鎂離子與心肌重構(gòu)的相關(guān)機制研究進(jìn)展

馬杰綜述，馬麗紅審校

心肌重構(gòu)最初用于描述心肌缺血梗死后發(fā)生的重塑。現(xiàn)已被廣泛用于各種原因引起的心力衰竭中描述心肌功能異常及結(jié)構(gòu)重新排列的變化。影響心肌重構(gòu)的因素包括缺血、機械牽拉、壓力超負(fù)荷、心肌病以及血管活性物質(zhì)和某些激素的作用等。狹義的心肌重構(gòu)主要包括心臟結(jié)構(gòu)的改變，包括心肌肥厚延長、二尖瓣移位脫垂、心肌舒縮異常等，廣義的心肌重構(gòu)還包括心肌電重構(gòu)和心肌纖維化、心肌代謝重構(gòu)等。心肌電重構(gòu)是指心肌電生理特性的改變和電活動紊亂。心肌纖維化包括心肌間質(zhì)成分改變、成纖維細(xì)胞合成膠原等[1]。

心肌重構(gòu)的預(yù)防和逆轉(zhuǎn)是慢性心力衰竭的治療目標(biāo)[2]。血清離子平衡紊亂在這個過程中發(fā)揮著重要作用，與慢性心力衰竭預(yù)后密切相關(guān)。維持慢性心力衰竭患者血清離子平衡是心力衰竭管理中的重要部分。其中鎂離子管理顯得尤為重要，指南推薦輕度或無癥狀的心力衰竭合并鎂缺乏的患者，視缺乏程度可口服鎂劑或靜脈補充[3]。然而鎂離子在心肌重構(gòu)中的相關(guān)機制非常復(fù)雜且未見有明確統(tǒng)一的描述，現(xiàn)就此簡要綜述鎂離子參與介導(dǎo)心肌重構(gòu)相關(guān)過程中的機制研究進(jìn)展。

1 鎂離子與心肌重構(gòu)的相關(guān)聯(lián)系

鎂離子是人體內(nèi)的必需宏量元素，作為僅次于鉀的第二豐富的細(xì)胞內(nèi)陽離子，它參與了全身各系統(tǒng)600 多種酶促反應(yīng)，包括神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、激素受體的結(jié)合、跨膜離子的轉(zhuǎn)運、能量代謝的調(diào)節(jié)、肌肉收縮等[4]。特別是鎂離子在心血管系統(tǒng)中起著重要的生理作用。從20 世紀(jì)60 年代開始逐漸有一些臨床研究證實，鎂含量減少可引起心血管功能和結(jié)構(gòu)的損傷[5]。

然而隨著越來越多的研究開展，體內(nèi)鎂離子含量在心力衰竭的發(fā)生發(fā)展過程中的呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。Lutsey 等[6]納入14 709 例觀察者研究血清鎂與發(fā)生心力衰竭風(fēng)險相關(guān)性的社區(qū)動脈粥樣硬化隊列研究（ARIC），中位隨訪時間為20.6 年，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與最高（≥1.8 mEq/L）血清鎂類別相比，血鎂最低（≤1.4 mEq/L）的參與者的心力衰竭風(fēng)險更高（HR=1.71，95%CI：1.46～1.99，P＜0.05）。2020 年Wu 等[7]通過一項名為婦女健康倡議（WHI）隊列中97 725 例絕經(jīng)后婦女膳食鎂攝入量與心力衰竭發(fā)生率的觀察性研究，也發(fā)現(xiàn)了鎂攝入量低與射血分?jǐn)?shù)降低的心力衰竭發(fā)生風(fēng)險增加明顯相關(guān)（HR=1.81，95%CI：1.08～3.05，P＜0.05）。

血清鎂離子與左心室肥厚之間存在高度顯著的負(fù)相關(guān)。2010 年一項波美拉尼亞健康研究（SHIP）[8]記錄1 348 例受試者隨訪5 年左心室質(zhì)量（LVM）變化，以基線時血清鎂離子作為連續(xù)變量的多重相關(guān)分析顯示，在較低鎂離子五分位數(shù)范圍內(nèi)的受試者中，5 年后的LVM 值顯著增高（P＜0.0001）。同時采用Cox 比例風(fēng)險模型分析了基線血清鎂濃度隨訪時間為10.1 年的全因死亡率和心血管死亡率。其中基線下血清鎂≤0.74 mmol/L 且出現(xiàn)左心室肥厚的受試者，全因死亡率明顯增加（HR=1.89，95%CI：1.44～2.48，P＜0.001），心血管死亡風(fēng)險明顯增加（HR=2.13，95%CI：1.34～3.38，P＜0.001）[9]。

