心血管疾病中脂毒性的机制研究及中医药防治进展

田 雪，邵明燕，马 林，江艳艳，姜茜茜，孙乾斌，王晓平，王 伟，李 春，王 勇

心血管疾病已成为影响人类生命与健康的主要疾病之一，近年来，我国心血管疾病患病率及病死率处于上升阶段，而脂毒性作为心力衰竭(heart failure，HF)的重要发病因素已引起临床广泛关注[1]。心脏是一个高耗氧、高耗能、高代谢率的器官，需大量能量维持其正常的生理功能以及代谢需要。健康心脏中，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的高产量和高周转率是维持心脏收缩力，将血液和氧气输送到其他器官的关键[2]，其中在供氧充足的情况下，成人心肌细胞50%～70%的能量来源于脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)[3]。摄取到心脏的脂肪酸(fatty acid，FA)主要是被氧化或以三酰甘油(triacylglycerol，TG)的形式存储。当供氧不足时，心脏底物的利用和能量代谢发生变化，导致FA的摄取和氧化失去平衡，引发细胞内的脂质过量积累，脂质在非脂肪组织中积累而产生有害作用，被称为脂毒性[4]。

1 心脏FA代谢

正常生理情况下，心脏需要消耗大量的ATP，每天泵出7 000 L以上的血液满足机体需要。ATP的来源为FA、葡萄糖、乳酸、酮体和氨基酸的氧化。其中FAO是能量生产过程中主要的组成部分，占心脏ATP生成的50%～70%[5]。FA的利用非常复杂：包括FA的摄取、游离脂肪酸(free fatty acids，FFA)转化为FA-辅酶A(CoA)、FA在TG中的储存、TG脂解、FA向线粒体的转运、β氧化、ATP生成的氧化磷酸化[6]等过程。FA

供应主要来源于与白蛋白结合的FFA、乳糜微粒(chylomicron，CM)、极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)中TG释放的FA，正常循环中FFA浓度在0.2～0.6 mmol/L[7]。在心肌细胞胞质中，FA首先在脂肪酸脂酰辅酶A合成酶的催化下转化为脂肪酸酰基辅酶A(FA-acyl-CoA)，此后，75%的FA-acyl-CoA经过肉毒碱棕榈酰转移酶-1(carnitine palmitoyl transterase-1，CPT-1)、肉毒碱棕榈酰转移酶-2(carnitine palmitoyl transterase-2，CPT-2)被转运至线粒体中，通过脱氢、加水、再脱氢、硫解的β氧化过程，生成乙酰辅酶A(Acetyl-CoA，ACC)。乙酰辅酶A进入三羧酸循环，经过氧化磷酸化作用最终生成水和二氧化碳，释放大量的ATP，70%～90%的能量用于心肌舒缩，25%的FA-acyl-CoA作为TG储存在脂质液滴(lipid droplet，LD)中，以备后续氧化。TG是机体储存能量的主要形式，其合成与分解是调节能量平衡的主要环节，同时TG的过量累积被认为是心血管疾病的危险因素之一[8]。TG从头合成是由FA在甘油-3-磷酸(Glycerol-3-phosphate，G3P)的sn-1和sn-2位点酯化生成磷脂酸(phosphatidic acid，PA)；随后磷脂酸被磷脂酸磷酸酶催化去磷酸化，产生甘油二酯(diacylglycerol，DAG)；最后，甘油二酯酰基转移酶(diacylglycerol acyltransferase，DGAT)催化DAG的酰化反应生成TG，并将其沉积于胞质的脂质液滴中[9]。心脏TG池随着不同的生理状况(如肥胖、糖尿病、饥饿和运动)而动态增加或减少。TG的完全分解依赖于不同的脂解酶和共激活剂。脂肪三酰甘油脂肪酶(adipose triglyceride lipase，ATGL)是心脏中主要的脂解酶，它的缺失会导致TG在心脏内异常积聚，进而导致HF和过早死亡[10]。其次，心脏中另外两种酶：激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase，HSL)和单酰基甘油脂肪酶(monoglycerid lipase，MGL)，也参与TG的分解而释放FA。研究表明，FAO维持心脏的基本能量需求，同时使FA总吸收率与氧化率相匹配[11]。FA摄取与氧化的失衡会导致心脏出现胰岛素抵抗，诱发心肌细胞凋亡并引起心脏收缩功能障碍。

