張雷 劉歡歡 王如興

糖尿病長期高血糖可導致心室異常電重構(gòu),主要包括鈉、鉀和鈣離子通道異常,進而引起心室肌除極和復極異常,是導致室性心律失常和心臟性猝死發(fā)生的重要原因[1-2]。因此,闡明糖尿病心室電重構(gòu)的細胞與分子機制,對于預防糖尿病相關(guān)室性心律失常的發(fā)生,發(fā)現(xiàn)潛在治療的靶點等具有重要意義。筆者主要從心室除極異常和復極異常兩方面綜述糖尿病對心室電重構(gòu)的影響及其可能的機制。

1 離子通道重構(gòu)與除極異常

糖尿病心室肌細胞鈉離子通道翻譯后修飾及功能異常,在心律失常的發(fā)生中起重要作用[3]。近期一項研究顯示高糖可增加鈉離子通道1.5(Nav1.5)的磷酸化修飾從而導致鈉通道的激活速率下降。該研究利用瞬時共轉(zhuǎn)染人Nav1.5α-亞基c DNA 的中國倉鼠卵巢細胞和誘導多能干細胞衍生的人心肌細胞進行研究,分為正常血糖組和葡萄糖干預組(100 mmol/L),結(jié)果顯示葡萄糖干預組細胞內(nèi)的蛋白激酶A(PKA)和蛋白激酶C(PKC)激活,Nav1.5 蛋白發(fā)生磷酸化修飾,鈉通道的半激活電壓增加(P＝0.001),使用PKA 抑制劑(H-89)和PKC抑制劑(G?6983)后,可部分恢復鈉通道的半激活電壓(H-89:P＝0.010 8;G?6983:P＝0.020 3),但血糖升高時,PKA 和PKC與通道蛋白磷酸化之間是否存在直接的因果關(guān)系及具體磷酸化位點有待進一步研究[4]。

峰鈉電流密度降低可導致心室電信號傳導速度下降。Stables等[5]研究顯示16 周的1 型糖尿病兔的心臟電信號傳導速度較正常組明顯下降[(0.46±0.02)m/s vs(0.53±0.02)m/s,P＜0.05],在-40 mV 的電壓下,糖尿病組的峰鈉電流密度降低[(-15.42±1.17)p A/p F vs(-22.59±1.83)p A/p F,P＜0.02],Nav1.5的蛋白表達降低(P＜0.05),但其mRNA 表達沒有變化(P＞0.05),提示糖尿病時可能存在鈉離子通道的降解增多。此后,Yu等[6]在1型糖尿病大鼠以及暴露于高血糖條件下的原代心肌細胞中發(fā)現(xiàn),細胞膜上的Nav1.5蛋白表達降低,在細胞質(zhì)中聚集分布,研究者進一步利用免疫共沉淀探究其原因,結(jié)果顯示Nav1.5發(fā)生了氧連接的氮乙酰葡糖胺(O-GLc NAc)糖基化修飾,導致鈉通道蛋白降解增多和轉(zhuǎn)運障礙,從而使得鈉通道蛋白出現(xiàn)表達、分布異常,峰鈉電流下降[(-198.74±20.44)p A/p F vs(-238.58±37.26)p A/p F,P＜0.05],這可能是糖尿病致室性心律失常發(fā)生的機制之一,但具體的O-GLc NAc糖基化位點有待進一步探究。

2 離子通道重構(gòu)與復極異常

糖尿病致心室電重構(gòu)除了除極異常外,研究最多的是心室復極異常。心室肌復極異常涉及多個離子通道特性的改變。目前,糖尿病導致心室肌復極異常的機制尚不完全清楚。

2.1 晚鈉電流(INa,late) 心肌細胞鈉通道在1 ～2 ms內(nèi)激活,隨后會很快失活,但在病理狀態(tài)下,失活后可重新開放,產(chǎn)生一種持續(xù)的電流成分,稱為INa,late,可影響動作電位時程(APD),誘發(fā)室性心律失常的發(fā)生,目前,以INa,late為靶點的抗心律失常藥物已被廣泛研究[7]。

