糖尿病心肌病与过氧化物增殖体激活受体

董世芬，洪 缨，孙建宁

(北京中医药大学中药学院中药药理系，北京 100102)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DC)是糖尿病独立并发症，可独立于高血压和冠状动脉病变发生，发病机制和表现形式复杂，其中能量代谢紊乱以及心脏功能和结构紊乱贯穿病程始终，并可最终引发心肌缺血和心衰，成为糖尿病致死原因之一。因此，从代谢角度探讨DC发病机制及研究开发相关治疗药物成为近年来的热点研究问题。过氧化物增殖体激活受体(peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs)是公认的调节机体糖、脂代谢关键基因，但在DC发病过程之中的作用至今尚有争议。本文拟通过综述中外文献，探讨PPARs家族3个主要亚型(α，β/δ和γ)在糖尿病心脏的表达和作用，并寻找争议发生的可能原因。

1 糖尿病心肌病心脏病变与能量代谢紊乱

Rubler等对排除冠状动脉硬化的糖尿病患者心脏解剖时发现心肌内有小血管管腔狭窄，管壁增厚，间质呈弥漫性纤维化等病变，于1972年首次提出了DC的概念，后被Kannu和Hamby等研究者证实。DC由糖尿病高血糖引发，早期即表现出代谢紊乱，如游离脂肪酸(FFAs)升高、葡萄糖转运体4(GLUT4)和肉毒碱水平降低、Ca2+稳态失衡和胰岛素抵抗(IR)等，并出现单纯心肌细胞结构变化或伴随左心室容积、室壁厚度和重量增加，舒张功能下降;随着Ca2+转运缺陷和脂肪酸(FA)代谢增加，血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)和转化生长因子-β1(TGF-β1)含量增加，心肌细胞出现凋亡、坏死以及肥大、纤维化加重，导致明显的舒张、收缩功能障碍和射血功能的减弱，最终可发展为缺血性心脏病和心衰［1-2］。

ATP是心脏正常工作基本的能量来源，成人心脏能源主要由FA氧化分解提供，占心脏能源供给的70%左右，其它由葡萄糖(glucose)和乳酸等碳水化合物等提供［3］。脂肪分解包括FFAs经过β-氧化成乙酰辅酶A(Acetyl-CoA)，然后进入三羧酸循环转变为二氧化碳。碳水化合物途径包括糖酵解、糖原分解、乳酸氧化，丙酮酸生成，在丙酮酸脱氢酶(PDH)的作用下生成Acetyl-CoA，进入三羧酸循环。每生成1 mol ATP，经糖分解和丙酮酸途径较FA氧化耗氧量少。

糖尿病状态下心脏耗能的增加与心肌产能之间的失衡是心肌代谢紊乱的诱因之一，主要表现为葡萄糖代谢的下降和FA代谢的增加［4］。包括心脏内过量的FA摄取和氧化导致心肌内脂肪代谢产物的积聚，形成脂毒性物质，直接加剧DC病变;FA氧化率上升导致心肌耗氧量增加，降低心脏工作效率，增加DC状态下心脏工作负担;脂肪代谢中间产物如神经酰胺等诱发心肌细胞的凋亡以及氧化应激;同时，糖尿病引起葡萄糖摄取降低和糖毒性物质产生，胰岛素通路损害诱发葡萄糖氧化减少，可推动DC下心脏功能和结构的紊乱;而参与调节糖、脂代谢的基因通路，如PPARα/PGC-1信号网络通过转录调节下游目的基因的表达和调控，在心脏的能量转化和利用中也起重要的作用［5］。

2 过氧化物增殖体激活受体的分子特点及调节机制

PPARs属于核受体超家族，是一类配体依赖型转录因子。PPARs由 PPARα，PPARβ/δ(通常表示为 PPARδ)和PPARγ等3个不同亚型组成，其家族成员机构相似，N-端为配体独立激活区，连接DNA结合域(包含2个锌指)，C-端为配体依赖型激活区。这3种亚型为不同的基因产物，PPARα位于人类22号染色体的22q12-q13.1连锁群，PPARγ基因位于3号染色体3q25区，而PPARβ/δ位于6号染色体的6p21.1-p21.2区。PPARs可以通过基因转录参与调节脂肪和葡萄糖代谢、炎症反应、细胞周期和免疫反应等，而近期的研究结果表明其也与糖尿病心肌病心脏能量代谢和病程发展密切相关。

