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研究背景:目前在全世界范围内,糖尿病在人群中的患病率日益增长,并且在已经被确诊的成年糖尿病患者中,大约有95%是2型糖尿病(Type 2 diabetes,T2D)。大量流行病学研究数据发现,独立于冠状动脉粥样硬化和高血压等常见因素之外,糖尿病已经成为心血管系统疾病(Cardiovascular diseases,CVD)发生和发展的十分关键的独立危险因素。在这些糖尿病所致CVD并发症中,糖尿病心肌病(Diabetic Cardiomyopathy,DCM)因其独特的演变方式而受到了广泛的关注。临床上,DCM早期表现为舒张功能障碍,随后晚期进展为收缩功能障碍、左心功能下降,进而患者出现肺水肿、呼吸困难等心力衰竭的症状,严重者可至死亡。在病理机制上,DCM的发生和发展以心肌细胞能量代谢异常为主要特征。首先在T2D条件下,心肌会出现胰岛素抵抗致使细胞葡萄糖利用障碍,T2D还会导致心肌摄入过量的脂肪酸(Fatty acids,FAs),但却伴随不同程度的心肌细胞脂肪酸氧化(Fatty acid oxidation,FAO)障碍,过剩的FAs主要以甘油三脂的形式储存于心脏中,长久便会引起脂毒性(Lipotoxicity)导致心肌出现氧化应激损害以及炎症反应,诱发线粒体功能障碍和细胞凋亡,最后导致心室重构和心功能减退。AMP依赖的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)在维持全身能量代谢稳态中起到十分重要的作用。AMPK蛋白以一种异源三聚体复合物的形式存在,包括1个催化亚基(α1或α2)和2个调节亚基。AMPK的激活依赖于AMPKα亚单位上的172位苏氨酸的磷酸化而实现。研究表明,α2亚基主要存在于心肌组织中,并且只有α2亚基在能量代谢中发挥着重要的作用。活化的AMPK可以通过调节下游基因调节心肌脂肪代谢,AMPK的激活对于促进心肌FAO和抑制脂质生成有着重要意义。核转录因子NE-F2相关因子2(Nuclear factor erythroid 2 related factor 2,NRF2)是细胞防御系统的重要调控因子。NRF2含有高度保守的碱性亮氨酸拉链(Basic leucine zipper,bZIP)结构,是帽和领CNC(Cap-‘n’collar,CNC)转录因子家族成员之一。激活后的NRF2进入细胞核,与抗氧化反应元件(Antioxidant response element,ARE)相结合后促进下游解毒酶和抗氧化因子的转录。萝卜硫素(Sulforaphane,SFN)属于异硫氰酸盐类化合物,大量存在于十字花科植物中,例如西蓝花,卷心菜,西洋菜等。近来,萝卜硫素作为一种天然的间接抗氧化剂,已被证实能够激活NRF2。研究表明,萝卜硫素可以通过激活NRF2介导的抗氧化信号通路来改善DCM所致心功能下降。近期,体内和体外实验都显示了萝卜硫素具有减轻脂质蓄积的能力,这使萝卜硫素成为治疗脂代谢异常类疾病的潜在药物。为了探究这一猜想,我们团队在之前的研究中发现,为期4个月的萝卜硫素治疗可以缓解T2D诱导的心脏脂质沉积,减轻T2D所致心肌脂毒性损害,从而逆转病理性心室重构并改善心脏功能衰退。与此同时,我们还发现在这一萝卜硫素介导的心脏保护过程中伴随着AMPK活性的上调。但是,没有充分的证据能够证明AMPK,尤其AMPKα2亚单位,是否在萝卜硫素介导的T2D心肌病保护机制中起到不可取代的作用,且萝卜硫素对于T2D诱发的心肌病早期的影响以及长期持续的影响尚不清楚。目的:通过AMPKα2基因全身敲除小鼠(AMPKα2-KO)以及与其相对应的野生型(Wild-type,WT)小鼠,探究(1)AMPK,尤其是AMPKα2亚单位在萝卜硫素介导的T2D心肌病保护机制中的重要作用;(2)萝卜硫素对于T2D所致心肌病早期的治疗作用以及长期持续影响。方法与结果:建立T2D模型以3个月的高脂饮食(High-fat diet,HFD)诱导胰岛素抵抗开始,然后单次给予腹腔注射链脲佐菌素(Streptozotocin,STZ),在小鼠体内诱导高糖血症。在被注射STZ 7天之后,小鼠出现血糖升高现象(3小时空腹血糖水平≥250 mg/dL),这些小鼠可以被定义为T2D小鼠。其他同年龄的小鼠给予正常饮食(Normal diet,ND)喂养作为正常对照组。随后,糖尿病小鼠和正常对照组小鼠在继续喂饲HFD或ND的同时,分别给予或不给予萝卜硫素皮下注射;萝卜硫素的剂量为0.5 mg/kg,每周注射5天并且持续3个月。在完成3个月的萝卜硫素治疗后,每组5只小鼠作为3个月的时间点(3M)。其余的小鼠继续喂饲ND或HFD直到第6个月终止,这期间不给予萝卜硫素皮下注射,这些小鼠被定义为6个月时间点(6M)。在这6个月动物模型建立过程中,每月动态监测小鼠体重、血糖变化。所有小鼠在被处死之前,利用心脏超声检测其心脏功能。实验结果显示,在WT小鼠中,萝卜硫素显著减轻了T2D引起的心肌脂质蓄积(通过油红O染色评估),并且很大程度上逆转了T2D所致脂毒性损害,包括心肌肥大、基质过度纤维化、炎症和氧化应激损伤,最终改善了T2D诱导的心脏功能衰竭,从机制上看来,萝卜硫素激活了AMPK,并通过AMPK的活化增加了心肌FAO,降低了心肌脂质的合成,体现于PGC-1α、PPAR-α和CPT-1B表达的上调,SCD-1表达的下调。除此之外,我们还发现萝卜硫素激活NRF2介导的抗氧化途径依赖于AMPK/蛋白激酶B(Protein kinase B,AKT)/糖原合酶激酶-3β(Glycogen synthase kinase-3β,GSK3β)信号通路实现。然而,这些萝卜硫素诱导的保护作用,包括AMPK调控的脂代谢通路的改善和NRF2的活化,在AMPKα2-KO糖尿病小鼠上都未能实现。结论:(1)AMPK在萝卜硫素介导T2D心肌病的保护作用有着不可取代的作用,并且为期3个月的萝卜硫素治疗效果至少可以延续至未来3个月;(2)萝卜硫素可以通过AMPK/AKT/GSK3β信号途径来激活NRF2的表达。