介绍
冠状动脉粥样硬化是西方世界的主要死亡原因[1]全球范围内其发病率每年都在增加。据估计，每年将有100多万人经历或面临危及生命的心肌梗死。糖尿病使患心血管疾病的风险增加近五倍[2]. 近2500万成年美国公民被诊断患有糖尿病和冠状动脉粥样硬化[三]. 糖尿病患者心肌梗死（MI）后心力衰竭和死亡的风险增加2至4倍[4–6].
有效重建冠状动脉灌注以保护心肌是冠状动脉粥样硬化患者的主要治疗方法。不幸的是，糖尿病与手术或非手术（血管成形术和血管支架术）血管重建术后心脏病发病率和死亡率增加有关[7–11]. 心肌血运重建后的缺血再灌注损伤是该患者发生不良结局的主要风险因素。
氧化应激是2型糖尿病继发于缺血和再灌注心肌损伤的主要介质[12]. 氧化应激介导的心肌损伤是由于活性氧和氮物质（RONS）生成增加和/或抗氧化防御不足而导致自由基生成和消除之间不平衡的结果[13]. 氧化应激直接或间接由高血糖、高脂血症、高胰岛素血症和胰岛素抵抗引起，这些是2型糖尿病的特征。这些扰动，无论是单独还是联合作用，都被认为有助于改变糖尿病心肌的细胞结构和功能。在没有冠状动脉粥样硬化的情况下糖尿病心肌病的细胞和分子机制已在其他地方详细讨论过[14,15]. 本文将重点介绍自由基生物学在糖尿病心脏合并冠状动脉粥样硬化损伤发病机制中的作用。
氧化应激与心肌缺血再灌注损伤
人类心脏中最常见的自由基形式包括超氧阴离子（O2•)−，羟基自由基（OH•)、过氧化氢（H2O（运行）2)、单线态氧、碳中心自由基、过氧亚硝酸盐（ONOO−)，一氧化氮（NO•)和二氧化氮自由基[16]. O型密封圈2•−作为大多数其他自由基形成的前体[13].
在基础条件下，心脏中自由基的生成量较低。这通常是生理条件下线粒体电子传递链（ETC）电子泄漏的结果。心肌细胞对低水平氧的反应2•−这一代包括转化为细胞毒性较小的H2O（运行）2通过细胞质或线粒体中超氧化物歧化酶（SOD）的作用。过氧化氢随后通过过氧化氢酶（CAT）或谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）系统转化为水[13].
相反，在缺血和再灌注期间，O2•−世代显著增加，起源于多种细胞来源。这些包括线粒体电子传递损伤和解偶联、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶、解偶联一氧化氮合酶（NOS）、黄嘌呤氧化酶、细胞色素P450单加氧酶和环氧合酶。此外，细胞抗氧化防御系统在缺血和再灌注期间耗尽，内源性自由基清除酶（如SOD、GPx和CAT）活性降低。缺血和再灌注期间心肌细胞损伤的严重程度从可逆到致命不等，与细胞内RONS反应的大小成比例。我们最近发表了一篇关于这个主题的详细评论，本文没有详细讨论这个问题[13].
OH公司•被认为是细胞中最具破坏性的自由基物种，在缺血和再灌注期间广泛生成[17]. 缺血和早期再灌注导致低pH值和缺氧条件，有利于释放铁离子（Fe2+)来自金属蛋白酶。在铁离子存在下，H2O（运行）2SOD清除O2•−更可能通过芬顿反应转化为OH•（而不是被CAT或GPx清除）[18]. 一氧化氮在缺血再灌注期间，其心肌生成也大大增加，与增加的氧反应2•−产生ONOO−随着细胞内酸化的增加，ONOO−变得更加质子化，形成过氧亚硝酸（ONOOH）。ONOON迅速形成二氧化氮和OH•.ONOO−/ONOOH降解与芬顿反应生成OH平行•缺血和再灌注期间的生成[13].
