心房能量代谢重塑和PPARγ靶向干预在心房颤动中的研究进展

喜林强 孙华鑫 商鲁翔 汤宝鹏 周贤惠

(新疆医科大学第一附属医院心脏起搏与电生理科/新疆心电生理与心脏重塑重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830054)

心房颤动(房颤)是最常见的心律失常,全球约6 000万患者[1]。最新流行病学调查[2]显示中国成年人(年龄≥45岁)的房颤患病率约为1.8%,年龄>75岁的房颤患病率为5.4%(男)和4.9%(女)。房颤所致的脑卒中、心力衰竭和阿尔茨海默病等相关并发症严重危害着国民生命健康及影响生活质量,已成为中国公共卫生的沉重负担[3]。目前的研究[4]表明房颤的维持和进展与心房重塑密切相关。近年来心肌能量代谢重塑备受关注,人们逐渐认识到心脏代谢和线粒体功能的改变先于心脏功能的改变,这表明心肌能量代谢重塑是心脏疾病进展的早期事件[5]。由于房颤快速心房节律,心房肌细胞能量代谢也随之变化,长期能量代谢表型转换会导致心房肌细胞能量供需失衡,触发线粒体损伤,参与心房重塑进程。然而,过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor,PPAR)被认为是微调节细胞能量代谢的开关,PPARγ调节细胞精细代谢过程。因此,现拟对心房能量代谢表型及PPARγ靶向干预在房颤领域的相关研究进行综述,从心房能量代谢重塑角度为房颤防治整合积累研究证据。

1 结构重塑与电重塑

心房重塑和改变,通过介导心房肌细胞自律性变化、电生理特性变化、细胞间通信障碍、细胞间传导异常、心房间质改变等进一步参与触发活动和心房基质的形成[6]。结构重塑指心房肌实质和间质的超微结构改变,包括心房肌细胞、心房成纤维细胞等的变化。心房电重塑是指房颤引起心房肌有效不应期缩短、动作电位时程缩短和传导速度减慢等心房电生理学特性[7]的改变。同时,离子通道水平的重塑促使折返形成和房颤启动[8],Ca2+自发性释放事件、细胞内钙振荡、钙火花异常等诱发心房复极化的异质性,形成折返和房颤的发生[9]。

2 房颤中的心肌能量代谢重塑

心肌能量代谢稳定是维持心脏组织构造更新和内环境稳态的基础。心脏能量产生途径主要包括:(1)糖酵解;(2)葡萄糖氧化;(3)脂肪酸氧化;(4)三羧酸循环;(5)线粒体中电子传递链。线粒体氧化还原反应产生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),同时也产生副产物活性氧(reactive oxygen species,ROS)。正常情况下,心脏所需能量的70%来源于脂肪酸β氧化,10%～30%来源于葡萄糖代谢。为了满足能量需求,心脏通过转变底物代谢模式来产生ATP。为了快速获能,糖酵解途径增强,丙酮酸-乳酸代谢轴激活,葡萄糖通过糖酵解途径转化为丙酮酸作为ATP合成的底物。一方面,随着糖酵解模式的逐渐减弱,短期内葡萄糖利用率将提高,但长期内会逐渐适应不良[10];另一方面,脂肪酸氧化模式的逐渐增强将会增加脂肪酸摄取,而线粒体氧化能力不足造成“脂毒性”心肌损伤。

