運動性肥大心臟心肌超微結構改變的實驗研究

孫 強

運動性肥大心臟心肌超微結構改變的實驗研究

孫 強

通`過大鼠8周遞增負荷游泳訓練模型的建立，研究運動性心臟肥大大鼠心肌超微結構的變化規(guī)律及運動對心肌細胞的影響，為運動性心臟猝死提供科學依據。結果表明：有氧訓練組大鼠線粒體數量明顯增多，體積增大，有輕度腫脹，基質尚均勻，嵴排列規(guī)則密集，結構清晰完整，線粒體膜完整。細胞核增大，核周間隙略增寬，核質均勻，核膜完整清晰，染色質均勻。肌絲排列整齊，數量增加，肌小節(jié)明暗帶相間，結構清晰，肌膜完整，閏盤整齊，呈臺階狀；而過度訓練組大鼠線粒體明顯腫脹，基質溶解呈現空泡變形，嵴排列紊亂，融合甚至消失，線粒體膜被損。細胞核不規(guī)則，核膜明顯內陷或皺縮，核質不均勻，染色質凝聚，異染色質在核邊緣聚集。肌絲粗細不均，部分肌絲呈節(jié)段性變形，閏盤出現明顯擴張，部分閏盤不成形。結果提示：適宜的運動負荷使心臟發(fā)生適應性改變，心肌發(fā)生生理性肥大，而長期的過度負荷會導致心肌細胞發(fā)生與衰老相似的病理性改變，甚至導致心肌細胞死亡，引起運動性心臟猝死。

運動性心臟肥大；超微結構；實驗研究

運動訓練對心肌超微結構影響的報道頗多：運動后出現心臟擴大，心肌肥厚，心肌細胞線粒體數目增多，肌原纖維變粗，肌漿網擴張等改變，心力貯備增加，被認為是心臟的適應性的代償變化[1]；研究中同時也發(fā)現運動后心肌細胞線粒體腫脹，細胞核染色質異常，閏盤失去臺階狀結構，呈蛇形卷曲或毛發(fā)狀卷曲等病理變化[2]，但是心肌超微結構的改變與運動量和運動強度間關系性的研究報道較少。近年競技體育訓練和比賽如長跑、足球等大強度耐力項目中，心源性猝死和暈厥現象引起了運動醫(yī)學界的廣泛關注，但目前對其發(fā)生的機制尚不清楚。本文重點研究超大強度運動后心臟的病理變化，探索心肌細胞超微結構的變化規(guī)律，以期為心臟的醫(yī)療保健提供形態(tài)學依據。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

純種健康雄性SD大鼠36只，由中科院上海運動研究中心提供，體重179.6±15.7g，國家標準嚙齒類動物飼料喂養(yǎng)，自由飲水進食，并記錄每天的飲食情況。

1.2 實驗方法

1.2.1 運動條件 實驗室內溫度21-24○C，濕度44-55%，分籠飼養(yǎng)，每籠6只。游泳池120cm×80cm×70cm，內壁光滑，水深超過大鼠身長的2倍，水溫31-32○C。

1.2.2 運動方案 大鼠購進后先適應性喂養(yǎng)1周，按體重隨機分組：對照組（12只）：平時不運動，飼養(yǎng)條件與運動訓練組相同。有氧運動組（12只）：每周訓練5天，每天1次。第1次游20分鐘，以后逐日增加游泳時間。第1周末時游0.5小時，第2周末時游1小時，第3周末時游2小時。從第4周開始強度不再增加，保持到實驗結束。訓練時間共8周。過度負荷組（12只）：前3周和有氧運動組的訓練完全相同，第4周起開始高強度訓練。第4周開始時在過度負荷組大鼠尾部負0.5%體重的重物，每天游2小時。第4周末時負重增加至體重的1%，第5周末時增加至體重的

1.5%，第6周末時增加至體重的2%，從第7周開始增加訓練次數，每天上午訓練1次，負2－3%體重游2小時，下午訓練1次，負3－6%體重游至力竭（力竭標準為沒入水中10秒不能浮出水面），直至訓練結束。訓練時間共8周。

