PPARα/PGC-1α軸在阿霉素心肌病能量代謝中的作用

金鵬 綜述 楊永曜 審校

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院，貴州 貴陽 550004；2.貴州省人民醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 貴陽 550002)

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·綜 述·

PPARα/PGC-1α軸在阿霉素心肌病能量代謝中的作用

金鵬1綜述 楊永曜2△審校

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院，貴州 貴陽 550004；2.貴州省人民醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 貴陽 550002)

PPARα； PGC-1α； 阿霉素； 心肌??； 能量代謝

心力衰竭是由于各種原因?qū)е滦募p害引起心室收縮或舒張功能受損而發(fā)生泵血功能障礙。在心衰的治療主要以藥物改善血流動力學(xué)為主，隨著醫(yī)學(xué)研究的不斷發(fā)展，以抑制神經(jīng)體液因子為主的治療在90年代不斷興起，使β受體阻滯劑、腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制成為治療、改善心衰預(yù)后的主要措施，而在21世紀，心肌能量代謝治療正逐漸被研究人員關(guān)注，有望成為心衰治療的另一理想靶點。本文從阿霉素(DOX)及過氧化物酶體增殖物活化受體α(PPARα)/過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子1α(PGC-1α)軸在心肌細胞中的作用機制兩方面闡述兩者在心力衰竭中的對抗性作用。

1 PPARα/PGC-1α軸在心肌代謝中的作用

1.1 PPARα代謝 PPARα在成人心肌實質(zhì)細胞的強烈表達起到了調(diào)節(jié)心肌代謝的重要作用，激活后可誘導(dǎo)基因編碼的脂肪酸轉(zhuǎn)運蛋白合成，從而促進脂肪酸進入細胞，增加脂類氧化代謝，并減少糖酵解。在甘油三脂肪酶基因敲除的小鼠中，PPAR激動劑能明顯提高線粒體功能并且修復(fù)甘油三脂肪酶基因敲除所帶來的心肌損害，防止心肌壞死增加脂肪酸的利用[1]。成年人的心肌細胞主要依賴脂肪酸的能量供應(yīng)，其氧化、轉(zhuǎn)運均需要基本的刺激條件調(diào)節(jié)，過度的PGC-1表達可增加脂肪酸的氧化[2]。PPAR家族在此過程中其著極其重要的作用，脂肪酸及其代謝產(chǎn)物都是PPARs的低中度親和配體，這可能是細胞內(nèi)基因調(diào)控的脂質(zhì)環(huán)境的傳輸信息。目前PPAR的研究在心臟組織比其他組織已經(jīng)很全面，尤其是在脂肪酸消耗很多的器官，如心臟、棕色脂肪、腎臟及肝臟，還有在心肌中與PGC-1一起，誘導(dǎo)脂肪酸代謝的一系列關(guān)鍵性基因。在小鼠中PPAR的缺失導(dǎo)致脂肪酸氧化的減少及脂肪酸氧化基因表達的減少。PPAR表達減少ANF、BNP、ET-1、血管緊張素Ⅱ等促使心室肥厚、心腔擴大因子的表達，阻斷心室重塑，增加心臟射血分數(shù)，改善心臟功能，減少死亡率[3]。脂聯(lián)素通過增加PPARα及PGC-1α表達可減弱鐵超載所致心力衰竭[4]。

