糖尿病心肌病发病机制的研究进展

周 江，武建英，杨 佳

随着人们生活水平的不断提高以及高糖、高热量食物的摄入增加，糖尿病人数不断增加，该病已经成为21世纪人类健康的主要威胁之一。糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)最初由Rubler等提出，其定义为发生于糖尿病病人，不能用高血压性心脏病、冠状动脉粥样硬化性心脏病及其他心脏病变来解释的心肌疾病[1]。糖尿病心肌病的发生与心肌细胞的结构和功能改变、冠状动脉微血管病变和自主神经病变有关，这些病变导致心肌肥厚和心脏结构及功能障碍，最终出现心力衰竭[2]。糖尿病心肌病在心脏结构方面表现为心室肌肥厚、心肌纤维化、心脏微血管改变等[3]。大量研究表明，糖尿病心肌病的心肌功能障碍涉及全心，将对心肌细胞的结构和功能产生不可逆性影响，从而引起心力衰竭。现对糖尿病心肌病的发病机制进行综述。

1 发病机制

1.1 心肌细胞代谢紊乱 代谢紊乱在一系列公认的心脏结构和功能改变机制中起着重要作用，主要是心肌细胞能量的变化，包括葡萄糖供应和利用的显著减少、肌膜葡萄糖转运体-4的耗竭、游离脂肪酸β氧化抑制丙酮酸脱氢酶及肿瘤坏死因子α介导的胰岛素受体功能障碍。目前认为高甘氨酸血症、游离脂肪酸、心肌细胞三酰甘油摄取和积聚、氧化应激和胰岛素抵抗等原因直接或间接影响心肌的结构和功能[4-7]，进一步导致心力衰竭。

1.1.1 糖代谢紊乱 大量研究证实高血糖是糖尿病心肌病发生的始动因素[8]。持续性高血糖是引起心肌纤维化的一个重要原因。高血糖的具体作用机制包括3个方面：①高血糖能够促进活性氧过度释放，进而诱导心肌细胞凋亡。正常情况下，心肌细胞工作所需能量60%～70%来自脂肪酸代谢，30%～40%来自糖酵解，而糖尿病病人由于糖利用障碍，其能量几乎全部来自非酯化脂肪酸的氧化，导致心肌细胞内脂质及脂质中间代谢产物神经酰胺、二酰甘油、解偶联蛋白-3等的沉积，这些物质的蓄积将影响心肌供能，导致心肌纤维化、心肌细胞坏死和心肌功能障碍[9-10]，最终导致心脏结构与功能异常。②机体处于高血糖状态可促使晚期糖基化终末产物(AGE)与其受体相结合，该受体的表达是由氧化应激诱导的。AGE/晚期糖基化终末产物受体(RAGE)通路的激活导致核转录因子κB(NF-κB)信号激活，这可能会导致β-myosin重链(MHC)的表达增加，激活的NF-κB炎性因子和p38丝裂原活化蛋白激酶，使多条炎症通路被激活，炎性因子大量释放，对血管产生持续性的炎性损伤，进而增加糖尿病心肌病的发生风险。③高血糖会对蛋白质结构产生影响。有研究证明高血糖可改变蛋白结构，进而导致胶原分子交联，从而破坏胶原降解能力，导致纤维化加重，增加心肌硬度[11]。心肌细胞胶原蛋白沉积增加可能与转化生长因子β(TGF-β)、结缔组织生长因子(CTGF)转录因子、胶原蛋白生产、多聚ADP核糖聚合酶-1(PARP-1)的激活增加有关。基质金属蛋白酶(MMPs)的重构导致细胞外基质降解失调，尤其是基质金属蛋白酶2(MMP-2)表达减少，使糖尿病心脏结缔组织含量增加，最终导致糖尿病心肌病的发生。

