缺血預(yù)適應(yīng)對(duì)青年與老年大鼠缺血/再灌注心肌氧化應(yīng)激及線(xiàn)粒體功能的影響*

柴囡楠， 張 昊， 王俊瑩， 李玲旭， 趙雅君△

(1哈爾濱醫(yī)科大學(xué)病理生理教研室，黑龍江 哈爾濱 150086； 2赤峰學(xué)院醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

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缺血預(yù)適應(yīng)對(duì)青年與老年大鼠缺血/再灌注心肌氧化應(yīng)激及線(xiàn)粒體功能的影響*

柴囡楠1,2， 張 昊1， 王俊瑩1， 李玲旭1， 趙雅君1△

(1哈爾濱醫(yī)科大學(xué)病理生理教研室，黑龍江 哈爾濱 150086；2赤峰學(xué)院醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

目的： 探討缺血預(yù)適應(yīng)(ischemic preconditioning，IPC)對(duì)青年與老年大鼠缺血/再灌注(ischemia/reperfusion，IR)心肌損傷的影響。方法：雄性3月齡(青年)與20月齡(老年)Wistar大鼠，應(yīng)用離體心臟灌流方法復(fù)制心肌IR與IPC模型。實(shí)驗(yàn)分為青年缺血/再灌注(YIR)組、青年缺血預(yù)適應(yīng)(YPC)組、老年缺血再灌注(OIR)組與老年缺血預(yù)適應(yīng)(OPC)組。透射電鏡觀察心肌及心肌線(xiàn)粒體超微結(jié)構(gòu)變化；TTC染色測(cè)定心肌梗死面積；比色法測(cè)定冠脈流出液中乳酸脫氫酶(LDH)活性、心肌組織中超氧化物歧化酶(SOD)活性及丙二醛(MDA)含量；酶聯(lián)免疫吸附法測(cè)定心肌組織硝基化與羰基化蛋白質(zhì)含量，TUNEL方法檢測(cè)心肌細(xì)胞凋亡；氧電極法測(cè)定線(xiàn)粒體呼吸功能及鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體滲透性轉(zhuǎn)運(yùn)孔開(kāi)放情況。結(jié)果：與YIR組比較，YPC組心肌梗死面積明顯減少，冠脈流出液中LDH活性降低，心肌組織的SOD活性增加，MDA含量降低，心肌硝基化與羰基化蛋白含量降低。電鏡下可見(jiàn)YPC組心肌及分離的心肌線(xiàn)粒體膜結(jié)構(gòu)完整、基質(zhì)致密。YIR組心肌線(xiàn)粒體呼吸控制率與Ⅲ態(tài)耗氧量及P/O比值均明顯增加，質(zhì)子漏出減少，鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體腫脹明顯減輕，心肌細(xì)胞凋亡率下降。而與OIR組比較,OPC組上述指標(biāo)均無(wú)顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。與YPC組比較，OPC組心肌超微結(jié)構(gòu)損傷明顯增加，心肌氧化應(yīng)激水平增加，線(xiàn)粒體呼吸功能下降，心肌細(xì)胞凋亡與壞死增多。結(jié)論：缺血預(yù)適應(yīng)能夠保護(hù)青年大鼠心肌缺血/再灌注損傷；而老年大鼠心臟對(duì)預(yù)適應(yīng)刺激減敏，導(dǎo)致缺血預(yù)適應(yīng)心肌保護(hù)作用鈍化，這可能與老齡IPC心臟氧化應(yīng)激水平增加導(dǎo)致線(xiàn)粒體損傷、細(xì)胞凋亡有關(guān)。

