肝细胞功能障碍对糖代谢的影响（葡萄糖能量代谢异常在肺血管重构中的作用）

葡萄糖能量代谢异常在肺血管重构中的作用，下面我们就来聊聊关于肝细胞功能障碍对糖代谢的影响?接下来我们就一起去了解一下吧!

肝细胞功能障碍对糖代谢的影响

• 葡萄糖能量代谢异常在肺血管重构中的作用

作者：李雯 何建国

文章来源：中华心血管病杂志,2016,44(9)

肺血管收缩、重构和原位血栓形成对于肺动脉高压(pulmonary arterial hypertension，PAH)发生、发展具有重要作用。肺血管收缩主要由血管收缩、舒张因子失衡引起，而肺血管重构与多种因素有关，研究发现炎症及免疫异常、内皮损伤、遗传因素(BMPR2、ALK1、CAV1、KCNK3、SMAD9、EIF2AK4基因突变)、内皮源性生长因子、铁缺乏、雌激素、肺动脉平滑肌细胞及内皮细胞凋亡和增殖失衡等都可能引起肺血管重构。但目前PAH的发病机制尚未完全明确，探索PAH新的发病机制将为研发新的靶向药物提供科学依据。

一、肺血管葡萄糖能量代谢异常导致PAH肺血管重构的可能机制

肺血管重构在PAH发病过程中起重要作用，但其机制尚不明确。有研究发现PAH肺血管重构在组织病理学上与恶性肿瘤具有相似性，即肺动脉内皮细胞(PAEC)和平滑肌细胞(PASMC)存在过度增殖、凋亡抑制的现象。从肿瘤领域获得启发，人们开始着手研究代谢异常与PAH发病的关系。肿瘤细胞在正常供氧条件下，产能的主要形式是由线粒体氧化磷酸化转为效率较低但无需耗氧的糖酵解，这种现象被称为"Warburg效应" 。

PAH时，肺血管细胞也存在"Warburg效应" ，用正电子发射断层扫描(PET)检测可表现为肺部氟代葡萄糖(¹⁸F－FDG)摄取量增加。2008年，Abikhzer等应用¹⁸F－FDG PET首次发现PAH患者右心室存在¹⁸F－FDG摄取量增高的现象。随后Marsboom等和Zhao等还相继观察到PAH患者肺部¹⁸F－FDG摄取量增高的现象，且Marsboom等还进一步证实肺内增加的¹⁸F－FDG摄取量是由肺血管(包括PAEC和PASMC)对¹⁸F－FDG摄取增加引起的。

而在PAH模型动物中应用糖代谢调节药物二氯乙酸盐(dichloroacetate，DCA)，可降低肺¹⁸F－FDG摄取量、减轻肺血管重构、缓解PAH。上述发现均提示"Warburg效应" ，这种葡萄糖能量代谢异常可能是PAH肺血管重构重要的发病机制之一。

1.PAH时缺氧诱导因子(HIF)异常活化：

"Warburg效应"中重要的中介因子为HIF。HIF是机体在缺氧环境下作出反应的主要转录调节因子，在PAH发病过程中起着重要作用。HIF是属于PAS结构域家族的异二聚体，由HIF－α(－1α，－2α，－3α)和－β(－1β，－2β，－3β)2个亚基构成。

正常供氧条件下，HIF－α的脯氨酸残基可经脯氨酰羟化酶(PHD)羟化后，与von Hippel－Lindau (VHL)蛋白结合，VHL蛋白募集泛素连接酶使HIF－α泛素化，继而介导其在胞质内被蛋白酶体迅速降解。

但PHD以O2为作用底物，因此乏氧状态下，上述反应会被抑制，HIF－α降解减少，富集并结合到位于细胞核内的HIF－β上，形成活化的HIF异二聚体，作用于乏氧反应元件发挥作用，其中HIF－1α的活化与糖代谢调节密切相关。

Tuder等发现，某些PAH模型动物(如Fawn－hooded大鼠，可自发形成PAH)及PAH患者的肺动脉平滑肌细胞在正常供氧条件下，也会发生HIF－1α异常活化。

2.异常活化的HIF可影响肺血管葡萄糖能量代谢：

HIF异二聚体活化后，会影响一系列与糖代谢有关的酶，如葡萄糖转运体、己糖激酶、乳酸脱氢酶A、丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)及丙酮酸脱氢酶(PDH)，通过影响这些酶促进葡萄糖经无氧酵解供能。

正常供氧条件下，血液中游离的葡萄糖由葡萄糖转运体转运到细胞内，在细胞质中通过糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸在PDH作用下生成乙酰CoA进入线粒体，经三羧酸循环进一步氧化供能，而且缺氧时，丙酮酸还可经乳酸脱氢酶作用，经无氧酵解生成乳酸。

