恩格列净治疗射血分数保留的
心力衰竭的机制研究
Research on the mechanism of empagliflozin in the treatment of heart failure with preserved ejection fraction
孙晓凤 王胜强 曹邦明
作者单位：264003 烟台，滨州医学院临床医学系；264100 滨州医学院烟台附属医院心内科
通信作者：曹邦明，电子信箱：hypertension@163.com
恩格列净是钠-葡萄糖共转运蛋白2(sodium-glucose co-transporter 2，SGLT-2)抑制剂，具有非胰岛素依赖性独特降糖机制，通过抑制SGLT-2减少肾小管对葡萄糖的重吸收，增加尿糖排泄，降低血糖及糖化血红蛋白，改善胰岛素抵抗。2021年8月，欧洲心脏病学会公布了EMPEROR-Preserved Ⅲ期临床试验结果，与安慰剂相比，在主要终点方面，恩格列净使射血分数保留的心力衰竭(heart failure with preserved ejection fraction，HFpEF)患者心血管死亡或因心力衰竭(简称'心衰')住院的复合风险降低21%，临床获益与是否合并糖尿病无关；在次要终点方面，恩格列净使HFpEF患者因心衰首次住院和复发住院的相对风险降低27%，并显著延缓肾功能下降。不过，其心血管获益机制尚未完全阐明，多项临床研究正在进行中，一些新型作用机制如改善心肌细胞能量代谢障碍及微循环障碍，抑制氧化应激、炎症反应，抑制钠氢交换体及其介导的下游各种效应器，抑制心肌细胞焦亡、诱导自噬，抑制线粒体裂变等，或可为恩格列净用于治疗HFpEF提供进一步的理论支持。
恩格列净治疗HFpEF的传统作用机制包括：降低心外膜脂肪组织容积，改善脂肪组织功能，减少瘦素分泌，升高脂联素水平，降低炎症反应；改善心室舒张功能；渗透性利尿、利钠、减重、轻度降压；抑制交感神经系统，阻断心衰进展及恶性心律失常的发生；修复受损的管球反馈，降低肾小球内压力，减少蛋白尿，改善肾间质纤维化；降低高尿酸血症；改善肝脏脂肪变性；促进促炎M1型巨噬细胞向抗炎M2型巨噬细胞转化及促红细胞生成素的释放等[1]。目前研究表明，恩格列净对心肌细胞的作用更强，时间更持久，需探索其他SGLT-2抑制剂对心肌细胞特性的影响。
心肌细胞能量代谢障碍在心衰的发生、发展过程中发挥重要作用，HFpEF时心肌ATP产生不足，糖酵解增强，Na+-K+-ATP酶的活性被抑制，Na+增多，Na+/Ca2+反向交换增强，大量Ca2+内流最终导致Ca2+超载，进而打开线粒体通透性转换孔，释放促凋亡因子触发凋亡级联反应，促进细胞凋亡，导致ATP明显减少和活性氧(reactive oxygen species，ROS)增加[2]，而ROS与心室重构、心功能恶化相关。线粒体功能障碍、Ca2+超载和ROS过度产生是参与心肌细胞损伤的关键因素[3]，当HFpEF发生时，酮体作为重要的能量底物，为衰竭的心脏有效供能。β-羟丁酸(β-hydroxybutyric acid，β-OHB)是循环中最丰富的酮体，恩格列净提高β-OHB的水平，为衰竭的心脏提供能量来源。此外，酮体还发挥多效作用，如改善心肌肥厚及病理性重构、心功能障碍，抑制心肌细胞凋亡等[4]。
氧化应激是ROS增多诱发的病理损伤，是导致细胞功能紊乱、组织损伤、心肌纤维化、心室重构和器官功能衰竭的最终共同途径，氧化应激所致的线粒体损伤在HFpEF中发挥重要作用。氧化应激、内质网应激和经典的TGF-β/Smad3途径、血管紧张素Ⅱ均与心肌纤维化相关。
1 氧化应激
β-OHB是组蛋白去乙酰化酶的内源性、特异性抑制剂，诱导FOXO3基因编码的人类蛋白质(forkhead box O3a，FOXO3a)和金属硫蛋白2启动子的局部组蛋白乙酰化，而FOXO3a是氧化应激中多个信号通路的交汇点。恩格列净强效阻断氧化应激反应，进而发挥抑制心肌细胞肥大、纤维化，逆转心室重构等作用[5]。
2 内质网应激
线粒体-内质网结构偶联是一个新发现的亚细胞结构，将这两个重要细胞器的功能联系在一起，二者互相影响、互相调控。恩格列净抑制内质网应激，从而发挥强大的心脏保护作用，改善心肌纤维化，抑制氧化应激反应，增强线粒体的氧化磷酸化及呼吸等代谢功能[6]。
3 心肌纤维化
