缺血后处理对糖尿病患者缺血再灌注心肌保护作用弱化机制的研究进展

李佳馨，王江

(新疆医科大学第一附属医院，乌鲁木齐830054)

心肌缺血/再灌注损伤是指心肌在长时间缺血基础上，若再灌注恢复其血流，心肌及相关组织器官功能的损伤反而加重，甚至会发生不可逆损伤[1]。糖尿病患者代谢异常及病理改变如冠状动脉(冠脉)闭塞、血管顺应性下降、微血管病变等，将导致心肌顺应性降低、收缩舒张功能障碍及心室肥厚、心肌纤维化等结构改变，更进一步导致其对缺血缺氧损伤的耐受性远低于正常心肌[2]。缺血后处理即在心肌持续缺血性损伤发作后，于再灌注前重复进行2～4次短暂(10～30 s)的局部冠脉缺血处理，从而在一定程度上保护冠脉内皮功能，限制心肌梗死面积，对正常心肌提供保护作用[3]。而本课题组前期研究显示，对于糖尿病缺血再灌注心肌，缺血后处理不能减少其心肌梗死面积发挥心肌保护作用[4]。现对糖尿病缺血再灌注损伤心肌缺血后处理保护作用弱化的可能机制综述如下。

1 糖尿病对心肌缺血再灌注损伤的影响

糖尿病是一种由高血糖和体内内源性胰岛素分泌或利用不足所致的代谢紊乱性疾病，是导致心血管疾病围术期并发症和死亡的高危险因素[5]。糖尿病缺血再灌注损伤心肌的病理改变包括毛细血管增殖与退化、微血管基底膜增厚、内皮细胞增生、血管周围及心肌间质纤维化并且毛细血管通透性增加，内皮间氧弥散减少。另有研究发现糖尿病患者较非糖尿病患者心肌缺血发生率高1.45～2.99倍，其可能与糖尿病患者冠脉闭塞程度大大增加且冠脉侧支循环建立受限，冠脉阻力增加灌流减少，血管顺应性下降，血流储备显著降低，存在明显的心肌微循环障碍有关[6]。上述病理改变会导致心肌广泛结构异常，甚至使心肌收缩与舒张功能不全。

高血糖引起线粒体功能损伤后导致线粒体能量代谢异常，氧化应激增强及活性氧(ROS)生成明显增加，影响线粒体膜的流动性和通透性转换，与此同时三磷酸腺苷(ATP)合成受阻将促进细胞凋亡及疾病发展。上述高血糖导致的病理变化将直接引起心脏组织缺血缺氧程度进一步加重，且心肌组织对此代偿性反应如增加周围血管血液供给、建立侧支循环的能力明显降低，导致其缺血再灌注损伤更为严重[7]。另有研究发现糖尿病患者心肌对缺血再灌注损伤的敏感性与正常心肌相比有一定程度增高，可能与高血糖所致的基础氧化应激增加、内源性抗氧化应激系统受损及过量ROS产生有关[8]。

正常人体内内源性胰岛素通过调节葡萄糖转运、糖酵解、糖原合成、脂质代谢、蛋白质合成及心肌细胞凋亡来调节心肌代谢。而研究证实糖尿病大鼠心肌和心肌细胞中胰岛素刺激作用降低，发生胰岛素抵抗现象，此可能是糖尿病患者心肌缺血再灌注后损伤增加的另一主要原因[9]。糖原合成酶激酶3β(GSK-3β)是一种抑制糖原合成的限速酶，可调节细胞增殖和凋亡，当2型糖尿病发生时，人体内GSK-3β的功能活性可出现异常增高，而其高表达很可能与胰岛素敏感性显著降低有关[10]。在正常生理状态下，胰岛素可通过磷酰肌醇脂-3激酶-丝氨酸/苏氨酸激酶(PI3K-Akt)信号传导通路调节葡萄糖的代谢，具体作用为PI3K/Akt信号传导通路通过使其下游信号分子GSK-3β的残基ser9磷酸化，抑制GSK-3β的活性，从而发挥抗凋亡作用[11]。然而，在糖尿病患者心肌中发生了胰岛素抵抗现象，使PI3K/Akt信号传导通路的活化受到一定程度的抑制，GSK-3β的磷酸化水平降低，从而上调GSK-3β的基因表达，诱导心肌细胞凋亡[12]。上述观点证实,与正常心肌相比,糖尿病患者心肌在其特有的病理改变影响之下，对于缺血再灌注的损伤更加敏感，因此针对糖尿病患者缺血再灌注损伤的保护措施就更加迫切且难以实施。

