·综述·
糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病,由胰岛素分泌和(或)作用缺陷引起[1]。根据美国糖尿病学会发布的《2020年糖尿病医学诊疗标准》,糖尿病可分为1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus,T1DM)——胰岛β细胞损伤导致胰岛素绝对缺乏的自身免疫性疾病[2-3];2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)——具有胰岛素抵抗和代偿性分泌不足的慢性、多因素疾病[4];妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus,GDM)——妊娠期首次发现的糖耐量异常;以及特殊类型糖尿病。随着生活方式的改变,糖尿病发病逐渐年轻化,育龄妇女的糖尿病患病率日渐上升。妊娠合并糖尿病(指妊娠期间首次出现或被发现的糖代谢异常,包括妊娠前已存在的糖尿病和GDM)已经变得更为普遍,成为人们的关注焦点。据统计,约3%～10%的妊娠女性中存在血糖调节异常[5]。在受糖尿病影响的孕妇中,T1DM约占4%～6%,T2DM约占8%～12%,而绝大多数(80%～88%)为GDM。母体糖尿病会导致胎儿暴露于高血糖环境,从而影响其心脏和胎盘循环的结构和功能。尤其在妊娠早期,孕前已存在的糖尿病(pre-gestational diabetes mellitus,PGDM)可能会引起胎盘和胚胎心脏的异常。PGDM能改变胎盘的血流模式,导致胎盘形态增大,厚度增加,还会引发胎盘血管病变,胎盘局部组织坏死和纤维化,从而影响氧气和营养物质供给。此外,糖尿病诱发的胎盘间质细胞增生也可能导致胎盘组织结构的改变,进一步影响胎盘功能。PGDM导致的高血糖环境会影响心脏结构的正常形成,特别在胎儿器官发生过程中,高血糖环境会导致大动脉转位、房室间隔缺损、循环异常、双出口右心室异位综合征以及导致胎儿心脏收缩和舒张功能受损,影响胎儿心脏的正常泵血能力[6]。先天性心脏畸形已成为糖尿病妊娠的一大关注点,本文对近年相关研究进行了综述,希望为预防和治疗提供参考。
先天性心脏病(congenital heart disease,CHD)是最为常见的先天性畸形,也是导致胎儿死亡的首要原因。CHD主要表现为心脏壁、瓣膜或血管的先天性结构缺陷,典型表型包括流出道畸形、左心发育不良综合征、右心发育不良综合征和艾森曼格(Eisenmenger)综合征等[7]。其中,流出道畸形包括房间隔缺损(atrial septal defect,ASD)、室间隔缺损(ventricular septal defect,VSD)、房室间隔缺损(atrioventricular septal defect,AVSD)、永存动脉干(persistent truncus arteriosus,PTA)、主动脉骑跨、肺动脉闭锁、法洛四联症(tetralogy of fallot, TOF)、主动脉狭窄(aortic stenosis,AS)、肺动脉狭窄、动脉导管未闭、右心室双出口(double outlet right ventricle,DORV)、左心室双出口等。CHD的病因复杂,涉及单基因缺陷、染色体异常、环境致畸物或微量营养素缺乏[8]。值得注意的是,约有10%的CHD可能与环境因素有关[9],其中糖尿病妊娠是引起胎儿CHD的重要环境因素之一。研究显示,与糖尿病妊娠密切相关的心血管畸形包括AVSD、PTA、AS和大动脉转位(transposition of great arteries,TGA)[10]。
1.孕前糖尿病与CHD:研究指出,在器官形成阶段,血糖控制对胎儿的发育有重要作用。特别是在胎儿心脏的胚胎发育关键期即妊娠的第3～8周,也是CHD发生的高危时期[11]。在这个时期,心脏发育对环境因素和遗传因素非常敏感,高血糖环境可能会导致胎儿CHD。由于发病时间与病程不同,孕前糖尿病与GDM在影响胎儿心脏发育上存在差异。
