糖尿病是在全世界有较大影响的慢性疾病,其并发症也威胁到越来越多人的健康。与糖尿病相关的代谢环境有如高血糖症,可增加循环脂肪酸和甘油三酯水平,出现心肌细胞糖脂代谢异常、脂质堆积;如高胰岛素血症,可增强炎性细胞因子表达,改变多个心肌细胞内的分子通路,损害心脏的收缩性,促使心肌细胞功能障碍,引起细胞死亡[1]。其中,舒张功能不全被描述为早期在糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy, DCM)中心肌功能的改变,收缩功能障碍主要在疾病后期出现;产生过多的活性氧(reactive oxygen species, ROS)无法有效去除所致的氧化应激反应,致使细胞出现炎症反应、凋亡、纤维化损伤等。就目前来看,DCM专用药极少,因此,对新的治疗DCM的作用靶点——AMP激活的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase,AMPK)通路的更深层次的研究,可促进系统综合、安全高效的DCM治疗药物研发。氧自由基的增加通常是DCM发生的常见原因,当ROS达到一定量时就可激活AMPK信号通路,提高下游的丝氨酸磷酸化水平,抑制胰岛素的正常信号通路[2],从而发生胰岛素抵抗(insulin resistance, IR)。心肌细胞在IR状况下,可导致产能和储存环节障碍,所以AMPK信号通路在DCM的发生、发展过程中起着重要的作用,对其通路在体内的传导和调控进行有目的地干预,可以为临床上治疗DCM开辟新的路径,并为进一步科学研究提供依据。
1 AMPK的构造特性AMPK是调控新陈代谢的一种蛋白质,已经成为治疗与糖尿病相关心血管疾病的战略靶点,其也可能成为临床保护紫绀先心病患者心肌的新思路。AMPK是以α、β、γ三亚基的形式存在,Sestrin1与Thr 172相互作用直接激活AMPK,这种交互作用在心肌细胞已被证实,当AMPK被激活时,可保护心血管系统功能。AMPK-α1主要分布在肾脏、心脏、肝脏、肺部和脑;AMPK-α2大部分分布在心脏、肝脏、骨骼肌和脑部神经丛中。AMPK-β1主要存在于肝脏中,而AMPK-β2主要分布于骨骼肌和心肌中,β亚基主要与糖原合成酶结合,参与糖原对AMPK的调节。γ亚基活性主要受AMPK连接AMP的影响,AMPK-γ1、γ2在肝肾、心肺、骨骼肌和胰腺中均有分布,AMPK-γ3仅在骨骼肌中分布,与细胞中葡萄糖的摄取和线粒体的功能有关,AMPK-γ3是否能成为2型糖尿病治疗的组织特异性靶点,目前还没有明确的研究结果。
2 AMPK与其相应靶分子 2.1 肝激酶B1肝激酶B1(liver kinase B1, LKB1) 被认为能在体内多种细胞内磷酸化和活化AMPK,是AMPK的上游激酶之一,在组织中p-LKB1的表达与AMPK活性呈正相关。因此,为了进一步研究活化AMPK在DCM中的作用机制,我们可通过对LKB1的蛋白表达及其磷酸化水平来说明。抵抗素是一种脂肪因子分泌的肽激素,越来越多的证据表明,抵抗素会诱发心脏肥大。然而,在很大程度上,由抵抗素引起的心脏肥大的潜在机制仍然未知。但抵抗素治疗可提升心肌细胞脑钠素(brain natriuretic factor,BNF)和β-主要组织相容性复合体(β-major histocompatibility complex,β-MHC)mRNA表达,增加细胞表面积和蛋白质合成,阻止LKB1和AMPK磷酸化水平。这些结果表明,抵抗素通过失活LKB1/AMPK信号通路,诱发心脏肥大[3]。所以预防抵抗素并提高心肌组织中LKB1表达,可能治疗心脏肥大。
2.2 过氧化物酶体增殖物活化受体协同刺激因子1α过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α (α subunit of peroxisome proliferators-activated receptor-γ coactivator-1,PGC-1α)是AMPK的下游靶分子,也是核-线粒体调控的关键因子,在心脏中的含量较高。PGC-1α可通过多种途径间接调节糖脂代谢通路,减少氧化应激等。动物实验研究显示,PGC-1α在肥胖大鼠心肌中的表达明显低于正常组,而加强运动可以明显增加大鼠LKB1及PGC-1α的表达,这可能与AMPK的活性调节相关。值得注意的是,增加AMPK目的基因GLUT4的表达完全依赖于PGC-1α。糖尿病的心脏损伤时,炎性反应和慢性氧化应激会引起细胞凋亡,AMPK的下游靶分子PGC-1α控制了ROS形成,对维持生存有重要意义。可见,AMPK可以影响PGC-1α的表达,但是AMPK并不是PGC-1α表达的唯一调控因子。目前可能调控PGC-1α的表达因子有待进一步研究。
