糖尿病心肌纤维化研究进展*

张 毅，李妍菲

(1.湖北科技学院医药研究院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100；2.湖北科技学院附属第二医院)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一种常见的代谢障碍疾病，主要由遗传因素和环境因素共同作用诱发。近年来，在全球范围内其发病率逐渐增加，2011年全球大约有3.65亿DM患者，预计到2035年将有5.92亿人口患糖尿病[1]。心血管系统疾病是糖尿病患者的主要死因，糖尿病心肌病(diabetic cardio myopathy，DCM)是糖尿病的主要并发症之一，表现为心肌细胞的肥大，间质的纤维化，心肌微血管病变等病理改变，并伴随着心肌结构和功能的改变，如：左心室室壁厚度增加、心肌肥厚及纤维化、舒张功能下降、心室壁弹性降低等。

糖尿病心肌纤维化(myocardial fibrosis，MF)作为心脏重塑的一种明显结构特征，主要发生在糖尿病心肌病的晚期，是最常见且严重的糖尿病心血管并发症，表现为心肌成纤维细胞(cardiac fibroblasts，CFs)的过度增殖、胶原纤维过量积聚、各型胶原成分发生改变，比例失衡等。我们将从发病机制、传导机制及分子水平等方面对MF的研究现状作如下综述。

1 糖尿病心肌纤维化的发病机制

1.1 高血糖

高血糖症被认为是糖尿病心肌病的关键始动因素，机体在高血糖情况下葡萄糖的清除率降低，增加糖异生，在糖尿病性心肌病发病机制中起重要作用，同时高血糖持续时间和心肌纤维化的严重程度呈正相关。慢性高血糖可以通过电子传递链生成过量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)诱导心肌细胞的凋亡，还可以通过直接激活心脏成纤维细胞的增殖以及间接激活NADPH氧化酶活性，增加血管紧张素Ⅱ的产生并增加氧化应激来促进糖尿病心机纤维化[2]。

1.2 肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)的激活

肾素-血管紧张素-醛固酮系统在机体的神经内分泌系统中占据着不可或缺的地位，对维持和改变心肌结构有着重要作用，并且与MF有密切联系。RAAS系统的激活是心肌纤维化形成的重要病理机制。高糖激活心脏局部RAAS系统，使其以多效应方式发挥作用。其中，血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)和醛固酮(Ald)是最重要的导致心肌纤维化的两种物质，在心肌纤维化的形成过程中，可分别通过不同的信号通路发挥作用[3]。

AngⅡ刺激血管紧张素受体Ⅰ直接作用于心肌细胞和心肌成纤维细胞，使胶原合成增多，分解减少，导致胶原合成降解网的失衡，从而引起心肌肥厚和纤维化。醛固酮是独立于AngⅡ的心肌纤维化危险因素，通过与盐皮质素受体结合形成激素受体复合物，从而激活相关信号分子通路，最终合成多种醛固酮诱导蛋白，导致CFs增殖，引起心肌间质及周围血管的纤维化，从而发挥心肌纤维化效应。

1.3 转化生长因子-β1(TGF-β1)

TGF-β1是机体正常组织向纤维化发展过程中起主要作用的细胞因子。心脏中TGF-β1主要由心肌细胞和成纤维细胞合成，对心肌具有多种作用。持续性高血糖、胰岛素抵抗和高胰岛素血症等代谢紊乱均可刺激TGF-β1分泌。TGF-β1可使心肌成纤维细胞I型、Ⅲ型胶原产生和分泌增加，诱导心肌纤维化[4]。

1.4 胰岛素样生长因子-1(IGF-1)

相关研究表明，在糖尿病动物中IGF-1表达下调，会引起心肌收缩减弱、射血容积减少以及心输出量降低等问题。而外源性IGF-1可以使这些问题得到改善。同时，有实验证明IGF-1通过与受体结合并激活磷酸化，然后与PI3K结合并激活下游信号分子AKT，进而激活抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，从而抑制心肌细胞的凋亡。

1.5 结缔组织生长因子(CTGF)

