糖尿病冠状动脉硬化性心脏病中心肌损伤与氧化应激的关系

孙洋综述， 赵红审校

糖尿病冠状动脉硬化性心脏病中心肌损伤与氧化应激的关系

孙洋综述， 赵红审校

糖尿病心脏病是糖尿病，尤其是II型糖尿病患者致死的主要原因之一。糖尿病患者代谢紊乱，高血糖、高血脂、胰岛素抵抗使心肌缺血氧化应激增强。影响心肌细胞应对再灌注损伤的能力：①不断变化的葡萄糖水平、线粒体紊乱和一氧化氮合成酶解偶联降低了抗氧化防御；②细胞信号通路障碍可能导致糖尿病心肌更易损伤，最终导致心壁结构重塑、心力衰竭。本文就糖尿病者冠状动脉硬化性心脏病氧化应激与心肌损伤关系的国内外研究进展进行综述。

细胞信号；糖尿病；缺血再灌注；心肌损伤；氧化应激

近年来,糖尿病及其相关并发症已经成为重大的公共卫生问题。糖尿病是一种复杂的疾病,其最重要的分子机制是多种代谢紊乱导致细胞水平氧化与抗氧化过程失衡。糖尿病会增加患心血管疾病的风险近五倍[1]。广义的糖尿病心脏病包括冠状动脉粥样硬化性心脏病(冠心病)，糖尿病心肌病和糖尿病心脏自主神经病变等。本文着重讨论糖尿病冠心病。糖尿病患者由于脂质代谢紊乱、内皮细胞功能紊乱等原因，使冠心病起病较非糖尿病患者早，常表现为无痛性心肌梗死，梗死面积大、多为透壁性梗死，病情较严重，预后差，病死率高。患有糖尿病伴冠状动脉粥样硬化的美国成年患者已达2350万[2]。与非糖尿病患者相比，糖尿病患者心力衰竭和心肌梗死后死亡的风险增加2到4倍。以保护心肌为目标的冠状动脉灌注有效重建，是冠状动脉动脉粥样硬化的主要治疗方法，然而，糖尿病患者无论进行手术或非手术的心脏血管再生术 (血管成形术和血管支架植入)治疗，死亡率均较非糖尿病患者高[3]。心肌血管再通后的心肌缺血再灌注损伤是它引起不良后果的一个主要风险因素。

糖尿病心肌损伤增加的原因目前尚不完全明确，临床数据强烈支持糖尿病患者更容易发生心肌缺血再灌注损伤,且认为糖尿病是一个独立的危险因素[4]。心肌缺血再灌注损伤涉及复杂的分子机制，代谢异常、线粒体功能障碍、胰岛素抵抗和氧化应激共同作用，影响心肌对缺血再灌注损伤的耐受性。

1 自由基与缺血再灌注损伤

自由基生成是细胞损伤的基础条件，心肌中自由基主要有三个来源:①线粒体受损，线粒体电子传递链（ETC）功能异常造成电子泄漏和O2.-产生。Ⅱ型糖尿病小鼠模型和糖尿病患者中均出现线粒体形态和功能受损的表现[5]。②还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶活性升高。Ⅱ型糖尿病动物模型中观察到心肌和血管组织中NADPH氧化酶活性升高，糖尿病患者中,也可检测到活化的NADPH氧化酶系统[6]。③一氧化氮合酶（NOS）功能降低。糖尿病动物模型中发现血管和内皮细胞一氧化氮合酶（eNOS）的辅因子四氢生物蝶呤(BH4)减少。BH4减少导致eNOS功能降低，O2.-产生增多，一氧化氮产生减少[7]。

心肌细胞对O2.-的保护性反应为：在过氧化物歧化酶的作用下使O2.-变为毒性更小的H2O2，随后通过过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶系统转化成水。缺血再灌注损伤时产生大量O2.-，内源性自由基清除酶如过氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等耗尽。心肌细胞出现从可逆到致命的损伤[8]。

2 糖尿病心肌氧化应激反应增强

线粒体功能障碍，NADPH氧化酶活性增高及NOS功能降低在糖尿病心肌损伤中的机制仍不清楚。Ⅱ型糖尿病患者氧化蛋白质产物增加，脂质过氧化程度升高,患者红细胞中无论是酶类还是非酶类(β-胡萝卜素、视黄醇、维生素C和E)抗氧化剂的量及活性均比正常受试者少[9]。抗氧化剂治疗可以使糖尿病动物氧化应激产物正常化[10]。

