杨 明,郭 涛,刘凯悦,王智慧

(吉林大学第二医院 心内科，吉林 长春130041)

据估计，2019年全球糖尿病患者约为4.63亿人，到2030年增至5.78亿，到2045年增至7亿[1]。糖尿病渐渐成为一种世界性健康难题，这种疾病通常伴发大、中、微血管并发症，这些并发症不仅影响预后，而且增加糖尿病患者发病率和死亡率。1型和2型糖尿病(T1DM和T2DM)患者即使排除了缺血性心脏病和高血压等得到证实的心力衰竭危险因素后，仍然显示出心力衰竭(HF)的发生率增加。这种特殊类型的心肌病被称为糖尿病性心肌病(DCM)[2]。线粒体为心肌细胞收缩提供大量三磷酸腺苷(ATP)。糖尿病及其并发症的发病机制与线粒体功能障碍密切相关，几乎所有糖尿病受累组织都存在线粒体功能障碍[3]。36年前，当Kuo和他的同事数据表明，db/db小鼠心肌线粒体氧化代谢缺陷可能与NAD+NADH总量不足有关[4]。近些年来，人们对于线粒体生物学认识愈发加深，越来越多导致糖尿病心脏线粒体功能障碍的新途径和机制已被阐明。我们将讨论引起糖尿病心肌线粒体功能障碍新的机制。

1 糖尿病心肌病的定义与临床特征

1972年Rubler等人首次发表了支持DCM存在的证据[5]。这些病例表现出心脏肥大和充血性心力衰竭等症状及体征，并伴有心肌肥大、纤维化和心脏小血管改变等特征性病理改变[5]。随后在Framingham研究中，糖尿病患者心力衰竭发病率显著增加，男性心力衰竭风险增加两倍多，糖尿病女性患者的高出五倍。即便考虑了年龄、血压、体重和胆固醇值以及冠心病后，糖尿病患者心力衰竭的风险增加仍然存在[6]。DCM的定义为糖尿病患者在排除高血压、冠心病、严重瓣膜病变或任何其他已知的心肌病病因的情况下的的心肌结构和功能异常[2]。DCM的典型特点为心肌肥厚和舒张功能障碍，临床上可能表现为保留射血分数心衰(HFpEF)[7]。有人提出该病的病程包括一个沉默的无症状亚临床阶段，通常时间较长，初期心肌结构损伤导致舒张功能障碍，随后出现收缩功能障碍，最终晚期出现心衰[8]。此外，一些作者认为这两种表型是一个持续过程，DCM从伴有心肌肥厚及舒张期功能障碍的HFpEF特征进展到进一步结构损害的后期阶段，心肌纤维化导致收缩功能减弱[9]。

