糖尿病心肌病的发病机制研究进展

潘余楠 王亚萍

心血管疾病是糖尿病发病和死亡的主要原因。Framingham 研究明确了糖尿病与心力衰竭的流行病学关联：糖尿病独立于高血压、冠状动脉性疾病之外预测了心力衰竭，排除了既往冠状动脉或风湿性心脏病后，糖尿病患者的充血性心力衰竭风险仍增加4～5 倍[1]。糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）作为独立于冠心病、瓣膜病等确定原因之外，在糖尿病环境中发生的心肌疾病分为3 个阶段，早期细胞和代谢功能紊乱，但尚未引起收缩功能失调；中期细胞凋亡增加、左心室大小轻度增加和舒张功能障碍以及左心室射血分数（LVEF）＜50%；晚期以收缩期和舒张期功能障碍、微血管损伤、心血管自主神经病变为特征[2]。其发病机制还未完全明确，已知与代谢紊乱、钙平衡失调、线粒体损伤、氧化应激及炎症反应加强、血管功能障碍、心脏自主神经病变、微小RNA（MIR）、长链非编码RNA（lncRNAs）等分子调控失调有关，现对糖尿病心肌病的发病机制作一综述。

1 组织水平

1.1 氧化应激与炎症反应 氧化应激为氧化超过抗氧化能力，导致自由基相对过剩的状态。人体中活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生主要来源于NADPH 氧化酶（NADPH oxidase，NOX）、黄嘌呤氧化酶/氧化还原酶、线粒体电子传递链、未偶联的一氧化氮合酶、花生四烯酸代谢途径和微粒体酶[3]。当ROS 产生过量时，会损伤DNA、蛋白质、脂质，参与DCM 中的各种病理状态如心脏炎症、心肌肥厚、细胞凋亡、纤维化、血管内皮功能障碍、动脉粥样硬化及动脉僵硬等[4]。有证据表明，氧化应激是炎症的主要驱动因素，反之亦然[5]。ROS 通过损伤DNA 等改变心肌细胞的基因表达，活化转录因子NF-κB（NF-κB 作为无处不在的、可诱导的转录因子，能够控制促炎因子的表达）、降低心肌收缩性，同时NF-κB 还可受到高糖、高脂、晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）的活化[6]。最近研究显示，除了ROS 增加之外，炎性体激活在DCM 中也是至关重要的，NLRP3 炎性体在白细胞、心肌细胞、成纤维细胞中表达，促进心脏炎症、细胞凋亡、纤维化，促进DCM 心脏结构和功能的变化[5]。

1.2 血管损伤 DCM 患者血管功能损伤与内皮功能障碍、体液因子改变、血管壁纤维化等相关。高血糖时，葡萄糖经多元醇-醛糖还原酶途径产生3-脱氧葡糖醛酮，形成AGEs，其与受体结合，在内皮细胞引起多种损害例如增加内皮细胞通透性、抑制内皮型一氧化氮合酶活性、影响凝血系统和激活NOX[7]、增加ROS 产生及激活NF-κB[8]；同时，血管活性因子、血管内皮生长因子紊乱、各种血管收缩剂如内皮素、前列腺素的上调引起内皮功能障碍、血管收缩等效应以及血管舒张剂NO 生物利用度不足损害血管内皮依赖性血管舒张[7]，转录因子缺氧诱导因子-1α 激活减少引起血管内皮生长因子减少[9]致使毛细血管密度降低及心功能降低，内皮细胞释放的外泌体Mst1 抑制自噬并促进心肌细胞凋亡[7，9-11]。有研究发现，血管周围及血管壁的纤维化程度较心肌组织中更为严重，血管纤维化胶原堆积以胶原纤维Ⅲ最为显著，造成了血管损伤[12]。

1.3 自主神经病变 神经元主要依靠葡萄糖作为满足代谢需求的能量来源[13]，并且其糖摄入不依赖于胰岛素，而是与细胞外葡萄糖浓度相关[14]，故而神经元更易受糖毒性损伤。其糖毒性表现在通过激活醛糖还原酶使山梨醇累积从而细胞渗透压升高，产生AGEs 同高糖一起激活NF-κB 引起氧化应激，诱导NO 生物利用度降低损伤血管内皮细胞以及激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）导致神经营养血管损伤等机制[15]。出现在心脏组织的神经元主要为自主神经，包括交感神经、副交感神经和壁内系统。DCM 患者中可观察到在疾病的早期，副交感神经去神经化导致交感神经占主导优势[16]，一方面交感强化引起心肌肥大、间质纤维化[17]，另一方面刺激肾素-血管紧张素-醛固酮系统，增加血管收缩、水钠潴留[18]、增强心肌纤维化和氧化应激[19]，引起静息性心动过速、运动不耐受、直立性低血压、水肿等症状；后期壁内系统感觉神经病变，导致无症状性心肌缺血，成为糖尿病患者猝死的主要原因，其机制尚不清楚，可能与糖尿病诱导的神经生长因子下调有关[20]。

