缺血狀態(tài)下心肌代謝變化的研究概況

王俊梅，李 偉，顏璐璐，馬曉慧(綜述)，馬英麗(審校)

(1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)，哈爾濱 150040； 2.天士力研究院藥理毒理研究所，天津 300410)

心肌缺血是一種臨床高發(fā)疾病，多由冠狀動(dòng)脈粥樣硬化所引起。由于管腔狹窄或血管痙攣以及心臟對(duì)氧氣的需求量增加，出現(xiàn)一系列氧供需平衡障礙，進(jìn)而引起心肌代謝的相應(yīng)變化。主要涉及到能量代謝、糖代謝、氨基酸代謝和脂代謝等多方面。近年來，代謝組學(xué)在該領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為心肌缺血性疾病的研究開辟了新思路。該文就缺血狀態(tài)下心肌代謝變化的相關(guān)研究予以綜述，旨在闡述心肌缺血與代謝變化的密切關(guān)系，為該疾病發(fā)病機(jī)制、疾病診斷、藥物治療的相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

1 正常狀態(tài)的心肌代謝

心肌的一切活動(dòng)均需要能量，其產(chǎn)生的兩大途徑包括：糖酵解和氧化磷酸化。正常狀態(tài)下，心肌所需能量的60%～90%來自非酯化脂肪酸的β氧化[1]，長(zhǎng)鏈脂肪酸借助肉堿丙酰轉(zhuǎn)移酶1和肉堿丙酰轉(zhuǎn)移酶2進(jìn)入線粒體進(jìn)行β氧化，產(chǎn)生乙酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸循環(huán)產(chǎn)生腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)提供能量。另外,10%～40%的能量則由葡萄糖、乳酸和丙酮酸等糖類提供。葡萄糖經(jīng)過糖酵解產(chǎn)生丙酮酸，乳酸在乳酸脫氫酶的作用下產(chǎn)生丙酮酸，最終在丙酮酸脫氫酶作用下，轉(zhuǎn)變成乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)[2]。脂肪酸代謝和葡萄糖代謝是可以相互調(diào)節(jié)的。脂肪酸氧化代謝增強(qiáng)可以抑制葡萄糖的氧化代謝：①脂肪酸氧化產(chǎn)生的檸檬酸可以抑制磷酸果糖激酶的活性；②脂肪酸氧化增強(qiáng)可以增加乙酰輔酶A和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸I水平，并抑制丙酮酸脫氫酶活性，進(jìn)而抑制葡萄糖酵解。反之，葡萄糖和乳酸增加，可促進(jìn)乙酰輔酶A的合成，刺激丙二酰輔酶A生成，從而抑制脂肪酸的氧化。

2 缺血狀態(tài)的心肌代謝

2.1心肌缺血對(duì)糖代謝的影響

2.1.1心肌缺血對(duì)糖酵解通路的影響 心肌輕度缺血時(shí)糖攝取量增加的同時(shí)糖酵解作用也加速，通過提供有限的ATP，維持重要酶的活性，如Na+/K+-ATPase和肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATPase[3]。嚴(yán)重缺血時(shí)，葡萄糖釋放量的減少，糖原的耗竭，磷酸果糖激酶和甘油醛-3-磷酸脫氫酶水平上的酶抑制作用，以及磷酸果糖激酶的轉(zhuǎn)位、滅活均不同程度的抑制了糖酵解作用，使ATP的數(shù)量減少。而糖酵解/糖氧化比例的失調(diào)進(jìn)一步造成代謝產(chǎn)物(如乳酸、H+)堆積，加劇心肌細(xì)胞的受損程度。

