孫洋綜述， 趙紅審校

糖尿病冠狀動(dòng)脈硬化性心臟病中心肌損傷與氧化應(yīng)激的關(guān)系

孫洋綜述， 趙紅審校

糖尿病心臟病是糖尿病，尤其是II型糖尿病患者致死的主要原因之一。糖尿病患者代謝紊亂，高血糖、高血脂、胰島素抵抗使心肌缺血氧化應(yīng)激增強(qiáng)。影響心肌細(xì)胞應(yīng)對(duì)再灌注損傷的能力：①不斷變化的葡萄糖水平、線粒體紊亂和一氧化氮合成酶解偶聯(lián)降低了抗氧化防御；②細(xì)胞信號(hào)通路障礙可能導(dǎo)致糖尿病心肌更易損傷，最終導(dǎo)致心壁結(jié)構(gòu)重塑、心力衰竭。本文就糖尿病者冠狀動(dòng)脈硬化性心臟病氧化應(yīng)激與心肌損傷關(guān)系的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

細(xì)胞信號(hào)；糖尿病；缺血再灌注；心肌損傷；氧化應(yīng)激

近年來,糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥已經(jīng)成為重大的公共衛(wèi)生問題。糖尿病是一種復(fù)雜的疾病,其最重要的分子機(jī)制是多種代謝紊亂導(dǎo)致細(xì)胞水平氧化與抗氧化過程失衡。糖尿病會(huì)增加患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)近五倍[1]。廣義的糖尿病心臟病包括冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)，糖尿病心肌病和糖尿病心臟自主神經(jīng)病變等。本文著重討論糖尿病冠心病。糖尿病患者由于脂質(zhì)代謝紊亂、內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂等原因，使冠心病起病較非糖尿病患者早，常表現(xiàn)為無痛性心肌梗死，梗死面積大、多為透壁性梗死，病情較嚴(yán)重，預(yù)后差，病死率高。患有糖尿病伴冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的美國(guó)成年患者已達(dá)2350萬[2]。與非糖尿病患者相比，糖尿病患者心力衰竭和心肌梗死后死亡的風(fēng)險(xiǎn)增加2到4倍。以保護(hù)心肌為目標(biāo)的冠狀動(dòng)脈灌注有效重建，是冠狀動(dòng)脈動(dòng)脈粥樣硬化的主要治療方法，然而，糖尿病患者無論進(jìn)行手術(shù)或非手術(shù)的心臟血管再生術(shù) (血管成形術(shù)和血管支架植入)治療，死亡率均較非糖尿病患者高[3]。心肌血管再通后的心肌缺血再灌注損傷是它引起不良后果的一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

糖尿病心肌損傷增加的原因目前尚不完全明確，臨床數(shù)據(jù)強(qiáng)烈支持糖尿病患者更容易發(fā)生心肌缺血再灌注損傷,且認(rèn)為糖尿病是一個(gè)獨(dú)立的危險(xiǎn)因素[4]。心肌缺血再灌注損傷涉及復(fù)雜的分子機(jī)制，代謝異常、線粒體功能障礙、胰島素抵抗和氧化應(yīng)激共同作用，影響心肌對(duì)缺血再灌注損傷的耐受性。

1 自由基與缺血再灌注損傷

自由基生成是細(xì)胞損傷的基礎(chǔ)條件，心肌中自由基主要有三個(gè)來源:①線粒體受損，線粒體電子傳遞鏈（ETC）功能異常造成電子泄漏和O2.-產(chǎn)生。Ⅱ型糖尿病小鼠模型和糖尿病患者中均出現(xiàn)線粒體形態(tài)和功能受損的表現(xiàn)[5]。②還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶活性升高。Ⅱ型糖尿病動(dòng)物模型中觀察到心肌和血管組織中NADPH氧化酶活性升高，糖尿病患者中,也可檢測(cè)到活化的NADPH氧化酶系統(tǒng)[6]。③一氧化氮合酶（NOS）功能降低。糖尿病動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)血管和內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶（eNOS）的輔因子四氫生物蝶呤(BH4)減少。BH4減少導(dǎo)致eNOS功能降低，O2.-產(chǎn)生增多，一氧化氮產(chǎn)生減少[7]。

