心血管疾病中脂毒性的機制研究及中醫(yī)藥防治進展

田 雪，邵明燕，馬 林，江艷艷，姜茜茜，孫乾斌，王曉平，王 偉，李 春，王 勇

心血管疾病已成為影響人類生命與健康的主要疾病之一，近年來，我國心血管疾病患病率及病死率處于上升階段，而脂毒性作為心力衰竭(heart failure，HF)的重要發(fā)病因素已引起臨床廣泛關注[1]。心臟是一個高耗氧、高耗能、高代謝率的器官，需大量能量維持其正常的生理功能以及代謝需要。健康心臟中，三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的高產(chǎn)量和高周轉(zhuǎn)率是維持心臟收縮力，將血液和氧氣輸送到其他器官的關鍵[2]，其中在供氧充足的情況下，成人心肌細胞50%～70%的能量來源于脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，F(xiàn)AO)[3]。攝取到心臟的脂肪酸(fatty acid，F(xiàn)A)主要是被氧化或以三酰甘油(triacylglycerol，TG)的形式存儲。當供氧不足時，心臟底物的利用和能量代謝發(fā)生變化，導致FA的攝取和氧化失去平衡，引發(fā)細胞內(nèi)的脂質(zhì)過量積累，脂質(zhì)在非脂肪組織中積累而產(chǎn)生有害作用，被稱為脂毒性[4]。

1 心臟FA代謝

正常生理情況下，心臟需要消耗大量的ATP，每天泵出7 000 L以上的血液滿足機體需要。ATP的來源為FA、葡萄糖、乳酸、酮體和氨基酸的氧化。其中FAO是能量生產(chǎn)過程中主要的組成部分，占心臟ATP生成的50%～70%[5]。FA的利用非常復雜：包括FA的攝取、游離脂肪酸(free fatty acids，F(xiàn)FA)轉(zhuǎn)化為FA-輔酶A(CoA)、FA在TG中的儲存、TG脂解、FA向線粒體的轉(zhuǎn)運、β氧化、ATP生成的氧化磷酸化[6]等過程。FA

供應主要來源于與白蛋白結合的FFA、乳糜微粒(chylomicron，CM)、極低密度脂蛋白(very low density lipoprotein，VLDL)中TG釋放的FA，正常循環(huán)中FFA濃度在0.2～0.6 mmol/L[7]。在心肌細胞胞質(zhì)中，F(xiàn)A首先在脂肪酸脂酰輔酶A合成酶的催化下轉(zhuǎn)化為脂肪酸?；o酶A(FA-acyl-CoA)，此后，75%的FA-acyl-CoA經(jīng)過肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1(carnitine palmitoyl transterase-1，CPT-1)、肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-2(carnitine palmitoyl transterase-2，CPT-2)被轉(zhuǎn)運至線粒體中，通過脫氫、加水、再脫氫、硫解的β氧化過程，生成乙酰輔酶A(Acetyl-CoA，ACC)。乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)，經(jīng)過氧化磷酸化作用最終生成水和二氧化碳，釋放大量的ATP，70%～90%的能量用于心肌舒縮，25%的FA-acyl-CoA作為TG儲存在脂質(zhì)液滴(lipid droplet，LD)中，以備后續(xù)氧化。TG是機體儲存能量的主要形式，其合成與分解是調(diào)節(jié)能量平衡的主要環(huán)節(jié)，同時TG的過量累積被認為是心血管疾病的危險因素之一[8]。TG從頭合成是由FA在甘油-3-磷酸(Glycerol-3-phosphate，G3P)的sn-1和sn-2位點酯化生成磷脂酸(phosphatidic acid，PA)；隨后磷脂酸被磷脂酸磷酸酶催化去磷酸化，產(chǎn)生甘油二酯(diacylglycerol，DAG)；最后，甘油二酯?；D(zhuǎn)移酶(diacylglycerol acyltransferase，DGAT)催化DAG的?；磻蒚G，并將其沉積于胞質(zhì)的脂質(zhì)液滴中[9]。心臟TG池隨著不同的生理狀況(如肥胖、糖尿病、饑餓和運動)而動態(tài)增加或減少。TG的完全分解依賴于不同的脂解酶和共激活劑。脂肪三酰甘油脂肪酶(adipose triglyceride lipase，ATGL)是心臟中主要的脂解酶，它的缺失會導致TG在心臟內(nèi)異常積聚，進而導致HF和過早死亡[10]。其次，心臟中另外兩種酶：激素敏感性脂肪酶(hormone-sensitive lipase，HSL)和單?；视椭久?monoglycerid lipase，MGL)，也參與TG的分解而釋放FA。研究表明，F(xiàn)AO維持心臟的基本能量需求，同時使FA總吸收率與氧化率相匹配[11]。FA攝取與氧化的失衡會導致心臟出現(xiàn)胰島素抵抗，誘發(fā)心肌細胞凋亡并引起心臟收縮功能障礙。

