楊 明,郭 濤,劉凱悅,王智慧

(吉林大學(xué)第二醫(yī)院 心內(nèi)科，吉林 長春130041)

據(jù)估計，2019年全球糖尿病患者約為4.63億人，到2030年增至5.78億，到2045年增至7億[1]。糖尿病漸漸成為一種世界性健康難題，這種疾病通常伴發(fā)大、中、微血管并發(fā)癥，這些并發(fā)癥不僅影響預(yù)后，而且增加糖尿病患者發(fā)病率和死亡率。1型和2型糖尿病(T1DM和T2DM)患者即使排除了缺血性心臟病和高血壓等得到證實(shí)的心力衰竭危險因素后，仍然顯示出心力衰竭(HF)的發(fā)生率增加。這種特殊類型的心肌病被稱為糖尿病性心肌病(DCM)[2]。線粒體為心肌細(xì)胞收縮提供大量三磷酸腺苷(ATP)。糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制與線粒體功能障礙密切相關(guān)，幾乎所有糖尿病受累組織都存在線粒體功能障礙[3]。36年前，當(dāng)Kuo和他的同事數(shù)據(jù)表明，db/db小鼠心肌線粒體氧化代謝缺陷可能與NAD+NADH總量不足有關(guān)[4]。近些年來，人們對于線粒體生物學(xué)認(rèn)識愈發(fā)加深，越來越多導(dǎo)致糖尿病心臟線粒體功能障礙的新途徑和機(jī)制已被闡明。我們將討論引起糖尿病心肌線粒體功能障礙新的機(jī)制。

1 糖尿病心肌病的定義與臨床特征

1972年Rubler等人首次發(fā)表了支持DCM存在的證據(jù)[5]。這些病例表現(xiàn)出心臟肥大和充血性心力衰竭等癥狀及體征，并伴有心肌肥大、纖維化和心臟小血管改變等特征性病理改變[5]。隨后在Framingham研究中，糖尿病患者心力衰竭發(fā)病率顯著增加，男性心力衰竭風(fēng)險增加兩倍多，糖尿病女性患者的高出五倍。即便考慮了年齡、血壓、體重和膽固醇值以及冠心病后，糖尿病患者心力衰竭的風(fēng)險增加仍然存在[6]。DCM的定義為糖尿病患者在排除高血壓、冠心病、嚴(yán)重瓣膜病變或任何其他已知的心肌病病因的情況下的的心肌結(jié)構(gòu)和功能異常[2]。DCM的典型特點(diǎn)為心肌肥厚和舒張功能障礙，臨床上可能表現(xiàn)為保留射血分?jǐn)?shù)心衰(HFpEF)[7]。有人提出該病的病程包括一個沉默的無癥狀亞臨床階段，通常時間較長，初期心肌結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致舒張功能障礙，隨后出現(xiàn)收縮功能障礙，最終晚期出現(xiàn)心衰[8]。此外，一些作者認(rèn)為這兩種表型是一個持續(xù)過程，DCM從伴有心肌肥厚及舒張期功能障礙的HFpEF特征進(jìn)展到進(jìn)一步結(jié)構(gòu)損害的后期階段，心肌纖維化導(dǎo)致收縮功能減弱[9]。