房颤的代谢变化与氧、营养输送减少和/或能量需求增加有关。房颤相关代谢应激涉及增加代谢需求的变化(心脏做功和能量消耗增强)以及限制能量供应的变化(冠状动脉储备、能量底物供应和氧气输送的限制)。当能量供需失衡,心肌细胞代谢表型出现适应性改变。“代谢性重塑”是指在房颤发生后,短时间内即可出现能量代谢的异常,包括心肌细胞磷酸化低、葡萄糖氧化关键酶上调[11],可能是心房肌重塑的基础。虽然这种代谢模式的转化短期内提高了心肌细胞代谢效率,但随着时间的推移,长期线粒体功能不全会减少能量储备并恶化心脏电、机械功能,从而促进房颤底物的发展[12]。Warburg效应是一种伴随乳酸生成的高速率有氧糖酵解途径。有研究[13]提示该效应参与了房颤时心房“胎儿代谢表型”的转化,此过程中糖的氧化磷酸化受到抑制。据此,Hu等[14]提出Warburg效应参与了房颤的发生与发展,而抑制该效应可改善房颤犬的心房纤维化。

2.1 线粒体功能障碍和ROS过载参与房颤进程

线粒体是产生ATP的主要场所,也参与了Ca2+稳态调节及细胞质内的Ca2+缓冲,进而介导心脏兴奋-收缩耦联[15]。线粒体通过自身DNA编码线粒体蛋白,维持线粒体形态、功能和心脏生理功能[16]。房颤患者的心房肌细胞中,氧化应激和线粒体DNA损伤普遍存在,提示线粒体的生物能量功能受损和房颤发生、进展之间存在相关性。在起搏诱导的HL-1细胞房颤模型中,已观察到ATP水平降低、线粒体膜电位损失和线粒体网络断裂,易化房颤底物参与房颤进展[17]。此外,当线粒体功能受损,细胞内ATP浓度降低时,肌膜KATP开放,增加的KATP使膜超极化并缩短动作电位时程,促进房颤折返发生[18]。

ROS产生速率和清除机制决定着组织或细胞的健康状态[19]。当ROS产生过量或抗氧化系统清除活性降低时,ROS的平衡随之紊乱,导致房颤发生[19]。ROS过载所驱动的氧化应激反应会加剧线粒体损伤,自身DNA破坏、线粒体膜通透性转换孔开放、细胞色素C逃逸、代谢信号通路异常激活,甚至核DNA损伤及基因组不稳定,最终促进心房重塑和房颤进展[20]。同时ROS的蓄积还可以介导细胞膜上多种通道转运体功能和离子流的变化。在线粒体氧化应激情况下,Na+电流构成的慢失活电流部分增加,延长动作电位时程。此外,ROS可致细胞质Ca2+超载,肌质网的Ca2+减少,使动作电位及后除极延迟,导致收缩功能障碍及Ca2+依赖的信号转导障碍等,进而引发异位激动产生和心肌细胞凋亡[21]。最后,ROS同样可以作用于心脏成纤维细胞而促进心脏间质改变,研究证实ROS生成剂过氧亚硝酸盐诱导成纤维细胞核因子κB核转位,导致成纤维细胞活化和转化生长因子-β、纤维连接蛋白和Ⅰ型胶原的分泌。ROS还通过激活转化生长因子-β1下游靶点Smad2/3激活促纤维化信号,ROS的促纤维化效应可能是心房结构重塑的基础。

2.2 核受体PPARγ介导的心房能量代谢表型转换

PPARγ是一种复杂的转录因子,可调节精细的代谢、炎症和细胞增殖等生物学过程。PPARγ促进脂肪酸摄取、甘油三酯形成并储存在脂滴中,从而增加胰岛素敏感性和葡萄糖代谢[22]。PPARγ调控心房肌细胞的底物利用和能量产生[23],并影响细胞内线粒体的功能。

