王晓敏， 吴柱国， 李涛

广东医科大学 1第二临床医学院, 2东莞科研中心(广东东莞 523808)

糖尿病是一种复杂的代谢疾病，当血糖没有得到很好的控制时，慢性高血糖会导致各种糖尿病并发症的发生。心血管疾病仍然是糖尿病患者死亡和残疾的主要原因。通过现在可行的药物或方法仅仅能控制血糖和(或)心功能在相对平稳状态，而不能逆转心肌细胞的分子改变。目前研究发现胰岛素样生长因子1(IGF-1)在其中扮演着重要角色，本文就 IGF-1在糖尿病性心血管疾病的近年相关研究进展作一阐述。

1 高糖与氧化应激

1.1 高糖与ROS产生 高血糖会促进蛋白质和脂类的糖基化，抗氧化酶的糖基化会损害细胞防御机制，导致氧化应激的发展[1]，增加活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的产生[2]，ROS产生的一种重要机制是线粒体电子传递链的超氧化物的过度生产。细胞和组织含有抗氧化防御机制，有助于阻止ROS的形成，维持细胞或组织的氧化还原平衡。慢性高血糖促进晚期糖基化产物形成、蛋白激酶C(PKC)激活、线粒体异常的代谢扰乱内皮细胞的氧化还原状态，有利于亲氧化物形成[3]。在线粒体中，高糖介导氧化应激的过度产生；除此之外，还可能通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH oxidase,Nox)、减少抗氧化酶、激活过氧化氢酶和超氧化物歧化酶(SOD)或与内皮细胞一氧化氮合酶(endothelial Nitric oxide synthase，eNOS)解耦连来增加ROS活性[4]。激活PKC有助于通过激活核因子-κB(NF-κB)和各种膜Nox类介导更多的ROS生产[1]；高血糖条件下的晚期糖基化最终产物(RAGE)的积累可以直接或通过结合其成员受体激活下游信号通路[5],RAGE及其终端产物(AGE-RAGE)之间的相互作用可以诱导瀑布式病理生理学反应与激活下游NF-κB,进而导致ROS生成[6];在线粒体中，过多氧自由基的产生压倒抗氧化防御系统，导致线粒体DNA和线粒体蛋白质氧化损伤，是导致心脏重构和功能失调的发展和恶化原因之一[7]。Nox在很多细胞的ROS的产生中起着关键性作用，包括心肌细胞。Nox1已被确定为血管组织ROS产生的主要来源，导致一氧化氮(nitric oxide,NO)含量低。NO水平的降低与冠脉的内皮依赖性血管扩张有关。人类主动脉内皮细胞暴露于高糖下，Nox1表达增加，增强氧化损伤。同样的研究表明，缺乏Nox1的糖尿病小鼠抗动脉粥样硬化作用与减少ROS生成有关。虽然Nox2和Nox4在心脏肌肉中占主导地位，但这两种产生ROS的酶也在其他细胞类型中表达，与受体激动剂刺激的氧化还原状态信号转导有关。Nox2已被证明在胰岛素抵抗介导的血管组织氧化损伤中起核心作用。Nox2敲除转基因小鼠的内皮特异性胰岛素抵抗减少ROS的产生和血管功能障碍。另一方面，Nox4同种异型体在心肌细胞线粒体中表达，缺乏Nox4基因的小鼠会减少自由基损伤[8]。

1.2 IGF-1可以改善ROS介导的毒性作用 ROS通过氧化半胱氨酸的硫醇抑制肌内质网钙ATP酶[sarco(endo)plasmic reticulum Ca2+ATPase,SERCA]，干扰ATP结合位点，使它无法水解ATP[9]。当ATP的需求高于产生时可导致细胞凋亡或坏死，从而导致随后的组织损伤。ROS可以导致线粒体基因突变，从而影响线粒体tRNAs 、rRNAs、酶、结构和信号蛋白、转运体、通道和热休克蛋白，减弱线粒体供能作用[10]；在高能量传递过程中或者环境因素造成线粒体膜电位损失时ROS产生会增加。如果超过了阈值，自由基将介导更多的活性物质产生，导致氧化应激和线粒体功能障碍的恶性循环产生。此外，高血糖刺激内皮细胞凋亡的激活。与此过程相关的重要机制包括氧化应激、线粒体功能障碍和钙代谢异常调节[11-13]。Sádaba 等[10]证明用IGF-1治疗这些衰老大鼠可以纠正线粒体功能异常的参数，减少凋亡蛋白酶活化，IGF-1的细胞保护效应和线粒体保护相似，减少自由基、氧化应激、凋亡和增加ATP产生。吴柱国等[14]证明IGF-1可以通过抑制BTEB、CYP1A1途径保护大鼠心肌细胞免于凋亡；但是心肌细胞细胞色素c 家族成员CYP1A1、11A1、2E1 和3A 的基因表达情况并不是每个家族成员都受转录因子BTEB 的调控。IGF-1能否通过抑制ROS产生来保护细胞将会成为有望找到新的心脏功能衰竭的治疗方法。