2 脂毒性和潛在的脂毒性物質(zhì)

2.1 脂毒性 脂毒性最初是由Roger Unger團隊率先提出，用于描述胰島的脂質(zhì)超負荷如何引起大鼠胰島β細胞功能抑制和2型糖尿病發(fā)展。目前研究發(fā)現(xiàn)，除脂肪細胞以外的其他類型細胞(所謂的“異位”細胞)中過多的脂質(zhì)蓄積，會引起嚴重的細胞功能障礙，并最終引發(fā)凋亡性細胞死亡[12]，當這一過程發(fā)生在心肌細胞時，會造成心功能障礙和HF[13]。同時心臟功能障礙導致的FAO減少，進一步促進了FA的攝取和氧化之間的失衡，導致包括TG在內(nèi)的FA衍生物的積累，例如DAG、神經(jīng)酰胺[14]。DAG和神經(jīng)酰胺是脂質(zhì)代謝中的第二信使物質(zhì)，常與心功能受損相關[15]，進而導致線粒體功能障礙、細胞凋亡等。在衰竭心肌中毒性脂質(zhì)中間體水平升高，揭示了心臟脂質(zhì)代謝受損引發(fā)的脂毒性是導致HF的重要原因之一[16]。

2.2 潛在的脂毒性物質(zhì)

2.2.1 神經(jīng)酰胺 神經(jīng)酰胺作為神經(jīng)鞘磷脂的基本單位，是細胞膜的組成部分之一，同時也是脂質(zhì)代謝中的第二信使物質(zhì)，其通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPK)、P53、蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)等多種途徑調(diào)節(jié)細胞的生長、增殖、分化及凋亡[17]。同時神經(jīng)酰胺被認為是調(diào)節(jié)細胞能量代謝的潛在脂毒分子之一[18]，與心肌細胞自噬、細胞凋亡、充血性HF和糖尿病性心肌病的發(fā)展有關，表明神經(jīng)酰胺在心肌細胞穩(wěn)態(tài)和心臟病生理過程中發(fā)揮重要的作用[19]。有研究表明，在心肌缺血、缺血再灌注、HF動物模型以及人類的心肌疾病中，神經(jīng)酰胺會在心肌中積累，病人在HF的不同階段，其心臟和循環(huán)中神經(jīng)酰胺水平均有不同程度的升高，因此，推測神經(jīng)酰胺參與了HF的過程[20]。神經(jīng)酰胺類似物可通過抑制線粒體復合物Ⅲ的輔酶Q，增加線粒體呼吸鏈中電子漏，提高細胞內(nèi)氧離子，進而激活大量活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生。反過來，ROS也會促進神經(jīng)酰胺的進一步合成，加重神經(jīng)酰胺的有害作用[21]。有研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)酰胺水平升高是通過線粒體依賴性細胞色素釋放途徑介導的，直接應用神經(jīng)酰胺或通過細胞因子介導的鞘脂代謝激活增加神經(jīng)酰胺合成可以誘導心肌細胞凋亡[22]。

2.2.2 DAG DAG是另一種可以介導FA誘導毒性的脂質(zhì)，DAG與骨骼肌和肝臟的胰島素抵抗密切相關。DGAT可以結合脂肪?；o酶A，將有毒的DAG轉(zhuǎn)化為TG。 DGAT有2個同工型(DGAT1和DGAT2)[23]。DGAT1的過表達可以減少心臟中的DAG，增加TG存儲，并改善某些形式的心臟脂質(zhì)誘發(fā)的毒性。小鼠心肌細胞選擇性地敲除DGAT1會發(fā)生脂質(zhì)異常并引起HF。臨床研究中，嚴重HF病人心臟組織中DGAT1表達降低，并且發(fā)生了DAG的積累[24]。DAG是有效的脂質(zhì)第二信使，可以激活蛋白激酶C，并磷酸化各種底物蛋白，產(chǎn)生相應生物學效應，其中蛋白激酶Cβ在心肌中過表達可以導致心肌病，其病理特征表現(xiàn)為心肌細胞肥大、壞死和間質(zhì)細胞外基質(zhì)的擴張[25-26]，這表明DAG過度激活蛋白激酶Cβ會導致心臟功能障礙和重塑。在高血糖條件下，蛋白激酶Cβ可以通過核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor kappa B，NF-κB)激活心肌炎性因子[如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)]和肥大細胞因子。使用蛋白激酶Cβ過表達的轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn)，蛋白激酶Cβ特異性激活會導致心肌細胞死亡、營養(yǎng)不良性鈣化、肥大、纖維化和血流動力學功能障礙，從而增加死亡率[27]。在一項高脂飲食喂養(yǎng)大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，高脂飲食會增加雄性大鼠的蛋白激酶Cβ2活化，從而導致心臟肥大[28]。

