不同運動負荷大鼠心肌膠原纖維形態(tài)學(xué)變化特征的電鏡觀察

趙　冰　王慶志　文小軍　王立東　張　曦

（1.鄭州大學(xué)第三附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科，河南 鄭州 450052；2.河南省食管癌開放實驗室，河南 鄭州 450052；

3.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河南 新鄉(xiāng) 453003）

摘 要：目的：通過電鏡技術(shù)觀察不同運動負荷下心肌膠原纖維的形態(tài)學(xué)變化特征。方法：將36只Wistar大鼠隨機分成對照（C組）、一般運動負荷組（NS組）、超負荷（O組），每組各12只，分別給予一般負荷、中等負荷、超負荷的運動訓(xùn)練。8周后, 斷頭處死，取出心臟左心室前壁、左室乳頭肌處兩組組織塊分別作透射和掃描電鏡觀察。結(jié)果：正常組膠原纖維的形態(tài)分為粗纖維、細纖維和微細纖維三種；心肌結(jié)構(gòu)完整。一般運動負荷組，心肌束間或肌束內(nèi)較粗膠原纖維大量增生；心肌細胞體積略顯增大，體積增大。超負荷組，心肌細胞間膠原纖維大量增生，心肌束間或心肌束粗大膠原纖維過度增生。結(jié)論：運動超負荷可致膠原纖維增生，從而導(dǎo)致心肌擴張功能與收縮功能的降低。

關(guān)鍵詞：運動負荷；膠原纖維；超微結(jié)構(gòu)；心臟

中圖分類號：G804.2文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1007-3612(2008)10-1365-04

Morphology Changes of Collagen Fibers in Rats Heart in Electronmicroscope under Different Exercise Loads

ZHAO Bing1,2, WANG Qing-zhi3, WEN Xiao-jun3, WANG Li-dong2, ZHANG Xi1

（1.Third Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, Henan China; 2. Laboratory of esophageal cancer in

Henan Province, Zhengzhou 450052, Henan China; 3. Xinxiang Medical College, Xinxiang 453003, Henan China）

Abstract:Objective: To observe the changes of collagen fibers in rats' cardiac muscle (CM) in electron microscope under different exercise loads. Methods: Thirty-six rats are divided into control group (C group), normal swimming group (NS group) and overload group (O group) .Three groups are given normal, middle and overload swimming training respectively for 8 weeks. Then all rats are killed by decapitation, and taken out the antetheca and papillary muscle of left ventricle, and the changes of collagen fibers are observed through transmission and scanning electron microscope. Result: In control group, crude fibers, small fibers and microfilament of collagen fibers can be seen, and the cardiac muscle architectonic is integrated. In normal swimming group, the crude fibers much increase in muscle bundle blank and muscle bundle inner. And the bulk of cardiac muscle cell slightly increases, the number of mitochondrion increases. In overload group, the crude fibers remarkably increase in muscle bundle blank, and the cardiac muscle architectonic is destroyed. Conclusion: Overload training can lead to the crude fibers of cardiac muscle cell increasing, and it may be lead to broaden function and retracted function depressing.

Key words: exercise load; crude fiber; ultramicrostructure; heart

心肌是由心肌細胞和心肌間質(zhì)（extracellular matrix, ECM）構(gòu)成，心肌間質(zhì)又以膠原纖維為主，構(gòu)成心肌的框架結(jié)構(gòu)，是維持心臟結(jié)構(gòu)和功能不可缺少的重要組成部分。近年研究表明，心肌膠原纖維不僅對心肌細胞具有支持和連接作用，而且在協(xié)調(diào)心肌肌力的傳遞、營養(yǎng)物質(zhì)的輸送、信息的傳遞等方面都起著重要的作用^[1]。通過電鏡觀察不同運動負荷下心肌膠原纖維的形態(tài)學(xué)變化特征及其對心功能的影響，為最終闡明運動與心臟的生理、病理變化機制提供理論依據(jù)，并為科學(xué)制定訓(xùn)練計劃和有效預(yù)防心臟損提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 動物分組和訓(xùn)練 ┆雄性Wistar大鼠36只，體重180～220 g（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院實驗動中心提供），隨機分成3組，每組12只: 對照組，常規(guī)飼養(yǎng)，不加干預(yù)；一般運動負荷組，進行中等強度游泳訓(xùn)練，游泳池體積為200 cm×70 cm×80 cm，水深60 cm，水溫34～36℃，每周訓(xùn)練6 d，1次/d。第一次下水10 min，此后逐日累加到第1周末時游泳時間達到60 min，第2周末時每天達到120 min。以后維持這一運動量直至第8周; 超負荷組，前2周的訓(xùn)練安排同一般運動負荷組，第3周給予高強度訓(xùn)練：開始時每天在大鼠尾部負體重1％的重量游120 min。以后逐漸增加負重，在周末時負重重量達到體重4%～5%。從第4周開始每天上、下午各訓(xùn)練一次，游泳時人為地用玻璃棒驅(qū)趕大鼠使其不停游動，發(fā)現(xiàn)有力竭表現(xiàn)時（在水下10 s不能浮上），撈上水面休息5 min后繼續(xù)訓(xùn)練至滿120 min，以后保持這一運動量直至第8 周^[3～5]。

