钙离子参与糖尿病心肌病发生发展过程的研究进展

宋娇莹，郭航远

（绍兴文理学院医学院，浙江 绍兴 312000）

糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）是一种在糖尿病患者中发现的心力衰竭综合征，是由糖尿病引起的可导致心力衰竭（HF）的病理生理状态[1]，其特征是心肌舒张动力学受损或舒张功能障碍，结构异常致左心室肥厚（LVH），或上述两者的结合[2]。目前，DCM 被定义为糖尿病患者在没有高血压和结构性心脏病（如瓣膜性心脏病或冠心病）情况下的心肌功能障碍（MD）[3]。由于糖尿病对心脏功能的影响相当隐蔽和缓慢，因此人们对DCM 的早期阶段知之甚少，并且在许多情况下，只有在达到严重程度的功能障碍后才能诊断出心脏疾病。因此，探索和认识导致DCM 心功能不全的初始病理生理机制，对于本病的及时诊断和治疗至关重要[4]。在DCM 的复杂机制中，钙离子（Ca2+）异常已被证实为关键的早期过程[5]。Ca2+是一种重要的第二信使，Ca2+稳态对维持心脏功能至关重要[6]。大量的研究表明，心肌细胞内Ca2+信号的改变是DCM 的标志。Ca2+在DCM 的发生发展中起到至关重要的作用。Ca2+异常是导致DCM 中心肌收缩力下降、舒张缓慢、触发心律失常和细胞改变的主要原因[6]。1 型糖尿病动物模型的心脏机械活动缺陷归因于收缩期[Ca2+]i降低和[Ca2+]i短暂延长，除了L 型Ca2+通道的Ca2+电流降低外[7]，收缩期[Ca2+]i短暂延长主要由内质网（SR）功能障碍引起[8-9]。目前关于2 型糖尿病引起心肌病的钙处理研究有限且尚未明确。例如，胰岛素抵抗肥胖型2 型糖尿病（cp/cp）大鼠模型显示SR-Ca2+摄取增强，但肌浆网Ca2+-ATPase2a（SERCA2a）水平和SR-Ca2+负荷不变[10]。本文就Ca2+参与DCM 发生发展过程的研究进展进行综述，以期为DCM 的靶向治疗提供新的方向。

1 Ca2+在正常心肌细胞中的作用

心肌细胞兴奋- 收缩耦联（ECC）是在细胞表面水平将膜去极化与细胞内驱动收缩的肌纤维相互作用联系起来的过程。Ca2+是这两个过程之间的纽带。SR 协调ECC，主要参与者是Ca2+。Ryanodine 受体2（RyR2）和SERCA2a 受多种蛋白质和激酶的高度精确调节，实现钙循环的精确同步，从而完成心脏收缩和舒张过程[11]。收缩期间从SR 释放的Ca2+通过SERCA2a 由肌浆泵入SR 管腔（人类的比例约为70%），剩余的Ca2+主要通过Na+/Ca2+交换器（NCX）进入细胞外，但也可通过线粒体Ca2+单向转运蛋白（MCU）和肌膜Ca2+-ATP 酶（PMCA）进入细胞外，维持心肌细胞Ca2+稳态[10]。在舒张期，SERCA2a 主动将Ca2+转运至SR 管腔，约占Ca2+瞬时再摄取的70%左右[10]。

2 调控细胞内Ca2+稳态的相关受体

2.1 L 型Ca2+通道

L 型Ca2+通道（Cav1.2）是Ca2+进入心肌细胞的主要途径[12]，在兴奋- 收缩耦合中起关键作用。在心肌细胞中，二氢吡啶受体（DHPR）位于SR 锚定蛋白、肌浆网RyR2 附近，这种空间接近性允许去极化的质膜转化为从ER 储存中释放Ca2+。在电压依赖性钙激活过程中，Ca2+通过周期性振荡细胞质中Ca2+的浓度介导心肌细胞的收缩和舒张，精确调节细胞内的Ca2+浓度，以避免发生细胞损伤。

