氧化还原稳态与自噬在糖尿病心肌病中的研究进展

连燚沛，金海群，王旭，金利泰

氧化还原稳态与自噬在糖尿病心肌病中的研究进展

连燚沛，金海群，王旭，金利泰

325035 温州医科大学药学院临床药学系

糖尿病（DM）患者心肌细胞长期处于高糖环境下极易发生凋亡并导致心功能异常，诱发糖尿病心肌病（DCM）[1]。DCM 是糖尿病发病过程中最为严重的并发症，是糖尿病患者发病和死亡的主要原因之一[2]。近年来，心肌细胞自噬、心肌细胞内脂质积累、细胞信号转导、高糖诱导产生的晚期糖基化终末产物（advanced glycosylation end products，AGEs）和活性氧（ROS）以及糖尿病患者心脏中能量代谢的紊乱被认为是 DCM 的危险因素[3]，其中氧化还原稳态与自噬相互影响，且两者在 DCM 发展过程中起重要作用。本文将重点综述氧化还原体系及自噬对 DCM 的影响和保护机制，以及其作为 DCM 防治潜在治疗靶点的可能性。

1 氧化还原稳态概述

正常生理状态下，人体内氧化还原处于平衡状态，即氧化还原稳态。当机体处于一定应激状态下时，会引起氧化应激，体内氧化还原稳态将发生改变。氧化应激是指体内氧化与抗氧化作用平衡被破坏，氧化剂含量和抗氧化剂含量失衡，大量氧化中间产物产生，是引发各种疾病和机体衰老的重要原因之一[4]。细胞内氧化还原调控主要受谷氧还蛋白系统和硫氧还蛋白系统控制，其中硫氧还蛋白系统包括 NADPH、硫氧还蛋白和硫氧还蛋白还原酶，谷氧还蛋白系统包括 NADPH、谷胱甘肽、谷胱甘肽还原酶和谷氧还蛋白[5]。内源性抗氧化系统还包括 NO 以及一氧化氮合酶（NOS），NO 能够舒张血管，对心血管具有保护作用，但其属于自由基，一定程度损伤了心脏，内皮型一氧化氮合酶（eNOS）和神经元型一氧化氮合酶（nNOS）合成的 NO 对心脏具有保护作用，而诱导型一氧化氮合酶（iNOS）合成的 NO 对心脏具有损害作用[6]。此外，AGEs 也与氧化还原稳态有着密切关系。近年来人们对氧化还原调控系统的科学研究使得人们对机体内氧化还原稳态的作用及机制有了进一步深刻的认识与理解。

2 糖尿病心肌病与氧化还原稳态的联系

DCM 的患病率在糖尿病患者中占 12%，已受到临床研究者们的广泛关注[2]。现阶段的研究发现，氧化还原稳态的破坏与 DCM 的发病有着密切联系。

2.1 内源性抗氧化物质与糖尿病心肌病

糖尿病患者机体内氧化还原稳态被破坏，内源性抗氧化物质会发生一系列变化，研究表明机体内源性抗氧化肽肌肽和谷胱甘肽系统对内环境氧化还原稳态有着重要影响，是维持其稳态的重要组件[7]。有临床试验[6]通过收集糖尿病患者、糖尿病心肌病患者、体检健康者间的数据，比对分析各组间的资料，结果显示，DM 和 DCM 患者血清肌肽含量均下降，DCM 患者与对照组之间数据有显著性差异（< 0.05），该数据具有统计学意义，说明机体的氧化水平升高，血清中的抗氧化肽肌肽含量降低。实验数据还显示，DCM患者体内还原型谷胱甘肽（GSH）降低，氧化型谷胱甘肽（GSSG）升高，GSH/GSSG 比值降低，谷胱甘肽还原酶活性系数（GRAC）及谷胱甘肽硫转移酶（GST）等活性降低，表明机体抗氧化能力减弱，氧化应激增强，氧化还原稳态失衡。同时，DCM 组 NO 含量与对照组相比明显升高（< 0.01），DCM 组中iNOS活性和 H2O2含量明显提升（< 0.05），说明 NO 浓度和 NOS 活性与 DCM 形成有关。另有实验研究 DM 大鼠心肌细胞中的 NO 浓度和 NOS 活性改变对 DCM 形成的影响，结果显示链脲佐菌素（STZ）诱导的 DM 大鼠模型心肌细胞中的 NO 浓度和 NOS 活性明显升高，且该组大鼠心肌组织超微结构发生改变，且随实验时间的推进，心肌细胞内 NO 浓度越高，实验组大鼠心肌组织超微结构异常越明显，提示 DM 状态下 NOS 的过度表达使得 NO 含量升高是 DM 转变为 DCM 的重要因素[8]，这些都佐证了患者体内的氧化剂、自由基及氧化中间产物等物质的增加诱导机体氧化应激的增强，导致氧化还原稳态的失衡是 DCM 产生的重要机制。

