李熾昌，張衛(wèi)

心肌細胞不斷收縮、舒張的主要目的是維持心臟泵血功能，其間需要消耗大量三磷腺苷（ATP），故ATP的產生和心肌收縮緊密耦合是維持心功能的必要條件。心肌能量代謝具有特殊的調控網絡，其中糖脂代謝是其改變的重要特征。自噬廣泛存在于真核細胞中，是細胞利用溶酶體清除過量或受損的長t1/2蛋白質及細胞器，進而滿足細胞代謝需要的過程。近年來越來越多實驗表明，自噬在心肌能量代謝異常、心肌肥厚等過程中發(fā)揮著重要作用［1-2］。心肌細胞作為永久性細胞，缺乏增殖能力，因此自噬的改變對維持心肌細胞穩(wěn)態(tài)具有重要意義。自噬的發(fā)生和調控主要受細胞營養(yǎng)狀態(tài)影響，不同環(huán)境刺激會引起細胞糖脂代謝改變，進而引起或抑制自噬，以適應能量需求變化。本文主要綜述了不同心臟病心肌細胞糖脂代謝與自噬關系的研究進展，旨在從能量代謝角度為心臟病提供新的治療思路。

1 心肌細胞糖脂代謝

心臟是一個“雜食”器官，其對能量代謝底物的選擇具有較高的靈活性，可隨循環(huán)中底物濃度及含氧量變化進行靈活轉換，以有效應對壓力超負荷和氧化應激等情況。一般情況下，成熟的心肌細胞中脂肪酸β-氧化占ATP供能的80%，葡萄糖氧化占12%，乳酸氧化及糖酵解分別占7%、1%［3］，可見ATP供能主要來源于脂肪酸β-氧化。正常心臟中，脂肪酰輔酶A和丙酮酸是線粒體的主要能源，糖酵解過程除用于產能外，還產生5碳糖合成核酸以滿足心肌大量蛋白合成及代謝。

心臟以糖原和三酰甘油形式儲存能源。胚胎發(fā)育時期，糖原缺乏或貯積均可誘導心臟發(fā)育異常［4］。在成年動物心臟中，正常情況下心肌糖原庫的周轉率較低，糖原周轉主要應對心臟負荷增加等情況，以提供關鍵時刻的能量；而三酰甘油的周轉率較高，生理條件下能產生心肌細胞中10%的ATP［3］。O'DONNELL等［5］研究發(fā)現，衰老大鼠心臟中三酰甘油轉換率降低，提示衰老大鼠心臟出現脂肪蓄積等情況。

控制心臟能量代謝的重要受體途徑如下：（1）心肌細胞通過缺氧誘導因子 1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）適應缺氧環(huán)境，HIF-1α可通過上調葡萄糖轉運蛋白1（glucose transporters 1，GLUT-1）、己糖激酶 1、乳酸脫氫酶A等缺氧誘導因子表達而調節(jié)心肌糖攝取能力及糖酵解水平［6］；（2）心肌細胞通過激活過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 共激活因子 1α（peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1α，PGC1-α）/激活過氧化物酶體增殖物激活受體（peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPAR）α途徑及PGC1-α/PPAR β/δ途徑而增強脂肪酸活化、線粒體脂肪酸攝取及脂肪酸氧化。心肌能量代謝中脂肪酸代謝和葡萄糖代謝相互制約又相互聯(lián)系，缺氧時糖酵解增強會抑制脂肪酸氧化，而激活PPAR β/δ又能調節(jié)葡萄糖轉運蛋白 4（glucose transporters 4，GLUT-4）和磷酸果糖激酶表達，進而調節(jié)細胞糖代謝、抑制糖酵解［7］。