1.3 取材、標本采集及處理

大鼠末次游泳訓練后24小時，稱重，斷頭處死，迅速解剖大鼠，取左心室，在冰生理鹽水中浸泡，洗取殘血，濾紙吸干水分，稱心臟重量及左心室重量。

取左室1mm3小塊，用2.5%戊二醛前固定24h，在0.1M磷酸緩沖液中漂洗3次，1%鋨酸后固定、梯度酒精脫水、包埋、切片、染色，在日立-H600透射電子顯微鏡下觀察拍片。

1.4 結果處理

數理統(tǒng)計采用國際通用統(tǒng)計軟件SPSS11.0 for Windows的t檢驗，全部數據均以均數±標準差（）表示。

2 實驗結果

2.1 大鼠體重變化

對照組和有氧訓練組大鼠體重一直呈上升趨勢，且增加幅度比較大，尤其是對照組體重增長最明顯。過度訓練組大鼠體重也呈上升趨勢，但第四周后體重增長幅度明顯減小。具體見圖1。

圖1 大鼠體重變化情況

2.2 大鼠一般情況變化

8周游泳訓練后，對照組和適宜負荷組大鼠神態(tài)安靜，皮毛光潔整齊，眼睛有神。適宜負荷組在訓練后期能順利完成訓練任務。過度負荷組大鼠神態(tài)倦怠，眼神黯淡無光，毛發(fā)稀疏，易受驚嚇，進食量明顯減少，反應能力和運動能力降低，有的已經明顯無法承受運動負荷。運動訓練后期，過度負荷組大鼠死亡率較高。

2.3 大鼠八周末體重、心臟重量、左心室重量及心系數

8周游泳訓練后，有氧訓練組和過度負荷組體重比對照組有顯著性降低（P<0.01），且過度負荷組體重比有氧訓練組有顯著性降低（P<0.01）。有氧訓練組和過度負荷組心臟重量比對照組有顯著性增加（P<0.01），且有氧組心臟重量顯著高于過度負荷組（P<0.01）。有氧訓練組和過度負荷組心系數明顯高于對照組（P<0.01），且有氧訓練組心系數明顯低于過度負荷組（P<0.01）。具體見表1。

表1 大鼠體重、心臟重量、左心室重量及心系數

2.4 大鼠心肌超微結構

2.4.1 對照組大鼠心肌超微結構 心肌組織結構正常，線粒體數量較多，呈橢圓形，嵴清晰，線粒體膜完整。細胞核呈橢圓形，核膜雙層結構清晰完整，核質均勻，核仁明顯，染色質疏松，密度均勻。肌絲排列整齊，肌小節(jié)各節(jié)清晰可見，肌膜完整，無肌絲斷裂扭曲，閏盤清晰，偶有擴張。

2.4.2 有氧訓練組大鼠心肌超微結構 線粒體數量明顯增多，體積增大，有輕度腫脹，基質尚均勻，嵴排列規(guī)則密集，結構清晰完整，線粒體膜完整。細胞核增大，核周間隙略增寬，核質均勻，核膜完整清晰，染色質均勻。肌絲排列整齊，數量增加，肌小節(jié)明暗帶相間，結構清晰，肌膜完整，閏盤整齊，呈臺階狀。

2.4.3 過度訓練組大鼠心肌超微結構 心肌組織結構不完整，線粒體明顯腫脹，基質溶解呈現空泡變形，嵴排列紊亂，融合甚至消失，線粒體膜被損。細胞核不規(guī)則，核膜明顯內陷或皺縮，核質不均勻，染色質凝聚，異染色質在核邊緣聚集。肌絲粗細不均，部分肌絲呈節(jié)段性變形，閏盤出現明顯擴張，部分閏盤不成形。

3 分析與討論

3.1 心臟重量及心系數

心臟重量是反映心臟肥大的主要指標，由于心臟絕對重量受體重影響，所以一般用心臟的相對重量即心系數作為判斷心臟肥大的指標[2]。本實驗的結果顯示，有氧訓練組和過度訓練組的心系數比對照組都有顯著性增加，說明兩訓練組大鼠心臟均產生肥大，尤以左室肥大更明顯，提示本實驗的造模大鼠達到運動性心肌肥大的要求。

