線粒體損傷與糖尿病心肌病發(fā)病關(guān)系的研究進(jìn)展

劉　濤，李　晶，鮑翠玉

(湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北科技學(xué)院糖尿病心腦血管病變湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 咸寧　437100)

糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)是糖尿病引起的一種心血管并發(fā)癥，由于其致死率較高，目前受到廣泛關(guān)注。DCM的臨床表現(xiàn)主要有充血性心力衰竭、心絞痛和心律失常；主要病理生理變化包括功能障礙、冠狀動(dòng)脈微血管病變和心臟結(jié)構(gòu)改變，是糖尿病患者死亡的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素[1]。然而，DCM發(fā)生機(jī)制并不非常清楚，亦缺乏有用的防治措施。線粒體作為糖、脂肪、蛋白質(zhì)等3大物質(zhì)代謝中心，DCM的相關(guān)代謝異常可能引起線粒體功能受損。目前，一些證據(jù)表明DCM影響線粒體功能。如Montaigne等[2]研究顯示，糖尿病患者心肌細(xì)胞表現(xiàn)為碎片化的線粒體；據(jù)報(bào)道，線粒體功能障礙在糖尿病病理過程中起著重要作用[3]。曹瓊丹等[4]報(bào)道，線粒體參與細(xì)胞從生長到死亡的整個(gè)能量代謝過程，其生成障礙時(shí)，會(huì)直接影響線粒體的功能狀態(tài)，而線粒體功能狀態(tài)又與心血管疾病的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切。這些研究表明，線粒體損傷在DCM的發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要。本文根據(jù)近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)研究進(jìn)展，闡述線粒體損傷與DCM發(fā)病機(jī)制之間的關(guān)系。

1　線粒體能量代謝異常

心肌細(xì)胞是一個(gè)耗能較高組織，其能量的產(chǎn)生主要在線粒體內(nèi)進(jìn)行。生理情況下，脂肪酸β-氧化構(gòu)成心臟中能量的主要來源，使用脂肪酸比使用葡萄糖時(shí)心臟消耗氧大，但是糖尿病心臟中脂肪酸β-氧化增加而葡萄糖氧化降低，從而引起心臟功能降低。DCM患者主要由線粒體脂肪酸β-氧化來合成ATP，這可導(dǎo)致線粒體耗氧量增多和呼吸功能的破壞。CD36是一種心肌細(xì)胞脂肪酸和脂蛋白攝取中起重要作用的質(zhì)膜蛋白，該分子與脂質(zhì)過載相關(guān)[5]。有文獻(xiàn)報(bào)道[6]，CD36基因缺失后脂肪酸吸收受到抑制，表明CD36可以影響脂肪酸的攝取和心肌病發(fā)展。在線粒體內(nèi)膜上存在一類具有離子通道作用的解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP)，通過消耗線粒體膜質(zhì)子動(dòng)力，導(dǎo)致ATP的產(chǎn)生降低，從而降低線粒體效率。因此，線粒體解偶聯(lián)的激活可能影響心肌細(xì)胞的收縮功能[6]。DCM患者的心肌脂肪酸含量的增加[7]，能夠引起過氧化物酶體增殖物活化受體α(PPAR-α)的激活，PPAR-α的激活可促使脂肪酸氧化及其攝取基因的表達(dá)，導(dǎo)致丙酮酸脫氫酶激酶受到抑制，葡萄糖的氧化能力損害，因而增加線粒體對(duì)脂肪酸的攝取，增加心肌耗氧量、減小心臟做功，導(dǎo)致能量消耗。心肌細(xì)胞分解脂肪酸的同時(shí)，也可蓄積糖酵解途徑的中間產(chǎn)物和磷脂質(zhì)，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞死亡。所以，線粒體代謝脂肪酸的同時(shí)增加了心臟耗氧量，引起心臟結(jié)構(gòu)和功能改變，從而導(dǎo)致DCM。

2　線粒體氧化應(yīng)激增強(qiáng)