Lisowski等[12]观察了1 879例T1DM妊娠母亲子代的CHD类型,发现VSD最为常见,约有563例病例,其次是圆锥动脉干畸形。在圆锥动脉干畸形患儿中,49%存在TGA,TOF约占25%,PTA占15%;在所有心脏畸形新生儿中,DORV约占2.6%,AVSD的发病率约为3.4%;还有3.0%患儿存在内脏异位。此外,动物实验结果也证实了T1DM合并妊娠可导致子代心脏结构畸形。Gutierrez等[13]在雌性ICR小鼠交配前,利用链脲佐菌素(200 mg/kg)诱导T1DM。在妊娠第17天,每窝随机选择一个胎鼠来分析心脏和大血管表型,结果表明母体高血糖导致妊娠晚期胎鼠心室扩张、心室心肌横截面积减少和VSD的发生。由于生活方式的改变,近年来,T2DM孕妇的数量急剧上升,部分国家的T2DM孕妇甚至超过了患有T1DM的孕妇人数。T2DM孕妇的胎儿罹患先天性心脏畸形的风险与T1DM孕妇相似[14]。Lemaitre等[14]通过法国产科医疗信息系统项目数据库,对2012年至2020年期间的所有活产婴儿进行了孕产妇糖尿病和婴儿先天性心脏缺陷的相关性研究,证实了T2DM孕妇子代最常见三种畸形同样是VSD、AVSD和PTA。与此一致的是,Wu等[15]通过建立母体T2DM小鼠模型,发现T2DM明显诱导胎鼠心血管发生VSD和PTA,此外,T2DM还引发了胚胎心脏的心室心肌、心内膜垫和流出道的过度凋亡。
2.GDM与CHD:与PGDM不同,GDM通常出现在孕中期(第12周至第28周)和孕晚期(28周以后)。胎儿能量的主要来源是通过胎盘从母体中获取葡萄糖。在妊娠早期,随着孕周的增加,胎儿对营养物质的需求量增加,孕妇血糖水平随妊娠进展而降低。进入妊娠中、晚期,孕妇体内抗胰岛素因子增多,胰岛素敏感性下降,为维持正常的糖代谢,胰岛素需求相应增加。在胰岛素分泌不足的孕妇中,这一生理调整不足以应对妊娠期间的需求,易出现GDM。尽管一般认为GDM相较于PGDM较少导致胎儿流产或畸形,但研究表明,在GDM患者的子代中,CHD仍是最常见的先天性畸形。其中,心肌重构异常与GDM存在高度的关联,这可能是由于GDM母体子宫内的高血糖环境影响了心脏发育相关的转录因子,从而导致胎儿心脏畸形。
母体糖尿病对胎儿心脏发育的不良影响具有多因素性。其中,高血糖环境可能直接触发一系列细胞生长和基因表达的异常,尤其是心脏流出道部分的发育。流出道的异常是造成先天性心脏病的一种重要原因,涉及多种复杂心血管畸形的形成。这一过程需要多种细胞(如心肌细胞、神经嵴细胞、间充质细胞等)在空间和时间上高度协同作用,因而特别容易受到先天性因素的影响。
1.氧化应激:高血糖状态下,过量的葡萄糖代谢通过电子传递链增加活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生成。母亲糖尿病不仅会增加ROS的产生,还会抑制内源性抗氧化系统活性,从而造成胚胎处于氧化应激状态[16]。发育中的胚胎抗氧化防御机制相对不成熟,增加了ROS对蛋白质、DNA和脂质膜的氧化攻击的风险[17]。利用鸡胚模型,人们发现高糖环境诱发心脏畸形的机制与葡萄糖过量导致的氧化应激有关。慢性和急性氧化应激导致细胞损伤和多种应激信号传导途径的激活,促使胚胎中的基因表达失调和细胞过度凋亡,从而导致胎儿心脏畸形。
Turhan等[18]将12只雌性Wistar大鼠随机分为两组,其中模型组给予链脲佐菌素(60 mg/kg)诱导糖尿病。在大鼠妊娠20 d后行剖宫产,测定母体血清和胎鼠心脏组织中的总抗氧化状态、氧化应激指数值,并对胎鼠心脏进行组织病理学检查。研究结果显示,糖尿病组的胎鼠心肌组织处于明显的氧化应激状态,胎鼠心脏结构发育不良发生率显著升高。
