2型糖尿病与心肌细胞能量代谢功能紊乱关系的研究进展

林梦飞，李涛，吴柱国

(广东医科大学广东省分子诊断重点实验室，广东东莞523808)

2型糖尿病与心肌细胞能量代谢功能紊乱关系的研究进展

林梦飞，李涛，吴柱国

(广东医科大学广东省分子诊断重点实验室，广东东莞523808)

心脏可以利用脂肪酸(FAs)、葡萄糖、酮、乳酸、氨基酸作为燃料基质在心肌细胞线粒体中氧化磷酸化而产生维持其正常功能所需的能量。其中FAs和葡萄糖是心脏最主要的两种能量供体，正常情况下FAs氧化代谢所产生的ATP占心肌细胞代谢产生总ATP的50%～70%，葡萄糖氧化代谢所产生的ATP占心肌细胞代谢产生总ATP的10%～30%。正常生理状态下心脏可以根据自身的工作负荷、氧供应及激素水平切换其燃料基质选择偏好。但是在2型糖尿病(T2DM)情况下，心肌细胞会增加FAs的摄取利用、减少葡萄糖的摄取利用使心肌细胞的能量产生几乎完全依靠FAs氧化，而线粒体作为FAs和葡萄糖的最终代谢场所其功能亦会发生紊乱，现综述如下。

2型糖尿病；能量代谢；功能紊乱；脂肪酸；葡萄糖；线粒体功能

心肌细胞能量代谢功能的紊乱将会对心脏正常功能产生重要影响。在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)情况下心肌细胞能量代谢功能紊乱是如何发生的，以下我们将会结合正常的心肌细胞FAs、葡萄糖摄取利用途径及正常线粒体氧化磷酸化功能，从心肌细胞FAs和葡萄糖的摄取利用异常、心肌细胞线粒体氧化磷酸化功能障碍三个方面对T2DM与心肌细胞能量代谢功能紊乱的关系做一综述。

1 T2DM与心肌细胞的FAs摄取利用

1.1 心肌细胞FAs摄取与利用概述心肌细胞自身从头合成FAs的能力有限，且心肌细胞内的FAs储备仅够维持1 min的正常心脏活动，因而其FAs供给主要靠从外源的血浆中摄取[1-2]。血浆中的FAs主要以甘油三酯的形式循环，然后大部分通过特定的转运蛋白(脂肪酸转运蛋白1、4和CD36等)易化扩散、少部分通过被动扩散进入心肌细胞中，进入心肌细胞的FAs被内皮酯蛋白酶解离成游离FAs后酯化成脂肪酰CoA，其中大部分脂肪酰CoA运送至线粒体内进行β-氧化，少部分运送至细胞内甘油三脂池储存[1]。肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1，CPT-1)是FAs代谢的限速酶，它通过把脂肪酰CoA转化成脂肪酰肉碱而把脂肪酰CoA转运至线粒体内；一旦进入线粒体内脂肪酰肉碱很快就被肉碱棕榈酰转移酶2重新转化回脂肪酰CoA进行β-氧化。FAs代谢受多种因素调节：胰岛素可以通过促进葡萄糖摄取利用、抑制脂肪动员、促进脂肪合成等抑制心肌FAs代谢；FAs转运蛋白及其代谢限速酶的表达及活性对心肌细胞FAs代谢亦有重要影响；转录因子过氧化物酶增殖物激活受体α(peroxidase proliferation activated receptor alpha，PPAR-α)作为FAs代谢的决定性转录调控因素，其激活或表达上调使FAs代谢增加，反之减少[3]。

