糖尿病所致心室电重构及其机制*

张雷 刘欢欢 王如兴

糖尿病长期高血糖可导致心室异常电重构,主要包括钠、钾和钙离子通道异常,进而引起心室肌除极和复极异常,是导致室性心律失常和心脏性猝死发生的重要原因[1-2]。因此,阐明糖尿病心室电重构的细胞与分子机制,对于预防糖尿病相关室性心律失常的发生,发现潜在治疗的靶点等具有重要意义。笔者主要从心室除极异常和复极异常两方面综述糖尿病对心室电重构的影响及其可能的机制。

1 离子通道重构与除极异常

糖尿病心室肌细胞钠离子通道翻译后修饰及功能异常,在心律失常的发生中起重要作用[3]。近期一项研究显示高糖可增加钠离子通道1.5(Nav1.5)的磷酸化修饰从而导致钠通道的激活速率下降。该研究利用瞬时共转染人Nav1.5α-亚基c DNA 的中国仓鼠卵巢细胞和诱导多能干细胞衍生的人心肌细胞进行研究,分为正常血糖组和葡萄糖干预组(100 mmol/L),结果显示葡萄糖干预组细胞内的蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)激活,Nav1.5 蛋白发生磷酸化修饰,钠通道的半激活电压增加(P＝0.001),使用PKA 抑制剂(H-89)和PKC抑制剂(Gö6983)后,可部分恢复钠通道的半激活电压(H-89:P＝0.010 8;Gö6983:P＝0.020 3),但血糖升高时,PKA 和PKC与通道蛋白磷酸化之间是否存在直接的因果关系及具体磷酸化位点有待进一步研究[4]。

峰钠电流密度降低可导致心室电信号传导速度下降。Stables等[5]研究显示16 周的1 型糖尿病兔的心脏电信号传导速度较正常组明显下降[(0.46±0.02)m/s vs(0.53±0.02)m/s,P＜0.05],在-40 mV 的电压下,糖尿病组的峰钠电流密度降低[(-15.42±1.17)p A/p F vs(-22.59±1.83)p A/p F,P＜0.02],Nav1.5的蛋白表达降低(P＜0.05),但其mRNA 表达没有变化(P＞0.05),提示糖尿病时可能存在钠离子通道的降解增多。此后,Yu等[6]在1型糖尿病大鼠以及暴露于高血糖条件下的原代心肌细胞中发现,细胞膜上的Nav1.5蛋白表达降低,在细胞质中聚集分布,研究者进一步利用免疫共沉淀探究其原因,结果显示Nav1.5发生了氧连接的氮乙酰葡糖胺(O-GLc NAc)糖基化修饰,导致钠通道蛋白降解增多和转运障碍,从而使得钠通道蛋白出现表达、分布异常,峰钠电流下降[(-198.74±20.44)p A/p F vs(-238.58±37.26)p A/p F,P＜0.05],这可能是糖尿病致室性心律失常发生的机制之一,但具体的O-GLc NAc糖基化位点有待进一步探究。

2 离子通道重构与复极异常

糖尿病致心室电重构除了除极异常外,研究最多的是心室复极异常。心室肌复极异常涉及多个离子通道特性的改变。目前,糖尿病导致心室肌复极异常的机制尚不完全清楚。

2.1 晚钠电流(INa,late) 心肌细胞钠通道在1 ～2 ms内激活,随后会很快失活,但在病理状态下,失活后可重新开放,产生一种持续的电流成分,称为INa,late,可影响动作电位时程(APD),诱发室性心律失常的发生,目前,以INa,late为靶点的抗心律失常药物已被广泛研究[7]。

Hegyi等[8]利用急性分离的正常兔心室肌细胞,给予30 mmol/L高糖和1μmol/L的INa,late抑制剂GS-967同时孵育6 min,结果显示INa,late抑制剂可明显改善因高血糖导致的心室肌细胞APD 延长(P＜0.05)。关于高血糖导致INa,late增加的机制,Fouda等[9]利用中国仓鼠卵巢细胞瞬时共转染编码人类Nav 1.5α-亚基的c DNA,分别在正常糖(30 mmol/L)和高糖(50 mmol/L)条件下培养24 h,结果显示与正常糖组相比,高糖组氧化应激增加,导致钠通道的电压依赖性曲线右移,快速失活后恢复时间缩短,INa,late增加[(-2.40±0.85)n A/p F vs(-2.05±0.61)n A/p F,P＜0.05],APD 延 长(P＜0.05)出现3型长QT 综合征表现。此外,在糖尿病心室肌中,Nav1.5的翻译后修饰也可引起INa,late的增加。有研究利用2月龄的正常小鼠和心脏Nav1.5的丝氨酸571位点突变小鼠作为研究对象,与正常组小鼠相比,突变组小鼠的心肌组织中丝氨酸571位点磷酸化的Nav1.5缺失,Nav1.5的表达和定位不变,但功能学结果显示突变组小鼠的INa,late密度明显增加(P＜0.05),提示Nav1.5的丝氨酸571位点磷酸化修饰可引起INa,late增加。为寻找可引起Nav1.5丝氨酸571位点磷酸化的上游分子,使用免疫荧光技术,结果显示钙离子-钙调蛋白依赖的蛋白激酶II(Ca MKII)与Nav1.5在心室肌细胞中存在共定位,可能是调节Nav1.5 丝氨酸571位点磷酸化的重要上游分子,但二者的具体作用机制尚需进一步探究[10-11]。

