糖尿病心肌病代谢重构的分子机制

糖尿病心肌病代谢重构的分子机制

糖尿病心肌病（diabete cardiomyopathy，DBCM）首先本質上是心脏的代谢性疾病，无论1型糖尿病或2型糖尿病均能引起高糖血症、高脂血症、高胰岛素血症和高廋素血症等代谢紊乱，为了应对这些代谢失常心脏在代谢底物利用和能量生成发生适应性和代偿性直至失代偿性改变，亦即心脏的代谢重构（亦称代谢重编程，metabolic remodeling，metabolic reprogramming），具体而言就是：糖尿病环境下，心肌细胞葡萄糖摄取减少、糖酵解和葡萄糖氧化降低，另一方面，心肌细胞游离脂肪酸（free fat acid，FFA）吸收增加、β氧化提高，随之而来的是细胞能量代谢效率降低，伴随耗氧增加和活性氧（reactive oxygen species，ROS），若超过内源性抗氧化能力，此即氧化应激（oxidative stress），进而导致心肌细胞死亡和间质纤维化。糖尿病心脏代谢重构主要是由葡萄糖和脂肪酸摄取和氧化代谢的蛋白与酶介导，而这些蛋白的表达受PPAR-α、PPAR-β等核转录因子的调控，提示PPARs活性与表达改变是心脏代谢重构的重要分子机制。

糖尿病心肌病定义为与血管并发症无关的心脏疾病，被认为是改变糖尿病代谢环境的后果之一。主要通过利用碳水化合物（葡萄糖和乳酸）和心脏中的脂肪酸来满足对ATP形式能量的恒定需求。能量底物的利用取决于许多因素，激素在该过程中起主要作用，如瘦素和脂联素。由于心肌连续工作，心脏具有非常高的能量需求。在生理条件下，产生能量的主要底物是脂肪酸（ATP生产的60%～90%）、葡萄糖和乳酸。在非缺水条件下，通过脂肪酸和碳水化合物的氧化提供了95%以上的能量需求，可以从氧气消耗量估计心肌能量消耗。这些底物对总体能量生产的贡献是一个动态过程，并且生理适应，如胎儿到新生儿过渡[1]以及与疾病状态相关的变化已经很好地建立了起来[2-3]。心脏发挥代谢的灵活性，心肌底物利用取决于底物的可用性、营养状况和运动水平。由于葡萄糖作为更有活力的底物，健康的心脏能够在应激条件下转换为葡萄糖，如缺血、压力过载或心力衰竭。有趣的是，诸如增加脂肪酸摄取或脂肪酸氧化的干预[4-7]，导致类似于糖尿病心肌病的改变，糖尿病模型中底物代谢恢复正常则反转了这些变化[8]。这些研究表明，底物代谢改变在糖尿病心肌病发展中起重要作用。Randle等[9]首先发现：高水平的脂肪酸进一步降低葡萄糖使用量。1 心肌细胞碳水化合物代谢的变化

两种葡萄糖转运蛋白GLUT1和GLUT4参与心肌细胞基础和胰岛素介导的葡萄糖摄取。GLUT1显示肌膜局部化，代表基础心脏摄取。另一方面，GLUT4位于细胞池中，胰岛素有助于将该转运蛋白定位于肌膜[10]。最近，已经记录了AMP依赖性蛋白激酶（AMPK）介导的和胰岛素依赖性的这种转运蛋白摄取的葡萄糖[11]。已经提出，GLUT4对肌膜的数量和易位的减少在糖尿病中降低葡萄糖代谢中起重要作用。

在已经确定心脏功能障碍的db/db小鼠中报道了糖酵解和葡萄糖氧化的降低，因为代谢参数和心脏功能都在过表达GLUT4的转基因小鼠中恢复正常，所以得出结论：受损的底物代谢与糖尿病心肌病之间存在因果关系[12]。糖酵解调控中的关键酶是磷酸果糖激酶（Phosphofructokinase，PFK）-1，是催化果糖-6-

