心力衰竭時氧化應(yīng)激與心肌代謝

劉佳寶 張瑞英

氧化應(yīng)激是指機(jī)體產(chǎn)生過多的氧化活性物質(zhì)和（或）機(jī)體抗氧化能力減弱，部分氧代謝產(chǎn)物和部分活性氧清除不足，導(dǎo)致體內(nèi)活性氧增多，破壞機(jī)體氧化還原的平衡，造成細(xì)胞氧化損傷。在生理?xiàng)l件下，人體內(nèi)1%～5%的分子氧可產(chǎn)生活性氧，在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起調(diào)節(jié)作用，該作用可被抗氧化防御系統(tǒng)削弱，對內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定起重要作用。然而，在心力衰竭（心衰）的狀態(tài)下，活性氧的產(chǎn)生超過抗氧化防御系統(tǒng)的緩沖能力，導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷和死亡[1]。

1 心肌細(xì)胞代謝

心肌細(xì)胞需要不斷合成大量三磷酸腺苷（ATP）以維持細(xì)胞興奮-收縮偶聯(lián)和離子穩(wěn)態(tài)。大多數(shù)ATP 是由線粒體的氧化磷酸化產(chǎn)生。脂肪酸能為人體提供60%～90%的能量，其余能量來自葡萄糖、乳糖、氨基酸和酮體。

心肌脂肪酸代謝主要包括以下過程，游離脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)入心肌細(xì)胞，在脂酰CoA 合成酶的催化下生成脂酰CoA。脂酰CoA 在肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1（CPT1）和肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶2（CPT2）作用下進(jìn)入線粒體，進(jìn)一步被催化生成還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH），F(xiàn)ADH2 和NADH 進(jìn)入線粒體呼吸鏈復(fù)合體進(jìn)行代謝，最終生成乙酰CoA 進(jìn)入三羧酸循環(huán)。

心肌葡萄糖代謝在細(xì)胞外葡萄糖在葡糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白作用下進(jìn)入心肌細(xì)胞，并通過糖酵解途徑生成丙酮酸。在氧供充足的情況下，丙酮酸在丙酮酸轉(zhuǎn)位酶作用下進(jìn)入心肌細(xì)胞線粒體，在丙酮酸脫氫酶復(fù)合體催化下進(jìn)一步生成乙酰CoA，進(jìn)入三羧酸循環(huán)。在缺氧條件下，丙酮酸通過無氧酵解產(chǎn)生乳酸。

心衰時，心肌細(xì)胞脂肪酸利用率下降，葡萄糖利用率增加。有研究表明，心衰患者心肌細(xì)胞膜高表達(dá)一種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白—鈉依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（SGLT），促進(jìn)了心肌細(xì)胞葡萄糖攝取和氧化[2]。衰竭心臟的底物偏好從脂肪酸轉(zhuǎn)向葡萄糖能以更好地適應(yīng)心肌細(xì)胞氧供不足，但該過程伴隨著ATP 生成減少，興奮收縮耦聯(lián)及離子穩(wěn)態(tài)受損，同時脂質(zhì)大量蓄積導(dǎo)致脂毒性心肌。臨床實(shí)驗(yàn)表明，SGLT-2 抑制劑可改善心肌細(xì)胞代謝，降低與心衰相關(guān)的發(fā)病率和死亡率[2]。

2 氧化應(yīng)激

2.1 生理狀態(tài)下氧化應(yīng)激的表現(xiàn)形式

生理狀態(tài)下，心肌細(xì)胞產(chǎn)生少量活性氧以維持細(xì)胞的正常功能。線粒體的氧化磷酸化是活性氧的重要來源，呼吸鏈復(fù)合體對氧氣（O2）還原過程中，O2失電子不完全，產(chǎn)生O2-等活性氧[3]。

許多代謝途徑都會產(chǎn)生少量活性氧?；钚匝蹩烧{(diào)節(jié)多種血管細(xì)胞功能，包括內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的生長、增殖和遷移、凋亡，血管生成，血管張力，宿主防御，基因組穩(wěn)定性及興奮-收縮耦聯(lián)等[4]。

2.2 心衰狀態(tài)下氧化應(yīng)激的發(fā)生機(jī)制

活性氧主要來源于線粒體電子傳遞鏈，但在心血管系統(tǒng)中，也由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶（NOX）、脫偶聯(lián)一氧化氮合酶（NOS）、黃嘌呤氧化酶產(chǎn)生。