1.2 PGC-1α作用機制 PGC輔助激活因子是一種與核受體或其他轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合的蛋白質(zhì)，可以增加轉(zhuǎn)錄活性。大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子均需要輔助激活因子，特別是核受體PPAR。并且和核轉(zhuǎn)錄中介復(fù)合物及CREB 結(jié)合蛋白(CBP/ p300)及類固醇受體輔激活因子1 (SCR-1)直接關(guān)聯(lián)。4步呼吸鏈中及ATP酶復(fù)合物中超過70%的亞單位都需要PGC誘導(dǎo)。所有脂肪酸氧化的關(guān)鍵酶和與細胞內(nèi)甘油轉(zhuǎn)運的酶類[5]。在體內(nèi)細胞的過多表達導(dǎo)致氧耗的增加及脂肪酸氧化的增多，葡萄糖的氧化受到抑制。PGC-1的共同活化作用產(chǎn)生了顯著的代謝相關(guān)關(guān)鍵調(diào)控因子的轉(zhuǎn)錄，是一個使得心肌細胞能量代謝顯著增加及ATP產(chǎn)生增多的完整過程。持續(xù)不斷的表達使得線粒體的不斷改變，最重要的一點是線粒體基質(zhì)的纖維化。線粒體合成及呼吸鏈亞基的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)現(xiàn)在研究已經(jīng)很徹底了，而他們關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子主要是核呼吸因子及雌激素相關(guān)受體家族，而PGC-1調(diào)節(jié)線粒體的合成就是與這些因子的共同激活有著必然聯(lián)系[6]?；蚬こ绦∈竽Ｐ鸵呀?jīng)被用來調(diào)查PGC-1α在心肌新陳代謝的調(diào)控中的作用，小鼠心肌中不斷過度的表達PGC-1α出現(xiàn)了線粒體的激增、心肌病、早期致死的心衰。這種模型明顯的揭示了在PGC-1α出生階段的過度表達使得線粒體激增，此時并沒有明顯的心功能障礙。有趣的是，小鼠所得的心肌病在PGC-1α停止過度表達后可以完全逆轉(zhuǎn)，這種獲得性功能明確的指出PGC-1α在心肌多方面代謝的過程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，并且是一種極強的刺激線粒體增殖的物質(zhì)[2]。在肥厚性心肌病中，心肌對脂肪酸氧化能力的減弱及對葡萄糖無氧酵解的增強的轉(zhuǎn)變在目前看來是由于編碼脂肪酸氧化的酶系、氧化磷酸化的酶系及PPARα/PGC-1α基因下調(diào)所致。在心力衰竭時出現(xiàn)協(xié)調(diào)性的線粒體通路的下調(diào),而PGC在嚙齒類動物肥厚性心臟病中表達降低，說明PGC-1的減少是獲得性心臟病一種共同的信號。在心臟擴大的小鼠中發(fā)現(xiàn)PGC-1α的活性減低，雖未明顯的表現(xiàn)出心衰的癥狀，但是胚胎學(xué)的檢測已經(jīng)出現(xiàn)心力衰竭標志物如：ANP、BNP、β-MHC，表明目前已存在心功能減低，核磁共振研究揭示了ATP濃度顯著的減少[2]，說明了心臟已經(jīng)不能為相應(yīng)的電刺激增加而提供相應(yīng)的收縮做功。從結(jié)構(gòu)上來看，異常的密集的線粒體嵴和中性脂肪在胞質(zhì)內(nèi)的堆積，說明了消耗的脂肪酸與攝入的不正比例[2]。肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1(CPT-1A)基因的表達受到PGC-1α的調(diào)控，而CPT-1A是長鏈脂肪酸通過線粒體膜β氧化的限速酶。有研究指出PGC-1α能獨立夠刺激CAP-1A基因而不依賴PPARα[7]。其表達的減少將會影響心肌脂肪酸的氧化。PGC-1α在內(nèi)皮細胞表達具直接調(diào)控產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)SOD-2、Trx-2、Prx-3,等對抗線粒體增殖所產(chǎn)生的氧化物質(zhì)，使心肌免于氧化損傷。在近幾年的研究中[8]發(fā)現(xiàn)，PGC-1α在骨骼肌中的表達可以調(diào)節(jié)血管的生成。PGC-1α在細胞中會被缺氧的環(huán)境所誘導(dǎo)、激活，慣序的產(chǎn)生大量血管生成因子如：血管內(nèi)皮生長因子。在手術(shù)后下肢缺血的模型中，骨骼肌中過度的PGC-1α表達使得血管激增，加速血流的恢復(fù)。這一點說明了其具有形成新生血管的能力。PGC-1α在嚙齒類動物及人類會被運動強烈的誘導(dǎo)表達[9]。在鼠類缺乏PGC-1α血管網(wǎng)不能被運動的刺激而延生，說明了PGC-1α誘導(dǎo)運動相關(guān)的血管生成[10]。而血管網(wǎng)的稀疏被認為是心衰發(fā)生的機制之一。PGC-1α在甲狀腺心肌病重具也有重要的保護作用[11]。

