陈雄，博士，主治医师，对糖尿病和肥胖致靶器官损害的发病机制，及糖尿病和肥胖并发症的相关炎症机制研究有深入研究。在国内外核心期刊发表学术论文30余篇，被SCI收录13篇。主持或参与多项国家、省市级科研项目，多次受邀参加国内外学术会议汇报研究成果。曾获浙江省高校教师教育技术成果二等奖。
随着社会的发展，糖尿病患病率显著增加，已成为影响人类健康的流行性疾病。预计至年，全世界糖尿病患者数量将达到3.66亿。大量临床研究发现糖尿病心血管并发症已成为糖尿病患者死亡的主导原因。在心脏功能方面，糖尿病患者早期出现舒张功能障碍合并或者不合并收缩储备功能不全，晚期以收缩功能不全为主。年，Rubler等首次提出糖尿病心肌病（diabeticcardiomyopathy，DCM）的概念。DCM病理学表现为心肌细胞的肥大、坏死、凋亡，以及心肌间质纤维化。DCM发病机制复杂，包括胰岛素抵抗、心肌能量代谢障碍、氧化应激、炎症反应、钙稳态失衡、自噬等多种机制。由于DCM无明确的临床及病理特异性诊断标准，诊断较困难。目前临床上尚无特定靶向作用DCM的特殊药物。因此探索和挖掘针对DCM特有的发病机制的相关靶点，早期干预并逆转代谢异常对心肌的毒性作用将是防治DCM的有效手段。
1 发病机制
1.1 胰岛素抵抗
胰岛素抵抗是指在脂肪组织、肝脏和骨骼肌中的胰岛素生物学效能下降，这也是2型糖尿病的重要病理生理特点之一。胰岛素抵抗状态表现为在肌肉和脂肪细胞中胰岛素介导的葡萄糖摄取障碍以及肝脏葡萄糖产生和脂肪分解的抑制作用受损。包括脂肪分解增加、游离脂肪酸释放增加、葡萄糖摄取减少、脂联素分泌减少、瘦素分泌增加以及促炎细胞因子分泌增加等均可能导致胰岛素敏感性降低。
已有研究证实，内质网应激增加、活性氧（ROS）产生和线粒体功能障碍均能促进胰岛素抵抗。此外，Fuentes-Antras等[5]研究证明，肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-6和游离脂肪酸可激活诱导胞内激酶使得下游胰岛素受体底物1（IRS-1）丝氨酸磷酸化，从而减弱胰岛素信号传导并诱导胰岛素抵抗。游离脂肪酸通过Toll样受体4（TLR4）途径刺激脂肪组织产生炎症，从而导致胰岛素抵抗。胎球蛋白-A（Fetuin-A）作为一种肝脏分泌糖蛋白，起到TLR4的内源性配体的作用，可促进脂质诱导的胰岛素抵抗，并刺激脂肪细胞和巨噬细胞产生炎性细胞因子。游离脂肪酸与Fetuin-A以复合体形式激活TLR4信号通路，进而激活核因子-κB（NF-κB）和c-Jun氨基端激酶（JNK）。其中，细胞因子信号3（SOCS3）抑制剂、蛋白酪氨酸磷酸酶B1和JNK均抑制胰岛素信号传导。重要的是，浸润脂肪组织的免疫细胞可广泛地促进促炎介质的产生和分泌，并导致局部和全身促炎症状态。促炎介质可加剧全身性胰岛素抵抗并伴随心脏胰岛素抵抗增加。
1.2 心肌能量代谢障碍
心脏是一个高能量消耗的器官，在正常的心脏中，多于95%的ATP来自于线粒体的氧化磷酸化。以游离脂肪酸为主的长链脂肪酸，是成人心脏中最为理想的能量底物。长链脂肪酸通过被动扩散或脂肪酸转位酶（FAT）/分化簇（CD）36进入细胞质。大约70%～90%的心脏ATP由脂肪酸氧化产生，余下的10%～30%来自葡萄糖和乳酸的氧化，也包括少量的酮体和某些氨基酸的氧化。优先通过脂肪酸氧化途径还是葡萄糖和乳酸氧化途径供给心脏能量取决于机体生理状态或病理变化的要求。糖尿病患者外周循环中脂肪酸增加使得心脏供能很大程度上依赖脂肪酸β-氧化途径合成的ATP，这一过程促使线粒体耗氧增加和呼吸链损伤。另一方面，糖尿病患者心脏组织脂肪酸的β-氧化增强可抑制对其葡萄糖的氧化利用。