1.2 T2DM与异常的心肌细胞FAs摄取利用新兴的正电子发射断层显像/X线计算机体层成像示踪技术(positron emission tomography/ray computed tomography，PET/CT)证实在胰岛素抵抗及糖耐量受损患者心肌组织FAs摄取增加较其他组织更明显[4]。胰岛素抵抗和/或T2DM患者由于肝脏脂质合成增加及脂肪细胞脂解增加，导致血液循环中游离FAs、甘油三酯水平升高[5]。血浆FAs水平升高自身可以部分地驱动心肌细胞FAs摄取增加，但T2DM心肌细胞FAs摄取增加主要与心肌细胞FAs转运蛋白易位有关。过去认为T2DM大鼠心肌FAs摄取增加与其心肌细胞细胞质某些特定的FAs转运蛋白(如脂肪酸转运蛋白1和CD36)表达增加有关[6]；后来证实T2DM时心肌细胞总FAs转运蛋白表达并没有增加，其FAs摄取增加主要是由更多的细胞内FAs转运蛋白易位至心肌细胞细胞膜上所致[1，7-8]。不仅是摄取增加，大量研究发现T2DM时心肌FAs氧化率也是提高的，PET/CT也证实了这一点[9]。胰岛素可以抑制心肌细胞FAs的氧化[9]，T2DM时胰岛素作用不足可以通过增加脂肪裂解、抑制脂质合成、抑制葡萄糖摄取利用而增加FAs代谢。PPAR-α作为FAs代谢的决定性转录调控因素也在该改变中发挥了重要作用。据报道几乎在所有的糖尿病动物模型中PPAR-α的表达都是增加的，而且T2DM时心肌细胞FAs摄取增加致细胞内增多的FAs可以作为配体激活PPAR-α，PPAR-α激活增加可以通过上调FAs的摄取、储存、β-氧化和抑制葡萄糖氧化而增加心肌能量代谢对FAs的依赖[2-3]。T2DM时心肌FAs代谢增加还可能和某些FAs代谢限速酶的表达、活性改变有关。一般认为CTP-1作为FAs β-氧化的限速酶调控脂肪酰CoA进入线粒体是FAs β-氧化的主要限速步骤，T2DM时CTP-1的活性是增强的。已经证实抑制CTP-1活动可以通过提高碳水化合物的利用率、改善胰岛素信号转导而抑制全身肌肉的FAs氧化[10]，早期胰岛素治疗可能通过增加心肌CPT-1表达、降低固醇调节元件结合蛋白1表达而有益于改善T2DM大鼠骨骼肌肌甘油三酯累积[11]。但是CPT-1在心肌细胞FAs β-氧化中的地位却遭到了质疑：有学者认为其不是心肌细胞FAs β-氧化率的关键限速因素，因为有研究发现T2DM患者心肌细胞CPT-1的表达及活性较非T2DM患者没有明显变化，且它对体内CPT-1抑制剂丙二酸单酰辅酶A敏感性没有变化(更甚的是，有研究发现T2DM小鼠心肌丙二酸单酰辅酶A是增加的)，部分性CPT-1抑制剂—依莫克舍(可以降低心肌CPT-1活性44%)并没能抑制心肌细胞FAs摄取、氧化[1，7，12]。

2 T2DM与心肌细胞的葡萄糖摄取利用

2.1 心肌细胞葡萄糖摄取与利用概述葡萄糖主要通过葡萄糖转运体1(glucose transporter-1，GLUT-1)及葡萄糖转运体4(glucose transporter-4，GLUT-4)转运进入心肌细胞，其中GLUT-1主要涉及基础葡萄糖摄取，GLUT-4作为心肌上表达最丰富的葡萄糖转运蛋白主要负责应对胰岛素及心脏工作量增加等刺激诱导的葡萄糖摄取。进入心肌细胞内的葡萄糖(85%)绝大部分被葡萄糖激酶转化成葡萄糖-6-磷酸后进入糖酵解通路[13]。己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1 (6-phosphate fructose kinase-1，PFK-1)、丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)是糖酵解调控的三个关键酶。其中PFK-1是调节糖酵解途径流量最重要的限速酶，它催化生成丙酮酸；PDH是糖酵解第二重要的调节点，它催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A后进入线粒体参加β-氧化。胰岛素作为体内唯一的降低血糖激素，可以通过刺激胰岛素信号通路而促进葡萄糖摄取利用、激活糖酵解限速酶、抑制脂肪动员。