2.2 RyR2

RyR2 是RyR 家族的成员，它是一种大分子同四聚体蛋白复合物，可在心脏的兴奋- 收缩耦合过程中调节SR 释放Ca2+。肌膜去极化导致少量Ca2+进入心肌细胞，这种Ca2+的流入刺激了RyR2 通过SR 大量释放Ca2+，导致胞质内Ca2+的浓度瞬时升高。事实上，单个RyR2簇（8 ～100 个通道）的激活导致的胞质Ca2+浓度增加称为Ca2+流[13]。所有Ca2+的总和激活的RyR2 簇在整个心肌细胞中产生的Ca2+流会导致Ca2+瞬变，从而导致心肌收缩。RyR2 是由调节其活性的不同相互作用的蛋白高度控制的，如FK506 结合蛋白-12.6（FKBP12.6）、钙调素（CaM）、钙Sequestrin-2（CASQ2）、连接蛋白（JCTN）、三氮杂氨酸（TRDN）和β2微球蛋白。RyR2复合物中的其他蛋白质调节RyR2 翻译后修饰的水平，如蛋白激酶A（PKA）、钙离子/ 钙调蛋白依赖激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ）、横纹肌特异性表达的蛋白激酶（SPEG）及蛋白磷酸酶1 型和2A 型（PP1、PP2A）。RyR2 在心脏收缩期间的兴奋- 收缩耦合中起关键作用，包括心脏的节律性收缩和舒张。已有实验表明，活性羰基化合物（RCS）、活性氧（ROS）和活性氮（RNS）应激会在兰尼碱受体（RyR）的一些翻译后修饰中影响其门控和Ca2+敏感性，这会导致DCM 中的RyR 失调[14]。

2.3 肌浆网Ca2+-ATPase（SERCA）

SERCA 泵在心脏兴奋- 收缩耦合和心脏收缩力中起主要作用。该泵由三个基因家族编码，分别是SERCA1、2 和3，它们以几种同种型剪接。迄今为止，已经在蛋白质水平上鉴定了10 多种不同的SERCA 同种型。在心脏组织中，SERCA2a 是主要形式，负责促进SR 中Ca2+的储存。质膜Ca2+ATPase 能够诱导Ca2+从细胞质中流出，其具有较高的Ca2+亲和力，但具有较低的Ca2+运输能力，可以抵消温和且持久的Ca2+在细胞质中的升高[15]。

2.4 钠钙交换体（NCX）

NCX 是位于质膜的生电转运蛋白，催化Na+和Ca2+的反向转运。迄今为止，已鉴定出NCX 的4 种同工型，即NCX1、NCX2、NCX3 和NCX4。NCX1 在Ca2+稳 态中发挥着重要作用，通常通过正向模式操作将一个Ca2+移出细胞外，并交换3 个Na+进入细胞内[16]。早期研究表明，在1 型糖尿病大鼠的心室肌细胞中，NCX 表达降低[17]，电流密度亦降低，电流失活延长[18]。Na+/Ca2+交换器也能诱导Ca2+从细胞质中流出。NCX 具有较低的Ca2+亲和力，但具有较高的Ca2+运输能力，当心肌细胞经历兴奋- 收缩耦合时，可观察到大细胞溶质中Ca2+的变化（幅度和含量变化），这主要是通过NCX 的动态调节实现的，而不是通过Ca2+-ATPase 完成[19]。

2.5 线粒体Ca2+转运蛋白

由于线粒体内膜对Ca2+是不可渗透的，因此Ca2+依赖于转运蛋白在线粒体中积累。MCU 是一种Ca2+转运蛋白，可通过增加[Ca2+]c（胞质Ca2+）并随后从细胞质向线粒体基质摄取Ca2+来激活；解偶联蛋白2（UCP2）也是线粒体内膜上的Ca2+转运蛋白[20]。

3 在DCM 中Ca2+浓度的变化

钙协调富含Ca2+的细胞器（线粒体）和Ca2+相关信号通路，这些信号通路涉及真核细胞的生理和病理过程。其细胞内浓度的变化是控制相关信号通路的主要决定因素。钙对于通过兴奋-收缩耦合和细胞质Ca2+（[Ca2+]c）对心肌细胞中相关信号通路和核基因表达的活性很重要。Ca2+信号传导的干扰或缺陷与DCM 密切相关[21-22]。

