楊沫 綜述 姜文錫 審校

(新疆醫(yī)科大學第五附屬醫(yī)院，新疆 烏魯木齊830011)

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線粒體功能異常在糖尿病心肌病發(fā)病機制中的作用

楊沫 綜述 姜文錫 審校

(新疆醫(yī)科大學第五附屬醫(yī)院，新疆 烏魯木齊830011)

糖尿病(diabetes mellitus, DM)是常見的慢性病之一，根據2010年國際糖尿病聯盟(International Diabetes Federation,IDF)發(fā)布的數據，全世界有近3.66億人患有DM，預計在2010～2030年的20年間，發(fā)展中國家DM患者數量將增長69%[1]。隨著DM發(fā)病率的不斷增高，繼發(fā)于DM的心血管并發(fā)癥逐步引起人們的注意，其中糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy,DCM)成為導致DM患者死亡的重要原因。1972年，Rubler等提出了“糖尿病心肌病”這一概念，隨后這一概念被許多流行病學家及臨床醫(yī)師廣泛使用。

目前公認的DCM臨床定義為，除外其他明顯原因所致心肌病變(如冠狀動脈疾病、高血壓病、先天性心臟病等)，DM患者存在的心臟舒張及收縮功能障礙。為了探討DCM的發(fā)病機制，人們進行了大量臨床及動物實驗，目前已經明確的機制包括晚期糖基化終產物(advanced glycation end products, AGEs)的產生、細胞壞死、炎性反應、腎素-血管緊張素-醛固酮系統激活、Ca2+調節(jié)受損、心肌脂質超負荷、底物利用率的改變、內質網應激、微小RNA(micro-RNA)、氧化應激及線粒體功能障礙等。這些機制共同作用，促進DCM的發(fā)生，并在臨床上首先表現為心肌肥厚及舒張功能障礙。盡管目前尚不能明確地闡述各個因素對于DCM的具體機制，但研究發(fā)現，線粒體功能障礙是DCM的重要機制之一，是目前研究的熱點及難點。結合相關研究，重點探討DCM病程中線粒體功能異常。

1 線粒體與Ca2+調節(jié)異常

線粒體是產能細胞器，也是較大的鈣存儲器，Ca2+在心肌舒縮過程中起著關鍵作用。心臟收縮時，肌漿網釋放游離Ca2+與肌鈣蛋白C結合，并引起相關復合物的構象改變，導致心肌收縮，而在舒張期，Ca2+被重新分布到肌漿網使心肌舒張。離體線粒體中存在大量Ca2+累積，因此線粒體在鈣自穩(wěn)平衡中起到重要的作用。當心肌細胞內Ca2+超負荷時，可能會引起線粒體內Ca2+超載、氧化磷酸化過程受損以及氧自由基產物增加。一部分的Ca2+由鈉鈣交換體、肌漿網Ca2+-ATP酶[sarco(endo) plasmic reticulum calcium-ATPase, SERCA]、線粒體鈣單向轉運體等機制泵出。高糖狀態(tài)下，細胞內Ca2+超負荷，當線粒體周圍的Ca2+濃度上升到協同轉運體結合力的范圍時，Ca2+即通過轉運體進入線粒體內，這是一種保護性機制。然而，長期DM狀態(tài)下，心肌細胞器內Ca2+超負荷可導致呼吸作用及氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXPHOS)受損、Ca2+的攝入能力減低。DM患者的鈣釋放通道(或稱ryanodine受體，RyR)和SERCA通道均有失調。FK506結合蛋白是RyR的穩(wěn)定劑，Yaras等[2]發(fā)現，FK506與DCM有關。Luo等[3]最近研究發(fā)現，線粒體氧化劑可致多功能酶和Ca2+依賴鈣調蛋白的蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)發(fā)生氧化，他們對DM大鼠使用線粒體抗氧化劑MitoTEMPO進行治療，結果顯示氧化的CaMKⅡ水平降低。盡管目前的研究已經證實DCM心肌細胞中線粒體功能異?？梢杂绊慍a2+調控，但其確切機制尚不能完全說明。但是，根據目前的研究結果，可以考慮應用特殊的藥物來對調節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)的蛋白進行干預，從而延緩DCM的進程。

