SGLT-2抑制剂对糖尿病心肌病心脏的保护作用及机制

范君宇，吴铿，高胜兰，梁伟钧

(1.广东医科大学研究生院，广东 湛江 524000；2.广东医科大学附属医院a.心血管内科，b.临床医学研究中心，广东 湛江 524000)

糖尿病是发生心力衰竭的潜在危险因素，与非糖尿病患者相比，糖尿病患者心力衰竭的发病率更高，心血管并发症的结局更差[1]。糖化血红蛋白的基线水平每增加1%则糖尿病患者发生心力衰竭的风险增加15%，与年龄匹配的对照者相比，男性和女性糖尿病患者发生心力衰竭的风险分别增加2倍和5倍[2]，这种与糖尿病密切相关、无明确诱因的心脏功能损害即糖尿病心肌病。目前，糖尿病心肌病在糖尿病人群中的发病率约为16.7%，糖尿病心肌病患者主要不良心血管事件的发生率约为31%[3]。随着全球糖尿病发病率的逐年增加[4]，糖尿病心肌病正在成为全球化的疾病。然而，糖尿病心肌病早期临床诊断困难且缺乏特异性的分子标志物和治疗靶点。钠-葡萄糖协同转运蛋白-2(sodium-dependent glucose transporters-2，SGLT-2)抑制剂是一类作用于肾小管上皮细胞的降糖药，有证据表明，其可显著改善糖尿病患者的心力衰竭[5]，但SGLT-2抑制剂对糖尿病心肌病患者心脏保护作用的具体机制目前尚未明确。现就SGLT-2抑制剂对糖尿病心肌病心脏的保护作用及机制予以综述。

1 糖尿病心肌病发病机制

糖尿病心肌病属于代谢性心脏病，糖尿病患者体内的胰岛素抵抗、糖脂代谢紊乱导致的高脂高糖环境是糖尿病心肌病发病的核心因素，心肌细胞钙离子(Ca2+)失调、线粒体损伤、氧化应激、炎症反应等是其常见的病理生理机制[6]。其中，Ca2+失调是糖尿病心肌病患者发生心力衰竭的重要原因[7]。同时，体内糖基化终末产物堆积、促炎因子增加以及肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活均可促进心脏纤维化，各种致病因素共同作用导致心脏结构和功能异常[6]，进而导致心力衰竭的发生。另外，高脂高糖使心肌氧化供能向脂肪酸β氧化倾斜，这一过程可损害线粒体氧化呼吸链，导致心肌能量利用受阻[8]；同时，糖尿病患者心脏血管内皮细胞收缩/舒张功能失调导致心脏微循环阻塞，引起心肌局部缺血，进一步导致心肌供能障碍，损害心脏功能，这也是导致心力衰竭的重要因素[9]。总之，糖尿病心肌病的发病机制错综复杂，糖尿病患者体内糖脂代谢紊乱导致的氧化应激、炎症等因素相互作用，促进糖尿病心肌病的发生、发展。

2 SGLT-2抑制剂概述

SGLT-2抑制剂通过竞争性抑制钠和葡萄糖的重吸收增加葡萄糖的排出而控制血糖。目前，临床应用的SGLT-2抑制剂主要包括恩格列净、达格列净和卡格列净。这3种SGLT-2抑制剂已进行了EMPA-REG OUTCOME[10]、DECLARE-TIMI 58[11]以及CVD-REAL1、CVD-REAL2[12-13]等临床心血管结局研究试验，结果显示，与传统降糖药物相比，这3种SGLT-2抑制剂均能显著改善糖尿病并发的心血管疾病的结局，提示SGLT-2抑制剂不仅可通过降低血糖使糖尿病患者获益，还具有心血管保护作用。