也有研究者認(rèn)為心肌本身的健康狀況可能決定了鎂離子心肌保護(hù)的靈敏度。Amoni 等[10]在異丙腎上腺素引起的心室重構(gòu)中，使用鎂劑后心肌梗死體積減小，但不能逆轉(zhuǎn)已經(jīng)發(fā)生的心臟擴(kuò)大、心臟重量增加等組織學(xué)變化。鎂離子可能通過減弱心肌肥厚缺血前的變化而發(fā)揮作用，鎂離子心肌保護(hù)作用僅存在于殘存正常心肌細(xì)胞的肥厚心臟，與纖維化等組織學(xué)變化或血清鎂離子的長期變化無關(guān)。鎂離子保護(hù)作用可能發(fā)生在心肌重構(gòu)早期甚至之前。

2 鎂離子代謝與心肌重構(gòu)相關(guān)機制

2.1 鎂與腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（RAAS）

在慢性心力衰竭中，RAAS 被慢性激活，是加重心肌損傷、心肌重塑、促進(jìn)心力衰竭進(jìn)展的重要因素[11]。有報道在高血壓引起的心肌重構(gòu)中存在著RAAS 激活導(dǎo)致的一定程度鎂代謝紊亂。這種低鎂狀態(tài)繼發(fā)于心肌重構(gòu)RAAS 激活電壓依賴性的相關(guān)血管炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮功能改變等[12]。

其中，血管緊張素Ⅱ（Ang Ⅱ）參與血壓及心臟功能的調(diào)節(jié)，引起血壓升高、心肌肥大及纖維化等，在心肌重塑和心功能衰竭中起重要作用。在體外實驗中Ang Ⅱ被證明直接引起鎂離子的減少。郭瑞娜等[13]應(yīng)用鎂離子熒光探針技術(shù)證明了Ang Ⅱ在原代培養(yǎng)心肌細(xì)胞中誘導(dǎo)了胞內(nèi)游離鎂離子下降。Finckenberg 等[14]發(fā)現(xiàn)，補充鎂可預(yù)防Ang Ⅱ誘導(dǎo)的心肌損傷，誘導(dǎo)出纖維化結(jié)締組織生長因子（CTGF）。CTGF 是一種由轉(zhuǎn)化生長因子β 誘導(dǎo)的富含半胱氨酸的新型成纖維蛋白。將鎂穩(wěn)態(tài)與膠原蛋白過渡狀態(tài)聯(lián)系起來。一個正常的鎂平衡可以恢復(fù)心肌周邊正常的膠原蛋白周轉(zhuǎn)。

醛固酮可直接獨立的增加心肌肥大，也可以通過導(dǎo)致鎂離子減少影響心肌重構(gòu)。Delva 等[15]發(fā)現(xiàn)16 例原發(fā)性醛固酮增多癥患者，其特征是淋巴細(xì)胞中離子化鎂的濃度顯著降低。Runyan 等[16]發(fā)現(xiàn)醛固酮除了促進(jìn)鈉和液體潴留之外，還增加尿鎂排泄，顯著降低心肌組織中鎂的濃度，使得心肌電活動不穩(wěn)定、心肌細(xì)胞死亡和心臟驟停風(fēng)險增加。這種有害作用也在幾個實驗?zāi)Ｐ蚚17]中得到證實，包括膠原合成增加和心肌纖維化、壓力反射功能受損、兒茶酚胺攝取抑制和內(nèi)皮功能障礙。反之，低鎂也可使得RAAS 激活，使得醛固酮水平升高，尿量的增加也更進(jìn)一步導(dǎo)致鎂從腎臟排泄增加[3]。醛固酮引發(fā)的鎂紊亂與心肌纖維化的發(fā)生也有關(guān)。Sontia 等[18]發(fā)現(xiàn)醛固酮的增加造成鎂離子負(fù)荷減少在一定程度上可以導(dǎo)致膠原沉積，促進(jìn)心肌纖維化。Kumaran等[19]發(fā)現(xiàn)鎂離子的缺乏通過體液調(diào)節(jié)RAAS 可能改變心臟成纖維細(xì)胞的功能。