2 脂毒性和潜在的脂毒性物质

2.1 脂毒性 脂毒性最初是由Roger Unger团队率先提出，用于描述胰岛的脂质超负荷如何引起大鼠胰岛β细胞功能抑制和2型糖尿病发展。目前研究发现，除脂肪细胞以外的其他类型细胞(所谓的“异位”细胞)中过多的脂质蓄积，会引起严重的细胞功能障碍，并最终引发凋亡性细胞死亡[12]，当这一过程发生在心肌细胞时，会造成心功能障碍和HF[13]。同时心脏功能障碍导致的FAO减少，进一步促进了FA的摄取和氧化之间的失衡，导致包括TG在内的FA衍生物的积累，例如DAG、神经酰胺[14]。DAG和神经酰胺是脂质代谢中的第二信使物质，常与心功能受损相关[15]，进而导致线粒体功能障碍、细胞凋亡等。在衰竭心肌中毒性脂质中间体水平升高，揭示了心脏脂质代谢受损引发的脂毒性是导致HF的重要原因之一[16]。

2.2 潜在的脂毒性物质

2.2.1 神经酰胺 神经酰胺作为神经鞘磷脂的基本单位，是细胞膜的组成部分之一，同时也是脂质代谢中的第二信使物质，其通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPK)、P53、蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)等多种途径调节细胞的生长、增殖、分化及凋亡[17]。同时神经酰胺被认为是调节细胞能量代谢的潜在脂毒分子之一[18]，与心肌细胞自噬、细胞凋亡、充血性HF和糖尿病性心肌病的发展有关，表明神经酰胺在心肌细胞稳态和心脏病生理过程中发挥重要的作用[19]。有研究表明，在心肌缺血、缺血再灌注、HF动物模型以及人类的心肌疾病中，神经酰胺会在心肌中积累，病人在HF的不同阶段，其心脏和循环中神经酰胺水平均有不同程度的升高，因此，推测神经酰胺参与了HF的过程[20]。神经酰胺类似物可通过抑制线粒体复合物Ⅲ的辅酶Q，增加线粒体呼吸链中电子漏，提高细胞内氧离子，进而激活大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)的产生。反过来，ROS也会促进神经酰胺的进一步合成，加重神经酰胺的有害作用[21]。有研究发现，神经酰胺水平升高是通过线粒体依赖性细胞色素释放途径介导的，直接应用神经酰胺或通过细胞因子介导的鞘脂代谢激活增加神经酰胺合成可以诱导心肌细胞凋亡[22]。

2.2.2 DAG DAG是另一种可以介导FA诱导毒性的脂质，DAG与骨骼肌和肝脏的胰岛素抵抗密切相关。DGAT可以结合脂肪酰基辅酶A，将有毒的DAG转化为TG。 DGAT有2个同工型(DGAT1和DGAT2)[23]。DGAT1的过表达可以减少心脏中的DAG，增加TG存储，并改善某些形式的心脏脂质诱发的毒性。小鼠心肌细胞选择性地敲除DGAT1会发生脂质异常并引起HF。临床研究中，严重HF病人心脏组织中DGAT1表达降低，并且发生了DAG的积累[24]。DAG是有效的脂质第二信使，可以激活蛋白激酶C，并磷酸化各种底物蛋白，产生相应生物学效应，其中蛋白激酶Cβ在心肌中过表达可以导致心肌病，其病理特征表现为心肌细胞肥大、坏死和间质细胞外基质的扩张[25-26]，这表明DAG过度激活蛋白激酶Cβ会导致心脏功能障碍和重塑。在高血糖条件下，蛋白激酶Cβ可以通过核转录因子(nuclear factor kappa B，NF-κB)激活心肌炎性因子[如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)]和肥大细胞因子。使用蛋白激酶Cβ过表达的转基因小鼠研究发现，蛋白激酶Cβ特异性激活会导致心肌细胞死亡、营养不良性钙化、肥大、纤维化和血流动力学功能障碍，从而增加死亡率[27]。在一项高脂饮食喂养大鼠的研究中发现，高脂饮食会增加雄性大鼠的蛋白激酶Cβ2活化，从而导致心脏肥大[28]。

