糖尿病性心肌病发病机制的实验研究进展

武 琦，吕祥威，姚艳敏，徐彤彤

(桂林医学院附属医院，广西桂林541000)

研究显示，各种心血管并发症如大中动脉和冠状动脉粥样硬化增加均与糖尿病(DM)有关，而微血管病变(除视网膜和肾脏病变外)也可引起心脏结构和功能病理性改变。1972年Rubler等［1］将这种DM患者在无冠心病和高血压情况下发生的心室功能紊乱定义为DM性心肌病。现将近年来DM性心肌病发病机制的实验研究进展综述如下。

1 动物模型

多数研究认为1型DM模型可由胰岛β细胞的毒素链脲佐菌素诱导，而2型DM模型Zucker鼠表现为瘦素受体信号损伤或缺少瘦素蛋白;db/db鼠遗传模型表现出肥胖和胰岛素抵抗［2］。有学者对肥胖DM鼠模型左心室插入导管进行研究，发现左心室收缩功能受dP/dt影响最初增强，血容量增加，并使交感神经兴奋引起潜在肥厚。Van den Bergh等通过压力容量导管对鼠心脏血流动力学改变进行了评估，结果发现收缩功能减弱有一个负荷量变。DM心脏是否对损伤更加敏感还存在争议，但有动物实验研究发现结扎冠状动脉后有DM性心肌病的动物会出现左心功能减弱和心室重塑加速。Zuvker、db/db鼠模型局部缺血后，胰岛素抵抗会使心肌自我恢复减弱且变化不受梗死面积影响，而高脂饮食模型却无此改变;对Zuvker鼠运用胰岛素增敏剂噻唑烷二酮治疗，能够促进缺血恢复;去偶联白喉毒素A的转基因小鼠(无DM的胰岛素抵抗和肥胖模型)心脏缺血后的恢复未受损［3］。综上，胰岛素抵抗能够增加啮齿类动物心脏缺血再灌注损伤的敏感性，高血糖可能会加剧其进展。

2 发病机制

目前研究重点为DM致心肌收缩力降低的机制，包括钙离子内环境紊乱、肾素—血管紧张素系统(RAS)活化、氧化应激反应过激、基质代谢改变及线粒体失调等。

2.1 钙离子内环境损伤 钙离子是心肌细胞内最主要的收缩因子。最近Cessario等［4］发现，DM性心肌病模型动物钙离子内环境改变影响心肌功能的机制与降低Na+-Ca2+交换酶、Ca2+-ATP酶活性及抑制肌浆网回升钙浓度有关。在1型DM模型鼠细胞中肌浆网钙储存、释放及再摄取水平均较低，钙通过Na+-Ca2+交换亦不活跃，但触发肌浆网中钙释放的L型钙通道未发生改变。肌浆网功能下调与其Ca2+-ATP酶、Ryanodine受体蛋白下调及未磷酸化类受磷蛋白增加有关。2型DM dd/db模型鼠心肌细胞钙外流减少，肌浆网钙泵途径、Ryanodine受体表达下调，钙通过Na+-Ca2+交换体外流增加。此外，心脏表达肌浆网钙泵和Na+-Ca2+交换酶下调已在1型和2型DM中被证实。Trost等［5］发现过度表达肌浆网钙泵的转基因小鼠可避免链脲佐菌素导致的心脏损伤，表明DM钙离子水平变化对心脏功能具有显著影响。

2.2 RAS活化 DM性心肌病模型血管紧张素Ⅱ受体浓度及mRNA表达升高。实验证明DM模型RAS系统活化与心肌氧化损伤、心肌内皮细胞凋亡及肥大有关，并可导致间质纤维化。阻止链脲佐菌素处理小鼠的RAS系统可通过恢复肌浆钙部分减少心脏功能紊乱［6］，而封闭RAS系统可恢复DM导致的肌浆网钙负荷及 Ryanodine受体消耗［7］。表明抑制RAS系统可减少链脲佐菌素所致DM小鼠心肌过氧化物产生，卡托普利对此类小鼠具有心脏保护作用。

2.3 氧化应激增强 心脏活性氧(ROS)产物增加是DM性心肌病进展的一个重要因素，ROS及抗氧化屏障损伤均可促进氧化应激产生。实验证明，在1型和2型DM中均存在ROS高表达，在1型DM小鼠模型心脏中，线粒体过氧化物酶高表达可改变线粒体功能、形态及心肌细胞功能，同时也存在如还原型辅酶H、氧化物酶及随黄嘌呤氧化酶系活性增加而伴发一氧化氮合成酶活性下降的非线粒体来源ROS产物的证据，但心脏抗氧化屏障作用仍然存有争议。ROS产物增加可能会活化异常信号途径，从而导致细胞死亡、细胞凋亡;ob/ob、db/db模型心脏中标记的细胞凋亡蛋白酶3明显增加，提示ROS产物增加可促进异常心肌重塑，最终导致DM性心肌病相关形态特征及功能异常。除此之外，ROS产物增加可放大高糖血症中蛋白激酶C活性，增加葡萄糖获取信息，致使糖基化终产物增加，通过醇糖还原酶途径增加葡萄糖量，进而引发DM性心肌病的并发症。研究证实，在1型及2型DM性心肌病的动物模型中，心脏高表达的金属硫蛋白、过氧化氢酶及锰过氧化物歧化酶可经强化线粒体ROS系统清除功能而得到改善［8］，从而减轻DM所致心脏功能失调。因此，减少ROS产物或加强抗氧化屏障机制有望改善DM心肌功能。