2 心肌細胞自噬

細胞自噬是通過吞噬自身細胞質蛋白或細胞器并使其包被進入囊泡，與溶酶體融合形成自噬溶酶體，進而降解其所包裹的內容物，如蛋白質聚集體、功能失調的亞細胞器、感染的病原體及儲存營養(yǎng)素（糖原和脂滴）等，以維持細胞穩(wěn)態(tài)［8］。細胞自噬在蛋白質質量調控和保持正常心肌細胞結構及功能方面發(fā)揮著重要作用，異常蛋白質和細胞器積累尤其是線粒體積累可能直接導致心功能異常。目前，已確定的3種自噬類型分別為巨自噬、微自噬及分子伴侶介導的自噬，其中巨自噬最常見［8］。自噬的誘導和發(fā)生需要一系列自噬相關蛋白及其他信號共同參與，其通常以低基礎水平維持細胞穩(wěn)態(tài)，主要生理刺激因素為營養(yǎng)不良和/或生長因子剝奪。

哺乳動物細胞中存在短期激酶和長期轉錄因子兩種能量傳感器，以根據能量代謝狀態(tài)做出準確的自噬反應。AMP依賴的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是快速調節(jié)自噬的兩種主要短期能量傳感器，二者均能被多種生理及病理條件激活，如缺氧、熱量限制和運動鍛煉等；另外，脂聯(lián)素、瘦素及藥物（如二甲雙胍）等可激活心肌AMPK，高葡萄糖、高糖原、高脂肪及亮氨酸等可抑制心肌AMPK活性［9］。mTOR主要通過調節(jié)糖酵解能力而對胚胎心肌細胞發(fā)育產生至關重要的影響［10］。mTOR根據結構不同分為mTOR C1和mTOR C2，其中mTOR C1可適應不同環(huán)境和細胞代謝改變，是自噬的重要負調節(jié)因子，其活性部分抑制能改善老齡化心臟舒張功能障礙、心臟肥厚及激活自噬現象。AMPK、mTOR C1及UNC-51樣激酶1（UNC-51 like kinase 1，ULK1）是構成調節(jié)自噬的重要通路，其中ULK1是人自噬相關蛋白1的同源物，可啟動自噬的發(fā)生。為了應對能量應激，AMPK直接磷酸化mTOR上游的TSC1和mTOR復合物中的Raptor，關閉能量消耗的mTOR C1途徑，鈍化mTOR C1活性［11］，此外AMPK還能直接激活ULK1復合物而誘發(fā)自噬；相反，在營養(yǎng)豐富的情況下，mTOR C1磷酸化能抑制ULK1，從而抑制AMPK-ULK1的相互作用［12］。此外，AMPK/mTOR還能通過調節(jié)Ⅲ型磷脂酰肌醇3激酶復合物而多層次地調節(jié)參與調控自噬的過程［13］。

3 不同心臟病心肌細胞糖脂代謝與自噬的關系

3.1 心肌肥厚 心肌肥厚是心肌細胞對各種生理病理條件的適應結果，常見原因為高血壓和心臟瓣膜狹窄，其病理過程中存在心肌代謝重新編程，主要特征是對葡萄糖的依賴性增加和脂肪酸氧化下降，又稱為心肌細胞“胚胎化”。ALLARD等［14］研究發(fā)現，糖酵解占肥厚心臟ATP供能的19%，而棕櫚酸氧化占55%。既往研究表明，在主動脈縮窄術動物模型及去氧腎上腺素誘導的肥厚心肌中觀察到HIF-1α表達增強、GLUT-1表達減弱、PPARα表達被抑制；另外，盡管在肥厚心肌細胞中發(fā)現葡萄糖攝取能力增加，但整體糖原及ATP含量均下降，且己糖激酶2表達下調，提示肥厚心肌中糖氧化減弱，而攝取的糖主要通過糖酵解代謝［15-17］。此外，糖酵解增加還可導致心肌細胞中O-乙酰氨基葡萄糖增加，進而導致胰島素抵抗［18］；在去氧腎上腺素誘導的肥大心肌細胞中發(fā)現，胰島素降低、氧耗減少［19］。因此，心肌細胞“胚胎化”代謝特征不適用于維持心肌能量和心功能。

