10周有氧訓練對心力衰竭大鼠心臟重塑和運動耐力的影響

程蕾　李曉霞

摘要：目的：探討長期有氧訓練對心力衰竭（HF）大鼠心臟重塑（包括結構性重塑和功能性重塑）及運動耐力的影響。方法：8周齡清潔級雄性Wistar大鼠結扎冠狀動脈建立HF模型，4周后隨機分為假手術對照組（Sham組）、假手術運動組（Sham+E組）、心衰對照組（HF組）和心衰運動組（HF+E組）。Sham+E組和HF+E組進行10周有氧訓練（跑臺），Sham組和HF組保持安靜狀態(tài)。實驗前后利用超聲心動術檢測心臟結構參數(shù)包括左室舒張期內(nèi)徑（LVIDd）、左室收縮期內(nèi)徑（LVIDs）、左室舒張期前壁厚度（LVAWDd）、左室收縮期前壁厚度（LVAWDs）、左室舒張期后壁厚度（LVPWDd）、左室收縮期后壁厚度（LVPWDs）以及心功能參數(shù)包括縮短分數(shù)（FS）、左室射血分數(shù)（LVEF）和心率（HR）；利用跑臺遞增負荷力竭運動實驗測定大鼠的運動耐力參數(shù)包括力竭時間、力竭距離和最大跑速。實驗后取心臟稱量體重（BW）、左室重量（LVW）、右室重量（RVW）并計算左室質(zhì)量指數(shù)（LVMI），利用Masson染色法進行組織病理學觀察并獲得心肌膠原容積分數(shù)（CVF）。結果：1）與Sham組比較，HF組最大跑速、力竭距離、力竭時間、BW、LVIDd、FS和LVEF降低（P<0.01），LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd、LVPWDs和CVF升高（P<0.01）；2）與HF組比較，HF+E組最大跑速、力竭距離和力竭時間、LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF升高（P<0.01），HR和CVF降低（P<0.01）。結論：1）HF后心臟出現(xiàn)結構與功能重塑，運動能力下降；2）10周有氧跑臺訓練逆轉了HF大鼠心臟重塑，運動耐力提高。

關鍵詞：有氧訓練；心臟；心力衰竭；重塑；運動耐力

中圖分類號：G804.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-2076（2015）01-0080-05

Abstract：Objective： To investigate the effect of 10 weeks aerobic training on cadiac remodeling （including structure remodeling and function remodeling） as well as exercise tolerance of heart failure （HF） rats. Methods： HF model was established through ligating coronary artery in clean grade Wistar

心力衰竭（heart failure，HF）是各種心臟疾病導致心功能不全的一種綜合征，由于心肌收縮力下降使心排血量不能滿足機體代謝需要，器官、組織血液灌注不足，同時出現(xiàn)肺循環(huán)和（或）體循環(huán)淤血的表現(xiàn)[1]。HF時心臟發(fā)生結構性重塑和功能性重塑，最終導致心功能降低、運動耐力下降，嚴重影響患者的生活質(zhì)量[2]。薈萃分析及臨床研究顯示，有氧訓練（耐力運動）可有效改善HF患者生活質(zhì)量，降低住院率與死亡率，已成為防治HF的重要康復手段之一[3]。但有氧訓練對HF產(chǎn)生良性效應的機制尚不清楚。本研究以Wistar大鼠為受試對象，通過結扎冠狀動脈建立心梗后HF模型，觀察10周跑臺運動對心臟重塑和運動耐力的影響，為制定針對HF患者特異性運動處方提供理論依據(jù)。

1 研究對象和方法

1.1 實驗動物

8周齡健康清潔級雄性Wistar大鼠48只，體重250～280 g，由山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司提供，實驗動物許可證號：SCXK[魯]2008-0003。大鼠分籠飼養(yǎng)，實驗室溫度為24℃～26℃，濕度40%～60%，自然光照，自由進食水。大鼠適應環(huán)境一周后再進行3天適應性訓練（跑臺），運動方案為：每天訓練15 min，速度為5 m/s（坡度為0°），而后開始正式實驗。

1.2 心梗后HF模型的建立和實驗分組

適應性訓練結束后第二天，將動物隨機分為心衰組（n=28）和假手術組（n=20）。心衰組通過結扎冠狀動脈建立心梗后HF模型，方法為：1%戊巴比妥鈉麻醉并仰臥固定，行氣管插管并連接呼吸機以監(jiān)測心電圖的實時變化；于胸骨左側第3肋與第4肋之間開胸，破壞胸包暴露心臟，由左心耳下方2～3 mm處用0號絲線結扎左冠狀動脈前降支；心電圖顯示QRS波增高增寬，ST段弓背向上抬高0.2 mV以上持續(xù)15 min為結扎成功。隨后迅速放回心臟，關閉胸腔縫合胸壁。假手術組開胸后只栓線，不結扎，其他操作同心衰組。術后連續(xù)一周肌注抗生素以預防感染。四周后行超聲心術檢測（方法見1.5），以左室射血分數(shù)（left ventricular ejection fraction，LVEF）≤45%作為造模成功的標志，其中2只動物造模失敗，1只死亡。隨后將假手術組隨機分為假手術對照組（Sham組，n=10）和假手術運動組（Sham+E組，n=10），心衰組隨機分為心衰對照組（HF組，n=12）和心衰運動組（HF+E組，n=13）。Sham組和HF組保持安靜狀態(tài)，Sham+E組和HF+E組進行10周有氧訓練（跑臺）。