CTGF是一种由349个氨基酸组成，分子量为34-38KD的富含半胱氨酸的分泌肽。机体在正常情况下，体内的CTGF表达很低或无表达。而在糖尿病模型中，CTGF的表达显著增加。CTGF与血管、心脏、肾脏等多组织器官纤维化发生发展密切相关。相关研究指出[5]，在糖尿病大鼠心肌病模型中，PKC-2被激活，从而导致CTGF的表达明显增加。

1.6 肿瘤坏死因子(TNF-α)

TNF-α是一种具有广泛生物学效应的促炎细胞因子，参与各种心血管疾病的病理生理过程。在小鼠模型中，TNF-α的过表达可能导致心脏重塑、总基质金属蛋白酶活性的升高和纤维化的加重。抑制TNF-α可能通过降低糖尿病心肌病的细胞外信号调节激酶(ERK)磷酸化而保护心肌炎症和心肌纤维化[6]。

在糖尿病模型中，心肌组织TNF-α的表达明显增加，同时TNF-α可诱导原癌基因c-myc和c-fos的mRNA表达，刺激心肌成纤维细胞增殖，引起心肌间质胶原堆积，最终导致心肌纤维化。

1.7 血管内皮生长因子(VEGF)

在生理和病理条件下，VEGF为新生血管形成的主要介导物质，研究表明下调糖尿病小鼠心脏的VEGF可导致TGF-β1、CTGF、CollagenⅠ等纤维化相关因子的表达上调。

1.8 基质金属蛋白酶(MMPs)

心肌纤维化的发生与胶原的过度增生密不可分。正常情况下，心肌间质胶原合成代谢不断更新，既有新生，又有降解，二者保持一定的动态平衡。MMPs是参与胶原降解的一类重要的酶，高糖可直接阻碍MMPs的活化。研究表明[7]2型糖尿病大鼠心肌胶原纤维显著增多，无论是核酸水平、蛋白水平还是酶活MMP-2的表达都显著降低。由此可见，当MMP-2对胶原的降解作用被削弱，导致糖尿病大鼠心肌胶原蛋白过度沉积，最终导致心肌纤维化的发生。

1.9 过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)

PPARγ是一种细胞核激素受体，同时也是一种转录因子。研究发现，PPARγ可以通过介导减少巨噬细胞浸润从而减轻心肌纤维化。李欣等[8]采用了PPARγ的激活剂和抑制剂以及细胞外信号调节激酶(ERK)的抑制剂，证明激活PPARγ可以减轻糖尿病心肌纤维化，而抑制PPARγ则加重心肌纤维化。同时抑制ERK也可减轻心肌纤维化，由此可以说明，PPARγ被激活后减轻糖尿病心肌纤维化的主要作用机制是通过抑制TGF-β1/ERK相关通路发挥作用的。

1.10 内皮素(endothelin，ET)

ET不仅存在于血管内皮，也存在于其他组织器官中，是迄今所知最强的缩血管活性肽。在心脏中，主要由心肌细胞和成纤维细胞合成并分泌，可导致心脏成纤维细胞的增殖、胶原过度合成、一氧化氮生物活性降低，最终引起心脏功能异常。相关研究表明，在糖尿病大鼠模型中，高血糖引起ET受体上调，使得ET受体介导纤维连接蛋白表达增加。因此，使用ET受体拮抗剂、ET抗体或ET阻断剂可抑制心肌成纤维细胞的增殖，从而抑制心肌纤维化。

2 糖尿病心肌纤维化的信号传导机制

2.1 肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)的激活

糖尿病可以激活RAAS系统，而心脏局部RAAS的活性增加可诱导心肌成纤维细胞促纤维化以及心肌细胞功能异常。在糖尿病实验模型中可检测到心肌血管紧张素Ⅱ水平的升高及血管紧张素Ⅱ1型受体(AT1)的增加，而抑制血管紧张素信号通路可以减少胶原沉积，降低血管周围的纤维化水平，同时也降低TGF-β的表达。研究表明AT1阻滞剂可以抑制糖尿病模型中的纤维化水平，这也说明血管紧张素Ⅱ在糖尿病中的促纤维化作用是通过AT1信号途径介导的。

在糖尿病模型中，有三种血管紧张素Ⅱ介导糖尿病心肌纤维化的信号传导机制。第一，血管紧张素介导的AT1信号激活TGF-β/Smad信号通路与非Smad依赖信号通路；第二，血管紧张素Ⅱ通过诱导TGF-β受体内皮因子(Endoglin)的表达而加重血管紧张素Ⅱ的反应；第三，AT1的活化导致糖尿病心肌细胞中ROS的产生，促进成纤维细胞活化[9]。