(1)HFpEF中，胶原蛋白合成增加、降解减少导致Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白沉积增加，进而导致心肌纤维化、心室重构的发生。其中，赖氨酰氧化酶参与合成加工，基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-1/-8/-13和MMP-2/-9参与催化降解。恩格列净抑制血管紧张素Ⅱ、MMP-2、MMP-9，改善心肌纤维化，逆转心室重构[7]；抑制调节心肌纤维化的经典TGF-β/Smad3途径，抑制成纤维细胞的激活和内皮-间质转化(endothelial to mesenchymal transition，EndMT)，保护内皮功能，减少胶原蛋白沉积，改善心肌纤维化及病理性重构[8]。其中，EndMT是内皮细胞失去自身特征，逐渐变成间充质和成纤维细胞，进而导致心肌纤维化、心脏瓣膜病、动脉粥样硬化、肺动脉高压等多种心血管疾病[9]。(2)肌成纤维细胞在HFpEF心肌纤维化、心室重构中作用重大，恩格列净显著抑制促纤维化的关键标志物，如Ⅰ型胶原蛋白α1、肌动蛋白α2、结缔组织生长因子、纤维连接蛋白1，直接影响心脏肌成纤维细胞的表型和功能，降低肌成纤维细胞的活性、减少肌纤维母细胞介导的胶原蛋白重构[10]。
钠氢交换蛋白1(sodium hydrogen exchange protein-1，NHE1)，在心力衰竭、心肌肥厚等多种心血管疾病的发生、发展中起重要作用[11]。NHE1是恩格列净在心肌细胞和血管平滑肌细胞唯一表达的靶蛋白，恩格列净抑制心肌细胞的Na+/H+交换，Na+降低，抑制钙超载，保护线粒体结构、功能的完整性，促进ATP生成，抑制心肌细胞凋亡，减轻缺血再灌注损伤。同时，抑制NHE1介导的各种下游效应器，在HFpEF发病机制中意义非凡(图1、表1)[12-13]。
Empagliflozin：恩格列净；NHE1：钠氢交换蛋白1；AKT：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶；NFKB1：核因子κB1；HDAC1：组蛋白去乙酰化酶1；CO1A1；Ⅰ型胶原蛋白α1；VEGFA：血管内皮生长因子A；NOS2：诱导型一氧化氮合酶2；CHP：磷酸酶B同源蛋白；CATB：组织蛋白酶B；NLRP3：核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3；IL：白细胞介素；NAFT：活化T细胞核因子；TNFA：肿瘤坏死因子α；ICAM：细胞间粘附因子；ITB3：整合素β3；TGFβ1：转化生长因子β1；HFpEF：射血分数保留的心力衰竭。恩格列净作用于NHE1介导的下游效应器，抑制HFpEF的发生发展。绿线表示激活；红线表示抑制；蓝线表示激活或抑制(细胞依赖效应)
图1 恩格列净抑制钠氢交换体及其介导的各种下游效应器[12]
表1 NHE1介导的下游效应器及作用特点
注：NHE1：钠氢交换蛋白1；AKTs：丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶等；COL1A1：Ⅰ型胶原蛋白α1；VEGF-A：血管内皮生长因子A；HDAC1：组蛋白去乙酰化酶1；NOS2：诱导型一氧化氮合酶2；NLRP3：核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3；IL：白细胞介素；NFAT：活化T细胞核因子；TNFα：肿瘤坏死因子α；ICAM1：细胞间粘附因子1；TGF-β1：转化生长因子β1
微小RNA21(microRNA-21，miR-21)在心脏和肾脏中高度表达，是各型心肾综合征重要的治疗目标[14]，恩格列净抑制miR-21，进而抑制心肌、肾脏纤维化、延缓心肾疾病进展，改善心肾共同结局[15]。恩格列净降低氧化应激标志物NADPH氧化酶-1/-2和氧化蛋白，也降低DNA损伤的指标：磷酸化组蛋白H2AX和线粒体损伤的指标：细胞色素C，早期即可保护患心肾综合征大鼠的心脏和肾脏功能，维持线粒体结构、功能完整性，抑制氧化应激、炎症反应、细胞凋亡，改善心肌纤维化，减缓心室重构[16]。
恩格列净与细胞自噬、细胞焦亡
细胞自噬对维持细胞生存、稳态至关重要，激活心肌细胞自噬可改善心脏病理性重构。2型糖尿病的自噬功能受损，促进自噬的调控因子沉默信息调节因子2相关酶类(silent mating type information regulation 2 homolog，SIRT)1和MAPK受抑制[17]，而HFpEF亦表现出自噬功能减弱、细胞凋亡增加和线粒体功能紊乱[18]。
1 细胞自噬
SIRT3的表达随着衰老、糖尿病、高血压和肥胖的发生而逐渐下降，与HFpEF的表型密切相关，是线粒体能量代谢和细胞功能的一个新的调节器，恩格列净增加线粒体SIRT3的丰度，增强自噬通量；增加自噬体和溶酶体的数量，增强心脏自噬活性，逆转自噬功能障碍；抑制心肌细胞凋亡，改善缺氧引起的心肌细胞损伤、心功能障碍及心室重构[19]。AMPK/雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路是自噬的一个重要调控途径，恩格列净对患高脂血症的肥胖小鼠，通过调节亮氨酸感受器(sestrin2)介导的AMPK-mTOR信号通路和细胞抗氧化系统，促进自噬，抑制氧化应激、炎症反应，改善心肌细胞肥大及心室舒张功能[20]。