心肌細(xì)胞對(duì)O2.-的保護(hù)性反應(yīng)為：在過氧化物歧化酶的作用下使O2.-變?yōu)槎拘愿〉腍2O2，隨后通過過氧化氫酶或谷胱甘肽過氧化物酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成水。缺血再灌注損傷時(shí)產(chǎn)生大量O2.-，內(nèi)源性自由基清除酶如過氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等耗盡。心肌細(xì)胞出現(xiàn)從可逆到致命的損傷[8]。

2 糖尿病心肌氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)

線粒體功能障礙，NADPH氧化酶活性增高及NOS功能降低在糖尿病心肌損傷中的機(jī)制仍不清楚。Ⅱ型糖尿病患者氧化蛋白質(zhì)產(chǎn)物增加，脂質(zhì)過氧化程度升高,患者紅細(xì)胞中無論是酶類還是非酶類(β-胡蘿卜素、視黃醇、維生素C和E)抗氧化劑的量及活性均比正常受試者少[9]?？寡趸瘎┲委熆梢允固悄虿?dòng)物氧化應(yīng)激產(chǎn)物正?；痆10]。

高血糖可損害電子傳遞鏈（ETC）復(fù)合酶的活性，使線粒體中O2.-過多。在體外,已證明高血糖可使NADPH氧化酶活化及NOS功能降低，使產(chǎn)生的O2.-在心肌中堆積[11]。Ⅱ型糖尿病中慢性氧化應(yīng)激增強(qiáng)可損害線粒體能量代謝，進(jìn)一步加重線粒體功能障礙，形成不可逆的細(xì)胞和組織損傷的惡性代謝循環(huán)。葡萄糖代謝和蛋白質(zhì)的糖基化途徑激活產(chǎn)生的糖基化產(chǎn)物也在氧化應(yīng)激中發(fā)揮重要作用[12]。此外，糖基化能抑制抗氧化酶，損害心肌抗氧化防御[13]。

糖尿病時(shí)游離脂肪酸（FFA）水平升高。FFA可刺激NADPH氧化酶和ETC產(chǎn)生活性氧,還可降低細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽還原反應(yīng),削弱自由基介導(dǎo)的內(nèi)源性損傷防御[14]。

Ⅱ型糖尿病常伴有高胰島素血癥和胰島素抵抗。使用胰島素處理培養(yǎng)的細(xì)胞，可增加NADPH氧化酶的活性，增加自由基的產(chǎn)生。Boudina等[15]報(bào)道，在心肌細(xì)胞胰島素受體缺失的小鼠模型中，心肌中受損的胰島素信號(hào)可誘導(dǎo)線粒體解偶聯(lián)，并促進(jìn)產(chǎn)生H2O2和氧化應(yīng)激。Yue等[16]報(bào)道，心肌活檢中,糖尿病患者心肌壞死較非糖尿病患者明顯增加。目前多個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在關(guān)注提高缺血心肌耐受的調(diào)節(jié)策略。

3 糖尿病內(nèi)源性心肌保護(hù)作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受損

缺血再灌注損傷涉及不同的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)機(jī)制,包括磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）信號(hào)通路,和Janus激酶2/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子3（JAK2/STAT3）信號(hào)通路等，這些通路的關(guān)鍵末端效應(yīng)器集中在線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)上。心肌缺血時(shí)，通過物理或藥物處理，可激活細(xì)胞內(nèi)與生存有關(guān)的信號(hào)通路，改變心肌自由基反應(yīng)，減少缺血再灌注損傷。但糖尿病心肌促存活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受損，所以對(duì)缺血再灌注損傷的易感性增強(qiáng)，對(duì)物理或藥物治療的療效不佳。