缺血/再灌注； 缺血預(yù)適應(yīng)； 氧化應(yīng)激； 線(xiàn)粒體功能； 心肌

隨年齡增加心血管疾病發(fā)病率增加，心肌梗死是引起老年人死亡最常見(jiàn)原因，盡早恢復(fù)缺血心肌的血液供應(yīng)能夠挽救缺血心肌，但再灌注可引起心肌發(fā)生缺血/再灌注(ischemia/reperfusion, IR)損傷。缺血預(yù)適應(yīng)(ischemic preconditioning，IPC)是目前已知最有效的減輕心肌IR損傷的內(nèi)源性保護(hù)措施，其機(jī)制與短暫的缺血預(yù)處理能夠刺激機(jī)體產(chǎn)生如腺苷、緩激肽、阿片和氧自由基等內(nèi)源性保護(hù)物質(zhì)，進(jìn)而激活膜受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，作用于ATP敏感性鉀通道、線(xiàn)粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeablity transition pore，mPTP)等產(chǎn)生心肌保護(hù)作用有關(guān)[1]。但研究顯示，缺血預(yù)適應(yīng)對(duì)成年及老年急性心肌梗死患者的保護(hù)作用存在差異[2]。也有研究顯示，缺血預(yù)適應(yīng)不能減少老年哺乳類(lèi)動(dòng)物心肌梗死面積[3]，但其具體機(jī)制尚不完全清楚。本研究通過(guò)觀察缺血預(yù)適應(yīng)處理對(duì)青年與老年大鼠缺血/再灌心肌氧化應(yīng)激、線(xiàn)粒體呼吸功能、細(xì)胞凋亡與壞死的影響，以確定IPC處理對(duì)青年與老年大鼠心肌IR損傷的保護(hù)作用是否存在差異，并探討其可能機(jī)制。

材 料 和 方 法

1 動(dòng)物、主要試劑與儀器

雄性Wistar大鼠購(gòu)自哈爾濱醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心；乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP 缺口末端標(biāo)記測(cè)定法(terminal dexynu-cleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling，TUNEL)試劑盒(南京建成生物工程研究所)；BCA蛋白濃度測(cè)定試劑盒、心肌線(xiàn)粒體分離試劑盒(碧云天生物技術(shù)研究所)；蛋白質(zhì)硝基化與羰基化檢測(cè)試劑盒(Cell Biolabs)。透射電子顯微鏡(H600T)；Clark氧電極(Hansatech)；US-640紫外分光光度計(jì)(島津公司)。

2 方法

2.1 大鼠心肌缺血再灌注與心肌缺血預(yù)適應(yīng)模型建立及實(shí)驗(yàn)分組 采用Langendorff離體心臟灌流技術(shù)制備心肌IR與心肌IPC模型。大鼠腹腔注射肝素4 000 U使之肝素化，10%水合氯醛(0.04 mL/kg)腹腔注射麻醉后開(kāi)胸，于距主動(dòng)脈起始部3～4 mm處迅速剪下心臟，置于冷灌流液中，沖出殘留于冠狀動(dòng)脈及心臟內(nèi)的血液，迅速連接在Langendorff離體心臟灌流裝置上，灌流液恒溫在37 ℃并持續(xù)用95% O2、5% CO2平衡。實(shí)驗(yàn)分為4組：青年(young, Y)缺血/再灌注組(YIR組)：3月齡Wistar大鼠，體重(280±20)g，離體心臟先預(yù)灌平衡20 min，然后在無(wú)氧、無(wú)灌流液的條件下保持心臟溫度恒定在37 ℃停止灌流30 min，之后復(fù)灌30 min；青年缺血預(yù)適應(yīng)組(YPC組)：離體青年大鼠心臟，先預(yù)灌注平衡20 min之后，經(jīng)歷3次5 min缺血與10 min再灌注為缺血預(yù)適應(yīng)處理，之后心臟再經(jīng)歷30 min的缺血及30 min的再灌注；老年(old,O)缺血/再灌注組(OIR組)與老年缺血預(yù)適應(yīng)組(OPC組):20月齡Wistar大鼠，體重(500±50)g，模型復(fù)制同YIR組和YPC組。

2.2 心肌超微結(jié)構(gòu)的觀察 取大鼠左心室約3.0 mm×3.0 mm×1.0 mm大小心尖部組織，置于戊二醛磷酸緩沖液中固定30 min后，將組織切成體積約1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm的小塊4 ℃固定。常規(guī)脫水、浸透、包埋、染色后制成50～70 nm的超薄切片，電鏡下觀察心肌組織超微結(jié)構(gòu)。

2.3 心肌梗死面積的測(cè)定 再灌注120 min后取下心臟置于-20 ℃冷凍2 h，然后從心尖到心底方向?qū)⑿呐K切成2～3 mm厚的切片，在1%氯化三苯基四氮唑中37 ℃孵育20 min，再置于10%的甲醛溶液中固定過(guò)夜。數(shù)碼相機(jī)拍照，計(jì)算機(jī)分析計(jì)算梗塞區(qū)的面積。

2.4 大鼠冠脈流出液LDH活性測(cè)定 心肌缺血后，再灌注開(kāi)始2 min后收集流出冠脈流出液2 mL，參照試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作處理冠脈流出液，應(yīng)用紫外分光光度計(jì)測(cè)定吸光度(A)值，計(jì)算出各組LDH活性。