3 脂毒性與心肌損傷相關機制研究

心肌細胞優(yōu)先利用FA滿足其高能量的需求，表明了FA代謝在心臟中的重要性[29]。在多種疾病狀態(tài)下，心肌細胞出現(xiàn)的FA代謝異常，導致FA氧化和攝取之間失衡，加重毒性脂代謝中間產(chǎn)物積聚，大量脂質(zhì)積聚可誘導程序性細胞死亡，進而促成HF的發(fā)生與發(fā)展[30]。目前關于心肌脂毒性的機制已成為研究的熱點。

3.1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)對調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)，脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)的合成，翻譯后修飾和運輸非常重要。眾多的病理性細胞刺激往往會引發(fā)未折疊蛋白和錯誤折疊蛋白在胞內(nèi)累積，從而引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激(endoplasmic reticulum stress，ERS)[31]，ERS是誘發(fā)HF中脂毒性的潛在機制之一。脂質(zhì)代謝的異常通常會激活ERS，進而介導脂質(zhì)蓄積最終引起心肌細胞功能障礙。有研究表明，極低密度脂蛋白受體(VLDLR)誘導的缺血性心臟脂質(zhì)蓄積，進而激活ERS導致細胞凋亡[32]。另有研究表明，小型豬心肌缺血模型中細胞內(nèi)膽固醇酯水平升高會激活未折疊蛋白反應(unfolded protein response，UPR)和ERS并伴有心肌功能障礙[33]。在小型豬心臟梗死區(qū)發(fā)現(xiàn)神經(jīng)酰胺蓄積、炎癥和ERS。以上結果表明，脂質(zhì)的蓄積是心肌缺血后發(fā)生代謝紊亂的主要表現(xiàn)之一，缺血后使心肌中脂質(zhì)水平正?；赡軙纳菩募」δ?。棕櫚酸通過引起氧化應激、破壞線粒體和增加ERS誘導心肌脂毒性。在棕櫚酸酯誘導AC16細胞(一種人類起源的心肌細胞系)的ERS模型中，棕櫚酸酯可明顯升高細胞內(nèi)ERS標志物的表達，如ATF3、CHOP等[34]，表明棕櫚酸酯在心肌細胞中成功地誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激。此外，棕櫚酸酯還通過抑制脂肪酸的螯合(作為危害較小的TG脂質(zhì)小滴形式)，在心肌細胞中誘導ERS介導的脂毒性。當人心肌中過氧化物酶體增殖劑激活受體(PPAR)γ或長鏈?；o酶A合成酶1(long-chain acyl-CoA synthetase 1，ACSL1)誘導中性脂質(zhì)存儲時，棕櫚酸酯處理后ERS標記基因的表達水平明顯降低[35]。最新證據(jù)表明，飽和脂肪酸(如棕櫚酸酯)的脂毒性作用還可能與其過量摻入膜結構(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng))有關[36]。

3.2 線粒體功能障礙、活性氧的大量產(chǎn)生 線粒體是細胞內(nèi)復雜的相互連接的細胞器，在不同的細胞類型中顯示出特定的形態(tài)和分布。在心肌細胞中，線粒體活性在機體細胞供能以及調(diào)節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)、細胞凋亡、活性氧產(chǎn)生、機體的氧化還原反應中起關鍵作用[37]。在心肌細胞中過表達ACSL1的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，心肌FA攝取增加導致線粒體結構重塑，研究結果證明了心肌脂質(zhì)超負荷會誘導線粒體活性氧的產(chǎn)生，進而改變動力相關蛋白1(dynamin related protein 1，DRP1)和視神經(jīng)萎縮1(optic atrophy 1，OPA1)的活性，從而導致以狹窄管狀形態(tài)為特征的線粒體網(wǎng)絡碎裂[38]。糖尿病病人心臟對FAO的依賴性更大，使線粒體耗氧量增加，而活性氧生成增加和線粒體功能障礙也導致細胞應激增加。心肌細胞代謝的變化可能會使心臟結構和功能的改變，從而導致HF的發(fā)生[39]。線粒體底物氧化是細胞內(nèi)氧化應激的重要來源，高血糖和高FA水平可通過增加線粒體活性氧的生成誘導細胞功能障礙。此外，在高FA水平與活性氧生成相關的情況下，心臟特異性PPARα的過表達可引起心臟功能障礙。因此，F(xiàn)A誘導的線粒體活性氧生成增加可能會導致缺血后心肌收縮功能障礙[40]。

