糖尿病心肌病与心肌代谢研究进展

罗雪婷 徐昕

(1东华理工大学体育学院，江西 南昌 330013；2上海体育学院运动科学学院)

由于过度营养和久坐不动的生活方式，肥胖和胰岛素抵抗等流行病逐年增加。肥胖和胰岛素抵抗是2型糖尿病的危险因素，心血管疾病是2型糖尿病患者死亡的主要原因。1972年Rubler等〔1〕首次描述了4例糖尿病患者死后的病理结果，这些患者表现出心力衰竭症状，但没有冠状动脉或瓣膜病。1974年Framingham心脏研究进一步证实，糖尿病妇女心力衰竭发生率更高〔2〕。目前，认为糖尿病心肌病是与糖尿病相关的心肌结构和功能变化，其发生独立于其他心脏危险因素，例如冠状动脉疾病(CAD)和高血压〔3〕。

糖尿病心肌病一般分为四个阶段。第一阶段，左心室质量增加，舒张功能障碍，射血分数(EF)正常。即使临床上无症状，心肌纤维化增加，早期舒张期充盈减少，左心室舒张末期压力升高〔4〕。第二阶段的特征是左心室质量增加、室壁增厚、收缩和舒张功能障碍(EF<50%)，轻度心脏扩张。第三阶段，舒张功能障碍及动脉高压促成的收缩功能障碍和微血管病。第四阶段，中度-严重的收缩功能障碍、心脏扩张、纤维化、微血管和大血管病变〔5〕。

流行病学报告，一般人群中糖尿病患病率为16.9%，糖尿病性心肌病的患病率为1.1%，糖尿病性心肌病患者的死亡率或心力衰竭发生率为31%〔6〕。尽管糖尿病导致糖尿病患者心脏病死亡率较高增加，但目前并没有针对糖尿病引起的心力衰竭的治疗策略。因此，糖尿病心肌病发展的机制需要进行进一步研究，以改善疾病管理策略，降低患者的发病率和死亡率。

1 糖尿病心肌病的心脏胰岛素抵抗

E3泛素连接酶TRIM72(或MG53)蛋白可能在维持心肌胰岛素信号传导中起重要的负面作用。2型糖尿病小鼠模型中，升高的心肌MG 53蛋白水平与胰岛素受体和胰岛素受体底物(IRS)-1的蛋白酶降解增加有关。此外，MG53的小鼠心肌细胞特异性过表达通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)-α和抑制胰岛素信号传导增加心脏纤维化〔7〕。MG53也可能通过调节转化生长因子(TGF)-β在心肌纤维化中起重要作用〔8〕。相反，有证据表明，心肌缺血/再灌注损伤可下调心肌MG53蛋白水平，而MG53的升高可保护心肌细胞免受氧化损伤并减轻心脏缺血/再灌注损伤〔9〕。总体而言，在急性心肌梗死和心脏缺血/再灌注损伤中，MG53的短暂升高或短期增加可以预防急性损伤，而特异性抑制其E3连接酶活性可能预防胰岛素抵抗和脂质代谢失调，表明心肌MG53可能是治疗糖尿病性心肌病的潜在靶点。

促炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子(TNF)-α，可通过B淋巴细胞核因子κ-轻链增强子(NF-κB)和c-Jun N端激酶(JNK)激活，造成IRS-1磷酸化，导致心肌胰岛素抵抗。叉头框转录因子O亚族1(Foxo1)，直接调节IRS-1信号传导并降低磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号传导，导致高脂喂养的小鼠产生胰岛素抵抗〔10〕。敲除小鼠心肌Foxo1，在很大程度上预防了心力衰竭并导致肌球蛋白重链(β-MHC)表达减少〔11〕。因此，Foxo1在促进糖尿病性心肌病中具有重要作用，抑制Foxo1基因表达也可能是防治糖尿病性心肌病的一个潜在靶点。

