代謝重編程在心房顫動發(fā)生中作用的研究進展

繆昊真，陶 磊，宋冰潔，張奇軍

寧波大學(xué)附屬人民醫(yī)院 心內(nèi)科，浙江 寧波 315000

心房顫動,簡稱房顫(atrial fibrillation,AF)是臨床上常見的心律失常。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,房顫的發(fā)病率逐年上升且造成極大的社會負(fù)擔(dān)。由于目前診斷手段及治療手段的局限,房顫的診出率及治療效果并不理想。目前,房顫的發(fā)病機制尚不明確,這也是制約房顫發(fā)展的原因之一,傳統(tǒng)觀念認(rèn)為房顫的觸發(fā)機制與心房及肺靜脈內(nèi)的異常興奮灶相關(guān)。維持機制包括多子波折返、局灶激動、轉(zhuǎn)子學(xué)說。最近研究表明,雖然房顫的流行病學(xué)得到了很好的控制,但是房顫相關(guān)的病死率及致殘率仍呈現(xiàn)出上升趨勢,這表明其他因素可能與房顫的發(fā)生有關(guān),尤其是代謝重編程在房顫中的作用,近幾年更是引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。

1 代謝重編程簡介

代謝重編程是指為應(yīng)對病理狀態(tài),原有的代謝模式發(fā)生改變,進而滿足能量供應(yīng)的需求。正常生理情況下,心臟的收縮及基礎(chǔ)代謝主要由脂肪酸代謝(70%～90%)提供,剩下的10%～30%則是由葡萄糖、氨基酸代謝提供。在房顫患者中,為了應(yīng)對快速無序的電生理活動,可以觀察到心臟發(fā)生了代謝重編程。此時,心肌原本以脂肪酸代謝為主的代謝模式向糖酵解或氨基酸代謝轉(zhuǎn)變,進而導(dǎo)致心房電生理與心房結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列改變[1]。近年來,這一現(xiàn)象引起了廣大學(xué)者的興趣。

2 代謝重編程與房顫

2.1 脂質(zhì)代謝異常與房顫

正常生理情況下,心臟所需要的能量主要由脂質(zhì)代謝所提供,在房顫患者中,脂質(zhì)代謝異常是目前的研究熱點。肥胖人群中往往伴隨著脂質(zhì)代謝異常,肥胖介導(dǎo)的房顫部分歸因于離子通道和結(jié)構(gòu)重塑的聯(lián)合作用。在動物實驗中可以發(fā)現(xiàn),飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠的心臟鈉通道表達、鈉電流(sodium current,INa)和心房動作電位持續(xù)時間(action potential duration,APD)減少,鉀通道(Kv1.5)表達和超快速延遲整流鉀電流(ultra-rapid potassium current,IKur)、F2-異前列腺素(F2-isoprostanes)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX2)、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)以及心房纖維化顯著增加[2],此時小鼠的正常的電生理活動及心房結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,而上述改變則是引起房顫的主要原因。極低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)曾一度被認(rèn)為是房顫的高危因素,在代謝綜合征(metabolic syndrome,MetS)患者中,極低密度脂蛋白通過在轉(zhuǎn)錄、翻譯和翻譯后水平調(diào)節(jié)基質(zhì)相互作用分子1(stromal interaction molecule 1,STIM1)來抑制鈣離子內(nèi)源儲存量介導(dǎo)的鈣離子內(nèi)流(store-operated Ca2+entry,SOCE),從而抑制鈣調(diào)磷酸酶(calcineurin)-NFAT通路,進而導(dǎo)致心房組織中肌絲蛋白表達的改變和肌節(jié)紊亂[3],從而增加罹患房顫的風(fēng)險。帶負(fù)電荷的極低密度脂蛋白(negatively charged VLDL,VLDL-χ)是在代謝綜合征患者中所發(fā)現(xiàn)的脂蛋白,它與極低密度脂蛋白相比具有更高的細(xì)胞毒性,是目前的研究熱點?，F(xiàn)有學(xué)者認(rèn)為帶負(fù)電荷的極低密度脂蛋白對心房組織發(fā)揮細(xì)胞毒性,最終導(dǎo)致心房重構(gòu)[4],進而誘發(fā)房顫。眾所周知,高膽固醇血癥是心血管系統(tǒng)疾病的危險因素之一,然而一項流行病學(xué)調(diào)查研究顯示總膽固醇水平(total cholesterol,TC)、極低密度脂蛋白膽固醇(very low-density lipoprotein cholesterol,VLDL-C)水平與房顫的發(fā)病率呈負(fù)相關(guān)[5]。這一現(xiàn)象被稱為膽固醇悖論(cholesterol paradox)。目前關(guān)于膽固醇悖論的研究并不是很深刻。有學(xué)者認(rèn)為膽固醇參與JPH2(junctophilin-2)蛋白和T管的結(jié)合以及L型鈣通道(L-type calcium channels,LTCC)活性的調(diào)節(jié)。當(dāng)膽固醇耗竭時,L型鈣通道的數(shù)量明顯減少,最終導(dǎo)致耦聯(lián)膜復(fù)合物(junctional membrane complexes,JMCs)的破壞和T管的重塑[6],從而產(chǎn)生心房重構(gòu)。而心房重構(gòu)則可以誘發(fā)房顫。多數(shù)人認(rèn)為三酰甘油(triglyceride,TG)是房顫的危險因素之一,然而最近的流行病學(xué)結(jié)果顯示TG的水平與房顫的發(fā)生無顯著相關(guān)性[7]。

