糖尿病减弱七氟醚后处理心肌保护作用及其机制研究进展

夏瑞1,2 王蓉1,2 姚尚龙1,2 王婷婷1,2

1华中科技大学同济医学院附属协和医院麻醉科，武汉 430022；2华中科技大学同济医学院附属协和医院麻醉与重症医学研究所，武汉 430022

国际麻醉学与复苏杂志,2022,43(12):1306-1310.

DOI：10.3760/cma.j.cn321761-20210808‑00701

 基金项目 

国家自然科学基金（81770824）

REVIEW ARTICLES

【综述】

缺血性心脏病是威胁人类健康的杀手，尤其在糖尿病患者中具有较高的发病率及病死率。长期高血糖状态会引起血管内皮功能紊乱，加重缺血再灌注（ischemia reperfusion, IR）引起的心肌损伤。大量研究证明七氟醚后处理（sevoflurane postconditioning, SPostC）可以减少心肌梗死面积、恢复血流动力学、降低再灌注诱发的室性心律失常、改善心肌细胞线粒体功能，对心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia reperfusion injury, MIRI）具有保护作用。但近期研究表明糖尿病可能会减弱甚至消除SPostC的心肌保护作用，现以糖尿病减弱SPostC心肌保护作用的分子机制为重点进行综述。

1 SPostC的心肌保护作用及其主要机制      

SPostC是非糖尿病心肌对抗MIRI的经典方法，SPostC能触发多种因子释放，经过细胞内信号转导途径，作用于各种效应器，从而发挥心肌保护作用。大量研究发现，SPostC可通过激活酪氨酸蛋白激酶2（janus kinase 2, JAK2）/信号转导因子和转录激活因子3（signal transducer and activator of transcriptions 3, STAT3）信号通路减轻细胞凋亡、上调N‑乙酰氨基葡萄糖化转移酶、抑制程序性坏死、增加一氧化氮的产生，从而恢复受损的自噬，最终达到减轻MIRI的目的。此外，SPostC还具有上调缺氧诱导因子‑1α（hypoxia‑inducible factor‑1α, HIF‑1α）、改善心肌线粒体呼吸功能、激活蛋白激酶B（protein kinase B, Akt）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin, mTOR）、减少心肌细胞凋亡等多种心肌保护作用。以上保护机制相互作用，彼此联系，共同发挥SPostC的心肌保护作用。

2 糖尿病减弱SPostC心肌保护作用的现有证据      

研究表明，糖尿病或高血糖会减弱甚至消除SPostC的心肌保护作用。本课题组前期实验首次在链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠上证实，SPostC能减少非糖尿病小鼠心肌梗死面积和心肌细胞凋亡、对抗氧化应激，从而减轻MIRI，但SPostC对糖尿病小鼠MIRI无明显益处。在H9C2心肌细胞上也证实了高血糖能消除SPostC的心肌保护作用。Zhang等研究发现，SPostC不能减少糖尿病大鼠心肌梗死面积、减轻MIRI，外源性补充硫化氢可减轻氧化应激及线粒体功能紊乱，恢复SPostC对糖尿病大鼠的心肌保护作用。