1.2 標(biāo)本收集與切片制作 ┆各組大鼠訓(xùn)練滿8周后斷頭處死,取出心臟左心室、左乳頭肌處取兩組組織塊分別作透射和掃描電鏡觀察。透射電鏡組織塊大小均為1 mm×1 mm×1 mm，前者置入4％戊二醛固定液，4℃固定。然后組織塊經(jīng)1％鋨酸后固定、脫水、包埋、超薄切片、染色后在日立H-7500透射電鏡下觀察組織亞微結(jié)構(gòu)。掃描電鏡的組織塊大

小分別為2 mm×3 mm×5 mm, 呈成條狀，4％戊二醛4℃固定, 經(jīng)沖洗、脫水、干燥、噴金后在掃描電鏡下觀察、照相。

2 結(jié) 果

2.1 不同運動負荷組左心室與左乳頭肌掃描電鏡觀察

2.1.1 正常組左心室與左乳頭肌膠原網(wǎng)絡(luò)的立體形態(tài) 在掃描電鏡下,心肌膠原纖維比較豐富。膠原纖維呈粗纖維、細纖維和微細纖維三種。粗纖維數(shù)量較少，跨越若干個心肌細胞，環(huán)繞與心肌細胞群外，有縱、橫兩種走向，縱向纖維體平行，橫向纖維與心肌細胞近乎垂直比心肌細胞大，似“腰帶”狀把心肌細胞捆扎成束。橫向纖維再走行上可以發(fā)出分支或斜行。細纖維數(shù)量較多，從層面上看，位于粗纖維深層，連于粗纖維之間，交織成網(wǎng)。細纖維的編制形式復(fù)雜，規(guī)律性不明顯。細纖維一般比較短，在幾個心肌細胞表面，或跨越鄰近的幾個細胞（圖1）。細纖維可以是粗纖維的分支，向深層像樹根一樣延伸為微細纖維。微細纖維緊貼心肌細胞表面，排列緊密而細膩，形似“毯膜”,包裹心肌細胞。正常情況下微細纖維形成心肌細胞完整的膜鞘。在相鄰的心肌細胞邊緣微細纖維存在局部交織粗、細、微細三種膠原纖維相互交織，形成層次分明、立體明顯的膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，均有一定張力。在心肌細胞表面貼附一些散在的大小不等纖維細胞，有些纖維細胞被懸吊在纖維網(wǎng)之間，形成了細胞外的一個三維空間結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖1 正常組左心室肌，圖2 正常組左乳頭肌，

掃描電鏡，×1 200掃描電鏡，×2 000

2.1.2 一般運動負荷組膠原纖維變化情況 一般運動負荷組時，心肌束間或肌束內(nèi)較粗膠原纖維大量增生，呈“條索狀”或“樹枝狀”樣向下逐級延伸，呈波浪形彎曲或線形分布，并相互交織，網(wǎng)絡(luò)著心肌束(圖3)。在乳頭肌上也可見到膠原束打成的結(jié)節(jié)，粗細不等的膠原纖維多呈“條索狀”以垂直或斜交的方式借肌內(nèi)膜心肌纖維連接。心肌細胞肥大且細胞間膠原纖維連接緊密（圖4）。

