心肌線粒體對心臟舒縮功能影響的研究概況

褚延鵬 劉 婧

1.山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東 濟南 250014;2.山東大學(xué)，山東 濟南 250014

心臟作為人體最重要的器官，其主要起泵血的作用，而這個作用的實現(xiàn)有賴于其正常舒縮功能的維持。心肌線粒體作為心肌細胞一種特殊的細胞器，為心臟的舒縮活動提供著最為重要的能量支持，一旦因為各種原因?qū)е戮€粒體功能失調(diào)，則會導(dǎo)致心肌舒縮功能的下降。并且，近期大量研究表明[1-3]，當(dāng)人體內(nèi)環(huán)境處在氧化應(yīng)激、缺血等應(yīng)激狀態(tài)下時，心肌細胞線粒體不僅出現(xiàn)能量供應(yīng)障礙，還會誘導(dǎo)細胞凋亡。這些現(xiàn)象都說明線粒體在心肌舒縮活動中扮演的無可替代的作用。因此，有必要將心肌線粒體對心臟舒縮功能的影響做比較詳細的闡述。

1 心肌線粒體正常超微結(jié)構(gòu)

線粒體是普遍存在于真核細胞內(nèi)的一種重要的細胞器，由于其特殊功能，有“動力工廠”之稱。由于心肌耗氧量大的特點，心肌纖維內(nèi)尤其含有大量的線粒體。其內(nèi)線粒體長且粗，嵴也較密集，主要分布于肌絲束之間，呈縱行排列，大約占心肌細胞的30%[4-5]。

電鏡下可見心肌細胞內(nèi)的線粒體成粗桿狀，為典型的雙膜細胞器，是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)，由外向內(nèi)的結(jié)構(gòu)依次是線粒體外膜、外室、內(nèi)膜和嵴以及內(nèi)室[6]。其內(nèi)外界膜的通透性不同，外界膜的通透性高，可容許多種物質(zhì)通過;而內(nèi)界膜則構(gòu)成明顯的通透屏障，使一些大分子物質(zhì)如蔗糖和NADH不能通過，而一些小分子物質(zhì)如鈉離子和鈣離子等也只有通過主動運輸才能進入其中。線粒體的基質(zhì)含有電子致密的無結(jié)構(gòu)顆粒，與二價陽離子如Ca2+及Mg2+具有高度親和力?；|(zhì)中進行著β氧化，氧化脫羧，枸櫞酸循環(huán)以及尿素循環(huán)等過程;在線粒體的外界膜上含有單胺氧化酶以及糖和脂質(zhì)代謝的各種轉(zhuǎn)移酶;在內(nèi)界膜上則為呼吸鏈和氧化磷酸化的酶類。

2 心肌線粒體在心肌舒縮功能中的作用

線粒體是細胞內(nèi)的能源產(chǎn)生基地，而其在心肌舒縮功能中最重要的作用就是通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，是供應(yīng)心肌細胞在收縮與舒張過程中所消耗的所有能量的主要來源。線粒體內(nèi)膜含有全部呼吸鏈中電子傳遞的酶以及ATP酶，它們按照嚴格的排列順序和方向，參與電子的傳遞，能將代謝脫下的電子最終傳遞給氧，生成水，同時釋放能量。