2.5 大鼠心肌組織SOD活性和MDA含量的檢測(cè) 取0.5 g心室肌組織，加入10倍體積預(yù)冷的生理鹽水，冰水浴中制成10%組織勻漿，4 ℃、12 000 r/min離心10 min，取上清貯存在-80 ℃直至分析使用。黃嘌呤氧化酶法檢測(cè)SOD活性、采用硫代巴比妥酸比色法檢測(cè)MDA含量，具體操作步驟按試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，同時(shí)采用BCA法測(cè)蛋白含量。

2.6 大鼠心肌組織中硝基化與羰基化蛋白含量變化的測(cè)定 取心室肌組織稱(chēng)重，以100 mg組織加400 μL比例加入裂解液，充分裂解后，4 ℃、 12 000 r/min離心30 min，取上清貯存在-80 ℃直至分析使用，采用酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)法檢測(cè)硝基化與羰基化蛋白含量，具體操作步驟按試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行，同時(shí)采用BCA法測(cè)蛋白含量。

2.7 大鼠心肌線(xiàn)粒體呼吸控制率(respiratory control ratio，RCR)及Ⅲ態(tài)與Ⅳ態(tài)耗氧量的測(cè)定 常規(guī)差速離心法提取大鼠線(xiàn)粒體，按試劑盒說(shuō)明書(shū)操作。BCA法測(cè)定蛋白含量。用Clark氧電極法測(cè)定以蘋(píng)果酸為底物的線(xiàn)粒體呼吸控制率、線(xiàn)粒體III態(tài)、IV態(tài)耗氧量。氧電極反應(yīng)室設(shè)置為溫度25 ℃ ，1 g/L線(xiàn)粒體置于線(xiàn)粒體緩沖溶液中，平衡1 min后，加入底物5 mmol/L丙酮酸和5 mmol/L蘋(píng)果酸，線(xiàn)粒體呼吸測(cè)定開(kāi)始加入200 μmol/L的ADP之后記錄線(xiàn)粒體耗氧量為III態(tài)呼吸，ADP消耗盡之后的線(xiàn)粒體耗氧量為Ⅳ態(tài)呼吸。呼吸控制率為ADP供給充分時(shí)線(xiàn)粒體耗氧速率和缺乏ADP時(shí)呼吸速率之比，即III態(tài)呼吸與IV態(tài)呼吸的比值。

2.8 鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體滲透轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放的測(cè)定 取1 g/L線(xiàn)粒體，以5 mmol/L丙酮酸和5 mmol/L蘋(píng)果酸為底物，每間隔2 min向線(xiàn)粒體緩沖液內(nèi)加入200 μmol/L CaCl2，記錄520 nm處線(xiàn)粒體吸光度的變化，連續(xù)記錄20 min，吸光度值變化反映線(xiàn)粒體腫脹程度，用吸光度值下降的程度來(lái)評(píng)價(jià)鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體滲透轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放情況。

3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

所有數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差 (mean±SD) 表示，應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件處理，組間差異用單因素方差分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。

結(jié) 果

1 各組大鼠心臟損傷的觀察

1.1 大鼠心肌超微結(jié)構(gòu)改變 透射電鏡下可見(jiàn)，青年缺血/再灌注組心肌肌絲排列紊亂，線(xiàn)粒體基質(zhì)密度下降、嵴溶解，并可見(jiàn)核染色質(zhì)凝聚且邊集。青年缺血預(yù)適應(yīng)組心肌肌絲排列整齊，肌節(jié)結(jié)構(gòu)清晰，線(xiàn)粒體外膜完整，基質(zhì)致密，線(xiàn)粒體嵴排列整齊。老年缺血再灌注組心肌肌絲排列紊亂，肌節(jié)扭曲，線(xiàn)粒體基質(zhì)疏松、密度下降，嵴排列紊亂，肌絲間可見(jiàn)脂褐素顆粒。老年缺血預(yù)適應(yīng)組心肌肌絲排列不整齊，線(xiàn)粒體嵴呈絮狀改變，嵴排列紊亂，肌絲間可見(jiàn)大量脂褐素顆粒沉積，見(jiàn)圖1。

Figure 1.Electron microscopic observation of the left ventricular ultrastructure (×10 000). The representative images of the myocardium were showed in young IR group (YIR), young PC group (YPC), old IR group (OIR) and old PC group (OPC).

