心房顫動與線粒體功能障礙

尚帥 張玲 湯寶鵬

心房顫動(簡稱房顫)是臨床上最常見的持續(xù)性心律失常之一，但房顫的誘發(fā)與維持的機制尚不清楚。線粒體作為心房肌細胞的能量工廠，既是心房肌細胞內氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷(ATP)的主要場所，又參與心肌細胞離子如Ca2＋、Na＋和K＋的穩(wěn)態(tài)調節(jié)，對心臟收縮、能量代謝和電活動有重要作用。房顫時發(fā)生線粒體DNA 及生物合成異常、能量代謝障礙及酶的改變、線粒體反應活性氧類增多及氧化應激增強、Ca2＋等多種離子通道異常、線粒體形態(tài)結構改變等[1]。Wiers ma等[2]對房顫患者的心房活檢顯示線粒體功能障礙，表現為ATP水平異常、線粒體應激伴侶上調和線粒體網斷裂，同時冠狀動脈旁路移植術(CABG)的患者中，心房肌細胞線粒體功能障礙者有更高的術后房顫發(fā)生率[3]。這些研究提示房顫可能與線粒體的結構和功能障礙密切相關。筆者從以下幾個方面論述二者之間的聯系。

1 房顫與線粒體的生物合成異常

在線粒體的生物合成過程中，涉及到核基因組和mt DNA 的轉錄調控途徑，通常我們用mt DNA 含量來反映線粒體的生物合成功能。其生物合成過程中的關鍵調節(jié)因子叫做過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1ɑ(PGC-1ɑ)。有研究發(fā)現，在快速起搏引起的成年兔房顫模型中存在線粒體發(fā)生的PGC-1α/NRF-1/Tfam 途徑的轉錄下調有助于心房代謝重塑，最終擾亂了線粒體功能，在體外循環(huán)后的手術后房顫組心房組織PGC-1ɑ顯著降低[4]。而非諾貝特通過調節(jié)PPAR-α/sirtuin 1/PGC-1α途徑來抑制房顫的房室代謝重塑[5]。同時也有研究表明，PGC-1β缺陷小鼠心臟線粒體功能障礙會繼發(fā)年齡依賴性房性心律失常[6]。在研究長時間心跳停止的豬模型中血管內低溫對線粒體生物發(fā)生的影響實驗中，血管內低溫通過放大線粒體生物發(fā)生因子PGC-1α等的表達來提高線粒體活性和生物發(fā)生，緩解了心肌和線粒體功能障礙[7]。除此之外，同源結構域轉錄因子2(Pitx2)通過其基因調控網絡促進線粒體功能，在Pitx2缺乏的情況下，由于電和結構重構，動作電位持續(xù)時間縮短、傳導緩慢和觸發(fā)活動發(fā)生，左右心房之間的電異質性增加，從而促進折返。在小鼠心肌細胞中成對的Pitx2 丟失的情況下更容易發(fā)生房顫，而氟卡胺通過阻止自發(fā)性鈣釋放和增加波長，對Pitx2 受損所致的房顫具有抗心律失常的作用[8]。

2 房顫與線粒體DNA

線粒體具有自身的遺傳物質，即雙鏈環(huán)狀線粒體DNA，其自身可以獨立進行復制、轉錄和翻譯部分線粒體蛋白質。Hiona等[9]通過小鼠模型研究發(fā)現，mt DNA 突變可導致線粒體功能障礙，生物合成下降，ATP產生減少。另有研究發(fā)現，在慢性房顫患者的mt DNA 控制區(qū)和編碼區(qū)均發(fā)生mt DNA 突變，包括小缺失和組織特異性長度異質性突變，以及外周血白細胞線粒體mt DNA4977缺失突變明顯增加，并且與心房的結構重構和電重構有關[10]。Tsuboi等[11]研究發(fā)現，mt DNA 缺失與人房顫時腺嘌呤核苷酸的減少有關，mt DNA 缺失7.4kb的患者房顫患病率明顯高于無缺失的患者。同時mt DNA 缺失組右心房ATP、ADP、AMP和腺嘌呤核苷酸總量均低于無缺失組。Montaigne等[3]在對手術后房顫患者的研究中發(fā)現，基因表達譜分析確定了發(fā)生房顫的患者術前心房組織中線粒體/oxphos基因簇的普遍下調，為患者線粒體與房顫等心律不齊之間的聯系提供了新的見解。除此之外，Soltész等[12]研究中從60例房顫患者和72例健康對照者中抽取外周血，從血液和血漿中分離DNA；從無細胞血漿中分離出外泌體，然后提取外泌體封裝的DNA。兩個研究組的mt DNA 拷貝數在外周血，無細胞血漿和外泌體甚至不同性別和年齡之間均無顯著差異。結果表明，房顫患者的mt DNA 拷貝數與健康者沒有差異。但Zhang等[13]檢測了485例竇性心律CABG 患者外周血mt DNA 拷貝數。手術后房顫患者mt DNA 平均拷貝數顯著高于竇性心律患者。分析表明，線粒體DNA 拷貝數預測手術后房顫具有良好的敏感性和特異性，是手術后房顫的獨立危險因素。