PPARs与核受体视黄醇类X受体(RXR)结合成二聚体，再结合目的基因启动子上的直接重复反应元件，调节目的基因的表达。当PPARs与相应的配体结合后，便开始寻找具有组蛋白乙酰化酶活性的转录共激活因子以启动目标基因的转录。组蛋白乙酰化可使RNA聚合酶进入目标DNA并启动转录。例如与PPARα有关的共激活因子包括类固醇受体共激活因子(SRC)、PPAR辅激活因子(PRIP)、PPAR连接蛋白(PBP)。在心脏，PPARα的特征共激活因子为PPARγ共激活因子-1α(PGC-1α)。PGC-1α在无组蛋白乙酰酶活性条件下，仍可与PPAR家族部分成员产生作用，可在心脏通过PPARα与其他转录因子产生作用，为适应参与调控能量代谢基因表达而与相应的代谢物结合。

3 过氧化物增殖体激活受体与糖尿病心肌病变

3.1 PPARα与糖尿病心肌病变PPARα是在啮齿动物的肝脏组织发现，因可以与肝组织中的过氧化物增殖体发生异生反应而命名。PPARα主要分布于动物的肝、肾、骨骼肌和心肌组织，配体主要包括参与过氧化物反应和线粒体脂肪酸β-氧化反应的酶类，包括Acetyl-CoA脱氢酶、3-酮脂酰辅酶A硫解酶、Acetyl-CoA氧化酶、脂肪酸转运蛋白(FATP，CD36/FAT)、脂肪酸结合蛋白(FABP)、脂酰辅酶A合成酶、肉毒碱棕榈酰转移酶-1(CPT1)、丙二酰辅酶 A脱羧酶(MCD)以及长链脂肪酸分解产物等［6］;还包括一些人工合成的化学成分，如贝特类的降脂药物，如氯贝特、苯扎贝特、环丙贝特、菲诺贝特以及 Wy-14643、LY518674和 GW9578等。PPARα激动剂可通过提高脂肪细胞对FA摄取或者促进肝脏和肌肉FA氧化降低血浆甘油三酯(TG)和脂肪水平［6］。

PPARα在不同心肌病动物心肌组织中的表达水平不同。如链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病大鼠和db/db肥胖小鼠模型心脏 PPARα表达上升［4，7］;而采用压力过负荷诱导的啮齿动物肥厚性心肌病，发现PPARα调节通路存在不同程度的下降［8］。检测扩张性心肌病患者时发现左心室PPARα mRNA水平明显升高，目的基因CPT1 mRNA表达也明显升高，GLUT4表达没有明显变化。

关于PPARα对于糖尿病心脏病变的影响现存争议，研究大多认为PPARα可因其所导致的心脏脂肪酸氧化率的增加和葡萄糖代谢下降而引发类似糖尿病心肌病变［7］，但也有少数报道显示PPARα激动剂可通过影响代谢和心脏结构改善心脏功能。

重链肌凝蛋白-PPARα(MHC-PPARα)小鼠是PPARα过度表达的转基因鼠，存在与DC病变类似的能量代谢紊乱和心肌病变，如心室重量指数升高、左心室短轴缩短率降低，伴随心肌长链TG积聚。负荷STZ诱导或用富含长链FA的高脂饲料喂养MHC-PPARα小鼠，可加重心脏功能紊乱和心肌结构重塑，心肌病变加剧，当停用高脂饲料改用含中链TG饲料喂养时，心肌病变减轻，PPARα基因缺陷(PPARα-/-)可对STZ诱导的糖尿病小鼠心肌肥厚有保护作用［9］。系统肉毒碱缺陷的幼年内脏脂肪变性(juvenile visceral steatosis，JVS)小鼠FA氧化紊乱，表现有与DC类似的明显的左心室肥厚和脂肪积聚等特点，菲诺贝特与L-肉毒碱合用可以降低心脏脂肪酸中甘油二酯的含量，并抑制膜转运蛋白激酶C-β2的能力，改善左心室进行性功能紊乱和心肌病变，提高JVS 小鼠存活率［10］。