早期再灌注的条件可能是组织损伤的主要决定因素[19]. 再灌注刺激NADPH氧化酶、细胞色素P450和环氧合酶活性，以增加和加速自由基的产生。矛盾的是，组织与积累的氧化底物的再氧化使ETC解偶联，导致大规模产生RONS。大规模RONS发电[20,21]和耗尽的能源储存[22,23]诱导一个称为线粒体通透性转换（mPT）的过程[24,25]. mPT导致线粒体内膜上孔（mPTP）的形成和开放，允许小于1.5kDa的分子通过[26,27]. mPTP耗散线粒体膜电位（ΔΨ米)通过提供质子到基质的替代途径。细胞内的三磷酸腺苷（ATP）储存进一步耗尽。大于1.5kDa的分子产生胶体渗透压，导致线粒体基质膨胀。外膜的完整性受到破坏，细胞色素c释放到细胞质中以启动促凋亡信号[28]. mPT的严重性和持续时间直接影响ATP存储和细胞完整性的维持。如果mPT是瞬态的，电池可以恢复[29]. 如果mPT延长且ATP耗竭严重，就会发生坏死[25]. 为此，接受mPT的线粒体数量与心肌细胞丢失的可能性相关[30]. mPT的严重程度与离体心脏模型的功能恢复成正比[31]. 一般来说，缺血期间的酸性条件会抑制mPT。随着早期再灌注期间pH值恢复正常，mPT增强[32–34].
糖尿病心肌缺血再灌注损伤
尽管实验研究中有相互矛盾的证据表明，与正常心脏相比，糖尿病心肌是否更容易受到缺血和再灌注损伤，但临床数据强烈支持糖尿病患者对心肌缺血再灌注损伤的敏感性增加[35–38]. 临床上，糖尿病被认为是心脏手术中心肌损伤的一个独立风险因素[38]. 糖尿病患者心肌梗死后死亡的风险是非糖尿病患者的2至4倍[4,6]. 心肌缺血再灌注损伤的病理生理学涉及多因素机制。糖尿病心肌损伤加重的潜在机制尚不完全清楚。氧化应激增强（自由基生成过多和/或内源性抗氧化防御系统耗竭）和细胞心脏保护性生存信号通路受损都有牵连。
糖尿病心肌氧化应激增强
众所周知，氧化应激参与糖尿病和糖尿病并发症的发展和进展[39,40]. 横田等报告O增加2•−2型糖尿病小鼠血浆和组织的产生、脂质过氧化和NADPH氧化酶活性[41]. 2型糖尿病患者的氧化蛋白产物和脂质过氧化升高[42,43]. 在糖尿病载脂蛋白E缺乏小鼠中检测到功能性GPx-1缺失[44]. 与正常人相比，2型糖尿病患者红细胞中酶（GPx、SOD和CAT）和非酶（β-胡萝卜素、视黄醇、维生素C和E以及尿酸）抗氧化剂的水平和活性均降低[42]. 抗氧化剂治疗可以使糖尿病动物ROS生成增加正常化[39]. 虽然抗氧化剂对糖尿病及其并发症的有益作用仍存在争议，但服用抗氧化剂的糖尿病患者的脂质氧化血浆标志物明显受到抑制[45]. 这些发现为糖尿病患者氧化应激增强提供了确证证据。
糖尿病心肌中有三种主要自由基来源：线粒体、NADPH氧化酶和/或NOS。糖尿病与线粒体形态和功能受损有关[46]. 在2型糖尿病小鼠中均发现心肌线粒体紊乱[47]和人类糖尿病[15]. 电子泄漏增加和O的产生2•−ETC导致线粒体功能障碍。与涉及O的生理生成的正常条件相反2•−通过ETC复合物I和III，在糖尿病、心肌O2•−ETC复合物II的刺激增强了发电能力[48,49]. 在2型糖尿病动物模型的心肌和血管组织中也观察到NADPH氧化酶活性升高[50,51]. 在糖尿病患者中，NADPH氧化酶系统的活性和NADPH酶蛋白亚基的水平均显著升高[52,53]. NADPH氧化酶抑制剂被证明能显著抑制糖尿病动物自由基形成的增加。此外，在糖尿病动物血管和内皮细胞中发现辅因子四氢生物蝶呤（BH4）的可用性降低。BH4的消耗在功能上“解偶联”内皮型一氧化氮合酶（eNOS），以产生更多的氧2•−和更少的一氧化氮[54]. 糖尿病患者NADPH氧化酶2和4的伴随增加[55]进一步使心脏倾向于NOS解耦和ONOO−生成。此外，诱导型NOS（iNOS）在糖尿病中被炎症介质激活，这使得iNOS解偶联成为糖尿病心肌氧化/亚硝化应激的主要原因。BH4治疗逆转iNOS解偶联，可通过增加iNOS衍生一氧化氮的生物利用度和消除糖尿病大鼠心脏的氧化应激，提高心肌对缺血和再灌注损伤的耐受性[56].