圖1 透射電鏡觀察大鼠心肌組織超微結(jié)構(gòu)變化

1.2 大鼠心肌梗死面積與冠脈流出液中LDH活性變化 與YIR組比較，YPC組心肌梗死面積明顯降低(P<0.05)，冠脈流出液中LDH活性也明顯降低(P<0.05)。與OIR組比較，OPC組心肌梗死面積及冠脈流出液中LDH活性均無(wú)明顯變化。與YPC組比較，OPC組心肌梗死面積明顯增加(P<0.05)，冠脈流出液中LDH活性也明顯升高(P<0.05)，見(jiàn)圖2。

Figure 2.The changes of the infarct size and the release of LDH. A: the infarct size was expressed as a percentage of the total left ventricle (LV) in YIR, YPC, OIR and OPC groups; B: LDH releases in the coronary effluent fluid in different groups. Mean±SD.n=8.*P<0.05vsYIR group;?P<0.05vsYPC group.

圖2 大鼠心肌梗死面積及冠脈流出液中LDH活性的變化

1.3 大鼠心肌組織SOD活性與MDA含量的變化 與YIR組比較，YPC組心肌SOD活性升高(P<0.05)，MDA含量降低(P<0.05)。與OIR組比較，OPC組SOD活力、MDA含量均無(wú)明顯變化(P>0.05)。與YPC組比較，OPC組心肌組織的SOD活性明顯降低(P<0.05),MDA含量明顯升高(P<0.05)，見(jiàn)圖3。

1.4 大鼠心肌組織中硝基化與羰基化蛋白含量的變化 與YIR組比較，YPC組心肌組織硝基化與羰基化蛋白含量均明顯降低(P<0.05)。與YIR組比較，OIR組心肌硝基化蛋白含量增加(P<0.05)，而羰基化蛋白含量無(wú)明顯變化(P>0.05)。與YPC組比較，OPC組心肌硝基化及羰基化蛋白含量均明顯增加(P<0.05)，見(jiàn)圖4。

Figure 3.The changes of SOD activity (A) and MDA content (B) in the myocardial tissues in YIR, YPC, OIR and OPC groups. Mean±SD.n=8.*P<0.05vsYIR group;?P<0.05vsYPC group.

圖3 大鼠心肌組織SOD活性與MDA含量的變化

Figure 4.The changes of nitrated and carbonylated protein levels in YIR, YPC, OIR and OPC groups. Mean±SD.n=8.*P<0.05vsYIR group;?P<0.05vsYPC group.

圖4 大鼠心肌組織硝基化與羰基化蛋白含量變化

1.5 大鼠心肌細(xì)胞凋亡分析 與YIR組比較，YPC組心肌細(xì)胞凋亡率明顯降低(P<0.05)。與OIR組比較，OPC組心肌細(xì)胞凋亡無(wú)明顯改變，與YPC組比較，OPC組心肌細(xì)胞凋亡率明顯增加(P<0.05)，見(jiàn)圖5。

Figure 5.The cardiac myocyte apoptosis determined by TUNEL assay (×400). TUNEL-positive nuclei were stained brown and TUNEL-negative nuclei were stained blue. The apoptotic index was expressed as percentage of TUNEL-positive nuclei. Mean±SD.n=6.*P<0.05vsYIR group;?P<0.05vsYPC group.

圖5 TUNEL方法檢測(cè)心肌細(xì)胞凋亡

2 大鼠心肌線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)與功能的變化

2.1 大鼠心肌線(xiàn)粒體超微結(jié)構(gòu)的變化 透射電鏡下可見(jiàn)，YIR組心肌線(xiàn)粒體嵴溶解、基質(zhì)呈絮狀改變、線(xiàn)粒體呈碎片化。YPC組心肌線(xiàn)粒體嵴結(jié)構(gòu)清晰、基質(zhì)致密、大部分線(xiàn)粒體膜完整。OIR組和OPC組可見(jiàn)大部分線(xiàn)粒體嵴溶解消失，線(xiàn)粒體呈空泡改變、小的卵圓形線(xiàn)粒體數(shù)目增多，并可見(jiàn)脂褐素沉積顆粒，見(jiàn)圖6。