2.1.2心肌缺血對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(glucose transporter，GLUTs)是細(xì)胞膜上的一種跨膜糖蛋白,主要負(fù)責(zé)將葡萄糖分子從高濃度向低濃度運(yùn)載過細(xì)胞膜。在心肌中高表達(dá)的GLUTs主要包括GLUT1和GLUT4[4]。心肌缺血時(shí)，分布于細(xì)胞器膜的GLUT1和存在于囊泡內(nèi)的GLUT4迅速移位至細(xì)胞質(zhì)膜，使心肌細(xì)胞攝取更多的外源性葡萄糖以代償缺血心肌能量利用的失衡[5-7]。缺氧時(shí)間過長(zhǎng)，GLUTs的轉(zhuǎn)移過程則受到一定程度抑制[8]。

2.1.3心肌缺血對(duì)糖原代謝的影響 作為心肌細(xì)胞有力的能量來源物質(zhì)，糖原的多少直接關(guān)系到心肌細(xì)胞受損的程度。心肌糖原在缺血時(shí)分解增強(qiáng)。由于糖原的位置靠近肌質(zhì)網(wǎng)，它的代謝轉(zhuǎn)化可在原地對(duì)鈣泵提供ATP。王彬[9]研究發(fā)現(xiàn)，心肌缺血/再灌注損傷大鼠模型組糖原消耗顯著，糖原合成受阻，心肌細(xì)胞受損明顯。吳偉康等[10]研究表明,心肌缺血時(shí)心肌糖原消耗量增加，無氧酵解增強(qiáng)。

2.2心肌缺血對(duì)脂代謝的影響

2.2.1非酯化脂肪酸明顯提高 有氧條件下脂肪酸是心肌主要能源，而在心肌缺血時(shí)脂肪酸代謝受到抑制，非酯化脂肪酸明顯升高。隨之胞質(zhì)溶膠和線粒體內(nèi)脂酰輔酶A、脂酰卡尼汀等有害中間產(chǎn)物蓄積。胞質(zhì)溶膠脂酰輔酶A增加后，脂酰輔酶A合成酶被抑制，心肌中脂肪酸水平上升，脂肪酸的攝取下降。另一方面，心肌缺血可引起交感神經(jīng)興奮，通過β受體，使體內(nèi)脂肪組織分解，血中非酯化脂肪酸增高，心肌內(nèi)非酯化脂肪酸也隨之升高[11]。王紅艷等[12]研究結(jié)果顯示，心肌缺血后血清中非酯化脂肪酸水平顯著升高，分析其原因可能與心肌氧供應(yīng)受到限制，心肌細(xì)胞對(duì)非酯化脂肪酸利用減少有關(guān)。

2.2.2脂肪酸合成增強(qiáng) 缺血狀態(tài)下，心肌利用α磷酸甘油和脂酰輔酶A合成三酰甘油的作用有所增強(qiáng)。這與還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸比值的增加、三羧酸循環(huán)被抑制，乙酰輔酶A及乙酰卡尼汀等合成脂酰輔酶A有關(guān)[11]。

2.3心肌缺血對(duì)氨基酸代謝的影響 張永亮等[13]應(yīng)用離子交換色譜法對(duì)急性心肌缺血家兔的蛋白質(zhì)降解和氨基酸代謝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明游離氨基酸總量、蘇氨酸、甘氨酸、精氨酸以及組織氨水平的降低是缺血心肌氨基酸代謝的特征性變化。Arsenite[14]研究發(fā)現(xiàn)，缺血時(shí)冠狀竇中谷氨酸水平顯著降低，而谷氨酸的補(bǔ)充可有效改善心肌做功，加速糖酵解。

2.4心肌缺血對(duì)乳酸代謝的影響 急性心肌缺血時(shí)，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸不能進(jìn)入三羧酸循環(huán)而還原為乳酸并蓄積于心肌細(xì)胞。陳炬等[15]通過測(cè)定心肌乳酸吸收分?jǐn)?shù)和心肌乳酸吸收比發(fā)現(xiàn)急性心肌缺血后心肌細(xì)胞代謝和利用乳酸的能力下降。心肌乳酸吸收分?jǐn)?shù)和心肌乳酸吸收比是診斷心肌缺血極有價(jià)值的依據(jù)之一。