NADPH 氧化酶是催化活性氧生成的重要酶。其中，NADPH2（NOX2）在心肌細(xì)胞中特異表達(dá)，是一種多組分酶復(fù)合物。它由幾個膜結(jié)合亞基（黃細(xì)胞色素b558）、胞質(zhì)亞基（p47phox,p67phox）和Ras 相關(guān)C3 肉毒素底物（1Rac1）組成。血管緊張素Ⅱ(Ang Ⅱ)激活蛋白激酶C，進(jìn)一步激活p47phox 并異位到細(xì)胞膜，通過降低己糖激酶Ⅱ與線粒體結(jié)合，增加活性氧產(chǎn)生[4]?；钚匝跎蛇^多，可引起心臟非適應(yīng)性重構(gòu)[5-6]。

另一種參與心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激的重要酶是NOS。在小鼠左室肥厚的發(fā)展過程中，誘導(dǎo)型NOS對心功能產(chǎn)生影響。正常心肌細(xì)胞中未檢測到iNOS，但心衰心肌細(xì)胞中iNOS 增多。iNOS 解偶聯(lián)參與氧化應(yīng)激過程，有研究證實(shí)，可能存在自限制的負(fù)反饋循環(huán)，通過增加肌醇衍生的一氧化氮（NO），增加精氨酸酶Ⅱ活性和降低L-精氨酸濃度以限制NO 產(chǎn)生；底物利用的限制導(dǎo)致iNOS 的解偶聯(lián)和活性氧的生成[7]。

心衰時，腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（RAAS系統(tǒng)）活性增強(qiáng)，Ang Ⅱ激活蛋白激酶C（PKC），通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B 信號通路（P13K/AKT）進(jìn)一步增強(qiáng)NADPH 氧化酶活性[8]。同時Ang Ⅱ還可間接增強(qiáng)黃嘌呤氧化酶活性。由于缺氧，心衰患者心肌細(xì)胞ATP 降解增加，黃嘌呤氧化酶底物黃嘌呤和次黃嘌呤濃度增加，使活性氧產(chǎn)生增多。

3 心衰時氧化應(yīng)激所致代謝通路異常對心肌代謝的影響

3.1 對心肌細(xì)胞脂肪酸代謝的影響

臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，心衰患者心肌細(xì)胞脂肪酸代謝下調(diào)[9]。脫氧核糖核酸結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(KLF4)對心肌細(xì)胞脂肪酸代謝具有重要促進(jìn)作用[10]，心衰時KLF4 表達(dá)降低。研究表明，KLF4 缺陷的心肌細(xì)胞，組蛋白去乙?；?（SIRT3）及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）含量減少[11]。SIRT3 通過去乙?；饔眉せ钷D(zhuǎn)錄因子叉頭框蛋白O3a（FoXO3a）,然后與猛超氧化物歧化酶（MnSOD）和過氧化氫酶基因的啟動子區(qū)域結(jié)合，進(jìn)一步上調(diào)SIRT3 表達(dá)水平，清除線粒體活性氧[12]。SIRT3 的低表達(dá)可導(dǎo)致線粒體代謝酶活性降低和活性氧積累。同時因NAD+是三羧酸循環(huán)和脂肪酸β 氧化的關(guān)鍵輔酶，所以KLF4 缺乏對心肌細(xì)胞代謝，尤其是脂肪酸代謝影響極大。

臨床試驗(yàn)證實(shí)，PGC-1α 在控制心肌代謝和功能中起著關(guān)鍵作用[13]。PGC-1α 在正常人心肌細(xì)胞中高表達(dá)，介導(dǎo)脂肪酸向心肌細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)脂肪酸利用相關(guān)酶的轉(zhuǎn)錄。PGC-1α 可通過減少線粒體活性氧的產(chǎn)生來減輕氧化應(yīng)激[14]。PGC-1α 基因敲除小鼠早期出現(xiàn)心衰的癥狀[15]。PGC-1α 減少導(dǎo)致脂肪酸氧化和氧化磷酸化所需的蛋白質(zhì)基因表達(dá)減少，心肌細(xì)胞對葡萄糖依賴性更高。PGC-1α減少導(dǎo)致雌激素相關(guān)受體α（ERRα）活性降低，抗氧化酶產(chǎn)生減少，線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ、呼吸鏈復(fù)合體Ⅱ、細(xì)胞色素C 的表達(dá)下調(diào)，線粒體電子傳遞鏈?zhǔn)軗p，心肌細(xì)胞代謝紊亂，活性氧增多，形成惡性循環(huán)。PGC-1α 減少抑制PPARα 功能，促使丙二酰對CoA 水平升高，同時抑制肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶活性，使心肌細(xì)胞對葡萄糖依賴性增加[16]；但該過程伴隨心肌細(xì)胞ATP 減少，興奮收縮耦聯(lián)及離子穩(wěn)態(tài)受損，以及脂質(zhì)大量蓄積而形成心肌脂毒性。

