酒精性心肌病心肌损伤的分子机制研究进展

董莎莎，肖强，李元民

山东第一医科大学第二附属医院，山东泰安271000

酒精性心肌病（ACM）是由于长期大量饮酒，导致心肌细胞变性，表现为心脏扩大、心功能不全的一种心肌病。临床上以左心室扩张、左心室收缩功能障碍为特征，酒精性心肌病每年可引起全球超过40万人死亡［1］。过量饮酒造成急性和慢性的乙醇中毒与心肌损伤密切相关［2］。在ACM 的发病过程中，大量心肌细胞中分子改变会打乱正常的生理过程，扰乱心肌功能，并使心肌蛋白稳态失衡，最终导致心血管器官的损伤。现从心肌收缩力的变化和心肌蛋白调控两方面阐述急性和慢性乙醇摄入后细胞内蛋白稳态变化，同时揭示乙醇导致的心肌损伤分子机制［3］。

1 乙醇对心肌功能的损伤

乙醇及其代谢产物对心肌的毒害主要体现在以下方面：①破坏心肌细胞膜的完整性；②其代谢产物乙醛对心肌细胞的毒害作用；③影响心肌细胞中阳离子的转运；④调节部分重要心肌蛋白，影响其收缩和舒张功能。

1.1 急性乙醇中毒引起心肌舒张功能障碍 心肌细胞的静息电位在急性乙醇摄入后并无明显变化，但在乙醇摄入72 h 后会显著延长［4-5］。多数数据表明急性乙醇中毒后，心脏复极速度降低。急性乙醇摄入时，心脏的功能呈现乙醇剂量性变化，即低剂量的乙醇不能引起心肌功能的相应变化［5-6］。而高剂量的乙醇改变了心肌细胞中钙的富集和循环，细胞内钙离子通透性减低，这些变化共同证明急性乙醇中毒能引起明显的心肌舒张功能障碍［7］。

急性乙醇中毒能通过电信号刺激降低心肌细胞内钙的增加，加快心肌细胞内钙的衰减速度，同时降低心肌细胞对钙的重吸收。另外，乙醇的急性中毒降低了肌浆网钙-ATP 酶（SERCA-2a）的表达，同时降低了SRECA 的磷酸化活性，这与乙醇导致的心肌收缩的钙吸收障碍相一致［6］。

1.2 慢性乙醇摄入导致心脏收缩功能减退 慢性乙醇摄入并不能改变静息电位时间和钠钙离子泵相关蛋白的磷酸化水平。但长期乙醇摄入能引起心肌细胞内钙的快速衰减，从而引起心肌收缩力的降低［8］。心脏的收缩性能与心肌的收缩速度和舒张速度有关，而心肌细胞中钙的分布和运动调控心肌的收缩和舒张。因此，长期的乙醇摄入会导致心脏收缩功能的减退。

1.3 乙醇代谢物损伤心肌功能 体内乙醇代谢的主要的产物是乙醛。在乙醇的代谢过程中，机体内的乙醇可在乙醇脱氢酶（ADH）的作用下分解为乙醛，而乙醛则是乙醇代谢的直接产物。乙醛对心肌细胞的损伤主要体现在对其结构和收缩力的影响，包括扰乱细胞对钙的处理和心肌的收缩兴奋偶联［9］。

急性大量摄入的乙醇在体内转化为乙醛的过程中，ADH 的作用至关重要。近期研究表明，ADH 过表达的小鼠在急性乙醇中毒时其心肌细胞的收缩达峰时程（TPS）、复长速率（±dL/dt）和舒张90%时程（TR90）显著延长，这与乙醛直接处理小鼠引起的其心肌细胞损伤相似。在乙醇作用下，ADH 过表达改变了钙在心肌细胞中的分布，可引起心肌细胞内钙超载。表明乙醇代谢产物乙醛能导致心肌功能受损［3，5］。