Hegyi等[8]利用急性分離的正常兔心室肌細胞,給予30 mmol/L高糖和1μmol/L的INa,late抑制劑GS-967同時孵育6 min,結(jié)果顯示INa,late抑制劑可明顯改善因高血糖導致的心室肌細胞APD 延長(P＜0.05)。關(guān)于高血糖導致INa,late增加的機制,Fouda等[9]利用中國倉鼠卵巢細胞瞬時共轉(zhuǎn)染編碼人類Nav 1.5α-亞基的c DNA,分別在正常糖(30 mmol/L)和高糖(50 mmol/L)條件下培養(yǎng)24 h,結(jié)果顯示與正常糖組相比,高糖組氧化應(yīng)激增加,導致鈉通道的電壓依賴性曲線右移,快速失活后恢復時間縮短,INa,late增加[(-2.40±0.85)n A/p F vs(-2.05±0.61)n A/p F,P＜0.05],APD 延 長(P＜0.05)出現(xiàn)3型長QT 綜合征表現(xiàn)。此外,在糖尿病心室肌中,Nav1.5的翻譯后修飾也可引起INa,late的增加。有研究利用2月齡的正常小鼠和心臟Nav1.5的絲氨酸571位點突變小鼠作為研究對象,與正常組小鼠相比,突變組小鼠的心肌組織中絲氨酸571位點磷酸化的Nav1.5缺失,Nav1.5的表達和定位不變,但功能學結(jié)果顯示突變組小鼠的INa,late密度明顯增加(P＜0.05),提示Nav1.5的絲氨酸571位點磷酸化修飾可引起INa,late增加。為尋找可引起Nav1.5絲氨酸571位點磷酸化的上游分子,使用免疫熒光技術(shù),結(jié)果顯示鈣離子-鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶II(Ca MKII)與Nav1.5在心室肌細胞中存在共定位,可能是調(diào)節(jié)Nav1.5 絲氨酸571位點磷酸化的重要上游分子,但二者的具體作用機制尚需進一步探究[10-11]。

2.2 鉀離子電流 瞬時外向鉀離子電流(Ito)是嚙齒類動物心室復極1期的主導電流,在人類心室肌中主要由Kv4.2和KV4.3蛋白組成,在心外膜分布較多,存在跨壁差異。糖尿病時Ito降低,APD 延長,易于誘發(fā)早后除極。Hegyi等[12]構(gòu)建了急性高糖和慢性高糖兩種模型,其中急性高糖模型利用急性分離的正常大鼠(10～14周)、小鼠(10～12周)和兔(3～4月)心室肌細胞,均分別給予5.5 mmol/L 和30 mmol/L的葡萄糖干預6 min,而慢性高糖模型分別為使用50 mg/kg鏈脲佐菌素(STZ)誘導并建模4周的1型糖尿病小鼠、高脂飲食16周的2型糖尿病小鼠以及10周的db/db 2型糖尿病小鼠,分別與各自的正常對照組相比,急性和慢性高糖模型均可導致Ito電流密度的降低(P＜0.05),其通道形成的亞單位Kv4.3或Kv4.2表達降低(P＜0.01),但其門控動力學特性無明顯改變(P＞0.05)?？焖傺舆t整流鉀電流(IKr)和緩慢延遲整流鉀電流(IKs)形成動作電位的3 期,與心律失常的發(fā)生明顯相關(guān)。Hegyi等[12]同樣利用以上研究中的三種慢性高糖模型探索高糖對IKr和IKs的影響,結(jié)果表明三種糖尿病模型的心室肌細胞均顯示出IKr和IKs降低(P＜0.05)。Ashrafi等[13]對接受主動脈瓣置換手術(shù)的2型糖尿病和正?；颊咝氖壹〗M織進行提取并檢測,結(jié)果顯示參與形成IKr的mRNA 表達在2 型糖尿病患者心室肌組織中下降65.24%。IKr通道在心室肌中表達較少,有研究利用四氧嘧啶建模10周的1型糖尿病兔作為模型,急性分離其心室肌細胞,免疫熒光結(jié)果表明,與正常組相比,糖尿病組的心室肌細胞上超IKur孔形成蛋白Kv1.5有表達降低的趨勢,可能是導致復極延長的原因之一[14]。