3 SGLT-2抑制剂保护糖尿病心肌病心脏的作用及机制

3.1调节心肌细胞内Ca2+水平 Ca2+是心肌细胞维持收缩功能最重要的离子。而肌质网Ca2+-ATP酶(sarco/endoplasmic reticulum calcium ATPase，SERCA)2a是转运Ca2+的关键酶，研究发现，1型糖尿病模型小鼠心脏的肌质网功能和SERCA2a活性均受到抑制，导致心肌细胞肌质网Ca2+处理能力降低，引起心肌细胞内Ca2+超载，损害了心肌细胞正常的收缩偶联过程，导致心脏收缩舒张功能下降，从而损害心功能，而过表达SERCA2a基因的糖尿病小鼠心肌细胞Ca2+处理能力升高，心功能显著改善[14]，表明改善糖尿病性心肌细胞中胞质Ca2+的调节能力可能是恢复糖尿病心肌病患者心肌收缩力的有效手段。研究表明，达格列净可降低糖尿病大鼠心肌细胞收缩期的胞质Ca2+水平，减轻心肌细胞内Ca2+负荷，增加心脏顺应性[15]，但具体调控机制目前尚未阐明。Arow等[16]研究发现，达格列净通过抑制糖尿病小鼠心脏中L型电压依赖性Ca2+通道α1C亚基、钠-钙交换体和钠-氢交换体-1(Na+-H+exchange-1，NHE-1)的表达，降低胞质Ca2+水平，减缓Ca2+瞬变幅度。Ye等[17]证实，达格列净可通过激活磷酸化AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)抑制NHE-1表达。另外，Baartscheer等[18]研究表明，恩格列净可通过抑制NHE-1的活性调控糖尿病小鼠心肌细胞胞质Ca2+水平，并提高线粒体Ca2+的处理能力。Uthman等[19]也证实，达格列净与卡格列净均具有抑制NHE-1活性的作用，即通过竞争性抑制Na+与NHE-1的结合而抑制NHE-1的离子交换功能。

可见，SGLT-2抑制剂在心脏的作用靶点可能包括：①竞争性结合NHE-1，阻碍Na+-Ca2+交换，减少Ca2+进入胞内；②通过激活磷酸化AMPK抑制NHE-1的表达调节心肌细胞胞质Na+、Ca2+和线粒体Ca2+水平，缓解病理性胞内Ca2+超载，增加线粒体吸收Ca2+的能力和心力衰竭心脏心肌细胞的收缩能力，改善心脏功能。此外，心力衰竭的发生还与肌质网上的Ca2+释放通道雷尼丁受体的过磷酸化导致的肌质网Ca2+水平降低和容量减少有关。Moellmann等[20]研究表明，恩格列净可通过抑制雷尼丁受体磷酸化保护糖尿病心肌病小鼠的心脏功能，但具体作用机制目前尚不明确，需进一步研究。

3.2保护线粒体功能 正常的线粒体呼吸功能是维持细胞生命活动的基础，Anderson等[21]研究发现，2型糖尿病患者心肌组织线粒体呼吸功能受损，同时大量的过氧化物和活性氧类(reactive oxygen species，ROS)生成。脂毒性是线粒体发生氧化磷酸化解偶联作用的重要因素之一。糖尿病患者体内的脂质代谢紊乱使心肌细胞过度依赖脂肪酸β氧化来产生ATP，促使线粒体氧耗增加和呼吸链损伤，这一过程将产生大量的ROS，而ROS能够介导解偶联蛋白的激活，促进线粒体的解偶联效应[22]，导致线粒体产能效率下降。同时，高血糖环境可引起线粒体膜电位去极化和线粒体肿胀，线粒体呼吸控制率显著降低，进而导致线粒体有氧呼吸功能受损[23]。高血糖引起的线粒体受损既可降低心肌细胞能量利用效率，还可引起ROS的大量产生并导致心肌细胞氧化应激，介导心肌细胞的凋亡，进而损害心脏功能[24]。因此，保护线粒体功能对于防止心肌细胞凋亡、保持心肌细胞活力具有重要意义。

有研究表明，恩格列净的处理导致缺氧/复氧人脐静脉内皮细胞的ATP水平升高，并通过激活信号转导及转录激活因子3(signal transduction and activator of transcription 3，STAT3)的表达和磷酸化保护线粒体的功能[25]，提示恩格列净可通过改善线粒体功能增加心肌细胞活力。Shao等[24]研究发现，恩格列净处理可改善糖尿病肥胖大鼠心房线粒体呼吸控制率，恢复正常的线粒体膜电位；研究还发现，恩格列净能够显著增加过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α蛋白的表达，而过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α是受AMPK调控介导线粒体生物发生的关键启动子，提示恩格列净改善线粒体功能与激活磷酸化AMPK有关；同时恩格列净还可恢复线粒体融合蛋白-2(mitofusion-2，Mfn-2)的水平，维持线粒体结构的完整性。Habibi等[26]通过观察糖尿病小鼠心肌组织亚细胞超微结构，发现其线粒体的外观混乱，且出现碎片化，而应用恩格列净处理则可减少糖尿病小鼠线粒体形态的改变，维持线粒体结构的完整性。此外，有研究表明，给予达格列净治疗的糖尿病大鼠心肌组织Mfn-2的表达上调，但给予胰岛素治疗的糖尿病大鼠心肌组织Mfn-2的表达与未给予药物治疗的糖尿病大鼠比较差异无统计学意义[27]。因此，SGLT-2抑制剂保护线粒体的作用并不依赖于控制血糖水平。综上可知，SGLT-2抑制剂通过调控AMPK增加线粒体生物发生、上调Mfn-2蛋白水平、促进线粒体融合，进而保护线粒体功能。