2 细胞凋亡
恩格列净上调SIRT1的表达，促进Akt的磷酸化，提升Bcl2(抗细胞凋亡基因)/Bax(促细胞凋亡基因)比率，抵御心肌细胞凋亡，减轻心肌损伤[21]。恩格列净作用于酮体，激活磷脂酰肌醇-3-激酶/Akt途径发挥抗凋亡作用，抑制凋亡过程的关键启动子caspase-3的表达，抑制心肌细胞肥大、凋亡，改善心室重构及心功能[22]。
线粒体的分裂融合是自噬的基础，恩格列净通过上调线粒体融合蛋白(Mfn1和Mfn2)、下调线粒体裂变蛋白FIS1和裂变因子MFF，恢复线粒体各种正常的代谢功能，促进线粒体自噬，抑制心肌细胞凋亡[23]。
3 细胞焦亡
细胞焦亡是一种新的程序性细胞死亡，主要由NLRP3炎症小体及其下游效应因子caspase-1激活介导，裂解后形成膜孔，GSDMD蛋白是参与细胞焦亡的关键切割靶点，最终导致白细胞介素释放，引发强烈的炎症反应[24]。近来研究表明，细胞焦亡与动脉粥样硬化、糖尿病心肌病、缺血再灌注损伤等密切相关。
恩格列净阻断NLRP3炎症小体的激活和随后的caspase-1活化，减少促炎细胞因子白细胞介素1β和白细胞介素18的释放，发挥抗心肌细胞焦亡，抑制全身炎症反应、保护血管内皮，抗动脉粥样硬化、降低血压等重要作用，改善HFpEF各种表型的预后[25]。
位于心脏循环系统末端的微血管内皮细胞，影响着心肌灌注和冠状动脉血流储备，更容易受到高血糖的侵害且受损发生的时间也更早，微血管屏障完整性和功能受损是糖尿病血管并发症的最初步骤。
恩格列净作用于一氧化氮合酶，内皮细胞产生一氧化氮(nitric oxide，NO)生物利用率增高，同时降低ROS对NO的清除作用，保护血管内皮细胞，维护微血管屏障的完整性，延缓内皮细胞的衰老和表型变化。NO的增多，作用于在HFpEF发生发展过程中发挥重要作用的NO-sGC-cGMP通路[26]及NO-cGMP-PKG通路，改善心室舒张功能，减轻心肌肥厚及纤维化，逆转心室重构。NO扩张冠状动脉、肺血管、骨骼肌血管，增加冠状动脉及骨骼肌血流灌注、降低肺血管阻力，改善HFpEF的运动耐力；NO还阻碍血小板的粘附聚集以及血管壁内白细胞募集、浸润和活化，对微循环发挥抗血栓、抗炎作用。
临床上，糖尿病患者合并冠状动脉多支病变及心血管自主神经病变明显多于非糖尿病患者，这可能与高糖诱导血管平滑肌细胞增殖迁移加快、内膜形成加速有关。恩格列净阻断血管平滑肌细胞增殖迁移，改善血管重构，舒张血管，减少新生内膜的形成，发挥抗动脉硬化作用，预防血管重建术后再狭窄。有研究表明，恩格列净可减轻糖尿病患者药物洗脱支架置入后的新内膜增生[27]。对于患肺动脉高压的单克隆大鼠，恩格列净减轻肺血管纤维化及重构，改善右心室肥厚，显著降低平均肺动脉压力及死亡率[28]。
恩格列净还可增加心肌微血管密度、改善微血管重构，增加心肌微循环灌注。
线粒体裂变在氧化应激反应及糖尿病微血管并发症中发挥重要作用，动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)是线粒体裂变的关键因子[29]，恩格列净抑制ROS的产生和其介导的氧化应激反应，增强微血管内皮细胞的生存能力和屏障功能；激活MAPK，抑制了促进线粒体裂变的Drp1S616的磷酸化，增加了促进线粒体融合的Drp1S637磷酸化，共同抑制线粒体裂变[30]，更好地维持线粒体结构、功能的完整性，促进新生血管形成，抑制氧化应激反应，保护心脏微血管内皮细胞的屏障功能。
SGLT-2抑制剂恩格列净治疗HFpEF可能的新型作用机制：改善心肌细胞能量代谢障碍及微循环障碍、抑制NHE1及其介导的各种下游效应器，抑制细胞焦亡、诱导自噬等，目前数项探索SGLT-2抑制剂心血管获益的临床研究正在进行中，如心肌钙处理(NCT04591639)、心脏重构(NCT03871621)、脂解作用和心外膜脂肪厚度及性质的改变(NCT04219124、NCT04167761和NCT02235298)等，这些研究也将为进一步探索HFpEF病理生理学机制及其他SGLT-2抑制剂对HFpEF的临床获益提供重要见解。
参考文献
[1] 武锋超, 蓝庆肃, 马兰虎, 等. 钠-葡萄糖共转运蛋白2抑制剂治疗心力衰竭的疗效及安全性的荟萃分析[J]. 中国心血管杂志, 2022, 27(2): 101-106.
[2] Miranda-Silva D, Wüst RCI, Conceição G, et al. Disturbed cardiac mitochondrial and cytosolic calcium handling in a metabolic risk-related rat model of heart failure with preserved ejection fraction[J]. Acta Physiol (Oxf), 2020, 228(3): e13378.