越來越多證據表明，自噬在心肌肥厚和心臟重塑過程中發(fā)揮著重要作用［1，20］。心肌肥厚早期，為了適應心肌細胞肥大性生長，自噬被明顯抑制；在主動脈縮窄術后1～2周及短期去氧腎上腺素誘導的肥厚心肌細胞中觀察到，AMPK磷酸化/AMPK下降，而mTOR磷酸化水平升高，心肌細胞自噬微管相關蛋白輕鏈3BⅡ/Ⅰ比例下降，p62蛋白增加，分析其原因可能為心肌肥厚早期脂肪酸無明顯變化，糖攝取及糖酵解增加ATP合成以適應蛋白質合成的能量需求，進而抑制AMPK磷酸化及自噬發(fā)生［21-23］。在主動脈縮窄術后4～12周［24-25］或長期去氧腎上腺素誘導的肥厚心肌細胞［26］中觀察到，心肌肥厚、心肌纖維化及胚胎基因心鈉肽、腦尿鈉肽水平升高，AMPK磷酸化水平升高或不變，自噬水平明顯升高并伴有糖酵解增加［27］。為了適應后負荷變大導致的心肌耗氧量增加，當糖酵解提供ATP不足以應對肥厚心肌需求時，自噬增加并通過產生、回收和補充關鍵營養(yǎng)和代謝產物而增加生物合成。肥厚心肌中上調的葡萄糖攝取和磷酸化抑制了脂肪酸氧化；另外，為了適應高自噬水平膜合成對脂質的需求，脂質氧化進一步降低。GUO等［28］在癌癥模型中發(fā)現，自噬活動可維持中間代謝產物水平及通過三羧酸循環(huán)的流量。自噬水平改變存在轉折點，其可能是心肌細胞能量代謝從代償向失代償轉換的標志。

3.2 糖尿病性心肌病 糖尿病患者不能用高血壓、冠狀動脈粥樣硬化及其他心臟病解釋的心肌疾病被認為是糖尿病性心肌病。2型糖尿病患者盡管存在高糖及高胰島素血癥，但由于胰島素抵抗導致胰島素信號傳導受損，因此葡萄糖攝取和氧化減少；另外，糖尿病患者易合并高脂血癥，由于脂肪酸跨膜不依賴激素，因此糖尿病患者脂肪酸攝取和氧化增加，當底物供應超過ATP合成需要時，盡管脂肪酸氧化增加，但心臟中仍有大量脂質堆積，進而影響心功能，又稱為“脂毒性心肌病”［29］。既往研究表明，在糖尿病性心肌病模型中觀察到，心肌耗氧量增加，而細胞中線粒體的耗氧率、呼吸指數及膜電位均降低，同時伴有心功能降低及氧化應激增加；另外，心肌細胞中PPARα和PPARγ表達減少，提示盡管脂肪酸攝取增加，但心肌中線粒體脂肪酸的活化和氧化效能降低并伴有線粒體氧化應激的發(fā)生［29-32］。當心臟脂質供應增加超過氧化速率增加時，脂肪酸氧化下降，有毒脂質及其衍生物增加，心臟收縮功能障礙［33-34］。YU等［35］研究表明，減少脂肪酸攝入或增強心臟儲存脂質的能力均能有效減輕小鼠脂毒性損傷。上述研究提示，糖尿病性心肌病的根源在于脂質供應和氧化能力不匹配。

既往研究表明，糖尿病大鼠心肌自噬基因及泛素化基因表達短暫升高后逐漸降低［36-37］；短期高糖培養(yǎng)的心肌細胞自噬水平無明顯變化，分析其原因可能為短期高糖環(huán)境引起的能量過剩導致自噬被抑制；但隨著培養(yǎng)時間延長，心肌細胞內ATP含量降低［36，38］，自噬水平升高并伴有細胞凋亡增加［39］，分析其原因可能為長時間高糖環(huán)境導致線粒體和內質網損傷，活性氧簇增加，進而激發(fā)自噬以降解損傷的蛋白質，但過度自噬又會引起Ⅱ型程序性細胞死亡。值得注意的是，高糖培養(yǎng)的心肌細胞胚胎基因表達升高，蛋白質合成增加［36，40］，提示高糖是誘導心肌肥厚的獨立危險因素。

