代谢重编程在心房颤动发生中作用的研究进展

缪昊真，陶 磊，宋冰洁，张奇军

宁波大学附属人民医院 心内科，浙江 宁波 315000

心房颤动,简称房颤(atrial fibrillation,AF)是临床上常见的心律失常。随着经济的发展,房颤的发病率逐年上升且造成极大的社会负担。由于目前诊断手段及治疗手段的局限,房颤的诊出率及治疗效果并不理想。目前,房颤的发病机制尚不明确,这也是制约房颤发展的原因之一,传统观念认为房颤的触发机制与心房及肺静脉内的异常兴奋灶相关。维持机制包括多子波折返、局灶激动、转子学说。最近研究表明,虽然房颤的流行病学得到了很好的控制,但是房颤相关的病死率及致残率仍呈现出上升趋势,这表明其他因素可能与房颤的发生有关,尤其是代谢重编程在房颤中的作用,近几年更是引起了广大学者的关注。

1 代谢重编程简介

代谢重编程是指为应对病理状态,原有的代谢模式发生改变,进而满足能量供应的需求。正常生理情况下,心脏的收缩及基础代谢主要由脂肪酸代谢(70%～90%)提供,剩下的10%～30%则是由葡萄糖、氨基酸代谢提供。在房颤患者中,为了应对快速无序的电生理活动,可以观察到心脏发生了代谢重编程。此时,心肌原本以脂肪酸代谢为主的代谢模式向糖酵解或氨基酸代谢转变,进而导致心房电生理与心房结构发生一系列改变[1]。近年来,这一现象引起了广大学者的兴趣。

2 代谢重编程与房颤

2.1 脂质代谢异常与房颤

正常生理情况下,心脏所需要的能量主要由脂质代谢所提供,在房颤患者中,脂质代谢异常是目前的研究热点。肥胖人群中往往伴随着脂质代谢异常,肥胖介导的房颤部分归因于离子通道和结构重塑的联合作用。在动物实验中可以发现,饮食诱导肥胖小鼠的心脏钠通道表达、钠电流(sodium current,INa)和心房动作电位持续时间(action potential duration,APD)减少,钾通道(Kv1.5)表达和超快速延迟整流钾电流(ultra-rapid potassium current,IKur)、F2-异前列腺素(F2-isoprostanes)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX2)、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)以及心房纤维化显著增加[2],此时小鼠的正常的电生理活动及心房结构发生改变,而上述改变则是引起房颤的主要原因。极低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)曾一度被认为是房颤的高危因素,在代谢综合征(metabolic syndrome,MetS)患者中,极低密度脂蛋白通过在转录、翻译和翻译后水平调节基质相互作用分子1(stromal interaction molecule 1,STIM1)来抑制钙离子内源储存量介导的钙离子内流(store-operated Ca2+entry,SOCE),从而抑制钙调磷酸酶(calcineurin)-NFAT通路,进而导致心房组织中肌丝蛋白表达的改变和肌节紊乱[3],从而增加罹患房颤的风险。带负电荷的极低密度脂蛋白(negatively charged VLDL,VLDL-χ)是在代谢综合征患者中所发现的脂蛋白,它与极低密度脂蛋白相比具有更高的细胞毒性,是目前的研究热点。现有学者认为带负电荷的极低密度脂蛋白对心房组织发挥细胞毒性,最终导致心房重构[4],进而诱发房颤。众所周知,高胆固醇血症是心血管系统疾病的危险因素之一,然而一项流行病学调查研究显示总胆固醇水平(total cholesterol,TC)、极低密度脂蛋白胆固醇(very low-density lipoprotein cholesterol,VLDL-C)水平与房颤的发病率呈负相关[5]。这一现象被称为胆固醇悖论(cholesterol paradox)。目前关于胆固醇悖论的研究并不是很深刻。有学者认为胆固醇参与JPH2(junctophilin-2)蛋白和T管的结合以及L型钙通道(L-type calcium channels,LTCC)活性的调节。当胆固醇耗竭时,L型钙通道的数量明显减少,最终导致耦联膜复合物(junctional membrane complexes,JMCs)的破坏和T管的重塑[6],从而产生心房重构。而心房重构则可以诱发房颤。多数人认为三酰甘油(triglyceride,TG)是房颤的危险因素之一,然而最近的流行病学结果显示TG的水平与房颤的发生无显著相关性[7]。

