生理性心肌肥厚實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型和觀察指標(biāo)的研究進(jìn)展

孫元隆, 阮小芬,劉永明綜述 賈美君審校

心肌肥厚是心臟對(duì)血壓負(fù)荷、損傷、生長(zhǎng)發(fā)育等因素產(chǎn)生的心肌細(xì)胞尺寸增大，心室壁、室間隔肥厚，心臟重量增加的現(xiàn)象，分為生理性和病理性心肌肥厚2種。病理性心肌肥厚發(fā)生在壓力超負(fù)荷、心肌缺血、瓣膜病變等病理情況下，可出現(xiàn)心肌細(xì)胞肥大，心肌間質(zhì)增生，而隨著心肌逐漸肥厚，會(huì)出現(xiàn)心肌纖維化，細(xì)胞壞死、凋亡的情況，容易引發(fā)心律失常和心力衰竭；而生理性心肌肥厚發(fā)生在生長(zhǎng)發(fā)育、運(yùn)動(dòng)鍛煉、妊娠懷孕的過(guò)程中，出現(xiàn)心肌肥厚、心肌收縮力增加，但心肌不發(fā)生纖維化、壞死等。

1 生理性心肌肥厚的動(dòng)物模型

1.1 游泳訓(xùn)練模型 將大鼠置于深度超過(guò)45 cm，開口面積≥20 cm×25 cm的容器內(nèi)，單獨(dú)隔開游泳訓(xùn)練，水溫保持在30～32℃。生理性心肌肥厚的游泳訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，一般從15 min開始，每2 d增加15 min，1周5次訓(xùn)練，在1個(gè)月內(nèi)逐漸增加至200 min，此訓(xùn)練將持續(xù)8～12周[1]?？稍诖笫筌|干部懸掛重物，使其負(fù)重游泳，調(diào)控負(fù)荷的程度，更好地達(dá)到訓(xùn)練效果。Gibb等[2]和Lu等[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，每天游泳訓(xùn)練1～6 h，持續(xù)1～24個(gè)月，一般可以使得大鼠心肌肥厚15%，心肌細(xì)胞尺寸增大21%，左心室重量提升13%。Fernandes等[4]的研究發(fā)現(xiàn)大鼠負(fù)重2%～4%自身體質(zhì)量的重物，可有效增加心肌肥厚的程度。

1.2 跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)模型 大多數(shù)制作大鼠和小鼠的生理性心肌肥厚模型都采用了連續(xù)的跑步機(jī)跑步，其特點(diǎn)是固定或遞增速度、可以調(diào)節(jié)的傾斜度和持續(xù)時(shí)間。Yalin等[5]研究設(shè)定小鼠跑步機(jī)斜度為0°～7°，5～7 m/min無(wú)網(wǎng)格、5～7 m/min有網(wǎng)格、20 m/min有網(wǎng)格，3種訓(xùn)練各15 min，馴化期過(guò)后，每天60 min，20 m/min有網(wǎng)格訓(xùn)練，每周5次，共進(jìn)行8周。4周、8周時(shí)心室后壁分別比對(duì)照組肥厚7%、16%。8周時(shí)心臟體積比較對(duì)照組增加21%[6]。

1.3 主動(dòng)跑輪運(yùn)動(dòng)模型 主動(dòng)跑輪運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的控制較少，跑步周期和程度均由動(dòng)物自己決定。因此，動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣對(duì)結(jié)果的影響很大。記錄的日跑路程在2～4周內(nèi)達(dá)到峰值，約在10～15 km/d，之后就會(huì)降低至<4 km/d，因此，只需3～4周即可觀察到心肌明顯的肥大，而較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練并沒(méi)有產(chǎn)生進(jìn)一步的肥大[7]。Schreckenberg等[8]在大鼠出生后6周將其放入帶輪的飼養(yǎng)籠中，使其可以主動(dòng)的進(jìn)行跑輪運(yùn)動(dòng)，持續(xù)6周，平均速度為3.2 km/h，3個(gè)月時(shí)室間隔厚度相對(duì)于對(duì)照組增加13%，左室后壁厚度增加9%；而6個(gè)月時(shí)均無(wú)明顯改變。

2 生理性心肌肥厚的觀測(cè)指標(biāo)

2.1 心臟稱重 能體現(xiàn)心肌肥厚的心臟稱重?cái)?shù)據(jù)有：全心質(zhì)量(cardiac weight，CW)、左心室質(zhì)量(left ventricle weight，LVW)。隨著運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的進(jìn)行，大鼠的體質(zhì)量和體脂含量也可能發(fā)生變化，Pitts等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食大鼠的心臟和體質(zhì)量在飼養(yǎng)8周后大于普通飲食大鼠。故當(dāng)體質(zhì)量是心臟質(zhì)量分析的干擾因素時(shí)，可采用心臟質(zhì)量/體質(zhì)量的比值，即心體質(zhì)量比(CW/BW)；左心室質(zhì)量/體質(zhì)量的比值，即左心體質(zhì)量比(LVW/BW)作為判斷心肌肥厚的指標(biāo)[10]。CW/BW、LVW/BW均可排除大鼠自身質(zhì)量對(duì)心臟質(zhì)量組間差異的影響，在脂肪含量下降和體質(zhì)量增長(zhǎng)受到抑制時(shí)，該數(shù)值更具有代表性。