另外，心肌中过量的脂质积聚会产生“脂毒性”的现象，导致心脏形态结构改变以及心肌功能受损。然而这种脂毒性所导致的损害是由脂质中间代谢产物如二酰甘油、神经酰胺、长链脂酰辅酶A等所引发。研究人员在糖尿病心肌病伴随心功能障碍的动物模型中发现心肌组织中的二酰甘油和神经酰胺水平较对照组显著增加。利用特异性酶抑制剂有效降低心肌组织中神经酰胺水平后，葡萄糖氧化率和心功能得到显著改善。
1.3 氧化应激和线粒体功能障碍
线粒体是细胞稳态和存活的关键细胞器，参与能量生成和细胞内转移，在调节氧化还原和钙稳态、游离脂肪酸氧化和细胞凋亡方面起重要作用。正常生理情况下，心肌细胞内线粒体氧化磷酸化可产生90%的ROS；在高血糖状态下，脂质代谢紊乱和葡萄糖氧化增加等多种情况可促使ROS大量产生。
糖尿病患者和动物模型的心脏组织中，线粒体ROS产生显著增加和线粒体结构功能受损。而各种抗氧化剂或抗炎化合物可减少糖尿病动物模型的心脏损伤，表明ROS在DCM的发病机制中发挥重要作用。过氧硝酸也可促进细胞因子诱导的心肌收缩功能衰竭并触发心肌细胞凋亡。另有研究表明，2型糖尿病小鼠心肌细胞线粒体呼吸功能障碍，线粒体氧化能力受损，使ATP产生减少，进而阻碍心肌正常收缩功能。Anderson等研究显示，糖尿病患者心肌细胞线粒体功能障碍，使得受损线粒体氧化应激增加，产生过氧化物或活性氮，损伤心肌细胞内的蛋白质或磷脂。线粒体在衰竭的心肌中表现出错误的组配、嵴结构紊乱、密度降低、膜破裂和聚集。与正常心肌相比，功能衰竭的心肌中线粒体的体积减小、数量增加。在线粒体功能障碍和ROS过多产生的恶性循环过程中，线粒体功能失调引起的ROS进一步加剧了氧化损伤，其中，大分子即蛋白质、脂质和DNA的损伤最为显著，最终导致细胞死亡。这些研究结果表明，氧化应激和线粒体功能障碍是糖尿病心肌病发生发展的重要机制之一。
1.4 炎症
近年来，研究人员提出心肌慢性炎症可能促进心肌肥大、纤维化以及心功能不全等一系列病理过程。越来越多研究证实，心肌慢性炎症状态与DCM相关，并促进DCM的发生发展。各种病理应激源可直接诱导心肌细胞、成纤维细胞和内皮细胞分泌细胞因子、趋化因子（如白介素8）、单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和黏附分子［如血管细胞黏附分子-1和细胞间黏附分子-1（ICAM-1）］，进而促进心肌募集单核细胞和淋巴细胞。研究表明，白介素-1β（IL-1β）、TNF-α和IL-6在心肌肥大和功能障碍的发生发展中起着重要的作用。在链脲佐菌素（STZ）诱导的1型糖尿病大鼠模型中，以表达TNF-α和IL-1β的免疫细胞浸润为代表的心肌炎症显著增加。TNF-α拮抗剂可延缓STZ诱导的糖尿病心肌病的发展，同时伴随心肌内炎症和心脏纤维化的改善。同样，在IL-6基因敲除的STZ诱导的1型糖尿病小鼠中，通过上调microRNA29（miR-29）和下调转化生长因子-β（TGF-β），心脏炎症和纤维化均能得到显著缓解。笔者课题组基于姜黄素和查尔酮的结构，设计并合成了大量具有抑制以脓毒血症和急性肺损伤为代表的急性炎症作用的小分子化合物，在治疗STZ诱导的1型糖尿病小鼠心肌病变过程中，发现其可以通过抑制由糖尿病所致炎症反应进而缓解心肌肥大纤维化凋亡。在高脂饮食诱导的糖尿病模型中，IL-6基因缺失同样能改善心肌炎症和心肌代谢障碍。笔者课题组发表在NatureCommunications杂志上的文章也指出，在饱和脂肪酸（SFA）摄入过量情况下，以饱和棕榈酸为代表的游离脂肪酸将通过直接结合TLR4的附属蛋白髓样分化蛋白-2（MD-2）诱导心脏炎症性损伤导致心肌损伤。另外，白细胞在心肌中的募集也是心脏异常发展的原因。Hirsch等研究显示，抑制骨髓细胞中磷脂酰肌醇3-激酶γ（PI3K-γ）活性可减少心肌细胞在应激时的白细胞浸润，减轻心脏炎症和纤维化，从而保护心脏结构和功能。
