摘要：心脏衰竭，又名心力衰竭，按美国心力衰竭学会、欧洲心脏病学会心力衰竭协会、日本心力衰竭学会和心力衰竭通用定义编写委员会的报告定义[ 1 ]，“心力衰竭是一种具有不同病因和病理生理学的临床综合征，而非一种特定疾病。其症状和/或体征由结构性和/或功能性心脏异常引起，

本文是系列文章《心脏衰竭中能量代谢紊乱》的第一篇！

本文主要内容：

心脏衰竭简介

心脏衰竭，又名心力衰竭，按美国心力衰竭学会、欧洲心脏病学会心力衰竭协会、日本心力衰竭学会和心力衰竭通用定义编写委员会的报告定义[ 1 ]，“心力衰竭是一种具有不同病因和病理生理学的临床综合征，而非一种特定疾病。其症状和/或体征由结构性和/或功能性心脏异常引起，并由利钠肽升高和/或肺部或全身充血的客观证据证实”。

本文不讨论心脏衰竭的病理生理学，也不讨论心脏衰竭的病因学和流行病学，仅专注于心脏衰竭中的能量代谢变化，因为心脏衰竭的本质是心脏做功效率下降，而心脏做功效率下降的本质是心脏能量代谢紊乱，因此了解心脏衰竭中的能量代谢变化，有利于我们做出更理性的饮食决策，以保护甚至修复心脏功能。

心脏能量代谢的重要性

心脏停止跳动 5 分钟，大脑就会受到不可逆的脑损伤，停止跳动 8 分钟，则可能致命。在体内，没有任何一个器官的运作对生命如此重要，因此，黄帝内经将心脏称为“君主之官”，现代解剖学则将心脏定位为一个“生物泵”，这个泵的作用是将经过肺部加工（添加氧气）的血液送进左心室，并利用心脏收缩的力量将左心室中的富氧血液泵入主动脉，为全身所有细胞和组织提供氧气和营养。

假设心脏平均每分钟跳动75次，则每天跳动10.8万次，一年超过3900万次，在80年的平均寿命中接近31.2亿次，心脏的每一次跳动，都需要庞大的能量支持，因为在静息状态下，心脏每次射血大约70毫升，这相当于每分钟5.25升血液（75*70ml）约为一个成年人的全部血液量，每天约1.5万升；一年下来，相当于1000万升血液通过大约10万公里长的血管输送。

心脏能完成如此大的工作量，主要依赖于其具有永动机性质且澎湃不绝的能源系统，为铸造该系统，在以“亿”年为单位的进化中，自然选择专门进化出了独特的肌肉：心肌，以构成心脏的主体，与其他两种类型（骨骼肌和平滑肌）的肌肉相比，心肌具有毛细血管丰富，血管网络繁密的特征。

独特的心肌细胞

而构成心脏的心肌细胞，则更加独特，与骨骼肌和平滑肌相比，它体积更小，但线粒体含量更丰富，每个心肌细胞的线粒体数量多达5000 - 8000个[ 2 ]，占细胞总体积的35%，其线粒体含量超过所有其他器官和组织，为体内之最。

跟线粒体数量相匹配的是心脏的供氧量，身体将心总输出量 5% 的血液通过“冠状动脉”输送给心脏自身，顺便说一句，心脏的重量仅为体重的0.5%；而心肌的平均氧提取率（将血液中携带的氧摄取的能力）也高达68%，超过绝大多数其他组织和器官[ 3 ]。

独特的心肌细胞，首屈一指的线粒体数量，超过自重比例 10 倍的血液供应，最佳的血氧提取能力，所有这一切的目的只有一个：为心脏营造一个最佳的有氧代谢环境，从而实现心脏“永动机”性质的能量需求，因此，我们就不难理解，为什么不论是正常或不正常的情况下，心脏消耗最大的燃料是脂肪，而不是葡萄糖。

正常心脏的燃料代谢

在以碳水化合物为主的餐后状态下，正常心脏的燃料消耗65%来自脂肪，15%来自葡萄糖，12%来自乳酸和丙酮酸，3%来自氨基酸，5%来自无氧糖酵解。

在禁食20小时后的空腹状态下[ 4 ]，正常心脏的燃料消耗85%来自脂肪，6.4%来自酮体，4.6%来自氨基酸，2.8%来自乳酸，1.2%来自其他；

而在心力衰竭患者中，这一数据有了变化，71%来自脂肪，16.4%来自酮体，6.4%来自氨基酸，5%来自乳酸，1.2%来自其他。

这些数据说明2点：

然而比较明确的一点是，与健康的心脏相比，终末期衰竭心脏的 ATP 产出量要低30%[ 5 ]，心脏能量不足导致心脏收缩能力下降，无法泵出足够的血液，全身氧气和营养供应不足，于是出现心脏病患者普遍的胸痛、虚弱、劳累（疲劳）、呼吸困难，严重时还会出现下肢水肿。