2.转化生长因子β/骨形态发生蛋白:转化生长因子β(transforming growth factor-beta,TGF-β)/骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)信号通路是高度保守的信号通路。TGF-β1是一种多功能的分泌性蛋白质,可调节细胞增殖、分化、胚胎发育,与胚胎心脏形成的早期过程密切相关。在胚胎发育的初期,TGF-β1调节心脏前体细胞的增殖和分化,与心脏流出道及外围结构的发育紧密相连,促成心脏最初形态的形成。TGF-β2在细胞的增殖、分化、胚胎发育、胞外基质形成等方面也起着重要的作用。实验表明,敲除TGF-β2基因会导致小鼠心脏流出道隔膜缺陷[19]。TGF-β3能在组织修复过程中刺激靶细胞的细胞外基质合成和加快血管化进程,在哺乳动物胚胎发育过程中,能够促进心脏形态发生和心脏瓣膜的形成[20]。当妊娠母亲患有糖尿病时,TGF-β II型受体、Smad2和Smad3基因表达下调,且磷酸化水平降低,阻碍下游级联反应的发生,并可能导致心脏畸形[16]。
BMP是TGF-β超家族的分支家族,由I型和II型丝氨酸-苏氨酸激酶组成,并通过Smad和非Smad途径转导信号。BMP在多个阶段驱动心脏的特化,BMP信号通路相关基因的缺失或错误表达会造成心血管畸形和血管系统缺陷,最终导致胚胎死亡[21]。Cao等[22]利用链脲佐菌素致BMP4转基因高表达小鼠糖尿病妊娠实验发现,母体糖尿病通过抑制包括BMP4在内的血管生长因子的表达,在早期胚胎发育阶段诱导胚胎血管病变。在左心室双出口中,BMP调节基因NK2 同源框 5(NK2 homeobox 5 Gene,NKX2-5)和心脏和神经嵴衍生物表达基因1(heart and neural crest derivatives expressed 1 Gene,HAND1)水平的紊乱与左心室腔内的心腔严重减少有关[23]。BMP下游转录因子的突变会影响心管和心腔的发育,小鼠NKX2-5和HAND1基因突变表现为早期左心室腔形态发生缺陷。
3.血管内皮生长因子:在母体糖尿病诱发的子代CHD中,血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)也起到了重要作用。VEGF是一类调节血管生成的因子,主要由血管周围的细胞产生,并通过旁分泌机制作用于内皮细胞。VEGFR-1和VEGFR-2主要在血管内皮细胞表达,二者刺激内皮细胞增殖并促进血管形成;血管内皮细胞生长因子受体3(vascular endothelial growth factor receptor 3,VEGFR-3)在胚胎发育早期静脉内皮细胞呈一过性表达,胎儿发育后期和出生后内皮细胞则不再表达[24]。在正常的胚胎心血管发育过程中,VEGF维持在临界阈值水平之间是必要的。伍少莹等[25]分析了VEGF在GDM孕妇胎盘及脐带血中的表达情况与孕期血糖的关系。结果表明,孕妇血糖与GDM孕妇胎盘及脐带血VEGF表达水平呈正相关。进一步的研究发现,高血糖造成的VEGF家族成员以及胎盘生长因子(placenta growth factor,PIGF)的高表达,干扰了胚胎心肌细胞的正常成熟过程,影响心外膜的发育。此外,VEGF过表达还可能导致心脏流出道形成异常[26]。关于母体糖尿病导致的VEGF高表达,是直接作用于VEGF/VEGFR还是影响级联通路中的某一环节还需进一步论证。
4.无翼相关整合蛋白:无翼相关整合蛋白(wingless-related integrins,Wnt)信号通路调控胚胎发育过程中的细胞增殖、迁移、分化和器官形态发生,在维持成人组织稳态和器官再生方面也有重要作用[27]。Wnt信号通路对于流出道发育、正常心脏瓣膜和隔膜形态发生是必需的。Wnt信号通路的核心因子β-连环蛋白(β-catenin)广泛分布于心室心肌、心内膜垫和流出道。β-catenin激活后从胞质移入细胞核,调控下游基因的表达。而母体高血糖环境会改变β-catenin的核质分布和稳定性,进一步影响下游基因的表达,导致心脏发育异常。不仅如此,Wang等[28]研究了糖尿病诱导的氧化应激对糖尿病母鼠子代心脏发育以及胎鼠心脏Wnt信号的影响,结果表明,母体糖尿病显著降低了Wnt信号通路核心中介因子Dvl2的磷酸化水平,导致GSK3β的磷酸化减少,从而促进β-catenin的磷酸化和降解。所有上游Wnt信号通路中介最终都作用于β-catenin,后者存在于心室心肌、心内膜垫和流出道中。母体糖尿病最终降低了β-catenin的表达水平,导致胎鼠心脏中心室心肌、心内膜垫和流出道的结构异常。