2.2 大鼠心肌線(xiàn)粒體氧化磷酸化效率的評(píng)價(jià)分析 應(yīng)用Clark氧電極法檢測(cè)線(xiàn)粒體RCR、線(xiàn)粒體的III態(tài)與IV態(tài)耗氧量、P/O比值及質(zhì)子漏出情況。結(jié)果顯示，與YIR組比較，YPC組心肌線(xiàn)粒體的RCR明顯增加(P<0.05)，線(xiàn)粒體III態(tài)耗氧量增加(P<0.05)，P/O比值增大(P<0.05)，質(zhì)子漏出減少(P<0.05)。與OIR組比較，OPC組心肌線(xiàn)粒體的RCR、線(xiàn)粒體III態(tài)耗氧量、P/O比值和質(zhì)子漏出均無(wú)明顯改變。與YPC組比較，OPC組心肌線(xiàn)粒體RCR明顯降低(P<0.05)，線(xiàn)粒體的III態(tài)耗氧量降低(P<0.05)，P/O比值減小(P<0.05)，質(zhì)子漏出增加(P<0.05)，見(jiàn)圖7。

2.3 鈣誘導(dǎo)的大鼠心肌mPTP的開(kāi)放情況 與YIR組比較，YPC組心肌鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體腫脹程度明顯減輕(P<0.05)。與OIR組比較，OPC組心肌鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體腫脹程度無(wú)明顯改變。與YPC組比較，OPC組心肌鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體腫脹程度明顯增加(P<0.05)，見(jiàn)圖8。

討 論

目前已知自由基的爆發(fā)式產(chǎn)生是心肌缺血/再灌注的主要發(fā)生機(jī)制之一，再灌注產(chǎn)生的超氧陰離子與NO反應(yīng)生成過(guò)氧亞硝基陰離子使心肌蛋白質(zhì)發(fā)生硝基化修飾，造成心肌損傷[4]；自由基引發(fā)的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)生的活性羰基類(lèi)物質(zhì)，如丙二醛和丙烯醛等可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)發(fā)生羰基化修飾，導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能異常[5]。自由基損傷線(xiàn)粒體電子傳遞鏈，導(dǎo)致能量生成障礙，進(jìn)一步加重了心肌損傷。缺血預(yù)適應(yīng)處理可通過(guò)激活多種細(xì)胞信號(hào)通路保護(hù)青年大鼠心肌缺血/再灌注損傷[6-8]。本研究我們證實(shí)，IPC處理通過(guò)增加心肌抗氧化能力，抑制心肌蛋白質(zhì)的硝基化與羰基化反應(yīng)，抑制再灌注引起的線(xiàn)粒體功能降低，發(fā)揮抗青年大鼠心肌IR損傷作用。

目前有研究顯示缺血預(yù)適應(yīng)對(duì)成年與老年人心肌梗死的保護(hù)作用存在差異[2]；也有文獻(xiàn)報(bào)道老年動(dòng)物和人的心臟喪失了缺血預(yù)適應(yīng)保護(hù)作用[9-11]，但

Figure 6.Ultrastructural changes of isolated cardiac mitochondria under transmission electron microscope (×10 000).

圖6 透射電子顯微鏡觀察分離的心肌線(xiàn)粒體超微結(jié)構(gòu)的變化

Figure 7.Mitochondrial oxidative phosphorylation efficiency was evaluated based on mitochondrial respiratory control rate, state III and IV oxygen consumption, the P/O ratio, and proton leakage (oligomycin-inhibited respiration). Respiration was induced with pyruvate/malate (5 mmol/L each) as energizing substrates and ADP (200 μmol/L) to initiate state III respiration. Mean±SD.n=6.*P<0.05vsYIR group;?P<0.05vsYPC group.

圖7 以丙酮酸為底物的線(xiàn)粒體呼吸控制率、III態(tài)與IV態(tài)呼吸、P/O比值與質(zhì)子漏出情況

Figure 8.The opening of mitochondral permeability transition pore induced by calcium.Mitochondria (0.5 g/L) were incubated in standard incubation medium. After 2 min of incubation, the mitochondria were loaded with 200 μmol/L CaCl2. Mean±SD.n=6.*P<0.05vsYIR group;?P<0.05vsYPC group.