[3] Wang C, Chen J, Wang M, et al. Role of the TRPM4 channel in mitochondrial function, calcium release, and ROS generation in oxidative stress[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2021, 566: 190-196.
[4] Yurista SR, Matsuura TR, Silljé HHW, et al. Ketone Ester Treatment Improves Cardiac Function and Reduces Pathologic Remodeling in Preclinical Models of Heart Failure[J]. Circ Heart Fail, 2021, 14(1): e007684.
[5] Shimazu T, Hirschey MD, Newman J, et al. Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate, an endogenous histone deacetylase inhibitor[J]. Science, 2013, 339(6116): 211-214.
[6] Kapadia P, Bikkina P, Landicho MA, et al. Effect of anti-hyperglycemic drugs on endoplasmic reticulum (ER) stress in human coronary artery endothelial cells[J]. Eur J Pharmacol, 2021, 907: 174249.
[7] Goerg J, Sommerfeld M, Greiner B, et al. Low-Dose Empagliflozin Improves Systolic Heart Function after Myocardial Infarction in Rats: Regulation of MMP9, NHE1, and SERCA2a[J]. Int J Mol Sci, 2021, 22(11): 5437.
[8] Li C, Zhang J, Xue M, et al. SGLT2 inhibition with empagliflozin attenuates myocardial oxidative stress and fibrosis in diabetic mice heart[J]. Cardiovasc Diabetol, 2019, 18(1): 15.
[9] 王宏宇. 血管衰老临床检测技术——重视血管内皮功能的评价与EndoFIND研究启示[J]. 中国心血管杂志, 2021, 26(5): 418-424.
[10] Kang S, Verma S, Hassanabad AF, et al. Direct Effects of Empagliflozin on Extracellular Matrix Remodelling in Human Cardiac Myofibroblasts: Novel Translational Clues to Explain EMPA-REG OUTCOME Results[J]. Can J Cardiol, 2020, 36(4): 543-553.
[11] 马嘉琪, 陈章炜, 钱菊英. 钠氢交换蛋白1及其抑制剂的研究进展[J]. 中国心血管杂志, 2019, 24(1): 89-93.
[12] Bayes-Genis A, Iborra-Egea O, Spitaleri G, et al. Decoding empagliflozin’s molecular mechanism of action in heart failure with preserved ejection fraction using artificial intelligence[J]. Sci Rep, 2021, 11(1): 12025.
[13] Hua X, Wang YY, Jia P, et al. Multi-level transcriptome sequencing identifies COL1A1 as a candidate marker in human heart failure progression[J]. BMC Med, 2020, 18(1): 2.