磷酸磷酸化以产生果糖-1，6-二磷酸的酶。PFK-1活性被柠檬酸和乙酰辅酶A抑制，并被低ATP/ADP比活化[12]。由于糖尿病心脏中脂肪酸氧化增加，柠檬酸盐水平的增加可能有助于抑制PFK-1，因此有助于糖酵解。在葡萄糖摄取和代谢的转录水平上，Isfort等[12]报道了过表达过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）-α的转基因小鼠中，GLUT4和PFK表达均较低，PDK4表达较高。GLUT4和PFK的抑制可能不是PPAR-α过表达的直接结果，但与PPAR-α介导的底物代谢改变有关。另一方面，PDK4（pyruvate dehydrogenase kinase 4）的增加可能与PPAR-α过度表达有关，因为PPAR-α配体先前已被证明可激活该酶[6-7]。PPAR 转录因子家族的另一个成员是PPAR-δ。PPAR-δ是心脏中主要的形式，调节心脏底物代谢，糖尿病心脏中PPAR-δ表达降低[13-14]。然而，另一项类似的研究报告说，过表达PPAR-β/δ的小鼠没有累积心肌脂质，心脏功能正常；相反，心脏葡萄糖转运和糖酵解酶在PPAR-β/δ转基因中被激活[15]。

心肌葡萄糖代谢中的另一个限制步骤是丙酮酸脱氢酶复合物（PDH），其催化丙酮酸向乙酰辅酶A的不可逆转化。当PDH激酶（PDK）磷酸化并且由PDH 磷酸酶诱导时，活性脱磷酸化PDH的量减少。丙酮酸氧化的速率不仅取决于磷酸化状态，还取决于其底物（丙酮酸，NAD+和CoA）和产物（NADH和乙酰辅酶A）的浓度。因此，通过脂肪酸氧化的增加而导致线粒体乙酰辅酶A的增加，抑制了丙酮酸氧化。实际上，PDH磷酸化形式的活化在糖尿病模型中降低[7]。此外，PDK-4是PPAR-α的靶标之一，过表达PPAR-α的小鼠中PDK-4的上调与葡萄糖氧化降低有关[16]。丙酮酸转化成乙酰CoA的抑制导致糖酵解中间体的积累和转移到二酰基甘油生物合成中，这有助于二酰基甘油敏感蛋白激酶C（PKC）同种型的活化。最近，一种PKC同种型PKC-β的抑制显示在糖尿病舒张功能衰竭的转基因小鼠模型中保持心脏功能[17]。

关于人类糖尿病心脏碳水化合物利用的报道是有争议的。1型糖尿病患者的研究报道，心肌中碳水化合物摄入量较低或不变[18-19]。在2型糖尿病中，与对照组相比，糖尿病患者的GLUT4蛋白水平降低约30%[20]。然而，其他研究报道，在2型糖尿病中，心脏葡萄糖摄取没有受到损害[21]，仅在具有高甘油三酯血症的2型糖尿病患者[22]和血浆脂肪酸增加的情况中降低。因为葡萄糖仍然可以通过质量作用进入细胞，如1型糖尿病心脏中的高葡萄糖池所证明的[12]，糖代谢不太可能在糖尿病摄入水平上受到调节，尽管胰岛素的抗性发生损伤。

乳酸盐是体内心肌ATP产生的另一个潜在底物[23]，但是关于乳酸氧化的糖尿病相关改变的数据相对较少。当乳酸和葡萄糖是用于ATP生产的灌流液中的唯一底物时，观察到来自糖尿病大鼠的心脏中相对于葡萄糖氧化的乳酸氧化相对较大的降低。在这些条件下，非丙酮酸脱氢酶依赖的乳酸氧化酶的特异性抑制被建议[24]。ZDF大鼠的心脏也表现出较低的乳酸氧化[25]。乳酸盐对糖尿病心肌病的贡献显然需要进一步研究。

2 心肌脂肪酸代谢的改变

在糖尿病中已经报道了作为游离酸提供的脂肪酸的增加，其结合于白蛋白和作为乳糜微粒和极低密度脂蛋白中的酯类[7]。脂蛋白水平升高对心肌脂肪酸代