高血糖可损害电子传递链（ETC）复合酶的活性，使线粒体中O2.-过多。在体外,已证明高血糖可使NADPH氧化酶活化及NOS功能降低，使产生的O2.-在心肌中堆积[11]。Ⅱ型糖尿病中慢性氧化应激增强可损害线粒体能量代谢，进一步加重线粒体功能障碍，形成不可逆的细胞和组织损伤的恶性代谢循环。葡萄糖代谢和蛋白质的糖基化途径激活产生的糖基化产物也在氧化应激中发挥重要作用[12]。此外，糖基化能抑制抗氧化酶，损害心肌抗氧化防御[13]。

糖尿病时游离脂肪酸（FFA）水平升高。FFA可刺激NADPH氧化酶和ETC产生活性氧,还可降低细胞内谷胱甘肽还原反应,削弱自由基介导的内源性损伤防御[14]。

Ⅱ型糖尿病常伴有高胰岛素血症和胰岛素抵抗。使用胰岛素处理培养的细胞，可增加NADPH氧化酶的活性，增加自由基的产生。Boudina等[15]报道，在心肌细胞胰岛素受体缺失的小鼠模型中，心肌中受损的胰岛素信号可诱导线粒体解偶联，并促进产生H2O2和氧化应激。Yue等[16]报道，心肌活检中,糖尿病患者心肌坏死较非糖尿病患者明显增加。目前多个实验室正在关注提高缺血心肌耐受的调节策略。

3 糖尿病内源性心肌保护作用的信号转导通路受损

缺血再灌注损伤涉及不同的细胞信号转导调节机制,包括磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）信号通路,和Janus激酶2/信号转导子和转录激活子3（JAK2/STAT3）信号通路等，这些通路的关键末端效应器集中在线粒体通透性转换孔(mPTP)上。心肌缺血时，通过物理或药物处理，可激活细胞内与生存有关的信号通路，改变心肌自由基反应，减少缺血再灌注损伤。但糖尿病心肌促存活信号转导受损，所以对缺血再灌注损伤的易感性增强，对物理或药物治疗的疗效不佳。

具有促存活功能的PI3K/AKT信号通路在缺血再灌注心肌保护过程中极为重要。AKT活化后可通过其下游效应分子诱导细胞保护作用，如NOS和B细胞淋巴瘤因子-2（Bcl-2），以防止线粒体途径细胞死亡。在大鼠Ⅱ型糖尿病模型中AKT的活化水平显著下降，张力蛋白同源10号染色体缺失的磷酸酶基因（PTEN）是PI3K/AKT通路的负调控因子，在Ⅱ型糖尿病模型中表达水平增高。Wang 等[17]的研究发现，血糖水平、氧化应激和PTEN水平在人类糖尿病心肌中呈正相关关系；AKT的磷酸化程度与糖尿病患者的心肌中PTEN蛋白水平增加呈负相关关系,表明在人类糖尿病心肌中也存在PTEN蛋白增加，负调控AKT下游的促生存信号。游离脂肪酸（FFA）含量增高抑制胰岛素诱发的PI3K/AKT激活,并上调PTEN表达[18]。这些发现证实了糖尿病心肌中存在AKT信号活化受损。

STAT3的激活是另一种心肌保护机制。虽然没有直接的证据显示在人类糖尿病中存在STAT3的表达和激活，但在糖尿病大鼠模型中心肌STAT3的表达及活化显著下降[19]。STAT3基因敲除小鼠更易发生心肌缺血再灌注损伤和心肌梗死，心肌细胞凋亡和心肌梗死面积增加，心脏功能和存活率降低[20]。相反，表达STAT3的转基因小鼠，缺血和再灌注后与野生型小鼠相比梗死面积较小[21]。

4 糖尿病心肌对氧化剂介导的缺血再灌注损伤更易感

糖尿病时，心肌和血管更易遭受缺血再灌注时产生的氧化剂介导的损伤，心肌肌节、线粒体、细胞间隙、微血管超微结构发生改变。缺血再灌注损伤中糖尿病心肌中加重的机制，除了基础氧化状态增加和细胞促存活信号受损外，还涉及葡萄糖流量，受损心肌的适应性反应，以及NOS在缺血再灌注中进一步的损害。

糖尿病心肌中葡萄糖过量可激活醛糖还原酶、山梨醇脱氢酶，以及果糖和葡萄糖的转化等多条通路促进氧化应激。缺血再灌注激活醛糖还原酶导致细胞NADPH枯竭，在缺血再灌注的大鼠心脏,醛糖还原酶介导的氧化应激增强，mPTP孔打开，促使心肌收缩功能障碍和组织损伤[22]。