氧化應(yīng)激是指機(jī)體受到各種因素的環(huán)境刺激后，細(xì)胞內(nèi)活性氧類(reactive oxygen species，ROS)生成過多，超過機(jī)體內(nèi)抗氧化的清除能力，破壞了機(jī)體氧化與抗氧化系統(tǒng)之間的平衡，引起體內(nèi)氧白由基的蓄積，從而造成對(duì)機(jī)體組織及細(xì)胞的損傷[8]。正常生理情況下，ROS在線粒體內(nèi)生成較少，糖尿病時(shí)ROS急劇增加，機(jī)體抗氧化的能力相對(duì)不足，引起大量ROS的集聚，增強(qiáng)了氧化應(yīng)激對(duì)蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)的損傷，最后引起細(xì)胞及組織的結(jié)構(gòu)、生理和代謝機(jī)制破壞和調(diào)節(jié)異常。Sun等[9]對(duì)鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病鼠體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，高血糖狀態(tài)大鼠心肌細(xì)胞線粒體形態(tài)發(fā)生變化，ROS水平較高。由線粒體等所生成的ROS主要經(jīng)過以下4個(gè)信號(hào)通路引起DCM：① 心肌細(xì)胞內(nèi)晚期糖基化終末產(chǎn)物通路，導(dǎo)致心血管病變；② 多元醇通路，引起組織損傷；③ 蛋白激酶 C(protein kinase C，PKC)通路引起微血管功能障礙及心肌細(xì)胞死亡；④ 已糖胺通路，引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子外流增加，影響心肌的舒張功能，導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡。因此，DCM線粒體氧化應(yīng)激的增加是導(dǎo)致DCM發(fā)病的一個(gè)主要因素。ROS能夠?qū)е绿悄虿⌒募【€粒體結(jié)構(gòu)損害，同時(shí)通過誘導(dǎo)粒體內(nèi)膜通透性孔道的開放，進(jìn)一步損傷線粒體功能。正常情況下，線粒體由電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生跨膜的電化學(xué)梯度，通過ATP合酶產(chǎn)生ATP[10]。其內(nèi)膜對(duì)離子的不通透性來保持膜電位和產(chǎn)生ATP的能力。膜通透性孔道對(duì)ROS十分敏感，糖尿病時(shí)體內(nèi)ROS產(chǎn)生過多，膜通透性孔道開放，導(dǎo)致膜電位去極化，引起ATP合酶逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，迅速耗盡了細(xì)胞能量，導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡。ROS也能夠使線粒體內(nèi)膜通透性孔道對(duì)鈣離子敏感，導(dǎo)致鈣超載，進(jìn)一步加劇膜通透性，抑制膜的通透性孔道的開放對(duì)心臟有保護(hù)作用。

3　線粒體動(dòng)力學(xué)改變

線粒體的融合-分裂均衡是保持線粒體以及細(xì)胞正常生理功能的一個(gè)重要因素[11]，一旦這種平衡被打破，將導(dǎo)致線粒體片段化并出現(xiàn)功能受損，表現(xiàn)出能量合成明顯減少、ROS產(chǎn)生增多等，同時(shí)還將促使細(xì)胞死亡及疾病的進(jìn)展。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，與線粒體融合相關(guān)的分子有線粒體融合蛋白Mfnl、Mfn2、視神經(jīng)萎縮因子1(Opal)，介導(dǎo)分裂的主要因素包括動(dòng)力素相關(guān)蛋白(DLPl)、分裂因子1(Fisl)和線粒體分裂因子(Mff)。Galloway等[12]報(bào)道，DLP1消融可能導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)和功能的缺陷，成熟心臟組織中線粒體融合的破壞，擾亂了心臟內(nèi)穩(wěn)態(tài)。Parra等[13]研究表明，胰島素與線粒體動(dòng)力學(xué)，特別是線粒體融合相關(guān)，糖尿病患者胰島素信號(hào)的缺陷伴隨線粒體融合蛋白Mfnl、Mfn2及Opal的表達(dá)受損。因此，線粒體動(dòng)態(tài)改變與糖尿病DCM緊密聯(lián)系，互為因果。然而，如何有效地干預(yù)心肌線粒體融合與分裂，達(dá)到治療DCM的目的，有待更為深入的研究。

