質(zhì)水平上鑒定了10 多種不同的SERCA 同種型。在心臟組織中，SERCA2a 是主要形式，負(fù)責(zé)促進(jìn)SR 中Ca2+的儲(chǔ)存。質(zhì)膜Ca2+ATPase 能夠誘導(dǎo)Ca2+從細(xì)胞質(zhì)中流出，其具有較高的Ca2+親和力，但具有較低的Ca2+運(yùn)輸能力，可以抵消溫和且持久的Ca2+在細(xì)胞質(zhì)中的升高[15]。

2.4 鈉鈣交換體（NCX）

NCX 是位于質(zhì)膜的生電轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，催化Na+和Ca2+的反向轉(zhuǎn)運(yùn)。迄今為止，已鑒定出NCX 的4 種同工型，即NCX1、NCX2、NCX3 和NCX4。NCX1 在Ca2+穩(wěn) 態(tài)中發(fā)揮著重要作用，通常通過(guò)正向模式操作將一個(gè)Ca2+移出細(xì)胞外，并交換3 個(gè)Na+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[16]。早期研究表明，在1 型糖尿病大鼠的心室肌細(xì)胞中，NCX 表達(dá)降低[17]，電流密度亦降低，電流失活延長(zhǎng)[18]。Na+/Ca2+交換器也能誘導(dǎo)Ca2+從細(xì)胞質(zhì)中流出。NCX 具有較低的Ca2+親和力，但具有較高的Ca2+運(yùn)輸能力，當(dāng)心肌細(xì)胞經(jīng)歷興奮- 收縮耦合時(shí)，可觀察到大細(xì)胞溶質(zhì)中Ca2+的變化（幅度和含量變化），這主要是通過(guò)NCX 的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)Ca2+-ATPase 完成[19]。

2.5 線粒體Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

由于線粒體內(nèi)膜對(duì)Ca2+是不可滲透的，因此Ca2+依賴于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在線粒體中積累。MCU 是一種Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可通過(guò)增加[Ca2+]c（胞質(zhì)Ca2+）并隨后從細(xì)胞質(zhì)向線粒體基質(zhì)攝取Ca2+來(lái)激活；解偶聯(lián)蛋白2（UCP2）也是線粒體內(nèi)膜上的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[20]。

3 在DCM 中Ca2+濃度的變化

鈣協(xié)調(diào)富含Ca2+的細(xì)胞器（線粒體）和Ca2+相關(guān)信號(hào)通路，這些信號(hào)通路涉及真核細(xì)胞的生理和病理過(guò)程。其細(xì)胞內(nèi)濃度的變化是控制相關(guān)信號(hào)通路的主要決定因素。鈣對(duì)于通過(guò)興奮-收縮耦合和細(xì)胞質(zhì)Ca2+（[Ca2+]c）對(duì)心肌細(xì)胞中相關(guān)信號(hào)通路和核基因表達(dá)的活性很重要。Ca2+信號(hào)傳導(dǎo)的干擾或缺陷與DCM 密切相關(guān)[21-22]。

3.1 Ca2+超載

DCM 的發(fā)展是一個(gè)多因素過(guò)程，越來(lái)越多的證據(jù)表明細(xì)胞內(nèi)游離鈣[Ca2+]i濃度的缺陷與糖尿病心臟的機(jī)械性能受損有關(guān)，導(dǎo)致心臟收縮功能障礙[2]。據(jù)報(bào)道，糖尿病心肌中的Ca2+代謝存在多種異常，包括SR[23-24]和肌膜[25-26]中Ca2+-ATPase 的活性降低。也有報(bào)道稱，糖尿病心肌中Na+/Ca2+交換活性較低[26]，導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)異常。這些報(bào)道提示Ca2+超載可能參與了DCM 的發(fā)病機(jī)制[27]。