PPARα诱导大量基因参与到脂肪分解，包括转运、酯化、连接和 β-氧化过程，如增加 FA转运的基因(FATP-1，CD36)、二酰甘油合成酶、脂肪生成酶(甘油-3-磷酸转移酶和Acetyl CoA合成酶、脂肪酸合成酶)以及微粒体转移蛋白(MTP)的表达等［11］。hLpLGPI转基因小鼠由于心肌细胞携带糖基化磷脂酰肌醇锚蛋白可过表达人类的脂蛋白脂酶，用于建立类似DC的脂毒性心肌病模型，模型动物心脏和血浆脂肪摄取增加，并表现出心脏功能的紊乱。Vikramadithyan等［12］给小鼠PPARα激动剂菲诺贝特16日，发现hLPLGPI小鼠心脏FFA转移、摄取和氧化率明显升高，CPT1和FATP-1基因表达增强，同时心脏功能紊乱加重，表现为心钠素(ANP)、肿瘤肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和脑利钠肽(BNP)水平升高，短轴缩短率降低，左心室收缩内径增加。Gilde等［13］将培养的心肌细胞用Wy-14643处理后，发现PPARα可提高心肌细胞脂肪酸氧化率，诱导参与脂肪酸分解的基因表达和蛋白合成，并且可以呈剂量依赖性地激发肌型肉毒碱棕榈酰转移酶-1(M-CPT1)启动子活性。Barger等［8］用α1-肾上腺素激动剂建立心肌细胞肥厚模型，模型细胞PPARα基因表达水平下降，并通过后翻译后修饰影响参与磷酸化过程的ERK-MARK途径，同时M-CPT1基因表达受抑，引发心肌细胞脂肪酸氧化分解下降，脂肪积聚。

PPARα可减少多种参与葡萄糖代谢的基因如GLUT4和磷酸果糖激酶(PFK)的水平［11］，导致葡萄糖摄取和利用受损，心脏能量利用率下降，用菲诺贝特处理B6CBAF1/J小鼠发现类似变化，并可引发左心室肥大和收缩功能紊乱［5］。正常小鼠STZ注射后6周或高脂膳食14周后，分离心脏做离体灌注，发现缺血心脏GLUT4蛋白含量和葡萄糖摄取下降，血浆FFAs含量上升，缺血后心功能恢复差，而PPARα基因敲除小鼠血浆FFAs虽一定程度升高，却并未出现心脏GLUT4和葡萄糖摄取的下降，再灌注时心功能恢复能力明显改善，证实PPARα可能通过下调缺血心肌GLUT4表达，抑制葡萄糖摄取，提高脂肪酸含量，增加心肌缺血/再灌注损伤［14］。MHC-PPARα小鼠和 Wy-14643处理的小鼠，也都显示出心脏葡萄糖氧化反应下降，其机制可能与脂肪酸氧化反应产物负反馈调节丙酮酸脱氢酶复合体(PDC)引发丙酮酸产量下降有关，而与丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)磷酸化反应以及由PDK导致的PDC抑制无关。MHC-PPARα小鼠还显示出IR，由胰岛素受体底物Ⅰ相关的磷脂酰肌醇3激酶活性受损导致［15］。Yan等［16］采用高脂饲料喂养心脏特异性过表达GLUT1小鼠，发现心肌葡萄糖氧化明显升高，但是脂肪酸氧化水平没有明显改变，同时调节代谢的基因如PPARα及琥珀酰辅酶A转移酶水平下调，acetyl-CoA羧化酶上调，均有利于葡萄糖的氧化利用，但是出现了氧化应激加重、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)激活和心脏收缩功能的障碍，说明慢性的葡萄糖摄取和氧化增加也可能会降低心脏代谢的弹性从而引起心脏功能障碍。

