糖尿病心肌病是导致糖尿病患者死亡的主要原因之一，运动疗法对治疗II型糖尿病的长期益处目前已经得到公认。文章将从糖尿病心肌病发生的机制、运动疗法改善糖尿病心肌病效果评价以及可能机制进行分析,为运动改善DCM的发生发展提供可靠依据。
1、糖尿病心肌病概述
糖尿病作为一种全身代谢性疾病,可引发全身多部位发生病理改变,以心脏的并发症发生最多,是其患者致死的主因。糖尿病心肌病(DiabeticCardiomyopathy,DCM)是特异性原发的心肌病变,其特征为心肌肥大、间质纤维化和心肌凋亡,表现为心脏舒缩功能障碍,而最终导致心力衰竭[1]。
2、DCM发病机理
DCM作为心脏原发的心肌损害,有多种因素会影响其病程,虽然其发病机制临床医学并未完全清楚,但目前认为心肌间质纤维化、心肌细胞代谢障碍、细胞凋亡、心脏植物神经功能障碍、微小血管病变等是影响其病程发展的主要原因[1]。
2.1心肌间质纤维化
在心肌间质纤维化发生过程中,心脏局部的肾素-血管紧张素系统(renin-angiotensinsystem,RAS)激活发挥着主导作用。研究发现[2],机体处在高血糖环境中,可使心肌局部交感神经兴奋性增加,心肌局部的RAS被激活,从而使RAS的主要酶—血管紧张素转换酶(ACE)活性增加,刺激血管紧张素II(AngII)合成增多,心肌局部的AT1受体由于其作用,可激发成纤维细胞分泌转化生长因子-β(TGF-β)。TGF-β1作为致纤维化因子,其表达增多可以激发结缔组织生长因子(CTGF)的表达增多,从而使其致纤维化。在正常情况下,心肌间质胶原纤维的合成和降解维持在平衡状态中,高血糖的影响会使心肌局部TGF-β1及胶原降解酶出现异常,从而使胶原合成和降解平衡被破坏,而出现心肌间质纤维化[3]。有研究表明[4],糖尿病患者与健康人相比,其心肌细胞会出现明显的肥大和纤维化,并且随着病程的延长,会出现一系列心肌功能异常,最终导致心力衰竭。研究已证实,引发糖尿病心脏功能异常的主因是心肌胶原重构,其主要机制是心肌局部RAS的激活。
2.2心肌细胞能量代谢障碍
DCM心肌胶原重构和心脏功能障碍的主要原因是糖尿病机体糖和脂肪代谢的紊乱。由于糖尿病的特点症状是血糖的增高,因此其是引起心肌细胞代谢障碍的第一因素,心肌代谢障碍体现在糖酵解和氧化过程的严重不彻底,从而引起代谢底物的改变。实验发现,与正常大鼠心肌组织GLUT4mRNA的表达相比,糖尿病大鼠表达明显低于正常组(P<0.05)。很多研究认为,当机体发生糖尿病时,其心肌对来源于外部的葡萄糖的消耗减少,葡萄糖氧化利用率降低,造成此结果的原因可能是心肌组织GLUT4的明显降低而导致能源物质向心肌的输送障碍。由于胰岛素(FINS)分泌或/和作用缺陷,使脂肪组织中脂肪酸异常,导致血液中游离脂肪酸(FFA)含量增多,而糖尿病心肌脂肪代谢障碍重要的因素之一就是血液中FFA的升高[5]。由于糖尿病患者的心肌细胞对葡萄糖利用率下降,此时FFA成为心肌的主要能量来源,FFA在氧化产生能量的环节中需要消耗充足O2,O2消耗的增加会使心肌缺氧严重,并会使心肌有害物质的产生增加,由此使心脏功能严重异常和心脏结构重构[6]。另外,血脂的增高可诱导机体出现胰岛素抵抗(InsulinResistance),IR的出现会阻碍心肌对糖的摄取,从而使心肌能量代谢障碍和功能异常加重。近期研究发现,机体代谢会产生活性氧簇(ROS),ROS的过量产生对糖尿病心血管并发症的产生机制起重要作用。正常情况下,机体自由基的产生和消除维持在动态平衡中,这是通过机体的抗氧化酶系统(如超氧化物歧化酶SOD)来清除代谢过程中产生的自由基;高血糖病理情况下会产生大量活性氧簇,而过量的ROS不能被机体自身抗氧化酶系统清除,从而导致心肌组织发生脂质过氧化损伤,进一步诱发心肌舒缩功能异常,加快糖尿病心肌病的发生和发展[7]。很多研究发现,与正常大鼠相比,糖尿病模型大鼠组织Mn-SOD含量显著降低(P<0.05)。
2.3细胞凋亡
当机体发生DCM时,心血管并发症的早期就有心肌细胞凋亡的发生,心肌的凋亡基因中,促凋亡基因表达呈现显著增加,抗凋亡基因表达呈现显著降低。多数研究证明,心肌细胞凋亡在糖尿病心肌病的发展过程中起着重要作用,可导致心脏舒缩出现异常,可能与其参与心室重构有关。
2.4心脏植物神经功能障碍