2.2 T2DM与异常的心肌细胞葡萄糖摄取利用T2DM患者心肌细胞葡萄糖的摄取较糖耐量正常及糖尿病前期患者明显减少[14]。这种减少主要与GLUT4相关，已述经证实GLUT4敲除的小鼠心肌细胞表现出极端的葡萄糖摄取不足[15]。虽然T2DM动物模型及患者的心肌GLUT4表达都降低[12，16]；但是和FAs摄取增加机制类似，T2DM或胰岛素抵抗时心肌细胞GLUT4优先内化和优先定位于细胞内部所致心肌细胞细胞膜上的GLTU4减少才是引起其葡萄糖摄取减少的主要原因[5，8]。最近有研究发现新兴抗阻运动康复疗法和雄性激素疗法可能能通过增加细胞膜GLUT4表达而促进葡萄糖转运、改善胰岛素抵抗[17-18]。除了葡萄糖摄取减少，T2DM患者心肌细胞葡萄糖氧化也较正常减少30%～40%[13]。T2DM时胰岛素含量相对不足、胰岛素抵抗、胰岛素信号通路受损可以直接减少心肌葡萄糖摄取与利用，FAs代谢增加可以间接抑制葡萄糖氧化(根据兰德尔周期)。糖酵解通路是心肌葡萄糖代谢最主要的通路，上述三个糖酵解关键酶表达及活性改变亦均对葡萄糖代谢异常有重要影响。长链脂酰CoA对己糖激酶有变构抑制作用，理论上T2DM时FAs代谢增加致长链脂酰CoA增加可以抑制己糖激酶活性；胰岛素可以诱导己糖激酶基因转录，胰岛素作用不足可以致己糖激酶表达下降。柠檬酸是PKF-1的抑制剂，T2DM时FAs代谢增加致乙酰辅酶A和柠檬酸水平升高可以抑制PKF-1活性；另外，T2DM时PPAR-α过表达可以减少PFK-1表达[19]。PDH受丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase，PDK)抑制，受丙酮酸脱氢酶磷酸酶刺激促进。Fas β-氧化产生的乙酰辅酶A和NADH可以通过活化PDK及促进其随后的磷酸化、抑制PDH酶复合物而抑制葡萄糖氧化[2]。还有研究发现，T2DM动物模型心肌细胞PDH活性下降、PDK表达增加，这会导致葡萄糖利用减少、FAs代谢增加；二氯乙酸(一种PDK抑制剂)可以通过增加心肌细胞PDH通量、抑制PDK而改善这种心肌能量基质利用失衡和心功能[12，20]。

3 T2DM与心肌细胞线粒体氧化磷酸化功能

3.1 线粒体氧化磷酸功能概述无论是葡萄糖还是FAs或者其他燃料基质，其能量代谢途径最后都是生成乙酰辅酶A进入线粒体通过三羧酸循环生成还原当量NADH和FDH2；NADH和FDH2进入线粒体电子传递链(electron transport chain，ETC)进行连续的氧化还原反应形成质子梯度驱动ATP的合成，此过程被称作线粒体氧化磷酸化，其产生ATP占细胞生成总ATP比例超过95%[21]。即使在正常情况下，线粒体氧化磷酸化也不是全效的，因为会有1%～2%的电子从ETC中泄露出来形成活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，以及解耦连蛋白会部分下调质子梯度而产生热量[22]。

3.2 T2DM与异常的心肌细胞线粒体氧化磷酸化功能线粒体是FAs及葡萄糖最终代谢场所，T2DM时心肌FAs代谢增加、葡萄糖代谢减少，其所致心肌粒体氧化磷酸化功能障碍主要表现为氧化磷酸化效率下降和ROS产生增加两大特点。心肌线粒体氧化磷酸效率下降主要表现为以下两方面：一是心脏工作效率下降，虽然每分子FAs代谢所产生的ATP比葡萄糖多，但是FAs代谢氧耗比值比葡萄糖高，因此FAs增加将会降低心脏工作效率(做工量/心肌氧耗量)[9]；二是ATP生产减少，T2DM时高血糖症、胰岛素抵抗可以直接或间接通过诱导心肌线粒体能量基质选择偏好转变以及诱导线粒体融合、裂变、自噬改变其功能结构而影响能量产生，ATP生产减少还和FAs介导的心肌线粒体解耦连蛋白表达上调有关[13，23]。有研究发现糖尿病心肌病患者心肌ROS含量较非糖尿病特发性扩张型心肌病患者的增加达4倍[24]。慢性高血糖会诱导心肌氧化应激增加[25]，FAs氧化增加使更多的电子被传递到缺陷的ETC中会导致更多的电子漏出亦会形成更多的ROS[13]。ROS反过来可以协同线粒体分裂蛋白1相互增强而加剧线粒体功能障碍和抑制胰岛素信号传导，以及通过增加磷酸戊糖途径通量使能量代谢从依靠糖酵解途径转化为更多的依靠FAs氧化来弥补身体的ATP的需求而使胰岛素抵抗增加[26-27]。值得注意的是，一直以来我们都是把更多注意力放在了胰岛素治疗对T2DM的益处上面，现在有观点提出长期胰岛素注射可能会通过诱导线粒体裂变、增加神经酰胺水平而加重胰岛素抵抗和破环心肌线粒体呼吸功能而带来负面影响[28]。