2.2 钾离子电流 瞬时外向钾离子电流(Ito)是啮齿类动物心室复极1期的主导电流,在人类心室肌中主要由Kv4.2和KV4.3蛋白组成,在心外膜分布较多,存在跨壁差异。糖尿病时Ito降低,APD 延长,易于诱发早后除极。Hegyi等[12]构建了急性高糖和慢性高糖两种模型,其中急性高糖模型利用急性分离的正常大鼠(10～14周)、小鼠(10～12周)和兔(3～4月)心室肌细胞,均分别给予5.5 mmol/L 和30 mmol/L的葡萄糖干预6 min,而慢性高糖模型分别为使用50 mg/kg链脲佐菌素(STZ)诱导并建模4周的1型糖尿病小鼠、高脂饮食16周的2型糖尿病小鼠以及10周的db/db 2型糖尿病小鼠,分别与各自的正常对照组相比,急性和慢性高糖模型均可导致Ito电流密度的降低(P＜0.05),其通道形成的亚单位Kv4.3或Kv4.2表达降低(P＜0.01),但其门控动力学特性无明显改变(P＞0.05)。快速延迟整流钾电流(IKr)和缓慢延迟整流钾电流(IKs)形成动作电位的3 期,与心律失常的发生明显相关。Hegyi等[12]同样利用以上研究中的三种慢性高糖模型探索高糖对IKr和IKs的影响,结果表明三种糖尿病模型的心室肌细胞均显示出IKr和IKs降低(P＜0.05)。Ashrafi等[13]对接受主动脉瓣置换手术的2型糖尿病和正常患者心室肌组织进行提取并检测,结果显示参与形成IKr的mRNA 表达在2 型糖尿病患者心室肌组织中下降65.24%。IKr通道在心室肌中表达较少,有研究利用四氧嘧啶建模10周的1型糖尿病兔作为模型,急性分离其心室肌细胞,免疫荧光结果表明,与正常组相比,糖尿病组的心室肌细胞上超IKur孔形成蛋白Kv1.5有表达降低的趋势,可能是导致复极延长的原因之一[14]。

内向整流钾电流(IK1)是心室肌复极电流的一部分。既往研究使用10周的四氧嘧啶诱导的糖尿病兔和STZ 诱导的糖尿病小鼠为模型,发现两种糖尿病模型心室肌细胞的IK1几乎没有影响[13]。然而,有研究者使用瘦素受体敲除的2型糖尿病db/db小鼠(10周)和50 mg/kg的STZ建立的1型糖尿病小鼠(9周)两种糖尿病模型,急性分离其心室肌细胞,分别置于正常糖(5.5 mmol/L)和高糖(30 mmol/L)条件下孵育6 min,无论是正常组还是糖尿病组心室肌细胞在高糖孵育后均显示出IK1的增加(P＜0.05),具体机制不清,可能是机体对急性高血糖引起的舒张期钙漏增加和后去极化产生的一种保护作用[12]。因心肌细胞中钾离子通道的分布存在较大的物种差异。上述研究结果不一致不排除是因为物种、糖尿病类型以及糖尿病动物造模时间长短等不同所致。