[14] Huang CK, Bär C, Thum T. miR-21, Mediator, and Potential Therapeutic Target in the Cardiorenal Syndrome[J]. Front Pharmacol, 2020, 11: 726.
[15] Das NA, Carpenter AJ, Belenchia A, et al. Empagliflozin reduces high glucose-induced oxidative stress and miR-21-dependent TRAF3IP2 induction and RECK suppression, and inhibits human renal proximal tubular epithelial cell migration and epithelial-to-mesenchymal transition[J]. Cell Signal, 2020, 68: 109506.
[16] Yang CC, Chen YT, Wallace CG, et al. Early administration of empagliflozin preserved heart function in cardiorenal syndrome in rat[J]. Biomed Pharmacother, 2019, 109: 658-670.
[17] Packer M. Autophagy-dependent and -independent modulation of oxidative and organellar stress in the diabetic heart by glucose-lowering drugs[J]. Cardiovasc Diabetol, 2020, 19(1): 62.
[18] Yang HJ, Kong B, Shuai W, et al. MD1 deletion exaggerates cardiomyocyte autophagy induced by heart failure with preserved ejection fraction through ROS/MAPK signalling pathway[J]. J Cell Mol Med, 2020, 24(16): 9300-9312.
[19] Zeng H, Chen JX. Sirtuin 3, Endothelial Metabolic Reprogramming, and Heart Failure With Preserved Ejection Fraction[J]. J Cardiovasc Pharmacol, 2019, 74(4): 315-323.
[20] Sun X, Han F, Lu Q, et al. Empagliflozin Ameliorates Obesity-Related Cardiac Dysfunction by Regulating Sestrin2-Mediated AMPK-mTOR Signaling and Redox Homeostasis in High-Fat Diet-Induced Obese Mice[J]. Diabetes, 2020, 69(6): 1292-1305.
[21] Tian G, Yu Y, Deng H, et al. Empagliflozin alleviates ethanol-induced cardiomyocyte injury through inhibition of mitochondrial apoptosis via a SIRT1/PTEN/Akt pathway[J]. Clin Exp Pharmacol Physiol, 2021, 48(6): 837-845.
[22] Guo Y, Zhang C, Shang FF, et al. Ketogenic Diet Ameliorates Cardiac Dysfunction via Balancing Mitochondrial Dynamics and Inhibiting Apoptosis in Type 2 Diabetic Mice[J]. Aging Dis, 2020, 11(2): 229-240.
[23] Lee WC, Chau YY, Ng HY, et al. Empagliflozin Protects HK-2 Cells from High Glucose-Mediated Injuries via a Mitochondrial Mechanism[J]. Cells, 2019, 8(9): 1085.
[24] Shi H, Gao Y, Dong Z, et al. GSDMD-Mediated Cardiomyocyte Pyroptosis Promotes Myocardial I/R Injury[J]. Circ Res, 2021, 129(3): 383-396.
[25] Kim SR, Lee SG, Kim SH, et al. SGLT2 inhibition modulates NLRP3 inflammasome activity via ketones and insulin in diabetes with cardiovascular disease[J]. Nat Commun, 2020, 11(1): 2127.
[26] Xue M, Li T, Wang Y, et al. Empagliflozin prevents cardiomyopathy via sGC-cGMP-PKG pathway in type 2 diabetes mice[J]. Clin Sci (Lond), 2019, 133(15): 1705-1720.
[27] Hashikata T, Ikutomi M, Jimba T, et al. Empagliflozin attenuates neointimal hyperplasia after drug-eluting-stent implantation in patients with type 2 diabetes[J]. Heart Vessels, 2020, 35(10): 1378-1389.
[28] Chowdhury B, Luu AZ, Luu VZ, et al. The SGLT2 inhibitor empagliflozin reduces mortality and prevents progression in experimental pulmonary hypertension[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2020, 524(1): 50-56.
[29] Fonseca TB, Sánchez-Guerrero á, Milosevic I, et al. Mitochondrial fission requires DRP1 but not dynamins[J]. Nature, 2019, 570(7761): E34-E42.
[30] Zhou H, Wang S, Zhu P, et al. Empagliflozin rescues diabetic myocardial microvascular injury via AMPK-mediated inhibition of mitochondrial fission[J]. Redox Biol, 2018, 15: 335-346.
本文来源
孙晓凤, 王胜强, 曹邦明. 恩格列净治疗射血分数保留的心力衰竭的机制研究[J]. 中国心血管杂志, 2022, 27(2): 112-116. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2022.02.003.