2.2 NAD+/NADH 与糖尿病心肌病

近期研究进展表明糖尿病心脏的特点是“代谢刚性”状态，以脂肪酸摄取和线粒体氧化为主要能量来源，造成线粒体电子传递链缺陷。这些改变导致乙酰 CoaA/CoA 的比值升高，使得 NAD+/NADH 的比值降低，促进氧化还原稳态的破坏。NAD+是去乙酰酶、sirtuins 的共底物，是代谢和氧化还原信号的关键分子。研究发现 NAD 的补充或干预（卡路里限制）使 NAD+/NADH 恢复对减慢 DCM 发病进程有利[9]。因此，利用新的治疗策略调控 NAD+/NADH 氧化还原偶联是改善心脏线粒体代谢、缓解 DCM 的一个有据可依但尚未完善的靶点。

2.3 AGEs 与糖尿病心肌病

研究还证实，DCM 的发病还与长期受高糖环境影响，心肌细胞内 AGEs 含量上升有关[10]，AGEs 与内皮细胞表面糖基化终末产物受体（RAGE）结合激活 NADPH 氧化酶，导致 ROS 增加，氧化应激增加[11-12]，引起核因子-κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）活化，并使得一系列促炎细胞因子表达，iNOS活性上升[13-14]，同时 AGEs 会降低超氧化物歧化酶（SOD）的活性[15]，导致过氧化氢的大量积累，进一步诱导氧化应激，氧化还原稳态失衡，DCM加重。

2.4 其他

NADPH/NADP+氧化还原偶联物通过向谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统提供电子而在抗氧化防御中处于重要地位，这两个系统分别通过谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和硫氧还蛋白过氧化物酶（Prx）清除过氧化氢（H2O2）起到至关重要的作用[9]。

2.5 氧化还原稳态与糖尿病心肌病的治疗

目前 NAD+依赖性 sirtuins 已被研究作为 DCM 的治疗靶点。例如，白藜芦醇，一种知名的多元酚SIRT1 激活剂，通过激活 sirt1、2、3、5，改善临床受试者体内的葡萄糖代谢，降低心肌细胞的氧化应激，减缓1 型糖尿病和2 型糖尿病模型中 DCM 的发病进程[16-20]。

3 自噬的概述

自噬是一种溶酶体降解途径，对生存、分化、发育和内环境稳态的维持有着至关重要的作用。自噬主要起适应作用，保护机体免受各种疾病的侵袭，包括感染、癌症、神经退行性病变、衰老和心脏病。然而，在某些实验疾病环境中，自噬的作用可能是有害的。正常生理状态下细胞自噬较少，营养缺乏、缺血、缺氧、氧化应激等均能诱发自噬，使自噬增多。研究表明自噬的关键调控因子是雷帕霉素靶蛋白（mTOR），它是在生长因子和丰富营养素存在的情况下阻断自噬的主要抑制信号，主要受 PI3K/Akt 调控，I 型PI3K/Akt 信号分子连接酪氨酸激酶受体并激活 mTOR，抑制自噬起始蛋白（ULK）复合物的转录[21]，同时 FoxO 为自噬相关蛋白转录因子，Akt 可使 FoxO 转录因子磷酸化而失活，从而响应胰岛素和其他生长因子信号对自噬的抑制。除此之外，调控自噬的信号通路还有 Beclin-1 信号通路，该通路主要通过 BH3 结构域与 Bcl-2 基因结合来调控自噬的水平，Beclin-1 和 Bcl-2 结合减少，细胞自噬水平提高，结合增多，自噬减少[22-23]。其他一些控制自噬的调节分子包括 5'-amp 活化蛋白激酶（AMPK）、真核起始因子 2α（eIF2α）、肿瘤抑制蛋白 p53 等。