在长期乙醇摄入时，细胞色素同工酶（CYP2E1）可将乙醇转化为乙醛，而乙醛的产生可致心肌收缩力受损。抑制CYP2E1 表达后，乙醇的长期慢性摄入不会导致心肌细胞静息时间、TPS、±dL/dt）和TR90 出现明显变化。另外，抑制CYP2E1 表达后，乙醇导致的心肌细胞钠钙泵蛋白的变化并不明显。这些数据证实过量的乙醛对心功能的负面影响［3，10］。

乙醇代谢的另一个重要产物是乙酸，乙醛可在酶的作用下转变为乙酸，而乙酸对心肌细胞的损伤并不明显。在这过程中，影响乙醛转化为乙酸的重要的酶是乙醛脱氢酶（ALDH-2），抑制ALDH-2 的表达会造成乙醛的蓄积，从而加重乙醇对心肌的损伤。乙醇可诱导缺乏ALDH-2 的心肌细胞（从AL‑DH-2 缺陷小鼠中分离）出现严重的损伤，这种损伤主要表现在±dL/dt）和TR90 显著延长。相反，过表达的ALDH2会加速乙醛到乙酸的转化，此时乙醇诱导的心肌细胞的损伤被完全抑制［11］。

1.4 乙醇损伤心肌收缩力的相关信号途径 乙醇能使位于雷帕霉素受体蛋白复合物（mTORC1）上游的胰岛素样生长因子（IGF-1）信号通路下调。然而，IGF-1 在乙醇导致的心肌功能不全上呈现两面性。心肌特异性的过表达的IGF-1 降低了乙醇诱导的心肌细胞收缩峰值的衰减率和钙信号；相反，肝脏中缺乏IGF-1 的小鼠，乙醇引起的心肌收缩力并无明显变化（主要体现在心电图峰值的缩短和细胞内钙离子的衰减）［3］。

单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）是一个mTORC-1 的抑制子和自噬激活子。现有证据表明抑制AMPK的活性在急性乙醇中毒时对心脏起保护作用；另外，AMPK 的缺陷阻止了乙醇诱导的心肌细胞收缩力改变［12］。因此，AMPK 激活对mTORC1 的抑制作用是乙醇干扰心肌细胞收缩功能的机制之一。

2 乙醇对心肌蛋白合成的影响

酒精性心肌病与心肌蛋白的合成和调节信号通路密切相关。心肌蛋白合成的降低部分归因于机体总蛋白合成的抑制，而潜在的致病机制取决于机体对乙醇的耐受度。慢性乙醇摄入导致心肌蛋白合成减弱，这与mRNA转录激活和延伸受损有关；而急性乙醇中毒会选择性的抑制转录激活。乙醇对转录调控蛋白的影响主要体现在降低转录因子（eIF-4E）连接蛋白（4E-BP1）的磷酸化抑制mRNA 转录和蛋白合成。前期报道证明mTORC-1 可通过磷酸化4EBP1 和S6K1 调控心肌细胞的合成。急性和慢性的乙醇中毒均能降低mTORC-1 激酶活性最终抑制心肌蛋白合成［13］。

2.1 慢性乙醇摄入对心肌蛋白合成的影响 在心肌蛋白合成途径中，mTORC-1 表达上调可增加心肌蛋白合成；相反，mTORC-1 的抑制会降低心肌蛋白合成。慢性乙醇摄入能通过降低S6K1 和4E-BP1 的磷酸化抑制mTORC-1 和mTOR 自身磷酸化，从而降低心肌蛋白合成。但动物的种群、年龄和性别等在对乙醇的应激上会有潜在不同。而一系列的研究亦证明心肌的mTOR 信号具有年龄、性别和底物独立性的特征［14］。

慢性乙醇摄入能调控mTORC-1 上游多种信号效应器，包括激活AMP 蛋白激酶（AMPK）和DNA 损伤应激蛋白（REDD1）。胞内应激能使磷酸化的AMPK 增加，最终导致mTORC-1 和蛋白合成的抑制。而作为mTORC-1 的抑制子，在慢性乙醇摄入时，REDD1 蛋白在成年和老年小鼠心肌细胞中的表达显著增高，提示REDD1 在慢性乙醇性心肌病中调控心肌蛋白合成和降解的作用［15］。