4 结语

正常的能量代谢是维持心脏正常功能的关键，因为心脏作为人体中能量消耗最高的器官，即使是微小的能量短缺也可以迅速导致心肌收缩舒张功能障碍。正常的心肌能量代谢依赖于不断的氧、燃料基质供应和产生ATP所需的完整的氧化磷酸化过程。然而T2DM可以导致心肌细胞能量代谢功能紊乱，这些紊乱包括心肌FAs摄取利用增加、葡萄糖摄取利用减少和线粒体氧化磷酸化功能受损。理解这些T2DM是如何导致这些紊乱的有助于我们寻找更有针对性的治疗靶点，对糖尿病心肌病的防治有重要的意义。

[1]Glatz JF,Nabben M,Heather LC,et al.Regulation of the subcellular trafficking of CD36,a major determinant of cardiac fatty acid utilization[J].Biochim BiophysActa,2016,1860(10):1461-1471.

[2]Bayeva M,Sawicki KT,Ardehai H.Taking diabetes to heart—deregulation of myocardial lipid metabolism in diabetic cardiomyopathy[J]. JAm HeartAssoc,2013,2(6):e000433.

[3]Ajith TA,Jayakumar TG.Peroxisome proliferator-activated receptors in cardiac energy metabolism and cardiovascular disease[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2016,43(7):649-658.

[4]Labbe SM,Grenier-Larouche T,Noll C,et al.Increased myocardial uptake of dietary fatty acids linked to cardiac dysfunction in glucose-intolerant humans[J].Diabetes,2012,61(11):2701-2710.

[5]Jia G,Demarco VG,Sowers JR.Insulin resistance and hyperinsulinaemia in diabetic cardiomyopathy[J].Nat Rev Endocrinol,2016, 12(3):144-153.

[6]Van Der Vusse GJ,Van Bilsen M,Glatz JF.Cardiac fatty acid uptake and transport in health and disease[J].Cardiovasc Res,2000,45(2): 279-293.

[7]Carley AN,Severson DL.What are the biochemical mechanisms responsible for enhanced fatty acid utilization by perfused hearts from type 2 diabetic db/db mice?[J].Cardiovasc Drugs Ther,2008,22(2): 83-89.

[8]Steinbusch LK,Schwenk RW,Ouwens DM,et al.Subcellular trafficking of the substrate transporters GLUT4 and CD36 in cardiomyocytes[J].Cell Mol Life Sci,2011,68(15):2525-2538.

[9]Mather KJ,Hutchins GD,Perry K,et al.Assessment of myocardial metabolic flexibility and work efficiency in human type 2 diabetes using 16-[18F]fluoro-4-thiapalmitate,a novel PET fatty acid tracer[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab,2016,310(6):E452-E460.

[10]Keung W,Ussher JR,Jaswal JS,et al.Inhibition of carnitine palmitoyltransferase-1 activity alleviates insulin resistance in diet-induced obese mice[J].Diabetes,2013,62(3):711-720.

[11]Bi Y,Cai M,Liang H,et al.Increased carnitine palmitoyl transferase 1 expression and decreased sterol regulatory element-binding protein 1c expression are associated with reduced intramuscular triglyceride accumulation after insulin therapy in high-fat-diet and streptozotocin-induced diabetic rats[J].Metabolism,2009,58(6):779-786.

[12]Razeghi P,Young ME,Cockrill TC,et al.Downregulation of myocardial myocyte enhancer factor 2C and myocyte enhancer factor 2C-regulated gene expression in diabetic patients with nonischemic heart failure[J].Circulation,2002,106(4):407-411.

[13]Amaral N,Okonko DO.Metabolic abnormalities of the heart in type II diabetes[J].Diab Vasc Dis Res,2015,12(4):239-248.

[14]Kim G,Jo K,Kim KJ,et al.Visceral adiposity is associated with altered myocardial glucose uptake measured by(18)FDG-PET in 346 subjects with normal glucose tolerance,prediabetes,and type 2 diabetes[J].Cardiovasc Diabetol,2015,14:148.