2 糖尿病心肌病的线粒体机制

2.1 线粒体底物利用改变

在没有糖尿病或其他心脏病变的情况下，心肌细胞中的脂肪酸氧化提供大部分ATP(60%到90%)，而来自葡萄糖、乳酸、酮体和氨基酸的氧化占小部分ATP(10%到40%)[10]，脂肪酸摄取和氧化的增加而葡萄糖氧化减少这一现象出现在糖尿病患者的心肌代谢中[11]。其次在糖尿病的两种小鼠模型(ob/ob和db/db小鼠)中有类似发现，即脂肪酸氧化率与心肌耗氧量增加，葡萄糖氧化减少[12]。由兰德尔循环(Randle Cycle)可知，脂肪酸氧化速率的提高会通过抑制葡萄糖有氧氧化关键酶(丙酮酸脱氢酶)的活性来抑制葡萄糖的氧化。根据兰德尔循环假说，底物氧化通过两种方式来介导，第一种葡萄糖和脂肪酸代谢之间的竞争，第二种由过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)信号的激活介导，PPARα信号增加了参与脂肪酸摄取和氧化的蛋白质和酶的表达[13]。因此脂肪酸氧化比率的增加的部分原因是由PPAR，特别是PPARα的活性增加推动的。脂肪酸和过氧化物酶体增殖物激活受体γ活化因子1α(PGC-1α)激活PPARα以及增加PPARα的表达都增加了PPARα与PPAR反应元件在编码脂肪酸摄取和氧化相关蛋白的基因启动子上的结合，例如脂肪酸氧化关键酶肉碱脂酰转移酶1(CPT1)和长链脂酰辅酶A脱氢酶(LCAD)[14]。事实上，心肌细胞特异性PPARα的表达增加诱导脂肪酸利用基因的表达增加，并增加了脂肪酸氧化率[15]。与此相反，葡萄糖摄取和氧化的减少由于参与葡萄糖氧化的酶的编码基因的表达减少。在ob/ob和db/db小鼠第4周大时PPARα信号并没有增加，而脂肪酸氧化率的比率增加了，而PPARα信号仅在15周观察到调控基因[12]。因此，PPARα非依赖机制可能会增加早期疾病状态下脂肪酸氧化率的比例，而PPARα信号可能会在糖尿病晚期时维持心脏中脂肪酸氧化率比例的升高。Mjos[16]早在1971年实验证明，当心肌收缩力保持不变时，通过脂质输注增加心脏摄取会增强健康狗的氧摄取[16]。同样在ob/ob和db/db小鼠中，脂肪酸氧化和小鼠的心肌耗氧明显增加，而心肌效率(心脏做功与耗氧量的比值)显著降低[12]。因此，线粒体底物利用改变导致心肌耗氧量增加，影响心肌效率。

2.2 氧化应激

氧化应激是导致DCM的主要机制之一，它通过活性氧(ROS)的产生和清除平衡失调来促进DCM的发生。ROS的存在形式通常包括超氧阴离子(O2·-)、羟基自由基(OH·)、过氧化物自由基(ROO·)及过氧化氢(H2O2)[17]。在心脏，线粒体可能是ROS产生的主要来源。在线粒体内，电子传递链(ETC)是ROS产生的主要方式，一方面由非特异性电子泄漏引起的，另一方面由ETC复合物(主要是复合物Ⅰ和Ⅲ)的活性驱动的[17]。在复合物Ⅰ中，NADH池对黄素单核苷酸基团(FMN)的还原过程中可能导致O2·-的产生[18]。而复合物Ⅲ中QO-位点与乌双喹酮的结合诱导ROS的产生[19]。少量的ROS通过是由其他复合物或通过反向电子传输(RET)产生的[17]。此外，在线粒体中，琥珀酸脱氢酶(SDH)复合体也能够在缺乏电子受体的情况下产生超氧化物[20]。ROS的产生被ROS线粒体内抗氧化系统清除所平衡。锰超氧化物歧化酶(MnSOD)首先将O2·-转化为H2O2，然后被过氧化氢酶或由谷胱甘肽、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、过氧化物酶(PRX)和硫氧还蛋白(TRX)组成的抗氧化系统还原为H2O，该机制由线粒体内氧化还原状态和还原等价物的可用性决定[21-22]。过量的线粒体ROS导致心肌细胞线粒体功能障碍[23]，影响ATP的产生并诱导细胞死亡[24]，最终导致心肌收缩功能障碍[25]。此外，在链脲佐菌素(STZ)诱导的T1 DM小鼠和db/db T2 DM小鼠模型中，与赋形剂治疗相比，注射线粒体靶向抗氧化剂mito-tempo的小鼠心肌肥厚减轻并改善了心肌功能[26]。线粒体ROS的抗氧化系统不仅改善心肌肥厚，还可防止过量ROS引起的线粒体和细胞损伤。