NF-κB被认为是炎症反应的重要调节因子。在心脏组织中，NF-κB诱导促炎细胞因子如TNF-α、IL-6、pro-IL1-β和pro-IL-18的表达。包括笔者课题组在内的研究人员均发现高血糖可诱导心肌细胞NF-κB活化。研究发现，NF-κB还可以诱导寡聚化样受体蛋白3（NLRP3）的表达。NLRP3依赖性炎性小体有助于糖尿病心肌病的发生发展。通过下调NLRP3抑制炎性小体可缓解2型糖尿病引起的心脏炎症、纤维化，并改善心脏功能。同样，沉默NLRP3基因可明显改善糖尿病大鼠的心脏重塑和功能障碍。这些表明，NLRP3炎症小体也参与了糖尿病心肌病的心脏炎症和心脏功能障碍。
在STZ诱导的糖尿病小鼠模型中，TLR4的基因沉默或抑制剂能逆转高血糖引起的心肌细胞凋亡与心肌细胞过度的氧化应激。除了TLR4以外，TLR家族中的TLR2也参与了ROS诱导的心肌细胞中NF-κB活化的机制。然而，TLRs是否参与了糖尿病心肌病中后期的心功能不全有待深入研究。此外，环状GMP-AMP合酶是一种胞质DNA传感器并激活衔接子STING，导致先天性免疫反应的激活。然而，目前尚无关于环化GMP-AMP合酶-STING通路参与糖尿病心肌病炎症机制的报道。
1.5 其他引起糖尿病心肌病的机制
1.5.1 内质网应激
内质网在蛋白质加工和脂质代谢中具有重要作用。在缺血缺氧、氧化应激、高血糖等应激状态时内质网中未折叠蛋白质的积累（称为内质网应激）可引发适应性反应，称为未折叠蛋白质反应（UPR）。UPR能增加内质网折叠和移位蛋白质的能力。UPR包括由内质网膜蛋白调控的3个主要分支组成，分别是蛋白激酶样内质网激酶（PERK），肌醇酶1（IRE1）和激活转录因子。UPR能诱导自噬，这对于错误折叠的蛋白质的降解尤为重要。内质网应激与肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病等慢性代谢性疾病有关。内质网应激通过激活JNK和/或NF-κB信号通路诱导炎症反应，具体包括IRE1介导的JNK激活、IRE1和PERK介导的NF-κB信号通路活化。过度或长时间的内质网应激可导致细胞凋亡介导的细胞死亡。由于凋亡所致细胞死亡是巨噬细胞和其他炎性细胞募集的触发因素，因此内质网应激诱导的凋亡也可能在增强的炎症信号中发挥作用。
1.5.2 钙调控受损
钙调节的改变是心力衰竭中收缩功能障碍的标志。糖尿病心肌病的收缩性降低与心肌细胞中的钙稳态有关。肌浆网在心脏的兴奋-收缩偶联中起关键作用。在舒张过程中，Ca2+被心肌肌浆网Ca2+-ATP酶2a（sarcoplasmicreticulumCa2+-ATPase2a，SERCA2a）转运到肌浆网。糖尿病心肌细胞中兴奋-收缩耦联发生改变。高血糖状态可在mRNA及蛋白质水平抑制SERCA2amRNA的表达，肌浆网对Ca2+摄取减少，导致心肌兴奋-收缩偶联机制异常，引起心律失常及心肌收缩舒张功能障碍。研究发现，db/db小鼠心肌细胞中的钙触发比对照组同源心肌细胞少，这不仅仅是因为肌质网钙负荷降低，也是由于Ca2+释放通道表达降低所致。在糖尿病情况下，Ca2+释放通道会出现渗漏，并且这种缺陷可能是STZ诱导的糖尿病大鼠中肌浆网钙负荷降低的原因。这些发现表明钙代谢受损与DCM的发生和发展有关。
1.5.3 肾素血管紧张素醛固酮系统激活