目前关于糖尿病心室肌细胞钾离子电流异常的机制尚不清楚。可能的机制有:①在建模8～10周的STZ(50 mg/kg)诱导1型糖尿病小鼠心室肌组织中,白介素1β(IL-1β)表达增加,为了探究IL-1β在糖尿病心室电重构方面的作用机制,研究者在急性分离的心室肌细胞中加用10 ng/mL IL-1β孵育24 h后,心室肌细胞Ito电流下降(P＜0.05),提示糖尿病可导致IL-1β表达增加,进而导致Ito电流下降[15];②糖尿病时细胞的代谢状态受损会影响心肌细胞的钾离子电流。有研究对高脂饮食32周的肥胖小鼠和12周的db/db 2型糖尿病小鼠肌组织中的腺苷酸活化的蛋白激酶α(AMPKα)蛋白表达进行检测,结果发现与正常组小鼠相比,肥胖和糖尿病小鼠中的A MPKα蛋白表达下调(P＜0.05),研究者进一步利用免疫共沉淀技术证实高糖状态下,E3泛素连接酶MG53可与A MPKα结合并介导其降解和失活[16],但在100 mg/kg的STZ建模10周的糖尿病小鼠心室肌细胞中,加用A MPK 激动剂AICAR 500μmol/L 孵育后,并不能改善糖尿病引起的Ito和IKs下降(P＞0.05),因此,关于A MPK 与糖尿病心肌钾电流的关系仍需进一步研究[14];③体外急性高糖刺激正常大鼠、小鼠和兔心室肌细胞,可激活PKC/NOX2/ROS通路导致Ito降低(P＜0.05),在急性加用O-糖基化抑制剂或敲除Ca MKIIδ后,对慢性1型和2型糖尿病小鼠心室肌细胞进行高糖刺激,可部分恢复钾离子通道的表达下调以及Ito和IK1的减少(P＜0.05),说明O-Glc NAc修饰及Ca MKIIδ的过度活化均可调节钾离子通道的特性[12];④胰岛素同样可调节心室肌细胞的离子通道,有研究对24个月的胰岛素抵抗大鼠每日进行2 IU/kg胰岛素治疗2周,可明显恢复心室肌细胞的IKs(P＜0.05),缩短APD(P＜0.05)[17]。

2.3 钙离子电流与钙稳态 在心室肌细胞中,L-型钙离子通道和各种钙离子调控蛋白共同维持细胞内的钙稳态。任何一个环节出现异常,均可能诱发心律失常的发生。Popescu等[18]利用一种迟发2型糖尿病的HIP大鼠作为模型,研究显示虽然糖尿病组心室肌细胞胞浆中Ca2＋浓度较正常组降低[(89±3)μmol/L vs(110±6)μmol/L,P＜0.01],但在糖尿病大鼠的心室肌细胞中,产生触发细胞内钙波所需的Ca2＋阈值含量明显降低[(58±7)μmol/L vs(118±22)μmol/L,P＝0.04],进而引起心室肌细胞内迟后除极(DAD)明显增加(P＜0.05),促使室性心律失常的发生。糖尿病会导致心室肌细胞膜上的L-型电压门控钙离子通道异常,但目前尚有争议。Al Kur y等[19]使用12周的2型糖尿病GK 大鼠和同周龄的正常大鼠作为研究对象,结果显示在0 mV 钳制下,糖尿病组心室肌细胞的L-型钙离子电流(ICa-L)没有显著改变(P＞0.05),但细胞中Ca2＋瞬变较对照组均显著增加(P＜0.05),提示糖尿病可能存在心肌Ca2＋转运功能异常,此结果在另一研究中同样被证实。研究者利用12个月龄的2型糖尿病GK 大鼠和同月龄的正常大鼠作为研究对象,结果显示两组的ICa-L没有明显改变(P＞0.05),但2型糖尿病GK 大鼠的心室肌细胞内钙瞬变的半衰期明显延长(P＜0.05),可能与其细胞内钙离子转运异常有关[20]。相反,在造模4周的1型糖尿病大鼠中,与正常大鼠相比,糖尿病大鼠心室肌细胞内的活性氧水平增加[(126±5)F/F0vs(89±10)F/F0,P＜0.005],ICa-L降低(P＜0.005)[21]。此外,Wang等[22]利用150 mg/kg的STZ 建立1 型糖尿病小鼠模型,建模4周后,糖尿病组心室肌细胞的ICa-L电流密度增 加[(-4.24±0.17)p A/p F vs(-1.64±0.14)p A/p F,P＜0.005],且编码L-型钙通道的CACNA1C 基因和Cav1.2蛋白上调(P＜0.005)。另有研究发现在使用60 mg/kg的STZ建立的1型糖尿病大鼠中,12周后分别分离其内膜和外膜心室肌细胞进行ICa-L检测,结果显示与正常组相比,糖尿病组心脏外膜的心室肌细胞的ICa-L增大(P＜0.05),而内膜的ICa-L较正常组降低(P＜0.05),这可能会导致复极离散度增加[23]。