3.2 大鼠心肌超微結構

心臟搏動消耗的能量主要由有氧氧化供給，其中約80 %的能量需求由線粒體產生[3]。有資料顯示[4]，線粒體對生理和病理性應激都很敏感，是最容易出現變化的亞細胞器之一。本實驗的結果顯示，有氧訓練組大鼠線粒體數量明顯增多，體積增大，有輕度腫脹，基質尚均勻，嵴排列規(guī)則密集，結構清晰完整，線粒體膜完整。有氧運動過程中，機體代謝率升高，心肌細胞的能量消耗增加，作為“能量工廠”的線粒體出現適應性代償性改變：數目增多，體積增大，輕度腫脹。運動量增大，使ATP合成受影響，ATP依賴的鈉泵活動改變，線粒體內鈉離子增多，而使細胞內外的水鹽平衡失調，大量水進入細胞，引起線粒體腫脹，但線粒體的基質尚均勻，線粒體膜完整，說明線粒體的損傷是可逆性的。能源物質的氧化過程中，呼吸鏈和氧化磷酸化過程大多在線粒體嵴上完成。有氧訓練組大鼠線粒體體積增大，嵴排列整齊規(guī)則，顯示了線粒體代償功能的增加。細胞核增大，說明核酸類物質合成增多，核與細胞質的物質交換增加，同時作為細胞核與細胞質之間物質交換的通道并富含代謝酶類物質的核周隙增寬。有氧訓練組大鼠線粒體、細胞核等的這些變化都說明心肌細胞代謝旺盛，適應運動時的能量供應和機體代謝的需求。

過度負荷組大鼠的心肌超微結構出現病理性變化：線粒體明顯腫脹，基質溶解呈現空泡變形，嵴排列紊亂，融合甚至消失，線粒體膜被損。線粒體嵴異常，意味著心肌細胞損傷的開始，說明線粒體功能明顯減退，退變呈膜性殘余物或巨大空泡。線粒體結構的改變與細胞凋亡的早期超微結構改變相似，說明過度負荷訓練引起的線粒體損傷是不可逆的，使心肌細胞的能量供應不足，造成心肌細胞的病理性損害。線粒體膜受損，是由于長期大負荷的過度訓練，自由基大量產生，損傷心肌細胞膜使其通透性發(fā)生改變，細胞內鈣離子濃度增加，激活了存在于線粒體膜上的內源性磷脂酶，而激活的磷脂酶可以破壞線粒體膜上的結構和功能分子磷脂，造成線粒體膜被損。有氧訓練組細胞核增大，核周間隙略增寬，核質均勻，核膜完整清晰，染色質均勻，而過度負荷組細胞核不規(guī)則，核膜明顯內陷或皺縮，核質不均勻，染色質凝聚，異染色質在核邊緣聚集。過度負荷組的這些變化是細胞核壞死的表現。過度負荷組肌絲明顯受損，粗細不均，肌節(jié)呈節(jié)段性變形，閏盤明顯擴張，部分閏盤不成形，這主要是由于長期大負荷的過度訓練過程中，肌絲收縮蛋白長時間活動，ATP缺乏或鈣離子和鎂離子變化而聚集，能量供應不足，心肌纖維極度疲勞收縮而得不到及時恢復造成的。閏盤擴張，失掉正常閏盤的臺階狀結構，提示心肌閏盤結構和功能受損，影響心肌興奮的傳導，并引起細胞間連續(xù)的機械力喪失，甚至可使興奮傳導障礙而出現心律不齊。

有資料提示[5]，線粒體損傷及功能障礙與某些心肌病有關。過度負荷組大鼠線粒體、細胞核、肌絲等的變化表明，持續(xù)的大負荷運動，將使心肌細胞出現不可逆的病理改變。因此，長期過度負荷運動時，即使運動員的心理狀態(tài)和骨骼肌還保持興奮狀態(tài)，使機體運動處于較高水平，但潛在的心肌病理性變化則可能潛匿性導致運動性心臟猝死的發(fā)生。