圖8 鈣誘導(dǎo)的線(xiàn)粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放情況

其具體機(jī)制尚未闡明。本研究顯示，與YPC組比較，OPC組心肌梗死面積明顯增加，心肌損傷標(biāo)志酶LDH活性增強(qiáng)，心肌抗氧化酶SOD活性降低，脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物MDA產(chǎn)生增加，硝基化及羰基化蛋白質(zhì)含量增加。透射電鏡下可見(jiàn)OPC組心肌肌絲排列紊亂，線(xiàn)粒體嵴溶解、基質(zhì)疏松呈絮狀改變，心肌細(xì)胞內(nèi)有大量的脂褐素顆粒沉積。研究提示老齡大鼠心臟對(duì)缺血預(yù)適應(yīng)刺激減敏，我們分析這可能與老齡IPC心肌氧化/抗氧化失衡導(dǎo)致心肌活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生增多，進(jìn)而使在預(yù)適應(yīng)中發(fā)揮保護(hù)作用的蛋白質(zhì)發(fā)生氧化、硝基化及羰基化，導(dǎo)致預(yù)適應(yīng)保護(hù)作用信號(hào)級(jí)聯(lián)受損有關(guān)。氧化應(yīng)激的過(guò)度激活可能在這一病理過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。有研究顯示，由活性醛(壬烯醛及MDA)介導(dǎo)的羰基化應(yīng)激增加了老年心臟對(duì)缺血/再灌注損傷的易感性[12]；另有報(bào)道，心肌蛋白質(zhì)的硝基化降低了老年心臟的缺血預(yù)適應(yīng)保護(hù)作用[13]；這些研究也支持我們的研究結(jié)果。

本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，老齡大鼠缺血預(yù)適應(yīng)心肌有大量碎片化及空泡樣改變的線(xiàn)粒體，并可見(jiàn)部分線(xiàn)粒體嵴溶解。與YPC組比較，OPC組心肌線(xiàn)粒體RCR、線(xiàn)粒體Ⅲ態(tài)耗氧率及P/O比值均明顯下降，質(zhì)子漏出、mPTP開(kāi)放數(shù)目和心肌細(xì)胞凋亡率均明顯增加，這說(shuō)明老年缺血預(yù)適應(yīng)心肌線(xiàn)粒體因結(jié)構(gòu)受損而導(dǎo)致功能下降。

線(xiàn)粒體是細(xì)胞能量代謝、自由基代謝的調(diào)控中心。線(xiàn)粒體功能下降導(dǎo)致線(xiàn)粒體呼吸鏈電子傳遞受阻、質(zhì)子漏出增加，ROS生成增加，線(xiàn)粒體又是ROS作用的主要靶點(diǎn)，這又進(jìn)一步加重了線(xiàn)粒體的損傷，導(dǎo)致心肌能量代謝障礙[14]。文獻(xiàn)報(bào)道，老年心臟線(xiàn)粒體中包含大量突變的mtDNA，mtDNA突變導(dǎo)致由其編碼的呼吸鏈電子傳遞復(fù)合體亞單位功能缺陷，呼吸鏈電子傳遞受阻，線(xiàn)粒體ROS產(chǎn)生增加[15]；老年心肌氧化應(yīng)激水平增強(qiáng)導(dǎo)致線(xiàn)粒體鈣緩沖能力下降，可導(dǎo)致老年心肌線(xiàn)粒體對(duì)鈣損傷的易感性增加，促進(jìn)心肌細(xì)胞通過(guò)線(xiàn)粒體途徑介導(dǎo)死亡[16]；老年心臟作用于線(xiàn)粒體的心肌保護(hù)信號(hào)通路表達(dá)下調(diào)[17]。目前的研究普遍認(rèn)為線(xiàn)粒體是IPC心肌保護(hù)信號(hào)通路作用的末端效應(yīng)靶點(diǎn)。據(jù)此，我們推測(cè)，老齡大鼠心臟缺血預(yù)適應(yīng)保護(hù)作用鈍化可能與OPC心肌氧化應(yīng)激水平增強(qiáng)導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能下降，線(xiàn)粒體代謝及功能異常反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了ROS的生成，形成的惡性循環(huán)可能使在IPC心肌發(fā)揮保護(hù)作用的信號(hào)通路受損，使作用于線(xiàn)粒體的IPC保護(hù)作用的末端效應(yīng)靶點(diǎn)(如線(xiàn)粒體ATP敏感鉀通道等)受損有關(guān)。Adam等[11]也證實(shí)，隨增齡心臟結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能的改變，導(dǎo)致保護(hù)老齡心臟免受缺血損傷的內(nèi)源性物質(zhì)減少及信號(hào)通路減敏使老年心臟IPC保護(hù)效率降低。這與我們的研究結(jié)果相一致。