內(nèi)向整流鉀電流(IK1)是心室肌復極電流的一部分。既往研究使用10周的四氧嘧啶誘導的糖尿病兔和STZ 誘導的糖尿病小鼠為模型,發(fā)現(xiàn)兩種糖尿病模型心室肌細胞的IK1幾乎沒有影響[13]。然而,有研究者使用瘦素受體敲除的2型糖尿病db/db小鼠(10周)和50 mg/kg的STZ建立的1型糖尿病小鼠(9周)兩種糖尿病模型,急性分離其心室肌細胞,分別置于正常糖(5.5 mmol/L)和高糖(30 mmol/L)條件下孵育6 min,無論是正常組還是糖尿病組心室肌細胞在高糖孵育后均顯示出IK1的增加(P＜0.05),具體機制不清,可能是機體對急性高血糖引起的舒張期鈣漏增加和后去極化產(chǎn)生的一種保護作用[12]。因心肌細胞中鉀離子通道的分布存在較大的物種差異。上述研究結(jié)果不一致不排除是因為物種、糖尿病類型以及糖尿病動物造模時間長短等不同所致。

目前關(guān)于糖尿病心室肌細胞鉀離子電流異常的機制尚不清楚?？赡艿臋C制有:①在建模8～10周的STZ(50 mg/kg)誘導1型糖尿病小鼠心室肌組織中,白介素1β(IL-1β)表達增加,為了探究IL-1β在糖尿病心室電重構(gòu)方面的作用機制,研究者在急性分離的心室肌細胞中加用10 ng/mL IL-1β孵育24 h后,心室肌細胞Ito電流下降(P＜0.05),提示糖尿病可導致IL-1β表達增加,進而導致Ito電流下降[15];②糖尿病時細胞的代謝狀態(tài)受損會影響心肌細胞的鉀離子電流。有研究對高脂飲食32周的肥胖小鼠和12周的db/db 2型糖尿病小鼠肌組織中的腺苷酸活化的蛋白激酶α(AMPKα)蛋白表達進行檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常組小鼠相比,肥胖和糖尿病小鼠中的A MPKα蛋白表達下調(diào)(P＜0.05),研究者進一步利用免疫共沉淀技術(shù)證實高糖狀態(tài)下,E3泛素連接酶MG53可與A MPKα結(jié)合并介導其降解和失活[16],但在100 mg/kg的STZ建模10周的糖尿病小鼠心室肌細胞中,加用A MPK 激動劑AICAR 500μmol/L 孵育后,并不能改善糖尿病引起的Ito和IKs下降(P＞0.05),因此,關(guān)于A MPK 與糖尿病心肌鉀電流的關(guān)系仍需進一步研究[14];③體外急性高糖刺激正常大鼠、小鼠和兔心室肌細胞,可激活PKC/NOX2/ROS通路導致Ito降低(P＜0.05),在急性加用O-糖基化抑制劑或敲除Ca MKIIδ后,對慢性1型和2型糖尿病小鼠心室肌細胞進行高糖刺激,可部分恢復鉀離子通道的表達下調(diào)以及Ito和IK1的減少(P＜0.05),說明O-Glc NAc修飾及Ca MKIIδ的過度活化均可調(diào)節(jié)鉀離子通道的特性[12];④胰島素同樣可調(diào)節(jié)心室肌細胞的離子通道,有研究對24個月的胰島素抵抗大鼠每日進行2 IU/kg胰島素治療2周,可明顯恢復心室肌細胞的IKs(P＜0.05),縮短APD(P＜0.05)[17]。