糖尿病心肌线粒体功能障碍、NADPH氧化酶高激活和NOS解偶联的机制尚不清楚。然而，2型糖尿病的各种异常，包括高血糖、高脂血症、高胰岛素血症和胰岛素抵抗都已被证实[57].
高血糖诱导O2•−心脏的生成主要通过ETC的破坏、NADPH氧化酶的激活和NOS的解偶联[49,58]. 高糖可损害ETC复合酶的活性，并有助于线粒体O2•−生产过剩。2型糖尿病慢性氧化应激升高可能反过来损害线粒体能量代谢，导致线粒体进一步功能障碍[15]并形成不可逆的细胞和组织损伤的恶性代谢循环。已证明高糖可激活NADPH氧化酶并增加NADPH氧化酶衍生的O2•−形成在体外高血糖也会增加NOS依赖性O2•−人类内皮细胞的产生。葡萄糖代谢的替代途径以及晚期糖基化终产物（AGEs）的形成和激活也可能在增强氧化应激中发挥重要作用[59–61]. 此外，糖基化可以使SOD等抗氧化酶失活，从而损害心肌的抗氧化防御能力[62,63]. 研究表明，高血糖会降低糖调节受损患者的总抗氧化能力、红细胞谷胱甘肽（GSH）含量和SOD活性[64].
糖尿病患者游离脂肪酸（FFA）水平升高[47,65]. FFA刺激NADPH氧化酶和ETC生成ROS[66]. FFA水平升高也会降低细胞内GSH[67]进一步削弱对自由基介导损伤的内源性防御。
高胰岛素血症和胰岛素抵抗通常与2型糖尿病有关。肥胖儿童的胰岛素抵抗与氧化应激有关[68]. 胰岛素可增加NADPH氧化酶活性，从而在培养细胞中产生自由基。通过使用心肌细胞胰岛素受体缺失小鼠模型Boudina等据报道，心肌胰岛素信号受损导致线粒体解偶联，并促进H2O（运行）2生产和氧化应激[69].
糖尿病心脏内源性心脏保护信号通路受损
岳等据报道，在糖尿病患者的心室心肌活检中，心肌细胞坏死显著增加，证实了心肌对缺血和再灌注损伤耐受性的主要损害[70]. 众所周知，有效的术中心肌保护对于保护高危心肌和改善患者术后预后至关重要。迄今为止，广泛的研究集中于使用调节策略提高心肌缺血耐受性。
众所周知，心肌缺血和/或药物预处理和/或后处理可通过激活细胞存活途径和改变心肌中的自由基反应来降低缺血-再灌注损伤的严重程度。不幸的是，糖尿病心肌对物理或药物预处理和后处理刺激具有抵抗力。这一现象已在前生信号转导障碍和mPT增强的基础上得到实验解释。这可以解释糖尿病心肌缺血再灌注损伤易感性增加的原因。
一般来说，调节涉及多种细胞信号机制。它似乎是基于直接和/或间接激活几个关键的细胞生存前通路，包括磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）-AKT和贾纳斯激酶2（JAK2）-信号转导子和转录激活子3（STAT3）通路，这些通路反过来汇聚于mPTP等键控效应器。