4 糖尿病心肌病与自噬的联系

4.1 自噬与1 型糖尿病心肌病

研究表明，自噬是糖尿病心肌病发生、发展过程中的关键角色。在1 型糖尿病心肌病模型中，虽然胰岛素可以作为信号分子激活 PI3K-Akt/PKB-mTOR 通路，能够抑制自噬，因而推测胰岛素缺乏使得1 型糖尿病心肌病患者细胞自噬应当增加[24]，但是 DCM 常伴随高糖血症、血脂异常等其他信号通路影响细胞自噬。Xie 等[25]在对1 型糖尿病 OVE26 小鼠（OVE26 小鼠是常用的糖尿病动物模型）的观察中发现，细胞自噬水平降低，同样的结果在 STZ 诱导的1 型糖尿病模型小鼠实验研究中得到证实[26]。研究者还观察发现在 OVE26 小鼠模型中，AMPK 含量显著下降，表明 AMPK 抑制有可能降低自噬并导致心功能进一步恶化[27]。在使用二甲双胍药物治疗后，AMPK 激活，小鼠心肌细胞自噬明显增强，心功能损伤减轻，而在 AMPK 敲除的对照小鼠身上并未出现此类现象[28]。因此推测 AMPK 活性降低将导致自噬减少，心功能异常，引发1 型糖尿病心肌病。机制可能为活化的 AMPK 激活 c-Jun 氨基末端激酶（JNK），使 Bcl-2 磷酸化，Beclin 与 Bcl-2 的诱导分离，使其与 Vps34 结合形成复合产物，促进细胞内自噬泡的形成[27]。研究显示 AMPK 能调控 FoxO 表达，从而控制自噬相关基因转录，以及通过磷酸化自噬起始蛋白 ULK1，使其激活并诱导自噬。研究还表明，通过 TSC1/2 复合物的磷酸化，Beclin 借此可被 AMPK 直接磷酸化，诱导自噬[29]。AMPK 也可通过概述中所说的 I 型 PI3K/Akt 激活 mTOR 通路，调控机体自噬[30]。总之，AMPK 抑制导致的自噬减少，心功能损伤，在1 型糖尿病心肌病发病过程中有着至关重要的影响。

4.2 自噬与2 型糖尿病心肌病

在目前对于2 型糖尿病心肌病的研究中，研究者们对于小鼠心肌细胞自噬情况的看法不尽相同。Mellor 等[31]在研究果糖喂养 12 周的 C57B1/6 小鼠中发现其 LC3-I 向 LC3-II 的转化增加，Beclin 蛋白表达明显上调以及 p62 蛋白的减少，这些反映了实验小鼠心肌细胞自噬增加并伴有心功能的损伤，在检测到上述自噬标志物上调的同时，还检测到 Akt 含量的下调，推测其机制可能为 Akt 下调抑制PI3K/Akt 通路使得心肌组织自噬增加。但 French 等[32]在对 60% 高脂饮食诱导的2 型糖尿病心肌病小鼠模型的研究中发现，实验组小鼠心肌细胞自噬水平并未发生明显的改变。2 型糖尿病心肌病小鼠心肌细胞自噬情况的差异猜测是由于不同饮食干预过程中脂质水平和碳水化合物水平差异导致的，也有学者认为动物模型的不同以及实验时间的不同也会导致不一样的结果[27]。因此2 型糖尿病心肌病中的自噬情况还需进一步实验研究与佐证。

