林夢飛，李濤，吳柱國

(廣東醫(yī)科大學廣東省分子診斷重點實驗室，廣東東莞523808)

2型糖尿病與心肌細胞能量代謝功能紊亂關系的研究進展

林夢飛，李濤，吳柱國

(廣東醫(yī)科大學廣東省分子診斷重點實驗室，廣東東莞523808)

心臟可以利用脂肪酸(FAs)、葡萄糖、酮、乳酸、氨基酸作為燃料基質在心肌細胞線粒體中氧化磷酸化而產(chǎn)生維持其正常功能所需的能量。其中FAs和葡萄糖是心臟最主要的兩種能量供體，正常情況下FAs氧化代謝所產(chǎn)生的ATP占心肌細胞代謝產(chǎn)生總ATP的50%～70%，葡萄糖氧化代謝所產(chǎn)生的ATP占心肌細胞代謝產(chǎn)生總ATP的10%～30%。正常生理狀態(tài)下心臟可以根據(jù)自身的工作負荷、氧供應及激素水平切換其燃料基質選擇偏好。但是在2型糖尿病(T2DM)情況下，心肌細胞會增加FAs的攝取利用、減少葡萄糖的攝取利用使心肌細胞的能量產(chǎn)生幾乎完全依靠FAs氧化，而線粒體作為FAs和葡萄糖的最終代謝場所其功能亦會發(fā)生紊亂，現(xiàn)綜述如下。

2型糖尿病；能量代謝；功能紊亂；脂肪酸；葡萄糖；線粒體功能

心肌細胞能量代謝功能的紊亂將會對心臟正常功能產(chǎn)生重要影響。在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)情況下心肌細胞能量代謝功能紊亂是如何發(fā)生的，以下我們將會結合正常的心肌細胞FAs、葡萄糖攝取利用途徑及正常線粒體氧化磷酸化功能，從心肌細胞FAs和葡萄糖的攝取利用異常、心肌細胞線粒體氧化磷酸化功能障礙三個方面對T2DM與心肌細胞能量代謝功能紊亂的關系做一綜述。

1 T2DM與心肌細胞的FAs攝取利用

1.1 心肌細胞FAs攝取與利用概述心肌細胞自身從頭合成FAs的能力有限，且心肌細胞內(nèi)的FAs儲備僅夠維持1 min的正常心臟活動，因而其FAs供給主要靠從外源的血漿中攝取[1-2]。血漿中的FAs主要以甘油三酯的形式循環(huán)，然后大部分通過特定的轉運蛋白(脂肪酸轉運蛋白1、4和CD36等)易化擴散、少部分通過被動擴散進入心肌細胞中，進入心肌細胞的FAs被內(nèi)皮酯蛋白酶解離成游離FAs后酯化成脂肪酰CoA，其中大部分脂肪酰CoA運送至線粒體內(nèi)進行β-氧化，少部分運送至細胞內(nèi)甘油三脂池儲存[1]。肉堿棕櫚酰轉移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1，CPT-1)是FAs代謝的限速酶，它通過把脂肪酰CoA轉化成脂肪酰肉堿而把脂肪酰CoA轉運至線粒體內(nèi)；一旦進入線粒體內(nèi)脂肪酰肉堿很快就被肉堿棕櫚酰轉移酶2重新轉化回脂肪酰CoA進行β-氧化。FAs代謝受多種因素調節(jié)：胰島素可以通過促進葡萄糖攝取利用、抑制脂肪動員、促進脂肪合成等抑制心肌FAs代謝；FAs轉運蛋白及其代謝限速酶的表達及活性對心肌細胞FAs代謝亦有重要影響；轉錄因子過氧化物酶增殖物激活受體α(peroxidase proliferation activated receptor alpha，PPAR-α)作為FAs代謝的決定性轉錄調控因素，其激活或表達上調使FAs代謝增加，反之減少[3]。