2 線粒體與氧化應激增加

氧化應激是DCM代謝障礙的共同特點。一般認為，氧化應激與過剩的脂質和增加的線粒體脂肪酸氧化速率相關，然而，較高的脂肪酸氧化速率并不能導致活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)過度生成，這意味著其他方面的線粒體結構及功能紊亂一定參與其中。線粒體是ROS的主要來源，細胞中近90%的ROS來自線粒體呼吸作用。人們對冠狀動脈旁路搭橋術后的DM及非DM患者的心房肌細胞施行分離并進行研究發(fā)現，DCM患者線粒體OXPHOS產生ATP的效率降低、ROS生成增加[4]。

高糖狀態(tài)下，除脂質代謝和葡萄糖自身氧化外，ROS可由線粒體產生[5]。過多的ROS可通過氧化作用直接破壞蛋白質，同時，脂質可被氧化成有害的脂質過氧化物產物，進而破壞蛋白質及磷酸酯。ROS也參與線粒體及核DNA損傷，可使DNA鏈斷裂，激活多腺苷二磷酸核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase,PRAP)，PRAP過度激活可導致細胞內煙酰胺腺嘌呤二核苷酸耗竭，從而使細胞內氧化還原反應進一步失衡，形成惡性循環(huán)。許多研究證明，在2型DM患者心臟及1型和2型DM動物模型心肌中均發(fā)現線粒體H2O2、脂類過氧化物產物增加和蛋白質變性等變化[4]。此外，ROS的增加還會導致活性氮自由基(reactive nitrogen species, RNS)生成增加。Pham等[6]最近研究表明，DM患者心肌細胞線粒體呼吸及磷酸化效能較健康人低，缺氧狀態(tài)下，DCM線粒體所消耗的ATP量與健康狀態(tài)相同，因此在復氧時可能會出現更為嚴重的ATP缺乏。

綜上所述，氧化應激在DCM病程中發(fā)揮著重要的作用。有研究發(fā)現，錳超氧化物歧化酶過度表達、Nfr2基因、α硫辛酸、輔酶Q10均有抗氧化、減少線粒體ROS、改善心功能等作用[7-8]。

3 線粒體DNA遺傳學改變

線粒體有兩個重要特征：雙層膜狀結構和線粒體DNA(mtDNA)。研究表明，DM及其并發(fā)癥與線粒體遺傳學改變有一定的聯系。mtDNA突變是胰島β細胞功能缺陷因素之一，并且在糖毒性和脂毒性共同作用下形成惡性循環(huán)，最終導致DM及其并發(fā)癥的發(fā)展。OXPHOS系統由五個多亞基復合物(CⅠ～CⅤ)組成，這些復合物由核DNA(nDNA)及mtDNA的92個不同的結構蛋白所編碼，目前已經確定其中32個nDNA，這32個nDNA可編碼有功能的OXPHOS組裝因子，并介導OXPHOS的生物生成。人類結構基因及組裝基因的突變，以及mtDNA基因的修復、復制、轉錄和翻譯，均可致OXPHOS紊亂[9]，同時，細胞核或mtDNA編碼的OXPHOS多態(tài)性可能會導致線粒體功能異常，由此推斷，nDNA及mtDNA遺傳學改變的共同作用可能影響DCM的發(fā)生及發(fā)展。一些針對歐洲人群及猶太人的流行病學研究發(fā)現，不同mtDNA單倍體與DCM、DM視網膜病變、DM腎病等DM并發(fā)癥之間有著密切聯系[10-11]。Chen等[12]研究證明，OXPHOS復合物I(mt-Nd2α)基因多態(tài)性可以抵抗1型DM模型中細胞毒性T細胞及腫瘤壞死因子介導的β細胞受損，因此，考慮mt-Nd2α基因突變可能減少ROS的產生，從而抑制β細胞程序性細胞死亡。Nod樣受體P3(Nod-like receptor P3,NLRP3)炎性小體是模式識別受體家族中Nod樣受體亞家族成員之一，Luo等[13]最近研究發(fā)現，NLRP3炎性小體可促進DCM的發(fā)展，而NLRP3基因沉默可以減輕DCM大鼠模型的心肌病變。線粒體可通過釋放ROS激活NLRP3炎性小體，當各種原因導致mtRNA突變時，線粒體出現功能異常，可能過度釋放ROS導致NLRP3異常增多，因此基于NLRP3基因或mtDNA等基礎上的基因靶向治療對于DCM可能有著突破性意義。