2 胰岛素抵抗与IGF-1

2.1 ROS与胰岛素抵抗 胰岛素抵抗(insulin resistance，IR)被定义为胰岛素不能适当地激活细胞内复杂的的网络信号和随后的代谢效应，比如葡萄糖处理，这会导致血糖处理受损和肝葡萄糖输出增加共同导致血浆葡萄糖升高。高水平葡萄糖促进胰岛β细胞合成和分泌更多的胰岛素来重建适宜的血糖水平，持续的高营养(比如高糖和高脂肪饮食)导致糖毒性和脂肪毒性，两者结合经过一个慢性时期形成了糖脂毒性环境，糖脂毒性影响线粒体的功能，包括损害电子传递链活动从而导致ROS产生增加，ROS增加反过来触发周围组织和胰岛细β细胞炎症反应。胰岛素抵抗可能与很多机制相关，包括胰岛素活动和NO产生过程中常见的子细胞信号传导通路的干扰，其他可能的一些机制包括氧化应激反应、内皮素、肾素血管紧张素系统、脂肪组织分泌的激素和细胞因子，糖尿病的氧化和硝化应激的增加也可能促进周围组织中各种胰岛素受体的氧化和(或)硝化[15]，这可能会使胰岛素抵抗的程度恶化[4]。高血糖和脂肪酸促进内质网应激，由于炎症、氧化应激和高血糖从而降低β细胞分泌胰岛素效率。

2.2 IGF-1可以改善胰岛素抵抗 很多证据表明缺乏IGF-1这种激素增加胰岛素抵抗、损伤脂质代谢、增强氧化应激、下调神经-激素轴[16]。IGF-1与胰岛素的信号高度关联，部分是由于它们的进化同源受体形成混合受体有关；调节血管的IGF-1的信号可以减轻胰岛素抵抗对心血管的不良影响；胰岛素信号的时空差异和对配体相关的受体的干预引起的不同效应可能是开发治疗策略重点。胰岛素抵抗和高胰岛素血症是2型糖尿病(T2DM)的特征。高胰岛素血症与一些心血管危险因素，如高血压、高血脂、动脉粥样硬化等密切相关，在 T2DM 患者中，胰岛素敏感性下降，机体代偿分泌更多胰岛素满足生理需要，导致胰岛素进一步升高，形成恶性循环，IGF-1 能增加肝脏和肌肉对胰岛素的敏感性，打破这种循环，改善高胰岛素血症[17]。Aguirre等[18]认为IGF-1提高胰岛素敏感性是通过抑制胰岛素和生长激素分泌、改善胰岛素信号进而间接减少游离脂肪酸的通量，但具体通路有待进一步发现；他们发现用氯甲苯噻嗪KATP通道受体阻滞剂，抑制膜去极化，减少β细胞胰岛素分泌；氯甲苯噻嗪在减少肥胖的同时能改善脂质代谢、降低血糖和改善糖耐量；在这个模型中，可能是直接通过下调胰岛素受体或者是增加脂质累积抑制胰岛素信号从而促进胰岛素抵抗。IGF-1在人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVECs)氧化应激介导的细胞凋亡中展现有利的影响；过氧化氢加入HUVECs诱导这些细胞发生典型的凋亡改变(DNA断裂、线粒体膜电位改变和凋亡蛋白酶3活性增加)；然而用IGF-1可以减少氧化应激带来的损害；这种效应与提高线粒体的功能有关，因为用IGF-1处理的HUVECs显示了线粒体的膜电位守恒、减少细胞色素c释放、减弱细胞凋亡蛋白酶3活动[10]。细胞色素c是线粒体电子传递链的一个重要组成部分，在ATP的氧化还原过程中充当电子穿梭体。它的释放和线粒体去极化被认为是细胞凋亡的关键。在高糖心肌细胞中，不用依赖于线粒体去极化状态,细胞色素c释放足以引起细胞凋亡。凋亡通路中的系统通过细胞色素c释放加剧心肌损伤。因此，抑制促凋亡蛋白和线粒体细胞色素c释放的干预措施可以挽救心肌损伤[8]。