2.3 鈣離子電流與鈣穩(wěn)態(tài) 在心室肌細胞中,L-型鈣離子通道和各種鈣離子調(diào)控蛋白共同維持細胞內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常,均可能誘發(fā)心律失常的發(fā)生。Popescu等[18]利用一種遲發(fā)2型糖尿病的HIP大鼠作為模型,研究顯示雖然糖尿病組心室肌細胞胞漿中Ca2＋濃度較正常組降低[(89±3)μmol/L vs(110±6)μmol/L,P＜0.01],但在糖尿病大鼠的心室肌細胞中,產(chǎn)生觸發(fā)細胞內(nèi)鈣波所需的Ca2＋閾值含量明顯降低[(58±7)μmol/L vs(118±22)μmol/L,P＝0.04],進而引起心室肌細胞內(nèi)遲后除極(DAD)明顯增加(P＜0.05),促使室性心律失常的發(fā)生。糖尿病會導致心室肌細胞膜上的L-型電壓門控鈣離子通道異常,但目前尚有爭議。Al Kur y等[19]使用12周的2型糖尿病GK 大鼠和同周齡的正常大鼠作為研究對象,結(jié)果顯示在0 mV 鉗制下,糖尿病組心室肌細胞的L-型鈣離子電流(ICa-L)沒有顯著改變(P＞0.05),但細胞中Ca2＋瞬變較對照組均顯著增加(P＜0.05),提示糖尿病可能存在心肌Ca2＋轉(zhuǎn)運功能異常,此結(jié)果在另一研究中同樣被證實。研究者利用12個月齡的2型糖尿病GK 大鼠和同月齡的正常大鼠作為研究對象,結(jié)果顯示兩組的ICa-L沒有明顯改變(P＞0.05),但2型糖尿病GK 大鼠的心室肌細胞內(nèi)鈣瞬變的半衰期明顯延長(P＜0.05),可能與其細胞內(nèi)鈣離子轉(zhuǎn)運異常有關(guān)[20]。相反,在造模4周的1型糖尿病大鼠中,與正常大鼠相比,糖尿病大鼠心室肌細胞內(nèi)的活性氧水平增加[(126±5)F/F0vs(89±10)F/F0,P＜0.005],ICa-L降低(P＜0.005)[21]。此外,Wang等[22]利用150 mg/kg的STZ 建立1 型糖尿病小鼠模型,建模4周后,糖尿病組心室肌細胞的ICa-L電流密度增 加[(-4.24±0.17)p A/p F vs(-1.64±0.14)p A/p F,P＜0.005],且編碼L-型鈣通道的CACNA1C 基因和Cav1.2蛋白上調(diào)(P＜0.005)。另有研究發(fā)現(xiàn)在使用60 mg/kg的STZ建立的1型糖尿病大鼠中,12周后分別分離其內(nèi)膜和外膜心室肌細胞進行ICa-L檢測,結(jié)果顯示與正常組相比,糖尿病組心臟外膜的心室肌細胞的ICa-L增大(P＜0.05),而內(nèi)膜的ICa-L較正常組降低(P＜0.05),這可能會導致復極離散度增加[23]。

糖尿病可通過多種機制導致心室肌蘭尼堿受體2(Ry R2)的過磷酸化修飾,引起其功能紊亂。最近一項研究選用2型糖尿病的HIP大鼠,結(jié)果表明糖尿病時Ca MKII介導的Ry R2磷酸化較正常組增加3倍(P＜0.05),促使Ry R2介導鈣釋放所需的ICa-L閾值降低,即使在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)總的鈣含量降低的情況下,同樣可以引起鈣火花增加(P＜0.05),導致DAD 產(chǎn)生增加(P＜0.05)[18]。Hegyi等[24]對使用50 mg/kg STZ建模的1型糖尿病和正常小鼠作為研究對象,建模4周后發(fā)現(xiàn),糖尿病時Ca MKII依賴性的Ry R2 S2814磷酸化較正常組相比增高1.93倍,舒張期鈣漏是正常小鼠的4倍(P＜0.05)。以上研究提示糖尿病時Ca MKII激活增加,可引起Ry R2磷酸化增加。另有研究發(fā)現(xiàn)含Rho相關(guān)卷曲螺旋蛋白激酶2(ROCK2)在造膜13周的1型糖尿病大鼠心臟中較正常大鼠表達升高,Ry R2磷酸化增加,心室肌細胞內(nèi)鈣漏增加,而敲減ROCK2的1型糖尿病小鼠可降低磷酸化Ry R2的表達(P＜0.05),同時減少心室肌細胞內(nèi)的肌漿網(wǎng)鈣漏(P＜0.05),維持細胞內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)[25]。