1.1.2 心肌细胞“脂毒性” 糖尿病的病理特点是存在胰岛素抵抗或缺乏，这就导致了病人的心肌细胞几乎均由脂肪酸的β氧化提供能量，而当脂肪酸过度氧化时就会导致三酰甘油、游离脂肪酸在心肌细胞中积聚，影响心脏灌注量，进而影响心脏的舒张、收缩功能。在正常生理情况下，心脏能够利用葡萄糖和脂肪酸作为能量底物。在糖尿病病人体内，胰岛素抵抗所引起的葡萄糖摄取减少促进心肌基质中非酯化脂肪酸氧化，导致心力衰竭、肥胖和2 型糖尿病病人血浆中非酯化脂肪酸水平升高，心脏三酰甘油沉积和脂肪酸摄取增加[12]。过量脂肪酸的摄取会超过心肌细胞线粒体的氧化能力，在心脏出现异位脂质沉积从而诱发对心脏的“脂毒性”。过多的脂肪酸将通过非氧化途径产生有毒性的脂肪酸中间产物，如神经酰胺等[12]。这些毒物可以干扰正常的细胞信号传导，引起细胞凋亡、线粒体功能障碍等，最终导致心脏舒缩功能障碍。此外，研究发现，泛素连接酶mitsugumin 53可能通过靶向降解胰岛素信号通路中的蛋白和上调特定过氧化物酶体增殖物激活受体两个过程相互协同促进非酯化脂肪酸的氧化，改变心脏的功能及结构[13-14]，进而导致心力衰竭。

1.2 信号转导改变

1.2.1 胰岛素信号转导异常及胰岛素抵抗 胰岛素抵抗是指在脂肪组织、肝脏和骨骼肌中的胰岛素生物学效能下降。胰岛素抵抗状态表现为在肌肉和脂肪细胞中，胰岛素介导的葡萄糖摄取障碍以及肝脏葡萄糖产生和脂肪分解的抑制作用受损[15]，包括脂肪分解增加、游离脂肪酸释放增加、葡萄糖摄取减少、脂联素分泌减少、瘦素分泌增加以及促炎细胞因子分泌增加等，这些均可能导致胰岛素敏感性降低。

研究表明，胰岛素介导的葡萄糖摄取障碍广泛存在，随着肥胖和血糖水平的改善，近端胰岛素信号通路[磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)途径]的激活可能会持续存在[16]。而心肌细胞胰岛素信号过度传导可能导致心肌功能障碍，导致压力超负荷进而导致心肌肥厚[17]。Battiprolu等[18]研究表明下游心肌胰岛素对蛋白激酶和转录因子的信号[Ras/有丝分裂原蛋白活化酶(MAPK)途径]传递受损，这可能作为独立影响因素导致心肌功能障碍。Bugger等[19]研究表明心肌胰岛素信号缺失会损害心肌收缩力、线粒体氧化应激能力和氧化磷酸化基因表达，参与脂肪酸氧化和三羧酸循环的线粒体蛋白水平降低，氧化磷酸化亚单位在蛋白水平发生重构。因此，胰岛素抵抗可能是导致糖尿病心肌病的重要原因。

1.2.2 肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)激活 实验证明糖尿病心肌病与RAAS系统成分活性失衡有关[20]。血管紧张素转换酶(ACE)由血管紧张素Ⅰ合成血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)，而ACE2将AngⅡ转化为血管紧张素(17)。血管紧张素Ⅱ诱导血管收缩和增殖，而血管紧张素(17)刺激血管舒张和凋亡。肺组织中RAAS血管收缩活性的增加导致肺血管异常，包括小动脉平均壁厚增加和右室肥大。这些现象可以通过RAAS血管保护分支活性的增加来预防，RAAS血管保护分支的活性是由ACE介导的[20-21]。因此，糖尿病可能导致肺动脉压升高，进而导致肺血管血流动力学紊乱、内皮功能障碍[22]、血管平滑肌增厚和局部血管张力增强，最终导致心脏结构及功能受损。

1.3 心肌细胞内Ca2+平衡失调 心肌细胞内Ca2+是引起心肌收缩的主要离子。心肌细胞Ca2+对于心肌细胞兴奋收缩耦联至关重要。心肌细胞兴奋导致Ca2+通过Ⅰ型Ca通道内流，进而触发基质网释放Ca2+，导致肌动蛋白的相互作用和机械作用。当Ca2+被主动重吸收入基质网时肌肉松弛。Li等[23]研究表明，在糖尿病小鼠模型的心肌细胞中细胞内静息Ca2+浓度升高，Ca2+内流时间延长，细胞内外Ca2+浓度差变小，对细胞外Ca2+变化的反应性降低，肌浆网钙泵(SERCA)活性降低，进而将导致基质网 Ca2+再摄取受损。Pereira等[24-26]研究发现糖尿病或高血糖水平会改变KN-93-Ca2+-钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的功能，肌浆网钙泵受损，连接单糖的信号分子传递功能障碍。众多研究表明Ca2+代谢受损与糖尿病心肌病的发生和发展有关。

