肥厚型心肌病鈣離子穩(wěn)態(tài)失衡與能量學(xué)改變*

吳 昊 綜述，趙 躍，張 宏 審校

(1.大理大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，云南大理 671000；2.大理大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，云南大理 671000；3.云南省第一人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，昆明 650032)

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)是一種由多因素引起的左心室肥厚為主要臨床病理特征的復(fù)雜心臟疾病[1]，全球發(fā)病率約為1/500[2]，是青少年及年輕運(yùn)動(dòng)員猝死的最常見原因。HCM有著顯著的遺傳特征，被世界衛(wèi)生組織(WHO)定義為一種以常染色體顯性為主的遺傳性心臟疾病，主要由編碼心臟蛋白的基因突變引起[3]。目前已發(fā)現(xiàn)有超過30個(gè)基因的1 500種突變與HCM發(fā)病相關(guān)[4-5]，其中以編碼肌小節(jié)蛋白的基因突變?yōu)橹?，約占總突變的80%[6]。目前，關(guān)于HCM的疾病機(jī)制尚不完全清楚，認(rèn)為毒性多肽學(xué)說、無效等位基因?qū)W說、能量消耗假說和鈣離子(Ca2+)穩(wěn)態(tài)異常學(xué)說是其主要致病機(jī)制。但是，越來越多的研究認(rèn)為Ca2+穩(wěn)態(tài)異常在HCM的發(fā)生發(fā)展中處于中心地位[7-8]。β受體阻滯劑和非二氫吡啶類Ca2+通道拮抗劑等傳統(tǒng)藥物作為HCM的一線用藥加上近些年開發(fā)出的新的藥物，使HCM癥狀得到了有效的控制，本文就近年的HCM中Ca2+穩(wěn)態(tài)和能量學(xué)改變最新研究進(jìn)行綜述。

1 Ca2+與心臟活動(dòng)

1.1肌肉興奮-收縮耦聯(lián)(excitation-contraction coupling，ECC) 在心肌細(xì)胞中，Ca2+誘發(fā)心肌細(xì)胞產(chǎn)生動(dòng)作電位，經(jīng)過轉(zhuǎn)導(dǎo)引起心肌收縮的過程被稱為ECC。在ECC中，最重要的過程是Ca2+觸發(fā)釋放[9]，即心肌細(xì)胞興奮引起細(xì)胞膜上的電壓依賴L-型Ca2+通道開放，Ca2+內(nèi)流，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高，引起心肌細(xì)胞內(nèi)肌漿網(wǎng)膜上的蘭尼堿受體(RyR) Ca2+通道快速開放，以最快速度釋放Ca2+，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度急劇升高。此后Ca2+通過與細(xì)肌絲上的肌鈣蛋白C結(jié)合，原肌球蛋白發(fā)生位移，暴露出細(xì)肌絲上與橫橋結(jié)合的位點(diǎn)，使粗細(xì)肌絲結(jié)合，引起心肌細(xì)胞收縮。

1.2心臟電活動(dòng) 在竇房結(jié)內(nèi)，當(dāng)膜電位去極化達(dá)到閾電位-40 mV時(shí)Ca2+通道激活并開放，Ca2+緩慢內(nèi)流引起起搏P細(xì)胞的緩慢去極化[10]。而在心房肌或者心室肌細(xì)胞中，復(fù)極的2相平臺(tái)期主要是緩慢而持續(xù)的Ca2+內(nèi)流形成。當(dāng)膜電位約-55 mV 時(shí)，T型和L型Ca2+通道相繼激活開放，Ca2+沿較高的濃度差跨膜緩慢內(nèi)流，這種緩慢而持續(xù)的內(nèi)流使細(xì)胞膜內(nèi)的電位保持在較高水平形成2相平臺(tái)期。由于Ca2+通道的失活比激活更慢，使Ca2+內(nèi)流微弱而時(shí)間持久，2相平臺(tái)期及Ca2+內(nèi)流不僅與心房、心室肌細(xì)胞的動(dòng)作電位時(shí)程有關(guān)還與電興奮引起的心肌收縮有關(guān)[10]。所以，Ca2+對(duì)心臟電活動(dòng)的作用至關(guān)重要。