脂肪酸根据碳氢链饱和与不饱和可分为3类,即:饱和脂肪酸(saturated fatty acid,SFA),单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid,MUFA),多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA),ω-3和ω-6多不饱和脂肪酸也是当下研究热点之一。ω-3 多不饱和脂肪酸主要包含α-亚麻酸(α-linolenic acid,ALA)、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)、二十二碳五烯酸(docosapentaenoic acid,DPA)及二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA);ω-6多不饱和脂肪酸主要包含亚油酸和花生四烯酸。一项前瞻性的随访研究认为高浓度的ω-6 多不饱和脂肪酸与房颤较低的发生率有关。此外,较高浓度的ω-3多不饱和脂肪酸(尤其是EPA和DHA)似乎存在种族差异,其与白人或华裔美国人的房颤风险无关,但与黑人和西班牙裔美国人的风险降低相关(仅DHA)[8]。目前研究认为ω-3多不饱和脂肪酸的摄入可以减少心血管疾病的发生,在动物实验中可以观察到,与房颤组(空白对照组)相比,在经过ω-3多不饱和脂肪酸干预后,内质网应激相关蛋白表达水平,炎性细胞因子,肿瘤坏死因子-α(TNF-α)均显著下调,实验动物的心房电重构显著减弱,心房颤动易损性显著降低,心肌细胞凋亡也显著减少,最终减少实验动物通过电刺激诱发房颤的可能性[9]。一项流行病学研究证实摄入ω-6多不饱和脂肪酸可以减少房颤的风险,其背后的机制目前尚不清楚,可能与降低血管硬度和血管阻力、促进内皮血管舒张和提高脉搏速度有关[10]。

脂肪酸根据碳链长度的不同又可将其分为:短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA),中链脂肪酸(medium-chain fatty acid,MCFA),长链脂肪酸(long-chain fatty acid,LCFA)。通过代谢组学检测,可以发现房颤患者中的肠道微生物群与短链脂肪酸合成相关基因被破坏,其特征是KEGG邻位基因、合成酶基因和宿主物种的丰度降低[11]。房颤患者的粪便短链脂肪酸水平显著降低,从阵发性到持续性房颤呈下降趋势。在动物实验中发现,低纤维饮食小鼠的体表心电图显示P波持续时间延长,超声心动图显示左心房直径增加,缺乏膳食纤维增强了突发性起搏下对房颤的敏感性,而短链脂肪酸的补充则体现出保护作用。短链脂肪酸可防止心房组织中的无序纤维化、胶原表达和NLRP3炎性小体激活等一系列病理改变。并且可以通过GPR43/NLRP3信号传导减轻房颤的发展[12]。至于中链脂肪酸,长链脂肪酸对房颤的影响不明确,目前鲜有文献报道。

2.2 糖代谢异常与房颤

糖代谢异常作糖尿病的最显著特征,会导致罹患房颤的风险高于健康人。既往的研究发现糖代谢异常会改变心房原有的结构以及电活动,通过氧化应激来诱发房颤。葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白(glucose transporter,GLUT)转运到细胞中是葡萄糖利用的限速步骤。在动物实验中可以发现,与对照组相比,胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)动物表现出对诱发房颤和自发房颤的易感性增加。胰岛素刺激的GLUT4和GLUT8易位在胰岛素抵抗动物的心房中以及它们的总蛋白质表达下调。胰岛素信号调节失调导致心房葡萄糖转运受损,可能提供代谢性心律失常的底物,并成为房颤的新的早期致病因素[13]。当GLUT4和GLUT8转运的下调,可以引起心脏葡萄糖摄取减少,最终导致ATP产生的总体减少。这可能与心脏离子泵(例如Ca2+离子泵)的功能异常密切相关。而心房肌细胞内向钙电流的改变和随后动作电位持续时间的缩短是房颤的致病因素[14]。

目前研究发现,在动物实验和细胞实验中,Zucker糖尿病肥胖(Zucker diabetic fatty)大鼠和经高浓度晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGE)处理的HL-1细胞心房组织,离子通道蛋白(Kv4.3、Kv1.5和Cav1.2)表达显著下调[15]。另外,在经链脲霉素(streptozotocin,STZ)诱发的糖尿病小鼠心房中和经晚期糖基化终末产物处理的HL-1细胞中,p16和视网膜母细胞瘤(retinoblastoma,Rb)蛋白水平升高。晚期糖基化终末产物增加了p16/Rb蛋白的表达和SA-β-gal阳性细胞的数量,延长了动作电位持续时间,降低了Cav1.2、Kv1.5的蛋白水平,以及Ica,L、IKur的电流密度[16]。通过与正常小鼠对比,db/db小鼠对房颤表现为高度敏感,这与心房传导速度降低、动作电位持续时间延长以及左心房和右心房复极异质性增加有关。同时在db/db小鼠中可以发现,心房K+电流,包括瞬时外向电流Ito(transient outward current)和IKur减少。Ito的减少与Kcnd2 mRNA表达和KV4.2蛋白水平的降低相关。而IKur的减少与基因或蛋白质表达变化无关[17]。此外,在糖尿病的状态下,NLRP3炎性小体/caspase-1/Gal-3信号通路与房颤密切相关。在损伤相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns/damage-associated molecular pattern,PAMPs/DAMP)的介导下,细胞启动由NLRP3,衔接蛋白质 ASC和procaspase-1组成的多蛋白复合物,以激活炎性反应。同时过度活跃的NLRP3信号传导促进RyR2和caspase1介导的细胞焦亡(pyroptosis)的表达,导致心律失常增加,炎性细胞因子分泌导致纤维化[18]。