PPARα也可能通过改变外周循环内源性底物的浓度间接影响心脏的代谢，如对肝脏脂肪水平的调节作用。Ellen等给糖尿病db/db小鼠一种新型的PPARα激动剂(BM 17.0744)，给药后发现小鼠血糖、血脂水平下降，血液糖基化反应、葡萄糖氧化率上升，FA氧化率下降，心脏收缩功能增强，但是未发现对心脏PPARα目的基因表达以及心肌代谢有明显改善。Ye等［17］给高脂膳食3周的大鼠Wy-14643两周，发现血浆葡萄糖、TG和瘦素含量降低，同时肌肉组织中TG和总长链乙酰辅酶A含量(LCACoAs)及肝脏组织TG含量也降低，并且动物胰岛素敏感性增加。

PPARs也可直接影响心脏结构改善心功能。如菲诺贝特可明显改善由AngⅡ诱导的TGF-β1，胶原沉积和巨噬细胞浸润，通过抑制心肌纤维化和炎症反应改善心脏功能;采用盐皮质激素诱导大鼠高血压(DOCA-salt大鼠)，可出现心肌内皮素-1(ET-1)过表达、心脏肥大和舒张功能障碍等现象，给菲诺贝特3周，ET-1基因表达降低，升高左心室舒张内径，改善动物心脏重构，PPARγ激动剂罗格列酮也表现出类似的功能［18］。

3.2 PPARβ/δ与糖尿病心肌病变PPARδ在体内分布广泛，在心肌细胞核表达量相对较高，健康和病理状态下都是调控心肌能量代谢的关键调控因子，其主要配体有不饱和脂肪酸以及L-165041、GW501516和 GW610742(GW0742)等，PPARγ表达和作用也受多种因素影响［6］。

将培养的心肌细胞用PPARδ或者过量的腺病毒介导的PPARδ处理后可激活多种参与FA氧化的PPAR目的基因［13］，如 Cheng 等［19］用 PPARδ 配体(GW0742)处理乳鼠和成体心肌细胞，发现棕榈酸盐的氧化率升高，如果用野生型PPARδ配体处理心肌细胞会发现FA氧化率升高，而突变型由于缺乏完整地羧基配体结合域没有此作用。GW0742处理后乳鼠心肌细胞发现与FA代谢有关的基因表达增高，同时可以恢复PPARα基因敲除小鼠心肌细胞FA氧化相关基因的表达，说明PPARδ可能独立于PPARα发生调节作用;PPARδ异构体也可以通过激活自由基清除剂过氧化氢酶抑制氧化应激导致的凋亡而保护心肌细胞。

如果用cre/loxP介导小鼠心肌细胞限制性PPARδ基因缺失，可发现与FA氧化相关基因表达下调，动物出现心脏功能紊乱，心肌细胞脂肪逐渐积聚，心脏肥大甚至出现充血性心力衰竭，因此心肌慢性的PPARδ缺失可能诱发脂毒性心肌病变［20］。

3.3 PPARγ与糖尿病心肌病变PPARγ主要分布于脂肪细胞和免疫系统的单核/巨噬细胞、B细胞和T细胞等，调控与脂肪生成和储存相关基因的表达，在胰岛素抵抗(IR)状态下可以通过影响GLUT4和细胞内脂肪酸转运相关基因的表达等影响糖脂代谢过程。PPARγ的配体主要有内源性配体，如长链脂肪酸、花生酸类(花生四烯酸等)，脂质氧化修饰产物(9，13 HODE;12，15-HETE等);还有天然激动剂如前列腺素衍生物15-脱氧 -△12，14-前列腺素 J2(15d-PGJ2)及选择性激动剂噻唑烷二酮类糖尿病药物如罗格列酮、吡格列酮等。

PPARγ在心脏的表达较低，在培养的心肌细胞用PPARγ激动剂处理后并未见升高与脂肪酸氧化相关基因的表达，其在糖尿病心肌病发病过程中的作用至今尚未明确，但是体内试验表明其可以减少心肌相关基因的表达［13］，临床研究显示糖尿病冠状动脉并发症患者服用罗格列酮16周，心脏葡萄糖摄取上升，FFAs水平降低［21］。敲除小鼠心脏特异性PPARγ基因，可发现有轻微的左心室肥大，但并未出现收缩功能障碍［22］。