1.4 内质网应激和线粒体功能障碍 线粒体是细胞稳态和存活的关键细胞器，参与能量的生成和细胞内转移，在调节氧化还原、钙稳态、游离脂肪酸氧化和细胞凋亡方面起重要作用[27]。正常生理情况下，心肌细胞内线粒体氧化磷酸化可产生90%的活性氧(ROS)；在高血糖状态下，脂质代谢紊乱和葡萄糖氧化增加等多种情况可促使ROS大量产生[28]。在不同肥胖程度、胰岛素抵抗程度、胰岛素依赖型及非依赖型糖尿病的动物模型中，均观察到线粒体受损。Anderson等[29]研究显示，受损的线粒体氧化应激增加，产生大量过氧化物及ROS，损伤心肌细胞内的蛋白质或磷脂。受损的心肌细胞内的线粒体表现出错误的组配、嵴结构紊乱、密度降低、膜破裂和聚集的现象。这些改变将增加心肌细胞损伤，可能进一步导致心肌结构及功能的异常。

1.5 凋亡和自噬 自噬是一种生理过程，是指蛋白质、核糖体、脂质甚至整个细胞器被双膜结构吞噬，随后被溶酶体靶向降解的过程。低水平的自噬对维持心脏正常的细胞功能、蛋白质和器官质量控制非常重要。而当细胞压力增加时，自噬会导致心功能障碍和心力衰竭。Mellor等[30]实验发现，自噬标记物LC3B和p62水平升高与心肌胰岛素抵抗有关，同时发现p62水平的增加提高了自噬体被破坏的可能性，PI3K/蛋白激酶B(Akt)信号会通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)调节自噬。因此，心肌胰岛素抵抗可能会引发自噬，进一步减少PI3K/Akt信号传导。表明自噬水平的增强将会对糖尿病心肌病产生不良影响。

1.6 基因调控的改变

1.6.1 转录因子、miRNA激活 糖尿病心肌病与基因表达模式的改变有关，这些基因表达模式与microRNA相关。基因表达调控因子是内源性、非编码的单链RNA，平均长度为22个核苷酸，由基因组内的反向重复序列编码。miRNA通过抑制翻译或促进靶mRNA降解两种机制调控基因表达。体内miRNA水平的变化已被证明在包括糖尿病在内的多种疾病的发病机制中发挥重要作用。最新研究表明，miR-143、miR-181、miR-103、miR-107和miR-802在调节全身葡萄糖代谢和胰岛素敏感性方面发挥作用，从而提示miRNA参与胰岛素抵抗和2型糖尿病的发病机制[31]。

有研究表明，心肌细胞miRNA含量的变化可能与心功能变化相关。心肌细胞dicer酶的缺失[该酶是一种核糖核酸内切酶，属于RNase Ⅲ家族中特异识别双链RNA的一员，能以一种三磷酸腺苷(ATP)依赖的方式逐步切割由外源导入或者由转基因、病毒感染等各种方式引入的双链RNA，将RNA降解为21～23 bp的双链RNAs(dsRNAs)，每个片段的3′端都有2个碱基突出]，导致miRNA功能及含量在心肌细胞中的失衡，进而出现扩张型心肌病和心力衰竭的快速进展。Feng等[32]研究也将特异性miRNA的失衡与糖尿病心肌病的病理生理学联系起来。microRNA-1约占心肌总miRNA的40%，其已被证明在糖尿病小鼠中下调Pim-1水平，因此，恢复Pim-1水平可防止心肌细胞凋亡、心室扩张和心力衰竭[33]。