3 高糖与内皮细胞功能障碍

3.1 ROS与内皮细胞功能障碍 内皮细胞可分泌收缩和舒张血管的活性物质，正常情况下这两类活性物质保持在平衡状态以维持血管的正常舒缩功能。内皮细胞功能障碍可导致NO产生减少和造成血管舒张功能受损、增加血小板吸附、异常细胞增殖、营养运输和向促凝和促炎状态改变[19]。糖尿病患者高血糖直接激活促炎因子白细胞介素-1β(IL-1β)，并激活细胞内的一种蛋白复合物，促进凋亡蛋白酶1的水解活化，从而进一步促进IL-1β产生[20]；高糖激活应激酶，增强电子传递链传递作用，并在线粒体中产生ROS；ROS激活PKC，PKC的活化也可以诱导渗透因子血管内皮生长因子(VEGF)的表达，促进血流和血管通透性的改变。氧化应激增加血管内皮渗透性，在起始期和动脉粥样硬化斑块形成过程中，细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecules，ICAM-1)表达增加[18]，促进白细胞黏附[4,21]。PKC活化已被证明可以抑制NO的产生。相反，它通过激活内皮素-1(endothelin-1，ET-1)增加血管收缩，导致血流异常[1]。由糖尿病引起的PKC激活的分子机制包括酶活性功能显著改变，如丝裂酶原激活的蛋白激酶、胞浆磷酸酶A2和Na+-K+-ATP酶及一些转录因子改变，线粒体中应激反应增加导致线粒体通透性转换(mitochondrrial permeability transition，MPT)，MPT的形成可以导致线粒体的氧化还原状态形成，在病理状态下，MPT的开放是独特但不是专一性，并可以导致钙和其他毒性复合物超载。细胞存活取决于MPT孔道形成数量。如果MPT孔道形成只是局限性的，细胞可以通过线粒体自噬/泛素化修复，否则，可以加速凋亡。如果更大范围，通过细胞内死亡途径激活凋亡蛋白酶，从而诱导细胞凋亡[22]。因此，预防线粒体膜去极化可能对慢性高糖介导的心肌损伤有重要作用[8]。

3.2 PI3K-PKB与MAPK 通路 胰岛素和IGF-1的共同激活通路包括丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)[23]、磷酸肌肽3激酶/蛋白激酶B(Phosphokinin 3 kinase/Protein kinase B,PI3K-PKB)信号通路。在IR状态下，胰岛素受体底物的第 307 位丝氨酸发生磷酸化，选择性地使PI3K-PKB 通路活性减低[24]，PI3K通路则是介导内皮细胞代谢和抗凋亡的重要信号，磷酸化eNOS减少，NO合成下降，导致血管舒张性下降；MAPK信号通路未受阻或活性增强，MAPK通路的激活被认为是IGF-1促进细胞有丝分裂必不可少的[25-26]，致使血管内皮细胞合成释放ET-1增加，NO/ET-1的比例失平衡，致使血管的紧张性明显增高，促进血管平滑肌细胞(VSMC) 的异常增殖和迁移。而胰岛素通过PI3K-PKB通路促进eNOS介导NO合成；在有缺陷的胰岛素信号通路中可导致胰岛素抵抗和降低eNOS活性从而减少NO产生，进一步促进内皮细胞功能障碍。IGF-1主要通过胰岛素样生长因子结合蛋白-3(IGFBP-3)来调节其活动[20]，Chang等[27]证明长期缺氧增加IGFBP-3蛋白合成酶和引导其释放，IGFBP-3的累积阻断IGF-1受体(IGF-1R)，从而阻断IGF-1R-PI3K-PKB存活信号通路，最终导致细胞凋亡。Koegelenberg等[28]研究表明，抑制IGF-1水平是内皮功能损害的独立危险因素；在分子水平上IGF-1通过增加IGF-1R来增加eNOS的表达、PI3K-PKB磷酸化，进而提高内皮祖细胞的功能。