3.3 細胞凋亡 心肌細胞凋亡是心肌肥厚向HF轉(zhuǎn)化的關鍵因素，心臟脂質(zhì)超負荷與凋亡級聯(lián)反應的發(fā)生有關，并認為是導致HF發(fā)生的主要原因。研究表明，F(xiàn)A是誘導細胞凋亡的主要原因。用棕櫚酸處理分離的新生大鼠心肌細胞，心肌細胞內(nèi)線粒體心磷脂丟失，細胞色素C釋放進而誘發(fā)線粒體腫脹和DNA梯狀化相關的凋亡[41]。FA水平升高可能引起脂質(zhì)中間體(如DAG)的積累，或增強FA與絲氨酸的縮合生成神經(jīng)酰胺[23]。有研究提示，神經(jīng)酰胺通過MAPK進行信號傳導(細胞外信號調(diào)節(jié)激酶、p38MAPK和C-Jun N-末端激酶)介導細胞凋亡。其機制主要為神經(jīng)酰胺觸發(fā)細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的去磷酸化，并刺激JNK和p38MAPK的磷酸化，p38 MAPK活化了促凋亡因子Bax和Bak，同時JNK通過線粒體損傷和Caspase激活來促進細胞凋亡，表明神經(jīng)酰胺-MAPK信號傳導可能在多種形式的心臟病中起關鍵作用[13]。棕櫚酸酯的酯化也可直接引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)裂變，強烈的ERS可能導致細胞凋亡。

4 中醫(yī)藥防治

中醫(yī)藥在治療心血管疾病和改善能量代謝方面有著確切的療效，其具有多途徑、多靶點且毒副作用小的優(yōu)點。越來越多的證據(jù)表明，心臟內(nèi)異位脂質(zhì)的積累，可能是目前被低估的心肌病和HF的危險因素之一[42]。近年來，研究表明，中醫(yī)藥可以改善脂毒性，從而改善心臟收縮功能。有研究表明，酒蒸黃連可以改善心肌糖脂代謝、減輕炎癥反應及氧化應激損傷，同時能夠降低模型動物血清中未酯化FA、TG的含量，減輕體內(nèi)脂質(zhì)聚集，從而改善心臟功能[43]。PPAR是FAO的核心調(diào)控分子。心肌細胞中PPARβ/δ的缺失抑制心肌FA的氧化，進而導致脂毒性心肌病、心臟肥大和充血性HF。研究表明，葛根中大豆苷元具有PPAR激動作用的成分，推測相關植物可作為調(diào)節(jié)脂類代謝的潛在藥物進行研究；銀杏葉中的提取物銀杏黃酮可以降低FFA水平，從而改善FFA造成的心功能障礙[44]。體外研究表明，神經(jīng)酰胺合成的變化與缺氧和炎癥有關，抑制神經(jīng)酰胺的合成可以減少心臟重構。目前研究發(fā)現(xiàn)番紅花甙、鉤藤堿等均可以抑制神經(jīng)酰胺的合成，進而改善神經(jīng)酰胺所導致的有害作用[45-46]。槲皮素具有抗脂質(zhì)過氧化作用，能夠明顯降低血清和心臟中的膽固醇、TG和FFA水平，可防止心肌梗死大鼠脂質(zhì)和糖蛋白成分的積累[47]。

此外，研究證明一些中藥單體、復方以及中醫(yī)療法可通過干預ERS途徑，調(diào)控心肌細胞等靶細胞的凋亡或自噬，例如姜黃素、松香酸等[48]，進而改善脂毒性。

5 小結與展望

血脂代謝異常是多種心血管疾病的主要危險因素之一，心臟中毒性脂質(zhì)中間體的過度堆積，導致ERS、線粒體功能障礙以及細胞凋亡，進而造成心臟功能的障礙和HF。研究表明，脂毒性對于代謝紊亂疾病有著重要的作用，減少毒性脂質(zhì)可以改善心肌細胞的結構與功能。目前，心肌脂質(zhì)毒性的臨床意義尚未引起足夠重視，確定脂毒性在體內(nèi)的病理過程以及直接的機制還有待進一步研究。中醫(yī)藥針對脂毒性的機制(如ERS、凋亡)均具有很好的療效，有望從中發(fā)現(xiàn)改善脂毒性的潛在治療方案。