3.1 Ca2+超载

DCM 的发展是一个多因素过程，越来越多的证据表明细胞内游离钙[Ca2+]i浓度的缺陷与糖尿病心脏的机械性能受损有关，导致心脏收缩功能障碍[2]。据报道，糖尿病心肌中的Ca2+代谢存在多种异常，包括SR[23-24]和肌膜[25-26]中Ca2+-ATPase 的活性降低。也有报道称，糖尿病心肌中Na+/Ca2+交换活性较低[26]，导致心肌细胞内Ca2+稳态异常。这些报道提示Ca2+超载可能参与了DCM 的发病机制[27]。

3.2 Ca2+对线粒体的影响

最近有研究发现，DCM 的心肌细胞中线粒体Ca2+摄取受损。网状- 线粒体Ca2+失耦联可能在DCM 的早期和可逆性发展中发挥作用，主要破坏线粒体生物能学。在糖尿病心肌细胞中，线粒体Ca2+摄取减少，导致三磷酸腺苷（ATP）生成减少[28]，并有利于ROS 的生成[29]。Pereira 等[30]研究发现，网状体-线粒体-Ca2+偶联的结构和功能改变，导致线粒体-Ca2+稳态失衡和能量中断，是高脂高糖喂养（HFHSD）16 周诱导的DCM 小鼠模型的早期特征，这种HFHSD 诱导的心肌病的特征是线粒体Ca2+摄取减少。可见，线粒体钙处理异常在DCM 的病理生理学中起着关键作用。线粒体的以下特征参与细胞的生理和病理调节：线粒体通过钙单向转运蛋白，介导Ca2+的摄取；线粒体受线粒体动态相关蛋白（OPA1、MFN1/2 和DRP1）的调控，通过不断的裂变和融合形成线粒体网络；线粒体通过三羧酸循环向电子传递链提供还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）以产生ATP；在压力下，线粒体会产生过多的ROS 来调节线粒体-SR的相互作用和相关的信号通路。这些线粒体特征都是钙内流（SOCE）活性的决定因素。SOCE 包括Orai 通道、TRPC 和STIM1，是细胞钙稳态的关键。在心肌细胞的特定病理条件下，Ca2+信号决定了线粒体和SOCE 之间的相互调节。SOCE 和线粒体在DCM 的病理生理过程中起着关键作用。[Ca2+]m摄取对于维持SOCE 活性至关重要，线粒体Ca2+处理受损、ATP 不足和线粒体断裂会阻碍SOCE 通道的开放并减少Ca2+进入糖尿病心肌细胞。

3.3 核Ca2+和基因转录

胞浆Ca2+和核膜与核Ca2+之间存在密切的相互作用。在介导心肌细胞转录调节的Ca2+依赖性途径中，有钙调素、钙调素Ⅱ和钙调神经磷酸酶介导的途径，它们在DCM 中过度活跃。这些途径将参与胎儿基因程序的重新表达，诱导离子通道和转运体的不适应性肥大和重塑，最终导致心脏功能损害[31-32]。事实上，有研究已经证明，在疾病发展过程中，细胞核Ca2+的变化发生在胞浆Ca2+变化之前，这支持了细胞核Ca2+在激活不适应基因程序中的关键作用[5]。

3.4 Ca2+信号转导

1 型DCM（T1D）收缩功能障碍的特征是缩短分数[33]、射血分数和心率降低。研究表明，T1D 收缩功能的变化反映了不同水平的Ca2+信号的变化：1）Ca2+流入；2）细胞内钙循环；3）Ca2+流出。2 型DCM（T2D）的心脏性能缺陷特征是心脏收缩和舒张功能障碍。T2D 收缩功能障碍取决于Ca2+信号改变，如Ca2+触发Ca2+释放，Ca2+流出和舒张期Ca2+释放[33]。研究表明，在高糖饮食诱导的代谢综合征大鼠中，与对照组相比，SR-Ca2+流出显著增加，SR-Ca2+负荷降低，Ca2+瞬态振幅降低[34]。