2.5心肌缺血對(duì)能量代謝的影響 心肌缺血時(shí)，磷酸肌酸作為心肌的一種能量?jī)?chǔ)備物質(zhì)，其水平顯著降低。缺血初期，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP，提供心肌所需能量，此時(shí)ATP下降不明顯；當(dāng)缺血時(shí)間過長(zhǎng)，超過心肌能量?jī)?chǔ)備時(shí)，ATP明顯下降，并伴有腺苷二磷酸、腺苷一磷酸等升高[6]。同時(shí)，ATP的缺乏使Na+/K+-ATP酶活性受抑制，細(xì)胞內(nèi)Na+不能及時(shí)排出，Na+濃度的升高啟動(dòng)Na+-Ca2+交換，致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷，從而使線粒體Ca2+增多，其與無機(jī)磷酸根結(jié)合成鈣鹽沉積，使細(xì)胞內(nèi)呼吸鏈功能受損，ATP進(jìn)一步減少，形成惡性循環(huán)，加速心肌細(xì)胞死亡。另一方面線粒體受損使氧化酶活性降低致使單電子還原增多，氧自由基增加，進(jìn)而膜脂質(zhì)過氧化，促使損傷進(jìn)一步發(fā)展[16]。趙雅君等[17]曾對(duì)大鼠心肌缺血/再灌注時(shí)能量代謝進(jìn)行了研究，缺氧/復(fù)氧組心肌組織中腺苷一磷酸、腺苷二磷酸、ATP水平均顯著低于正常對(duì)照組。

結(jié)合上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：缺血狀態(tài)下心肌代謝發(fā)生了復(fù)雜變化。但相關(guān)研究也僅局限在某一代謝途徑，對(duì)心肌代謝的整體變化未做深入研究。近年來，代謝組學(xué)的應(yīng)用在一定程度上彌補(bǔ)了這一不足。

3 代謝組學(xué)技術(shù)在心肌代謝研究中的應(yīng)用

代謝組學(xué)是研究生物體系(細(xì)胞，組織或生物體)受外部刺激所產(chǎn)生的所有代謝產(chǎn)物變化的科學(xué)[18-19]。其主要是利用先進(jìn)分析檢測(cè)技術(shù)結(jié)合模式識(shí)別和專家系統(tǒng)等計(jì)算分析方法，對(duì)機(jī)體小分子代謝產(chǎn)物進(jìn)行整體水平上的研究，進(jìn)而可以通過了解機(jī)體整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)，來進(jìn)行疾病診斷和發(fā)病機(jī)制研究[20]。

Sabatine等[21]應(yīng)用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀技術(shù)，對(duì)比鑒定了18例勞累型心肌缺血患者以及非心肌缺血患者的血漿代謝物，心肌缺血組檸檬酸循環(huán)代謝物顯著改變，γ氨基丁酸、瓜氨酸、精氨酸、琥珀酸酯均顯著降低；另一方面，Barba等[22]采用基于核磁共振的代謝組學(xué)研究了31例勞累型心肌缺血患者的代謝產(chǎn)物變化，乳酸鹽、葡萄糖、脂質(zhì)以及長(zhǎng)鏈氨基酸等均顯著改變。以上兩項(xiàng)研究結(jié)果均提示，心肌缺血與三羧酸循環(huán)通路、修飾脂質(zhì)、長(zhǎng)鏈氨基酸密切相關(guān)。劉胤敏[23]采用代謝組學(xué)方法分析了大鼠血漿和尿液代謝物，發(fā)現(xiàn)能量代謝、糖代謝、氨基酸代謝通路中相關(guān)物質(zhì)水平變化與心肌缺血密切相關(guān)。這為心肌缺血的病理過程研究提供了參考。呂永海[24]建立了超高效液相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜儀代謝組學(xué)研究平臺(tái)，通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)最終鑒定了22個(gè)心肌缺血生物標(biāo)志物，初步闡釋了心肌缺血的損傷機(jī)制。Bodi等[25]將以核磁共振為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于豬與人血漿的分析中。結(jié)果表明，心肌缺血初期(10 min)，葡萄糖、乳酸、甘氨酸、苯基丙氨酸等水平均有所增加；而膽堿內(nèi)含物、三?；视蜏p少；缺血2 h后肌酸、脂肪酸增加。王勇等[26]運(yùn)用氣相色譜串聯(lián)質(zhì)譜儀對(duì)模型組和假手術(shù)組豬血漿進(jìn)行代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)慢性心肌缺血狀態(tài)下，糖類、脂類以及氨基酸代謝均出現(xiàn)障礙，最終導(dǎo)致檸檬酸循環(huán)通路異常。其中檸檬酸、葡萄糖、硬脂酸等物質(zhì)可能成為該病癥臨床診療重要的參考指標(biāo)。嚴(yán)蓓等[27]在應(yīng)用代謝組學(xué)方法評(píng)價(jià)心肌缺血大鼠模型的過程中分析心肌缺血涉及能量代謝、糖代謝、脂代謝、核苷酸代謝和氨基酸代謝異常，這為進(jìn)一步在分子水平評(píng)價(jià)藥效奠定了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