2 缺血后处理对糖尿病患者缺血再灌注心肌保护作用的弱化机制

缺血后处理是通过上调心肌对缺血再灌注损伤的耐受性，限制心肌梗死面积从而起到保护作用。但临床前期实验研究表明，在糖尿病心肌中发生的上述所提及的一系列结构及功能的改变，使得缺血后处理这一保护作用在糖尿病患者中受到一定程度的限制[5,13]。缺血后处理在正常心肌发生缺血再灌注损伤时诱发ROS、一氧化氮(NO)等释放，刺激相关信号通路与各个调控因子的表达，作用于最终靶效应器线粒体，由此在一系列过程中减弱了缺血再灌注损伤而起到心肌保护作用。但糖尿病的存在使缺血后处理这一心肌保护作用在前述触发、调控及最终效应阶段均受到不同程度的影响，缺血后处理保护作用弱化的机制很可能与下列分子机制相关。

2.1 心肌保护作用的触发 心肌缺血再灌注损伤时刺激内源性化学物质如ROS、NO及缓激肽等释放从而触发心脏保护作用。在缺血再灌注期间少量的ROS可通过细胞质激酶的氧化反应起到心肌保护的作用，但是若ROS产生过多或者抗氧化酶类活性下降，可引发链式脂质过氧化反应损伤细胞膜，进而导致细胞坏死与凋亡[14]。

NO是内皮细胞所分泌的血管舒张因子，因其可舒张血管、调节血压并参与免疫系统的防御功能，从而起到心肌保护作用[15]。NO在心肌缺血再灌注损伤时，舒张冠脉血管平滑肌，增加冠脉的血流量，降低心肌耗氧量，以提升缺血心肌的收缩能力，除此之外NO还具有保护内皮功能，抵抗中性粒细胞等重要作用。内皮素1(ET-1)是血管收缩因子，对冠脉有强烈的收缩作用，使其血流量减少加重细胞水肿，直接造成内皮细胞损伤，在缺血心肌组织中大量存在。而NO可抑制ET-1的分泌起到心肌保护作用，因此NO减少很可能是使心肌缺血再灌注损伤加重的重要机制。

而糖尿病患者ROS可更多地通过脂质代谢、葡萄糖自身氧化等途径产生，故其生成量大大增加。因此1、2型糖尿病患者心脏有可能存在线粒体肿胀变形、ROS生成明显增多及NO减少等现象，造成心肌肥厚、纤维化及左心室功能损伤。

2.2 心肌保护作用的调控

2.2.1 磷酰肌醇脂-3激酶-丝氨酸/苏氨酸激酶(PI3K-Akt)信号通路 糖尿病患者的心肌保护效应减弱与PI3K/Akt信号通路损伤及葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)的表达异常或易位相关。PI3K/Akt信号通路是一种细胞内信号传导通路，在细胞存活、生长、迁移等过程中发挥重要作用。研究表明，PI3K/Akt信号通路激活可调节心肌细胞的大小和存活，在缺血后处理中发挥着重要的作用，而糖尿病心肌缺血后处理的保护作用弱化，可能与PI3K/Akt信号通路功能障碍有关[16]。

糖尿病心肌细胞中磷酸化丝氨酸/苏氨酸激酶(p-Akt)表达逐渐减少，从而使PI3K/Akt信号通路介导的心脏保护作用受到抑制[17]。实际上多种激酶的异常磷酸化都是导致其缺血后处理的心肌保护作用失效的原因，如在糖尿病心肌中可能由于多种磷酸酶包括人第10号染色体缺失的磷酸酶-张力蛋白(PTEN)、MAPK磷酸酶及蛋白磷酸激酶-2C等增加，使蛋白激酶C(PKC)、细胞外调节蛋白激酶以及GSK-3β等磷酸化异常，以至于诱导细胞凋亡[18]。PTEN是PI3K/Akt信号通路中能拮抗PI3K作用的重要负调控因子，糖尿病患者持续高血糖和氧化应激状态导致PTEN的高表达，从而抑制PI3K/Akt信号通路的激活，由此将导致缺血后处理作用在糖尿病心肌中保护作用弱化。缺血后处理可通过降低非糖尿病心肌中PTEN的表达，激活PI3K/Akt信号通路起到保护心肌的作用，但缺血后处理并不能降低糖尿病心肌中PTEN的表达[19]。另外持续高血糖的状态也会诱导超氧阴离子的产生从而导致过氧亚硝基阴离子生成过量，过量的过氧亚硝基阴离子将阻断PI3K/Akt信号通路的正常调节，是缺血后处理对糖尿病心肌保护作用弱化的另一诱因[20]。此外，上述提到的NO亦是一种存在双重作用的自由基，如NO减少会导致心肌缺血再灌注损伤加重，而NO过量则可形成亚硝酸盐，损伤线粒体，降低心肌收缩能力，进一步加重心肌细胞脂质过氧化损伤[21]。

2.2.2 低氧诱导因子(HIF) 糖尿病缺血再灌注心肌应对上述微血管病变常见的代偿反应是缺血心肌组织产生某些诱导因子，通过与微血管内皮细胞上的特异性受体结合，向细胞内传递血管新生的信号，引起细胞DNA合成和有丝分裂反应，促使新的毛细血管网络形成，重建侧支循环以改善心肌血供。由此可见新生血管的建立与缺血后处理的心肌保护作用息息相关。