糖尿病可通过多种机制导致心室肌兰尼碱受体2(Ry R2)的过磷酸化修饰,引起其功能紊乱。最近一项研究选用2型糖尿病的HIP大鼠,结果表明糖尿病时Ca MKII介导的Ry R2磷酸化较正常组增加3倍(P＜0.05),促使Ry R2介导钙释放所需的ICa-L阈值降低,即使在内质网内总的钙含量降低的情况下,同样可以引起钙火花增加(P＜0.05),导致DAD 产生增加(P＜0.05)[18]。Hegyi等[24]对使用50 mg/kg STZ建模的1型糖尿病和正常小鼠作为研究对象,建模4周后发现,糖尿病时Ca MKII依赖性的Ry R2 S2814磷酸化较正常组相比增高1.93倍,舒张期钙漏是正常小鼠的4倍(P＜0.05)。以上研究提示糖尿病时Ca MKII激活增加,可引起Ry R2磷酸化增加。另有研究发现含Rho相关卷曲螺旋蛋白激酶2(ROCK2)在造膜13周的1型糖尿病大鼠心脏中较正常大鼠表达升高,Ry R2磷酸化增加,心室肌细胞内钙漏增加,而敲减ROCK2的1型糖尿病小鼠可降低磷酸化Ry R2的表达(P＜0.05),同时减少心室肌细胞内的肌浆网钙漏(P＜0.05),维持细胞内的钙稳态[25]。

研究显示,在8周的1型糖尿病大鼠心室肌组织中,糖尿病动物心室肌细胞中肌浆网Ca2＋-ATP酶(SERCA)的表达下降(P＜0.05),同时抑制其活性的受磷蛋白表达增加(P＜0.005)导致细胞内Ca2＋回收至肌浆网异常,胞质中Ca2＋增加,易触发DAD[26]。Hegyi等[24]采用建模4周的1型糖尿病小鼠和正常小鼠心室肌组织,利用免疫共沉淀技术证实,与正常组相比,糖尿病组心室肌组织中受磷蛋白的OGLc NAc糖基化修饰增加26%(P＜0.05),SERCA 活性降低,限制肌浆网Ca2＋再摄取,导致胞质内钙离子浓度增加,诱发DAD。

3 新型降糖药物对糖尿病心室电重构的影响

钠-葡萄糖协同转运蛋白2 抑制剂(SGLT2i)是由达格列净、恩格列净、卡格列净等组成的新型降糖药物。近年来,越来越多的研究显示钠葡萄糖共转运体抑制剂可改善糖尿病导致的异常电重构,降低糖尿病患者室性心律失常的风险[27]。Lee等[21]研究发现SGLT2i恩格列净10 mg/kg治疗4周后糖尿病大鼠心室肌细胞INa,late降低[(-0.51±0.03)p A/p F vs(-0.67±0.07)p A/p F,P＜0.05],胞内钙瞬变持续时间减少[(228±32)ms vs(345±39)ms,P＜0.05],其原因是由于使用恩格列净治疗后可明显降低心室肌细胞内的活性氧水平[(88±5)F/F0vs(126±5)F/F0,P＜0.05]。同时Jhuo等[28]用代谢综合征大鼠体内脂肪因子培养H9C2细胞18 h后,加入恩格列净,可明显恢复脂肪因子导致的心室肌细胞钾电流降低(P＜0.05)。另外,有研究使用转基因的2 型糖尿病KK-Ay小鼠恩格列净灌胃8 周后,结果显示恩格列净可明显改善糖尿病小鼠的左室射血分数[(0.74±0.06)vs(0.60±0.07),P＜0.001],降低心肌细胞内的氧化应激水平(P＜0.05),减少心肌纤维化(P＜0.05)[29]。Durak等[30]以高脂诱导的代谢综合征大鼠为研究模型,使用胰高血糖素样肽-1受体激动剂利拉鲁肽灌胃治疗4周,研究发现利拉鲁肽治疗可降低因代谢综合征引起的细胞内钙离子浓度增加(P＜0.05),升高钾离子电流幅度(P＜0.05),稳定线粒体膜电位,缩短APD和QT间期(P＜0.05)。

4 小结

糖尿病通过增加心室肌细胞氧化应激、炎症等机制导致心室肌离子通道重构,影响心室肌细胞的除极和复极,进而导致糖尿病相关室性心律失常和心脏性猝死。然而,糖尿病致心室肌细胞电重构的细胞和分子机制仍不完全清楚。因此,进一步深入研究糖尿病致心室电重构及其细胞和分子机制至关重要,研究结果可能为糖尿病致室性心律失常的预防和治疗提供新靶点。