圖3 一般負荷組左心室肌，圖4 一般運動負荷組左乳

掃描電鏡，×2 000頭肌，掃描電鏡，×2 000

2.1.3 運動超負荷組膠原纖維變化情況 超負荷組，心肌細胞及細胞群間膠原纖維大量增生，膠原從粗到細分級明顯，從一大束膠原形成的結(jié)節(jié)處向下均為細膠原，相互交織成網(wǎng)形成心肌細胞的“網(wǎng)格狀”居室，包裹著心肌細胞（圖5）；在心肌束間或心肌束過度增生的粗大膠原纖維成束成網(wǎng)呈波浪狀、螺旋式或網(wǎng)格型相互編織分布，粗細明顯分級分布，細纖維形成明顯的網(wǎng)格,心肌束間隙較粗的膠原纖維向心肌層伸入；同時發(fā)現(xiàn)左乳頭肌有肌纖維與膠原纖維斷裂現(xiàn)象（圖6、7）。

圖5 超負荷組左心室肌，圖6 超負荷組左心室肌，

掃描電鏡，×2 000掃描電鏡，×1 200

2.2 不同運動負荷組左心室與左乳頭肌透射電鏡觀察

2.2.1 正常組心肌超微結(jié)構(gòu)的變化 心肌結(jié)構(gòu)清晰，肌絲排列整齊，Z線、M線、I帶、A帶清晰，肌膜完整；線粒體數(shù)量較多，呈帶狀排列，嵴排列整齊，規(guī)則，線粒體膜完整，核雙層結(jié)構(gòu)清晰，核仁明顯，閏盤未見擴張(圖8)。

圖7 超負荷組左乳頭肌，圖8 正常組左心室肌

掃描電鏡，×2 000透射電鏡×2 000

2.2.2 一般運動負荷組心肌超微結(jié)構(gòu)的變化 一般運動負荷組大鼠心肌組織結(jié)構(gòu)肌絲排列整齊,數(shù)量增加,明暗帶相間,結(jié)構(gòu)清晰。心肌細胞體積略顯增大，T管亦稍有擴張，同時和肌漿網(wǎng)分布于Z線，線粒體數(shù)量明顯增多，體積增大，核膜雙層結(jié)構(gòu)清晰可見，核仁清楚，線粒體膜完整(圖9、10)。

圖9 左心室一般負荷組圖10 左乳頭肌一般負荷組

透射電鏡×4 000透射電鏡×6 000

圖11 左心室超負荷組透射電鏡×8 000

2.2.3 超負荷組肌超微結(jié)構(gòu)的變化 超負荷組大鼠心肌組織結(jié)構(gòu)完整度破壞，肌纖維粗細不均，Z線不規(guī)則增寬，肌絲排列紊亂，肌節(jié)階段性變寬或變短，肌絲扭曲斷裂明顯，部分肌纖維階段性變性，閏盤失去臺階狀結(jié)構(gòu)，閏盤出現(xiàn)明顯擴張、甚至有的閏盤失去正形性狀。肌纖維與線粒體的排列關(guān)系嚴重破壞，排列混亂；線粒體膜完整性破壞，嵴排列欠完整，發(fā)生不同程度的斷裂，髓樣變，結(jié)構(gòu)模糊不清，甚至消失，基質(zhì)電子密度降低，有的基質(zhì)溶解呈空泡結(jié)構(gòu)，核膜還基本完整，但可見周邊有切跡或皺縮(圖11)。

