第四节 细胞凋亡与糖尿病心肌病
糖尿病是由遗传和环境因素共同作用引起的一组以慢性高血糖为主要特征的临床综合征。胰岛素分泌的缺乏或胰岛素功能的障碍可单独或同时引起糖类、脂肪、蛋白质、水和电解质等代谢紊乱。临床上糖尿病可分为1型糖尿病、2型糖尿病、其他特殊类型糖尿病和妊娠糖尿病四种。全世界糖尿病患病率迅速增加，发展中国家尤为明显，成为临床上最重要的内分泌代谢病。
糖尿病发病过程中常伴随着高血糖造成的血管和神经病变，可累及心脏、肾脏、皮肤、视网膜等脏器和组织。大量的临床资料显示，糖尿病也可引起扩张型心肌病，而心肌细胞凋亡是糖尿病扩张型心肌病的一个重要发病机制，其可导致心脏功能下降，并最终发生心力衰竭。导致心肌细胞凋亡的潜在机制包括心肌细胞中活性氧的产生及激活心肌细胞凋亡的信号通路等。
一、糖尿病心肌细胞中活性氧的产生
（一）线粒体与活性氧
机体细胞内绝大多数的活性氧簇（ROS）来自于线粒体氧化磷酸化的过程。糖尿病情况下，患者心肌细胞中氧化应激水平增加，机体产生的ROS很难被自身的抗氧化机制消除，因此，ROS水平明显升高。动物实验表明，与健康大鼠相比，胰岛素抵抗大鼠心肌细胞中线粒体的氧化磷酸化程度明显降低，同时出现氧化应激水平的提升，揭示了线粒体中能量产生的下降，而机体消耗的氧气被用于产生ROS。线粒体是氧化应激的场所和产生ROS的主要部位。研究显示，氧化应激过程中导致线粒体功能受损，线粒体内的蛋白质发生硝基化，产生大量机体无法清除的自由基，如ROS、一氧化氮（NO）、氧化亚硝酸阴离子（ONOO-）等自由基；同时，机体抗氧化蛋白质表达的下降将进一步削弱ROS在机体内的清除率。
（二）NADH氧化酶与ROS
NADH（nicotinamide adenine dinucleotide）是一种化学物质，是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原态，还原型辅酶Ⅰ。NADH分子是线粒体中能量产生链中的控制标准物，而NADH水平的上升提示体内代谢失衡。监测NADH的氧化还原状态可以评估细胞内线粒体功能。机体内产生的ROS的一个重要途径来源是在NADPH氧化酶和NADH氧化酶的共同作用下产生。NADPH氧化酶在有氧的条件下，可将NADPH转化成NADP+、H2O2和H2O。酶活性的调节因素来自于体内细胞因子、组织因子、激素和细胞局部代谢物质等。糖尿病患者心肌细胞中，细胞因子和细胞局部代谢产物都对NADPH氧化酶的活性起着直接的调控作用。研究显示，血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）在激活NADH氧化酶过程中发挥着重要的作用。AngⅡ可使NADH氧化酶亚基mRNA表达水平增高，同时还可激活NADH氧化酶的活性。临床上应用AngⅡ受体拮抗剂可明显降低糖尿病患者体内细胞的氧化应激水平。研究还发现，不但AngⅡ，肿瘤坏死因子α（TNF-α）、TGF-β、血小板源性生长因子也具有激活NADH氧化酶的功能。
（三）糖基化终末产物与ROS
糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）是指在非酶促条件下，氨基酸、蛋白质、脂质或核酸等大分子物质的游离氨基与还原糖的醛基经过缩合、重排、裂解和氧化修饰后产生的终末产物。在这个糖基化的过程中可以产生高活性的分子，从而造成机体的氧化应激，同时产生的AGEs在机体内的堆积又可进一步地使细胞内的ROS量增加。在糖尿病患者机体内，AGEs在体内的大量聚积很难被快速清除，因此可通过氧化应激等手段进一步加剧糖尿病并发症的发生。研究显示，AGEs修饰的蛋白质和脂类物质可以与机体内的细胞（如平滑肌细胞、内皮细胞、单核细胞等）表面的AGEs受体结合，促使NF-κB和AP-1基因的表达增高，导致ROS的大量产生。
二、促进心肌细胞凋亡的信号通路
细胞的凋亡信号通路有两条：一条信号通路为内源性的，又称为线粒体途径，线粒体通过释放凋亡蛋白来控制细胞凋亡；另一条为外源性的，又称死亡受体途径，细胞外的配体一旦与死亡受体在细胞膜结合，便激活受体并将凋亡信号传递到细胞内，并通过激活caspase级联反应将凋亡信号传递到细胞内。
（一）细胞凋亡的P53通路