3 脂毒性与心肌损伤相关机制研究

心肌细胞优先利用FA满足其高能量的需求，表明了FA代谢在心脏中的重要性[29]。在多种疾病状态下，心肌细胞出现的FA代谢异常，导致FA氧化和摄取之间失衡，加重毒性脂代谢中间产物积聚，大量脂质积聚可诱导程序性细胞死亡，进而促成HF的发生与发展[30]。目前关于心肌脂毒性的机制已成为研究的热点。

3.1 内质网应激 内质网(endoplasmic reticulum，ER)对调节钙稳态，脂质代谢和蛋白质的合成，翻译后修饰和运输非常重要。众多的病理性细胞刺激往往会引发未折叠蛋白和错误折叠蛋白在胞内累积，从而引起内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[31]，ERS是诱发HF中脂毒性的潜在机制之一。脂质代谢的异常通常会激活ERS，进而介导脂质蓄积最终引起心肌细胞功能障碍。有研究表明，极低密度脂蛋白受体(VLDLR)诱导的缺血性心脏脂质蓄积，进而激活ERS导致细胞凋亡[32]。另有研究表明，小型猪心肌缺血模型中细胞内胆固醇酯水平升高会激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)和ERS并伴有心肌功能障碍[33]。在小型猪心脏梗死区发现神经酰胺蓄积、炎症和ERS。以上结果表明，脂质的蓄积是心肌缺血后发生代谢紊乱的主要表现之一，缺血后使心肌中脂质水平正常化可能会改善心肌功能。棕榈酸通过引起氧化应激、破坏线粒体和增加ERS诱导心肌脂毒性。在棕榈酸酯诱导AC16细胞(一种人类起源的心肌细胞系)的ERS模型中，棕榈酸酯可明显升高细胞内ERS标志物的表达，如ATF3、CHOP等[34]，表明棕榈酸酯在心肌细胞中成功地诱导内质网应激。此外，棕榈酸酯还通过抑制脂肪酸的螯合(作为危害较小的TG脂质小滴形式)，在心肌细胞中诱导ERS介导的脂毒性。当人心肌中过氧化物酶体增殖剂激活受体(PPAR)γ或长链酰基辅酶A合成酶1(long-chain acyl-CoA synthetase 1，ACSL1)诱导中性脂质存储时，棕榈酸酯处理后ERS标记基因的表达水平明显降低[35]。最新证据表明，饱和脂肪酸(如棕榈酸酯)的脂毒性作用还可能与其过量掺入膜结构(如内质网)有关[36]。

3.2 线粒体功能障碍、活性氧的大量产生 线粒体是细胞内复杂的相互连接的细胞器，在不同的细胞类型中显示出特定的形态和分布。在心肌细胞中，线粒体活性在机体细胞供能以及调节钙稳态、细胞凋亡、活性氧产生、机体的氧化还原反应中起关键作用[37]。在心肌细胞中过表达ACSL1的转基因小鼠模型，心肌FA摄取增加导致线粒体结构重塑，研究结果证明了心肌脂质超负荷会诱导线粒体活性氧的产生，进而改变动力相关蛋白1(dynamin related protein 1，DRP1)和视神经萎缩1(optic atrophy 1，OPA1)的活性，从而导致以狭窄管状形态为特征的线粒体网络碎裂[38]。糖尿病病人心脏对FAO的依赖性更大，使线粒体耗氧量增加，而活性氧生成增加和线粒体功能障碍也导致细胞应激增加。心肌细胞代谢的变化可能会使心脏结构和功能的改变，从而导致HF的发生[39]。线粒体底物氧化是细胞内氧化应激的重要来源，高血糖和高FA水平可通过增加线粒体活性氧的生成诱导细胞功能障碍。此外，在高FA水平与活性氧生成相关的情况下，心脏特异性PPARα的过表达可引起心脏功能障碍。因此，FA诱导的线粒体活性氧生成增加可能会导致缺血后心肌收缩功能障碍[40]。