4 線粒體與胰島素抵抗

胰島素是胰腺β細胞分泌的降糖物質，胰島素抵抗是DM發(fā)生的重要機制之一。一些動物實驗表明，2型DM肝臟中肝線粒體功能異常與胰島素抵抗之間存在著一定聯系[14]。目前已經有一些關于1型DM心肌線粒體的研究，但對于2型DM的相關研究尚不足，因此，在DCM中，線粒體功能異常與胰島素抵抗之間是否存在著明確的關系，還沒有充足的證據。最早的兩個研究來自從db/db DM大鼠心肌細胞中分離出來的線粒體，結果發(fā)現，線粒體存在氧化代謝異常及丙酮酸脫氫酶活性減低[15]。另一項研究發(fā)現，胰島素信號轉導受損可影響線粒體呼吸作用，同時發(fā)現缺乏胰島素受體的大鼠心肌細胞解偶聯呼吸減少[16]。然而，線粒體在胰島素抵抗過程中的確切機制仍不明確，因此，需要更多的動物模型及臨床相關研究結果來補充此領域的一些盲點。

5 自噬作用及線粒體自噬

細胞自噬是細胞依賴溶酶體對蛋白質和細胞器進行降解的一條重要途徑，是真核細胞特有的生命細胞。生理狀態(tài)下，細胞自噬是細胞清除體內損傷線粒體和維持自身穩(wěn)態(tài)的一種適應性機制，可以清除體內受損的細胞器、蛋白質、脂質等，對于保持正常心臟結構和功能有著重要意義[17]。DM時，由于氧化應激、蛋白及脂類氧化物水平增加、能量平衡受損等因素，細胞自噬對于維持心肌細胞則起到更重要的作用。然而，2型DM模型的相關研究結果表明，自噬作用在DM心臟損傷中并未起到應有的保護性作用。高糖狀態(tài)下，異常自噬作用可以使心肌細胞受損，從而影響心臟結構和功能。一些研究發(fā)現，1型及2型DM大鼠模型和一些代謝綜合征模型的心肌細胞中，自噬作用受到抑制[18-22]，提示抑制自噬作用可能會導致DCM。Okazaki等[23]對動物模型的研究發(fā)現，自噬作用在雄性表現更為活躍，這個結果與Framingham心臟研究的結論相吻合，可能解釋了女性DCM的患病率較男性高的原因。線粒體自噬是一種選擇性自噬作用，受到各種因子的精密調節(jié)，高糖狀態(tài)下心肌細胞線粒體自噬受到抑制，激活動力相關蛋白-1可以抑制分裂，從而抑制線粒體自噬，這表明線粒體自噬與線粒體分裂密切相關[24]。

線粒體自噬作用是由各種細胞因子及酶類等共同參與的過程，目前關于其分子機制尚不明確，而細胞自噬及線粒體自噬的機制對于DCM有著指導意義，靶向針對線粒體自噬機制各環(huán)節(jié)的治療具有廣闊前景。