PPARγ激动剂罗格列酮可以减小冠状动脉阻塞-再灌注心肌梗死范围，同时心脏收缩功能改善，炎症介质含量下降，也有研究表明PPARγ在心肌梗死模型缺血区域蛋白表达增高［23］。hLpLGPI小鼠用罗格列酮处理后，发现其可以通过降低血液和心脏脂肪含量，降低心脏TG摄取，并且改善心脏的损伤状态;小剂量的PPARα和PPARγ共激动剂DRF2655也可以降低老龄小鼠血浆TG含量和心脏TG摄取，保护心脏［12］。给二尖瓣返流犬模型罗格列酮处理发现其可以降低心脏脂肪积聚和改善左心室收缩能力，长期给心肌梗塞后动物吡格列酮发现左心室重构逆转，收缩功能增强，致炎因子、代偿性肥厚和心肌间质纤维化减轻［24］。

研究证实非噻唑烷二酮类PPARγ激动剂也可降低血浆FFAs水平，给糖尿病肥胖Zucker大鼠GI-262570，发现其可以改善高血糖、高血脂和高胰岛素状态，同时改善心脏内TG积聚，并明显提高离体工作心脏的产能效率和葡萄糖氧化率。作用机制可能与降低与PPARα相关的调控产物如丙二酰辅酶A、中链乙酰辅酶A脱氢酶、长链乙酰辅酶A脱氢酶和酰基辅酶A氧化酶等表达，提高GLUT4和GLUT1的转录有关［25］。

4 结语

随着对DC研究的不断深入，我们已经了解到PPARs在调节糖尿病外周和心脏的能量代谢进而干预心脏病变起着重要的作用，研究同时显示不同的建模方法与动物品系等对PPARs在心脏的表达和作用的差异有很大影响，但是导致这些差异的具体的内在原因还缺乏相应的证据，这为研究DC机制提供了新的思路，也对从代谢角度研制治疗DC的药物有重要的意义。

［1］ Fang Z Y，Prins J B，Marwick T H.Diabetic cardiomyopathy:evidence，mechanisms，and therapeutic implications［J］.Endocr Rev，2004，25(4):543-67.

［2］ 符丽娟，王洪新，刘婉珠.坎地沙坦对糖尿病大鼠心肌细胞凋亡及Fas和Fas-L表达的影响［J］.中国药理学通报，2009，25(10):1394-5.

［2］ Fu L J，Wang H X，Liu W Z.Effects of candesartan on apoptosis and expressions of Fas and Fas-L in the myocardium cell of diabetic rats［J］.Chin Pharmacol Bull，2009，25(10):1394-5.

［3］ Stanley W C，Recchia F A，Lopaschuk G D.Myocardial substrate metabolism in the normal and failing heart［J］.Physiol Rev，2005，85(3):1093-129.

［4］ Belke D D，Larsen T S，Gibbs E M，Severson D L.Altered metabolism causes cardiac dysfunction in perfused hearts from diabetic(db/db)mice［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2000，279(5):E1104-13.

［5］ Finck B N，Lehman J J，Leone T C，et al.The cardiac phenotype induced by PPARalpha overexpression mimics that caused by diabetes mellitus［J］.J Clin Invest，2002，109(1):121-30.

［6］ Moller D E.New drug targets for type 2 diabetes and the metabolic syndrome［J］.Nature，2001，414:821-7.

［7］ Finck B N，Lehman J J，Leone T C，et al.The cardiac phenotype induced by PPARalpha overexpression mimics that caused by diabetes mellitus［J］.J Clin Invest，2002，109(1):121-30.

［8］ Barger P M，Brandt J M，Leone T C，et al.Deactivation of peroxisome proliferator-activated receptor-alpha during cardiac hypertrophic growth［J］.J Clin Invest，2000，105(12):1723-30.