1.6.2 表观遗传学改变 表观遗传学研究显示，组蛋白修饰，尤其是组蛋白乙酰化，是调控基因表达的主要表观遗传机制。组蛋白乙酰化的平衡在很大程度上是通过催化组蛋白乙酰化的组蛋白乙酰转移酶和去除乙酰基的组蛋白去乙酰化酶(HDACs)之间的功能相互作用来维持的。组蛋白乙酰化失调导致多种疾病的发生，抑制HDAC是目前被广泛关注的治疗方案，可能用于治疗多种常见疾病，如癌症和神经退行性疾病、炎症和心血管疾病[34]。HDACs可以根据序列标识和域组织分为4类。Ⅱ类HDACs(HDAC5、HDAC9)抑制心肌肥厚，而Ⅰ类HDACs促进心肌肥厚。Gaikwad等[35]的实验显示，在2型糖尿病小鼠心脏中，单侧肾切除引起的肾衰竭增加了赖氨酸和赖氨酸组蛋白3的心肌乙酰化，这与心肌病相关基因表达增加和心肌肥厚有关。这些研究表明，2型糖尿病病人的尿毒症和心肌肥厚之间存在相互作用，其机制是通过心肌细胞组蛋白3的表观遗传修饰介导的。

另一个公认的表观遗传调控因子是细胞核DNA的甲基化。DNA甲基化主要发生在许多基因的5′调控区域的CpG岛。在许多疾病过程中，基因启动子中的CpG岛异常高甲基化，导致转录沉默。Mönkemann等[36]利用糖尿病大鼠模型心肌细胞研究发现，编码p21的基因在糖尿病大鼠心脏中过表达，编码cyclin D1的基因在糖尿病大鼠心脏中表达受其5′侧区去甲基化和高甲基化调控。这些参与细胞周期调控的蛋白，在糖尿病组织中被诱导或抑制。表观遗传修饰有可能影响整个基因组的表达，这可能是一个尚未被研究的机制，可能有助于糖尿病心肌病发病机制的研究。

1.7 其他引起糖尿病心肌病损伤的机制 肥胖对心血管系统的影响与脂肪组织提供的内分泌环境密切相关。脂肪含量的增加，尤其是内脏脂肪含量的增加，与心脏抑制细胞因子和纤维化介质的增强释放以及胰岛素抵抗的增强有关，即使在体质指数(BMI)正常的受试者中也是如此。即使没有症状，个体的腹部脂肪沉积程度与心肌细胞纤维化程度、胰岛素敏感性降低、炎症激活独立相关[5]。旁分泌机制也是心外膜脂肪不良影响的一个组成部分。心外膜脂肪组织分泌体可诱导心肌纤维化，这可能解释了心外膜脂肪与心肌纤维化之间的关系[5]。

糖尿病微血管病变与许多病理改变有关，这些可能进一步导致心肌结构及功能上的变化，特别是毛细血管稀疏、基底膜增厚而通透性降低、氧向心肌细胞线粒体扩散距离增加、内皮功能障碍而一氧化氮的有效性和半衰期缩短等[6]。这都将导致糖尿病心肌病的发生。

2 小 结

多种分子机制协同作用，损害心脏结构功能，促进糖尿病心肌病的发生，包括代谢异常，改变信号转导(胰岛素信号转导、肾素血管紧张素信号转导)，心肌细胞内Ca2+平衡失调，氧化应激和线粒体功能障碍，细胞内平衡的改变如凋亡和自噬以及基因调控中的内质网应激，基因调控的变化(转录因子、miRNA的激活及表观遗传学机制)，其他引起糖尿病心肌病右心功能损伤的机制(代谢性疾病、糖尿病肺动脉损伤、心肌微血管改变等)。大量的证据支持糖尿病性心肌病的存在及糖尿病作为独立危险因素导致右心衰竭，糖尿病病人更容易出现心血管并发症和右心衰竭，这突出了开发新的治疗方法的重要性。研究其发病机制并开发靶向药物对预防和延缓疾病的发生发展具有重要意义。许多潜在的机制已经被提出和研究，一些干预措施已经在临床前模型中证明了对糖尿病心肌病相关病理特征的有益作用。一些机制如自噬、miRNA和表观遗传机制，仍然相对缺乏研究。因此，有必要进一步研究糖尿病心肌病右心损害的基本机制，并将临床前模型中有希望的治疗方法通过临床试验并应用于临床。