4.3 自噬与糖尿病心肌病的治疗

用二甲双胍药物治疗1 型糖尿病心肌病小鼠模型，AMPK 激活，并通过一系列通路增加自噬，恢复由自噬减少引起的心功能异常，减缓了1 型糖尿病心肌病的发病进程，使用亚铁血红素加氧酶（HO）也有类似作用。对于2 型糖尿病心肌病，有研究表明在相应动物模型中使用低水平的雷帕霉素使得 mTOR 表达受到抑制，心肌细胞自噬增加，心功能得以改善。虽然自噬增加能使受损的心肌得到一定的保护，但自噬增加也将带来脂毒性，对机体造成更大的损伤，因此，有学者认为上述方法的治疗机制可能是通过其他途径实现对心肌的保护作用而并非自噬，具体的治疗机制与治疗方法还有待进一步的探索与完善。

5 氧化还原稳态、自噬与糖尿病心肌病的关联

氧化应激可通过上调 ERK/JNK-P53 通路诱导自噬[33]，共同影响 DCM 的发病过程。研究已经证实AGEs/RAGE 与自噬、氧化还原稳态有所关联。上文提到糖尿病心肌病患者体内生成 AGEs 的过程中会导致氧化应激的增加，而 AGEs 与 RAGE 的结合也可促进氧化应激，使得体内 ROS 过度积累，体内氧化还原稳态遭到破坏，导致 DCM 加重。研究还表明 AGEs/RAGE 结合是以一种剂量依赖和时间依赖的方式使得 ERK、JNK、P38/MAPK 磷酸化而激活，但抑制了 Akt 的活化，而用 ERK 抑制剂和 Akt 激活剂预处理后发现机体自噬水平下降，猜测 AGEs 通过 ERK 和 Akt 信号通路诱导自噬[33]。

白藜芦醇通过激活 sirt1、2、3、5，减轻了1 型糖尿病和2 型糖尿病模型中的 DCM，降低了氧化应激。另有研究表示，白藜芦醇还可通过调节 Sirtuins 蛋白与 FoxO1 转录因子，促进细胞自噬并抑制心肌细胞的氧化损伤[34-35]。在2 型糖尿病心肌病的治疗过程中发现，雷帕霉素的使用增加了自噬的同时减少了一系列由氧化应激产生的蛋白质，恢复了一部分氧化还原调控系统，减缓了氧化还原稳态的失衡，对心功能的改善有一定的作用[36]。

6 问题与展望

氧化还原稳态与自噬维持着机体的生理平衡，在病理状态下也发挥着至关重要的作用，是机体重要的自我保护机制。自噬与氧化还原稳态在糖尿病心肌病发病过程中有一定的相互作用，它们对疾病进展的贡献却又各不相同。目前氧化还原稳态与自噬对糖尿病心肌病保护及损伤作用的机制仍有部分尚不明确，例如现有研究还未能完全解释2 型糖尿病心肌病中自噬程度以及结果不一致的现象，自噬对机体影响缺少合理的定量化标准，氧化应激激活自噬的机制还有待进一步证实与探索，因此，相关药物的治疗也仅仅是涉及小部分氧化应激或是自噬，并未完全针对两者做出调节，且治疗机制尚未完全明确，相关研究还停留在实验室阶段，如何适时适量干预调控氧化还原信号与自噬信号来预防和治疗 DCM 或将成为未来研究的主要方向，相信不久的将来氧化还原稳态与自噬对糖尿病心肌病保护及损伤作用的机制将彻底明了，上述问题得以阐明，这将为今后临床治疗或预防 DCM 提供新的思路以及更多重要的理论依据。

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10.3969/j.issn.1673-713X.2019.05.010

国家自然科学基金（81600304）；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划（2018R 413040）

金利泰，Email：jin_litai@126.com

2019-05-05