2 细胞水平

2.1 代谢紊乱 在非糖尿病的情况下，心肌ATP的70%约从脂肪酸氧化中产生，其余大部分来自葡萄糖代谢[21]。而糖尿病患者代谢紊乱，具有糖摄取及氧化降低、脂肪酸摄取及氧化升高的特点。在DCM中葡萄糖利用受损，部分是因为葡萄糖摄取减少、糖酵解活力降低、丙酮酸氧化减少[22]。葡萄糖跨膜转运由葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT）介导，DCM 时GLUT 在细胞膜表面的含量下调，致使葡萄糖摄取减少[23]。糖酵解过程中磷酸果糖激酶作为限速酶，受到增加的脂肪酸β-氧化产生的柠檬酸盐抑制，导致果糖6 磷酸增加，而甘油醛-3-磷酸脱氢酶受到ROS 的抑制，导致果糖6 磷酸从糖酵解途径转移到替代生化途径，包括多元醇旁路、己糖胺旁路、PKC 的激活、AGEs 形成等[24]。多元醇途径的激活降低NADPH/NADP+比率、减少NO 产生，增加ROS 和山梨醇积累，己糖胺旁路的激活增加O-N-乙酰氨基葡萄糖糖基化引起Ca2+失衡以及损伤胰岛素代谢信号传导，PKC 的激活促进心肌肥大，影响L 型钙通道功能，AGEs 增加促进心肌胶原交联和纤维化、诱导炎症反应[17，25-27]。丙酮酸脱羧形成乙酰CoA 的过程中，增加的脂肪酸氧化使丙酮酸脱氢酶激酶磷酸化及失活，抑制丙酮酸脱氢酶活性[22]，乙酰CoA 氧化过程受到线粒体功能障碍的影响，线粒体转录因子A 活性降低，氧化磷酸化水平受到抑制[24]。以上途径共同导致DCM，其同时也是脂毒性的表现之一。另外脂毒性还表现在增加脂肪沉积、ROS 产生、PKC 激活、Ca2+失衡、心磷脂含量降低等途径[24，28]。

糖尿病患者代谢紊乱的另一个特点即为胰岛素抵抗。胰岛素信号主要通过两个途径发挥作用：（1）通过胰岛素受体底物1 作用于磷脂酰肌醇3 激酶-蛋白激酶B（phosphatidylinositol 3 kinase-protein kinaseB，PI3K-AKT）信号途径转导。其中雷帕霉素-S6 激酶1 途径慢性激活损害了胰岛素与PI3K 接合及AKT 活化[29]。另外，AKT 的活化通过GLUT4 易位至心肌细胞的细胞膜增加葡萄糖摄取，而DCM 时GLUT4 量减少[23]，导致胰岛素抵抗。（2）通过促分裂原活化蛋白激酶途径传导[30]，促进细胞重塑以及导致心肌肥大、心脏纤维化、心肌-内皮细胞传导受损和内皮细胞死亡[31]，胰岛素抵抗时，该途径占优势[32]，由此促进DCM 进展。

2.2 钙调节失衡 细胞内钙离子是触发收缩偶联的主要调节因子，在心肌细胞中经钙触发、钙释放机制引起收缩。肌膜去极化时，钙离子通过L 型钙通道少量内流，进入胞质触发肌质网，钙离子通过兰尼碱受体2、肌醇三磷酸受体大量释放而引起收缩。当心肌舒张时，肌质网的钙泵将钙泵入肌质网，肌膜中钙泵、钠钙交换体将钙排出胞外[20]。有文献报道，DCM 时，L 型钙通道密度降低[33]、兰尼碱受体2及肌醇三磷酸受体功能受损[20]、钠钙交换体活性降低及水平下调、线粒体膜通透性转换孔开放[34-35]等引起钙离子超载。另外，最新研究发现CCDC47 是一种独特的钙调节蛋白，在DCM 的心肌细胞中过度表达引起细胞内钙的增加[36]。正常的钙稳态对于心脏功能非常重要，钙超载通过心肌舒张及收缩功能障碍导致心肌损伤、心脏功能降低。