PI3K/AKT生存前途径对物理和药物预处理和后处理以及抢救缺血再灌注心肌至关重要。AKT的激活通过其下游效应器的作用诱导细胞保护效应，如eNOS和抗凋亡B细胞淋巴瘤-2（BCL-2），以防止线粒体定向细胞死亡[71,72]. 糖尿病患者心肌对预适应刺激有抵抗力[73,74]. 提高心肌预处理的阈值刺激，使AKT活化达到临界水平，以调节心脏保护作用[73,74]. 在Goto-Kakizaki大鼠2型糖尿病模型中发现AKT激活程度显著降低[74]. 临床研究表明糖尿病患者AKT激活受损[73,75]. 据推测，PI3K/AKT途径的主要负调控因子是10号染色体上的磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）[76–78]. PTEN是组成性表达的，受自由基生物学的调控。在一定程度上，高血糖诱导的RONS生成影响PTEN对AKT激活的拮抗作用[79,80]. 已发现在Goto-Kakizaki大鼠心肌中PTEN水平升高[77]. 我们小组最近发现，血糖水平、氧化应激与人类糖尿病心肌PTEN水平呈正相关[43]. 糖尿病患者AKT磷酸化程度与心肌PTEN水平升高呈负相关。这些发现表明，PTEN水平升高对人类糖尿病心肌的AKT生存信号负向调节[43]. 需要进一步研究。此外，高水平的循环FFA损害胰岛素刺激的PI3K、AKT和eNOS激活[65,81,82]. FFA可上调PTEN的表达在体外[81]. FFA治疗心肌细胞已被证明可降低胰岛素刺激的eNOS激活[81]. 这些发现证实了糖尿病心脏的生存前AKT信号受损，这可能使心脏对心脏保护性预适应干预产生抵抗。
转录因子STAT3的激活是另一种独立于AKT的心脏保护作用[83]. STAT3在缺血和再灌注期间被JAK激活[84]. STAT3被酪氨酸705处活化的JAK磷酸化。活化的STAT3随后转移到细胞核，调节基因转录[85]. 在心脏中，STAT3积极调节一些抗凋亡基因的表达，如大B细胞淋巴瘤（BCL-XL）和BCL-2[86]. 除了作为转录因子的作用外，STAT3还可以通过各种细胞质成分的直接磷酸化发挥信号分子的作用[85–87]. 通过STAT3对ETC的直接作用，线粒体能量得以保存[88]或通过AKT和BCL-2（STAT3的两个潜在下游效应器）的作用预防mPT[89,90]. 在实验上，老年小鼠中观察到STAT3活性和磷酸化降低[91]或药物抑制[92]与通常通过预处理和后处理实现的心脏保护丧失相关。STAT3缺陷小鼠更容易受到心肌缺血再灌注损伤和心肌梗死的影响，表现出心肌细胞凋亡和梗死面积增加，心脏功能和存活率降低[93]. 相反，与野生型小鼠相比，过表达STAT3的转基因小鼠在缺血和再灌注后梗死面积减小[94]. 虽然没有直接证据表明人类糖尿病中STAT3的表达和激活，但糖尿病大鼠模型显示心肌STAT3表达和激活显著降低，这与对调节策略的抵抗有关[95].
糖尿病心脏对氧化剂介导的缺血和再灌注损伤的敏感性
糖尿病心肌和血管似乎更容易受到缺血和再灌注损伤。这包括氧化剂介导的心肌细胞肌节、线粒体及其伴随的间质和微血管超微结构的结构改变[96]. 缺血性再灌注糖尿病心脏氧化剂介导的损伤加重的潜在机制尚不清楚。除了前面章节中已经描述的一般基础氧化状态增加和细胞生存信号受损外，主要病因还与葡萄糖流量、受损心脏应激或适应性反应以及缺血再灌注糖尿病心脏中NOS解偶联的影响有关，从而导致进一步的损伤（参见).