［9］ Finck B N，Han X，Courtois M，et al.A critical role for PPARalpha-mediated lipotoxicity in the pathogenesis of diabetic cardiomyopathy:modulation by dietary fat content［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2003，100(3):1226-31.

［10］Asai T，Okumura K，Takahashi R，et al.Combined therapy with PPARalpha agonist and L-carnitine rescues lipotoxic cardiomyopathy due to systemic carnitine deficiency［J］.Cardiovasc Res，2006，70(3):566-77.

［11］ Burkart E M，Sambandam N，Han X，et al.Nuclear receptors PPARβ/δ and PPARα direct distinct metabolic regulatory programs in the mouse heart［J］.J Clin Invest，2007，117(12):3930-9.

［12］Vikramadithyan R K，Hirata K，Yagyu H，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor agonists modulate heart function in transgenic mice with lipotoxic cardiomyopathy［J］.J Pharmacol Exp Ther，2005，313(2):586-93.

［13］Gilde A J，van der Lee K A，Willemsen P H，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor(PPAR)alpha and PPARbeta/delta，but not PPARgamma，modulate the expression of genes involved in cardiac lipid metabolism［J］.Circ Res，2003，92(5):518-24.

［14］Panagia M，Gibbons G F，Radda G K，et al.PPAR-alpha activation required for decreased glucose uptake and increased susceptibility to injury during ischemia［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2005，288(6):H2677-83.

［15］Park S Y，Cho Y R，Finck B N，et al.Cardiac-specific overexpression of peroxisome proliferator-activated receptor-alpha causes insulin resistance in heart and liver［J］.Diabetes，2005，54(9):2514-24.

［16］Jie Y，Martin E Y，Lei C，et al.Increased glucose uptake and oxidation in mouse hearts prevent high fatty acid oxidation but cause cardiac dysfunction in diet-induced obesity［J］.Circulation，2009，119:2818-28.

［17］Ye J M，Doyle P J，Iglesias M A，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor(PPAR)-α activation lowers muscle lipids and improves insulin sensitivity in high fat-fed rats，comparison with PPAR-α activation［J］.Diabetes，2001，50(2):411-7.

［18］Iglarz M，Touyz R M，Viel E C，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor-alpha and receptor-gamma activators prevent cardiac fibrosis in mineralocorticoid-dependent hypertension［J］.Hypertension，2003，42(4):737-43.

［19］Cheng L，Ding G，Qin Q，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor delta activates fatty acid oxidation in cultured neonatal and adult cardiomyocytes［J］.Biochem Biophys Res Commun，2004，313(2):277-86.

［20］Cheng L，Ding G，Qin Q，et al.Cardiomyocyte-restricted peroxisome proliferator-activated receptor-delta deletion perturbs myocardial fatty acid oxidation and leads to cardiomyopathy［J］.Nat Med，2004，10(11):1245-50.

［21］Lautamäkil R，Juhani Airaksinen K E，Seppänen M，et al.Rosiglitazone improves myocardial glucose uptake in patients with type 2 diabetes and coronary artery Disease.A 16-week randomized，doubleblind，placebo-controlled study［J］.Diabetes，2005，54:2787-94.

［22］Duan S Z，Ivashchenko C Y，Russell M W，et al.Cardiomyocytespecific knockout and agonist of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma both induce cardiac hypertrophy in mice［J］.Circ Res，2005，97(4):372-9.

［23］Fliegner D，Westermann D，Riad A，et al.Up-regulation of PPAR gamma in myocardial infarction［J］.Eur J Heart Fail，2008，10:30-8.

［24］Shiomi T，Tsutsui H，Hayashidani S，et al.Pioglitazone，a peroxisome proliferator-activated receptor-gamma agonist，attenuates left ventricular remodeling and failure after experimental myocardial infarction［J］.Circulation，2002，106(24):3126-32.

［25］Golfman L S，Wilson C R，Sharma S，et al.Activation of PPARgamma enhances myocardial glucose oxidation and improves contractile function in isolated working hearts of ZDF rats［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2005，289(2):E328-36.