P53蛋白质在细胞应激过程中发挥着重要的作用，其机制主要是通过调控一些凋亡基因的表达来实现的。在糖尿病患者的心肌细胞中，P53的表达量明显增高并与心脏病并发症的发生率呈正相关。P53的多种化学修饰方式中，只有其被磷酸化修饰后才显示出促使凋亡基因表达的作用。动物实验结果显示，氧化应激可明显增加P53的磷酸化并促进细胞的凋亡，其主要是通过启动内源性途径来实现的。P53可以调节线粒体上下游分子的表达，如Bax、Bcl-2和Apaf-1等。Bcl-2和Bax可以调节线粒体膜的通透性，控制细胞内凋亡蛋白的表达和释放，如Apaf-1。而Apaf-1是caspase-9的共刺激因子，因而可启动caspase的级联反应。另有研究报告，P53可以调控一些凋亡基因的表达，还可以调节其他一些基因的大量表达，从而减弱抗凋亡信号通路。例如，P53可以调节磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K）的负调控因子PTEN基因的表达，进而影响其下游通路的信号转导。若PTEN基因被敲除，细胞对氧化应激的抵抗能力显示出下降趋势，因而更加易于发生P53依赖性的细胞凋亡。
（二）细胞凋亡的线粒体信号转导通路
在糖尿病患者的心肌中，氧化应激反应所导致的心肌细胞的凋亡是通过线粒体途径来实现的。在心肌细胞中，氧化应激过程中产生的大量ROS可以直接或间接地损伤线粒体膜，造成线粒体膜电位的下降，并且Bax表达的增高及Bcl-2表达的下降，最终使线粒体膜的通透性明显增高，最终促使线粒体内的凋亡蛋白释放到胞质中并激发细胞凋亡的相关程序。另外，ROS所引起的心肌细胞内Ca2+浓度的紊乱也是心肌细胞凋亡的重要原因，如细胞膜上脂质过氧化过程导致细胞外Ca2+内流，并且肌质网对心肌内Ca2+的清除降低，细胞内Ca2+浓度的增加致使线粒体膜上Ca2+浓度依赖转化孔的大量开放，最终造成线粒体内含物释放到细胞质中引起内源性的细胞凋亡。糖尿病大鼠实验模型揭示，高血糖可抑制心肌细胞的Na+/H+交换和T型钙通道的开放，心肌细胞内Ca2+的增高，同时出现心肌细胞凋亡和细胞色素c的有效释放，而Ca2+阻断剂或者血管紧张素受体阻滞剂可有效减少这种情况下心肌细胞的凋亡。
（三）丝裂原活化蛋白激酶信号转导途径
丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）是一组能被不同的细胞外刺激激活的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，该信号转导途径在细胞增殖分化过程中发挥着重要的作用。研究表明，c-Jun氨基端激酶JNK和p38MAPK都参与到调节心肌细胞的凋亡过程中。正常情况下，氧化还原调节蛋白巯基还原酶（thioredoxin，Trx）与凋亡信号调节激酶1（apoptosis signal regulating kinase 1，ASK1）结合可抑制ASK1的活性，但是，氧化应激过程可引起Trx-ASK1复合物解离并造成下游的JNK和P38被激活。活化的JNK和p38MAPK可以激活MAPK的激酶2和激酶3，最终造成低分子质量的热休克蛋白磷酸化。后者能够激活caspase，导致细胞的凋亡。临床上，在1型糖尿病的发病过程中，p38MAPK通路活性显著提高，并且伴随有心肌细胞凋亡的增加。因此，糖尿病过程中高血糖所导致的氧化应激可能是通过MAPK信号通路引起细胞的凋亡。
（四）TNF-α信号通路
当细胞受到应激、感染、免疫刺激等变化时，细胞内TNF-α表达将增多，与细胞表面的TNF-α受体（TNFR）结合，通过外源性途径导致细胞凋亡。动物实验结果显示，在氧化应激的刺激下，糖尿病大鼠心肌细胞表达大量的TNF-α。在心肌细胞中TNFR1蛋白的死亡结构域与TNF-α介导的细胞凋亡密切相关，进一步证实了TNF-α可通过TNF-R1介导心肌细胞凋亡，其可能是通过诱导产生鞘磷脂而发挥致心肌细胞凋亡的效应，因为神经鞘磷脂信号转导系统与TNF-1R联系密切。但其具体的机制尚不明确，可能与下调Bcl-2的表达相关。
除了上述的糖尿病心肌细胞中活性氧的产生和促进心肌细胞凋亡的信号通路外，还存在着促进心肌细胞凋亡的其他机制，如内质网应激、肾素-血管紧张素系统和miRNA表达异常等。在糖尿病发病过程中，这些因素作用在一起，共同促进了心肌细胞的凋亡。