4　線粒體心磷脂變化

線粒體膜由脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成，絕大部分心磷脂位于其內(nèi)膜磷脂雙層的基質(zhì)面[14]，與線粒體呼吸鏈的電子傳遞和氧化磷酸化、線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)、線粒體自噬的調(diào)節(jié)及細(xì)胞死亡等密切相關(guān)。其結(jié)構(gòu)、含量及酰基鏈基團(tuán)組成的病變，都會(huì)相應(yīng)地引起線粒體功能障礙，從而導(dǎo)致相關(guān)的組織器官的病理生理?xiàng)l件的改變。研究表明，心肌缺血的早期，不飽和心磷脂?；镆资芫€粒體氧化應(yīng)激增加的影響，導(dǎo)致心磷脂的氧化損傷，而氧化心磷脂的增多造成線粒體電子傳遞鏈的功能障礙[15-16]，從而促使線粒體內(nèi)ROS生成增多，最終導(dǎo)致線粒體損傷、細(xì)胞死亡及組織病變。另外，灌注使得與心磷脂結(jié)合的細(xì)胞色素C轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N過氧化物酶，從而使與細(xì)胞色素C結(jié)合發(fā)揮電子傳遞功能的心磷脂氧化為氫過氧化物，促進(jìn)凋亡。在I型、II型糖尿病病理研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)病早期的小鼠心肌細(xì)胞里的四亞油酰心磷脂(tetralinoleoyl cardiolipin，TLCL)出現(xiàn)明顯減少的現(xiàn)象。而服用降糖羅格列酮后的II型糖尿病小鼠，心肌總心磷脂和TLCL恢復(fù)正常水平。這些研究表明，線粒體心磷脂含量和構(gòu)造的改變可能也是DCM發(fā)病的潛在機(jī)制。

5　線粒體鈣紊亂

線粒體具有調(diào)節(jié)鈣、儲(chǔ)存鈣的作用，并且產(chǎn)生能量[17-18]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，糖尿病患者心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷可引起呼吸作用、氧化磷酸化過程受損以及ROS增加。Ca2+由鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合體介導(dǎo)，通過鈉鈣交換進(jìn)入線粒體基質(zhì)，使線粒體成為Ca2+的緩沖器，阻止糖尿病動(dòng)物模型心肌細(xì)胞中細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+的水平升高。此外，線粒體內(nèi)堆積的游離脂肪酸、增加的氧化應(yīng)激、紊亂的鈣離子、線粒體膜電位降低以及線粒體內(nèi)ATP耗竭等許多因素均可引起線粒體膜通道孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)開放，這不但導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣調(diào)節(jié)失衡，而且還促使位于線粒體內(nèi)外膜間隙中的細(xì)胞色素C等多種促凋亡因子釋放，進(jìn)入胞質(zhì)后與凋亡蛋白酶激活因子結(jié)合，從而誘發(fā)caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)，促進(jìn)心肌細(xì)胞死亡，最后引起心功能衰竭。這些研究表明，DCM心肌細(xì)胞中線粒體功能受損可以影響Ca2+調(diào)控，然而其確切原理還需更進(jìn)一步研究。

6　小結(jié)與展望

綜上所述，線粒體損傷在DCM發(fā)病的多個(gè)環(huán)節(jié)中起到重要的調(diào)控作用，例如可導(dǎo)致線粒體能量代謝異常、ROS產(chǎn)生增加、線粒體的分裂和融合紊亂、心磷脂變化以及鈣紊亂，可導(dǎo)致心臟功能障礙、冠狀動(dòng)脈微血管病變和心臟結(jié)構(gòu)改變，從而加快DCM發(fā)病的進(jìn)程，同時(shí)DCM也能引起線粒體功能損傷，它們并非相互獨(dú)立，而是互相影響，共同作用。因此，保持糖尿病心肌細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)完整并防止其功能損害，均衡糖、脂代謝，保證細(xì)胞能量供應(yīng)，可能是防治DCM新的研究方向。而體外實(shí)驗(yàn)及臨床證據(jù)已經(jīng)證明線粒體損傷在DCM中可以作為治療靶點(diǎn)，這就需要在闡明疾病分子病理學(xué)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出能夠靶向性抑制線粒體損傷的高選擇性、高特異性藥物應(yīng)用于臨床，最終實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究向臨床治療的轉(zhuǎn)化。

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