糖尿病心肌的缺血再灌注损伤是多因素和复杂的。a） 糖尿病患者10号染色体（PTEN）上磷酸酶和张力蛋白同源物的过度表达导致无法激活细胞保护途径，如PI3K/AKT和JAK2/STAT3，以防止缺血和再灌注损伤。b） 高血糖引起的己糖生物合成酶途径（HBP）激活导致蛋白质糖基化。例如，BAD的糖基化导致抗凋亡BCL-2的更高结合和失活。这使得心肌细胞更容易受到mPTP的影响。c） 高血糖和糖尿病的多种影响导致线粒体电子传递链（ETC）解偶联，并产生ROS过度生成和ATP生成降低的净效应，使心肌无法避免损伤。d） NOS酶的解偶联和由此产生的过氧亚硝酸盐的过度生产是细胞损伤的一种周期性模式。这个循环是由超氧物的过度生成所滋养的，超氧物本身是在糖尿病、缺血和再灌注期间由多种来源形成的。e） 缺血再灌注过程中金属蛋白酶二价阳离子的释放促进OH的产生•H的根2O（运行）2通过芬顿反应。f） 在缺血和再灌注期间醛糖还原酶的激活会耗尽NADPH，NADPH是谷胱甘肽还原酶（GR）活性所需的辅因子。GR活性降低导致抗氧化谷胱甘肽（GSH）水平降低，这也有助于谷胱甘苷过氧化物酶（GPx）活性降低。较低的GPx活性会减少H的量2O（运行）2中和，从而导致更高的氧化应激和对mPTP的敏感性，并导致心脏损伤和重塑。
在糖尿病心脏中，葡萄糖的流动还激活醛糖还原酶、山梨醇脱氢酶和葡萄糖转化为果糖，通过多元醇途径促进氧化应激。缺血再灌注激活醛糖还原酶诱导的细胞内NADPH耗竭，NADPH是心脏谷胱甘肽还原酶（GR）活性所需的辅因子。抗氧化剂谷胱甘肽的水平被耗尽，使心脏容易受到氧化剂介导的损伤。据报道，醛糖还原酶介导的氧化应激增强mPTP开放[97]导致缺血再灌注大鼠心脏的心肌收缩功能障碍和组织损伤[98,99]. 事实上，醛糖还原酶的药理抑制可能是保护糖尿病缺血性心脏的一种新的辅助方法。
除了高糖外，缺血和再灌注期间高脂血症和RONS的产生还通过己糖生物合成酶途径（HBP）产生更大的流量。这可能会增加调节性丝氨酸/苏氨酸磷酸化位点的蛋白质O-GlcNAc修饰。O-GlcNAc修饰对糖尿病患者生前PI3K-AKT-eNOS信号的影响[100,101]. BCL-2相关死亡启动子（BAD）O-GlcNAcylization的增加将导致BAD-BCL-2（或BCL-XL）二聚体的增加以及随后游离BCL-2的减少[102,103]. 先前已经描述过血糖水平对糖尿病患者皮肤活检中BCL-2表达下调的影响[104]. 同样，我们小组最近发现，人类糖尿病心肌中血糖与BCL-2水平呈负相关[43]. 自由BCL-2（或BCL-XL）表达减少将易导致mPT和心肌细胞死亡增加，从而延长损伤。针对糖尿病心脏的糖生物学可能促进细胞保护，而不是破坏负责心脏代谢稳态的重要细胞生存信号。
保护心脏免受氧化剂介导损伤的补偿机制包括上调金属硫蛋白1和2（MT1和2）、自由基清除剂GR的氧化还原调节器[105]. 糖尿病心脏中MT表达增加是对氧化应激的反应。MT1和2也是STAT3介导的心脏保护作用的靶基因[106]. 然而，糖尿病患者的反应可能不足。糖尿病心脏STAT3表达降低可能使心肌对缺血再灌注期间RONS生成的影响敏感，从而加剧这种形式的损伤[107,108]通过对MT1/2表达的调节不足。
此外，血红素氧合酶（HO）-1是负责氧化剂血红素降解或产生抗氧化剂胆红素或一氧化碳的应激反应蛋白。它的缺失与心肌梗死后死亡率的增加有关。因此，不能合成HO-1也可能加剧糖尿病心脏的缺血再灌注损伤[109].
或者，硫氧还蛋白（TRX）-1，一种调节细胞生存途径的关键细胞内抗氧化剂[110]在糖尿病中也被修饰。ONOO公司−eNOS解偶联的次级生成可能是TRX-1硝化的原因[111]. TRX-1的糖基化也可能发生在高血糖和糖尿病中[112]. 随后由于硝化或糖基化导致的TRX-1失活可能是糖尿病缺血和再灌注的主要机制[110].