3.3减少氧化应激 氧化应激是一种体内氧化与抗氧化作用失衡的状态，是自由基在体内产生的一种负面作用，也是导致衰老和疾病的一个重要因素。2型糖尿病患者体内高非酯化脂肪酸水平对机体的直接刺激可促进活性分子ROS产生，ROS不仅能够直接损害细胞内的大分子(DNA、蛋白质和磷脂等)，还可激活胞内的多种敏感应激通路[28]，而这些应激通路与胰岛素受体信号通路受损密切相关，可促使糖尿病向糖尿病心肌病发展。有研究发现，恩格列净能够降低2型糖尿病动物模型心脏的氧化应激水平，减少ROS的产生，研究者将小鼠分为正常小鼠组、糖尿病小鼠组、糖尿病+恩格列净治疗组和单独恩格列净治疗组，结果发现，与糖尿病小鼠组相比，糖尿病+恩格列净治疗组小鼠的心肌组织脂质过氧化物、谷胱甘肽过氧化物酶、丙二醛水平均显著降低，抗氧化物质超氧化物歧化酶的活性增加，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4的表达减少，提示恩格列净通过增加抗氧化能力和减轻氧化损伤发挥心肌保护作用[24,29]。恩格列净的抗氧化应激作用可能是通过促进核因子E2相关因子2(nuclear facter-erythroid 2-related facter 2，Nrf2)入核实现，Nrf2是细胞中的抗氧化转录因子，在细胞氧化应激的情况下，原本位于胞质的Nrf2与其抑制蛋白Kelch样ECH相关蛋白1解离后入核，通过结合抗氧化还原原件(糖基化终末产物)起到抗氧化应激的作用[29]。

3.4抑制炎症 核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)在介导炎症反应中起核心作用。糖尿病患者体内的各种刺激因素(如糖基化终末产物、ROS、游离脂蛋白)均可激活NF-κB，进而调控多种炎症因子[白细胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6、单核细胞趋化因子1等]的产生，并诱导核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide-binding and oligomerization domain-like receptors 3，NLRP3)的表达[30]。研究表明，沉默NLRP3炎症小体后，糖尿病心肌病小鼠的心脏功能显著改善，表明NF-κB/NLRP3通路的激活可促进糖尿病心肌病的发生[31]。另有研究表明，抗炎药物(如黄酮类化合物柚皮苷)能够改善糖尿病心肌病小鼠的心脏功能，并通过下调NF-κB的表达改善糖尿病心肌病小鼠的心脏炎症及纤维化，保护心脏的超微结构[32-33]。表明抗炎治疗是改善糖尿病心肌病的有效手段，而NF-κB则可能是治疗糖尿病心肌病的重要靶点。

研究表明，达格列净可通过激活AMPK抑制炎症反应[34-35]。经达格列净治疗的糖尿病肥胖小鼠体内的NLRP3、凋亡相干颗粒样蛋白、IL-1β、胱天蛋白酶1信使RNA水平均显著降低；体外实验发现，达格列净能够减轻脂多糖刺激的原代成纤维心肌细胞炎症因子的表达，而AMPK抑制剂Compound C可阻断达格列净对炎症因子的抑制作用，AMPK激动剂A-769662可起到与达格列净相似的效果[35]。Mancini等[36]研究发现，卡格列净可促进AMPK激活，降低IL-1β刺激的人脐静脉内皮细胞的IL-6和单核细胞趋化因子1信使RNA水平，减少炎症反应。另外，达格列净还能够激活STAT3，抑制巨噬细胞的极化，并减少心肌组织IL-10的表达[37]。综上可知，SGLT-2抑制剂不仅可通过激活磷酸化AMPK抑制促炎基因的表达，起到抑制炎症的作用；还可通过激活STAT3抑制巨噬细胞的极化，进而改善炎症，但SGLT-2抑制剂是否通过AMPK通路调控NF-κB的活化还有待进一步研究。