4 IGF-1与动脉粥样硬化

Fierro-Macias等[29]发现IGF-1通过激活在VSMC和巨核细胞的IGF-1R 诱导VSCM中早期生长反应蛋白-1(early growth response protein-1，EGR-1)[30]促进VSMC的迁移和防止细胞凋亡从而增加斑块稳定性，在巨噬细胞中减少胆固醇逆向转运从而减少泡沫细胞形成，然而这个过程涉及的信号通路尚未探索。EGR-1是一种转录因子，在调控心血管疾病发病机制中的几个基因(如动脉粥样硬化)中发挥重要作用。IGF-1诱导细胞外信号调节激酶(extra-cellular signal-regulated kinase,ERK)-1/2的基因激活蛋白(MAP)激酶通路的信号一般保持不变；代偿性高胰岛素血症过度刺激ERK 1/2- MAP激酶途径，促进动脉粥样硬化的发展或进展[24]。有趣的是，IGF - 1替代疗法改善了整体内环境稳态[31]。另一方面，IGF -1的循环水平与代谢综合征、肝脂肪变性、胰岛素抵抗、高脂血症、内脏肥胖的发生率呈反比关系[32-33]。IGF-1降低载脂蛋白E缺陷小鼠的 12/15-lipoxygenase (12/15-LOX) 斑块免疫阳性和血清氧化型低密度脂蛋白(OxLDL)水平。Sukhanov等[34]证明通过培养的THP-1巨噬细胞中IGF-1降低12/15-LOX蛋白和mRNA水平，并且IGF-1也降低了STAT6转录因子的表达。部分通过PI3K和STAT6依赖的转录机制介导了巨噬细胞12/15-LOX中IGF-1的减少，从而抑制脂质氧化和泡沫细胞形成。在人体内，IGF-1通过 IGF-1R介导发挥其类胰岛素样促物质代谢作用，调节细胞内的代谢途径与胰岛素类似，表现为促进组织摄取葡萄糖，刺激糖原异生和糖酵解，此外，IGF-1 还能与胰岛素受体结合，降低血糖；IGF-1 还是蛋白质和脂肪合成强有力的刺激因子，刺激蛋白质和脂肪的合成，抑制其分解[17]。

5 IGF-1与糖尿病性心肌病

越来越多的证据表明，高血糖会诱导心肌细胞凋亡，从而导致扩张型心肌病(DCM)在不同机制下的发展[35-36]，包括氧化应激和Bax通路。高血糖可能导致ROS的过度产生;间歇性高糖诱导心肌细胞凋亡[37-38]，心肌细胞凋亡在糖尿病性心肌病的发展中起着重要的作用。

5.1 蛋白质氧化修饰对糖尿病心肌功能障碍的发展 氧化修饰蛋白在糖尿病心肌功能障碍的发展中起着关键作用。氧化修饰可能导致潜在的有害事件，包括酶的催化亚基分解、局部或全部展开、聚集或碎片化。蛋白质可以被ROS直接氧化，也可以由脂质过氧化过程中形成的氧化反应产物(如丙二醛或4 -羟基壬烯醛)。根据氧化修饰蛋白的数量和氧化程度激活不同的降解机制。轻度氧化蛋白主要由蛋白酶体分解，而严重氧化的蛋白质(聚集物)则由胞内体-溶酶体通路降解[39]。因此，氧化损伤的最初阶段，氧化应激的增加可能会使自噬蛋白底物降解。然而，氧化和硝化蛋白和脂类的积累表明，糖尿病性心肌病的自吞噬过程可能显著地导致心肌功能障碍。