心肌梗死后进行性心肌功能障碍和变性
氧化应激介导的损伤机制也是心肌梗死后心肌修复和重塑的主要原因[113,114]. 糖尿病心脏尤其如此[115]，其中氧化应激被广泛增强。史密斯等糖尿病心肌梗死动物的氧化应激升高，表现为心肌8-异前列腺素（氧化应激的标志物）、氧化谷胱甘肽（GSSG）、SOD和CAT蛋白表达水平升高。这与心肌梗死后4周心功能指数降低有关[116]. 阿拉尼奥等发现实验性慢性高血糖诱导的氧化应激促进促纤维化基因表达和细胞外基质沉积，从而导致心脏纤维化和功能障碍[117]. 这些发现为氧化应激作为糖尿病心肌梗死后心肌功能障碍和变性发病的关键因素提供了证据。
氧化应激诱导的心脏重塑涉及多种机制[114,118]，包括RONS对脂质、蛋白质和核酸变性的影响，RONS促进心肌细胞凋亡，RONS对心脏收缩功能的直接损伤，RONS激活心脏炎症反应，RONS对细胞外基质重塑的调节，以及通过RONS刺激对肥厚反应作出反应的一系列蛋白激酶的激活。糖尿病研究表明，心肌胰岛素信号的丢失导致心肌梗死后左心室功能障碍加速[119]这可能部分是由于氧化应激相关线粒体功能障碍（由线粒体脂肪酸氧化能力下降和葡萄糖转运能力有限共同确定）导致糖尿病心肌基质利用率和可用性降低。此外，人类糖尿病心肌线粒体对钙的耐受性降低，钙诱导的mPTP开放倾向增加，这与线粒体细胞死亡蛋白酶caspase-9水平增加有关[120]. 氧化剂诱导的mPTP关键成分的改变，包括腺嘌呤核苷酸转运体和谷胱甘肽耗竭，可能在mPTP的线粒体钙敏感性中起作用。最后，我们小组最近描述了心肌15-F之间的关系2吨-糖尿病心肌中异前列腺素（氧化应激标志物）的生成、PTEN表达增加和关键线粒体调节因子BCL-2水平降低[43]这可能在一定程度上解释了糖尿病心肌的这种影响。
综上所述，代谢紊乱、线粒体功能障碍以及糖尿病状态下的胰岛素抵抗和氧化应激的长期影响，对心肌对缺血再灌注损伤的耐受性具有深远影响。氧化应激随后在糖尿病相关心肌梗死后心力衰竭的发病机制和发病率增加中发挥作用。
结论
氧化应激是自由放射生成与清除或解毒之间的失衡，是心肌缺血和再灌注损伤的主要介质。氧化应激的程度与心脏的功能恢复成正比。在组织缺血和再灌注过程中自由基的多种细胞来源中，线粒体衍生的RONS在缺血和再灌流心肌中极其重要。
在糖尿病中，氧化应激增强直接或间接由高血糖、高脂血症、高胰岛素血症和胰岛素抵抗引起。这些扰动，无论是单独还是联合作用，都会导致线粒体功能障碍、NADPH氧化酶高度激活和NOS解偶联，从而导致糖尿病心肌中自由基生成过多，无法适应缺血再灌注。在抗氧化防御能力下降和前生存细胞信号受损的情况下，葡萄糖流量改变、线粒体紊乱和NOS解偶联可能会使糖尿病心肌更容易受到损伤、重塑和心力衰竭。
目前还没有临床证明任何治疗策略对糖尿病人群的心脏损伤有效。心肌内稳态、损伤和修复中自由基生物学的复杂性加强了对潜在生物学机制和预防糖尿病患者心脏损伤的挑战的理解。同时以围手术期血糖控制为目标，抑制心脏组织中的氧化应激，激活细胞前生存信号，可能被证明是2型糖尿病外科患者心脏保护的有效治疗方案。这种方法是实验室模型和临床研究中正在进行的研究的主题。