脂肪酸根據(jù)碳?xì)滏滐柡团c不飽和可分為3類,即:飽和脂肪酸(saturated fatty acid,SFA),單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid,MUFA),多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA),ω-3和ω-6多不飽和脂肪酸也是當(dāng)下研究熱點之一。ω-3 多不飽和脂肪酸主要包含α-亞麻酸(α-linolenic acid,ALA)、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)、二十二碳五烯酸(docosapentaenoic acid,DPA)及二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA);ω-6多不飽和脂肪酸主要包含亞油酸和花生四烯酸。一項前瞻性的隨訪研究認(rèn)為高濃度的ω-6 多不飽和脂肪酸與房顫較低的發(fā)生率有關(guān)。此外,較高濃度的ω-3多不飽和脂肪酸(尤其是EPA和DHA)似乎存在種族差異,其與白人或華裔美國人的房顫風(fēng)險無關(guān),但與黑人和西班牙裔美國人的風(fēng)險降低相關(guān)(僅DHA)[8]。目前研究認(rèn)為ω-3多不飽和脂肪酸的攝入可以減少心血管疾病的發(fā)生,在動物實驗中可以觀察到,與房顫組(空白對照組)相比,在經(jīng)過ω-3多不飽和脂肪酸干預(yù)后,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白表達水平,炎性細(xì)胞因子,腫瘤壞死因子-α(TNF-α)均顯著下調(diào),實驗動物的心房電重構(gòu)顯著減弱,心房顫動易損性顯著降低,心肌細(xì)胞凋亡也顯著減少,最終減少實驗動物通過電刺激誘發(fā)房顫的可能性[9]。一項流行病學(xué)研究證實攝入ω-6多不飽和脂肪酸可以減少房顫的風(fēng)險,其背后的機制目前尚不清楚,可能與降低血管硬度和血管阻力、促進內(nèi)皮血管舒張和提高脈搏速度有關(guān)[10]。

脂肪酸根據(jù)碳鏈長度的不同又可將其分為:短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA),中鏈脂肪酸(medium-chain fatty acid,MCFA),長鏈脂肪酸(long-chain fatty acid,LCFA)。通過代謝組學(xué)檢測,可以發(fā)現(xiàn)房顫患者中的腸道微生物群與短鏈脂肪酸合成相關(guān)基因被破壞,其特征是KEGG鄰位基因、合成酶基因和宿主物種的豐度降低[11]。房顫患者的糞便短鏈脂肪酸水平顯著降低,從陣發(fā)性到持續(xù)性房顫呈下降趨勢。在動物實驗中發(fā)現(xiàn),低纖維飲食小鼠的體表心電圖顯示P波持續(xù)時間延長,超聲心動圖顯示左心房直徑增加,缺乏膳食纖維增強了突發(fā)性起搏下對房顫的敏感性,而短鏈脂肪酸的補充則體現(xiàn)出保護作用。短鏈脂肪酸可防止心房組織中的無序纖維化、膠原表達和NLRP3炎性小體激活等一系列病理改變。并且可以通過GPR43/NLRP3信號傳導(dǎo)減輕房顫的發(fā)展[12]。至于中鏈脂肪酸,長鏈脂肪酸對房顫的影響不明確,目前鮮有文獻報道。