2.3 磷酸果糖激酶2磷酸果糖激酶2(6-phosphofructo-2 kinase,PFK-2) 是AMPK下游靶分子,是一个双功能酶。在细胞中,磷酸果糖激酶活性与其变构调节物ATP呈负相关,而AMPK又受AMP/ATP调节。有研究指出,PFK-2在心肌组织中可被AMPK磷酸化并激活其活性,而PFK-2在高脂肥胖大鼠的心肌组织中的磷酸化水平降低,并且PFK-2磷酸化的降低很可能是源于AMPK活性的降低[4]。因此,AMPK介导的PFK-2活性的下调可能参与抑制了实验大鼠心肌组织糖酵解。
3 线性B螺旋表面肽线性B螺旋表面肽(helix B surface peptide, HBSP)是一个来源于红细胞生成素(erythropoietin,EPO)领域的β-螺旋束表面疏水段。研究表明,HBSP通过AMPK介导的自噬可明显改善DCM小鼠心脏功能,减弱心肌间质纤维化,抑制心肌细胞凋亡,改善线粒体超微结构[5],增加p-AMPK(Thr 172) 的水平。所以,其可能是一个干预治疗DCM的潜在因素。
4 激活AMPK信号对DCM的影响 4.1 调节高血糖葡萄糖是机体能量代谢的组成部分,当细胞内糖代谢异常时,会导致机体内各脏器的功能障碍。高血糖是DCM发生发展的重要因素,可使正常心肌细胞出现变性、肥大、坏死等。腺苷二磷酸聚合酶通过拦截GAPDH和诱导核糖对蛋白质修饰,使葡萄糖发生糖原分解级联反应,参与高糖诱导的细胞损害[6]。人Ras相关蛋白Rab-10(Ras-related protein Rab-10,RAB10) 是由胰岛素刺激的调节器,调节脂肪细胞中胰岛素刺激的葡萄糖载体GLUT4向质膜转运,然后吸收葡萄糖[7]。GLUT4在体内与葡萄糖分子的亲和力差异有显著性,AMPK增加GLUT4的转位而增强肌肉对胰岛素的反应。此外,AMPK活化对肝脏中有关糖异生的因子表达起抑制作用,使肝糖原输出减少。AMPK可能通过调控细胞存活、代谢及血糖代谢相关的PI3K信号通路,活化GLUT4,进而促进葡萄糖的转运。
4.2 调节高血脂,防治脂毒性在临床上,对高脂血症和高胰岛素血症的预防和治疗可在很大程度上降低DCM对患者的干扰。高血脂引起心肌功能障碍的机制目前尚未清楚,但潜在机制已被证实,如长链脂肪酸可改变血浆中的磷脂成分和线粒体膜结构,进而改变心肌细胞结构。高胰岛素血症与高血脂密切相关,高胰岛素血症时,胰岛素介导的脂肪酸进入心肌细胞增多,葡萄糖利用度降低,脂肪酸的氧化成为心肌细胞能量代谢的主要来源,当细胞氧化达到一定量后,就会产生脂毒性。脂联素是一种脂肪细胞衍生的血管活性肽,其在血浆中的浓度较高,具有抗炎、保护心肌内皮细胞的作用[8],与胰岛素抵抗、高血脂等关系密切。与其他脂肪因子不同的是,脂联素已被证明是代谢综合征和心血管疾病的治疗靶点[9]。最近,许多报道表明,胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide 1,GLP-1) 受体激动剂和对心血管功能具有保护作用的二肽基肽酶Ⅳ(dipeptidyl peptidase 4,DPP-4) 抑制剂可促进脂联素的分泌,并激活Adipo R1/2受体与其相互作用的蛋白质APPL1,通过AMPK介导的信号通路能够使脂肪酸合成的调节重点酶乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)磷酸化,从而失去活性,有助于游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)氧化并减少其进入肝脏、限制胆固醇和脂质生成、减轻胰岛素抵抗、改善糖原代谢,使肝脏中糖的产生降低、极低密度脂蛋白合成减少,抑制核转录因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB),从而达到保护心肌细胞的目的。当AMPK信号受阻,也会致脂联素受限。所以,激活脂联素相关蛋白和发挥AMPK信号作用是防治脂毒性和治疗DCM的关键。