最新研究發(fā)現(xiàn)自噬在缺血預(yù)適應(yīng)心臟保護(hù)中發(fā)揮重要作用[18]。老年心臟自噬水平下降，尤其是線(xiàn)粒體自噬功能受損[19]。本實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)OPC心肌線(xiàn)粒體功能明顯下降，線(xiàn)粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放數(shù)目增加，質(zhì)子漏出增加，這是否與老齡缺血預(yù)適應(yīng)心肌線(xiàn)粒體自噬水平降低導(dǎo)致?lián)p傷的線(xiàn)粒體堆積、進(jìn)而導(dǎo)致線(xiàn)粒體功能下降有關(guān)？目前尚未見(jiàn)報(bào)道，這也是我們下一步要探索的問(wèn)題。

總之，本研究證實(shí)老年大鼠心肌缺血預(yù)適應(yīng)保護(hù)作用鈍化可能與老年IPC心肌ROS產(chǎn)生增加使線(xiàn)粒體受損，導(dǎo)致線(xiàn)粒體呼吸功能下降，線(xiàn)粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔開(kāi)放，細(xì)胞凋亡有關(guān)。

[1] Yang X, Cohen MV, Downey JM. Mechanism of cardioprotection by early ischemic preconditioning[J]. Cardiovasc Drugs Ther, 2010, 24(3):225-234.

[2] 唐其柱， 馮偉萍. 老年及成年AMI患者心肌缺血預(yù)適應(yīng)保護(hù)作用的對(duì)比分析[J]. 醫(yī)學(xué)研究雜志, 2010, 39(10):91-93.

[3] Jahangir A, Ozcan C, Holmuhamedov EL, et al. Increased calcium vulnerability of senescent cardiac mitochondria: protective role for a mitochondrial potassium channel opener[J]. Mech Ageing Dev, 2001, 122(10):1073-1086.

[4] 王 斌, 李 悅. 硫氧還蛋白硝基化在多柔比星誘導(dǎo)的乳鼠心肌細(xì)胞凋亡中的作用[J]. 中國(guó)病理生理雜志, 2013,29(8):1358-1364.

[5] 伍尤華, 曹校校, 張蒙夏， 等.二烯丙基三硫誘導(dǎo)人髓樣白血病HL-60細(xì)胞活性氧產(chǎn)生及其細(xì)胞毒性作用[J]. 中國(guó)病理生理雜志, 2008,24(7):1317-1322.

[6] Hausenloy DJ, Yellon DM. Preconditioning and postconditioning: underlying mechanisms and clinical application[J]. Atherosclerosis, 2009, 204(2):334-341.

[7] Ge H, Zhao M, Lee S, et al. Mitochondrial Src tyrosine kinase plays a role in the cardioprotective effect of ischemic preconditioning by modulating complex I activity and mitochondrial ROS generation[J]. Free Radic Res, 2015, 49(10):1210-1217.

[8] 李 英, 洪英姬, 洪 蘭.心房鈉尿肽對(duì)缺血再灌注損傷心肌的保護(hù)作用及其機(jī)制探討[J]. 中國(guó)病理生理雜志, 2015， 31(10):1800-1801.

[9] Boengler K, Konietzka I, Buechert A, et al. Loss of ischemic preconditioning's cardioprotection in aged mouse hearts is associated with reduced gap junctional and mitochondrial levels of connexin 43[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol, 2007, 292(4):H1764-H1769.

[10]Lee TM, Su SF, Chou TF, et al. Loss of preconditioning by attenuated activation of myocardial ATP-sensitive potassium channels in elderly patients undergoing coronary angioplasty[J]. Circulation, 2002, 105(3):334-340.

[11]Adam T, Sharp S, Opie LH, et al. Loss of cardioprotection with ischemic preconditioning in aging hearts: role of sirtuin 1?[J]. Cardiovasc Pharmacol Ther, 2013, 18(1):46-53.

[12]Gu C, Xing Y, Jiang L, et al. Impaired cardiac SIRT1 activity by carbonyl stress contributes to aging-related ischemic intolerance[J]. PLoS One, 2013,8(9):e74050.

[13]Pagliaro P, Penna C. Redox signalling and cardioprotection: translatability and mechanism[J]. Br J Pharmacol, 2015,172(8):1974-1995.