作为mTORC1经典途径上游能被胰岛素激活的重要蛋白，慢性乙醇摄入时心肌的蛋白激酶B（Akt）变化并不明确。Akt 的Ser473 和Thr308 位点磷酸化对于信号通路的完全激活至关重要，但是这些位点在同一个试验中呈现不同的调控。这种差异可能与动物模型、乙醇摄入量及动物对低剂量乙醇的耐受度引起的磷酸化相关［16-17］。另外，Akt的磷酸化效应与其上下游调控蛋白的磷酸化水平一致。这包括在慢性乙醇摄入条件下，Akt信号通路抑制子PTEN 的磷酸化上升导致的Akt 信号通路抑制［8］。Akt 可能同时通过抑制结节性硬化复合物蛋白（TSC2）的磷酸化影响mTORC-1 信号。迄今，慢性乙醇摄入对TSC2 蛋白磷酸化的影响在心脏中并未有报道，REDD1 可能通过TSC2 独立的分子机制影响mTORC-1信号通路［15］。

与Akt 信号通路的变化不同，慢性乙醇摄入诱导的胰岛素信号改变亦可能参与心肌蛋白合成。首先，乙醇的摄入会导致人心脏中IGF-1 表达下调。其次，长期的中高剂量的乙醇摄入会导致葡萄糖转运蛋白（GLUT4）的mRNA 和蛋白降低，而低剂量则不能引起这种变化［16］。

2.2 急性乙醇摄入对心肌蛋白合成的影响 早期研究揭示了急性乙醇摄入降低心肌蛋白的合成和mTORC-1的信号活性，这与mTORC-1活性下降相一致。在小鼠的试验中，雄鼠的AMPK Thr172 位点和Raptor Ser792位点的磷酸化活性在急性乙醇摄入时升高，而mTOR Ser2448 位点的磷酸化活性明显降低［5］。高剂量急性的乙醇摄入降低了Akt Ser473 的磷酸化效应，而低剂量的急性乙醇摄入增加了Akt Ser473 的磷酸化效应。这说明Akt Ser473 位点的磷酸化活性受急性乙醇摄入的剂量调控［1］。

MAPK 信号是心肌蛋白合成的补充途径，急性乙醇的摄入能负调控MAPK信号从而降低心肌蛋白的合成，这种同时具有性别和剂量的独立性。在连续的重度乙醇摄入后，磷酸化的p38被激活，然而细胞外调节蛋白激酶（ERK1/2）和c-Jun 氨基端激酶（JNK）的磷酸化效应并未改变。在急性灌注乙醇的大鼠中，低浓度的乙醇灌注降低了p38、ERK1 和ERK2 的磷酸化，这与ERK1 和p38 的mRNA 表达趋势相同；中浓度的乙醇灌注与低浓度乙醇灌注相同，但其mRNA 并无明显变化；而高浓度的乙醇灌注既未改变p38 和ERK1 的mRNA 表达，亦未改变ERK1的磷酸化［18］。急性乙醇对ERK 的剂量依赖性调节在雌性大鼠的左心室组织中得到证实，低剂量乙醇未引起Akt 或ERK 磷酸化水平改变，而较高剂量则使其显著增加［17］。尽管MAPK信号的激活与急性乙醇密切相关，但心肌蛋白代谢与乙醇诱导的MAPK功能改变的关系并不明确。

3 乙醇对心肌蛋白降解的影响

维持心肌蛋白平衡的另一方面是通过降解途径分解损伤的细胞器和蛋白。蛋白的降解有两条重要途径，分别是泛素化蛋白酶体途径（UPP）和自噬途径。泛素化蛋白酶体途径是降解代谢的主要途径，泛素化的蛋白被蛋白酶体复合物降解。泛素化是由E1、E2 和E3 连接酶介导的一系列酶促反应。蛋白酶体降解最初发生在由20 S亚基和调控颗粒组成的在26S 蛋白酶体上。早期研究表明，总的肌肉纤维和肌肉蛋白的降解在慢性乙醇饲喂和正常饲喂中无明显差别［15］。