3 糖尿病减弱SPostC心肌保护作用的分子机制     

3.1　再灌注损伤补救激酶（reperfusion injury salvage kinase, RISK）通路

RISK是一组由促存活蛋白激酶磷脂酰肌醇‑3‑激酶（phosphoinositide 3‑kinase, PI3K）/Akt和细胞外信号调节蛋白激酶共同组成的激酶通路，其在MIRI的再灌注阶段被激活以发挥心肌保护作用。有研究表明，SPostC可通过激活PI3K/Akt和细胞外信号调节蛋白激酶途径来发挥心肌保护作用。Tai等研究发现，SPostC可通过激活RISK通路和抑制糖原合成酶激酶‑3（Ser 9）磷酸化产生心肌保护作用，但这种保护作用在糖尿病大鼠中被减弱甚至消除，糖原合成酶激酶‑3阻滞剂恢复了SPostC对糖尿病大鼠的心肌保护作用。本课题组最新研究发现，T‑LAK细胞源蛋白激酶（T‑LAK cell‑originated protein kinase, TOPK）通过磷酸酶‑张力蛋白同源物基因（phosphatase and tensin homolog, PTEN）/PI3K/Akt信号通路在SPostC的心肌保护作用中发挥重要意义，而高血糖导致TOPK/PTEN/Akt信号通路受损可能是糖尿病心肌对SPostC失敏感的机制之一。可见，糖尿病心肌对SPostC失敏感与高血糖引起的RISK通路上下游受损有关。

3.2　生存活化因子增强（survivor activating factor enhancement, SAFE）信号通路

SAFE信号通路作为新近发现的保护性通路，是参与炎症反应的重要信号通路之一，其可被多种炎症因子激活，并参与炎症反应的级联放大，其中最重要的信号通路为JAK2/STAT3通路。既往研究表明，JAK2/STAT3在缺血后处理的心肌保护作用中有重要意义，缺血后处理中JAK2/STAT3的激活增加了线粒体中STAT3的磷酸化表达，从而改善线粒体功能，最终减轻MIRI。Wang等研究发现，与对照组相比，糖尿病大鼠心肌STAT3磷酸化水平明显降低，MIRI也更加严重。最近一项研究表明，SPostC可以通过激活JAK2/STAT3信号通路，增加心肌磷酸化JAK2和磷酸化STAT3表达，线粒体活性氧（reactive oxygen species, ROS）生成减少和线粒体ATP含量增加，从而减少细胞凋亡和心肌梗死面积。

综上，糖尿病减弱或消除SPostC的心肌保护作用可能是由于高血糖损伤SAFE信号通路所致。

3.3　氧化应激

ROS可以改变蛋白质结构，使呼吸链受损，还能破坏质膜上的离子泵，加剧细胞内离子失调。血红素加氧酶‑1（hemeoxygenase 1, HO‑1）是一种应激反应蛋白，可在各种有害刺激诱导下通过降解血红素生成抗氧化剂胆红素和抗炎分子一氧化氮，从而保护细胞免受氧化和病理应激的损伤。在发生氧化应激时，染色质重构复合物核心催化亚基（brahma‑related gene 1, BRG1）与核因子E2相关因子2（nuclear factor‑erythroid‑2‑related factor, NRF2）相互作用，促进左手螺旋DNA（Z conformation DNA, Z‑DNA）的形成和RNA聚合酶Ⅱ的招募，这在NRF2介导的HO‑1表达中至关重要。研究发现，高血糖通过损害心肌NRF2/BRG1/HO‑1信号通路进一步加重氧化应激，从而阻断SPostC对糖尿病心肌的保护作用。补充脂联素可通过增加糖尿病心肌NRF2及BRG1的表达，减轻心肌氧化应激及MIRI，最终改善高血糖诱导的心肌肥厚及心脏功能障碍。此外，沉默信息调节因子1（silent information regulator 1, SIRT1）参与许多生理病理过程的调节，包括细胞衰老、基因转录、能量平衡和氧化应激。研究发现，糖尿病会降低SIRT1在心肌中的表达，加重MIRI，而SIRT1过表达则会改善糖尿病大鼠的心肌功能，减少心肌梗死面积，从而保护心肌。Zhang等研究发现，高血糖损害SIRT1及其下游NRF2/HO‑1信号通路，硫化氢通过增加糖尿病大鼠心肌SIRT1表达，激活下游NRF2/HO‑1信号通路，减弱高血糖诱导的氧化应激和线粒体功能障碍，从而恢复SPostC的心肌保护作用。由此可见，糖尿病心肌对SPostC失敏感可能是由于高血糖损害相关抗氧化信号通路导致机体抗氧化防御系统受损、崩溃，引发致死性的氧化应激损伤所致。