心脏植物神经功能之一是调节心率和心肌收缩能力,当心脏植物神经功能障碍时,其调节能力下降,使心率和心肌收缩力异常,从而增加心血管意外的发生几率如猝死和心律失常。在对存在左心室舒张功能障碍的患者进行研究发现,全部患者都存在心脏植物神经功能障碍[8]。糖尿病高血糖情况下,心肌组织交感神经活性增加可使心肌局部的RAS被激发,经过致纤维化因子一系列的致纤维化过程,从而加快DCM病程的发生和发展。
2.5微小血管病变
糖尿病心肌病的典型发病机制是微小血管的病变。研究发现,糖尿病机体心脏的微小血管存在病理改变。微小血管的功能和结构会在高血糖的影响下发生病理改变,表现为血管内皮缺损、内皮细胞功能失调、部分血管内皮炎症反应加重、产物堆积,从而引起毛细血管的选择透过性功能增加和微血管瘤的产生[5]。糖尿病心肌细胞损伤的剧烈程度受小血管功能改变的影响,如组织分泌的缩血管物质的增加,血管舒张功能的减低,这些变化对心肌细胞的损伤程度都会加强,进一步引起心肌结构和功能的异常,最终形成糖尿病心肌病[9]。
2.6胰岛素抵抗
Ⅱ型糖尿病的典型特征是发生了胰岛素抵抗(IR),IR会引发心肌的功能障碍。当机体发生IR时,会影响葡萄糖在机体的氧化和运输,使机体产生葡萄糖耐受不佳和血液中游离脂肪酸升高的症状,然而血液中葡萄糖和游离脂肪酸的升高可直接导致心肌细胞代谢和功能产生障碍[10]。由此可见,IR可导致糖尿病机体心肌组织葡萄糖和脂肪代谢异常,从而影响心肌的正常结构和功能,如心肌肥大和舒缩功能障碍。
3、适宜有氧运动对糖尿病心肌的保护作用
3.1有氧运动可降低血糖和血脂,并改善胰岛素抵抗(IR)
公认的研究表明,糖尿病机体的血糖和血脂可以通过有氧运动改善,同时运动还可增加机体的胰岛素受体敏感性,在一定范围内缓解IR,明显降低胰岛素抵抗指数。在对Ⅱ型糖尿病大鼠模型研究中发现,大鼠的血糖水平可通过长期适宜的有氧运动降低,究其原因,机体的胰岛β细胞功能是分泌胰岛素,长期有氧运动可增加其分泌胰岛素的水平,同时还可增加胰岛素受体的敏感性,提高胰岛素的作用能力,从而加快血糖的分解和转化。长期适宜运动可增加葡萄糖转运蛋白4在心肌组织的表达,从而增加组织获取葡萄糖的能力。但长期有氧运动对改善血脂代谢效果并不明显,在对运动方式进行对比的研究中发现,低强度间歇性运动对血脂代谢改善起着显著的作用[11]。
3.2运动减轻心肌细胞凋亡程度和氧化应激反应
运动能够减轻糖尿病心肌细胞凋亡程度。有氧运动对心肌凋亡的抑制作用是通过与凋亡有关的信号通路而实现的。对于Ⅱ型糖尿病大鼠心肌组织的研究中发现,改善饮食和有氧运动都可增加抗凋亡基因在心肌组织的表达,而抑制促凋亡基因在心肌区的表达,饮食改善联合有氧运动减轻心肌组织凋亡更明显[12]。在糖尿病情况下,机体代谢会产生大量ROS。长期有氧运动能使机体的抗氧化能力提高,能使大鼠心肌组织超氧化物歧化酶含量增加,减轻机体的氧化应激反应。心肌细胞线粒体作为细胞有氧代谢的场所,在对运动强度进行对比的研究中发现,长期适量的中低强度运动可对其氧化应激有积极的调节功能,使组织清除自由基的能力得到提高,但大强度运动甚至力竭运动则会使机体产生氧化应激。
3.3长期适宜有氧运动可增加心肌肌浆网钙调控蛋白表达
心肌正常的舒缩功能是依靠心肌兴奋收缩偶联过程完成的,完成这一过程主要依赖于心肌细胞胞浆内游离的Ca2+,它是心肌完成正常舒缩功能的重要离子。心肌肌浆网Ca调控蛋白可调节心肌Ca2+浓度。肌浆网钙调控蛋白包括Ryanodine受体、SRCa2+-ATP酶和磷酸受纳蛋白,前两者的功能是完成对钙离子的转运,PLB则调节SERCA酶功能。在对糖尿病大鼠模型的研究中发现,长期适宜有氧运动可使心肌组织钙调控蛋白SERCA2、RYR2、PLB三种亚型高表达,由此认为其是有氧运动改善糖尿病心肌损伤的可能机制之一[13]。另外的研究证明,长期适宜的有氧运动对糖尿病心肌病可发挥预防或逆转作用[14]。
4、结语
运动能够通过减轻心肌细胞凋亡程度和氧化应激反应、上调心肌肌浆网钙调控蛋白、降低血糖和血脂及改善胰岛素抵抗等方式来保护糖尿病心脏。但是运动锻炼有效保护糖尿病心脏的机制还不十分清楚,可以从运动是否可以改善糖尿病心肌病大鼠心肌间质纤维化、是否改善糖尿病大鼠血管内皮细胞损害等方面来研究其机制。
作者：上官若男 单位：成都大学体育学院