2 阿霉素心肌能量的代謝

阿霉素為常用化療藥物之一，其抗腫瘤主要作用使DNA解鏈，干擾細胞內(nèi)復(fù)制過程，產(chǎn)生半醌及無氧自由基，與氧結(jié)合后產(chǎn)生超氧陰離子導(dǎo)致心力衰竭。其也是常用的一種制造心力衰竭動物模型的手段。

2.1 阿霉素心臟毒性導(dǎo)致細胞凋亡 據(jù)目前研究發(fā)現(xiàn)阿霉素在幼年心肌細胞的毒性作用是致心肌肥厚，而在成年人心肌則為擴張型心力衰竭。其在細胞與分子水平的機制在近年的研究中主要是阿霉素對心臟的毒性作用是表現(xiàn)在心肌超微結(jié)構(gòu)的改變上，也就是胞質(zhì)空泡的形成使得T管肌漿網(wǎng)腫脹，肌纖維的破壞的消失。線粒體的改變包括：線粒體腫脹、線粒體嵴的消失、溶解酶的增加、染色質(zhì)的聚集、核顆粒性固縮及纖維形成，阿霉素作用于心肌成熟細胞H9c2使線粒體極化、線粒體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分解，同樣伴有細胞骨架的破壞。氧自由基的生成，線粒體破壞致生物能量供應(yīng)障礙，細胞凋亡。

2.2 阿霉素氧化應(yīng)激作用 心肌是能量代謝最旺盛的器官之一，其線粒體非常豐富，所以心肌對阿霉素所引起的損傷較其他器官更為敏感。其抗氧化的能力有較其他器官弱，如肝臟。因為心肌只表達少量硒依賴的過氧化酶來對抗阿霉素所產(chǎn)生的氧自由基，也可減少胞質(zhì)中的銅鋅超氧化物歧化酶。阿霉素能通過減少一些酶如：還原型輔酶Ⅱ(NADPH)

依賴的P450氧化還原酶、線粒體復(fù)合酶I中的還原型輔酶I(NADH)脫氫酶以及胞質(zhì)中一系列可溶性氧化還原酶。在心肌抗氧化方面，阿霉素可被內(nèi)皮型一氧化碳還原酶所減低，并能增強超氧陰離子形成。內(nèi)皮型一氧化碳還原酶相比細胞色素P450還原酶及NADH脫氫酶是DOX形成半醌自由基的Km值的10～100倍，而心肌中線粒體占細胞容積的35%(與其他細胞相比)，其中主要參與阿霉素氧化還原反應(yīng)的酶是復(fù)合酶I。所以其抗氧化等能力相對較低。阿霉素也能與鐵等自由過渡金屬離子作用，形成金屬復(fù)合物，刺激相應(yīng)產(chǎn)物形成，部分產(chǎn)物能減少氧的形成，氧基增加。阿霉素相關(guān)氧自由基還能夠破壞細胞壁磷脂，增加細胞壁通透性、降低膜受體及一些酶的反應(yīng)性。阿霉素對心磷脂有很強的親和力，特別是對氧化呼吸酶中的細胞色素氧化酶及NADH脫氫酶活性所必須的線粒體內(nèi)膜磷脂。與藥物結(jié)合的心磷脂抑制氧化磷酸化反應(yīng)，因其不能作為線粒體呼吸鏈酶的輔助因子。而對線粒體的作用表現(xiàn)在刺激4階段，減弱階段3的反應(yīng)，并降低線粒體呼吸控制率[12]及線粒體膜電位的降低[13]。