缺血性心臟病的病發(fā)率和病死率逐年上升，勢(shì)必成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但迄今其發(fā)病機(jī)制仍不明確，缺乏特效的治療方法和藥物，這種現(xiàn)狀急待解決。代謝異常作為缺血心肌的特征性變化，對(duì)其深入研究具有極大的潛在價(jià)值。明確缺血狀態(tài)下心肌代謝變化，才能為該疾病發(fā)病機(jī)制、疾病診斷、藥物治療的研究奠定基礎(chǔ)。近年來，伴隨著代謝組學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展，多項(xiàng)研究從代謝網(wǎng)絡(luò)的角度近一步闡述了缺血心肌代謝的整體變化。因此，希望通過代謝組學(xué)對(duì)缺血性心臟病的研究，可以明確其發(fā)病機(jī)制，從而探索到有效的治療方法和藥物。

[1] Stanley WC,Lopaschuk GD,Hall JL,etal.Regulation of myocardial carbohydrate metabolism under normal and ischemic conditions.Potential for pharmacological interventions[J].Cardiovasc Res,1997,33(2):243-257.

[2] Korvald C,Elvenes OP,Myrmel T,etal.Myocardial substrate metabolism influ-ences left ventricular energetics in vivo[J].Am J Physio,2000,278(4):1345-1351.

[3] Calvani M,Reda E,Arrigoni-Martelli E.Regulation by carnitine of myocardial fatty acid and carbohydrate metabolism under normal and pathological conditions[J].Basic Res Cardiol,2000,95(4):75-83.

[4] 趙柯,羅勇.心肌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體與心臟疾病[J].國(guó)際心血管病雜志,2011,38(4):220-223.

[5] Doria-Medina CL,Lund DD,Pasley A,etal.Immuno-localization of GLUT-1 glucose transporter in rat skeletal muscle and in normal and hypoxic cardiac tissue[J].Am J Physiol,1993,265(3 Pt 1):E454-E464.

[6] 殷仁富,陳金明,吳宗貴.低血流心肌缺血誘導(dǎo)GLUT4基因表達(dá)[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,22(12):191-193.

[7] 王璟,杭濤,江時(shí)森.短暫缺血再灌注促進(jìn)心肌葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體基因表達(dá)[J].醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào),2005,5(18):17-20.

[8] Shetty M,Ismai-l Beigi N,Loeb JN,etal.Induction of GLUT1 mRNA in response to inhibition of oxidative phosphorylation[J].Am J Physiol,1993,265(5 Pt 1):C1224-C1229.

[9] 王彬.芪丹通脈片對(duì)心肌缺血/再灌注損傷大鼠GLUT1、GLUT4及糖原含量的影響[D].西安:第四軍醫(yī)大學(xué),2007.