3.2 Ca2+對(duì)線粒體的影響

最近有研究發(fā)現(xiàn)，DCM 的心肌細(xì)胞中線粒體Ca2+攝取受損。網(wǎng)狀- 線粒體Ca2+失耦聯(lián)可能在DCM 的早期和可逆性發(fā)展中發(fā)揮作用，主要破壞線粒體生物能學(xué)。在糖尿病心肌細(xì)胞中，線粒體Ca2+攝取減少，導(dǎo)致三磷酸腺苷（ATP）生成減少[28]，并有利于ROS 的生成[29]。Pereira 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀體-線粒體-Ca2+偶聯(lián)的結(jié)構(gòu)和功能改變，導(dǎo)致線粒體-Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡和能量中斷，是高脂高糖喂養(yǎng)（HFHSD）16 周誘導(dǎo)的DCM 小鼠模型的早期特征，這種HFHSD 誘導(dǎo)的心肌病的特征是線粒體Ca2+攝取減少?？梢姡€粒體鈣處理異常在DCM 的病理生理學(xué)中起著關(guān)鍵作用。線粒體的以下特征參與細(xì)胞的生理和病理調(diào)節(jié)：線粒體通過(guò)鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，介導(dǎo)Ca2+的攝?。痪€粒體受線粒體動(dòng)態(tài)相關(guān)蛋白（OPA1、MFN1/2 和DRP1）的調(diào)控，通過(guò)不斷的裂變和融合形成線粒體網(wǎng)絡(luò)；線粒體通過(guò)三羧酸循環(huán)向電子傳遞鏈提供還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）以產(chǎn)生ATP；在壓力下，線粒體會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的ROS 來(lái)調(diào)節(jié)線粒體-SR的相互作用和相關(guān)的信號(hào)通路。這些線粒體特征都是鈣內(nèi)流（SOCE）活性的決定因素。SOCE 包括Orai 通道、TRPC 和STIM1，是細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵。在心肌細(xì)胞的特定病理?xiàng)l件下，Ca2+信號(hào)決定了線粒體和SOCE 之間的相互調(diào)節(jié)。SOCE 和線粒體在DCM 的病理生理過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。[Ca2+]m攝取對(duì)于維持SOCE 活性至關(guān)重要，線粒體Ca2+處理受損、ATP 不足和線粒體斷裂會(huì)阻礙SOCE 通道的開放并減少Ca2+進(jìn)入糖尿病心肌細(xì)胞。

3.3 核Ca2+和基因轉(zhuǎn)錄

胞漿Ca2+和核膜與核Ca2+之間存在密切的相互作用。在介導(dǎo)心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的Ca2+依賴性途徑中，有鈣調(diào)素、鈣調(diào)素Ⅱ和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶介導(dǎo)的途徑，它們?cè)贒CM 中過(guò)度活躍。這些途徑將參與胎兒基因程序的重新表達(dá)，誘導(dǎo)離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體的不適應(yīng)性肥大和重塑，最終導(dǎo)致心臟功能損害[31-32]。事實(shí)上，有研究已經(jīng)證明，在疾病發(fā)展過(guò)程中，細(xì)胞核Ca2+的變化發(fā)生在胞漿Ca2+變化之前，這支持了細(xì)胞核Ca2+在激活不適應(yīng)基因程序中的關(guān)鍵作用[5]。

3.4 Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

1 型DCM（T1D）收縮功能障礙的特征是縮短分?jǐn)?shù)[33]、射血分?jǐn)?shù)和心率降低。研究表明，T1D 收縮功能的變化反映了不同水平的Ca2+信號(hào)的變化：1）Ca2+流入；2）細(xì)胞內(nèi)鈣循環(huán)；3）Ca2+流出。2 型DCM（T2D）的心臟性能缺陷特征是心臟收縮和舒張功能障礙。T2D 收縮功能障礙取決于Ca2+信號(hào)改變，如Ca2+觸發(fā)Ca2+釋放，Ca2+流出和舒張期Ca2+釋放[33]。研究表明，在高糖飲食誘導(dǎo)的代謝綜合征大鼠中，與對(duì)照組相比，SR-Ca2+流出顯著增加，SR-Ca2+負(fù)荷降低，Ca2+瞬態(tài)振幅降低[34]。

3.5 Ca2+相關(guān)通路

有研究表明，糖尿病會(huì)導(dǎo)致PI3K/Akt 通路﹝它是L型鈣通道電流（ICaL）的有效調(diào)節(jié)劑﹞的激活被下調(diào)，這種下調(diào)觸發(fā)了糖尿病心肌細(xì)胞中ICaL 的減少[35]。目前，DCM 中ICaL 降低的最可能機(jī)制是由于胰島素或胰島素樣生長(zhǎng)因子1（IGF-1）減少而影響PI3K/PIP3/Akt 通路[36]。此外，Larocca 等[37]研究發(fā)現(xiàn)CXCR4/NF-κB/NCX1 通路與DCM 心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡有關(guān)，數(shù)據(jù)顯示，心肌細(xì)胞中NCX1 表達(dá)的增加可能受CXCR4 依賴性機(jī)制的調(diào)節(jié)，其研究結(jié)果表明，通過(guò)核因子κB（NF-κB）可調(diào)節(jié)NCX1 表達(dá)，CXCR4 參與NCX1 調(diào)節(jié)，確立了CXCR4 作為心肌細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)的中心介質(zhì)，CXCR4/NFκB/NCX1 通路可能是DCM 的潛在治療靶點(diǎn)。