2.3 阿霉素所致線粒體改變 阿霉素還有一個重要的毒性作用—線粒體中鈣負荷能力減弱，其原因是應(yīng)為線粒體滲透性改變的增強[14]。鈣流失導(dǎo)致線粒體及細胞的破壞，是細胞死亡的征兆[15]。隨著線粒體膜滲透性增加，非選擇性蛋白孔開放，低于1.5 KDa的物質(zhì)可隨意通過該孔[16]。將導(dǎo)致線粒體滲透性腫脹、結(jié)構(gòu)破壞。許多物質(zhì)可以調(diào)控線粒體滲透通道-MPT，如肌酸激酶(CK)，己糖激酶，Bcl-2家族蛋白，末梢型苯并二氮雜受體[17]。線粒體通透性改變將會啟動如細胞色素C、第二線粒體來源的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶激活劑SMAC/家族直接結(jié)合蛋白DIABLO等凋亡蛋白的表達，其原因可能是線粒體膜破裂后溢出或生成增加[18]。在動物實驗中DOX增加線粒體通透性改變的機制由于線粒體蛋白中基底氧化特殊巰基的大量殘留。mtDNA的氧化損傷也是DOX心肌能量破壞機制之一，mtDNA的氧化引起呼吸鏈的損傷，導(dǎo)致不能提供心肌大量的能量需求，產(chǎn)生大量電子并傳遞給氧分子，增加活性氧，造成持續(xù)的線粒體功能障礙。故早期的生物能量代謝衰竭主要歸因于基質(zhì)鈣離子的過載[19]。線粒體的損傷包括重排、缺失、復(fù)制減少等在心肌中都有發(fā)現(xiàn)，但在骨骼肌中卻沒有發(fā)現(xiàn)，該證據(jù)在動物模型及DOX治療已故的病人中都是存在的。最近有研究表明，蒽環(huán)類藥物所致的心肌病其主要作用的不是氧化作用，而是在線粒體生發(fā)水平上的影響，導(dǎo)致產(chǎn)能障礙[20]。蒽環(huán)類藥物長期治療的小鼠中發(fā)現(xiàn)，其心肌中ATP及磷酸肌酸減低明顯，原因為線粒體產(chǎn)ATP的減少以及磷酸肌酸同工酶、腺苷酸活化蛋白激酶損傷。磷酸肌酸同工酶損傷致線粒體與胞液的能量通道及信號通路受到干擾，阻斷線粒體入口，阻止脂肪酸的β氧化。腺苷酸活化蛋白激酶通路的損傷降低細胞發(fā)動補償能量的能力，從而增加糖攝取及酵解供能[21]。糖酵解酶的表達與肌纖維膜、肌質(zhì)網(wǎng)膜離子轉(zhuǎn)運功能相關(guān)聯(lián)，包括鈣、鈉交換通道。心肌功能的減退又反射性激活心臟興奮性，增加糖酵解。阿霉素對心臟的影響在于減少總ATP產(chǎn)量，早期對線粒體肌酸激酶同工酶及蛋白激酶A的損傷。線粒體肌酸激酶的損傷導(dǎo)致其能量代謝信號通路、細胞溶質(zhì)的損害，并且干擾線粒體呼吸作用。蛋白激酶A的損傷阻斷脂肪酸的β氧化，并補償性的增加葡萄糖的氧化供能。在阿霉素治療早期就觀察到葡萄糖氧化及三羧酸循環(huán)相關(guān)基因誘導(dǎo)增加[22]。

3 總結(jié)與展望

阿霉素對心肌細胞產(chǎn)了多方面的損傷，其中最主要的為心肌線粒體的破壞導(dǎo)致的心肌能量代謝的紊亂，能量供應(yīng)的絕對不足導(dǎo)致心肌產(chǎn)生一系列病理生理改變，最終導(dǎo)致心力衰竭。而PPARα/PGC-1α軸與其可能有著不可忽視的對抗性作用：(1)PPARα/PGC-1α軸產(chǎn)生抗氧化物如SOD2 和 Trx2與阿霉素主要產(chǎn)生氧化應(yīng)激作用之間。(2)二者間對脂肪酸及葡萄糖利用的傾向相反。(3)對線粒體的生發(fā)學(xué)上，阿霉素所帶來的氧化應(yīng)激、線粒體膜通透性及膜電位改變、凋亡基因的表達等致線粒體損傷作用，而PPARα/PGC-1α軸的激活可刺激線粒體的增殖。其對抗性作用的表達是我們關(guān)注的重點，阿霉素是常見的致心肌病藥物，其代表性的致心衰作用是實驗中制作心衰模型的常用技術(shù)手段，被普遍用于動物實驗，其生理、病理機制代表著心衰發(fā)生的主要過程。那么從PPARα/PGC-1α軸的激活，在阿霉素所致的心力衰竭是否有著保護心肌能量代謝，甚至逆轉(zhuǎn)心力衰竭的作用，還需進一步探索。

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