HIF是在心肌氧平衡中起关键作用的转录因子，可通过介导下游相关基因如血管内皮生长因子(VEGF)等的转录和表达，增加缺血心肌新生血管的生成，从而使机体对缺血、缺氧产生代偿性适应反应。VEGF与受体VEGFR1、VEGFR2结合可促进内皮细胞分裂迁移生成血管，增加血管尤其是微血管的通透性，增加心输出量降低外周阻力，愈合血管损伤细胞使内膜内皮化。若应用缺血后处理可激活HIF信号通路，使HIF-1α结合于VEGF这一基因的缺氧反应元件(HREs)上，进而介导下游的VEGF转录表达，促使局部缺血组织侧支循环建立，改善心肌缺血缺氧状态，从而缓解缺血症状[8]。而糖尿病心肌能量代谢紊乱，同时高糖状态影响心肌线粒体呼吸功能和呼吸链酶活性，在缺氧及高糖条件下HIF-1α信号通路受损表达减弱，VEGF及其受体显著减少，其缺血后处理的心肌保护作用亦受到影响[22]。

2.3 心肌保护作用的效应器 线粒体是心肌保护作用的重要效应器，为维持细胞内外离子梯度提供ATP，从而保证心肌细胞的完整性。有证据表明，在糖尿病患者中，缺血后处理通过调控信号通路的下游靶基因以及终末效应器所诱导的心肌保护作用受到严重破坏，缺血期缺乏氧气供应而抑制线粒体呼吸链的功能，诱导线粒体内膜去极化限制ATP的形成，再灌注初期Ca2+浓度升高mPTP通道开放，线粒体内外离子紊乱、基质肿胀致心肌不可逆损伤[23]。

2.3.1 线粒体ATP敏感性K+通道(mitoKATP) 在缺血再灌注时主要是线粒体内膜上的KATP通道激活而起到了重要的心肌保护作用。在正常心肌中，缺血后处理可以通过热休克蛋白将PKC的亚型PKC-ε介导进入线粒体内，而mitoKATP作为PKC-ε的下游重要靶点在此时激活开放，生成少量ROS发挥心肌保护作用，与此同时释放出的少量ROS又可正反馈激活PKC-ε形成一个有效的循环保护作用[24]。除此之外，mitoKATP的激活可以在一定程度下抑制线粒体通透性转运孔mPTP的开放，减少心肌梗死面积，发挥心肌保护作用[25]。

然而，研究发现高血糖使缺血后处理保护作用弱化的机制，可能与患者心肌细胞内的线粒体膜、细胞膜和肌浆网的功能明显失调，尤其是mitoKATP通道的受损紧密相关。高血糖这一改变可以更大程度的刺激PKC-ε进入线粒体，以激活mitoKATP产生比正常心肌更多的过量ROS，此时过量的ROS不再具有保护作用而是产生与之相反的损伤作用[26, 27]。另外，mitoKATP活性主要由ATP及葡萄糖代谢产生的ADP分子控制。当糖酵解被激活时，细胞内ATP/ADP比值越高mitoKATP越有可能关闭，而这一通道关闭也会导致缺血后处理的保护作用失效[28]。

2.3.2 线粒体通透性转运孔(mPTP) 糖尿病缺血再灌注损伤心肌中缺血后处理的保护作用失效，实验发现若应用缺血后处理的同时阻断或延迟mPTP开放，则缺血后处理的保护作用在一定程度上能够恢复，因此推测缺血后处理保护作用失效可能与mPTP相关[29]。临床研究发现，尽管糖尿病患者和非糖尿病患者的心脏组织总线粒体含量没有差异，但是其功能障碍方面却差异极大，而这一差异很可能是由于高血糖这一代谢应激因素所致[19]。在高血糖环境中，心肌组织中mPTP对Ca2+敏感性大大增加，而这一增加的敏感性与线粒体ROS的增加相关，ROS生成过量、Ca2+超载及心脏半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-9活性增加促进mPTP通道开放，水和溶质进入使线粒体外膜破裂释放细胞色素C和凋亡因子，导致基质严重肿胀、密度降低、嵴紊乱、空泡形成等诸多病理变化，进一步导致线粒体氧化应激和细胞凋亡，最终导致心肌严重的不可逆性损伤。

综上所述，心肌缺血再灌注损伤仍是目前临床存在的重要问题，尽管缺血后处理可起到良好的心肌保护作用，但越来越多的证据表明，在糖尿病状态下，缺血后处理的心肌保护作用受到很大程度的弱化。而其弱化机制很可能与ROS的过量释放、PI3K/Akt信号通路改变、HIF活性降低及线粒体功能障碍而致mitoKATP通道及mPTP的表达和活性改变等相关。因此针对上述机制改善缺血后处理对糖尿病缺血再灌注心肌的保护作用尤为重要。