1.2 T2DM與異常的心肌細胞FAs攝取利用新興的正電子發(fā)射斷層顯像/X線計算機體層成像示蹤技術(positron emission tomography/ray computed tomography，PET/CT)證實在胰島素抵抗及糖耐量受損患者心肌組織FAs攝取增加較其他組織更明顯[4]。胰島素抵抗和/或T2DM患者由于肝臟脂質合成增加及脂肪細胞脂解增加，導致血液循環(huán)中游離FAs、甘油三酯水平升高[5]。血漿FAs水平升高自身可以部分地驅動心肌細胞FAs攝取增加，但T2DM心肌細胞FAs攝取增加主要與心肌細胞FAs轉運蛋白易位有關。過去認為T2DM大鼠心肌FAs攝取增加與其心肌細胞細胞質某些特定的FAs轉運蛋白(如脂肪酸轉運蛋白1和CD36)表達增加有關[6]；后來證實T2DM時心肌細胞總FAs轉運蛋白表達并沒有增加，其FAs攝取增加主要是由更多的細胞內(nèi)FAs轉運蛋白易位至心肌細胞細胞膜上所致[1，7-8]。不僅是攝取增加，大量研究發(fā)現(xiàn)T2DM時心肌FAs氧化率也是提高的，PET/CT也證實了這一點[9]。胰島素可以抑制心肌細胞FAs的氧化[9]，T2DM時胰島素作用不足可以通過增加脂肪裂解、抑制脂質合成、抑制葡萄糖攝取利用而增加FAs代謝。PPAR-α作為FAs代謝的決定性轉錄調控因素也在該改變中發(fā)揮了重要作用。據(jù)報道幾乎在所有的糖尿病動物模型中PPAR-α的表達都是增加的，而且T2DM時心肌細胞FAs攝取增加致細胞內(nèi)增多的FAs可以作為配體激活PPAR-α，PPAR-α激活增加可以通過上調FAs的攝取、儲存、β-氧化和抑制葡萄糖氧化而增加心肌能量代謝對FAs的依賴[2-3]。T2DM時心肌FAs代謝增加還可能和某些FAs代謝限速酶的表達、活性改變有關。一般認為CTP-1作為FAs β-氧化的限速酶調控脂肪酰CoA進入線粒體是FAs β-氧化的主要限速步驟，T2DM時CTP-1的活性是增強的。已經(jīng)證實抑制CTP-1活動可以通過提高碳水化合物的利用率、改善胰島素信號轉導而抑制全身肌肉的FAs氧化[10]，早期胰島素治療可能通過增加心肌CPT-1表達、降低固醇調節(jié)元件結合蛋白1表達而有益于改善T2DM大鼠骨骼肌肌甘油三酯累積[11]。但是CPT-1在心肌細胞FAs β-氧化中的地位卻遭到了質疑：有學者認為其不是心肌細胞FAs β-氧化率的關鍵限速因素，因為有研究發(fā)現(xiàn)T2DM患者心肌細胞CPT-1的表達及活性較非T2DM患者沒有明顯變化，且它對體內(nèi)CPT-1抑制劑丙二酸單酰輔酶A敏感性沒有變化(更甚的是，有研究發(fā)現(xiàn)T2DM小鼠心肌丙二酸單酰輔酶A是增加的)，部分性CPT-1抑制劑—依莫克舍(可以降低心肌CPT-1活性44%)并沒能抑制心肌細胞FAs攝取、氧化[1，7，12]。

2 T2DM與心肌細胞的葡萄糖攝取利用

2.1 心肌細胞葡萄糖攝取與利用概述葡萄糖主要通過葡萄糖轉運體1(glucose transporter-1，GLUT-1)及葡萄糖轉運體4(glucose transporter-4，GLUT-4)轉運進入心肌細胞，其中GLUT-1主要涉及基礎葡萄糖攝取，GLUT-4作為心肌上表達最豐富的葡萄糖轉運蛋白主要負責應對胰島素及心臟工作量增加等刺激誘導的葡萄糖攝取。進入心肌細胞內(nèi)的葡萄糖(85%)絕大部分被葡萄糖激酶轉化成葡萄糖-6-磷酸后進入糖酵解通路[13]。己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1 (6-phosphate fructose kinase-1，PFK-1)、丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)是糖酵解調控的三個關鍵酶。其中PFK-1是調節(jié)糖酵解途徑流量最重要的限速酶，它催化生成丙酮酸；PDH是糖酵解第二重要的調節(jié)點，它催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A后進入線粒體參加β-氧化。胰島素作為體內(nèi)唯一的降低血糖激素，可以通過刺激胰島素信號通路而促進葡萄糖攝取利用、激活糖酵解限速酶、抑制脂肪動員。