3.3 细胞凋亡 心肌细胞凋亡是心肌肥厚向HF转化的关键因素，心脏脂质超负荷与凋亡级联反应的发生有关，并认为是导致HF发生的主要原因。研究表明，FA是诱导细胞凋亡的主要原因。用棕榈酸处理分离的新生大鼠心肌细胞，心肌细胞内线粒体心磷脂丢失，细胞色素C释放进而诱发线粒体肿胀和DNA梯状化相关的凋亡[41]。FA水平升高可能引起脂质中间体(如DAG)的积累，或增强FA与丝氨酸的缩合生成神经酰胺[23]。有研究提示，神经酰胺通过MAPK进行信号传导(细胞外信号调节激酶、p38MAPK和C-Jun N-末端激酶)介导细胞凋亡。其机制主要为神经酰胺触发细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的去磷酸化，并刺激JNK和p38MAPK的磷酸化，p38 MAPK活化了促凋亡因子Bax和Bak，同时JNK通过线粒体损伤和Caspase激活来促进细胞凋亡，表明神经酰胺-MAPK信号传导可能在多种形式的心脏病中起关键作用[13]。棕榈酸酯的酯化也可直接引起内质网裂变，强烈的ERS可能导致细胞凋亡。

4 中医药防治

中医药在治疗心血管疾病和改善能量代谢方面有着确切的疗效，其具有多途径、多靶点且毒副作用小的优点。越来越多的证据表明，心脏内异位脂质的积累，可能是目前被低估的心肌病和HF的危险因素之一[42]。近年来，研究表明，中医药可以改善脂毒性，从而改善心脏收缩功能。有研究表明，酒蒸黄连可以改善心肌糖脂代谢、减轻炎症反应及氧化应激损伤，同时能够降低模型动物血清中未酯化FA、TG的含量，减轻体内脂质聚集，从而改善心脏功能[43]。PPAR是FAO的核心调控分子。心肌细胞中PPARβ/δ的缺失抑制心肌FA的氧化，进而导致脂毒性心肌病、心脏肥大和充血性HF。研究表明，葛根中大豆苷元具有PPAR激动作用的成分，推测相关植物可作为调节脂类代谢的潜在药物进行研究；银杏叶中的提取物银杏黄酮可以降低FFA水平，从而改善FFA造成的心功能障碍[44]。体外研究表明，神经酰胺合成的变化与缺氧和炎症有关，抑制神经酰胺的合成可以减少心脏重构。目前研究发现番红花甙、钩藤碱等均可以抑制神经酰胺的合成，进而改善神经酰胺所导致的有害作用[45-46]。槲皮素具有抗脂质过氧化作用，能够明显降低血清和心脏中的胆固醇、TG和FFA水平，可防止心肌梗死大鼠脂质和糖蛋白成分的积累[47]。

此外，研究证明一些中药单体、复方以及中医疗法可通过干预ERS途径，调控心肌细胞等靶细胞的凋亡或自噬，例如姜黄素、松香酸等[48]，进而改善脂毒性。

5 小结与展望

血脂代谢异常是多种心血管疾病的主要危险因素之一，心脏中毒性脂质中间体的过度堆积，导致ERS、线粒体功能障碍以及细胞凋亡，进而造成心脏功能的障碍和HF。研究表明，脂毒性对于代谢紊乱疾病有着重要的作用，减少毒性脂质可以改善心肌细胞的结构与功能。目前，心肌脂质毒性的临床意义尚未引起足够重视，确定脂毒性在体内的病理过程以及直接的机制还有待进一步研究。中医药针对脂毒性的机制(如ERS、凋亡)均具有很好的疗效，有望从中发现改善脂毒性的潜在治疗方案。