2 糖尿病心肌病的線粒體機(jī)制

2.1 線粒體底物利用改變

在沒有糖尿病或其他心臟病變的情況下，心肌細(xì)胞中的脂肪酸氧化提供大部分ATP(60%到90%)，而來自葡萄糖、乳酸、酮體和氨基酸的氧化占小部分ATP(10%到40%)[10]，脂肪酸攝取和氧化的增加而葡萄糖氧化減少這一現(xiàn)象出現(xiàn)在糖尿病患者的心肌代謝中[11]。其次在糖尿病的兩種小鼠模型(ob/ob和db/db小鼠)中有類似發(fā)現(xiàn)，即脂肪酸氧化率與心肌耗氧量增加，葡萄糖氧化減少[12]。由蘭德爾循環(huán)(Randle Cycle)可知，脂肪酸氧化速率的提高會通過抑制葡萄糖有氧氧化關(guān)鍵酶(丙酮酸脫氫酶)的活性來抑制葡萄糖的氧化。根據(jù)蘭德爾循環(huán)假說，底物氧化通過兩種方式來介導(dǎo)，第一種葡萄糖和脂肪酸代謝之間的競爭，第二種由過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)信號的激活介導(dǎo)，PPARα信號增加了參與脂肪酸攝取和氧化的蛋白質(zhì)和酶的表達(dá)[13]。因此脂肪酸氧化比率的增加的部分原因是由PPAR，特別是PPARα的活性增加推動的。脂肪酸和過氧化物酶體增殖物激活受體γ活化因子1α(PGC-1α)激活PPARα以及增加PPARα的表達(dá)都增加了PPARα與PPAR反應(yīng)元件在編碼脂肪酸攝取和氧化相關(guān)蛋白的基因啟動子上的結(jié)合，例如脂肪酸氧化關(guān)鍵酶肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT1)和長鏈脂酰輔酶A脫氫酶(LCAD)[14]。事實(shí)上，心肌細(xì)胞特異性PPARα的表達(dá)增加誘導(dǎo)脂肪酸利用基因的表達(dá)增加，并增加了脂肪酸氧化率[15]。與此相反，葡萄糖攝取和氧化的減少由于參與葡萄糖氧化的酶的編碼基因的表達(dá)減少。在ob/ob和db/db小鼠第4周大時PPARα信號并沒有增加，而脂肪酸氧化率的比率增加了，而PPARα信號僅在15周觀察到調(diào)控基因[12]。因此，PPARα非依賴機(jī)制可能會增加早期疾病狀態(tài)下脂肪酸氧化率的比例，而PPARα信號可能會在糖尿病晚期時維持心臟中脂肪酸氧化率比例的升高。Mjos[16]早在1971年實(shí)驗證明，當(dāng)心肌收縮力保持不變時，通過脂質(zhì)輸注增加心臟攝取會增強(qiáng)健康狗的氧攝取[16]。同樣在ob/ob和db/db小鼠中，脂肪酸氧化和小鼠的心肌耗氧明顯增加，而心肌效率(心臟做功與耗氧量的比值)顯著降低[12]。因此，線粒體底物利用改變導(dǎo)致心肌耗氧量增加，影響心肌效率。

2.2 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是導(dǎo)致DCM的主要機(jī)制之一，它通過活性氧(ROS)的產(chǎn)生和清除平衡失調(diào)來促進(jìn)DCM的發(fā)生。ROS的存在形式通常包括超氧陰離子(O2·-)、羥基自由基(OH·)、過氧化物自由基(ROO·)及過氧化氫(H2O2)[17]。在心臟，線粒體可能是ROS產(chǎn)生的主要來源。在線粒體內(nèi)，電子傳遞鏈(ETC)是ROS產(chǎn)生的主要方式，一方面由非特異性電子泄漏引起的，另一方面由ETC復(fù)合物(主要是復(fù)合物Ⅰ和Ⅲ)的活性驅(qū)動的[17]。在復(fù)合物Ⅰ中，NADH池對黃素單核苷酸基團(tuán)(FMN)的還原過程中可能導(dǎo)致O2·-的產(chǎn)生[18]。而復(fù)合物Ⅲ中QO-位點(diǎn)與烏雙喹酮的結(jié)合誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生[19]。少量的ROS通過是由其他復(fù)合物或通過反向電子傳輸(RET)產(chǎn)生的[17]。此外，在線粒體中，琥珀酸脫氫酶(SDH)復(fù)合體也能夠在缺乏電子受體的情況下產(chǎn)生超氧化物[20]。ROS的產(chǎn)生被ROS線粒體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)清除所平衡。錳超氧化物歧化酶(MnSOD)首先將O2·-轉(zhuǎn)化為H2O2，然后被過氧化氫酶或由谷胱甘肽、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、過氧化物酶(PRX)和硫氧還蛋白(TRX)組成的抗氧化系統(tǒng)還原為H2O，該機(jī)制由線粒體內(nèi)氧化還原狀態(tài)和還原等價物的可用性決定[21-22]。過量的線粒體ROS導(dǎo)致心肌細(xì)胞線粒體功能障礙[23]，影響ATP的產(chǎn)生并誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[24]，最終導(dǎo)致心肌收縮功能障礙[25]。此外，在鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的T1 DM小鼠和db/db T2 DM小鼠模型中，與賦形劑治療相比，注射線粒體靶向抗氧化劑mito-tempo的小鼠心肌肥厚減輕并改善了心肌功能[26]。線粒體ROS的抗氧化系統(tǒng)不僅改善心肌肥厚，還可防止過量ROS引起的線粒體和細(xì)胞損傷。