3 討 論

3.1 掃描電鏡下不同負荷組心肌膠原纖維變化特征 在以往的研究中大多是對心臟與心肌細胞、毛細血管等方面，特別是在運動對心肌超微結(jié)構(gòu)的影響，蛋白質(zhì)代謝調(diào)控在運動心肌適應(yīng)機制以及心肌內(nèi)分泌功能，蛋白合成激素受體功能和其他因子調(diào)節(jié)功能上進行了大量研究，為揭示運動心肌肥大變化機制提供了重要途徑。但卻忽視了對運動與ECM的探索，而實質(zhì)上許多心臟病患者都與心肌胞外間質(zhì)密切相關(guān)，ECM的形態(tài)結(jié)構(gòu)與生化重塑都會以不同程度影響心臟的功能^[6,7],心肌中膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的生理意義及其在心臟疾病時的改變成為現(xiàn)代心臟病學(xué)研究領(lǐng)域中的一個新的熱點。Weber等^[8]首次提出了間質(zhì)性心臟病的概念，從而對心臟病的研究開創(chuàng)了一個新的領(lǐng)域。ECM中的微妙結(jié)構(gòu)較心臟本身更易在不同運動負荷中發(fā)生變化，甚至影響心臟的功能，進一步觀察分析心肌間質(zhì)膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分布方式對闡述運動心臟的功能變化具有重要現(xiàn)實意義。本文觀察發(fā)現(xiàn)，心肌間質(zhì)膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在心肌、毛細血管及心內(nèi)膜之間大量的膠原纖維基本上以下幾種方式相聯(lián)接，即“網(wǎng)格狀”聯(lián)接，橫向纖維與心肌細胞近乎垂直比心肌細胞大，似“腰帶”狀把心肌細胞捆扎成束，廣泛分布于心肌細胞群及肌內(nèi)膜上，形成心肌細胞的居室，此結(jié)果證實了Weder等^[9]的觀點。“樹枝樣”聯(lián)接，細纖維是粗纖維的分支，向深層像樹根一樣延伸為微細纖維, 以垂直或斜角方式存在于肌束膜、肌內(nèi)膜上;直線型聯(lián)接，所有的膠原纖維彼此連續(xù)成網(wǎng)，形似蜂窩，相鄰的心肌細胞間為一層膠原纖維膜相隔。在若干個心肌細胞之間有較粗大的膠原纖維，這些粗纖維與其他膠原纖維連接成網(wǎng)，粗的膠原纖維位于若干個心肌細胞之間，把心肌細胞分割形成細胞群。陳小訊等認為心肌間質(zhì)的膠原主要以粗、細兩種纖維形式存在，粗纖維主要走行于心肌細胞間，組呈粗大的框架結(jié)構(gòu)；細纖維則以粗纖維為支架編織成網(wǎng)，包裹于心肌細胞和毛細血管的表面，將心肌細胞固定于其間。心肌間質(zhì)膠原網(wǎng)絡(luò)的這種組合形式對穩(wěn)定心壁的結(jié)構(gòu)很有意義,在阻止心肌肌小節(jié)的過度伸張,防止心肌細胞在收縮時移位;細膠原纖維編織成的包裹在細胞和血管的鞘狀結(jié)構(gòu)可以使心肌收縮時,產(chǎn)生的力在細胞間迅速傳導(dǎo),保證各心肌細胞的功能協(xié)調(diào)一致。并認為膠原纖維與細胞表面的任何部位均可連接^[10～13]。

本研究與以往研究在膠原纖維束的分類和排列上有所不同。實驗觀察到粗纖維多位于心肌細胞束間，縱、橫兩種走向，縱與心肌細胞平行，橫與心肌細胞近乎垂直，這些粗纖維主要功能是約束細胞群，使其成為較大的收縮單位；細纖維一般行程短，相互交織成網(wǎng)，籠罩鄰近的心肌細胞，這種排列對心肌細胞舒縮時力的傳遞、防止細胞滑脫和錯位、維持心肌張力起重要的作用；微細纖維包裹心肌細胞，形成一層絕緣膜，可能有利心肌電位的傳導(dǎo)^[14],存在于心肌細胞間及細胞群間，在乳頭肌切片上更為常見;總之心肌間質(zhì)膠原網(wǎng)絡(luò)是一個由心肌束、細胞群到細胞間、細胞內(nèi)及心內(nèi)膜和心肌毛細血管間的一個三維空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。田振軍等^[15,16]認為在細纖維之間存在許多纖維同交一點的聚集點，這些聚集點附于心肌細胞表面，細纖維由聚集點向四周輻射，是細纖維的附著點。本研究在不同組均發(fā)現(xiàn)有較大的膠原纖維束交一點相匯打結(jié)，像樹根一樣分級延伸為微細纖維，微細纖維附著在心肌細胞表面，排列緊密而細膩，形似“毯膜”,包裹心肌細胞，決定心肌硬度，粗細兩種纖維均不與細胞接觸,而纖維之間擁有較大的網(wǎng)眼,這一層纖維密度很大,把心肌細胞全部包裹,因此微細纖維是保持心肌細胞正常電位傳導(dǎo)非常重要的絕緣體,如果此膜損壞或斷裂,可能會影響心臟功能。本文觀察結(jié)果表明，一般運動負荷條件下，心肌束間，心肌細胞間借肌束膜及肌內(nèi)膜膠原纖維增生，以適應(yīng)心肌細胞肥大收縮力增加從而保證心肌間力的傳遞;運動超負荷條件下，心肌束間，心肌細胞群及細胞間大量膠原纖維不成比例增生，可見膠原纖維粗大成束成網(wǎng)以波浪形或網(wǎng)格狀廣泛分布，在小動脈壁上及心內(nèi)膜下膠原纖維過度增生，限制了心肌細胞的伸長與縮短，增加了心肌的僵硬度，使心肌細胞之間力的傳遞受阻，血管壁的彈性降低，心肌血氧供應(yīng)功能遭到破壞。發(fā)現(xiàn)的乳頭肌有肌纖維與膠原纖維斷裂現(xiàn)象也許也是因為心臟長期強有力的收縮導(dǎo)致缺氧情況而引起的損傷。同時心內(nèi)膜對缺血缺氧很敏感，運動超負荷導(dǎo)致心內(nèi)膜膠原纖維層增厚，內(nèi)皮細胞受到損傷，這可能是因心肌肥厚的原因?qū)е?。此結(jié)果與Weber等^[9]報道的壓力超負荷性心肌肥厚結(jié)果相類似。