生理状况下,PPARα、PPARβ和PPARγ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α,PGC-1α)保持高活性,诱导心脏脂肪酸氧化为主要代谢模式,以产生能量并维持生理需求。在病理状态下,部分脂肪酸摄取和线粒体分解代谢的编码基因表达下调,而参与葡萄糖摄取、糖酵解、糖原和脂质储存相关分子的编码基因表达上调,说明存在糖脂代谢模式的切换。尤其在损伤的心肌细胞中,脂肪酸摄取和线粒体脂肪酸氧化则成比例地减少,导致线粒体毒性脂质的积累。病理代偿条件下,肾素-血管紧张素-醛固酮系统等激活,促进缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)、雷帕霉素靶向机制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和核因子κB信号转导通路激活,下调PPARα和PPARβ的表达,而PPARγ转录活性激活。在SU5416/缺氧大鼠肺动脉高压和右心室超载模型中,PPARγ激活经miRNA-197和miRNA-146b的调节诱导脂肪酸氧化并维持线粒体功能,从而抑制心脏间质胶原的积累[24]。在糖尿病小鼠模型中,激活PPARγ通过抑制ERK1/2途径来降低心脏纤维化和间质上皮转化[25]。表明PPARγ的激活在抑制心肌结构重塑中的作用不可或缺。

2.3 HIF-1α介导的心房能量代谢表型转换

HIF是在低氧条件下作出反应的核心因子。生理条件下,HIF-1α调控无氧糖酵解相关基因的表达,限制丙酮酸的氧化并维持缺氧条件下的乳酸水平[26]。在缺氧时HIF-1α进入细胞核,与HIF-1β二聚化后结合形成缺氧反应元件发挥转录因子的功能。HIF-1α对于底物代谢稳态的调控依赖于其对线粒体功能的保护作用。Ambrose等[27]证实HIF-1α失活导致线粒体丢失和脂质积累,以及氧化磷酸化和脂肪酸代谢降低。在房颤患者的心房组织中,细胞膜脂肪酸转运蛋白下调,而激活态的磷酸腺苷活化的蛋白激酶上调,这种细胞内脂肪酸摄取与氧化的不匹配进一步解释了房颤状态下心房过度的脂质积累[28]。而上调HIF-1α通过限制三羧酸循环活性,上调线粒体蛋白磷酸肌醇依赖性蛋白激酶-1及促凋亡调节蛋白3[29]降低线粒体质量可减轻心肌脂毒性。

有趣的是,部分基础研究表明HIF-1α可能是PPARγ的上游调节分子。在肥厚型心肌病模型中证实HIF-1α的积累与PPARγ表达的增加相关[30]。其机制可能是HIF-1α直接激活PPARγ转录[31]。PPARγ是甘油三酯合成代谢的主要媒介,通过其转录调控作用促进脂肪酸摄取、甘油-3-磷酸生成和下游酯化过程的转录。这些基因在患病心脏中以HIF-1α依赖的方式特异性上调[30]。然而,目前有关HIF-1α在心血管系统的保护作用仍存在争议和矛盾观点。多项研究[32]证实激活HIF-1α促进包括心脏、肾脏、脉管系统、脂肪组织炎症和纤维化。具体而言,HIF-1α在转录水平调控炎症因子、促纤维化趋化因子和分泌性胶原分子的表达,但HIF-1α在房颤进展中的确切角色仍需进一步探究。

3 心肌能量代谢的干预措施

在发现钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂,如卡格列净等具有抑制氧化应激、炎症、纤维化等作用使心血管获益,而胰高血糖素样肽1受体激动剂,如利拉鲁肽等直接作用心肌细胞,抑制心肌细胞凋亡而发挥心脏保护作用后,降血糖药的心脏保护作用备受关注。机制上,卡格列净上调腺苷酸活化蛋白激酶和人去乙酰化酶沉默信息调节因子1,抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和胰岛素样生长因子1,并调节HIF-2α/HIF-1α通路[33],而腺苷酸活化蛋白依赖的蛋白激酶诱导的磷酸化人去乙酰化酶直接激活PGC-1α,发挥能量调节效应。PPARγ激动剂——噻唑烷二酮类药物已被广泛用于2型糖尿病的基础治疗。基础研究报告显示吡格列酮对心肌细胞电生理学、能量代谢、缺血再灌注损伤、心脏重塑、神经激素激活、肺循环和双心室收缩舒张功能均产生有益影响。因此,吡格列酮被视为心肌能量代谢相关疾病的潜在治疗药物。