2 糖尿病心肌病糖脂代谢异常

在高血糖、胰岛素抵抗和高三酰甘油血症的情况下，心肌使用葡萄糖作为能量来源的能力降低，随后转为以游离脂肪酸(FFA)作为能量底物，这种转换伴随着氧化磷酸化受损和线粒体质子漏增加，导致活性氧(ROS)的生成增多〔12〕。由于心脏抗氧化能力有限，线粒体ROS产生增加导致一氧化氮(NO)生成破坏并降低NO生物可用性，这是糖尿病性心肌病的标志〔13〕。糖尿病患者心脏在代谢基质之间的转换可提供新的生物标记物，最近一项研究表明，磷酸肌酸(PCr)/三磷酸腺苷(ATP)比值能够预测无心血管危险因素的肥胖患者心脏舒张功能障碍〔14〕。

心脏脂质沉积是糖尿病心肌病的标志。FA结合蛋白(FABP)3，是一种心脏特异性PPAR诱导的蛋白质，通过肉毒碱棕榈酰转移酶(CPT)-1与肉毒碱结合后，将脂肪酸从质膜转运到线粒体进行氧化，在收缩功能障碍或心力衰竭患者发生细胞损伤后，被释放到血浆〔15〕。FABP3还在心肌细胞中发挥抗细胞凋亡作用〔16〕。因此，FABP3可能不仅是糖尿病心肌病一种合适的诊断工具，而且是有希望的治疗靶点。Perilipin 5(Plin5)是一种在心脏中大量表达的Perilipin蛋白家族成员，在生理条件下促进脂滴储存，减少脂肪酸氧化来调节心脏代谢。Plin5敲除小鼠没有表现出心肌异常的脂质沉积及过量ROS产生，还表现出二酰基甘油(DAG)/神经酰胺-蛋白激酶(PK)C途径抑制，表现出对糖尿病诱发的心脏功能障碍有抵抗作用〔17〕。

2.1糖基化终末产物(AGE) 高血糖是心血管疾病发病的重要危险因素。心肌细胞中葡萄糖浓度升高增加AGE积累，产生心肌胶原和纤连蛋白，造成结缔组织交联和纤维化增加，激活AGE受体(RAGEs)，诱导产生ROS并促成氧化应激〔18〕。研究表明，钙泵肌浆网和内质网的Ca2+-ATP酶的糖化会改变其活性并破坏糖尿病大鼠心肌细胞的舒张特性〔19〕。研究显示，AGE抑制剂氨基胍可逆转链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病小鼠心肌自噬抑制、内质网应激和促肥大信号分子Akt和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)磷酸化，表明抑制AGE形成可通过调节自噬和内质网应激改善糖尿病诱导的心脏重塑和收缩功能障碍〔20〕。

2.2O-乙酰氨基葡萄糖(O-GLcNAc) 高血糖与O-连接的N-乙酰葡糖胺糖基化修饰增加有关，O-GlcNAc附着于丝氨酸和苏氨酸残基上的多种蛋白质，可能与相同位点上的蛋白质竞争磷酸化，从而改变其功能。糖尿病患者心脏中，O-GlcNAc修饰Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaMK)Ⅱ水平升高，诱导其自主性激活，促进自发性内质网钙释放，改变心肌钙稳态，造成舒张功能障碍〔21〕。因此，在糖尿病患者心脏中，O-GlcNAc信号持续升高介导心脏胰岛素代谢信号受损，影响钙稳态、线粒体功能、心肌收缩特性和心肌细胞肥大〔22〕。己糖胺生物合成和O-GlcNAc可能是糖尿病心肌病防治的一个有效靶点。

2.3钠-葡萄糖共转运蛋白(SGLT)2 2型糖尿病通常与生酮作用降低有关〔23〕。在高血糖和胰岛素抵抗中，由于SGLT1，葡萄糖转运蛋白(GLUT)2和GLUT5的高表达，通过肠黏膜的葡萄糖和果糖吸收增加，刷状缘二糖酶、蔗糖酶、麦芽糖酶和乳糖酶活性增加。SGLT2在糖尿病人、大鼠和db/db小鼠中肾脏中表达显著增加，与肾小球高滤过、葡萄糖重吸收增加和血浆葡萄糖升高有关〔24〕。相反，SGLT2抑制导致尿钠排泄、渗透性利尿、血浆容量收缩、血压和动脉僵硬度降低，都可能是减轻糖尿病性心肌病和心力衰竭的机制。此外，SGLT2抑制剂治疗可以将细胞代谢从葡萄糖转变为脂肪酸氧化。因此，SGLT2的心脏有益作用包括制备更多的酮体、B-羟基丁酸酯，B-羟基丁酸酯是一种心脏代谢的高能效底物。靶向SGLT2已被证明可改善2型糖尿病患者的心血管结局和死亡率〔25〕。SGLT2可能在糖尿病患者心衰的防治中起作用。