3.4　线粒体相关机制

3.4.1　动力相关蛋白1（dynamdin relate protein 1, DRP1）

DRP1是线粒体分裂过程中的关键枢纽，对控制线粒体的形状、大小、数量至关重要。研究表明，在遭受心肌IR的糖尿病小鼠中，DRP1是促进线粒体分裂和诱导心肌损伤的关键调节分子，DRP1有望成为糖尿病缺血性心脏病的潜在治疗靶标。Yu等发现，SPostC可以减少心肌细胞凋亡、减轻心肌氧化应激，但这些作用在糖尿病大鼠中被减弱甚至消除，在使用线粒体分裂抑制剂‑1（mitochondrial division inhibitor‑1, Mdivi‑1）后，心肌损伤和氧化应激指标都显著下降。此外，透射电镜同样显示Mdivi‑1能抑制线粒体分裂并保护线粒体超微结构免受糖尿病引起的损伤。由此可见，抑制DRP1可有效恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用，DRP1表达增加可能是糖尿病减弱SPostC心肌保护作用的机制之一。

3.4.2　线粒体通透性转运孔（mitochondrial permeability transition pore, mPTP）

mPTP是MIRI条件下的关键效应器，是线粒体内膜的非选择性通道，其开放会使线粒体膜电位崩溃，氧化磷酸化解耦联，导致ATP耗竭和细胞死亡。在心肌缺血期间，细胞内的酸性环境使mPTP处于关闭状态，只有在心肌再灌注后的最初几分钟内才开放，这会引发线粒体内Ca2+超载、氧化应激增加、ATP减少。mPTP的开放被认为是再灌注损伤的最后一步，并与线粒体和心肌细胞死亡有关，因此mPTP被认为是心肌保护作用机制的重要靶点。以往研究证明，SPostC对心肌的保护作用与抑制mPTP开放有关。Huhn等发现，高血糖消除了SPostC的心肌保护作用，但mPTP抑制剂环孢霉素A能逆转这种心肌保护作用的丧失，恢复SPostC的对心肌保护作用。因此，糖尿病心肌对SPostC失敏感可能是由mPTP的过度开放所致。

3.4.3　线粒体ATP敏感性钾离子通道（mitochondrial KATP channel, mitoKATP）

mitoKATP是心脏保护性调节的重要效应器。在正常生理情况下，mitoKATP处于关闭状态，当组织缺血或缺氧时，细胞内ATP含量降低，ATP/二磷酸腺苷变小而导致mitoKATP开放，从而改善细胞膜离子转运、减少线粒体自由基产生、抑制心肌细胞死亡，最终发挥心肌保护作用。Jiang等研究发现，SPostC能减少心肌梗死面积、拮抗MIRI，但mitoKATP阻滞剂5‑羟基癸酸消除了SPostC的心肌保护作用，提示mitoKATP是SPostC发挥心肌保护作用的重要机制。研究显示，促进mitoKATP开放可以改善糖尿病小鼠的心肌功能并抑制心肌细胞凋亡。Li等研究发现，糖尿病会加重脑I/R损伤并减弱SPostC的保护作用，可能与高血糖导致的脑细胞mitoKATP受损有关，利用胰岛素控制血糖可以预防脑细胞mitoKATP的改变，减轻缺血性脑损伤并恢复SPostC的神经保护作用。因此，我们推测SPostC对糖尿病心肌失去保护作用，可能与高血糖损伤mitoKATP有关。