2.3 翻译后修饰

糖尿病心肌细胞功能障碍源于高血糖诱导的蛋白O-连接β-N-乙酰氨基葡萄糖糖基化(O-GlcN酰化)[17]。在糖尿病心肌病中，O-GlcN酰化损害了参与这些途径的关键蛋白靶标的功能，包括磷蛋白、钙调蛋白激酶II、钙调非依赖性蛋白激酶II(CaMKII)、肌钙蛋白I和叉头盒蛋白(O1FOXO1)[27]。研究表明，血糖浓度急剧升高引起O-GlcN酰化对CaMKII的共价修饰增加，并促进依赖CaMKII的肌浆网(SR)的Ca2+通道开放，释放Ca2+，而特异性去除O-GlcN酰化可以恢复STZ小鼠心肌肌丝对于Ca2+的敏感性[28-29]。对于线粒体机制，O-GlcNAcomic图谱发现，超过88种线粒体蛋白是O-GlcN酰化的，氧化磷酸化(OXPHOS)系统是主要目标。经过硫脲-G(特异的O-GlcNAcase抑制剂)处理的线粒体不仅耗氧速率、ATP产生速率显著增加，并且提高了Ca2+诱导的通透性转换孔开放阈值。这表明O-GlcN酰化作用靶点位于氧化磷酸化系统中的许多线粒体蛋白上，而调节心肌线粒体的功能[30]。在高糖培养液的乳鼠心肌细胞中，胡等人[31]发现呼吸链复合物中线粒体蛋白，包括复合物I的NDUFA9亚基，复合物III的核心1和核心2亚基，以及复合物IV的线粒体DNA编码的亚基I都是O-GlcN酰化的。糖尿病心肌病患者血糖水平升高，促进线粒体蛋白O-GlcN酰化，进而导致线粒体功能受损。在链脲佐菌素治疗的糖尿病大鼠中，线粒体O-GlcNAc转移酶(OGT)增加并定位错误，导致OGT与复合体IV的相互作用受损，继而引起糖尿病心脏复合物IV活性受损[32]。因此，O-GlcN酰化通过翻译后修饰损伤线粒体功能，继而引起心肌细胞功能障碍。

2.4 线粒体的分裂与融合

线粒体是动态的细胞器，持续进行融合和分裂，这是线粒体生物发生所必需的阶段，有助于调节线粒体的能量学和ROS稳态[17]。线粒体融合与分裂由多种蛋白质介导的，包括线粒体融合蛋白1和2(Mfn1和Mfn2)、视神经萎缩蛋白1(OPA1)以及动力蛋白相关肽1(DRP1)和线粒体分裂蛋白1(FIS1)[33]。融合促进了细长管状线粒体的形成，这可能增加了产生ATP的能力，降低了被有丝分裂降解的可能性[34]。分裂可以分离受损的线粒体片段，并有助于通过有丝分裂将其移除[35]。在心脏中，Mfn1和2或DRP1等融合或分裂相关蛋白的缺失都可能导致心肌病[36-37]。来自H9c2细胞(一种来自胚胎大鼠心脏的成肌细胞株)的体外数据表明，高血糖会导致线粒体碎裂。重要的是，这些事件是通过DRP1K38A的过度表达来防止的，DRP1K38A是DRP1的一个分裂失活突变体，这表明这个过程是依赖于DRP1的[38]。1型糖尿病动物心脏模型中，线粒体的碎裂更多地发生在对慢性高血糖的反应中。虽然高血糖3周后线粒体形态没有改变，而5周糖尿病小鼠的心脏显示扭曲的空泡线粒体，不仅出现基质电子密度明显降低，而且伴有OPA1的蛋白水解，导致线粒体融合减少而更多线粒体碎裂[39]。虽然3周糖尿病小鼠和对照组小鼠的ROS生成率没有差异，但5周糖尿病小鼠的心脏在琥珀酸作用下ROS生成率显著增加[39]。这些观察结果表明，DCM的线粒体动力学存在进行性损伤，这可能是由于融合和分裂的慢性失衡所致。此外，鉴于线粒体分裂可以引起ROS的产生增加，在慢性高血糖期间，ROS和线粒体碎裂之间可能会形成恶性循环，其中一种机制能够触发并进一步加重另一种机制[17]。研究表明，从糖尿病小鼠分离的冠状动脉内皮细胞中OPA1水平降低，而DRP1水平升高，不可思议的是，通过Tempol处理降低过量的ROS，可使断裂线粒体恢复正常形态[40]。类似研究表明，高糖降低了OPA1蛋白水平，增加了OPA1蛋白的O-GlcN酰化，引起线粒体碎片增加，降低线粒体膜电位及线粒体复合物IV的活性，导致线粒体功能障碍。而心肌细胞中出现OPA1过表达可能有助于改善糖尿病患者的心功能障碍[41]。同时，通过胰岛素治疗3小时后，心肌细胞中OPA1蛋白水平升高触发线粒体融合，线粒体膜电位升高，细胞内ATP水平和氧消耗均升高[42]。而Quirós等人指出OPA1基因敲除小鼠中OPA1蛋白水解过程的改变会导致胰岛素抵抗、葡萄糖稳态受损和产热改变[43]。由此可见，维持线粒体融合分裂平衡，对于调节DCM线粒体能量学和ROS稳态至关重要。