6 其他

DCM線粒體功能異常還表現在其他方面，如能量代謝異常、程序性細胞死亡等。心肌是一個高耗能的器官，線粒體約占其體積的40%。線粒體內膜中存在解偶聯蛋白，可以消除線粒體內膜跨膜電化學梯度，從而使線粒體ATP合成受到抑制。研究發(fā)現，db/db小鼠心肌細胞線粒體解偶聯增加，導致能量代謝異常。線粒體結構及功能異常也可能導致程序性細胞死亡。研究表明，鏈脲佐菌素誘導的DM大鼠模型心肌細胞中心磷脂含量明顯降低[25]。心磷脂是線粒體內膜的特征性物質，它除了保證線粒體內膜流動性外，還可參與線粒體程序性細胞死亡。當線粒體發(fā)生ROS，ROS生成增加時，心磷脂可受到損傷，進而影響線粒體膜流動性，破壞線粒體膜電子傳遞鏈，從而抑制線粒體OXPHOS，促進程序性細胞死亡[26]。線粒體內Ca2+超載和ROS增加等因素也參與程序性細胞死亡，而心肌程序性細胞死亡可能為DCM的重要機制之一。此外，線粒體的代謝記憶現象也是目前的研究熱點，是DM視網膜的病變機制之一，而代謝記憶現象與DCM的關系有待進一步研究。

7 結語

DM是獨立的心血管危險因素，DCM是影響DM患者預后的嚴重并發(fā)癥之一。影響DCM發(fā)生及發(fā)展的機制多種多樣，目前人們已經明確線粒體結構及功能異常是DCM的重要機制之一。線粒體是心肌細胞的重要能量來源，當線粒體受損時，可致心功能不全。本文陳述了影響DCM的線粒體相關機制。然而，這些機制并非相互獨立，而是互相影響、共同作用導致心臟舒張及收縮功能不全、心肌纖維化等病理改變，從而促進DCM病程的進展。目前，基于線粒體的DCM機制的研究已經成為一個熱點領域，然而，該領域的大多數研究以動物模型為研究對象，需要更多的以臨床患者為研究對象的相關研究，而DCM機制的研究最終應服務于臨床治療。

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Mitochondrial Dysfunction of Diabetic Cardiomyopathy

YANG Mo, JIANG Wenxi

(TheFifthAffiliatedHospitalofXinjiangMedicalUniversity,Urumqi830011,Xinjiang,China)

糖尿病是一種代謝性疾病，是心血管疾病的獨立危險因素。糖尿病心肌病是獨立于冠狀動脈疾病和高血壓的糖尿病并發(fā)癥之一，是一種多因素所致的復雜疾病，可導致較高的發(fā)病率及病死率。線粒體占心肌細胞中體積的35%～40%，心肌活動所需95%的ATP均由線粒體產生。當線粒體受損時，心臟功能可能隨之出現異?！，F對線粒體功能異常在糖尿病心肌病中作用機制的研究進展進行綜述。

糖尿病心肌?。痪€粒體；氧化應激；自噬

Diabetes mellitus is a metabolic syndrome that increases the risk of cardiovascular disease. Diabetic cardiomyopathy is one of its complications and independent of coronary artery disease and hypertension,and becomes a major cause of morbidity and mortality in those suffering from diabetes mellitus. It is a complex disease caused by multiple factors. Mitochondria occupy 35%～40% of cardiomyocyte volume and supply almost 95% of ATP. When they are impaired, the heart function may become disordered. This review provides an overview of mitochondrial dysfunction in the mechanism of pathogenesis of diabetic cardiomyopathy.

diabetic cardiomyopathy；mitochondria；oxidative stress;autophagy

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金(2012211A033)

楊沫(1990—)，在讀碩士，主要從事心肌病相關研究。Email:momo90126@yahoo.cn

姜文錫(1972—)，主任醫(yī)師，博士，主要從事高血壓相關研究。Email: jiangwenxi777@hotmail.com

1004-3934(2015)06-0731-04

R587.2

A

10.3969/j.issn.1004-3934.2015.06.019

2015-06-05

2015-08-07