Ca2+作為信號分子，在心肌收縮與舒張過程中扮演著重要的角色，而線粒體亦參與了鈣離子的轉(zhuǎn)運與儲存等過程。根據(jù)大量研究表明，發(fā)揮鈣離子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的線粒體被稱為心肌纖維內(nèi)線粒體[7](IMFMs，intermyofibrillar mitochondria)，位于肌小節(jié)兩個相鄰Z線附近，被肌原纖維所包裹。IMFMs與交界性肌漿網(wǎng) (JSR，junctional SR)相鄰，并且兩者都在T管附近，它們之間的空間位置是IMFMs與JSR之間鈣離子信號傳遞的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。由于其位置上的特殊性，IMFMs一方面可以給鈣泵提供能量，調(diào)節(jié)肌漿網(wǎng)鈣離子循環(huán);另一方面，其自身又可能因肌漿網(wǎng)鈣離子循環(huán)的影響而發(fā)生鈣離子升高與恢復(fù)的循環(huán)過程，稱之為“線粒體鈣離子循環(huán)”。研究表明其攝取鈣離子的方式有三種，分別為鈣離子單向轉(zhuǎn)運體，通過線粒體內(nèi)膜RyR攝取鈣離子，以及快速攝取模式。鈣離子的外排機制目前認為有兩種，分別為鈉離子依賴性機制和非鈉離子依賴性機制，而以前者為主。由于線粒體的鈣離子轉(zhuǎn)導(dǎo)機制到目前為止仍然存在相當(dāng)大的爭議，其具體的通路尚未明確，在此不再贅述。

3 心肌線粒體異常超微結(jié)構(gòu)的變化

線粒體是一個功能復(fù)雜的細胞器，是受到內(nèi)外環(huán)境病理性因素的影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)改變的最敏感的細胞器，當(dāng)其受到損傷時，常見的超微結(jié)構(gòu)的改變有:線粒體因其內(nèi)水潴留而發(fā)生明顯腫脹、肥大、增生和積水變，其內(nèi)嵴變短，變少，方向不規(guī)則，排列混亂，出現(xiàn)氣球樣變，或者萎縮，嚴重時甚至很難看到[4]?；|(zhì)內(nèi)出現(xiàn)電子密度增高區(qū)，有的出現(xiàn)多個透亮的區(qū)域，嚴重時發(fā)生空泡變性。部分線粒體發(fā)生破裂、溶解，部分線粒體出現(xiàn)包涵體，并且可以看到巨線粒體[1]。當(dāng)線粒體受損嚴重時，可以看到線粒體數(shù)量大量減少。

4 導(dǎo)致異常超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的機制以及對心臟舒縮功能的影響

冠脈粥樣硬化、冠脈痙攣、膿毒血癥、心肌病、心律失常、PCI術(shù)后、創(chuàng)傷、休克等各種原因?qū)е滦募∪毖?、缺氧以及缺血再灌注損傷，造成心肌細胞氧自由基生成迅速增多，鈣超載，炎癥細胞及炎癥因子大量激活，神經(jīng)-體液調(diào)節(jié)紊亂，從而導(dǎo)致心肌細胞超微結(jié)構(gòu)的病理性損傷。

4.1 線粒體能量產(chǎn)生障礙 線粒體是心肌工作的能量來源，一旦其能量產(chǎn)生障礙，無法產(chǎn)生足夠的ATP，將導(dǎo)致心肌舒縮功能的下降。當(dāng)心肌缺血、缺氧時，機體產(chǎn)生過多的氧自由基以及線粒體內(nèi)的鈣超載將影響線粒體內(nèi)代謝所需要的酶的活性和數(shù)量，造成酶的活性下降，酶生成障礙以及酶的數(shù)量下降，出現(xiàn)電子傳遞障礙，呼吸鏈解體，糖、脂、蛋白質(zhì)等代謝障礙，從而造成三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等能量產(chǎn)生途徑的障礙，導(dǎo)致ATP生成減少，甚至造成致命性的能量衰竭[5，8]。

4.2 線粒體損傷造成細胞凋亡 線粒體不僅是細胞內(nèi)的能量中樞，當(dāng)其受到病理性因素的影響時，容易出現(xiàn)其結(jié)構(gòu)及功能的損傷，尤其是近來研究表明，是線粒體內(nèi)的鈣超載而非細胞質(zhì)內(nèi)的鈣超載能夠造成細胞的凋亡。如果在鈣超載及氧自由基的影響下，大量心肌細胞發(fā)生凋亡，就會導(dǎo)致心肌梗死的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致心肌舒縮功能嚴重受限。