1.3Ca2+為心肌細(xì)胞第二信使 在細(xì)胞內(nèi)，Ca2+參與的生化過程很多，如葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞分裂、神經(jīng)介質(zhì)的釋放、蛋白質(zhì)的合成、DNA的合成、丙酮酸脫氫酶的活化、腺苷-3′，5′-環(huán)化-磷酸(cAMP)和鳥苷-3′,5′-環(huán)磷酸(cGMP)的活化等。其中，最重要的是Ca2+作為第二信使通過鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能。CaM與Ca2+結(jié)合后，構(gòu)型發(fā)生變化，導(dǎo)致Ca2+/CaM復(fù)合物與鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的CaM結(jié)合域結(jié)合，使CaMKⅡ自身磷酸化活化激活下游信號(hào)通路，從而對(duì)代謝過程起調(diào)控作用。

1.4細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài) 細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)是由細(xì)胞膜、肌漿網(wǎng)及線粒體上一系列Ca2+通道、離子交換體和鈣泵對(duì)Ca2+進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)來維持的。如細(xì)胞膜上的電壓門控Ca2+通道及Na+-Ca2+交換體(NCX)、肌質(zhì)網(wǎng)膜上的IR3R-Ca2+通道和線粒體膜的RyR-Ca2+通道使Ca2+流入細(xì)胞質(zhì)。而細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+外流的通道主要包括細(xì)胞膜和肌質(zhì)網(wǎng)上的鈣泵，線粒體通過NCX把Ca2+轉(zhuǎn)入線粒體鈣庫。

2 HCM中Ca2+失衡與能量學(xué)改變

2.1Ca2+敏感性增加 眾多證據(jù)表明，編碼肉瘤蛋白的基因突變常引起肌絲Ca2+敏感性增加，并且不同的突變會(huì)從不同的機(jī)制影響Ca2+敏感性。如MYL和TN直接增加肌鈣蛋白和Ca2+的親和力，而MHY7和MYBPC3則是在粗肌絲之間形成額外的交叉橫橋，協(xié)同激活細(xì)肌絲[11]，二者親和力改變引起Ca2+敏感性增加和橫橋解離困難。此外，高氧化應(yīng)激通過改變心肌肌球蛋白結(jié)合蛋白C(MYBPC3)和肌鈣蛋白磷酸化狀態(tài)增加肌絲對(duì)Ca2+的敏感性[12]。心肌肌鈣蛋白I(cTnI)基因7、8號(hào)外顯子編碼了cTnI的抑制區(qū)和調(diào)控區(qū)兩個(gè)主要功能區(qū)，當(dāng)其發(fā)生錯(cuò)義突變或缺失突變時(shí)減弱了cTnI對(duì)肌球蛋白酶活性的抑制，引起心肌纖維的Ca2+敏感性增加[13]。體外實(shí)驗(yàn)表明，MYBPC3調(diào)控心肌收縮的機(jī)制之一是通過其N端結(jié)構(gòu)域與相鄰細(xì)絲的相互作用，降低了激活肌球蛋白ATP酶活性所需的Ca2+濃度閾值，從而增加細(xì)肌絲對(duì)Ca2+的敏感性[14-15]。Ca2+敏感性增加導(dǎo)致了肌絲機(jī)械松弛受損，使得Ca2+再攝取時(shí)間延長，導(dǎo)致舒張功能發(fā)生障礙。同時(shí)，有研究表明肌纖維脫敏的松弛校正有效地阻斷了細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK1/2)參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[16-17]。

2.2肌質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶(sarcopendoplasic Ca2+-ATPase,SERCA2)活性與能量學(xué)改變 心臟舒張期Ca2+攝取依賴水平的低表達(dá)可能是導(dǎo)致舒張期Ca2+水平升高，引起左室收縮儲(chǔ)備功能受損的重要機(jī)制。COPPINI等[18]發(fā)現(xiàn)HCM患者中SERCA2的水平降低。SERCA2磷酸化功能的凈平衡似乎更多地受到SERCA2水平降低的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樵诮?jīng)磷酸酶處理后的SERCA2活性和Ca2+敏感性沒有改變的情況下，SERCA2的總攝取速度降低。此外，SERCA2活性降低是造成細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡的另一機(jī)制。SERCA2活性變化似乎是通過Ca2+緩沖激活CaMKⅡ和隨后磷酸化PLNThr17直接實(shí)現(xiàn)[11]。