3.2 對心肌細(xì)胞葡萄糖代謝的影響

活性氧介導(dǎo)P13K/AKT 信號通路，促進(jìn)雷帕霉素靶蛋白激動劑（Tcad）的表達(dá)，激活雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路[16]。mTOR 激活可促進(jìn)胰島素受體底物（IRS）降解，抑制IRS/P13K/AKT 通路，降低葡萄糖利用率。在生理狀態(tài)下，mTOR 通過磷酸化和滅活自噬相關(guān)蛋白（ATG）抑制細(xì)胞自噬，但在心肌細(xì)胞能量代謝紊亂的情況下，P13K/AKT 活性下降，抑制mTOR 的活性并誘導(dǎo)心肌細(xì)胞自噬[17-18]。

除了經(jīng)典的糖酵解途徑外，部分心肌細(xì)胞的葡萄糖代謝也由氧化磷酸戊糖途徑（oxPPP）和多元醇途徑介導(dǎo)。研究表明，心衰患者心肌細(xì)胞的多元醇途徑下調(diào)，葡萄糖必須進(jìn)入糖酵解和oxPPP 進(jìn)行代謝；心衰患者心肌細(xì)胞中oxPPP 途徑上調(diào)，當(dāng)脂肪酸攝取減少時葡萄糖的氧化增加。心肌葡萄糖攝取增強(qiáng)、oxPPP 上調(diào)和多元醇途徑減少并存時，可導(dǎo)致NADPH 氧化酶過量產(chǎn)生和NOS 脫偶聯(lián)，產(chǎn)生大量活性氧[19]。

3.3 心衰晚期氧化應(yīng)激對心肌代謝的影響

隨著心衰癥狀的加重和氧化應(yīng)激的增強(qiáng)，心肌細(xì)胞糖代謝和脂代謝都將進(jìn)一步被抑制。心衰早期心肌細(xì)胞葡萄糖利用增加，游離脂肪酸在心肌細(xì)胞內(nèi)積聚。隨著活性氧大量生成，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（SER/THR）被激活，IRS1/2 被降解，IRS/PI3K/AKT 通路被抑制，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞的葡萄糖代謝受到抑制。

當(dāng)ATP 的需求增加時，心肌細(xì)胞可通過增加胞質(zhì)Ca2＋瞬時變化的幅度和頻率以及線粒體對Ca2＋的攝取，加速NAD+再生，減少NADH，激活三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵脫氫酶以滿足ATP 生成的需要[20]。心衰時交感神經(jīng)系統(tǒng)活性增強(qiáng)，兒茶酚胺通過β1受體促進(jìn)心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激，大量生成活性氧，導(dǎo)致心肌細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化，人中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（HNE）生成增多，HNE 會加速細(xì)胞內(nèi)活性氧尤其是過氧化氫和羥基的生成，限制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對鈣的攝取，進(jìn)而造成細(xì)胞內(nèi)鈣超載。鈣可影響心肌細(xì)胞線粒體膜蛋白的表達(dá)，致心肌細(xì)胞線粒體膜葡萄糖、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白表達(dá)下降，抑制心衰晚期心肌細(xì)胞糖代謝和脂代謝通路。

4 小結(jié)

氧化應(yīng)激作為心衰的發(fā)病機(jī)制之一，與其他機(jī)制相互作用，直接或間接參與心衰的發(fā)病過程。目前，對氧化應(yīng)激與心衰關(guān)系的研究主要集中在預(yù)測價值上，而對系統(tǒng)干預(yù)的研究較少。因此，進(jìn)一步闡明氧化應(yīng)激在心衰中的作用機(jī)制，可能為心衰的防治提供新的靶點(diǎn)。