此外,细胞器功能异常(例如线粒体功能异常,内质网应激)是一个普遍的现象。通过对房颤患者的心房进行活检后,可以发现线粒体功能障碍,表现为ATP水平异常、线粒体应激伴侣上调和线粒体网络断裂。线粒体功能障碍则可以通过部分阻断或下调线粒体钙单转运蛋白来防止线粒体Ca2+内流的增加[19],最终导致电生理重构,而电生理重构则与房颤密切相关。IP3R1-GRP75-VDAC1复合物能调控Ca2+从内质网转移至线粒体中。通过动物实验发现,当发生内质网应激时,IP3R1-GRP75-VDAC1复合物蛋白表达增加,而该化合物可介导内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)—线粒体相关内质网膜(mitochondria-associated ER membranes,MAM)—线粒体氧化应激,这在心房重构中发挥重要作用[20]。目前认为微管网络介导肌浆网和线粒体之间的接触(sarcoplasmic reticulum and mitochondrial contacts,SRMC)破坏可能在临床房颤,尤其是糖尿病相关房颤中发挥关键作用。在细胞及动物实验中,在心率过快(模拟房颤)和高糖(模拟糖尿病)的条件下,HL-1心肌细胞(钙瞬时丢失)和果蝇(心率降低和心律失常增加)的收缩功能被显著损害,此外,快速起搏和高糖均显著降低了肌浆网和线粒体之间的接触以及线粒体融合蛋白2(mitofusin 2,MFN2),并导致线粒体功能障碍。在流行病学调查中发现,与对照组患者相比,持续性房颤患者右心房附件中,二者的水平显著降低,糖尿病患者的情况更为严重[21]。

2.3 氨基酸代谢异常与房颤

高同型半胱氨酸血症是常见的氨基酸代谢异常。目前认为同型半胱氨酸(homocysteine,Hcy)的水平与房颤呈正相关。同型半胱氨酸是甲硫氨酸循环的中间代谢产物,是一种具有细胞毒性的含硫氨基酸。在动物实验中,高同型半胱氨酸血症会通过增加Nav1.5和IP3R1的蛋白质表达水平,进而使细胞内Ca2+水平增加,延长动作电位持续时间[22]。而这些变化则会导致电生理重构,进而诱发房颤。另外结合动物实验,可以观察到在高同型半胱氨酸血症小鼠中,TRPC3上调,SIRT1下调,心房呈现更高水平的纤维化。研究人员认为SIRT1的下调是高同型半胱氨酸的一个致病因素,TRPC3通过其C末端直接与SIRT1结合,以调节TGF-β通路,进而引发房颤[23]。

目前D-谷氨酸对房颤的影响也是当下的研究热点。通过代谢组学,可以观察到,在房颤进展过程中,代谢途径发生了重大改变,其中就包括D-谷氨酸代谢[24]。而在大鼠心房心肌细胞的质膜下有大量含有谷氨酸的小泡。大鼠心房心肌细胞表达谷氨酸能递质系统的关键元素,如谷氨酸代谢酶、离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptors,iGluRs)和谷氨酸转运体[25]。当D-谷氨酸代谢发生必然影响心房心肌细胞的电生理活动,进而引发房颤。

3 问题与展望

代谢重编程是近年来研究热点之一,它在房颤的诱发及维持起到了重要的作用。然而在代谢重编程中,氨基酸代谢异常对房颤的影响较少,因此探究氨基酸代谢异常对于房颤的研究还需深入进行。同时根据代谢重编程的发生,研究人员发现,通过干预某些位点,可以改善实验动物的已紊乱的电生理活动和心房结构,从而达到治疗目的。然而上述这些研究仅仅局限于动物学实验,很难应用于实际临床工作中。因此,通过药物干预代谢重编程也是今后的研究方向之一。