自噬能参与细胞器的降解从而维持细胞的稳态，吞噬掉的细胞器和蛋白能为饥饿的细胞提供必要的能量［19］。乙醇诱导的细胞自噬还不甚明了，然而缺乏自噬相关蛋白（Atg 5）会导致心肌细胞的肥大，左心室扩张和心肌的收缩功能不全。在营养匮乏时，AMPK 激活后增加ULK-1（ULK-1）在Ser317和Ser777 位点的磷酸化从而促进自噬。相反，营养富足的条件下会激活mTOR1，mTOR1打断了AMPK 和磷酸化的ULK1 之间的联系从而抑制自噬的发生［20］。相较于蛋白降解的自噬途径，乙醇摄入导致的心肌蛋白泛素化蛋白酶体降解途径研究较少。

3.1 急性乙醇摄入导致的自噬 急性乙醇摄入导致自噬的微管相关蛋白（LC3B）-Ⅱ、LC3B-Ⅱ/Ⅰ和Atg7 总量增高，同时ULK-1 Ser575 位点磷酸化的降低表明自噬的激活。H9c2 细胞试验中发现在乙醇摄入时添加溶酶体抑制剂，细胞中LC3 和p62 蛋白表达及LC3 阳性自噬体的形成并未增强，这与乙醇增加自噬的结果一致。相反，在乙醇处理细胞前添加溶酶体抑制剂，则会减弱LC3-Ⅱ和LC3-Ⅱ/Ⅰ蛋白的表达，但不能改变LC3B 蛋白和LC3B 阳性细胞的总数，表明急性乙醇摄入对自噬的影响可能很小，但其真实性值得验证［4-5］。

急性乙醇摄入会导致AMPKα2 下调，与急性乙醇中毒与自噬增加导致的AMPK 激活有关。另外，过表达乙醇脱氢酶（ALDH2）会导致AMPK 活性 的 下 调，通 过 下 调Beclin1、Atg7、LC3B-Ⅱ和LC3B-Ⅱ/Ⅰ的表达降低乙醇导致的自噬［4-5］。乙醇诱导的细胞自噬中添加AMPK 激活剂后AICAR 和LC3B-Ⅱ的表达并无明显的变化。相反的，添加AMPK 的抑制剂能够阻止乙醇导致的LC3B-Ⅱ和LC3B-Ⅱ/Ⅰ的增强［12］。这证明了能量转化在乙醇诱导的自噬激活中起重要的作用。H9c2 的细胞试验证明了乙醇诱导的AMPK 独立的自噬增加，同时证明了短期的乙醇摄入会通过AMPK-ULK1 激活心肌细胞的自噬。

3.2 慢性乙醇摄入导致的自噬 长期饮酒对心脏自噬的影响研究较少，高浓度的乙醇长期摄入会增加Atg7 的蛋白表达和AMPK Thr172 位点的磷酸化。然而，LC3B-Ⅱ/Ⅰ和Atg 12 的蛋白无明显变化［15］。相反，LC3-Ⅱ、LC3-Ⅱ/Ⅰ、Atg7和LC3B 阳性心肌细胞的数目在低浓度乙醇长期饲喂的小鼠中显著增加，同时还发现LC3B-Ⅱ/Ⅰ增加而自噬基因Beclin 1并无变化。这可能与乙醛诱导的LC3B-Ⅱ，LC3B-Ⅱ/Ⅰ和Atg7 蛋白的变化有关，同时受乙醇导致的ADH（乙醇脱氢酶）影响［15］。过表达的乙醛脱氢酶（ALDH2）清除了乙醛，阻止了LC3B-Ⅱ/Ⅰ的增长。因此，长期饮酒会改变心脏自噬的结论缺乏足够的确凿证据。

综上所述，乙醇导致的心肌收缩力受损主要与乙醇及其代谢产物损伤了心肌细胞的钙处理能力以及细胞中钙的分布，同时通过AMPK 的激活干扰心肌细胞的收缩功能。而乙醇对心肌蛋白的代谢的影响主要体现在心肌蛋白的合成和降解两个方面，一方面，乙醇可以通过降低mTORC-1激酶活性最终抑制心肌蛋白合成。另一方面，乙醇可以通过心肌细胞的泛素化和自噬调控心肌蛋白的降解。