2.4 基质代谢改变 DM心肌细胞代谢紊乱的特征是葡萄糖和乳酸代谢减弱，脂肪酸代谢增强，心肌组织中存在葡萄糖无氧酵解和有氧氧化障碍。此一方面可因葡萄糖转运子1和4活性降低使葡萄糖向心肌细胞内转运减少、心肌细胞摄取葡萄糖减少;另一方面胰岛素缺乏使脂肪组织脂解明显增强、游离脂肪酸明显增加、丙酮酸脱氢酶复合物的脂肪酸氧化活性受抑，最终使葡萄糖有氧氧化代谢减少，心肌细胞凋亡增加［9］。DM性心肌病的基质代谢转化机制非常复杂，包括脂肪酸配送增加、胰岛素信号传递减少及旁路激活等。在ob/ob和db/db鼠中，脂肪酸氧化增加和葡萄糖氧化减少与过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)-α、PGC-1高表达无明显相关性，葡萄糖利用减少的原因可能是脂肪酸利用增加或胰岛素信号受损。研究发现，小鼠心肌细胞胰岛素受体缺失后，随热量产生及肥胖持续时间延长，旁路 PPAR-α/PGC-1信号可增加脂肪酸氧化及肉毒碱十六烷酰转移酶1、长链酰基辅酶A脱氢酶等基因表达;2型DM鼠心肌对脂肪酸的摄取量增加，使CD36在细胞膜重新分配［10］。

DM性心肌病基质改变是否可直接引起心功能受损是目前研究的重要课题。在长期的1型DM研究中，胰岛素替代治疗使葡萄糖利用率增加，且能逆转与DM有关的代谢异常及心脏收缩功能障碍。对DM Zucker鼠给予PPAR-γ激动剂能恢复心脏功能、逆转脂毒性，且随葡萄糖代谢增加心功能逐渐增强。对脂毒性转基因鼠模型的研究显示，通过人类载脂蛋白B转基因高表达、瘦素浓度增加而逆转心肌脂肪变性可使心功能改善。2型DM Zucker鼠模型在脂肪酸供给量增加情况下可能存在脂肪酸氧化受限，PARA-γ兴奋剂有望改变葡萄糖代谢和减少脂毒性;对不同年龄db/db鼠使用PPAR-γ或PARA-α激动剂可减少脂肪酸氧化、增加葡萄糖利用、使体内代谢趋于平衡，但不能纠正心脏功能失调。故应用PPAR-γ或 PPAR-α抑制剂联合治疗db/db鼠，可望(通过小鼠围产期高表达葡萄糖转运蛋白4的特点)阻止2型DM模型鼠代谢基质改变，改善心脏功能。最近研究发现，DM模型鼠心肌脂肪酸氧化量增加同时心肌耗氧量也增加，使心脏更容易受损;通过高浓度葡萄糖、胰岛素灌注提高葡萄糖利用率和心脏功能，可减轻db/db鼠缺血再灌注损伤，并促进受损心肌功能恢复［11］。

3 小结

总之，DM性心肌病是DM的一种重要并发症，可增加心衰发生率，与潜在冠心病无关。其为高血糖、胰岛素抵抗与高胰岛素血症或胰岛素缺乏对心肌细胞的直接毒性或引发的代谢紊乱所致，并通过增强氧化应激反应、钙离子内环境受损、RAS激活等病理生理过程使心肌细胞凋亡、心肌收缩力降低、心脏结构异常，并最终发展为心功能不全。

［1］Hamby RI，Zoneraich S，Sherman L，et al.Diabetic cardiomyopathy［J］.JAMA，1974，229(13):1749-1754.

［2］Greer JJ，Ware DP，Lefer DJ.Myocardial infarction and heart failure inthe db/db diabetic mouse［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2006，290(1):146-153.

［3］Aasum E，Hafstad AD，Severson DL，et al.Age-dependent changes in metabolism，contractile function，and ischemic sensitivity in hearts from db/db mice［J］.Diabetes，2003，52(2):434-441.

［4］Cesario DA，Brar R，Shivkumar K.Alterations in ion channel physiology in diabetic cardiomyopathy［J］.Endocrinol Metab Clin North Am，2006，35(3):601-610.

［5］Trost SU，Belke DD，Bluhm WF，et al.Overexpression of the sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase improves myocardial contractility in diabetic cardiomyopathy［J］.Diabetes，2002，51(4):1166-1171.

［6］曹建雷，熊世熙，宋陈芳，等.卡托普利与贝那普利对糖尿病大鼠心肌间质重构的影响［J］.山东医药，2008，48(42):13-15.

［7］Liu X，Suzuki H，Sethi R，et al.Blockade of the renin-angiotensin system attenuates sarcolemma and sarcoplasmic reticulum remodeling in chronic diabetes［J］.Ann N Y Acad Sci，2006，1084(4):141-154.

［8］Yaras N，Bilginoglu A，Vassort G，et al.Restoration of diabetesinduced abnormal local Ca2+release in cardiomyocytes by angiotensinⅡ receptor blockade［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2007，292(2):912-920.

［9］Shen X，Zheng S，Metreveli NS，et al.Protection of cardiacmitochondria by overexpression of MnSOD reduces diabetic cardiomyopathy［J］.Diabetes，2006，55(3):798-805.

［10］Coort SL，Hasselbaink DM，Koonen DP，et al.Enhanced sarcolemmal FAT/CD36content and triacylglycerol storage in cardiac myocytes from obese zucker rats［J］.Diabetes，2004，53(7):1655-1663.

［11］Oakes ND，Thalen P，Aasum E，et al.Cardiac metabolism in mice:tracer method developmentsand in vivo application revealing profound metabolic inflexibilityin diabetes［J］.Am J Physiol Endocrinol Metab，2006，290(5):E870-E881.