[14]Machi JF, Dias DS, Freitas SC, et al. Impact of aging on cardiac function in a female rat model of menopause: role of autonomic control, inflammation, and oxidative stress[J]. Clin Interv Aging, 2016, 11(6):341-350.

[15]Trifunovic A, Wredenberg A, Falkenberg M, et al. Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase[J]. Nature, 2004, 429(6990):417-423.

[16]Jahangir A, Ozcan C, Holmuhamedov EL, et al. Increased calcium vulnerability of senescent cardiac mitochondria: protective role for a mitochondrial potassium channel opener[J]. Mech Ageing Dev, 2001, 122(10):1073-1086.

[17]Shim YH. Cardioprotection and ageing[J]. Korean J Anesthesiol, 2010, 58(3):223-230.

[18]Huang C, Andres AM, Ratliff EP, et al. Preconditioning involves selective mitophagy mediated by parkin and p62/SQSTM1[J]. PLoS One, 2011, 6(6):e20975.

[19]Shirakabe A, Ikeda Y, Sciarretta S, et al. Aging and autophagy in the heart[J]. Circ Res, 2016, 118(10):1563-1576.

(責(zé)任編輯： 林白霜， 羅 森)

Effects of ischemic preconditioning on oxidative stress and mitochondrial function in young and old rat myocardium with ischemia/reperfusion

CHAI Nan-nan1,2, ZHANG Hao1, WANG Jun-ying1, LI Ling-xu1, ZHAO Ya-jun1

(1DepartmentofPathophysiology,HarbinMedicalUniversity,Harbin150086,China;2MedicalSchoolofChifengUniversity,Chifeng024000,China.E-mail:zhaoyajun1964@163.com)

AIM: To study the protective effect of ischemia preconditioning (IPC) on ischemia/reperfusion (IR)-damaged myocardium in young and old rats. METHODS: Male Wistar rats aged at 3 months (young) and 20 months (old) were used to establish myocardial IPC model and IR model with the method of Langendorff heart perfusion. The rats were divided into young ischemia/reperfusion (YIR) group, young ischemic preconditioning (YPC) group, old ischemia/reperfusion (OIR) group and old ischemic preconditioning (OPC) group. Transmission electron microscopy was used to observe the ultrastructural changes of myocardial tissue and myocardial mitochondria. The myocardial infarction area was determined by TTC staining. The lactate dehydrogenase (LDH) content in coronary effluent fluid and the levels of superoxide dismutase (SOD) and malondialdehyde (MDA) in myocardial tissues were detected by the method of colorimetry. The levels of nitrated and carbonylated proteins in myocardial tissue were measured by ELISA. The myocardial cell apoptosis was analyzed by TUNEL assay. The mitochondrial respiratory function and mitochondrial permeability transition pore opening induced by calcium load were evaluated by oxygen electrode method. RESULTS: Compared with YIR group, the myocardial infarction area in YPC group was obviously smaller, SOD activity in myocardial tissues increased, LDH activity in coronary effluent fluid and the content of MDA decreased, and the levels of nitrated and carbonylated proteins in the cardiac tissues reduced. In YPC group, the mitochondrial membrane structure appeared intact, cristae of the mitochondria showed close arrangement, and the matrix was compressed under the electron microscope. Myocardial mitochondrial respiratory control rate, state Ⅲ oxygen consumption and the P/O ratio in YIR group all significantly increased, proton leak decreased, mitochondrial swelling induced by calcium distinctly reduced, and myocardial apoptosis rate declined. No significant difference of the above indexes between OIR group and OPC group was observed. Compared with YPC group, myocardial ultrastructural damage increased clearly, cardiac oxidative stress increased, mitochondrial respiratory function declined, and cell apoptosis and necrosis increased in OPC group. CONCLUSION: Ischemic preconditioning has protective effect against myocardial IR injury in young rat hearts, while old rat hearts were less sensitive to ischemic preconditioning, leading to bluntness of cardioprotection with IPC in aging hearts. This may be related to mitochondrial injury and severe cellular apoptosis caused by increase of cardiac oxidative stress levels in the aging ischemic preconditioning heart.

Ischemia/reperfusion; Ischemic preconditioning; Oxidative stress; Mitochondrial function; Myocardium

1000- 4718(2016)10- 1737- 07

2016- 06- 02

2016- 06- 30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No. 81170178)

△通訊作者 Tel: 0451-86699587; E-mail: zhaoyajun1964@163.com

R541.4

A

10.3969/j.issn.1000- 4718.2016.10.002

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