3 房顫與線粒體的能量代謝障礙及酶的改變

在心肌細胞中，90%以上的ATP 是在線粒體內膜氧化磷酸化生成的，用于滿足自身的機械活動，維持細胞膜和肌漿網上各種離子通道、轉運體和酶的功能，以實現心肌細胞的正常電活動。在心肌能量代謝嚴重下降時，各種依賴ATP的離子通道或轉運蛋白的功能及酶的活性將受損[14]。Anderson等[15]對244例心臟外科手術患者的右心耳組織研究發(fā)現單胺氧化酶(MAO)和還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶產生的活性氧速率比完整的偶聯線粒體高10倍。其結果表明，MAO 是決定人心房肌氧化還原平衡的重要因素，該酶與手術后的房顫風險增加有關。有研究發(fā)現線粒體是心房肌細胞對能量需求反應的關鍵，房顫時線粒體功能障礙和重塑導致ATP耗竭，其中線粒體中電子轉運鏈的整體功能活性降低了30%、氧化磷酸化復合物(琥珀酸脫氫酶和細胞色素C氧化酶)受損、活性氧增加。在心臟外科手術中，一些圍手術期因素可以影響線粒體功能，包括由于暴露于體外循環(huán)和手術組織創(chuàng)傷而增加的全身炎癥反應。線粒體功能障礙最直接影響術后心肌收縮力，也易導致房顫等心律失常。而鈉-葡萄糖共轉運蛋白2抑制劑依帕列凈具有恢復線粒體功能、改善電和結構重塑以及預防房顫的能力[16－19]。

4 房顫與線粒體反應活性氧類產生及氧化應激

反應活性氧類(reactive oxygen species，ROS)是一類未被完全還原的含氧分子，由O2得到單電子產生的超氧陰離子(O2-)，以及再逐步接受電子而生成的過氧化氫H2O2、羥自由基(·OH)等組成。房顫可引起線粒體內呼吸鏈受損、電子泄漏增加，導致線粒體內ROS 產生增多，增多的ROS可以促進線粒體通透性轉變孔(mPTP)和內膜陰離子通道(I MAC)的開放，使線粒體網絡中的ΔΨm 同時去極化，進一步促進了ROS的產生。而過量的ROS對細胞脂質和蛋白質產生有害反應，導致心肌細胞損傷功能障礙，并且可以通過相關的信號分子間接地調節(jié)離子通道的轉運蛋白功能，例如ROS 敏感激酶，包括鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(Ca MKⅡ)、c Src和蛋白激酶C(PKC)，或者通過氧化還原敏感的轉錄因子，如NFκB來損害心肌興奮性。同時線粒體功能受損會使NADH、ADP、乳酸鹽、H＋增多及谷胱甘肽(GSH)耗竭，共同加重心房肌細胞氧化應激，進一步促進房顫的發(fā)生與維持，而抑制I MAC 或應用心肌還原型GSH、NADPH 氧化酶(NOx)抑制劑可以預防房顫等心律失常[17，20－21]。

有研究發(fā)現，房顫患者表現出較高的氧化應激，增加了線粒體ROS 的產生，同時心房中的2 型ryanodine 受體(Ry R2)被氧化，而線粒體氧化應激后產生的ROS會使肌/內質網Ca2＋-ATPase(SERCA)活性被抑制、肌膜ATP敏感性 鉀 通 道(sarcole mmal ATP-sensitive potassiu m ，sarc KATP)被激活及Ry R2開放增加，進而促進肌質網中Ca2＋通過Na＋-Ca2＋交換體(NCX)的釋放，導致肌質網中Ca2＋儲存耗盡、胞質中Ca2＋超載，引起心房肌細胞作用電位延長、后去極化延遲、收縮功能障礙，且具有細胞內Ca2＋泄漏的小鼠表現出心房Ry R2氧化增加，線粒體功能障礙，ROS產生增多和房顫敏感性增加。表明Ry R2和線粒體ROS生成的變化在房顫的發(fā)展中形成了惡性循環(huán)，減少線粒體ROS的產生從而減弱心房舒張期肌質網Ca2＋的泄漏可以預防房顫[22－23]。