2.3 翻譯后修飾

糖尿病心肌細(xì)胞功能障礙源于高血糖誘導(dǎo)的蛋白O-連接β-N-乙酰氨基葡萄糖糖基化(O-GlcN?；?[17]。在糖尿病心肌病中，O-GlcN?；瘬p害了參與這些途徑的關(guān)鍵蛋白靶標(biāo)的功能，包括磷蛋白、鈣調(diào)蛋白激酶II、鈣調(diào)非依賴性蛋白激酶II(CaMKII)、肌鈣蛋白I和叉頭盒蛋白(O1FOXO1)[27]。研究表明，血糖濃度急劇升高引起O-GlcN?；瘜aMKII的共價修飾增加，并促進(jìn)依賴CaMKII的肌漿網(wǎng)(SR)的Ca2+通道開放，釋放Ca2+，而特異性去除O-GlcN?；梢曰謴?fù)STZ小鼠心肌肌絲對于Ca2+的敏感性[28-29]。對于線粒體機(jī)制，O-GlcNAcomic圖譜發(fā)現(xiàn)，超過88種線粒體蛋白是O-GlcN?；?，氧化磷酸化(OXPHOS)系統(tǒng)是主要目標(biāo)。經(jīng)過硫脲-G(特異的O-GlcNAcase抑制劑)處理的線粒體不僅耗氧速率、ATP產(chǎn)生速率顯著增加，并且提高了Ca2+誘導(dǎo)的通透性轉(zhuǎn)換孔開放閾值。這表明O-GlcN酰化作用靶點(diǎn)位于氧化磷酸化系統(tǒng)中的許多線粒體蛋白上，而調(diào)節(jié)心肌線粒體的功能[30]。在高糖培養(yǎng)液的乳鼠心肌細(xì)胞中，胡等人[31]發(fā)現(xiàn)呼吸鏈復(fù)合物中線粒體蛋白，包括復(fù)合物I的NDUFA9亞基，復(fù)合物III的核心1和核心2亞基，以及復(fù)合物IV的線粒體DNA編碼的亞基I都是O-GlcN?；?。糖尿病心肌病患者血糖水平升高，促進(jìn)線粒體蛋白O-GlcN酰化，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能受損。在鏈脲佐菌素治療的糖尿病大鼠中，線粒體O-GlcNAc轉(zhuǎn)移酶(OGT)增加并定位錯誤，導(dǎo)致OGT與復(fù)合體IV的相互作用受損，繼而引起糖尿病心臟復(fù)合物IV活性受損[32]。因此，O-GlcN?；ㄟ^翻譯后修飾損傷線粒體功能，繼而引起心肌細(xì)胞功能障礙。