醛固酮也可能是血管紧张素介导的心肌纤维化的重要下游效应器。实验表明[10]，在I型糖尿病大鼠模型以及饮食诱导肥胖的小鼠模型中，醛固酮的拮抗作用可减轻纤维化。同时，临床研究也支持醛固酮信号在糖尿病和肥胖相关心肌纤维化中的重要作用，在一项前瞻性随机对照临床研究中，对无其他并发症的肥胖患者进行6个月的醛固酮拮抗剂螺内酯治疗，结果显示这些接受治疗的肥胖患者中胶原合成相关的血清学指标降低，并且心肌顺应性和舒张功能得到改善[11]。

2.2 促炎细胞因子

促炎细胞因子可调节成纤维细胞的表型，并参与心肌纤维化导致的心衰的发病机制。在心肌成纤维细胞中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)刺激诱导胶原细胞增值，促进胶原合成，而IL-1β可延缓心肌成纤维细胞的转化，上调基质降解的促炎成纤维细胞表达[12]。

2.3 转化生长因子-β(TGF-β)

TGF-β是一种高度多向性介质，广泛参与组织纤维化的发病机制。TGF-β1通过诱导蛋白酶抑制剂的合成，介导成纤维细胞的转分化，刺激基质转录。研究表明[13]，无论在1型糖尿病模型和2型糖尿病模型中，TGF-β在心肌组织内表达均增加，并与心肌纤维化有关。TGF-β的诱导可能通过血管紧张素Ⅱ的激活来介导，也可能涉及高糖和瘦素对TGF-β的转录、分泌和激活的直接作用。

TGF-β的促纤维化作用可能同时涉及Smad依赖性和非依赖性途径。对2型糖尿病小鼠模型的研究表明[14]，敲除Smad3可减少心肌纤维化，改善心肌顺应性，减轻心肌氧化应激。

2.4 氧化应激

活性氧簇(ROS)的产生与心肌纤维化的发病机制密切相关，细胞质和线粒体主要通过4种酶的催化而产生ROS：线粒体呼吸链、NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)、黄嘌呤氧化酶和内皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthases，eNOS)。细胞内同样存在一系列具有抗氧化作用的酶，主要包括血红素氧化酶-1(hemoxigenase-1，HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、还原型谷胱甘肽(reduced glutathione，GSH)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)和过氧化氢酶。这些酶可以清除ROS的产生，从而使ROS的产生和降解处于动态平衡。

研究表明在1型和2型糖尿病模型中氧化应激均加重，心肌谷胱甘肽氧化增加，脂质过氧化水平升高。在糖尿病模型心脏中，ROS的线粒体生成明显增加，并与脂质和蛋白质的过氧化有关。高血糖和胰岛素抵抗也会增加糖尿病动物心肌ROS的生成。因此，通过降低氧化修饰水平或抑制氧化应激可以减轻心肌间质和血管周围纤维化水平，从而减轻心肌细胞增生和心肌细胞肥大，减少舒张功能障碍[15]。

2.5 基质细胞蛋白作用

心肌细胞损伤后，细胞外基质通过沉积细胞外蛋白而富集。基质细胞蛋白包括凝血酶素(TSPs)、黏合素C和X、骨膜蛋白、骨连接蛋白和骨桥蛋白。在心脏重塑过程中，骨膜蛋白被诱导，参与并调节炎症、纤维化和血管生成反应[16]。

研究发现高糖引起TSP-1的表达上调，并在糖尿病、肥胖和代谢紊乱的动物模型和人类患者中持续升高。TSP-1具有促进糖尿病心肌基质的保护作用，同时通过对血管生成素Ⅱ合成的影响而对糖尿病小鼠毛细血管发生作用。因此，TSP-1可能介导糖尿病心肌的纤维化以及血管损伤[17]。