而PAH时，HIF－1α异常激活，上调PDK活性，导致PDH被磷酸化而失活，使得丙酮酸进入线粒体氧化磷酸化的过程被抑制，于是通过无氧酵解途径代谢供能。但由于无氧酵解产能效率较低(2ATP/葡萄糖)，为满足能量需要，细胞需摄入大量葡萄糖，且上调无氧酵解。无氧酵解的上调不仅满足了能量需求，其中间代谢产物还可为细胞增殖合成DNA等过程提供大量底物。

3.HIF与线粒体相互作用影响肺血管糖代谢：

目前，PAH时HIF异常活化的原因尚不清楚。有学者认为线粒体作为细胞内的氧感受器，可通过调节细胞内氧化还原状态和钙离子浓度影响HIF活性，再进一步调节PDK活性影响葡萄糖代谢，并通过异常代谢通路——线粒体－超氧化物岐化酶2(SOD₂)－H₂O₂－HIF－PDK，导致PASMC出现异常增殖、抗凋亡表型。

生理条件下，SOD₂是调节H₂O₂生成的门控因子，H₂O₂氧化毒性较超氧化物低、扩散范围大，是一种重要的信号分子，且H₂O₂可通过影响HIF－α亚基的稳定性抑制HIF二聚体活化。Archer等还发现，SOD₂表达、活性降低是由表观遗传沉默引起的，沉默导致H₂O₂生成减少，而H₂O₂还有抑制细胞增殖、促进凋亡的作用。

PAH时，由于HIF异常活化，激活的PDK抑制丙酮酸进入线粒体，使线粒体内三羧酸循环原料不足，电子传递无法正常进行，而线粒体电子传递链是机体产生H₂O₂的主要部位，H₂O₂生成减少可形成"假性缺氧"状态，使HIF抑制减少、活化增强，形成恶性循环。

4.葡萄糖能量代谢异常可能是线粒体结构和功能异常导致PAH肺血管重构的重要机制：

线粒体内电子传递链可产生活性氧族(ROS)，ROS经SOD作用生成H₂O₂，部分H₂O₂可释放入细胞质并作用于细胞膜上的对氧化还原状态敏感的钾离子通道(redox－sensitive Kv)，使钾离子外流，导致细胞超极化，并促进细胞凋亡。Bonnet等发现，Fawn－hooded大鼠和PAH患者的PASMC存在线粒体结构和功能的异常，表现为SOD₂表达减少、PDK过表达、线粒体在细胞核周围融合和裂解以及线粒体膜超极化。

SOD₂是线粒体内调节ROS生成H₂O₂的门控因子，其表达减少会引起H₂O₂生成减少，氧化还原状态敏感钾离子通道被抑制，K^＋外流减少，使细胞膜去极化，从而激活细胞膜上电压门控钙离子通道，引起细胞质内Ca^2＋浓度升高，而Ca2^＋浓度增加引起的细胞内钙超载，可导致依赖钙调磷酸酶的增殖转录因子(NFAT)激活。

线粒体诱导内源性细胞凋亡是由释放线粒体内促凋亡介质(如细胞凋亡蛋白酶前体、细胞色素C等)引起的，而这些介质释放则需通过线粒体外膜上对电压、氧还原状态敏感的线粒体转换孔(MTP)的介导。

而K^＋外流和线粒体活性氧族(mROS)生成减少可使MTP关闭，使得线粒体诱导的内源性凋亡减少，凋亡减少联合NFAT激活将进一步导致PASMC和PAEC过度增殖、抗凋亡。因此，线粒体的结构和功能异常会引起肺血管重构。

丙酮酸脱氢酶(PDH)是构成丙酮酸脱氢酶复合体的三种酶之一(即E1)，位于线粒体中，是催化丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶A的关键酶，也是连接糖酵解途径与三羧酸循环的门控因子，其活性对调节葡萄糖有氧氧化具有重要作用。而PDK则可通过使PDH 3个特定的丝氨酸残基任一磷酸化导致PDH失活，抑制丙酮酸进入三羧酸循环，增强糖酵解。

人体中PDK分为4种亚型(PDK1－4)，不同亚型的组织分布、活性及磷酸化速率均不同，但PDK表达异常，势必导致葡萄糖能量代谢异常，且PDK也存在于线粒体中，因此葡萄糖能量代谢异常是PAH时线粒体结构和功能异常的重要表现之一。

有学者发现，在PAH动物模型中干预异常的糖代谢，可引起PASMC中线粒体去极化，H₂O₂生成和细胞色素C释放增多，细胞膜Kv通道上调，从而促进线粒体诱导的细胞凋亡，减轻肺血管重构。葡萄糖能量代谢异常很可能是线粒体结构和功能异常导致PAH肺血管重构的重要发病机制之一。