常見的細胞凋亡有三種途徑，分別為①死亡受體途徑，又稱為外源性途徑，由Fas及其配體引發(fā)，Caspase-8或Caspase-10介導(dǎo);②線粒體途徑，又稱為內(nèi)源性途徑，當(dāng)機體內(nèi)環(huán)境出現(xiàn)紊亂時，影響到線粒體的功能，使線粒體通透性增加，跨膜電位崩解，位于線粒體膜間隙的細胞色素C(Cytc)等釋放于細胞漿內(nèi)，使凋亡蛋白酶活化因子(Apaf-1)多聚體化并激活Caspase-9。Caspase-9降解底物后，其蛋白降解產(chǎn)物又可引起線粒體通透性進一步發(fā)生變化，并進一步抑制線粒體的氧化磷酸化，形成惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致凋亡的發(fā)生，此途徑可被Bcl-2家族蛋白所調(diào)控;③內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑，是近年來新發(fā)現(xiàn)的又一條內(nèi)源性途徑，通過激活Caspase-12引發(fā)細胞凋亡[2-3]。

線粒體是一個對內(nèi)環(huán)境變化十分敏感的細胞器，容易受到各種病理性因素的影響而發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能的改變。當(dāng)機體缺血、缺氧或出現(xiàn)再灌注損傷時，大量氧自由基的生成，胞漿和線粒體鈣離子增加，線粒體跨膜電位下降，能量衰竭等造成線粒體不可逆性的損傷，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn) 換 孔 道[9-12](mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的開放，導(dǎo)致線粒體通透性轉(zhuǎn)換 (mitochondrial permeability transition，MPT)，使得位于線粒體膜間隙的Cytc等釋放到胞漿中，并與Apaf-1結(jié)合，形成凋亡復(fù)合體，而后激活Caspase-9，引起一系列級聯(lián)放大反應(yīng)，促進細胞的凋亡。并且，Cytc不僅能促進凋亡，還能抑制線粒體氧化磷酸化，加重能量衰竭，導(dǎo)致線粒體膜通透性大大增加，跨膜電位進一步崩解，使得Cytc釋放更多，如此形成惡性循環(huán)。

5 對能夠改善心臟超微結(jié)構(gòu)的藥物的研究

5.1 影響血管張素系統(tǒng)的藥物 現(xiàn)在已經(jīng)用于臨床的ACEI及ARB類藥物可以改善心肌重構(gòu)，改善病患的長期預(yù)后，并且可以降低病死率。大量研究表明，ACEI和ARB類藥物可以通過降低組織和循環(huán)中血管緊張素II和醛固酮的含量[13]，從而降低心肌細胞內(nèi)Ca2+的含量，從而提高線粒體對高鈣的敏感性，減少心肌細胞線粒體介導(dǎo)的心肌細胞凋亡，還可以減輕細胞內(nèi)的氧化應(yīng)激，從而改善細胞內(nèi)環(huán)境，改善心肌線粒體的功能。

5.2 曲美他嗪 大量實驗研究表明，曲美他嗪可以通過增加線粒體內(nèi)谷胱甘肽的含量，以及改善超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性，以增強其抗氧化能力，以減輕心肌細胞內(nèi)的氧化應(yīng)激，并且可以改善心肌細胞內(nèi)的能量代謝，減輕線粒體內(nèi)的鈣超載，從而改善線粒體的形態(tài)和功能[14];磷酸肌酸也是常用的改善損傷后心肌的藥物，而現(xiàn)有研究表明，磷酸肌酸保護心肌的靶點也可能在線粒體水平，其具體作用機制還有待于進一步的研究。