心脏ATP产量受损，也就意味着心肌细胞线粒体氧化磷酸化通量严重受损，因为在正常情况下，心脏能量代谢所需的 ATP 有 95% 来自线粒体氧化磷酸化[ 6 ]，仅5%左右来自无氧糖酵解。

如此巨大的燃料代谢变化，并非短期一蹴而就，而是长期慢性不断发展的。

心脏燃料代谢是如何改变的？

成年心脏衰竭中的燃料代谢改变，本质上是后天返先天的过程。

在胎儿时期，由于低氧环境（在胎盘内），胎儿心脏能量代谢以糖酵解（无氧）为主，消耗的主要燃料底物是葡萄糖，因此，在胎儿和新生儿心脏，糖原含量非常高，其在细胞内的体积占比达到心肌细胞总体积的30%[ 7 ]，与成年后的线粒体体积含量相当。

胎儿心脏以无氧糖酵解为主获取能量

出生后不久，心脏经历了从使用葡萄糖和乳酸到使用脂肪的重大代谢转变，与之相对应的是，心脏中的线粒体含量逐渐增加，而糖原含量逐渐下降，成年后，心脏中糖原含量不足2%[ 8 ]，而线粒体含量则高达35%；

心脏从胎儿（先天）向成年阶段（后天）的代谢转变并非不可逆，不论是健康或不健康的成年心脏都保留了在生理压力下恢复到胎儿时期的能力[ 9 ]。例如在心脏缺氧、缺血、心肌肥大、心肌萎缩、糖尿病、高血压、甲减等生理病理条件下，心脏有氧代谢能力下降，成年心脏通过下调心脏基因转录本而逆反先天，增加无氧糖酵解补偿能量不足[ 10 ]。

但这种补偿通常是短期的，仅能部分缓解心脏能量不足的窘迫，原因在于葡萄糖通过糖酵解仅能产出2个ATP，而通过线粒体氧化磷酸化则可产出30-32个ATP，由于葡萄糖分子的能量产出比下降（低15倍），为此，心脏必须增加葡萄糖摄入，以弥补糖酵解对葡萄糖的过度消耗。

在IDCM（特发性扩张型心肌病）患者、心脏起搏犬模型和喂食高盐饮食的Dahl 盐敏感大鼠中，均观察到 GLUT1（葡萄糖转运蛋白1，心脏摄取葡萄糖的主要转运蛋白） 表达增加[ 11 ]，表明心脏葡萄糖摄取能力增加。

此外，在小鼠心力衰竭模型、猪起搏诱发的心力衰竭和终末期心脏衰竭患者中[ 12 ]，来自葡萄糖的丙酮酸氧化降低。在因主动脉缩窄而出现左心室肥大的小鼠模型中[ 13 ]，心肌葡萄糖氧化减少先于心脏舒张功能障碍发生，这说明葡萄糖有氧氧化减少实际上在心脏衰竭早期就已出现。

最直接的证据就是心脏衰竭患者的心肌活检中，MCT1（单羧酸转运蛋白1）、PDH（丙酮酸脱氢酶复合物）、MPC（线粒体丙酮酸载体）、以及丙酮酸/丙氨酸氨基转移酶的表达减少[ 14 ]，这说明丙酮酸运输和代谢减少，意味着葡萄糖有氧氧化减少。

综上所述，心脏燃料代谢的改变，实际上始于心脏有氧氧化减少（包括脂肪酸和葡萄糖的有氧氧化），而糖酵解无氧氧化增加。

这种转变如何推动心脏衰竭的进展？

心脏燃料代谢改变的后果

心脏葡萄糖摄取增加，有氧氧化减少，无氧糖酵解增加，带来的后果不仅仅是心脏能量不足（能量饥饿），而是有着其他更为严重的后果，这些后果会推动心脏衰竭和其他心脏疾病的发展。

1），心肌细胞线粒体氧化应激

心肌线粒体氧化应激是心脏衰竭的普遍特征，观察到在心脏衰竭的人类和心脏衰竭动物模型中[ 15 ]，ROS（活性氧）有所增加。心脏葡萄糖摄取增加会导致丙酮酸水平升高，在心脏衰竭人群中观察到的ME1（苹果酸酶1）水平升高[ 16 ]，ME1水平升高将多余的丙酮酸羧化为苹果酸，此反应会消耗还原谷胱甘肽和维持细胞内氧化还原状态所必需的NADPH，并导致线粒体氧化应激。