3.4.4　缺氧诱导因子‑1α（hypoxia‑inducible factor‑1α, HIF‑1α）

HIF‑1α是一种氧敏感转录因子，可介导对缺氧的适应性代谢反应，在MIRI中发挥关键作用。HIF‑1α在线粒体自噬及线粒体的能量代谢中都具有重要作用。线粒体自噬是细胞适应缺氧的防御性代谢过程，它通过自噬选择性清除功能失调的线粒体，促进线粒体更新和再循环，保证线粒体功能的稳定性，从而促进细胞存活。Yang等研究发现，缺氧/复氧会导致心肌细胞内自噬体积累，细胞活力显著降低，而SPostC可通过上调HIF‑1α和腺病毒E1B19‑kDa相互作用蛋白3（adenovirus E1B19‑kDa interacting protein 3, BNIP3）表达，促进线粒体自噬，加速自噬体清除，减少细胞损伤。研究发现，糖尿病会损害HIF‑1α的功能和稳定性，使细胞丧失低氧状态下的适应性反应。在SPostC的基础上联合去铁胺可激活糖尿病状态下受损的HIF‑1α，上调HIF‑1α蛋白表达，进一步促进HIF‑1α和BNIP3介导的线粒体自噬，及时清除功能失调的线粒体，减少ROS的产生，稳定线粒体功能，从而恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用。此外，Ma等研究发现，在高糖状态下可通过激活HIF‑1α/叉头转录因子‑1/腺苷酸激活蛋白激酶信号通路调节线粒体的能量代谢，从而恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用。因此可以推断，高血糖消除SPostC的心肌保护作用可能与HIF‑1α失活密切相关，如何激活HIF‑1α是恢复SPostC心肌保护作用的关键。

4 恢复SPostC对糖尿病心肌保护作用的策略      

4.1　药物干预

SPostC可激发内源性物质并通过细胞内信号通路产生心肌保护作用。糖尿病可引起保护通路受损，从而影响SPostC的保护效应。使用药理性方法可恢复信号通路的保护作用，如使用氯化钴激活HIF‑1α信号通路，诱导HIF‑1α及其下游介质血管内皮生长因子和内皮型一氧化氮合酶上调，进一步导致一氧化氮含量增加和ROS生成减少，从而维持线粒体呼吸功能和酶活性的稳定，最终恢复SPostC的心肌保护作用。有研究显示，Mdivi‑1可抑制过度的线粒体裂变，从而恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用。使用N‑乙酰半胱氨酸也可增加心肌磷酸化STAT3和脂联素表达、减少叉头转录因子‑1和CD36的蛋白表达来恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用。可见，药物可恢复高血糖所阻断的保护信号通路，恢复SPostC的心肌保护作用。

4.2　基因诱导

高血糖可引起一些内源性物质表达降低，基因诱导可恢复SPostC的保护作用。Gao等研究发现，高血糖会导致TOPK失活从而使SPostC失去心肌保护作用，通过增加TOPK表达可激活PTEN/PI3K/Akt通路介导的抗氧化作用，恢复SPostC的心肌保护作用。

5 小结与展望      

MIRI的发病机制是复杂、多因素、高度综合的。大量基础研究已证实，SPostC对非糖尿病心肌具有保护作用，如运用于临床将具有巨大的价值，但糖尿病会减弱甚至消除SPostC的心肌保护作用，如何恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用是国内外研究的热点。尽管已有研究证实，通过一些干预措施可以恢复SPostC对糖尿病心肌的保护作用，但是仍需大量的动物实验及临床实验加以佐证。近年来研究者把目光转向铁死亡（一种新型细胞死亡方式），其主要表现为细胞内铁离子堆积、脂质过氧化、线粒体体积缩小和线粒体膜密度增加。这种程序性细胞死亡方式有别于凋亡、坏死和自噬，呈铁离子依赖性，以活性氧基团和铁离子介导的脂质过氧化为主要特征，因此被称为“铁死亡”或“铁坏死”。有研究发现，铁死亡与糖尿病MIRI具有密切联系。未来的研究方向除进一步明确SPostC与铁死亡之间的关系外，还应注重实验研究结论对临床应用的指导作用，促进临床转化，为临床工作提供可靠的依据和参考。

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