2.4 線粒體的分裂與融合

線粒體是動態(tài)的細(xì)胞器，持續(xù)進(jìn)行融合和分裂，這是線粒體生物發(fā)生所必需的階段，有助于調(diào)節(jié)線粒體的能量學(xué)和ROS穩(wěn)態(tài)[17]。線粒體融合與分裂由多種蛋白質(zhì)介導(dǎo)的，包括線粒體融合蛋白1和2(Mfn1和Mfn2)、視神經(jīng)萎縮蛋白1(OPA1)以及動力蛋白相關(guān)肽1(DRP1)和線粒體分裂蛋白1(FIS1)[33]。融合促進(jìn)了細(xì)長管狀線粒體的形成，這可能增加了產(chǎn)生ATP的能力，降低了被有絲分裂降解的可能性[34]。分裂可以分離受損的線粒體片段，并有助于通過有絲分裂將其移除[35]。在心臟中，Mfn1和2或DRP1等融合或分裂相關(guān)蛋白的缺失都可能導(dǎo)致心肌病[36-37]。來自H9c2細(xì)胞(一種來自胚胎大鼠心臟的成肌細(xì)胞株)的體外數(shù)據(jù)表明，高血糖會導(dǎo)致線粒體碎裂。重要的是，這些事件是通過DRP1K38A的過度表達(dá)來防止的，DRP1K38A是DRP1的一個分裂失活突變體，這表明這個過程是依賴于DRP1的[38]。1型糖尿病動物心臟模型中，線粒體的碎裂更多地發(fā)生在對慢性高血糖的反應(yīng)中。雖然高血糖3周后線粒體形態(tài)沒有改變，而5周糖尿病小鼠的心臟顯示扭曲的空泡線粒體，不僅出現(xiàn)基質(zhì)電子密度明顯降低，而且伴有OPA1的蛋白水解，導(dǎo)致線粒體融合減少而更多線粒體碎裂[39]。雖然3周糖尿病小鼠和對照組小鼠的ROS生成率沒有差異，但5周糖尿病小鼠的心臟在琥珀酸作用下ROS生成率顯著增加[39]。這些觀察結(jié)果表明，DCM的線粒體動力學(xué)存在進(jìn)行性損傷，這可能是由于融合和分裂的慢性失衡所致。此外，鑒于線粒體分裂可以引起ROS的產(chǎn)生增加，在慢性高血糖期間，ROS和線粒體碎裂之間可能會形成惡性循環(huán)，其中一種機(jī)制能夠觸發(fā)并進(jìn)一步加重另一種機(jī)制[17]。研究表明，從糖尿病小鼠分離的冠狀動脈內(nèi)皮細(xì)胞中OPA1水平降低，而DRP1水平升高，不可思議的是，通過Tempol處理降低過量的ROS，可使斷裂線粒體恢復(fù)正常形態(tài)[40]。類似研究表明，高糖降低了OPA1蛋白水平，增加了OPA1蛋白的O-GlcN?；?，引起線粒體碎片增加，降低線粒體膜電位及線粒體復(fù)合物IV的活性，導(dǎo)致線粒體功能障礙。而心肌細(xì)胞中出現(xiàn)OPA1過表達(dá)可能有助于改善糖尿病患者的心功能障礙[41]。同時，通過胰島素治療3小時后，心肌細(xì)胞中OPA1蛋白水平升高觸發(fā)線粒體融合，線粒體膜電位升高，細(xì)胞內(nèi)ATP水平和氧消耗均升高[42]。而Quirós等人指出OPA1基因敲除小鼠中OPA1蛋白水解過程的改變會導(dǎo)致胰島素抵抗、葡萄糖穩(wěn)態(tài)受損和產(chǎn)熱改變[43]。由此可見，維持線粒體融合分裂平衡，對于調(diào)節(jié)DCM線粒體能量學(xué)和ROS穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。