2.2 心臟超聲指標(biāo) 心臟超聲是一種無(wú)創(chuàng)檢測(cè)動(dòng)物心臟大小，心肌厚度的方式。取長(zhǎng)軸或者短軸觀均可獲得心臟的大體結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)對(duì)M型心臟超聲的測(cè)量，可以獲取左心室收縮末期內(nèi)徑(left ventricular internal systolic dimension，LVSd)、左室舒張末期內(nèi)徑(left ventricular end diastolic dimension，LVDd)、室間隔舒張末期厚度(interventricular septum thickness at end-diastole，IVSd)、左室后壁舒張末期厚度(left ventricular posterior wall thickness at end-diastole，LVPWd)、左心室射血分?jǐn)?shù)(left ventricular ejection fraction，LVEF)。二尖瓣舒張?jiān)缙诤褪鎻埻砥谧畲笱魉俣?E、A)，計(jì)算E/A；前后葉瓣環(huán)的平均值為舒張?jiān)缙?、舒張晚期的峰值速?Ea、Aa),計(jì)算Ea/Aa。左心室質(zhì)量指數(shù)(left ventricular mass index，LVMI)的公式為左室質(zhì)量/體表面積(LVM/BSA)，LVM取值可參照1.04×[(LVDd+ Lvpwd+ IVSd)3-(LVDd)3]-14[11]。

LVPWd和IVSd可反映心室壁和室間隔的厚度，直接反映心室肥厚程度。LVEF可反映心臟收縮功能，E/A和Ea/Aa可反映心臟的舒張功能，可從心臟功能的結(jié)果鑒別生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚。雍永宏等[12]發(fā)現(xiàn)高血壓模型大鼠E/A顯著下降，Ea/Aa顯著升高，而運(yùn)動(dòng)組大鼠E/A顯著增加，Ea/Aa顯著降低，該結(jié)果與Vinereanu等[13]的研究結(jié)果一致，認(rèn)為E/A和Ea/Aa可作為區(qū)別生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚的指標(biāo)。

2.3 血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo) 血流動(dòng)力學(xué)的檢測(cè)結(jié)果主要反映生理性心肌肥厚時(shí)出現(xiàn)的心功能變化，代表收縮壓的指標(biāo)有左心室收縮壓(left ventricular systolic pressure，LVSP)、左心室壓力上升最大變化速率(+LVdp/dt)；代表舒張功能的指標(biāo)有左心室舒張壓(left ventricular diastolic pressure，LVDP)、左心室舒張末壓(left ventricular end diastolic pressure，LVEDP)，左心室壓力下降最大變化速率(-LVdp/dt)。Wang等[14]發(fā)現(xiàn)跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)大鼠經(jīng)8周訓(xùn)練后，LVSP、±LVdp/dt增高，LVEDP顯著降低，說(shuō)明生理性心肌肥厚時(shí)，心臟收縮、舒張功能均改善。

2.4 鏡下微觀結(jié)構(gòu)

2.4.1 光學(xué)顯微鏡下特征:生理性心肌肥厚心肌細(xì)胞橫徑增大，心肌間質(zhì)輕度增生，總膠原變多、膠原增粗，纖維組織正常分布，各組分在結(jié)構(gòu)和生化重構(gòu)的比例可持續(xù)均衡發(fā)展，而病理性心肌肥厚的心肌間質(zhì)纖維化，膠原纖維明顯增生，Ⅰ/Ⅲ型膠原比值下降且膠原發(fā)生不可逆的交叉結(jié)合。Padro等[15]和Radovits等[1]的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠和小鼠在主動(dòng)輪跑、游泳訓(xùn)練和跑步機(jī)訓(xùn)練后心肌細(xì)胞出現(xiàn)肥大。運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的大鼠心肌肌束間或肌束內(nèi)較粗膠原纖維大量增生,呈“條索狀”或“樹枝狀”向下逐級(jí)延伸,呈波浪形彎曲或線形分布，并相互交織，網(wǎng)絡(luò)著心肌束。在乳頭肌上也可見(jiàn)到膠原束打成的結(jié)節(jié)，粗細(xì)不等的膠原纖維多呈“條索狀”以垂直或斜交的方式借肌內(nèi)膜心肌纖維連接。心肌細(xì)胞肥大且細(xì)胞間膠原纖維連接緊密。