5 房顫與線粒體相關Ca 2+等多種離子通道平衡紊亂

心肌細胞胞質中Ca2＋濃度的變化是心肌細胞收縮的關鍵，而心肌細胞線粒體內儲存的大量Ca2＋作為細胞內的Ca2＋庫，對其維持正常的生理功能有著重要的作用。Ca2＋主要通過線粒體Ca2＋單向轉運體(MCU)進入基質，而線粒體內Ca2＋外流主要由線粒體Na＋-Ca2＋交換體(mNCX)、線粒體通透性轉變孔(mPTP)及Ca2＋反向轉運體所介導[24]。有研究提示，心臟組織中微區(qū)結構的喪失或局部Ca2＋失調通常與氧化應激、收縮功能障礙和房顫等心律失常有關，在房顫的電學重構中產生的過多線粒體Ca2＋，可以激活mPTP導致線粒體ROS產生增多誘導凋亡性細胞死亡；可以激活ATP酶，加速ATP的消耗；激活核酶來引起染色體的損傷[25]。除此之外，增多的Ca2＋可以抑制K＋-H＋交換體、觸發(fā)KCa和mito KATP通道，增加K＋流入和線粒體基質的體積導致線粒體腫脹。同時在線粒體功能障礙時，會降低INa峰值、下調Cx43使折返型心律失常的傳導異常和傾向增加；增加晚INa、降低復極化電壓門控K＋通道(Kv)電流使復極受損，導致APD 和EAD 延長、心肌電異質性增加及心律失常敏感性增加[1]。房顫時線粒體及心肌離子通道的變化見圖1。Brown和O′Rour ke[26]及Zhou等[27]研究表明線粒體的能量狀態(tài)對心肌細胞膜動作電位的影響在很大程度上由sarc KATP介導，且sarc KATP離子流強弱與線粒體內膜電位(ΔΨm)的波動有關。線粒體功能障礙時，ΔΨm 降低，ATP生成減少，導致sarc KATP 通道開放，心肌局部電活動傳導減慢，不均一性增加，易于形成折返誘發(fā)心律失常。有研究表明，在發(fā)生手術后房顫的44%患者中，對鈣誘導的mPTP開放的敏感性增加與手術后房顫相關，而線粒體功能障礙可通過部分阻斷或下調MCU 來阻止線粒體Ca2＋內流的增加而減弱房顫重構[2－3]。同時，心房纖維化在房顫的病理生理中也有一定作用，而利伐沙班能夠通過抑制Ca2＋進入而降低了心房纖維母細胞的遷移能力，從而調節(jié)心房成纖維細胞的活性和房顫的發(fā)生[28]。也有學者通過計算機模擬表明，肌漿網鈣泄漏導致減少的外向電流IK1和增加的內向鈉鈣交換電流之間的不平衡導致自發(fā)去極化，并且通過抑制肌漿網鈣泄漏和逆轉重構的IK1，可以潛在地抑制這些致心律失常的觸發(fā)因素[29]。

6 房顫與線粒體的形態(tài)結構改變

房顫時除了發(fā)生心房電重構和神經體液重構外，心房肌細胞線粒體形態(tài)結構也發(fā)生變化。張玲等[30]在成年比格犬用快速右心房起搏(600次/分)建立48 h及8周房顫模型，取心房肌組織行透射電鏡檢查，觀察到48h房顫組心肌細胞肌纖維間質增寬，間質部線粒體聚集；8周房顫組肌原纖維排列紊亂，肌節(jié)長短不一，線粒體腫脹變長，體積增大，基質變淡，嵴異形明顯。提示房顫引起心房肌線粒體發(fā)生多種結構改變。但目前仍缺乏相關對其變化機制進行探討的具體研究。

圖1 房顫時線粒體及心肌離子通道的變化

7 總結

線粒體是心房肌細胞能量代謝的關鍵一環(huán)，并且在氧化應激、維持細胞離子穩(wěn)態(tài)及細胞內信號傳導等方面有著重要的作用。房顫時會引起心房肌線粒體能量代謝障礙、離子穩(wěn)態(tài)失衡、mt DNA 及其形態(tài)功能改變等，給我們預防及治療房顫提供了新的啟示，保護及改善線粒體功能，或可成為預防及治療房顫的潛在靶點。

房顫時會引起線粒體功能障礙，導致ROS 產生增加、ATP合成減少和線粒體Ca2＋增多。ROS升高可抑制INa峰值、Ito、IK、IK1活性、促進線粒體通透性轉變孔(mPTP)和內膜陰離子通道(I MAC)的開放及Cx43 的下調、增強晚INa，Na＋-Ca2＋交換體(NCX)和Ry R2的活性。同時Ry R2開放增加能夠促進肌質網中Ca2＋通過NCX 的釋放，導致肌質網(SR)中Ca2＋儲存耗盡、胞質中Ca2＋超載。線粒體功能障礙繼發(fā)的ATP 產量減少可抑制SERCA 的活性并增加肌膜KATP通道的活性。Ca2＋主要通過線粒體Ca2＋單向轉運體(MCU)進入基質，而線粒體內Ca2＋外流主要由線粒體Na＋-Ca2＋交換體(mNCX)、線粒體通透性轉變孔(mPTP)及Ca2＋反向轉運體所介導。房顫的電學重構中產生的過多線粒體Ca2＋，可以激活mPTP 導致線粒體ROS 產生增多，抑制K＋-H＋交換體(KHE)、觸發(fā)KCa和mito KATP 通道，增加K＋流入。