2.2 T2DM與異常的心肌細胞葡萄糖攝取利用T2DM患者心肌細胞葡萄糖的攝取較糖耐量正常及糖尿病前期患者明顯減少[14]。這種減少主要與GLUT4相關，已述經(jīng)證實GLUT4敲除的小鼠心肌細胞表現(xiàn)出極端的葡萄糖攝取不足[15]。雖然T2DM動物模型及患者的心肌GLUT4表達都降低[12，16]；但是和FAs攝取增加機制類似，T2DM或胰島素抵抗時心肌細胞GLUT4優(yōu)先內(nèi)化和優(yōu)先定位于細胞內(nèi)部所致心肌細胞細胞膜上的GLTU4減少才是引起其葡萄糖攝取減少的主要原因[5，8]。最近有研究發(fā)現(xiàn)新興抗阻運動康復療法和雄性激素療法可能能通過增加細胞膜GLUT4表達而促進葡萄糖轉運、改善胰島素抵抗[17-18]。除了葡萄糖攝取減少，T2DM患者心肌細胞葡萄糖氧化也較正常減少30%～40%[13]。T2DM時胰島素含量相對不足、胰島素抵抗、胰島素信號通路受損可以直接減少心肌葡萄糖攝取與利用，F(xiàn)As代謝增加可以間接抑制葡萄糖氧化(根據(jù)蘭德爾周期)。糖酵解通路是心肌葡萄糖代謝最主要的通路，上述三個糖酵解關鍵酶表達及活性改變亦均對葡萄糖代謝異常有重要影響。長鏈脂酰CoA對己糖激酶有變構抑制作用，理論上T2DM時FAs代謝增加致長鏈脂酰CoA增加可以抑制己糖激酶活性；胰島素可以誘導己糖激酶基因轉錄，胰島素作用不足可以致己糖激酶表達下降。檸檬酸是PKF-1的抑制劑，T2DM時FAs代謝增加致乙酰輔酶A和檸檬酸水平升高可以抑制PKF-1活性；另外，T2DM時PPAR-α過表達可以減少PFK-1表達[19]。PDH受丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase，PDK)抑制，受丙酮酸脫氫酶磷酸酶刺激促進。Fas β-氧化產(chǎn)生的乙酰輔酶A和NADH可以通過活化PDK及促進其隨后的磷酸化、抑制PDH酶復合物而抑制葡萄糖氧化[2]。還有研究發(fā)現(xiàn)，T2DM動物模型心肌細胞PDH活性下降、PDK表達增加，這會導致葡萄糖利用減少、FAs代謝增加；二氯乙酸(一種PDK抑制劑)可以通過增加心肌細胞PDH通量、抑制PDK而改善這種心肌能量基質利用失衡和心功能[12，20]。

3 T2DM與心肌細胞線粒體氧化磷酸化功能

3.1 線粒體氧化磷酸功能概述無論是葡萄糖還是FAs或者其他燃料基質，其能量代謝途徑最后都是生成乙酰輔酶A進入線粒體通過三羧酸循環(huán)生成還原當量NADH和FDH2；NADH和FDH2進入線粒體電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)進行連續(xù)的氧化還原反應形成質子梯度驅動ATP的合成，此過程被稱作線粒體氧化磷酸化，其產(chǎn)生ATP占細胞生成總ATP比例超過95%[21]。即使在正常情況下，線粒體氧化磷酸化也不是全效的，因為會有1%～2%的電子從ETC中泄露出來形成活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，以及解耦連蛋白會部分下調質子梯度而產(chǎn)生熱量[22]。