2.5 線粒體Ca2+的處理

在心肌細(xì)胞去極化的過程中，動作電位刺激肌膜電壓門控L型鈣通道(LTCC)開放，少量Ca2+進(jìn)入胞漿導(dǎo)致SR(肌質(zhì)網(wǎng))ryanodine受體(RyR)的開放，觸發(fā)SR釋放大量Ca2+引起胞漿內(nèi)Ca2+濃度一過性升高，從而激活肌絲跨橋觸發(fā)心肌細(xì)胞收縮[44]。為了結(jié)束收縮周期，Ca2+主要過sarco/ER Ca2+-ATP酶(SERCA)回流到SR中，少量通過Na-+/Ca2+交換器(NCX1)被清除到細(xì)胞外空間[44]。為了使增加的能量需求與能量產(chǎn)生相匹配，細(xì)胞內(nèi)鈣瞬變也觸發(fā)線粒體鈣攝取，線粒體鈣單轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCU)促進(jìn)了這一過程[17]。在線粒體中，Ca2+可通過激活有氧氧化關(guān)鍵酶來促進(jìn)ATP的再生。此外，Ca2+是FOF1-ATPase酶的活性因子，據(jù)估計，這種激活可能占到Ca2+誘導(dǎo)的OXPHOS激活的60%以上，而Ca2+敏感的脫氫酶可能只占40%[45]。雖然有證據(jù)表明DCM中細(xì)胞內(nèi)Ca2+的處理由于RyR活性降低或LTCC表達(dá)減少而受損，但幾乎沒有關(guān)于DCM中線粒體Ca2+處理的數(shù)據(jù)發(fā)表[46-47]。近些年來研究表明，STZ誘導(dǎo)的T1 DM大鼠和T2 DM ob/ob小鼠心肌線粒體Ca2+攝取減少[48-49]。紀(jì)等人[50]發(fā)現(xiàn)在db/db小鼠心肌細(xì)胞線粒體鈣攝取蛋白1(MICU1)表達(dá)下調(diào)，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡。MICU1是線粒體鈣單轉(zhuǎn)運(yùn)體(MICU)的一個調(diào)節(jié)亞基，在維持心肌細(xì)胞活性方面起重要作用。在這一小鼠模型中，MICU1的重建使db/db小鼠的心功能恢復(fù)，心肌肥厚和心肌纖維化減輕[50]。此外通過上調(diào)MICU1這一方式增加線粒體鈣攝取，減弱線粒體ROS和ROS引發(fā)的細(xì)胞凋亡[50]。研究發(fā)現(xiàn)糖尿病小鼠心臟表現(xiàn)出MCU和線粒體鈣單轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合物(MCUC)成員表達(dá)的改變，并導(dǎo)致游離線粒體鈣水平、線粒體Ca2+攝取、線粒體能量功能和心臟功能的降低。而恢復(fù)MCU的表達(dá)可使上述功能恢復(fù)[51]。

2.6 MicroRNAs的調(diào)節(jié)失調(diào)

MicroRNAs(MiRNAs)是一種長度約23個核苷酸組成的單鏈非編碼RNA分子，通過抑制與mRNA配對來指導(dǎo)其轉(zhuǎn)錄或翻譯，從而在動物和植物中發(fā)揮重要的基因調(diào)控作用[52]。同時，大量不同miRNAs的失調(diào)被認(rèn)為與糖尿病心肌病發(fā)病機(jī)制有關(guān)[53]。例如，將miR133a的模擬物轉(zhuǎn)染到在高糖培養(yǎng)基中孵育的心肌細(xì)胞可防止肥大改變[54]。其次，大鼠miR-30c過表達(dá)可減輕高糖誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，而miR-30c抑制則增加了高糖處理心肌細(xì)胞的肥大[55]。此外，在STZ誘導(dǎo)的T1 DM大鼠和T2 DM ob/ob小鼠心臟模型中，miR-195表達(dá)增加，其靶蛋白(B細(xì)胞白血病/淋巴瘤2和sirtuin 1)水平降低，而治療性沉默miR-195可減輕糖尿病患者心肌肥厚，改善冠脈血流和心肌功能[56]。在在STZ誘導(dǎo)的心功能受損、心肌肥厚增加和心肌纖維化的糖尿病心臟中，miR-1表達(dá)顯著下調(diào)，miR-1被認(rèn)為是確定心肌細(xì)胞肥大或心肌纖維化的關(guān)鍵因素[57]。此外STZ糖尿病小鼠心肌線粒體中miRNA-378水平的增加也被證明削弱了FOF1-ATPase酶的ATP6亞單位的翻譯[58]。這些研究表明，miRNAs可能會干擾維持線粒體氧化功能所必需的不同途徑、蛋白質(zhì)和酶。