5.2 自噬与心肌细胞功能障碍 最近的证据也表明，除了凋亡外，其他的过程如自噬也可能在心血管疾病[40]和糖尿病性心肌病中控制细胞死亡的过程中起着重要作用。自噬是一种细胞内化过程，是去除受损或不需要的细胞器、蛋白质和脂质聚集物的必要条件。它是一个动态过程，受到营养物质和细胞代谢平衡的严格调控，功能自噬对于低能量条件下细胞生存是不可缺少的[41]。由于在糖尿病中，氧化应激、蛋白质和脂质氧化增多，细胞能量平衡受到干扰，功能自噬在维持心脏细胞完整性方面显得尤为重要。在心脏中自噬导致心力衰竭，组成自噬是维持心脏结构和功能的一种稳态机制[42-43]。有趣的是，在健康的动物中，雄性的自噬似乎高于雌性，这表明雄性心脏有一个主要的自噬[44]。这种性别差异可能阐明了弗雷明汉心脏研究显示女性糖尿病性心肌病发生显著增加[45]。自噬在高糖浓度下被抑制，如糖尿病，这可能与糖尿病性心肌病的发展有关[46]。此外，糖尿病心脏的特点是过量的脂肪酸摄取和氧化，导致有毒的脂质中间体(长链乙酰辅酶A，二酰甘油，神经酰胺)积累，称为脂毒性。心脏脂毒性对胰岛素抵抗、线粒体功能损伤、心肌细胞肥大、细胞凋亡等均有影响，最终可能导致心脏左室重构[46]。心脏结构重构导致心脏收缩功能障碍，从而形成糖尿病性心肌病[36]。

5.3 IGF-1可以改善心肌重构 一项先前研究表明，虽然在糖尿病大鼠心肌中IGF-1表达减少，但外源性IGF-1的增加可以通过调节心肌代谢和抑制氧化应激来保护受损心肌，改善心肌收缩力和舒张功能。Li等[47]证明在缺血/再灌注(ischemia/ reperfusion，I/R)心肌损伤模型中，IGF-1基因过表达可促进骨髓间充质干细胞体外培养的内皮细胞增殖和心肌样细胞分化。移植4周后，IGF-1过表达能够成功促进血管生成，抑制重塑，提高移植细胞的存活率，减少细胞凋亡。Schmid等[48]证明，IGF-1和胰岛素均能有效诱导细胞增殖并阻止细胞凋亡。IGF-1和胰岛素激活PKB(Akt/PKB)迅速而持续地维持其磷酸化。ERK1/2的激活仅在响应于IGF-1时观察到。p-Akt/PKB(而不是p-ERK1/2)的丧失与细胞凋亡增加相关，并且当Akt/PKB的活化受到抑制时，保护免于凋亡。Wang等[49]证明IGF-1治疗能够改善心肌间质纤维化及抑制心肌细胞凋亡，IGF-1通过PI3K-PKB通路激活了Bcl-2家族成员Bcl-136,它可以抑制细胞死亡;GSK-3β-PKB的主要下游信号分子主要参与糖原代谢和胰岛素的活动，激活的PKB-GSK-3β通路通过减少氧化应激、炎症、细胞死亡和纤维化来改善糖尿病心肌病[50]，IGF-1也可以通过PKB-哺乳动物雷帕霉素(mammalian target of rapamycin compound-1，mTORC-1)信号通路改善糖尿病性心肌病。这说明IGF-1通过促进周围组织葡萄糖摄取和抑制肝脏产生葡萄糖来改善大鼠的代谢异常；IGF-1还可以间接抑制糖尿病大鼠心肌细胞内RAS系统活化，减少AgnII的作用,改善左室结构和功能，从而改善糖尿病性心肌病。

6 小结

糖尿病性心血管疾病的发病机制及糖尿病对心血管系统的影响比较复杂， 如糖尿病伴随的异常氧化应激、胰岛素抵抗、内皮细胞功能障碍及细胞凋亡等。IGF-1在减少自由基、氧化应激、凋亡和增加ATP产生、抑制促凋亡蛋白和线粒体细胞色素c释放、降低血糖、刺激蛋白质和脂肪的合成、抑制其分解、改善左室结构和功能有一定作用。IGF-1作用机制可通过IGF1R-PI3K-PKB、GSK-3β/PKB和 MAPK 信号通路改善糖尿病性心血管疾病的发生、发展，但其长期疗效及临床运用或许还有待进一步改善，可能适度运用IGF-1会成为糖尿病性心血管疾病的预防与治疗新途径。