研究顯示,在8周的1型糖尿病大鼠心室肌組織中,糖尿病動物心室肌細胞中肌漿網(wǎng)Ca2＋-ATP酶(SERCA)的表達下降(P＜0.05),同時抑制其活性的受磷蛋白表達增加(P＜0.005)導致細胞內(nèi)Ca2＋回收至肌漿網(wǎng)異常,胞質(zhì)中Ca2＋增加,易觸發(fā)DAD[26]。Hegyi等[24]采用建模4周的1型糖尿病小鼠和正常小鼠心室肌組織,利用免疫共沉淀技術(shù)證實,與正常組相比,糖尿病組心室肌組織中受磷蛋白的OGLc NAc糖基化修飾增加26%(P＜0.05),SERCA 活性降低,限制肌漿網(wǎng)Ca2＋再攝取,導致胞質(zhì)內(nèi)鈣離子濃度增加,誘發(fā)DAD。

3 新型降糖藥物對糖尿病心室電重構(gòu)的影響

鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2 抑制劑(SGLT2i)是由達格列凈、恩格列凈、卡格列凈等組成的新型降糖藥物。近年來,越來越多的研究顯示鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運體抑制劑可改善糖尿病導致的異常電重構(gòu),降低糖尿病患者室性心律失常的風險[27]。Lee等[21]研究發(fā)現(xiàn)SGLT2i恩格列凈10 mg/kg治療4周后糖尿病大鼠心室肌細胞INa,late降低[(-0.51±0.03)p A/p F vs(-0.67±0.07)p A/p F,P＜0.05],胞內(nèi)鈣瞬變持續(xù)時間減少[(228±32)ms vs(345±39)ms,P＜0.05],其原因是由于使用恩格列凈治療后可明顯降低心室肌細胞內(nèi)的活性氧水平[(88±5)F/F0vs(126±5)F/F0,P＜0.05]。同時Jhuo等[28]用代謝綜合征大鼠體內(nèi)脂肪因子培養(yǎng)H9C2細胞18 h后,加入恩格列凈,可明顯恢復脂肪因子導致的心室肌細胞鉀電流降低(P＜0.05)。另外,有研究使用轉(zhuǎn)基因的2 型糖尿病KK-Ay小鼠恩格列凈灌胃8 周后,結(jié)果顯示恩格列凈可明顯改善糖尿病小鼠的左室射血分數(shù)[(0.74±0.06)vs(0.60±0.07),P＜0.001],降低心肌細胞內(nèi)的氧化應(yīng)激水平(P＜0.05),減少心肌纖維化(P＜0.05)[29]。Durak等[30]以高脂誘導的代謝綜合征大鼠為研究模型,使用胰高血糖素樣肽-1受體激動劑利拉魯肽灌胃治療4周,研究發(fā)現(xiàn)利拉魯肽治療可降低因代謝綜合征引起的細胞內(nèi)鈣離子濃度增加(P＜0.05),升高鉀離子電流幅度(P＜0.05),穩(wěn)定線粒體膜電位,縮短APD和QT間期(P＜0.05)。

4 小結(jié)

糖尿病通過增加心室肌細胞氧化應(yīng)激、炎癥等機制導致心室肌離子通道重構(gòu),影響心室肌細胞的除極和復極,進而導致糖尿病相關(guān)室性心律失常和心臟性猝死。然而,糖尿病致心室肌細胞電重構(gòu)的細胞和分子機制仍不完全清楚。因此,進一步深入研究糖尿病致心室電重構(gòu)及其細胞和分子機制至關(guān)重要,研究結(jié)果可能為糖尿病致室性心律失常的預防和治療提供新靶點。