事实上，降低压力超负荷导致心脏衰竭的大鼠心脏中的 ME1 水平会增加丙酮酸流入 TCA（三羧酸循环），并通过使还原谷胱甘肽 (GSH) 正常化来恢复氧化还原稳态，减少乳酸生成，并最终改善心脏收缩力。

心肌线粒体氧化应激是心脏衰竭的普遍特征

从这个角度来说，减少心脏葡萄糖摄取，降低心肌细胞中的丙酮酸水平，可以显著降低心肌细胞的氧化应激，从而缓解心脏衰竭。这可能就是为什么心肌细胞GLUT1（葡萄糖转运蛋白1）缺失不会加剧压力超负荷引起的收缩功能障碍或加速心力衰竭的进展[ 17 ]，而心肌细胞GLUT1过表达介导的葡萄糖摄取增加不仅不能预防心脏收缩功能障碍[ 18 ]，反而会加剧肥大表型的原因之一。

2），葡萄糖代谢的有害中间产物

葡萄糖不充分氧化的中间产物可以通过进入多元醇途径、己糖胺生物合成途径 (HBP)、戊糖磷酸途径 (PPP) 和单碳循环途径等途径导致心脏重塑，尽管在生理条件下，这些途径的通量可能很小，但随着时间的推移，持续增加可能导致代谢中间体的积累，从而影响细胞功能。

在所有这些代谢通路中，己糖胺生物合成途径对心脏影响最大[ 19 ]，因为它可以导致细胞内O-GlcNAc（N-乙酰基-D-葡萄糖胺蛋白修饰，一种糖基化修饰物）修饰的积累，这种修饰已在多种心力衰竭模型中被描述，并且可能足以诱导左心室重塑。

在心脏葡萄糖不充分氧化的情况下，大约摄取葡萄糖的 5% 会被输送至己糖胺生物合成途径[ 20 ]，在压力诱导性心脏肥大的啮齿类动物中，已被证明葡萄糖摄取增加会导致经己糖胺生物合成途径的通量增加。

这条通路的产物是N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸 (GlcNAc-6-P)，并最终导致心脏蛋白质O -GlcNAc （N-乙酰基-D-葡萄糖胺）糖基化修饰增加，研究已经证明[ 21 ]，O - GlcNAc的合成是心脏肥大转录激活和进展所必需的。

非酶促糖基化最典型的例子之一是糖化血红蛋白（HbA1c）

在动物模型中[ 22 ]，心脏特异性敲除 OGT（O-GlcNAc 转移酶，将 O-GlcNAc 添加到蛋白质中） 和随之而来的O -GlcNAc（N乙酰葡萄糖胺） 水平降低可预防主动脉缩窄 (TAC) 引起的心脏肥大。

此外，O -GlcNAc也是心脏葡萄糖毒性和心脏胰岛素抵抗的主要原因，因此，这条通路（己糖胺糖基化通路）的激活，实际上是从心脏衰竭进展为心脏肥大以及后继的其他心血管疾病所必需的。

最后，当心脏O -GlcNAc水平升高后，转录因子的糖基化被认为是葡萄糖诱导心脏永久恢复胎儿代谢程序的核心机制[ 23 ]。

从长远来看，葡萄糖代谢不充分的有害中间产物，可能会导致比氧化应激更严重的长期后果。

3），燃料底物的代谢竞争

心脏的葡萄糖代谢会导致丙酮酸产生的乙酰辅酶A增加，细胞内乙酰辅酶A水平过度增加会在乙酰辅酶A脱羧酶的作用下转化为丙二酰辅酶A，这是脂肪酸从头合成的第一步，为顺利合成脂肪酸，丙二酰辅酶A会抑制CPT-1（肉碱棕榈酰转移酶1，运载长链脂肪酸穿越线粒体膜的运输工具）的活性，减少长链脂肪酸的β-氧化[ 24 ]，这会导致以下2个结果：

心脏氧化脂肪酸的能力，随着心脏衰竭的严重程度而降低[ 25 ]，一方面是因为氧能比的关系（1分子氧气燃烧脂肪产出4.6个ATP，而葡萄糖为5.1个ATP），另一方面则是因为上述燃料底物竞争的关系，心脏葡萄糖摄取增加，对脂肪氧化形成了抑制，从而导致心脏中脂质积累。

葡萄糖与脂肪酸之间的底物竞争，被称为“兰德尔循环”