2.5 线粒体Ca2+的处理

在心肌细胞去极化的过程中，动作电位刺激肌膜电压门控L型钙通道(LTCC)开放，少量Ca2+进入胞浆导致SR(肌质网)ryanodine受体(RyR)的开放，触发SR释放大量Ca2+引起胞浆内Ca2+浓度一过性升高，从而激活肌丝跨桥触发心肌细胞收缩[44]。为了结束收缩周期，Ca2+主要过sarco/ER Ca2+-ATP酶(SERCA)回流到SR中，少量通过Na-+/Ca2+交换器(NCX1)被清除到细胞外空间[44]。为了使增加的能量需求与能量产生相匹配，细胞内钙瞬变也触发线粒体钙摄取，线粒体钙单转运体(MCU)促进了这一过程[17]。在线粒体中，Ca2+可通过激活有氧氧化关键酶来促进ATP的再生。此外，Ca2+是FOF1-ATPase酶的活性因子，据估计，这种激活可能占到Ca2+诱导的OXPHOS激活的60%以上，而Ca2+敏感的脱氢酶可能只占40%[45]。虽然有证据表明DCM中细胞内Ca2+的处理由于RyR活性降低或LTCC表达减少而受损，但几乎没有关于DCM中线粒体Ca2+处理的数据发表[46-47]。近些年来研究表明，STZ诱导的T1 DM大鼠和T2 DM ob/ob小鼠心肌线粒体Ca2+摄取减少[48-49]。纪等人[50]发现在db/db小鼠心肌细胞线粒体钙摄取蛋白1(MICU1)表达下调，诱导心肌细胞凋亡。MICU1是线粒体钙单转运体(MICU)的一个调节亚基，在维持心肌细胞活性方面起重要作用。在这一小鼠模型中，MICU1的重建使db/db小鼠的心功能恢复，心肌肥厚和心肌纤维化减轻[50]。此外通过上调MICU1这一方式增加线粒体钙摄取，减弱线粒体ROS和ROS引发的细胞凋亡[50]。研究发现糖尿病小鼠心脏表现出MCU和线粒体钙单转运蛋白复合物(MCUC)成员表达的改变，并导致游离线粒体钙水平、线粒体Ca2+摄取、线粒体能量功能和心脏功能的降低。而恢复MCU的表达可使上述功能恢复[51]。