2.45′-AMP活化蛋白激酶AMPK活化受损 AMPK是心脏能量代谢的关键调节因子。AMPK介导的Akt/糖原合成酶激酶(GSK)-3β/缺氧诱导因子(HIF)-1α信号传导减少糖尿病患者的缺血性损伤、心脏肥大和心肌细胞凋亡〔26〕。外源性增加血浆中H2S的含量可降低氧化应激，减少线粒体损伤，激活自噬，并最终通过AMPK / mTOR途径保护心脏〔27〕。在糖尿病中，高血糖导致心肌中的AMPK上游激酶肝激酶(LK)B-1和AMPK的活性显著降低〔28〕。激活LKB-1/AMPK/Akt途径，抑制GSK-3β和p38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)活性，可减轻糖尿病大鼠心脏中细胞凋亡和心肌肥大〔29〕。研究表明，成纤维细胞生长因子(FGF)21对2型糖尿病的心脏保护主要归因于脂毒性而非葡萄糖毒性，FGF21通过激活AMPK-AKT2-NRF2介导的抗氧化途径和AMPK-ACC-CPT1介导的心脏脂质降低来预防2型糖尿病脂毒性诱导的心肌病〔30〕。可见，AMPK的活化逆转了糖尿病患者心脏的不良反应。因此，AMPK信号传导已成为改善糖尿病心肌病的重要治疗靶点。

2.5PPARs的激活改变 PPARs是核激素受体，脂肪酸诱导的PPAR活化导致编码参与细胞脂肪酸利用的各种蛋白质和酶的基因表达上调〔31〕。心脏中表达多种不同的PPAR同种型，即α，β/δ和γ，在葡萄糖、脂质代谢和能量稳态中起关键作用。PPARα在心脏中表达水平相对较高，糖尿病胰岛素信号传导受损和心肌FFA摄取增加与PPARα活化有关〔32〕。胰高血糖素样肽(GLP)-1作为糖尿病的新型治疗靶标，通过抑制Rho相关蛋白激酶(ROCK)/PPARα途径来保护心脏功能，改善糖尿病性心肌病的脂毒性〔33〕。研究表明，糖尿病小鼠心脏PPARα的早期下调和晚期上调都与心脏Krüppel样因子5(KLF)5基因表达的变化相关。而心肌细胞KLF5是PPARα的转录正调节因子，其抑制导致心脏功能障碍〔34〕。因此，心脏KLF5可能是治疗糖尿病性心肌病的新靶标。

与PPARα相似，PPARδ也在心脏中大量表达。高葡萄糖培养的心肌细胞中PPARδ表达水平降低，而PPARδ活化可抑制信号转导与转录激活因子(STAT)3活化，通过PPARδ-STAT3信号通路降低糖尿病大鼠心脏结缔组织生长因子(CCN2)和纤连蛋白表达，改善心脏功能和纤维化〔35〕。高脂饮食诱导的糖尿病小鼠心脏中PPARγ表达增加，通过上调线粒体代谢酶3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶(HMGCS2)，β-羟基丁酸脱氢酶(BDH1)和丙酮酸脱氢酶激酶同种型(PDK)4而导致心功能不全〔36〕。靶向PPARγ及其下游线粒体酶将为预防糖尿病的代谢和心肌功能障碍提供新的策略。此外，PPARγ激动剂还通过抑制AGE-RAGE介导的氧化应激和炎症改善糖尿病大鼠的心肌损伤〔37〕。

3 糖尿病心肌病线粒体功能障碍

线粒体功能障碍与糖尿病性心肌病的发病机制密切相关。在2型糖尿病中，伴随着线粒体ROS生成增加、氧化磷酸化受损、线粒体Ca2+稳态失衡，进一步促进了线粒体呼吸功能障碍。代谢应激也增加Ca2+超载诱导的线粒体通透性转换孔的开放，导致心肌细胞自噬和心脏坏死。