血管紧张素II和醛固酮两者均诱导IRS-1的丝氨酸磷酸化并激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）复合物1（mTORC1）/S6激酶1途径，这将导致全身性和心脏的胰岛素抵抗。在胰岛素抵抗或高胰岛素血症状态下，激活的肾素血管紧张素醛固酮系统（RAAS）在代谢性心肌病发展中具有重要作用。血管紧张素II和醛固酮均通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原形式（NADPH）、氧化酶的反式激活和ROS的产生引起显著的胞质氧化应激，进而导致心肌细胞损伤，如钙超载、细胞凋亡和纤维化。此外，血管紧张素II可刺激心脏成纤维细胞增殖。同样，醛固酮可通过盐皮质激素受体传达信号，使心脏僵硬度增加并损害心脏舒张功能。血管紧张素1型受体拮抗剂厄贝沙坦可减少心脏炎症和恢复STZ诱导的糖尿病性心肌病中的金属蛋白酶活性，从而缓解心力衰竭。神经体液活化诱导TGF-β，导致心脏纤维化。另外，笔者课题组研究也发现，血管紧张素II可通过MD-2蛋白介导作用发挥调节炎症通路并改善糖尿病心肌重构的作用，创新性地提出肾素血管紧张素醛固酮系统在糖尿病心肌病中的新作用机制。
1.5.4 自噬
从酵母到哺乳动物，自噬发挥了大量降解和回收长寿命蛋白质和细胞器的保护性功能。细胞内组分被双膜结合的自噬囊泡包裹，然后与溶酶体融合形成自体溶酶体用于降解。受自噬相关蛋白（Atgs）如Atg5、Beclin1、Atg7和LC3（微管相关蛋白1轻链3）的控制，自噬在维持细胞稳态方面发挥重要作用。同时，自噬在代谢器官中也起着重要作用。胰岛素信号激活mTORC1途径不仅刺激蛋白质合成，而且抑制自噬。尽管有研究人员推测胰岛素缺乏或胰岛素抵抗会增加自噬活性，但胰岛素抵抗往往伴随着高血糖、高胰岛素血症、血脂异常和其他可影响自噬活性的信号转导。胰岛素抵抗和高胰岛素血症小鼠的肝脏自噬受到抑制。同样，有研究发现在胰岛素缺乏的糖尿病转基因模型OVE26小鼠心脏和STZ诱导的糖尿病小鼠心脏中的自噬均减少了。在1型和2型糖尿病模型中，自噬是适应性反应还是不良应答反应是有争议的。采用Beclin单倍剂量不足或Atg16基因敲除两种方法获得的1型糖尿病小鼠模型的研究显示，心脏自噬减少是延缓1型糖尿病小鼠心脏损伤的适应性反应。但2型糖尿病动物模型研究发现，给具有心脏特异性mTOR单倍剂量不足或雷帕霉素治疗的小鼠高脂喂养后心脏自噬不足是不良应答反应。当然除了自噬激活机制以外，由mTOR单倍剂量不足或雷帕霉素治疗诱导的其他机制可能起到有益的作用。
2 结 论
糖尿病心肌病发生发展是一个复杂的过程，研究其发病机制并开发靶向药物对预防和延缓疾病的发展具有重要的意义。目前研究发现他汀类降脂药物，血管紧张素1型受体拮抗剂、血管紧张素转换酶抑制剂为代表的肾素血管紧张素醛固酮系统抑制剂以及降糖药物等具有缓解糖尿病心肌炎症作用。过氧化物酶体增殖剂激活受体α（PPAR-α）在调节心脏脂质能量代谢及其稳态方面起着重要作用，并具有抗炎和抗氧化作用。PPAR-α激动剂非诺贝特可增加STZ诱导的糖尿病小鼠心脏的自噬并阻止纤维化和炎症进展。植物提取的多酚白藜芦醇被认为具有抗糖尿病和抗氧化作用，可改善2型糖尿病小鼠的心脏舒张功能障碍。二甲双胍可逆转糖尿病心脏中的自噬，而自噬可降解受损的线粒体，从中可发现上调自噬可能是治疗策略之一。上述的研究提示我们，进一步深入研究特异性靶向发病环节的新靶点治疗策略必将会带来治疗领域的新发现，在疾病的防治中发挥重要作用。
全文刊登于《生物产业技术》年第5期
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