HCM發(fā)生早期出現(xiàn)的能量代謝異常與SERCA2活性的改變有關(guān)。一方面，肌節(jié)蛋白基因突變導(dǎo)致能量學(xué)改變，引起SERCA2活性降低。基球蛋白重鏈7(MYH7)基因R403Q突變是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的HCM致病基因，因此也是研究最早且被研究較多的位點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，該位點(diǎn)位于S1區(qū)段的肌動(dòng)蛋白結(jié)合部位，此突變導(dǎo)致橫橋解離速度加快，張力產(chǎn)生時(shí)ATP的消耗增加，從而引起細(xì)胞內(nèi)能量失調(diào)[19]。除此之外，MHY7和MYBPC3突變導(dǎo)致粗肌絲間形成額外的交叉橫橋，從而增加了肌球蛋白ATP酶的能量需求。由于產(chǎn)生心肌細(xì)胞收縮力的跨橋周期所需能量在心肌細(xì)胞ATP消耗比重中增加，使能量相對(duì)缺乏，降低了SERCA2及其他ATP消耗過程的活性。SERCA2活性下降導(dǎo)致舒張期肌漿網(wǎng)Ca2+回?cái)z速度下降，引起細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度升高。另有研究顯示ACTC中R95C、F90△使肌球蛋白ATP酶顯著下降，也同樣可能是由于突變導(dǎo)致了心肌細(xì)胞能量不足[20]。

另一方面，在心肌肥厚前出現(xiàn)線粒體能量合成不足，導(dǎo)致線粒體數(shù)量發(fā)生了代償性的增加[21]。線粒體DNA由于缺乏組蛋白保護(hù)和修復(fù)機(jī)制，在較高氧化壓力下發(fā)生的突變能導(dǎo)致氧化磷酸化電子傳遞鏈復(fù)合體、電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能障礙，引起25%～40% HCM病例，使心肌蛋白對(duì)ATP的利用效率降低、ATP消耗增加、心肌能量供應(yīng)不足，同時(shí)還引起心肌組織的活性氧簇(ROS)水平增加，抗氧化的血紅素氧化酶1(heme oxygenase 1,HO-1)表達(dá)水平降低，從而引起線粒體DNA突變的惡性循環(huán)。與HCM相關(guān)的線粒體基因突變主要是線粒體DNA轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)基因點(diǎn)突變、線粒體DNA結(jié)構(gòu)基因點(diǎn)突變、線粒體DNA缺失突變[22]。有研究[1]證明，m2336t>c突變通過降低16S核糖體RNA(rRNA)的穩(wěn)定性從而導(dǎo)致線粒體功能紊亂和超微結(jié)構(gòu)缺陷，如電子傳遞鏈復(fù)合體Ⅰ和Ⅳ活性顯著降低，ATP/ADP比值和線粒體膜電位降低，使心肌細(xì)胞能量缺乏，離子泵、肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶活性下降，從而提高細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，導(dǎo)致HCM特異性電生理異常。細(xì)胞色素C氧化酶2復(fù)合體(synthesis of cytochrome c oxidase 2,SCO2)突變，是引起細(xì)胞色素C氧化酶(Cox)紊亂的常見突變基因，也同樣引起線粒體呼吸鏈功能障礙[23]。除了線粒體本身基因突變外，核基因編碼的線粒體磷酸載體蛋白(PIC)基因中Gly72Glu的突變導(dǎo)致HCM患者的肌肉線粒體ATP合成紊亂[24]。最終在能量供應(yīng)不足的情況下，心肌組織發(fā)生退行性改變及代償性肥厚增生等病理變化導(dǎo)致心肌肥厚，引起HCM。

2.3鈣超載 鈣超載在HCM Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡中起著非常重要的作用。Ca2+敏感性增加及SERCA2活性降低都將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+超載。對(duì)于HCM來說，鈣超載導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大、心律失常、纖維化及心力衰竭。一方面，當(dāng)鈣超載發(fā)生時(shí)，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+與細(xì)肌絲上的肌鈣蛋白結(jié)合，使心肌處于高收縮狀態(tài)。另一方面，Ca2+與CaM激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶/活化T細(xì)胞核因子(CaN/NFAT)通路使心肌細(xì)胞肥大[25]。在單細(xì)胞研究中，HCM iPSC-CMs在誘導(dǎo)心臟分化后第40天起，NFAT激活的肥大介質(zhì)GATA4和MEF2C顯著上調(diào)，提示CaN/NFAT通路在HCM表型的發(fā)生發(fā)展中起核心作用[13]。同時(shí)，活化的CaMKⅡ可以移位到細(xì)胞核，使組蛋白去乙酰化酶(HDAC4) 磷酸化，從而解除對(duì)肌細(xì)胞增強(qiáng)因子-2(Mef-2)控制基因轉(zhuǎn)錄的抑制作用[25]。