2017年,一项针对心血管疾病患者和非心血管疾病个体(n=12 026)的9项随机对照荟萃分析[34]表明,吡格列酮降低了主要不良心血管事件的风险,糖尿病前期/胰岛素抵抗为23%(OR=0.77,95%CI0.64～0.93),糖尿病为17%(OR=0.83,95%CI0.72～0.97)。噻唑烷二酮类药物对体内的心脏代谢影响通常被认为是间接的,继发于降脂特性。在基础研究方面,研究表明尽管血浆游离脂肪酸浓度同时降低,吡格列酮仍可诱导大鼠心肌脂肪摄取增多,PPARγ激动剂对心肌细胞有直接作用;组织特异性敲除PPARγ会诱导心肌细胞肥大,心功能下降并伴有线粒体氧化损伤,而不改变脂质控制和葡萄糖代谢的相关基因的表达[35],说明PPARγ激活有改善心肌脂肪酸利用,恢复糖脂代谢平衡,缓解线粒体损伤等重要作用。

4 靶向药物吡格列酮对房颤的治疗作用

临床研究表明,吡格列酮能延缓2型糖尿病合并持续性房颤患者进展为永久性房颤。2017年对超过130 000例糖尿病患者进行的一项荟萃分析[36]结果显示,接受吡格列酮治疗与房颤负荷的降低(OR=0.73,P=0.000 3),房颤发生的风险降低(OR=0.77,P=0.002)以及导管消融术后的复发风险降低(OR=0.41,P=0.002)有关。基础研究证实,吡格列酮通过抗氧化和抗炎作用减弱糖尿病诱导的心房结构重塑和电重塑。吡格列酮有效降低糖尿病心肌病中房颤的诱发率,其分子机制是吡格列酮正向激活PPARγ/PGC-1α信号轴,恢复线粒体生物合成、线粒体动力学稳态,逆转心房能量代谢重塑,从而显著缓解糖尿病心肌病模型的心房易感底物。Liu等[37]明确了吡格列酮通过增加膜电位减轻电重塑来预防房颤,减少血管紧张素Ⅱ诱导的分离的非糖尿病动物心房肌细胞钾通道重塑和L型钙通道重塑。吡格列酮可降低人体血浆Ⅲ型胶原发挥抗纤维化作用。在非糖尿病缺血再灌注损伤模型中,吡格列酮通过PPARγ依赖性抑制核因子κB的途径[38]减少细胞外基质的合成,特别是Ⅰ型和Ⅲ型胶原、金属蛋白酶组织抑制剂1和心脏成纤维细胞中的基质金属蛋白酶-2,而PPARγ激动剂降低了动物再灌注心肌中促炎标志物的表达。多项实验[39]表明噻唑烷二酮类药物可抑制ROS的产生,抑制线粒体凋亡通路,改善线粒体的生物合成、动力学、结构和功能。

5 总结与展望

目前房颤的药物治疗主要集中于预防卒中、维持窦性心律和稳定心室率三大目标,药物治疗的靶标并非针对驱动房颤的潜在病理生理过程。线粒体功能障碍相关的能量代谢重塑已被确定为房颤的促成因素之一。当前,从线粒体功能障碍、心房能量代谢重塑角度入手,旨在明确心房能量重塑、代谢重塑在房颤发病机制中的地位,并努力识别更多关键的分子靶点。其中,HIF-1α/PPARγ所介导的心肌糖脂代谢调控过程及其调控机制也需要详细阐释。作为PPARγ靶向激动剂,笔者在有限的初步证据中观察到了其靶向干预在改善心房重塑、房颤能量代谢底物中的潜力。未来需要更多的直接实验证据阐明心房能量代谢重塑与房颤的因果关系,并针对PPARγ靶点开展更多深入的机制探索研究。