3.5改善心肌纤维化 心肌纤维化是糖尿病心肌病患者出现难以逆转的心力衰竭的原因之一。炎症反应、肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活以及转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的活化是糖尿病心肌病心肌纤维化发生、发展的主要因素。炎症因子IL-1β、IL-6与心肌细胞诱导合成胶原蛋白Ⅰ、胶原蛋白Ⅲ有关，而单核细胞趋化因子1可吸引单核细胞聚集，诱导TGF-β的活化；另外，肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活分泌的血管紧张素Ⅱ可促进成纤维细胞生长因子的合成，导致心肌细胞肥大和心室重构，进一步促进纤维化的发展，破坏心脏的正常结构，加速心力衰竭的发展[38]。研究表明，SGLT-2抑制剂治疗可改善糖尿病动物心肌组织排列紊乱、心肌细胞萎缩或肥大，抑制TGF-β激活，减少胶原蛋白Ⅰ和胶原蛋白Ⅲ的表达[16,26,29]。因此，SGLT-2抑制剂改善心肌纤维化的作用机制可能为：通过抑制心肌氧化应激、ROS的产生以及炎症等，抑制心肌组织TGF-β/Smad通路的激活，进而延缓纤维化的进程。

3.6改善心室肥厚 心室肥厚是糖尿病心肌病心脏的一个重要特征，高糖可独立引起心室肥厚而不与高血压、冠心病的因素相关[39]。因此，逆转心室肥厚对于心血管疾病的预后具有重要意义。临床试验表明，与接受安慰剂治疗的2型糖尿病患者相比，接受恩格列净治疗(6个月)的2型糖尿病患者左心室重量指数显著降低[40]。有学者指出，恩格列净改善左心室肥厚的作用可能与内皮细胞生成一氧化氮的功能相关[41]。一氧化氮与左心室肥大的相关性已得到研究证实[42-43]，而SGLT-2抑制剂保护内皮细胞的功能也已通过荟萃分析证实[44]，但SGLT-2抑制剂通过一氧化氮改善左心室肥厚的证据仍需进一步验证。

3.7改善心肌供血 高血糖对微循环的影响与心血管疾病的不良预后相关。一氧化氮是内皮细胞舒张介质，高血糖可通过抑制内皮细胞合成与释放一氧化氮，导致内皮细胞舒张功能降低[45]；同时，高血糖还可诱导内皮细胞的增生与纤维化，进一步引起微血管功能障碍，影响心肌供血[46]，从而损害心脏功能。一项临床荟萃分析通过比较接受二肽基肽酶4抑制剂、胰高血糖素样肽-1受体激动剂和SGLT-2抑制剂治疗的糖尿病患者的肱动脉血流介导的血管扩张功能和脉搏波速度，发现只有SGLT-2抑制剂能够显著改善患者血流介导的血管扩张功能，提示SGLT-2抑制剂能够改善患者的内皮功能和动脉僵硬度[44]。研究表明，与未经治疗的糖尿病小鼠相比，经达格列净治疗的ob/ob-/-小鼠冠状动脉血流储备分数更加良好，因为达格列净能够增加小鼠体内的L-精氨酸/非对称性二甲基精氨酸比例，而L-精氨酸是一氧化氮产生的前体，L-精氨酸/非对称性二甲基精氨比例升高可提高一氧化氮的生物利用度，改善内皮细胞功能[47]。另外，在体外，恩格列净可抑制环加氧酶，通过减少收缩性前列腺素的产生，减轻内皮依赖性收缩反应，缓解内皮细胞的紧张度，起到舒张血管的作用[48]。因此，SGLT-2抑制剂可能通过一氧化氮、环加氧酶依赖的血管扩张途径改善内皮细胞功能，增加心脏微循环血流。

3.8调节心肌能量代谢模式 糖尿病心肌病患者体内高脂高糖环境促使心肌细胞能量利用偏向于脂肪酸β氧化，这并不利于心脏供能，而机体利用酮体氧化供能可有效改善心脏代谢、心肌收缩力和心排血量[49]。研究发现，与未经治疗的糖尿病啮齿动物模型相比，经恩格列净治疗的糖尿病啮齿动物模型的心脏功能显著改善，同时动物血清以及心肌组织中的酮体β-羟基丁酸酯水平也均升高[50-51]，提示SGLT-2抑制剂可能通过改善体内与心脏的能量利用比例提高心脏供能。

4 小 结

虽然SGLT-2抑制剂是一种特异性结合SGLT-2蛋白的化合物，但其并不依赖SGLT-2受体作用于心脏、肝脏、肾脏以及神经系统而发挥抗氧化应激、抑制炎症、减少细胞凋亡等作用[52-53]。SGLT-2抑制剂很可能作为一种NHE-1抑制剂，通过调控心肌细胞内Ca2+的稳态增加心脏的收缩功能[16-17]。另外，SGLT-2抑制剂也可作为AMPK的激动剂起到调控细胞内信号通路的作用[17,34-35]，而AMPK作为调控细胞生命活动的重要蛋白，在调控炎症、自噬、凋亡等过程中发挥重要作用[54]。因此，深入研究SGLT-2抑制剂以AMPK为靶点的效应可能是未来SGLT-2抑制剂治疗糖尿病心肌病的关键。