在人类肥胖相关的心肌病中[ 26 ]，心脏甘油三酯积累增加和心脏结构重塑（例如左心室肥大）与心脏功能变化（例如心肌收缩能力下降）有关。通过抑制CPT-1（肉碱棕榈酰转移酶1）活性来降低心脏脂肪氧化曾被视为预防肥胖相关心肌病的潜在策略，但来自动物和人类的研究表明脂肪酸氧化大幅降低反而会导致心脏肥大。

纯合子 CPT-1b 敲除小鼠在基础条件下表现出心脏肥大和过早死亡[ 27 ]。而 CPT-1b部分敲除则导致TAC（主动脉缩窄）后的小鼠充血性心力衰竭死亡率高达80%[ 28 ]。

乙莫克舍（etomoxir）是一种线粒体CPT-1抑制剂，在大鼠心脏中，乙莫克舍降低了脂肪酸氧化，并增加了葡萄糖氧化，但同时也诱导正常和压力超负荷心脏的大鼠心脏左右心室同步肥大，且心脏代谢出现典型的逆反先天胎儿代谢模式[ 29 ]。在人类中，40毫克与80毫克剂量的乙莫克舍均可抑制人类心脏脂肪酸氧化，增加人类心脏葡萄糖氧化，但研究发现[ 30 ]乙莫克舍治疗后，与基线相比，测试项目（快速6分钟走廊步行测试）没有明显变化，且由于 4 名服用乙莫克舍患者出现了不可接受的高转氨酶水平，这导致研究提前结束。换句话说，乙莫克舍可能具有肝毒性。

在健康的心脏中，葡萄糖与脂肪酸的竞争代谢关系可以利用餐后的空腹期灵活调节，但在衰竭的心脏中，代谢灵活性严重受损，此时，这种代谢竞争无疑会加剧心脏的代谢负担。

4），激活mTORC1，促进心脏重塑

在心脏葡萄糖消耗（摄取）增加的心脏模型中，左心室肥大和心脏功能障碍发展的一个潜在原因是 mTORC1（雷帕霉素复合物 1 的机制靶点）的激活[ 31 ]，此蛋白质是细胞生长和增殖的主要调节因子。

从机制上来说，葡萄糖本身不能直接激活mTORC1，然而，葡萄糖磷酸化后的 葡萄糖-6-磷酸（G6P）是引发体内和体外mTORC1 激活所必需且充足的条件[ 32 ]。因此，在心脏葡萄糖摄取增加和葡萄糖不完全氧化的心脏衰竭背景下，心脏葡萄糖磷酸化产物G6P浓度增加，完成对mTORC1的过渡激活。

此外，在成人心脏中，支链氨基酸（BCAA）中的亮氨酸是最有效的 mTORC1 激活剂，而心脏衰竭患者血浆中的BCAA水平会升高，这一度被认为是未来心血管疾病的早期预测指标[ 33 ]。

BCAA水平升高可能部分原因在于心脏衰竭时BCAA氧化受损，心脏中积累的BCAA和葡萄糖-6-磷酸（G6P）一起激活心脏mTORC1 信号，从而促进心脏肥大增生[ 34 ]。

研究显示，在衰竭的人类心脏中[ 35 ]，机械卸载（心脏衰竭的机械循环支持装置）会导致G6P水平降低，内质网氧化应激标志物下降，心脏肥大缓解，心脏收缩功能改善，mTORC1表达下降。

研究也支持[ 36 ]刺激心脏 BCAA 氧化，或使用雷帕霉素抑制 mTOR 可以改善心脏功能，而补充BCAA会进一步增强mTORC1信号并加重心脏功能障碍。此外，在体外细胞培养研究中[ 37 ]，BCAA不完全氧化产物会抑制线粒体复合物 I 并增加超氧化物的产生，从而导致线粒体功能受损。

综上所述，心脏燃料代谢改变，并不仅仅和心脏衰竭中能量（ATP）产出不足有关，它还能通过“心脏线粒体氧化应激”“葡萄糖不完全氧化中间产物”“燃料底物竞争”“激活mTORC1”等四个方面成为其他心脏病导火线，促进心脏疾病的全面发展。

文末总结：

心脏衰竭的病因多种多样，治疗的药物也达到几十种，然而不论是急性心脏衰竭还是长期慢性心脏衰竭，心脏能量代谢改变是所有心脏衰竭的普遍特征，也是心脏之所以会衰竭的底层逻辑，通过了解心脏在健康与衰竭等不同状态下的能力代谢特征，可能对任何类型的心脏衰竭都有一定的帮助。

来源：健康盛会