氧化应激在糖尿病与慢性肾病诱发心功能障碍中的核心作用：从肾脏损伤到心脏失调的机制探索

《Basic Research in Cardiology》：From kidney injury to cardiac dysfunction: the central role of oxidative stress in diabetes and CKD

本研究针对糖尿病(DM)与慢性肾病(CKD)共同存在时加速心脏病变的临床难题，通过构建转基因糖尿病猪模型并叠加肾脏微栓塞诱导CKD，深入探讨了氧化应激在心脏重构和冠状动脉微血管功能障碍中的核心作用。研究发现，糖尿病本身已导致左心室扩张、射血分数轻微下降及线粒体呼吸功能普遍受损；而CKD的叠加并未进一步恶化血流动力学参数，但显著加剧了心肌与冠状血管的氧化应激水平及细胞外基质沉积。蛋白质组学分析揭示了脂肪酸代谢与谷氨酸代谢通路的显著重编程，且在人类HFpEF患者心肌样本中验证了类似通路改变及抗氧化酶的表达异常。该研究明确了CKD在糖尿病背景下通过加剧氧化应激而加速心脏病理进程的关键机制，为靶向心肾轴的治疗策略提供了重要理论依据。

　　

在当今社会，心力衰竭(HF)已成为一种复杂的综合征，其发展与多种共病相互交织、相互促进。其中，糖尿病(DM)和慢性肾病(CKD)是两种极为常见的共病，它们显著增加了患者的心血管死亡风险。糖尿病患者常出现心脏代谢紊乱、心肌重构和舒张功能障碍，最终发展为糖尿病性心肌病。而CKD患者则面临尿毒症毒素蓄积、炎症反应和氧化应激加剧等问题，这些因素共同损害心脏功能。尤其当DM与CKD并存时，会形成所谓的心肾代谢综合征(CKM)，导致心脏结构和功能的异常加速恶化。然而，在DM背景下，相对轻度的CKD如何影响心脏功能，其具体分子机制尚不完全清楚。氧化应激被认为是连接心肾损害的关键桥梁，但实验证据多来源于小鼠模型，在更接近人类生理的大型动物模型中的研究仍有欠缺。为此，研究人员在《Basic Research in Cardiology》上发表了一项研究，旨在深入探讨DM与CKD共存时，氧化应激在心脏病变进程中的核心作用。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：利用INSC94Y转基因猪模型模拟糖尿病，并通过肾动脉微栓塞术诱导慢性肾病；应用在体血流动力学监测和超声心动图评估心脏功能及冠状动脉血流；采用高分辨率呼吸测量术分析离体心肌线粒体功能；利用基于质谱的蛋白质组学技术无偏倚地分析左心室组织蛋白表达谱，并重新分析了已发表的人类HFpEF患者心肌蛋白质组数据；通过组织化学染色、免疫荧光和Western blot等方法对氧化应激、纤维化及相关蛋白表达进行定量分析。

心脏功能与血流动力学改变

研究通过压力-容积环和超声心动图评估发现，与野生型(WT)对照组相比，DM猪表现出左心室舒张末期容积(Ved)增加、射血分数(EF)轻微下降以及舒张早期与晚期充盈速率比值(E/A)降低，提示存在舒张功能障碍。DM_CKD组则显示出更高的左心室舒张末期压力(Ped)和舒张期室壁应力。尽管DM和DM_CKD组的基础冠状动脉血流量均显著增加，但冠状动脉血流储备却降低，且两组磷酸化内皮型一氧化氮合酶(peNOS)与总eNOS的比值均下降，表明内皮功能受损。

心肌蛋白质组学揭示代谢与氧化应激通路改变

蛋白质组学分析显示，DM与DM_CKD心肌组织中存在显著的代谢通路富集，特别是脂肪酸代谢和谷氨酸代谢相关蛋白表达发生改变。DM_CKD与DM相比，抗氧化酶如谷胱甘肽过氧化物酶3(GPX3)和过氧化物氧化还原酶1(PRDX1)表达下调。对人类HFpEF患者心肌蛋白质组数据的重新分析进一步验证了这些发现，显示三羧酸循环相关蛋白下调以及GPX1表达减少、超氧化物歧化酶1(SOD1)表达增加。

线粒体功能障碍

研究人员分离心肌线粒体进行呼吸功能测定。结果显示，无论是利用脂肪酸、丙酮酸-苹果酸、谷氨酸-苹果酸还是琥珀酸作为底物，DM和DM_CKD组线粒体的状态3呼吸（ADP饱和时的最大耗氧率）均显著降低，表明其氧化磷酸化能力受损。然而，状态4呼吸（寡霉素抑制ATP合成后的耗氧率）和线粒体膜电位未见明显变化，提示不存在明显的解偶联。此外，在生理性ADP浓度下，线粒体过氧化氢(H₂O₂)的释放并未增加。

氧化应激水平升高

组织学分析表明，DM_CKD组心肌组织和冠状动脉微血管中8-羟基脱氧鸟苷(8-HDG)阳性细胞核比例显著增加，提示氧化性DNA损伤加剧。同时，反映脂质过氧化的4-羟基壬烯醛(4-HNE)蛋白加合物水平也在DM_CKD组中升高。分子检测发现DM_CKD组心肌GPX3 mRNA表达及血清GPX活性均下降，而SOD2和PRDX1的表达上调。

细胞外基质重塑与纤维化

Picrosirius red染色显示，DM_CKD组左心室间质纤维化程度显著高于WT组和DM组。实时荧光定量PCR结果进一步显示，DM_CKD组中胶原蛋白COL1A2和基质金属蛋白酶2(MMP2)的mRNA表达上调，表明细胞外基质重塑活跃。

讨论与结论

本研究表明，糖尿病是导致心脏血流动力学异常、线粒体功能受损和内皮功能障碍的主要驱动因素。尽管叠加CKD并未进一步显著恶化这些参数，但它创造了一个更强的促氧化环境，表现为抗氧化能力下降（如GPX3）、氧化损伤标志物增加以及细胞外基质沉积加剧。这种氧化应激的加剧很可能由机械-能量失偶联机制驱动，即心脏负荷增加导致线粒体需要消耗更多NADPH来再生谷胱甘肽以解毒H₂O₂，从而削弱了细胞的抗氧化能力。蛋白质组学数据支持的代谢重编程，特别是脂肪酸氧化增强和谷氨酸代谢改变，也与氧化应激和纤维化进程密切相关。

该研究通过大型动物模型和人类数据验证，强调了在糖尿病基础上，即使轻度的CKD也能通过加剧氧化应激和促进纤维化而加速心脏病变的进展。这凸显了心肾轴信号通路在疾病发展中的重要性，为早期识别高危患者和开发针对心肾代谢综合征的联合治疗策略提供了关键的病理生理学依据。未来的研究需要进一步阐明代谢、炎症和氧化应激通路之间的相互作用，以期发现新的治疗靶点。