具有促存活功能的PI3K/AKT信號(hào)通路在缺血再灌注心肌保護(hù)過程中極為重要。AKT活化后可通過其下游效應(yīng)分子誘導(dǎo)細(xì)胞保護(hù)作用，如NOS和B細(xì)胞淋巴瘤因子-2（Bcl-2），以防止線粒體途徑細(xì)胞死亡。在大鼠Ⅱ型糖尿病模型中AKT的活化水平顯著下降，張力蛋白同源10號(hào)染色體缺失的磷酸酶基因（PTEN）是PI3K/AKT通路的負(fù)調(diào)控因子，在Ⅱ型糖尿病模型中表達(dá)水平增高。Wang 等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，血糖水平、氧化應(yīng)激和PTEN水平在人類糖尿病心肌中呈正相關(guān)關(guān)系；AKT的磷酸化程度與糖尿病患者的心肌中PTEN蛋白水平增加呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明在人類糖尿病心肌中也存在PTEN蛋白增加，負(fù)調(diào)控AKT下游的促生存信號(hào)。游離脂肪酸（FFA）含量增高抑制胰島素誘發(fā)的PI3K/AKT激活,并上調(diào)PTEN表達(dá)[18]。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了糖尿病心肌中存在AKT信號(hào)活化受損。

STAT3的激活是另一種心肌保護(hù)機(jī)制。雖然沒有直接的證據(jù)顯示在人類糖尿病中存在STAT3的表達(dá)和激活，但在糖尿病大鼠模型中心肌STAT3的表達(dá)及活化顯著下降[19]。STAT3基因敲除小鼠更易發(fā)生心肌缺血再灌注損傷和心肌梗死，心肌細(xì)胞凋亡和心肌梗死面積增加，心臟功能和存活率降低[20]。相反，表達(dá)STAT3的轉(zhuǎn)基因小鼠，缺血和再灌注后與野生型小鼠相比梗死面積較小[21]。

4 糖尿病心肌對(duì)氧化劑介導(dǎo)的缺血再灌注損傷更易感

糖尿病時(shí)，心肌和血管更易遭受缺血再灌注時(shí)產(chǎn)生的氧化劑介導(dǎo)的損傷，心肌肌節(jié)、線粒體、細(xì)胞間隙、微血管超微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。缺血再灌注損傷中糖尿病心肌中加重的機(jī)制，除了基礎(chǔ)氧化狀態(tài)增加和細(xì)胞促存活信號(hào)受損外，還涉及葡萄糖流量，受損心肌的適應(yīng)性反應(yīng)，以及NOS在缺血再灌注中進(jìn)一步的損害。

糖尿病心肌中葡萄糖過量可激活醛糖還原酶、山梨醇脫氫酶，以及果糖和葡萄糖的轉(zhuǎn)化等多條通路促進(jìn)氧化應(yīng)激。缺血再灌注激活醛糖還原酶導(dǎo)致細(xì)胞NADPH枯竭，在缺血再灌注的大鼠心臟,醛糖還原酶介導(dǎo)的氧化應(yīng)激增強(qiáng)，mPTP孔打開，促使心肌收縮功能障礙和組織損傷[22]。

除了高血糖，缺血再灌注期間通過己糖生物合成途徑產(chǎn)生了高血脂和大量的活性氮氧化合物（RONS）。這可能會(huì)促進(jìn)乙酰葡糖胺改變,并調(diào)節(jié)絲氨酸/蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)，導(dǎo)致PI3K/AKT信號(hào)通路異常，啟動(dòng)BCL-2相關(guān)死亡途徑。在糖尿病患者皮膚活檢中發(fā)現(xiàn)高血糖水平患者BCL-2的表達(dá)較低[23]，BCL-2低表達(dá)增加心肌細(xì)胞死亡。