過度負荷組大鼠心肌超微結構的病理性變化可能與心肌缺血、缺氧及自由基大量產生有關。Gollnick[6]和Bowers[7]報道，力竭性運動后骨骼肌線粒體腫脹，伴隨內膜嵴變性。黃利長等[8]證實大強度運動時骨骼肌線粒體電子濃集，個別膨大成絮狀，超大強度運動引起線粒體體積顯著增大，嵴斷裂，基質密度普遍降低。前者被認為是線粒體缺氧初期，也是變性的開始，后者是組織嚴重缺氧的表現。張勇等[9]的研究發(fā)現，遞增負荷力竭性運動后大鼠心肌組織和線粒體脂質過氧化產物丙二醛（MDA）顯著性增高。Shinobu等[6]用H2O2灌注大鼠主動脈實驗表明，心肌線粒體腫脹，嵴破損，心肌收縮力下降，ATP水平顯著降低。長期過度負荷運動后自由基大量產生，線粒體膜上的不飽和脂肪酸、膜蛋白和DNA等被自由基通過脂質過氧化反應大量破壞，最終導致線粒體損傷。有氧運動中，自由基產生量并不大，并可在短時間內被清除，細胞和亞細胞器的損傷較輕，隨著運動強度增大，自由基的產生增多且消除較慢，心肌細胞的損傷更趨嚴重且無法修復。長期過度負荷運動過程中，心肌缺血、缺氧和自由基大量產生是造成心肌損害的重要原因，但不可忽視的是，過度訓練組大鼠心肌長期在疲勞狀態(tài)下進行強力收縮，尤其是后四周的訓練，兩次訓練間的時間間隔短，大鼠心肌得不到足夠的休息，無法徹底恢復，可能是導致心肌損害的更為直接的因素。

過度負荷組大鼠心肌超微結構的變化及原因與心肌細胞自然衰老的癥狀及原因一致。心肌細胞是高度分化的細胞，再生能力差，隨著年齡增加，心肌細胞受損傷衰亡致使其數量逐漸減少，而長期大負荷運動后也出現心肌細胞凋亡使其數量減少的現象，使心臟受損而功能下降[10]。細胞核固縮，線粒體腫大等衰老現象是由生命周期中代謝產生的活性氧成分造成的損傷積累引起的[11-12]。這與長期大負荷運動過度運動后的病變原因是一致的。有資料顯示[13]，線粒體的形態(tài)變化程度與運動持續(xù)時間有密切關系：運動持續(xù)時間越長，對有氧氧化的依賴程度越大，線粒體的工作負擔不可避免的加重，損傷加大。由此可推測，長期過度負荷的運動將促進心肌細胞的衰老，且隨著運動強度的加大，心肌細胞凋亡現象更為明顯。不過，這還需進一步的實驗證實。

4 結 論

（1）適宜的運動負荷使心肌細胞產生增強功能的代償性適應性改變，有利于大鼠心肌功能的提高，心肌發(fā)生生理性肥大。

（2）長期大負荷的過度訓練心肌缺血、缺氧、自由基大量產生以及心肌在疲勞狀態(tài)下進行強力收縮，使心肌細胞產生不可逆的病理性改變，損傷心肌超微結構，影響心肌正常功能，心肌發(fā)生病理性肥大。

（3）長期大負荷過度訓練時，機體雖處于較高運動水平，但潛在的心肌病理變化可能會導致運動性心臟猝死。

（4）長期過度負荷的運動可能會加速心肌細胞的衰老，且隨著運動強度的加大，心肌細胞凋亡現象更為明顯。

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Experimental Study on the Ultrastructure Change of Cardiomyocyte in Athletic Heart

SUN Qiang

In order to study sudden cardiac death in athletes, the article is to see the pathologic change of cardiac myocyte in athletic hearts and explore the mechanism of the pathologic change by adapting rat swimming model with increasing workload for 8 weeks. The results showed: The aerobic training group, the number and volume of mitochondria increased and the membrane of mitochondria remained entire. The nucleus envelops of expansion nucleus appear as dentations. These changes were considered as the adaptation to exercises. At the same time in overload group some pathologic changes of the cardiac myocyte similar to senescence also appeared, such as mitochondria expanse, the crista disorder or disappearance, unclear mitochondria membrane, many dense bodies in cytoplasm, nucleus disfiguration and chromatin collection at edge. Conclusions: After moderate workload swimming training, physiological changes of cardiac myocyte occur, but after overload swimming training, some pathologic changes of cardiac myocyte appear. With the raise of exercise intension, the pathologic changes became more obvious even appearance of cardiac myocyte death.

Rat; Athletic heart; Ultrastructure; Experimentel study

G804.2

A

1007―6891（2013）04―0033―04

2012-11-17

齊魯師范學院體育學院，濟南 山東，250013。P.E School. of Qilu Normal University , Shandong Jinan, 250013.