但是有葡萄糖能量代谢异常时并不一定存在线粒体异常，葡萄糖能量代谢异常的产生不完全源于线粒体异常。而二者如何相互作用引起肺血管重构尚不清楚，是相互独立、叠加作用、单纯的伴随现象还是存在因果关系也不清楚，还需进一步探索。

二、代谢类药物治疗PAH的研究进展

1.DCA：

DCA作为线粒体PDK抑制剂，可通过抑制PDK减少对PDH的影响，从而增加丙酮酸进入线粒体三羧酸循环氧化磷酸化，减少无氧酵解。McMurtry等发现，在野百合碱诱导的PAH大鼠模型(MCT－PAH)中，DCA可在不影响体循环阻力的情况下，降低肺血管阻力，减少肺动脉中膜厚度，减轻右心室肥大程度。

DCA在不影响正常细胞代谢的前提下，不仅可以抑制MCT－PAH大鼠PASMC的无氧酵解，还可以上调细胞钾离子通道，促使线粒体去极化，导致线粒体释放H₂O₂和细胞色素C，从而增强线粒体诱导的细胞凋亡，并通过增加凋亡来减轻PAH肺血管重构。还有学者发现，DCA可通过调节右心室心肌线粒体功能减轻右心室重构。但是，DCA还处于临床Ⅰ期试验阶段，疗效还有待进一步研究。

2.曲美他嗪：

曲美他嗪是一种广泛用于治疗心绞痛、心肌梗死、心力衰竭的抑制脂肪酸氧化的药物，其通过抑制脂肪酸氧化途径中的关键酶3－ketoacyl－ CoA thiolase抑制脂肪酸氧化，促进葡萄糖经线粒体氧化供能。

Sutendra等发现，通过曲美他嗪抑制脂肪酸氧化(fatty acid oxidation，FAO)，减少FAO生成的乙酰辅酶A，可进一步通过Randle Cycle调节，增强PDH作用，经葡萄糖有氧氧化生成更多的乙酰辅酶A。而上述变化可进一步通过影响线粒体，促进线粒体诱导的凋亡，减轻PAH肺血管重塑。

三、糖代谢生物学标记物评价PAH患者的研究进展

1.PET：

¹⁸F－FDG PET是一种可无创评估恶性肿瘤的常用方法，近年来也有研究将它应用于非肿瘤性疾病中。Abikhzer等首先报道了在PET显像中PAH患者存在右心室¹⁸F－FDG摄取量增加的现象。Marsboom等通过PET发现在PAH形成早期肺血管即存在代谢改变，因此PET可作为早期诊断PAH的新手段。Zhao等还提出用¹⁸F－FDG PET显像可帮助筛选出对代谢类药物敏感的患者。

Tatebe等的临床研究发现，校正后的右心室FDG标准摄取量(cRV_SUV)>8.3是一个独立预测PAH患者临床恶化时间的预后指标。而本课题组进行的PAH右心功能临床研究发现，糖负荷状态下PET扫描获得的右心室/左心室FDG标准摄取量(RV/LV_SUV)可独立预测右心室射血分数(RVEF)，且在空腹和糖负荷状态下测得的校正后RV/LV_SUV均可独立预测特发性PAH患者的长期预后。上述研究提示，¹⁸F－FDG PET可能是PAH早期诊断、预测预后的无创新方法。

2.代谢组学技术：

有学者探索性地将代谢组学技术这种可定性、定量分析所有小分子代谢物的研究方法应用于PAH领域，通过分析出PAH患者肺组织的代谢轮廓，寻找代谢产物与PAH病理生理变化的关系，从而对诊断PAH起到一定的辅助作用。

Fessel等在有BMPR2突变的人肺微血管内皮细胞和PAH患者血清中，应用基于质谱分析的代谢组学技术发现广泛的代谢改变是PAH致病的重要过程。Zhao等应用基于高通量液－气相色谱法的代谢组学技术，在8例动脉型PAH患者的肺组织中发现存在精氨酸、鞘氨醇磷酸酯、亚铁血红素3条代谢通路异常，并认为特定的异常代谢通路会促进PAH肺血管重构。

以上研究提示，代谢组学技术可以为深入研究PAH的发病机制提供新的手段，也为研究作用于PAH代谢机制的药物提供了新方向。

总而言之，肺血管葡萄糖能量代谢异常在PAH肺血管重构的发生和发展过程中起着重要作用，但其与线粒体异常如何相互作用引起肺血管重构尚不清楚，两者是相互独立、叠加作用、单纯的伴随现象还是存在因果关系也不清楚。

因此有必要进一步研究，这不仅有助于理解PAH的发病机制，还有助于研发新的靶向药物，也可为寻找无创的诊断、监测疾病的新方法提供科学依据。

参考文献【略】

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