3.1线粒体氧化应激 糖尿病心肌病大鼠心脏组织中产生过量ROS，激活Toll样受体(TLR)-4/髓样分化因子(MyD)-88信号传导导致心肌细胞凋亡〔38〕。NADPH氧化酶(NOX)是心肌细胞ROS的另一重要来源。在饮食诱导的肥胖和心脏胰岛素抵抗中，心肌细胞NOX活性增加〔39〕。肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)介导的NOX活性的增加也可通过激活促纤维化转化生长因子(TGF)-β1/Smad2/3信号通路直接促进心脏纤维化〔40〕。Peroxiredoxin-3(Prx-3)是一种线粒体抗氧化剂，在糖尿病大鼠中，槲皮素诱导的Prx-3可减少脂质过氧化物4-羟基壬烯酸(HNE)和线粒体解耦联蛋白(UCP)3的表达，减少糖尿病氧化应激、心肌凋亡、肥大和纤维化，改善心脏收缩功能，心肌细胞中过表达Prx-3可显著降低高葡萄糖造成的线粒体氧化损伤和细胞凋亡，表明提高Prx-3水平可以为糖尿病患者心脏提供广泛的保护〔41〕。

3.2线粒体结构改变 在高能量要求的心肌细胞中，线粒体形成相互连接的网状网络，而线粒体网络的破坏导致心肌细胞功能障碍和死亡〔42〕。Tsushima等使用心肌长链酰基辅酶A合成酶(ACSL)1过表达的转基因小鼠模型，显示心肌脂肪酸摄取增加导致线粒体结构重构，表现为线粒体狭窄而细长，形状曲折，线粒体短轴直径显著降低60%。脂质超载显著改变年龄依赖性线粒体结构重构，其特征在于最小直径的减少和线粒体网络结构碎片化。在棕榈酸处理的心室肌细胞中也观察到ROS生成增加，并伴有线粒体网络结构丧失，提示线粒体裂变增加模式。脂质诱导的线粒体通过增加A-激酶锚蛋白(AKAP)121的泛素化而增加裂变，导致Ser637上的发动蛋白相关蛋白(DRP)1磷酸化降低和Optic Atrophy 1(Opal)蛋白水解过程改变，清除线粒体ROS则恢复线粒体形态〔43〕。这些发现为脂毒性心肌病线粒体功能障碍提供了新的机制。

3.3线粒体Ca2+稳态失衡 心脏功能障碍与Ca2+瞬时频率逐渐下降有关。糖尿病大鼠心肌细胞兰尼碱受体(RyR)2，肌浆网Ca2+-ATP酶和Na+/Ca2+交换蛋白表达减少，可能部分导致了心脏功能障碍〔44〕。糖尿病患者的心脏中线粒体钙离子摄入蛋白(MICU)1过表达激活抗氧化系统，减少心肌纤维化及心脏肥大，部分阻止了糖尿病心肌病的发展〔45〕。心脏中高度表达的丝氨酸/苏氨酸激酶Pim1，介导心肌肌钙蛋白(cTn)I磷酸化，从而降低Ca2+敏感性。Pim1在糖尿病小鼠心脏中的表达显著降低，伴随着cTnI磷酸化降低，说明Pim1/cTnI轴在糖尿病性心肌病发展中具有病理学意义〔46〕。此外，糖尿病性心肌病中异常的O-GlcNAc修饰改变Ca2+敏感性，引起肌丝收缩力度降低。调节O-GlcNAc转移酶(OGT)和O-GlcNAc水解酶(OGA)的异常位点，可恢复糖尿病大鼠心脏中肌丝对Ca2+的反应〔47〕。

4 结 论

糖尿病心肌病在糖尿病人群中具有较高的患病率。心脏胰岛素抵抗和糖脂代谢紊乱是糖尿病的早期特征，心肌增加脂肪酸摄取和氧化导致心肌利用葡萄糖减少，心脏脂质沉积引起心肌脂毒性。随着病程的发展，线粒体氧化应激加剧，Ca2+稳态失衡，线粒体代谢障碍，心脏功能受损。针对心肌代谢异常，实验数据支持MG53，Foxo1，SGLT2，Prx-3，Pim-1成为糖尿病心肌病的新治疗靶点，AMPK、PPAR相关的代谢信号通路，也代表了新的治疗策略。进一步阐明糖尿病心肌病的机制，对于制定有效和有针对性的治疗至关重要。