既往研究表明，脂質培養(yǎng)的心肌細胞和動物模型存在收縮功能障礙、心肌纖維化、線粒體損傷及AMPK磷酸化水平降低等現象，同時伴有自噬水平明顯下降［41-42］，自噬流阻斷及PPARα激活減少［43-44］，而使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可導致細胞凋亡增加，提示自噬在心肌脂代謝障礙中具有重要調節(jié)作用。WEN等［44］研究表明，增加共軛亞油酸和高密度脂蛋白可分別激活PPARα和PPARγ，進而增強脂代謝，減輕脂肪酸對心肌細胞造成的損傷。因此，游離脂肪酸增多導致心肌細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)破壞時，激活自噬能緩解心肌氧耗及清除有毒的脂肪酸中間產物，從而保護心肌細胞，維持心肌細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)。

3.3 缺血性心臟病 BODI等［45］研究發(fā)現，急性心肌缺血或慢性缺氧心肌中存在ATP產生減少及脂肪酸代謝紊亂，分析其原因可能如下：為了適應缺氧環(huán)境，心肌處于“冬眠”狀態(tài)，心臟收縮功能減弱，心肌細胞糖酵解增強，進而導致乳酸堆積；另外，缺氧環(huán)境使細胞HIF-1α通路激活，PPARα表達下調，脂肪酸氧化效能降低，脂肪酸不完全氧化導致乙酰輔酶A產生增加。既往研究表明，缺血心肌中存在線粒體功能障礙，而線粒體功能障礙又使線粒體中ATP合成酶活性及豐度降低，進而導致ATP合成減少［46］。

既往研究表明，在急性心肌缺血動物模型及低氧和糖剝奪心肌細胞中觀察到，AMPK磷酸化明顯增強，mTOR磷酸化被抑制，自噬微管相關蛋白輕鏈3BⅡ/Ⅰ比例升高，提示缺血缺氧環(huán)境下自噬明顯激活［47-48］；而使用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可擴大心肌梗死面積，使用雷帕霉素可增加細胞自噬水平，進而發(fā)揮心肌保護作用［47］；上調己糖激酶2表達能增強葡萄糖利用并增加自噬水平，進而減輕心肌細胞損傷程度［48］。總之，自噬在心肌短暫性缺血缺氧過程中具有保護作用，其可維持細胞ATP供應，但長時間缺血引起的過度自噬則增加細胞凋亡。

3.4 心力衰竭 心力衰竭的“能量危機”刺激自噬的強烈激活，而過度自噬又導致線粒體數量減少及功能改變，進而加劇“能量危機”，形成惡性循環(huán)。BEER等［49］研究表明，晚期心力衰竭患者心肌ATP水平較健康對照者下降30%～40%，分析其原因可能為增強AMPK磷酸化和ULK1可啟動自噬，脂肪酸氧化能力明顯減弱，進而出現脂肪酸和乳酸蓄積；另外，脂肪酸不完全氧化可產生活性氧簇，當降解系統(tǒng)不堪重負時過量活性氧簇會對蛋白質、脂質和細胞器產生氧化性損傷，從而直接誘導自噬；再者，心力衰竭患者泵血功能減弱導致缺氧環(huán)境，而缺氧環(huán)境又是自噬的有效激活劑。

自噬主要應對糖脂代謝極度減弱，但過度自噬可能引發(fā)必需代謝酶和線粒體的非特異性降解，進一步減弱糖脂代謝，導致能量危機。STARLING等［50］研究表明，壓力超負荷的心力衰竭出現明顯線粒體自噬。ZHU等［51］研究表明，自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤可以保持線粒體豐度，改善心肌收縮功能。另有研究表明，采用線粒體分離和線粒體自噬抑制劑治療后線粒體自噬標志物表達減少，心功能得到有效改善［52］，提示抑制線粒體自噬可以改善心功能及逆轉心臟病理學改變。

4 展望

心肌細胞通過調節(jié)糖脂代謝引起能量變化及自噬水平改變，以維持心肌細胞穩(wěn)態(tài)。因此，了解心肌細胞糖脂代謝與自噬的關系，有利于從能量代謝角度研究心臟病的治療方案。此外，心肌細胞的氧化應激、炎性通路及生長因子轉錄亦對自噬產生重要影響，因此自噬與能量改變的具體機制尚有待進一步研究探索。