4.3 改善心脏功能,调节新陈代谢DCM患者可有心脏缺血、缺氧,早期可出现心脏肥大、心肌肥厚等症状[10]。激活AMPK不仅可以调节糖脂代谢,也可在一定程度上抑制血管紧张素Ⅱ诱导的细胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2) 的激活,从而改善心肌细胞纤维化引起的心脏肥大,保护心肌损伤。通过AMPK来调节的Omi/HtrA2丝氨酸蛋白酶特异性抑制剂在改善心肌收缩、舒张功能异常方面也起重要作用。
4.4 抑制蛋白质合成胞质内的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是调控单链核糖核酸信使RNA翻译的启动因子,可调节蛋白质的合成,参与细胞的增殖过程。蛋白质合成需消耗大量能量,AMPK可能通过调节mTOR通路,抑制蛋白质合成。
4.5 减轻炎症反应糖尿病患者中,死于心血管疾病的占多数,因此,控制炎症反应是其有效防治中的关键。炎症信号通路因子NF-κB参与了疾病的发展。我们通过免疫组织化学检测了APPL1、p-AMPK/T-AMPK、PPARα,发现当NF-κB在2型糖尿病大鼠模型中有较高表达时,APPL1、p-AMPK/T-AMPK、PPARα表达较低。因此,激活AMPK相关因子,可减轻在脂质和多糖复合物介导下的NF-κB活化所引起的炎症反应。
4.6 其他蛋白激酶-C(protein kinase C,PKC)是依赖磷脂和钙的丝氨酸/苏氨酸激酶家族酶,通过参与磷酸肌醇信号通路,调节多种细胞进程[11],可调控基因的表达,还可调节细胞周期并增加白细胞的黏附作用。其中,传统型PKC亚型β1与糖尿病血管功能障碍水平相关联,高血糖和高游离脂肪酸都可以使二酰甘油的产生增多,激活PKC下的氧化应激。此外,肿瘤坏死因子-α、胰岛素样生长因子、瘦素、自噬、激活肾素-血管紧张素系统等可能和AMPK相互作用,参与了DCM发病机制过程。
5 AMPK信号通路相关的DCM代表性治疗药物 5.1 二甲双胍降糖药有助于机体对糖的代谢吸收,二甲双胍常用于2型糖尿病,能够改善IR并减少肝糖输出,有利于控制机体血糖。同时,也能增加H9c2细胞活力,降低细胞内ROS水平,和吡格列酮有协同作用[12],能更好地改善2型糖尿病患者的胰岛素敏感性[13],和西他列汀合用效果明显。研究表明,二甲双胍的作用归因于AMPK[14],其诱导激活AMPK和下游PPARα,保护H9c2细胞免受氧化应激[15]。其激活AMPK,还可调节血管周围脂肪组织(perivascular adipose tissue,PVAT)活性,从而有助于心血管代谢疾病[16]。二甲双胍并不是直接活化AMPK,而是通过抑制线粒体呼吸链的合成,从而升高AMP/ATP比值,限制脂肪酸氧化和氧化应激来保护细胞。因此,早期使用能够降低血糖,同时改善氧化应激水平的药物,对于减少心肌细胞凋亡、改善心室重构及心功能不全具有十分重要的意义[17]。
5.2 AMPK直接激动剂A-769662与AMP异曲同工,别构调节激活AMPK,并抑制Thr-172在AMPK α亚基的脱磷酸化,且不与AMPK亚单位的任何位点相互作用[18]。动物实验研究显示,A-769662能够调节脂肪酸的合成和利用,降低血糖水平,但其口服生物利用度并不理想。最近,研发的可调节胰岛素和糖酯代谢水平的关于Ⅱ型糖尿病的小分子AMPK直接激动剂CNX-012-570,进入临床前研究阶段[19]。
6 展望综上所述,由于AMPK在DCM发病的多个环节中的重要调控作用,其功能远远超出了它的能量传感器和调节功能,使其在临床各个学科中都受到了高度关注,尤其在DCM中的重要性更是不言而喻。AMPK的激活不但可以改善糖尿病的心肌损伤,减少脂肪酸的合成,增加葡萄糖的摄入与代谢,减少肝脏葡萄糖的产生,还可调节线粒体功能和细胞增殖。体外实验及临床证据已经证明AMPK在DCM中可以作为治疗靶点,这就需要在阐明疾病分子病理学的基础上,开发出能够在靶组织中激活或抑制AMPK活性的高选择性、高特异性药物应用于临床,最终实现基础研究向临床治疗的转化。
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