3 以線粒體為靶點(diǎn)的DCM潛在治療策略

我們對線粒體在DCM中作用機(jī)制的理解不斷加深，以及抗糖尿病藥物作用機(jī)制的日益闡明，以線粒體作為糖尿病心臟病治療靶點(diǎn)展現(xiàn)新的治療途徑[17]。目前臨床上使用的二甲雙胍可能已經(jīng)直接或間接地減輕了與DCM相關(guān)的線粒體缺陷。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂導(dǎo)致的心臟損傷。研究表明二甲雙胍通過保護(hù)心肌線粒體和降低C/EBP同源蛋白(CHOP)的表達(dá)來減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時的心臟損傷[59]。然而，最近鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2抑制劑(SGLT2i)改善糖尿病患者心血管預(yù)后的潛在機(jī)制備受關(guān)注。幾項臨床研究表明，與安慰劑相比，接受SGLT2i治療的高風(fēng)險2型糖尿病患者綜合心血管結(jié)果和任何原因的死亡率都較低，包括典型的主要不良心血管事件(MACE)終點(diǎn)(非致命性心肌梗死、非致命性中風(fēng)、心血管死亡)、全因死亡率和/或尤其是因心力衰竭住院[60-61]。心肌Na+/H+交換(NHE1)已被確定為SGLT2i的靶點(diǎn)。在兔和老鼠分離的心肌細(xì)胞中，恩格列凈(一種SGLT2i)通過抑制Na+/H+交換物(NHE)而降低心肌細(xì)胞內(nèi)Na+和Ca2+濃度，增加了線粒體Ca2+水平。SGLT2i降低細(xì)胞內(nèi)Na+效應(yīng)是治療糖尿病患者細(xì)胞內(nèi)Na+濃度升高的潛在方法[62-63]。因此，歐洲心臟病學(xué)會現(xiàn)在建議SGLT2i可以作為心血管疾病的糖尿病患者的一線治療[64]。

鑒于線粒體氧化應(yīng)激對DCM的多重不利影響，線粒體ROS清除是DCM的一種明顯的潛在治療策略?？寡趸瘎㎝nTBAP治療增加ATP生成和減少線粒體解耦，逆轉(zhuǎn)了心臟線粒體氧化應(yīng)激，改善了線粒體生物能學(xué)[65]。在T2 DM患者的白細(xì)胞中，MitoQ治療減少了線粒體ROS的產(chǎn)生，并顯示出抗炎和抗氧化作用，重要的是線粒體靶向抗氧化劑如MitoQ應(yīng)該作為預(yù)防T2D患者心血管事件的新手段進(jìn)行研究。

4 總結(jié)

綜上所述，線粒體功能障礙直接參與DCM的發(fā)生發(fā)展，且涉及底物利用改變、氧化應(yīng)激、翻譯后修飾，線粒體動力學(xué)改變，線粒體鈣攝取受損等多個作用環(huán)節(jié)，這些機(jī)制容易導(dǎo)致線粒體功能障礙。下一步必須全面確認(rèn)人類糖尿病心肌病中的許多機(jī)制，以便了解動物模型中確定的潛在治療靶點(diǎn)是否也可能是人類的有效靶點(diǎn)，線粒體治療的成功開發(fā)可能是許多DCM患者新的治療方式。