心肌對(duì)抗氧化劑介導(dǎo)損傷的保護(hù)性代償機(jī)制包括,①上調(diào)氧化還原系統(tǒng)的自由基清除劑金屬硫蛋白MT1和MT2。MT1和MT2的靶基因參與了STAT3介導(dǎo)的心肌保護(hù)。糖尿病心肌中STAT3的表達(dá)減少, 不僅可能使心肌對(duì)缺血再灌注過程的產(chǎn)生的RONS產(chǎn)物更加敏感,而且使MT1/MT2的調(diào)控缺乏靶點(diǎn), 加劇心肌缺血缺氧損傷[24]。②血紅素加氧酶HO-1表達(dá)下調(diào)，HO-1是體內(nèi)參與亞鐵血紅素代謝的一種具有多種功能的線粒體氧化酶，在氧化應(yīng)激中起重要的細(xì)胞保護(hù)作用，已證明HO-1缺乏與心肌梗死后的死亡率增加有關(guān)[25]。糖尿病時(shí)無法有效誘導(dǎo)HO-1表達(dá)增高，可能是加劇糖尿病心肌缺血再灌注損傷的另一個(gè)原因。③硫氧還蛋白TRX-1失活，TRX-1是細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵抗氧化劑，可調(diào)節(jié)細(xì)胞生存通路。糖尿病時(shí)eNOS可誘導(dǎo)TRX-1硝化，高血糖可誘導(dǎo)TRX-1糖化[26]，使TRX-1失活，可能是心肌缺血再灌注損傷的另一個(gè)重要機(jī)制。

5 糖尿病心肌梗死后的心肌變性和功能障礙

糖尿病心臟中氧化應(yīng)激增強(qiáng), Smith等[27]證明了在糖尿病心肌梗死動(dòng)物中氧化應(yīng)激水平升高，氧化型谷胱甘肽，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶表達(dá)增加與心肌梗死4周后心功能指數(shù)降低有關(guān)。Aragno等[28]發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)性慢性高血糖動(dòng)物模型中，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)促進(jìn)纖維化的基因表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)沉積，從而導(dǎo)致心肌纖維化和功能障礙。這些證據(jù)支持氧化應(yīng)激是糖尿病心肌梗死后心肌功能障礙和變性的發(fā)病機(jī)制中的一個(gè)關(guān)鍵因素。

氧化應(yīng)激誘導(dǎo)心肌重塑涉及多個(gè)機(jī)制, 包括①RONS影響脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸變性所引起的心肌細(xì)胞凋亡，直接損害心臟收縮功能，激活心臟炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)重塑，由RONS刺激的一系列響應(yīng)肥大細(xì)胞反應(yīng)的激酶蛋白激活。②糖尿病心肌的胰島素受體信號(hào)傳導(dǎo)受損，加速心肌梗死后左心室功能障礙。③人類糖尿病心肌中線粒體減少，鈣的耐受性降低，鈣誘導(dǎo)mPTP開放的傾向增強(qiáng)，線粒體細(xì)胞死亡蛋白酶caspase-9的水平增加。

6 結(jié)論

糖尿病的氧化應(yīng)激增強(qiáng)，直接或間接地與高血糖癥，高脂血癥，高胰島素血癥，胰島素抵抗有關(guān)。這些異常，能導(dǎo)致線粒體功能障礙、高NADPH氧化酶激活和NOS解偶聯(lián)，從而造成了過多的自由基產(chǎn)生。糖尿病心肌對(duì)缺血再灌注損傷的耐受力較差。葡萄糖流量改變，抗氧化防御下降和促存活細(xì)胞信號(hào)受損導(dǎo)致線粒體紊亂，可能導(dǎo)致糖尿病心肌更容易受到損傷、重塑和心臟衰竭。

目前臨床尚無有效針對(duì)糖尿病人群中減輕心肌損傷的治療策略。心肌穩(wěn)態(tài)自由基生物學(xué)機(jī)制較復(fù)雜，加強(qiáng)心肌損傷和修復(fù)相關(guān)的生物學(xué)機(jī)制的探索，有助于防治糖尿病患者心肌損傷，一些有關(guān)的臨床研究正在開展。針對(duì)圍手術(shù)期心肌組織血糖控制，抑制氧化應(yīng)激，激活細(xì)胞促生存信號(hào)已有嘗試，這可能成為有效的治療Ⅱ型糖尿病圍手術(shù)期患者的療法。

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2014-03-04）

（編輯：王寶茹）

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孫洋 實(shí)習(xí)研究員 博士 主要從事心肌病、心臟移植病理及心肌保護(hù)方面的研究 Email:sunyangyjs@sina.com 通訊作者：趙紅

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