2.2 糖代謝異常與房顫

糖代謝異常作糖尿病的最顯著特征,會導(dǎo)致罹患房顫的風(fēng)險高于健康人。既往的研究發(fā)現(xiàn)糖代謝異常會改變心房原有的結(jié)構(gòu)以及電活動,通過氧化應(yīng)激來誘發(fā)房顫。葡萄糖通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter,GLUT)轉(zhuǎn)運到細(xì)胞中是葡萄糖利用的限速步驟。在動物實驗中可以發(fā)現(xiàn),與對照組相比,胰島素抵抗(insulin resistance,IR)動物表現(xiàn)出對誘發(fā)房顫和自發(fā)房顫的易感性增加。胰島素刺激的GLUT4和GLUT8易位在胰島素抵抗動物的心房中以及它們的總蛋白質(zhì)表達下調(diào)。胰島素信號調(diào)節(jié)失調(diào)導(dǎo)致心房葡萄糖轉(zhuǎn)運受損,可能提供代謝性心律失常的底物,并成為房顫的新的早期致病因素[13]。當(dāng)GLUT4和GLUT8轉(zhuǎn)運的下調(diào),可以引起心臟葡萄糖攝取減少,最終導(dǎo)致ATP產(chǎn)生的總體減少。這可能與心臟離子泵(例如Ca2+離子泵)的功能異常密切相關(guān)。而心房肌細(xì)胞內(nèi)向鈣電流的改變和隨后動作電位持續(xù)時間的縮短是房顫的致病因素[14]。

目前研究發(fā)現(xiàn),在動物實驗和細(xì)胞實驗中,Zucker糖尿病肥胖(Zucker diabetic fatty)大鼠和經(jīng)高濃度晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGE)處理的HL-1細(xì)胞心房組織,離子通道蛋白(Kv4.3、Kv1.5和Cav1.2)表達顯著下調(diào)[15]。另外,在經(jīng)鏈脲霉素(streptozotocin,STZ)誘發(fā)的糖尿病小鼠心房中和經(jīng)晚期糖基化終末產(chǎn)物處理的HL-1細(xì)胞中,p16和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(retinoblastoma,Rb)蛋白水平升高。晚期糖基化終末產(chǎn)物增加了p16/Rb蛋白的表達和SA-β-gal陽性細(xì)胞的數(shù)量,延長了動作電位持續(xù)時間,降低了Cav1.2、Kv1.5的蛋白水平,以及Ica,L、IKur的電流密度[16]。通過與正常小鼠對比,db/db小鼠對房顫表現(xiàn)為高度敏感,這與心房傳導(dǎo)速度降低、動作電位持續(xù)時間延長以及左心房和右心房復(fù)極異質(zhì)性增加有關(guān)。同時在db/db小鼠中可以發(fā)現(xiàn),心房K+電流,包括瞬時外向電流Ito(transient outward current)和IKur減少。Ito的減少與Kcnd2 mRNA表達和KV4.2蛋白水平的降低相關(guān)。而IKur的減少與基因或蛋白質(zhì)表達變化無關(guān)[17]。此外,在糖尿病的狀態(tài)下,NLRP3炎性小體/caspase-1/Gal-3信號通路與房顫密切相關(guān)。在損傷相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns/damage-associated molecular pattern,PAMPs/DAMP)的介導(dǎo)下,細(xì)胞啟動由NLRP3,銜接蛋白質(zhì) ASC和procaspase-1組成的多蛋白復(fù)合物,以激活炎性反應(yīng)。同時過度活躍的NLRP3信號傳導(dǎo)促進RyR2和caspase1介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡(pyroptosis)的表達,導(dǎo)致心律失常增加,炎性細(xì)胞因子分泌導(dǎo)致纖維化[18]。