除了高血糖，缺血再灌注期间通过己糖生物合成途径产生了高血脂和大量的活性氮氧化合物（RONS）。这可能会促进乙酰葡糖胺改变,并调节丝氨酸/苏氨酸磷酸化位点，导致PI3K/AKT信号通路异常，启动BCL-2相关死亡途径。在糖尿病患者皮肤活检中发现高血糖水平患者BCL-2的表达较低[23]，BCL-2低表达增加心肌细胞死亡。

心肌对抗氧化剂介导损伤的保护性代偿机制包括,①上调氧化还原系统的自由基清除剂金属硫蛋白MT1和MT2。MT1和MT2的靶基因参与了STAT3介导的心肌保护。糖尿病心肌中STAT3的表达减少, 不仅可能使心肌对缺血再灌注过程的产生的RONS产物更加敏感,而且使MT1/MT2的调控缺乏靶点, 加剧心肌缺血缺氧损伤[24]。②血红素加氧酶HO-1表达下调，HO-1是体内参与亚铁血红素代谢的一种具有多种功能的线粒体氧化酶，在氧化应激中起重要的细胞保护作用，已证明HO-1缺乏与心肌梗死后的死亡率增加有关[25]。糖尿病时无法有效诱导HO-1表达增高，可能是加剧糖尿病心肌缺血再灌注损伤的另一个原因。③硫氧还蛋白TRX-1失活，TRX-1是细胞内的关键抗氧化剂，可调节细胞生存通路。糖尿病时eNOS可诱导TRX-1硝化，高血糖可诱导TRX-1糖化[26]，使TRX-1失活，可能是心肌缺血再灌注损伤的另一个重要机制。

5 糖尿病心肌梗死后的心肌变性和功能障碍

糖尿病心脏中氧化应激增强, Smith等[27]证明了在糖尿病心肌梗死动物中氧化应激水平升高，氧化型谷胱甘肽，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶表达增加与心肌梗死4周后心功能指数降低有关。Aragno等[28]发现，在实验性慢性高血糖动物模型中，氧化应激诱导促进纤维化的基因表达和细胞外基质沉积，从而导致心肌纤维化和功能障碍。这些证据支持氧化应激是糖尿病心肌梗死后心肌功能障碍和变性的发病机制中的一个关键因素。

氧化应激诱导心肌重塑涉及多个机制, 包括①RONS影响脂质、蛋白质和核酸变性所引起的心肌细胞凋亡，直接损害心脏收缩功能，激活心脏炎症反应，调节细胞外基质重塑，由RONS刺激的一系列响应肥大细胞反应的激酶蛋白激活。②糖尿病心肌的胰岛素受体信号传导受损，加速心肌梗死后左心室功能障碍。③人类糖尿病心肌中线粒体减少，钙的耐受性降低，钙诱导mPTP开放的倾向增强，线粒体细胞死亡蛋白酶caspase-9的水平增加。

6 结论

糖尿病的氧化应激增强，直接或间接地与高血糖症，高脂血症，高胰岛素血症，胰岛素抵抗有关。这些异常，能导致线粒体功能障碍、高NADPH氧化酶激活和NOS解偶联，从而造成了过多的自由基产生。糖尿病心肌对缺血再灌注损伤的耐受力较差。葡萄糖流量改变，抗氧化防御下降和促存活细胞信号受损导致线粒体紊乱，可能导致糖尿病心肌更容易受到损伤、重塑和心脏衰竭。

目前临床尚无有效针对糖尿病人群中减轻心肌损伤的治疗策略。心肌稳态自由基生物学机制较复杂，加强心肌损伤和修复相关的生物学机制的探索，有助于防治糖尿病患者心肌损伤，一些有关的临床研究正在开展。针对围手术期心肌组织血糖控制，抑制氧化应激，激活细胞促生存信号已有尝试，这可能成为有效的治疗Ⅱ型糖尿病围手术期患者的疗法。

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2014-03-04）

（编辑：王宝茹）

100037 北京市，中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心 阜外心血管病医院 心血管疾病国家重点实验室 病理科

孙洋 实习研究员 博士 主要从事心肌病、心脏移植病理及心肌保护方面的研究 Email:sunyangyjs@sina.com 通讯作者：赵红

Email:zhaohongfw@aliyun.com

R54

A

1000-3614（2014）11-0952-03

10.3969/j.issn.1000-3614.2014.11.026