2.3 线粒体损伤 线粒体是众所周知的细胞动力源，其被认为是心肌梗死和心肌病心肌细胞死亡的关键因素[37]。对于DCM，糖氧化降低、胰岛素抵抗、脂肪酸氧化增加刺激ROS 产生，损害线粒体DNA、蛋白质，促进线粒体解偶联减少ATP 合成和利用[38]。线粒体损伤后，质控系统将会通过裂变/融合的方式使其分隔（但其发生在心肌细胞中的比率似乎很低）或者通过线粒体自噬去除，当损伤严重时导致细胞死亡[37]。心肌细胞具有很高的线粒体自噬率，其在维持心肌细胞中的线粒体稳态中起重要作用，线粒体自噬等质控机制的破坏，与DCM 等心脏病理情况相关[39]。有实验证明，在已建立1 型糖尿病模型的OVE26 小鼠中，自噬在心脏中被下调[40]，而2 型糖尿病中线粒体自噬的作用尚不清楚。

3 分子水平

3.1 MIR MIR 是一类新的非编码的RNA，它们通过mRNA 降解或翻译抑制调节基因表达[41]，在包括DCM 的各类心血管疾病中起到重要作用。从目前研究来看，MIR 在心脏肥大及纤维化、氧化应激、细胞凋亡多方面有重要调节作用：（1） 细胞肥大：MIR-133a 在DCM 中下调后血清和糖皮质激素调节激酶（SGK）1 和胰岛素样生长因子受体（IGFR）1上调，MIR-373 的下调受到p38 激酶途径调节，两者均激活肌细胞增强因子2C（心肌肥大的关键转录因子），促进心肌肥大，并活化p300 基因介导心脏纤维化[42]；MIR-208a 在2 型糖尿病小鼠DCM 早期上调增强β-MHC 表达，促进心肌肥大[43]；（2）纤维化：MIR-142-3p 及MIR-700 调节纤维化的因子如增加重组人转化生长因子β3、Col1A1 加强纤维化，是致纤维化的重要分子[44]；血管内皮细胞损伤后，MIR-200b 在DCM 小鼠内皮细胞中下调，其对阻止内皮-间质转化的能力减弱，引起心肌纤维化[45]；（3）氧化应激：MIR-144 在高糖环境中上调，通过核因子红系2 相关因子2 加重氧化应激[46]；MIR-30c 抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ 共激活因子（PGC）-1β，降低过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）α 的转录活性，从而减少ROS 的产生和心肌脂质积累，在DCM 小鼠中MIR-30c 表达下调，引起心肌损伤[47]；（4）细胞凋亡：MIR-186-5p 在高糖诱导的心肌细胞中表达下调，其通过上调toll 样受体3 诱导细胞凋亡[48]；MIR-1 在高糖诱导的大鼠心肌H9C2 细胞中表达显著增加，调节肝X 受体α，诱导细胞凋亡[49]。现如今，仅有部分MIR 对DCM 的影响机制明确，大量MIR 机制以及如何利用其中的机制和靶点治疗疾病的问题尚需解决。

3.2 长链非编码RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs） lncRNAs 是一类不能翻译成蛋白质的超过200 个核苷酸的转录物，它可以调节顺式或反式转录、核结构域组织、RNA 分子以及蛋白质等发挥作用[50]。新的研究发现，lncRNAs 对DCM 有调节影响作用，但仅有少数得到验证。HOX 转录物反义RNA 和肺癌转移相关转录因子（MALAT）1 作为lncRNAs 之一，前者在糖尿病小鼠和高糖刺激的肌细胞中降低，后者在糖尿病大鼠中上调，加重氧化应激和炎症反应[51-52]；lncRNA H19、KCNQ1 重叠转录物1、心肌梗死相关转录因子（MIAT）均与心肌细胞凋亡有关，H19 表达减少通过H19/MIR675 轴促进VDAC1 靶向通道表达参与高糖诱导的细胞凋亡[53]、KCNQ1 重叠转录物1 在DCM 中过表达增强pyroptosis（一种与炎症相关的程序性细胞死亡）[54]、MIAT 在DCM 中上调，作为竞争性内源RNA 通过MIR-22-3p 上调死亡相关蛋白激酶2 促进细胞凋亡[55]。lncRNAs 作为新出现的可能的DCM 诊断和治疗靶点，需要更多的研究以明确其种类和作用机制。

4 结语

DCM 的发病机制目前尚未完全清楚，目前了解的代谢紊乱、钙调节失衡、线粒体损伤、氧化应激及炎症反应、血管损伤、自主神经病变和MIR 及lncRNAs 的机制相互作用、互相影响，共同促进了DCM心血管功能障碍，未来仍需继续研究抗氧化应激、减少线粒体自噬、促进心脏血管生成、靶向特异性基因疗法等相关机制，更有效地治疗DCM。