3 microRNA与糖尿病心肌纤维化

microRNAs(miRNAs)是一种由20-23个核苷酸组成的非编码小RNA，它们通过抑制mRNA翻译或促进mRNA降解而成为基因表达的天然调节因子，在体内几乎参与了所有的细胞反应，越来越多的实验表明miRNAs在心肌纤维化中起着关键作用。miRNAs具有多种靶点，包括细胞因子、生长因子、细胞外基质蛋白、蛋白酶和基质大分子。对糖尿病小鼠模型心肌中的miRNA进行研究，结果表明[18]，多个miRNAs参与纤维化的发病机制，在心肌纤维化中起着关键作用。

3.1 miR-21

miR-21在心脏、肾、肝、肺等多器官纤维化中起着重要的作用，因此，受到了广泛的关注。其中在心肌成纤维细胞中，与正常组相比，高糖模型组的miR-21表达显著增加。研究表明[19]，在小鼠心肌梗死模型中，miR-21通过抑制缺血区TGF-β受体Ⅲ的活性，激活TGF-β/Smad通路，促进胶原的合成，促进成纤维细胞向病理性肌成纤维细胞分化。而且miR-21水平的变化与在纤维化过程中关键标记物CollagenⅠ和纤维连接蛋白的改变表现出相关性。

3.2 miR-29

miR-29家族包含miR-29a、miR-29b和miR-29c三个成员，在心肌纤维化过程中，miR-29也起着关键作用。研究表明[20]miR-29不仅对TGF-β传导的纤维化通路起抑制作用，而且还可以直接抑制多种细胞外基质蛋白的表达。通过尾静脉注射技术向糖尿病心肌纤维化小鼠模型注射miR-29的抑制剂，然后检测纤维化相关基因的表达，结果发现表达显著降低，进一步说明miR-29与细胞外基质蛋白的表达密切相关。同时，miR-29b对CollagenⅠ、MMP以及CTGF的表达具有负向调控作用，从而调控心肌纤维化。

在糖尿病心肌纤维化小鼠中，与正常组相比miR-29c的表达显著降低，纤维化相关蛋白如胶原蛋白及纤连蛋白等表达升高。给予治疗后，miR-29c的表达增加，纤维化相关蛋白表达降低，说明miR-29c在心肌纤维化中起着关键作用[21]。

3.3 miR-133

在心肌组织中，miR-133表达丰富，其可通过抑制细胞外基质蛋白表达，从而抑制心肌纤维化。研究发现[22]，通过沉默心肌细胞和心肌成纤维细胞的miR-133，可以使CTGF的表达增加。而过表达miR-133后，CTGF表达显著降低。进一步研究发现，与正常人相比在心脏病患者中，miR-133呈下调趋势，同时心肌细胞中CTGF及细胞外基质的表达增加，进而促进心肌纤维化的形成。

3.4 miR-208

miR-208是一种与心肌肥大和纤维化相关的miRNA，具有心肌表达特异性并且在激素调节的心肌生长中起重要作用。miR-208是肌球蛋白miRNA家族中的一员，分为miR-208a和miR-208b两个亚型。当心脏负荷过大时，miR-208可以调控肌球蛋白重链(myosin heavy chain，MHC)向β-MHC转化，使β-MHC表达增加，进而促进心肌细胞增生，导致心肌纤维化。

研究表明[23]心肌梗死后，miR-208表达量增加，内皮糖蛋白的表达增加，进而诱导心肌梗死后的纤维化。而给予降脂药治疗后，内皮糖蛋白的表达受到抑制，心肌梗死后的心脏纤维化得到缓解。

4 总结与展望

糖尿病心肌纤维化是导致心脏衰竭和心律失常发生的主要原因之一，其发病是一个复杂的病理过程，诸多因素如肾素-血管紧张素-醛固酮系统、心肌细胞凋亡、信号传导系统和microRNA等都参与了糖尿病心肌纤维化的发生发展。

目前对参与心肌纤维化发病机制的信号通路及分子机制的了解仍然有限，针对糖尿病心肌纤维化的有效治疗方法仍然欠缺。因此，需要对激活心脏间质成纤维细胞的糖尿病相关分子信号进行深入研究，对糖尿病心肌纤维化发病机制的相关因素进行调控、干预。

随着对糖尿病心肌纤维化研究机制的深入，将为糖尿病性心肌病的预防、治疗提供新视野，为临床提供更好的治疗手段，对于提高糖尿病心肌纤维化病患者生命质量具有重要的社会价值。