5.3 其他 目前臨床常用的他汀類藥物在有效劑量下可以減輕線粒體結(jié)構(gòu)和功能的破壞[15];近年來由于線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔道m(xù)PTP[9]及其在線粒體誘導(dǎo)的細胞凋亡中的作用的發(fā)現(xiàn)，有研究者也試圖通過尋找mPTP的抑制劑來調(diào)節(jié)心肌細胞線粒體的功能，目前，有研究顯示mPTP抑制劑環(huán)孢菌素A(CsA)可以通過改善mPTP的功能，從而起到減輕心力衰竭和改善心肌重構(gòu)的作用。

6 小結(jié)與展望

綜上所述，心肌細胞內(nèi)的心肌線粒體對心臟的舒縮功能的維持有不可替代的作用，線粒體在行使其功能的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能導(dǎo)致心肌舒縮功能的降低。但是，由于技術(shù)的限制，心肌線粒體受損的具體機制，受損后導(dǎo)致心肌收縮能力下降的具體機制仍為完全闡明，而且，目前臨床上的治療也很少有針對心肌線粒體受損層面的措施，而且即便是那些可以逆轉(zhuǎn)心肌細胞線粒體損傷的藥物，其具體作用機制仍不明確，如何探明其中的致病機制，如何研究出針對改善超微結(jié)構(gòu)的靶向治療措施，仍是我們今后研究的方向和重點。

[1]邵婧，謝苗榮.膿毒癥對心肌細胞線粒體損傷的影響[J].中國醫(yī)藥.2008，12(5):23-24

[2]van I-lees HW，vail der Heijden HF，Hafmans T，et a1.Impaired isotonic contractility and structural abnormalities in the diaphragm of congestive heart failure rats.[J]Cardiol，2008，128:326-335.

[3]汪熠，李浪.冠狀動脈微栓塞致心肌細胞凋亡及其線粒體途徑激活的研究[D].廣西醫(yī)科大學(xué).

[4]趙偉，邢洪濤，柏樹令等.慢性心衰時心肌細胞的形態(tài)學(xué)特點[J].解剖科學(xué)進展，1999，14:16-18.

[5]Hodges P.Heart failure:Epidemiology update[J].Crit care Nurs Q，2009.32:24-32.

[6]吳學(xué)思.2005年歐美慢性心力衰竭診療指南簡介[M].心肺血管病雜志，2006，25:12-14.

[7]王蓓蕾，肖良，張黎明.心肌細胞線粒體Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[C].

[8]Han C，Nam MK，Park HJ，et a1.Tunicamycin-induced ER stress upregulates the expression of mitochondrial HtrA2 and promotes apoptosis through the cytosolic release of HtrA2 [J].Microbiol BiotechnoI，2008，18;1197-1202.

[9]姚剛，喻田.線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔與心肌保護[J].國際麻醉學(xué)與復(fù)蘇雜志，2010，6(31)，251-254.

[10]鄭霽，黃躍生.缺氧心肌細胞微管破壞對線粒體通透性轉(zhuǎn)換的影響及其機制研究[D].第三軍醫(yī)大學(xué).

[11]Halestrap AP，Clarke SJ，Javadov SA.Mitochondrial permeability transition pore opening during myocardial reperfusion-a target for cardioprotection.Cardiovasc Res[M].2004;61:372-385.

[12]Crompton M.The mitochondrial permeability transition pore and its role in cell death Biochem[J].1999;341(Pt 2):233-249.

[13]曹新營，熊世熙，王海蓉.不同ACEI類藥物對糖尿病大鼠心肌間質(zhì)纖維化的影響[J].河北醫(yī)藥.2010，32(1):16-18.

[14]趙艷芳，秦永文，王學(xué)敏.曲美他嗪對大鼠缺血再灌注心肌線粒體的保護作用[J].中國動脈硬化雜志.2005，13(2):171-174.

[15]何兵，林國生，鄧巍.辛伐他汀對病毒性心肌炎小鼠心肌線粒體結(jié)構(gòu)及酶活性的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報.2006，27(5):601-604.