1.3 運動耐力測定與10周運動方案

參照本課題組已建立的遞增負荷力竭運動實驗進行運動耐力測定[4]。HF組和HF+E組先進行15 min熱身（速度為5 m/min，坡度為0°）后休息5 min，再進行遞增負荷測試，方法為：起始負荷為7 m/min，每3 min遞增5 m/min，坡度為0°，直至力竭，力竭標準為：動物不能堅持本級負荷跑速，先后滯于跑道后1/3處達6次以上，聲、光、電刺激驅趕無效。記錄最大跑速、力竭距離和力竭時間。Sham組和Sham+E組除起始負荷定為10m/min外，其他步驟同上。

Sham+E組HF+E組動物進行10周有氧跑臺訓練。具體方案如下，跑速：前2周為最大跑速的50%，后8周為最大跑速的60%；時間：第一天30 min，以后每天遞增10 min，直到60 min/d；頻率：5 d/w。

1.4 超聲心動術檢測心臟結構與功能

用小動物超聲圖成像系統(tǒng)（visualsonics vevo770，加拿大）檢測心臟結構與功能。檢測前以1%戊巴比妥鈉30 mg/kg腹腔麻醉大鼠，仰臥固定。取胸骨旁左室短軸切面進行測量，測量參數(shù)包括左室舒張期內(nèi)徑（left ventricular internal diameter at diastole，LVIDd）、左室收縮期內(nèi)徑（left ventricular internal diameter at systole，LVIDs）、左室舒張期前壁厚度（left ventricular anterior wall diameter at diastole，LVAWDd）、左室收縮期前壁厚度（left ventricular anterior wall diameter at systole，LVAWDs）、左室舒張期后壁厚度（left ventricular posterior wall diameter at diastole，LVPWDd）、左室收縮期后壁厚度（left ventricular posterior wall diameter at systole，LVPWDs）以及縮短分數(shù)（fractional shortening，F(xiàn)S）、LVEF和心率（heart rate，HR）。每項指標測量3個心動周期，取均值。

1.5 動物取材

大鼠稱體重（body weight，BW）后斷頭處死并取心臟，用生理鹽水沖洗，濾紙沾干，分離左右心室，分別稱量左室重量（left ventricular weight，LVW）、右室重量（right ventricular weight，RVW）并計算左室質(zhì)量指數(shù)（left ventricular mass index，LVMI）（LVMI=LVW/BW）。稱重后迅速將組織置于液氮中并轉移至-80℃冰箱凍存待測。

1.6 心臟組織病理學檢查以及心肌膠原容積分數(shù)測定

心室肌組織常規(guī)固定脫水后，沿心臟長軸將心尖至結扎點取2 mm厚組織制作切片，40g/L多聚甲醛固定24 h，石蠟包埋，Masson染色，普通光鏡觀察各組心肌組織病理學變化。每張切片隨機選取5個視野，用圖像分析軟件測量膠原組織所占百分率（心肌膠原面積/所測視野面積），取平均值即為心肌膠原容積分數(shù)（collagen volume fraction，CVF）。

1.7 統(tǒng)計學分析

使用SPSS15.0 for windows統(tǒng)計軟件包對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理。數(shù)據(jù)以“平均數(shù)±標準差”表示，組間比較使用單因素方差分析，兩兩比較使用LSD檢驗。顯著性水平定為P<005，非常顯著水平定為P<001。

2 結果

2.1 最終樣本量

造模過程中，2只動物造模失敗，1只死亡。10周運動干預過程中，Sham組拒跑大鼠1只，HF組死亡2只、拒跑1只，HF+E組死亡3只、拒跑2只。剔除上述大鼠后，最終樣本量n=36，其中Sham組（n=9），Sham+E組（n=10），HF組（n=9），HF+E組（n=8）。

2.2 運動耐力的變化

與Sham組比較，Sham+E組最大跑速、力竭距離和力竭時間均顯著性升高（P<001），而HF組上述指標均明顯下降（P<001）；與HF組比較，HF+E組各運動耐力參數(shù)均顯著性升高（P<001）。見表1。

2.3 心臟結構與功能變化

與Sham組比較，Sham+E組BW和HR降低（P<001），LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF增加（P<001），而HF組BW、LVIDd、FS和LVEF降低（P<001），LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd和LVPWDs增加（P<001）；與HF組比較，HF+E組HR降低（P<001），LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF升高（P<0.01）（見表2）。超聲心動術見圖1。

2.4 心肌Masson染色與CVF

心肌Masson染色顯示：膠原纖維呈藍色，心肌細胞呈紅色。Sham組和Sham+E心肌纖維著色均勻，無膠原成分；HF組心肌細胞減少，膠原成分顯著增多，纖維化程度明顯，CVF高于Sham組（P<0.01）；HF+E組較HF組心肌細胞增多且排列較整齊，膠原纖維（即CVF）明顯減少（P<0.01）（見圖2～3）。