[10] 吳偉康,侯燦,羅漢川,等.四逆湯改善缺血心肌能量代謝的作用及其機(jī)制探討[J].中國(guó)病理生理雜志,1988,14(6):634-637.

[11] 殷仁富,陳金明.心臟能量學(xué)-代謝與治療[M].上海:第二軍醫(yī)大學(xué)出版社,2002：51-55.

[12] 王紅艷,趙曉云,楊法中.急性缺血心肌脂肪酸代謝的變化[J].中國(guó)老年學(xué)雜志,2009(29):1660-1662.

[13] 張永亮,吳家,李靈芝,等.心肌氨基酸代謝與早期急性心肌缺血的關(guān)系[J].中國(guó)法醫(yī)學(xué)雜志,1993,8(2):83-86.

[14] Arsenite M.Potential cardiovascular applications of glutamate,aspartate,and other amino acids[J].Clin Cardiol,1998,21(9):620-624.

[15] 陳炬,李少華,張慧忠,等.TMLR對(duì)缺血心肌乳酸代謝及線粒體的影響[J].中國(guó)病理生理雜志,2004,20(12):2219-2222.

[16] 鐘承華,黃達(dá)德.Na+-H+交換抑制劑對(duì)心肌缺血再灌注損傷的保護(hù)作用[J].中國(guó)動(dòng)脈硬化雜志,2004,12(2):243-246.

[17] 趙雅君，史從寧，王孝銘,等.復(fù)方丹參滴丸對(duì)離體大鼠缺氧/復(fù)氧心肌的保護(hù)作用[J].中國(guó)病理生理雜志,2002,18(10):1271-1275.

[18] Nicholson JK,Lindon JC,Holmes E.′Metabonomics′: understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data Read More: http://proxy.library.upenn.edu:2709/doi/abs/10.1080/004982599238047%20′Metabonomics′: understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data Read More: http://proxy.library.upenn.edu:2709/doi/abs/10.1080/004982599238047“Metabonomics” understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data[J].Xenobiotica,1999,29(11):1181-1189.

[19] Lewis GD,Asnani A,Gerszten RE.Application of metabolomics to cardiovascular biomarker and pathway discovery[J].J Am Coll Cardiol,2008,52(2):117-123.

[20] 趙春艷,阿基業(yè),曹蓓,等.代謝組學(xué)在代謝性疾病研究中的進(jìn)展[J].中國(guó)臨床藥理學(xué)與治療學(xué),2011,16(4):439-446.

[21] Sabatine MS,Liu E,Morrow DA,etal.Metabolomic identification of novel biomarkers of myocardial ischemia[J].Circulation,2005,112(25):3868-3875.

[22] Barba I,de León G,Martín E,etal.Nuclear magnetic resonance-based metabolomic predicts exercise-induced ischemia in patients with suspected coronary artery disease[J].Magn Reson Med,2008,60(1):27-32.

[23] 劉胤敏.復(fù)方丹參滴丸干預(yù)心肌缺血大鼠的代謝組學(xué)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[24] 呂永海.復(fù)方丹參片血清藥物化學(xué)及代謝組學(xué)研究[D].上海:第二軍醫(yī)大學(xué),2010.

[25] Bodi V,Sanchis J,Morales JM,etal.Metabolomic profile of human myocardial ischemia by nuclear magnetic resonance spectroscopy of peripheral blood serum[J].J Am Coll Cardiol,2012,59(18):1629-1641.

[26] 王勇,郭淑貞,李春,等.慢性心肌缺血模型小型豬血漿代謝組學(xué)分析[J].中西醫(yī)結(jié)合學(xué)報(bào),2011,9(2):158-165.

[27] 嚴(yán)蓓,阿基業(yè),郝海平,等.基于血漿和心肌內(nèi)小分子的代謝組學(xué)方法評(píng)價(jià)心肌缺血大鼠模型[J].藥學(xué)學(xué)報(bào),2013,48(1):104-112.