[15]Mellor KM,Bell JR,Ritchie RH,et al.Myocardial insulin resistance, metabolic stress and autophagy in diabetes[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2013,40(1):56-61.

[16]FANG P,SHI M,GUO L,et al.Effect of endogenous galanin on glucose transporter 4 expression in cardiac muscle of type 2 diabetic rats [J].Peptides,2014,62:159-163.

[17]徐展铄，李丹萍，黎金伟,等.不同运动治疗对糖尿病患者糖脂代谢水平的影响[J].海南医学,2017,28(1):47-50.

[18]沈洁,易东.雄激素与糖尿病和胰岛素抵抗关系的研究进展[J].海南医学,2016,27(18):3029-3031.

[19]Isfort M,Stevens SC,Schaffer S,et al.Metabolic dysfunction in diabetic cardiomyopathy[J].Heart Fail Rev,2014,19(1):35-48.

[20]Le Page LM,Rider OJ,Lewis AJ,et al.Increasing pyruvate dehydrogenase flux as a treatment for diabetic cardiomyopathy:a combined13C hyperpolarized magnetic resonance and echocardiography study [J].Diabetes,2015,64(8):2735-2743.

[21]Papa S,Martino PL,Capitanio G,et al.The oxidative phosphorylation system in mammalian mitochondria[J].Adv Exp Med Biol, 2012,942:3-37.

[22]Murphy MP.How mitochondria produce reactive oxygen species[J]. Biochem J,2009,417(1):1-13.

[23]Westermeier F,Navarro-marquez M,Lopez-Crisosto C,et al.Defective insulin signaling and mitochondrial dynamics in diabetic cardiomyopathy[J].Biochim BiophysActa,2015,1853(5):1113-1118.

[24]Frustaci A,Ciccosanti F,Chimenti C,et al.Histological and proteomic profile of diabetic versus non-diabetic dilated cardiomyopathy[J].Int J Cardiol,2016,203:282-289.

[25]Wang J,Wang H,Hao P,et al.Inhibition of aldehyde dehydrogenase 2 by oxidative stress is associated with cardiac dysfunction in diabetic rats[J].Mol Med,2011,17(3-4):172-179.

[26]Watanabe T,Saotome M,Nobuhara M,et al.Roles of mitochondrial fragmentation and reactive oxygen species in mitochondrial dysfunction and myocardial insulin resistance[J].Exp Cell Res,2014,323 (2):314-325.

[27]Dong K,Ni H,Wu M,et al.ROS-mediated glucose metabolic reprogram induces insulin resistance in type 2 diabetes[J].Biochem Biophys Res Commun,2016,476(4):204-211.

[28]Hodson AE,Tippetts TS,Bikman BT.Insulin treatment increases myocardial ceramide accumulation and disrupts cardiometabolic function[J].Cardiovasc Diabetol,2015,14:153.

Advances in relationship between type 2 diabetes mellitus and myocardial energy metabolism dysfunction.

LIN Meng-fei,LI Tao,WU Zhu-guo.
Guangdong Key Laboratory of Molecular Diagnostics,Guangdong Medical University. Dongguan 523808,Guangdong,CHINA

The heart can use fatty acids(FAs),glucose,ketone,lactic acid and amino acid as fuel matrix to produce the energy needed to maintain the normal function in the myocardial mitochondria by oxidative phosphorylation. Among them FAs and glucose are the two main energy donors.The ATP produced by FAs oxidation metabolism accounted for 50%-70%of total myocardial cell metabolism inATP under normal circumstances,while glucose oxidative metabolism accounted for 10%-30%.Under normal physiological conditions,the heart can switch its fuel matrix according to its workload,oxygen supply,and hormone levels.However,in the case of type 2 diabetes mellitus(T2DM),myocardial cells will increase the uptake and utilization of FAs,reduce the uptake and utilization of glucose,so that the energy production of myocardial cells depends almost entirely on FAs oxidation,and as the final metabolic site of FAs and glucose, the dysfunction of mitochondria function can also occur.

Type 2 diabetes mellitus(T2DM);Energy metabolism;Dysfunction;Fatty acids(FAs);Glucose; Mitochondrial function

R587.1

A

1003—6350（2017）12—1984—04

2017-02-04)

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.12.030

国家自然科学基金(编号：31171351)

林梦飞。E-mail：294268916@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1003-6350.2017.12.031