5.缺氧诱导因子1:当母体处于高血糖状态下,相关代谢需求增加导致氧需求增加,胚胎中缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor-1,HIF-1)水平降低,胚胎病易感性增加[29]。Bohuslavova等[30]也发现母体糖尿病会导致胚胎中HIF-1途径失调,提出了HIF-1调节途径与先天性畸形之间的可能联系。
6.其他:虽然T1DM、T2DM和GDM具有不同的病因学,但是对心脏发育的不利影响是由这几种糖尿病共有的病理过程诱导的,例如高血糖症、缺氧、氧化应激和异常母体/胎儿能量代谢[31]。胎儿对母体高血糖的反应取决于多种因素,包括暴露的严重程度和时间、其他代谢紊乱和遗传易感性。关于母体糖尿病诱发胎儿心脏畸形的机制还有其他的假说。例如,有研究发现来自母体糖尿病的异常外泌体小分子RNA(MicroRNA,miRNA),如miRNA-133、miRNA-99、miRNA-30、miRNA-23,在心脏发育中起作用[32]。糖尿病患者的母体外泌体可能通过胎盘屏障影响胚胎心脏发育,这也为CHD的预防和治疗提供了新的思路。
综合有效的妊娠前和妊娠期血糖管理能有效降低高血糖导致的胎儿心脏发育畸形,并保障母子近远期安全。对于已确诊为糖尿病、糖尿病前期或有GDM病史的妇女应进行孕前咨询和全面病情评估,确认妊娠风险并制定个体化的营养指导、生活方式管理方案。不论何种类型的妊娠糖尿病患者,在孕前和孕期科学饮食和适度运动都是控制血糖的主要手段[33]。科学和健康的饮食习惯有助于减轻妊娠糖尿病的危险因素。个性化的科学食谱、饮食的频率,规律且适度的运动,积极控制血糖,使空腹血糖≤5.1 mmol/L、餐后2 h血糖值不超过6.7 mmol/L,糖化血红蛋白控制在7%以内,保证胎儿健康的发育。当运动和饮食控制等生活方式管理手段不足以控制血糖时,应采用药物治疗。胰岛素及胰岛素类似物药效显著,且无法透过胎盘屏障,不影响胚胎发育,是目前临床治疗妊娠高血糖的首选药物,应根据孕妇血糖检测结果制定个性化的胰岛素给药方案,并注意防范低血糖的发生。由于二甲双胍的近期有效性和安全性与胰岛素相当,除T1DM患者外,也可根据患者意愿选择二甲双胍进行治疗。
此外,在妊娠期定期进行产前检查,可对妊娠糖尿病患者胎儿发育情况进行监测和评估,以便及早发现胎儿心脏的结构和功能异常,有助于CHD的诊断。目前,常用的产前CHD筛查手段包括胎儿超声心动图、磁共振成像、侵入性产前诊断等方法[34]。其中,在孕18～24周之间的胎儿超声心动图对心脏结构和功能进行评估是当前最常用和最有效的产前筛查先天性心脏病的方法。通过分析探头接受到反射回来的声波可以实时观察到胎儿的心脏结构和功能,结合多普勒技术还可以评估心脏中血液的流速和流向。在此基础上的三维和四维超声可提供心脏的三维图像,为医生提供更加全面的心脏结构和血液流动变化信息。必要时,还可结合羊膜腔穿刺、脐带血穿刺、胎儿磁共振和胎儿心电图等手段进行确诊,以综合评估胎儿心脏发育和预后情况,便于采取相应的医疗措施。在出生后6～72 h内,对新生儿进行脉搏血氧饱和度测定和心脏杂音听诊。存在异常的患儿进一步接受超声心动图、心电图等检查,如上述手段无法确诊时,可行心脏导管检查以获得更详细的心脏内部信息。新生儿CHD筛查,可及早发现疾病,改善预后,降低医疗成本,提高患儿生活质量[35]。
随着生活水平提高,人们生活方式改变,生育年龄的推迟,妊娠合并糖尿病也愈加常见,本文总结了近年来有关糖尿病妊娠导致子代心脏畸形的主要类型及相关机制的研究,为研究糖尿病妊娠致子代心脏畸形的发病机制研究和防治手段提供有益的参考。母体糖尿病不仅会造成子代心脏形态的畸形,还会影响心脏功能。糖尿病妊娠引起胎儿CHD发病的病理生理学是多因素的。目前糖尿病妊娠妇女子代 CHD 仍存在诸多待解决的问题,为进一步了解 CHD 的致病机制,还需对其综合分析。
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