4 通過(guò)調(diào)節(jié)Ca2+濃度改善DCM 的潛在治療方法

4.1 藥物治療

Jorge Suarez 等首次證明可溶性耐藥相關(guān)鈣結(jié)合蛋白（sorcin）過(guò)度表達(dá)可通過(guò)調(diào)節(jié)胞漿Ca2+流來(lái)增強(qiáng)DCM 小鼠的心肌收縮功能[38]。2007 年，Nazmi Yaras等[38]研究證明了坎地沙坦通過(guò)使RyR2 磷酸化水平降低可改善DCM 心肌細(xì)胞中異常的Ca2+平衡，減輕心肌細(xì)胞的收縮功能障礙。Qin 等[39]研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Rb1（Ginsenoside-Rb1）可通過(guò)消除蛋白O-GlcN ?；瘉?lái)調(diào)節(jié)鈣處理蛋白活性且直接抑制RyR2 活性，調(diào)節(jié)鈣信號(hào)，從而改善心臟功能。Lu 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，促紅細(xì)胞生成素治療通過(guò)抑制SR 應(yīng)激和誘導(dǎo)SERCA2a 表達(dá)，能改善DCM 小鼠的心功能參數(shù)。據(jù)報(bào)道，鞣花酸和姜辣素都是SERCA2 的直接激活劑；燈盞花素通過(guò)增加SERCA2a 和RyR2 的表達(dá)，對(duì)DCM 具有保護(hù)作用；白藜蘆醇通過(guò)激活SIRT1 增加SERCA2a 的表達(dá)，能改善糖尿病小鼠的心功能[40]。最近Torre 等[41]研究證明了Istaroxime 可通過(guò)SERCA2a 刺激加速Ca2+進(jìn)入肌漿網(wǎng)并抑制Na+/K+ATP酶（NKA），改善DCM 的心臟收縮功能。

4.2 基因治療

大量研究已經(jīng)證明衰竭心臟中SERCA2a 表達(dá)降低，進(jìn)而導(dǎo)致Ca2+穩(wěn)態(tài)改變[42]。因此，使用基因療法恢復(fù)衰竭心臟中SERCA2a 的表達(dá)可能具有有益的效果[43]。2002 年，兩個(gè)不同的研究小組報(bào)告，SERCA2a的轉(zhuǎn)基因過(guò)度表達(dá)改善了小鼠和大鼠的SR Ca2+處理[44]，與對(duì)照組大鼠相比，鏈脲佐菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病大鼠心臟SERCA2a mRNA（150%）和蛋白質(zhì)（26%）以及SR Ca2+攝?。?7%）增加；通過(guò)使用強(qiáng)力霉素誘導(dǎo)SERCA2a 表達(dá)，與對(duì)照組相比，糖尿病小鼠的SERCA2a 蛋白降低（60%）；服用強(qiáng)力霉素后，糖尿病小鼠的SERCA2a 過(guò)度表達(dá)高于對(duì)照組，糖尿病心肌細(xì)胞的收縮力較實(shí)驗(yàn)組相比接近正?；ERCA2a 過(guò)度表達(dá)可以改善DCM 的心肌收縮力[10]。

5 討論

糖尿病是一種復(fù)雜的綜合征，DCM 是多種改變最終演變?yōu)镠F 的結(jié)果。近年來(lái)DCM 的發(fā)病率不斷增高，這就需要在分子水平上對(duì)DCM 的發(fā)病機(jī)制有更深入、更好的了解，其中Ca2+穩(wěn)態(tài)的失衡在DCM 發(fā)生發(fā)展中的作用至關(guān)重要。以上研究表明，在一定階段實(shí)現(xiàn)Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡的逆轉(zhuǎn)，可在一定程度上預(yù)防DCM 的發(fā)生或延緩其發(fā)展，為DCM 的治療提供了新的方向。