此外,細(xì)胞器功能異常(例如線粒體功能異常,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激)是一個普遍的現(xiàn)象。通過對房顫患者的心房進行活檢后,可以發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙,表現(xiàn)為ATP水平異常、線粒體應(yīng)激伴侶上調(diào)和線粒體網(wǎng)絡(luò)斷裂。線粒體功能障礙則可以通過部分阻斷或下調(diào)線粒體鈣單轉(zhuǎn)運蛋白來防止線粒體Ca2+內(nèi)流的增加[19],最終導(dǎo)致電生理重構(gòu),而電生理重構(gòu)則與房顫密切相關(guān)。IP3R1-GRP75-VDAC1復(fù)合物能調(diào)控Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移至線粒體中。通過動物實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時,IP3R1-GRP75-VDAC1復(fù)合物蛋白表達增加,而該化合物可介導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)—線粒體相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜(mitochondria-associated ER membranes,MAM)—線粒體氧化應(yīng)激,這在心房重構(gòu)中發(fā)揮重要作用[20]。目前認(rèn)為微管網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)肌漿網(wǎng)和線粒體之間的接觸(sarcoplasmic reticulum and mitochondrial contacts,SRMC)破壞可能在臨床房顫,尤其是糖尿病相關(guān)房顫中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在細(xì)胞及動物實驗中,在心率過快(模擬房顫)和高糖(模擬糖尿病)的條件下,HL-1心肌細(xì)胞(鈣瞬時丟失)和果蠅(心率降低和心律失常增加)的收縮功能被顯著損害,此外,快速起搏和高糖均顯著降低了肌漿網(wǎng)和線粒體之間的接觸以及線粒體融合蛋白2(mitofusin 2,MFN2),并導(dǎo)致線粒體功能障礙。在流行病學(xué)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),與對照組患者相比,持續(xù)性房顫患者右心房附件中,二者的水平顯著降低,糖尿病患者的情況更為嚴(yán)重[21]。

2.3 氨基酸代謝異常與房顫

高同型半胱氨酸血癥是常見的氨基酸代謝異常。目前認(rèn)為同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)的水平與房顫呈正相關(guān)。同型半胱氨酸是甲硫氨酸循環(huán)的中間代謝產(chǎn)物,是一種具有細(xì)胞毒性的含硫氨基酸。在動物實驗中,高同型半胱氨酸血癥會通過增加Nav1.5和IP3R1的蛋白質(zhì)表達水平,進而使細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平增加,延長動作電位持續(xù)時間[22]。而這些變化則會導(dǎo)致電生理重構(gòu),進而誘發(fā)房顫。另外結(jié)合動物實驗,可以觀察到在高同型半胱氨酸血癥小鼠中,TRPC3上調(diào),SIRT1下調(diào),心房呈現(xiàn)更高水平的纖維化。研究人員認(rèn)為SIRT1的下調(diào)是高同型半胱氨酸的一個致病因素,TRPC3通過其C末端直接與SIRT1結(jié)合,以調(diào)節(jié)TGF-β通路,進而引發(fā)房顫[23]。

目前D-谷氨酸對房顫的影響也是當(dāng)下的研究熱點。通過代謝組學(xué),可以觀察到,在房顫進展過程中,代謝途徑發(fā)生了重大改變,其中就包括D-谷氨酸代謝[24]。而在大鼠心房心肌細(xì)胞的質(zhì)膜下有大量含有谷氨酸的小泡。大鼠心房心肌細(xì)胞表達谷氨酸能遞質(zhì)系統(tǒng)的關(guān)鍵元素,如谷氨酸代謝酶、離子型谷氨酸受體(ionotropic glutamate receptors,iGluRs)和谷氨酸轉(zhuǎn)運體[25]。當(dāng)D-谷氨酸代謝發(fā)生必然影響心房心肌細(xì)胞的電生理活動,進而引發(fā)房顫。

3 問題與展望

代謝重編程是近年來研究熱點之一,它在房顫的誘發(fā)及維持起到了重要的作用。然而在代謝重編程中,氨基酸代謝異常對房顫的影響較少,因此探究氨基酸代謝異常對于房顫的研究還需深入進行。同時根據(jù)代謝重編程的發(fā)生,研究人員發(fā)現(xiàn),通過干預(yù)某些位點,可以改善實驗動物的已紊亂的電生理活動和心房結(jié)構(gòu),從而達到治療目的。然而上述這些研究僅僅局限于動物學(xué)實驗,很難應(yīng)用于實際臨床工作中。因此,通過藥物干預(yù)代謝重編程也是今后的研究方向之一。