3.2 T2DM與異常的心肌細胞線粒體氧化磷酸化功能線粒體是FAs及葡萄糖最終代謝場所，T2DM時心肌FAs代謝增加、葡萄糖代謝減少，其所致心肌粒體氧化磷酸化功能障礙主要表現(xiàn)為氧化磷酸化效率下降和ROS產(chǎn)生增加兩大特點。心肌線粒體氧化磷酸效率下降主要表現(xiàn)為以下兩方面：一是心臟工作效率下降，雖然每分子FAs代謝所產(chǎn)生的ATP比葡萄糖多，但是FAs代謝氧耗比值比葡萄糖高，因此FAs增加將會降低心臟工作效率(做工量/心肌氧耗量)[9]；二是ATP生產(chǎn)減少，T2DM時高血糖癥、胰島素抵抗可以直接或間接通過誘導心肌線粒體能量基質選擇偏好轉變以及誘導線粒體融合、裂變、自噬改變其功能結構而影響能量產(chǎn)生，ATP生產(chǎn)減少還和FAs介導的心肌線粒體解耦連蛋白表達上調有關[13，23]。有研究發(fā)現(xiàn)糖尿病心肌病患者心肌ROS含量較非糖尿病特發(fā)性擴張型心肌病患者的增加達4倍[24]。慢性高血糖會誘導心肌氧化應激增加[25]，F(xiàn)As氧化增加使更多的電子被傳遞到缺陷的ETC中會導致更多的電子漏出亦會形成更多的ROS[13]。ROS反過來可以協(xié)同線粒體分裂蛋白1相互增強而加劇線粒體功能障礙和抑制胰島素信號傳導，以及通過增加磷酸戊糖途徑通量使能量代謝從依靠糖酵解途徑轉化為更多的依靠FAs氧化來彌補身體的ATP的需求而使胰島素抵抗增加[26-27]。值得注意的是，一直以來我們都是把更多注意力放在了胰島素治療對T2DM的益處上面，現(xiàn)在有觀點提出長期胰島素注射可能會通過誘導線粒體裂變、增加神經(jīng)酰胺水平而加重胰島素抵抗和破環(huán)心肌線粒體呼吸功能而帶來負面影響[28]。

4 結語

正常的能量代謝是維持心臟正常功能的關鍵，因為心臟作為人體中能量消耗最高的器官，即使是微小的能量短缺也可以迅速導致心肌收縮舒張功能障礙。正常的心肌能量代謝依賴于不斷的氧、燃料基質供應和產(chǎn)生ATP所需的完整的氧化磷酸化過程。然而T2DM可以導致心肌細胞能量代謝功能紊亂，這些紊亂包括心肌FAs攝取利用增加、葡萄糖攝取利用減少和線粒體氧化磷酸化功能受損。理解這些T2DM是如何導致這些紊亂的有助于我們尋找更有針對性的治療靶點，對糖尿病心肌病的防治有重要的意義。

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Advances in relationship between type 2 diabetes mellitus and myocardial energy metabolism dysfunction.

LIN Meng-fei,LI Tao,WU Zhu-guo.
Guangdong Key Laboratory of Molecular Diagnostics,Guangdong Medical University. Dongguan 523808,Guangdong,CHINA

The heart can use fatty acids(FAs),glucose,ketone,lactic acid and amino acid as fuel matrix to produce the energy needed to maintain the normal function in the myocardial mitochondria by oxidative phosphorylation. Among them FAs and glucose are the two main energy donors.The ATP produced by FAs oxidation metabolism accounted for 50%-70%of total myocardial cell metabolism inATP under normal circumstances,while glucose oxidative metabolism accounted for 10%-30%.Under normal physiological conditions,the heart can switch its fuel matrix according to its workload,oxygen supply,and hormone levels.However,in the case of type 2 diabetes mellitus(T2DM),myocardial cells will increase the uptake and utilization of FAs,reduce the uptake and utilization of glucose,so that the energy production of myocardial cells depends almost entirely on FAs oxidation,and as the final metabolic site of FAs and glucose, the dysfunction of mitochondria function can also occur.

Type 2 diabetes mellitus(T2DM);Energy metabolism;Dysfunction;Fatty acids(FAs);Glucose; Mitochondrial function

R587.1

A

1003—6350（2017）12—1984—04

2017-02-04)

10.3969/j.issn.1003-6350.2017.12.030

國家自然科學基金(編號：31171351)

林夢飛。E-mail：294268916@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1003-6350.2017.12.031