為了緩解細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高，CaMKⅡ使線粒體攝取細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+能力增強(qiáng)，使大量Ca2+聚集在線粒體內(nèi)，將會(huì)抑制氧化磷酸化，造成線粒體呼吸功能障礙。同時(shí)，使氧自由基產(chǎn)生增加，線粒體及心肌細(xì)胞的脂質(zhì)過氧化損傷[26]，氧自由基的增加反過來激活Ca2+通道，使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣超載進(jìn)一步加重。在氧化應(yīng)激增加后，ROS可調(diào)控包括MAPK、AP-1、ASK-1/NF-κB在內(nèi)的多種信號(hào)通路引起心肌肥大[27-28]，TGF β/Smad信號(hào)通路導(dǎo)致心肌纖維化，同時(shí)激活CaM激酶、鈣依賴性磷脂酶、鈣依賴性核苷酸內(nèi)切酶等多種消化酶，引起心肌細(xì)胞凋亡。黃一等[29]認(rèn)為，B淋巴細(xì)胞-2基因(Bcl-2)家族成員Nix等促凋亡基因表達(dá)同樣受心肌肥大信號(hào)的調(diào)節(jié)。由于細(xì)胞凋亡和心力衰竭的密切關(guān)系，因此，ROS在心肌肥厚向心力衰竭轉(zhuǎn)化過程中起著非常重要的作用。不僅如此，Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡還是HCM致死性心律失常的原因[30-31]。KNOLLMANN等[31]研究證明肌鈣蛋白T(cTnT)基因突變的小鼠在心肌細(xì)胞還沒有肥大的情況下表現(xiàn)出抑制性和長時(shí)間的鈣瞬變，而這極可能引起去極化延遲或自發(fā)性鈣振蕩，說明Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡可能是導(dǎo)致HCM心律失常的分子機(jī)制之一。

3 HCM治療藥物

3.1β受體阻滯劑 20世紀(jì)60年代，β受體阻滯劑首次被用于治療HCM[32]。它是2011版美國指南和2014版歐洲心血管病學(xué)會(huì)指南推薦的HCM首選基礎(chǔ)用藥，也是最主要的藥物。β受體阻滯劑在改善左室流出道梗阻引起的缺血癥狀上有著極其重要的意義。其主要機(jī)制是通過抑制交感神經(jīng)活性，從而減少心臟高收縮狀態(tài)，降低心肌耗氧量。研究證明，β受體阻滯劑主要是降低患者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下左室流出道梗阻，對(duì)靜息狀態(tài)下流出道壓力階差無明顯影響[32]。而選擇性的β1 受體阻滯劑可以減少Ca2+的內(nèi)流，在治療慢性心力衰竭中發(fā)現(xiàn)，美托洛爾可以使衰竭心臟SERCA2a蛋白的水平和活性改善[33]。因此推測(cè)β受體阻滯劑除了抑制交感神經(jīng)活性外，還可能參與改善鈣循環(huán)降低心肌收縮力、抑制心肌肥厚。卡維地洛作為一種β受體阻滯劑和α受體拮抗劑，可以阻斷過氧化氫誘導(dǎo)的SERCA2a在基因和蛋白水平的降低，并可促進(jìn)SERCA2a基因的上調(diào)，改善細(xì)胞內(nèi)Ca2+狀態(tài)[34]，但具體作用機(jī)制目前尚不十分清楚。

3.2Ca2+拮抗劑 對(duì)于使用β受體阻滯劑效果不佳或者禁忌的患者，可以使用非二氫吡啶類Ca2+通道阻滯劑，如維拉帕米等藥物治療。其機(jī)制是通過阻斷Ca2+通道，以達(dá)到降低心肌收縮力，改善心室舒張功能。研究結(jié)果表明，早期使用地爾硫卓確實(shí)延緩了攜帶者舒張功能障礙的發(fā)展[25]。LAN等[8]通過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞心肌細(xì)胞(induced pluripotent stem cell cardiomyocytes，iPSC-CMs)建立單細(xì)胞HCM模型，在單個(gè)患病的iPSC-CMs中添加維拉帕米50～100 nmol/L連續(xù)10～20 d，明顯改善了HCM中心肌細(xì)胞肥大、Ca2+處理異常和心律失常[8]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)地爾硫卓比維拉帕米抑制Ca2+通道作用更強(qiáng)[8]。在動(dòng)物模型中，用Ca2+拮抗劑治療MYH6突變的轉(zhuǎn)基因小鼠，使HCM中心肌肥厚改善尤其明顯[30]。