3.2 透射電鏡下不同負荷對心肌亞微結(jié)構(gòu)的影響 心臟的機能狀態(tài)是決定運動訓(xùn)練水平的重要因素之一，直接關(guān)系運動成績的好壞，尤其對耐力運動員。本研究通過不同運動負荷觀察了心肌的超微結(jié)構(gòu)變化。心臟超微結(jié)構(gòu)改變能較直觀地反映心肌細胞及間質(zhì)重塑。構(gòu)成心臟的細胞中，心肌細胞僅為心臟細胞總數(shù)的1/3，而體積卻占心臟結(jié)構(gòu)的75%，所以心肌細胞重塑是心臟形態(tài)結(jié)構(gòu)重塑的重要方面。心肌間質(zhì)部分有成纖維細胞、膠原纖維、血管平滑肌細胞、巨噬細胞等。適宜負荷后運動心臟的超微結(jié)構(gòu)特點:1) 心肌細胞體積增大，心肌纖維增粗。2) 線粒體均勻增大，線粒體變密，基質(zhì)電子密度增強。3) 橫小管擴張增大，閏盤連接不同程度改變。長期過度負荷可導(dǎo)致心肌肌絲紊亂，部分肌絲斷裂，并出現(xiàn)心肌纖維化、結(jié)締組織增生肌節(jié)異常、線粒體腫脹、峭斷裂及鈣超載、毛細血管密度下降等現(xiàn)象^[5]。佟長青等^[18]發(fā)現(xiàn)運動性心臟心肌超微結(jié)構(gòu)亦有病理變化，主要是水鹽代謝障礙，表現(xiàn)為肌漿網(wǎng)擴張，鈣超載，而病理性心臟主要表現(xiàn)為蛋白質(zhì)合成及能量代謝受損。目前研究較一致認為，過度負荷導(dǎo)致心肌損傷的機制是血液動力學(xué)及內(nèi)分泌改變引起心肌缺血缺氧及代謝障礙，并形成惡性循環(huán)所致。本研究從微觀上證實了運動心臟與功能相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)改變。過度負荷組超微結(jié)構(gòu)顯示肌絲、閏盤、線粒體發(fā)生一系列病理性改變，可能是由于長期缺血缺氧，或缺氧累加使細胞發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)改變，如肌絲斷裂、線粒體膜的融合、嵴結(jié)構(gòu)模糊消失、空泡的出現(xiàn)。一般運動組心肌表現(xiàn)為與有氧代謝功能增強相適應(yīng)的生理性肥大，線粒體隨著細胞體積的增長而成比例的增長，和線粒體數(shù)量增加，肌節(jié)排列整齊而更適應(yīng)心臟快速收縮的協(xié)調(diào)性?？梢娺m宜的運動負荷提高心臟的機能，相反，長時間的超負荷訓(xùn)練對心臟造成損傷。

總之，實驗證明運動超負荷可致心肌膠原纖維增生，

可能是導(dǎo)致心肌擴張功能與收縮功能降低的主要原因之一。而有關(guān)運動負荷與心肌間質(zhì)膠原網(wǎng)絡(luò)重塑的調(diào)控及分子生物學(xué)機制有待作進一步研究。

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