2.4.2 透射電鏡下特征:運(yùn)動(dòng)負(fù)荷大鼠心肌纖維增粗，排列整齊，數(shù)量增加，明暗帶相間，結(jié)構(gòu)清晰。心肌細(xì)胞體積略顯增大，T管亦稍有擴(kuò)張，同時(shí)和肌漿網(wǎng)分布于Z線，線粒體數(shù)量明顯增多，體積增大，基質(zhì)電子密度增強(qiáng)，核膜雙層結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，核仁清楚，線粒體膜完整。橫小管擴(kuò)張?jiān)龃?閏盤連接不同程度改變[16]。

2.5 胚胎基因表達(dá)的改變 心肌肥厚時(shí)心肌胚胎基因表達(dá)改變，胚胎基因是在機(jī)體胚胎期表達(dá)而在器官組織生長(zhǎng)成熟后便不再表達(dá)的一類基因。其中心臟胚胎基因在成熟的心臟中不再表達(dá)，但在血流動(dòng)力學(xué)負(fù)荷改變、組織灌注不足、神經(jīng)激素反應(yīng)、代謝環(huán)境改變等病理情況下會(huì)出現(xiàn)胚胎基因的再表達(dá)，同時(shí)，成熟心臟的部分相關(guān)基因出現(xiàn)表達(dá)下降。

心肌重構(gòu)中胚胎基因再表達(dá)使得心肌細(xì)胞肥大所需的蛋白質(zhì)合成增加。在這一過(guò)程中，肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain，MHC)和利鈉肽是心肌重構(gòu)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用的標(biāo)志。

心肌肌球蛋白(myosin)是心肌主要的結(jié)構(gòu)蛋白，主要由1對(duì)重鏈(α-MHC、β-MHC)和2對(duì)輕鏈組成。MHC有多種亞型，但在心肌細(xì)胞中僅表現(xiàn)為2種異構(gòu)體，分別為α-MHC和β-MHC[17]，調(diào)節(jié)二者的比例可對(duì)心肌收縮功能產(chǎn)生重要的影響。

利鈉肽是臨床上診斷心力衰竭的重要指標(biāo)之一[18]。其有3種不同的類型，即心房鈉尿肽(atrial natriuretic peptide，ANP)、 腦鈉肽(brain natriuretic peptide，BNP)和C型利鈉肽(C-type natriuretic peptide，CNP)。GATA4作為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，在心肌肥厚形成過(guò)程中，參與調(diào)控壓力負(fù)荷、內(nèi)皮素等病理因素誘導(dǎo)的MHC、ANP和BNP等心肌肥厚相關(guān)基因的表達(dá)[19]?？梢?jiàn)，MHC、ANP、BNP可通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控參與胚胎基因再編程，成為心肌肥厚藥物治療研究的新靶點(diǎn)。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，成熟心室肌胚胎基因表達(dá)以α-MHC為主，β-MHC含量較少。在引起心肌肥厚的病理因素影響下，出現(xiàn)β-MHC再表達(dá)，α-MHC向β-MHC發(fā)生了轉(zhuǎn)化，β-MHC的含量逐漸超過(guò)α-MHC，α-MHC/β-MHC比值減小，β-MHC占心肌總MHC的比例增加[20]。相應(yīng)同工酶V1減少而V3增加，致使肌球蛋白ATP酶水解ATP的活性降低，造成心肌收縮時(shí)能量轉(zhuǎn)換做功的過(guò)程減弱，與α-MHC相比，β-MHC與肌動(dòng)蛋白的親和力較低，所以當(dāng)β-MHC表達(dá)占優(yōu)時(shí)的心肌收縮力減弱，泵血功能減退。此外，壓力超負(fù)荷致左心室肥厚大鼠血漿ANP、BNP均顯著高于無(wú)心室肥厚者，且BNP水平升高與心肌肥厚的程度有關(guān)[21]。

病理性心肌肥厚時(shí)，心肌胚胎基因表達(dá)明顯增加，ANP、BNP、α-MHC和β-MHC均有不同程度的增加，其中β-MHC較α-MHC表達(dá)占優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)α-MHC/β-MHC比值降低。而生理性心肌肥厚的胚胎基因表達(dá)均在正常范圍之內(nèi)[22]。Nakao等[23]對(duì)心肌MHC的研究發(fā)現(xiàn)，在心力衰竭失代償期時(shí)，α-MHC在心肌MHC總量中的的比例可顯著降低，而α-MHC可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?MHC，加重心力衰竭病情。

3 總 結(jié)

生理性心肌肥厚可通過(guò)動(dòng)物的多種運(yùn)動(dòng)模型制成，其在心功能和心臟大體、微觀結(jié)構(gòu)上與病理性心肌肥厚的特點(diǎn)截然不同，且其機(jī)制受到多個(gè)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，影響到蛋白質(zhì)合成、心肌細(xì)胞增殖等，與胚胎基因相關(guān)的肌球蛋白ATP酶活性也會(huì)產(chǎn)生變化，并與心臟收縮力相關(guān)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)造成生理性心肌肥厚是否能改善心肌肥厚相關(guān)的疾病也是研究的方向之一。