3.3腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)抑制劑 血管緊張素-Ⅰ(AngⅠ)轉(zhuǎn)換酶(ACE)基因是RAAS的主要組成部分，該基因第16內(nèi)含子中存在287 bp的Alu重復(fù)序列，導(dǎo)致了一種共同的多態(tài)性，即II、ID和DD 3種基因型，這些基因型都會(huì)影響HCM患者心肌肥大的表型。心肌產(chǎn)生的血管生成素Ⅱ(AngⅡ)能以自分泌/旁分泌方式直接作用于心肌細(xì)胞膜抗血管緊張腎Ⅱ型受體(AT1R)，上調(diào)細(xì)胞質(zhì)Ca2+水平，產(chǎn)生正性肌力作用。通過旁分泌方式，促進(jìn)心交感神經(jīng)末梢釋放去甲腎上腺素，再經(jīng)Gαs/αi/AC/cAMP/PKA通路，激活L型電壓門控Ca2+通道，使Ca2+進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，促進(jìn)Ca2+釋放。長期的Ang Ⅱ/AT1R通路高度活化，細(xì)胞內(nèi)高Ca2+狀態(tài)可通過Gαq使Ca2+/CaMK通路活化，同時(shí)活化CaN/NFAT通路，使心肌大量合成蛋白、蛋白多糖等細(xì)胞外基質(zhì)，從而引發(fā)心肌肥大及纖維化。另一方面，AT1R自身細(xì)胞內(nèi)的C端通過表皮生長因子受體(EGFR)的活化進(jìn)一步激活I(lǐng)P3K通路，增強(qiáng)Ang Ⅱ/AT1R通路[35]。

血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑(ACEI)類藥物和ARB藥物的作用機(jī)制是通過阻斷Ang Ⅱ/AT1R通路抑制心肌肥厚。較早就有研究發(fā)現(xiàn)，ACEI類藥物依那普利及ARB類藥物氯沙坦和坎地沙坦可抑制SERCA2a的下調(diào)[36-37]，以此改善細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+高濃度狀態(tài)?；A(chǔ)試驗(yàn)中，氯沙坦能夠起到減少心肌纖維化的作用。

3.4抗氧化劑 除了上述治療HCM的傳統(tǒng)藥物外，近年來出現(xiàn)了一系列新的治療藥物?？寡趸瘎㎞-乙酰半胱氨酸應(yīng)用于HCM模型中，減輕了氧化應(yīng)激，逆轉(zhuǎn)了已建立的心肌肥厚和纖維化，預(yù)防了心臟收縮和舒張功能障礙，并改善了心律失常傾向[38]。

3.5其他藥物 晚期鈉電流選擇性抑制劑，晚期鈉電流在HCM中表現(xiàn)為異常，細(xì)胞內(nèi)鈉水平的維持是Ca2+代謝的關(guān)鍵，因此抑制這種鈉電流已成為醫(yī)學(xué)治療的熱點(diǎn)。研究中還發(fā)現(xiàn)雷諾拉嗪降低CaMKⅡ的活性和抑制β-腎上腺素能受體可能也是阻止心肌結(jié)構(gòu)和功能改變的機(jī)制[25]。但上述抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸和晚期鈉電流選擇性抑制劑兩類藥物尚沒有權(quán)威的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此都只是可能成為具有潛力的藥物。

4 結(jié) 語

長期以來，HCM是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，其發(fā)病及常用治療藥物的生物學(xué)機(jī)制仍然尚不明確。大多學(xué)者傾向于Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡學(xué)說，但HCM發(fā)生發(fā)展過程中Ca2+涉及上游及下游的信號(hào)通路還沒有較完整的闡述。因此，Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致HCM的疾病機(jī)制仍然需要更多地從臨床樣本及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)加以研究和探討。而在治療方面，CaM、鈣調(diào)蛋白激酶和鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶等與Ca2+穩(wěn)態(tài)相關(guān)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥厚的靶點(diǎn)治療藥物需要進(jìn)一步開發(fā)。因此，以Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡為突破點(diǎn)，加強(qiáng)HCM的疾病機(jī)制研究和臨床治療藥物的開發(fā)，將會(huì)為HCM的預(yù)防和藥物治療提供新的理論依據(jù)。