3.5 Ca2+相关通路

有研究表明，糖尿病会导致PI3K/Akt 通路﹝它是L型钙通道电流（ICaL）的有效调节剂﹞的激活被下调，这种下调触发了糖尿病心肌细胞中ICaL 的减少[35]。目前，DCM 中ICaL 降低的最可能机制是由于胰岛素或胰岛素样生长因子1（IGF-1）减少而影响PI3K/PIP3/Akt 通路[36]。此外，Larocca 等[37]研究发现CXCR4/NF-κB/NCX1 通路与DCM 心肌细胞内Ca2+平衡有关，数据显示，心肌细胞中NCX1 表达的增加可能受CXCR4 依赖性机制的调节，其研究结果表明，通过核因子κB（NF-κB）可调节NCX1 表达，CXCR4 参与NCX1 调节，确立了CXCR4 作为心肌细胞钙稳态的中心介质，CXCR4/NFκB/NCX1 通路可能是DCM 的潜在治疗靶点。

4 通过调节Ca2+浓度改善DCM 的潜在治疗方法

4.1 药物治疗

Jorge Suarez 等首次证明可溶性耐药相关钙结合蛋白（sorcin）过度表达可通过调节胞浆Ca2+流来增强DCM 小鼠的心肌收缩功能[38]。2007 年，Nazmi Yaras等[38]研究证明了坎地沙坦通过使RyR2 磷酸化水平降低可改善DCM 心肌细胞中异常的Ca2+平衡，减轻心肌细胞的收缩功能障碍。Qin 等[39]研究发现，人参皂苷Rb1（Ginsenoside-Rb1）可通过消除蛋白O-GlcN 酰化来调节钙处理蛋白活性且直接抑制RyR2 活性，调节钙信号，从而改善心脏功能。Lu 等[40]研究发现，促红细胞生成素治疗通过抑制SR 应激和诱导SERCA2a 表达，能改善DCM 小鼠的心功能参数。据报道，鞣花酸和姜辣素都是SERCA2 的直接激活剂；灯盏花素通过增加SERCA2a 和RyR2 的表达，对DCM 具有保护作用；白藜芦醇通过激活SIRT1 增加SERCA2a 的表达，能改善糖尿病小鼠的心功能[40]。最近Torre 等[41]研究证明了Istaroxime 可通过SERCA2a 刺激加速Ca2+进入肌浆网并抑制Na+/K+ATP酶（NKA），改善DCM 的心脏收缩功能。

4.2 基因治疗

大量研究已经证明衰竭心脏中SERCA2a 表达降低，进而导致Ca2+稳态改变[42]。因此，使用基因疗法恢复衰竭心脏中SERCA2a 的表达可能具有有益的效果[43]。2002 年，两个不同的研究小组报告，SERCA2a的转基因过度表达改善了小鼠和大鼠的SR Ca2+处理[44]，与对照组大鼠相比，链脲佐菌素（STZ）诱导的糖尿病大鼠心脏SERCA2a mRNA（150%）和蛋白质（26%）以及SR Ca2+摄取（37%）增加；通过使用强力霉素诱导SERCA2a 表达，与对照组相比，糖尿病小鼠的SERCA2a 蛋白降低（60%）；服用强力霉素后，糖尿病小鼠的SERCA2a 过度表达高于对照组，糖尿病心肌细胞的收缩力较实验组相比接近正常化。SERCA2a 过度表达可以改善DCM 的心肌收缩力[10]。

5 讨论

糖尿病是一种复杂的综合征，DCM 是多种改变最终演变为HF 的结果。近年来DCM 的发病率不断增高，这就需要在分子水平上对DCM 的发病机制有更深入、更好的了解，其中Ca2+稳态的失衡在DCM 发生发展中的作用至关重要。以上研究表明，在一定阶段实现Ca2+稳态失衡的逆转，可在一定程度上预防DCM 的发生或延缓其发展，为DCM 的治疗提供了新的方向。