3 討論

3.1 HF后心臟發(fā)生結構與功能重塑

HF造模的方法有多種，包括縮窄腹主動脈法、結扎冠狀動脈法、快速心室起搏法、戊巴比妥鈉靜脈注射法、阿霉素法和異丙腎上腺素注射法等，其中人工結扎左冠狀動脈前降支造成心梗后HF是造模最常用的方法。一般認為，結扎術后2～4周可獲得慢性HF模型，此模型廣泛應用于HF發(fā)病機理、各種干預手段（手術、藥物以及運動等）療效評價等研究[5]。

HF發(fā)生后，由于心肌負荷過重、交感神經(jīng)過度激活以及氧化應激等原因，通過不同的信號轉導通路改變相應基因的表達，包括一些胚胎基因活化，一些基因過表達、失活、缺失或突變，調(diào)控蛋白合成以及細胞生長改變[6]。重塑基因的病理性改建可促使心臟結構和功能發(fā)生變化，即心臟結構重塑和功能重塑[7]。在本研究中，與Sham組比較，HF組LVIDd降低，LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd和LVPWDs增加，提示HF后發(fā)生病理性心臟肥大，表現(xiàn)為心腔縮小、心壁增厚（向心性肥大）。心臟結構重塑在HF初期對維持心功能起到一定的代償作用，但心臟長期過負荷將導致心肌進一步發(fā)生重塑，包括心肌纖維化（即CVF增加）、細胞凋亡和壞死，造成心輸出量降低并加速HF進程，心功能隨之下降，即在本研究中，與Sham組比較，HF組FS和LVEF顯著性降低。心功能下降最終導致運動耐力下降，即HF組最大跑速、力竭距離和力竭時間明顯低于Sham組。

3.2 有氧訓練對心臟重塑以及運動能力的影響

近年來，運動康復作為防治慢性病的非藥物療法，具有節(jié)省開銷、簡便易行、副作用小且效果持續(xù)等特點。動物實驗、臨床隨機對照研究以及薈萃分析均顯示，長期堅持規(guī)律有氧訓練可減輕HF患者疲勞、呼吸困難等癥狀，提高患者生活質(zhì)量并降低住院率與死亡率[8-9]。有氧訓練對HF產(chǎn)生良性效應的機制尚不清楚，可能與心臟結構與功能的改善有關。在本研究中，與Sham組比較，Sham+E組HR降低，LVW、LVMI和LVIDd增加，提示長期運動誘導心肌出現(xiàn)離心性肥大，即心腔擴大，室壁增厚不明顯。由于心功能增強（FS和LVEF增加）、運動耐力提高（最大跑速、力竭距離和力竭時間增加），因此這種結構變化屬于生理性心肌肥大[10]。而與HF組比較，HF+E組左心室重量（LVW、LVMI）增加、心腔內(nèi)徑（LVIDd）增大，室壁厚度無明顯改變，這是由于有氧訓練增加心臟容量負荷（前負荷），心肌出現(xiàn)“離心性肥大”，同時心肌纖維化減輕（CVF明顯減少），心功能增強（HR下降，F(xiàn)S和LVEF增加），運動耐力提高（最大跑速、力竭距離和力竭時間增加）。上述結果提示，運動誘導的生理性心肌肥大與病理性心肌肥大在HF大鼠有氧訓練干預過程中并存且相互抗衡，最終前者的良性作用逆轉了后者的負面效應，表現(xiàn)為心臟結構由病理性肥大向生理性肥大轉變，即由HF時的向心性肥大轉變?yōu)檫\動康復后的離心性肥大，這一結論在Garciarena等[11]針對自發(fā)性高血壓大鼠的研究中也得到進一步證實。因此，長期有氧訓練通過抑制HF時的心臟結構重塑改善心功能，運動能力隨之提高。研究證實，運動耐力下降是影響HF患者生活質(zhì)量的主要原因，也是HF患者預后的獨立危險因子，因此改善HF患者的心功能特別是運動耐力是評價各種治療方案效果的終點指標。

運動改善心肌重塑和運動耐力的分子機制尚不明確。藥理學研究表明[12]，降低重塑基因TGF-β1表達則可減弱心肌膠原合成，對于心肌纖維化具有潛在應用價值。運動可下調(diào)衰老大鼠心肌TGF-β1表達水平，提示有氧訓練可通過抑制重塑基因表達改善心肌重塑并提高運動耐力。此外，由于氧化應激、交感過度活化以及內(nèi)皮功能紊亂均是HF后心肌重塑的重要病理生理機制[13]，而規(guī)律體力活動可下調(diào)自由基水平[14]、抑制交感活性[15]并通過增加一氧化氮的合成改善內(nèi)皮功能紊亂、增加組織攝氧量、促進葡萄糖轉運、提高心肌收縮力[16]，因此有氧訓練通過多種途徑改善心肌結構與功能重塑并提高運動耐力。

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