2.6 MicroRNAs的调节失调

MicroRNAs(MiRNAs)是一种长度约23个核苷酸组成的单链非编码RNA分子，通过抑制与mRNA配对来指导其转录或翻译，从而在动物和植物中发挥重要的基因调控作用[52]。同时，大量不同miRNAs的失调被认为与糖尿病心肌病发病机制有关[53]。例如，将miR133a的模拟物转染到在高糖培养基中孵育的心肌细胞可防止肥大改变[54]。其次，大鼠miR-30c过表达可减轻高糖诱导的心肌细胞肥大，而miR-30c抑制则增加了高糖处理心肌细胞的肥大[55]。此外，在STZ诱导的T1 DM大鼠和T2 DM ob/ob小鼠心脏模型中，miR-195表达增加，其靶蛋白(B细胞白血病/淋巴瘤2和sirtuin 1)水平降低，而治疗性沉默miR-195可减轻糖尿病患者心肌肥厚，改善冠脉血流和心肌功能[56]。在在STZ诱导的心功能受损、心肌肥厚增加和心肌纤维化的糖尿病心脏中，miR-1表达显著下调，miR-1被认为是确定心肌细胞肥大或心肌纤维化的关键因素[57]。此外STZ糖尿病小鼠心肌线粒体中miRNA-378水平的增加也被证明削弱了FOF1-ATPase酶的ATP6亚单位的翻译[58]。这些研究表明，miRNAs可能会干扰维持线粒体氧化功能所必需的不同途径、蛋白质和酶。

3 以线粒体为靶点的DCM潜在治疗策略

我们对线粒体在DCM中作用机制的理解不断加深，以及抗糖尿病药物作用机制的日益阐明，以线粒体作为糖尿病心脏病治疗靶点展现新的治疗途径[17]。目前临床上使用的二甲双胍可能已经直接或间接地减轻了与DCM相关的线粒体缺陷。内质网应激是一种内质网功能紊乱导致的心脏损伤。研究表明二甲双胍通过保护心肌线粒体和降低C/EBP同源蛋白(CHOP)的表达来减轻内质网应激时的心脏损伤[59]。然而，最近钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂(SGLT2i)改善糖尿病患者心血管预后的潜在机制备受关注。几项临床研究表明，与安慰剂相比，接受SGLT2i治疗的高风险2型糖尿病患者综合心血管结果和任何原因的死亡率都较低，包括典型的主要不良心血管事件(MACE)终点(非致命性心肌梗死、非致命性中风、心血管死亡)、全因死亡率和/或尤其是因心力衰竭住院[60-61]。心肌Na+/H+交换(NHE1)已被确定为SGLT2i的靶点。在兔和老鼠分离的心肌细胞中，恩格列净(一种SGLT2i)通过抑制Na+/H+交换物(NHE)而降低心肌细胞内Na+和Ca2+浓度，增加了线粒体Ca2+水平。SGLT2i降低细胞内Na+效应是治疗糖尿病患者细胞内Na+浓度升高的潜在方法[62-63]。因此，欧洲心脏病学会现在建议SGLT2i可以作为心血管疾病的糖尿病患者的一线治疗[64]。

鉴于线粒体氧化应激对DCM的多重不利影响，线粒体ROS清除是DCM的一种明显的潜在治疗策略。抗氧化剂MnTBAP治疗增加ATP生成和减少线粒体解耦，逆转了心脏线粒体氧化应激，改善了线粒体生物能学[65]。在T2 DM患者的白细胞中，MitoQ治疗减少了线粒体ROS的产生，并显示出抗炎和抗氧化作用，重要的是线粒体靶向抗氧化剂如MitoQ应该作为预防T2D患者心血管事件的新手段进行研究。

4 总结

综上所述，线粒体功能障碍直接参与DCM的发生发展，且涉及底物利用改变、氧化应激、翻译后修饰，线粒体动力学改变，线粒体钙摄取受损等多个作用环节，这些机制容易导致线粒体功能障碍。下一步必须全面确认人类糖尿病心肌病中的许多机制，以便了解动物模型中确定的潜在治疗靶点是否也可能是人类的有效靶点，线粒体治疗的成功开发可能是许多DCM患者新的治疗方式。