2.2 鎂離子與鈣穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)

鈣離子作為一個細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的主要信使，在心肌收縮和舒張過程中發(fā)揮重要作用[16]。鈣超載是指胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子的蓄積過量，包括心肌細(xì)胞膜除極使得L 型鈣離子通道開放進(jìn)而引起細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流；細(xì)胞內(nèi)肌漿網(wǎng)作為鈣貯庫釋放大量細(xì)胞內(nèi)鈣離子進(jìn)入胞漿。鈣超載是心肌肥厚重要的形成機制之一[20]。監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)水平的變化是評估心肌重構(gòu)中的一種重要策略[21]。

鎂離子是一種天然生理性鈣拮抗劑[18-19]，靜息時，心肌細(xì)胞含有約0.5～1.2 mmol 的游離鎂離子，它能夠減少受損心肌鈣離子向細(xì)胞膜內(nèi)轉(zhuǎn)移，阻止鈣離子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的釋放，起到一種鈣通道阻滯劑樣的作用。游離鎂離子對心肌細(xì)胞鈣離子釋放的調(diào)節(jié)，主要是調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞橫管膜上的電壓依賴性L 型鈣離子通道和肌漿網(wǎng)膜連接處的蘭尼堿受體（RyR）[24]。RyR 是肌漿網(wǎng)上的鈣離子釋放通道，有研究證實，胞內(nèi)鎂的升高可能通過減少經(jīng)L 型鈣通道內(nèi)流的觸發(fā)鈣信號和抑制肌漿網(wǎng)的鈣釋放而導(dǎo)致心肌收縮力減低[25]。心力衰竭舒張末期RyR 活性的升高與細(xì)胞內(nèi)鎂離子抑制作用的降低有關(guān)[21]。

鎂離子還可以競爭性的結(jié)合心肌肌鈣蛋白C（cTnC）。cTnC 是心肌細(xì)胞細(xì)肌絲中的鈣離子傳感成分。它包含能選擇性結(jié)合鈣離子和鎂離子的結(jié)構(gòu)位點Ⅲ和Ⅳ。1 mmol/L 鎂離子導(dǎo)致cTnC 對鈣離子的親和力降低1.4 倍，但其本身不會引起cTnC 的構(gòu)象變化。另外也有研究稱鎂離子可以影響肌動球蛋白張力的發(fā)育來逆轉(zhuǎn)心肌重構(gòu)[26]。

心肌肥厚不僅表現(xiàn)為心肌細(xì)胞體積增大，同時伴發(fā)細(xì)胞膜電流的改變。肥厚心肌細(xì)胞電生理學(xué)特性的改變是導(dǎo)致惡性心律失常發(fā)生的一個重要因素。肥厚心肌L 型鈣通道開放增加，可導(dǎo)致跨膜鈣離子內(nèi)流增加，心肌復(fù)極延長，容易誘發(fā)早期后除極和尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動過速[27]。趙國安等[28]采用腹主動脈縮窄術(shù)制備家兔心肌肥厚模型，門冬氨酸鉀鎂喂養(yǎng)8 周，制備兔左心室楔形心肌塊，記錄早期后除極和尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動過速發(fā)生率，結(jié)果門冬氨酸鉀鎂組與心肌肥厚組相比早期后除極發(fā)生率降低（0.5% vs.1.0%，P＜0.05），尖端扭轉(zhuǎn)型室性心動過速發(fā)生率降低（0.1% vs.0.6%，P＜0.05）。系統(tǒng)測量心肌細(xì)胞在激發(fā)波長為340 nm 和380 nm時的熒光比值來間接反映細(xì)胞內(nèi)鈣含量變化。門冬氨酸鉀鎂組較心肌肥厚組的熒光比值明顯減?。≒均＜0.05）。

那么低鎂導(dǎo)致的心律失常是否與其內(nèi)源性鈣離子拮抗效應(yīng)的喪失有關(guān)，Shimaoka 等[22]使用雄性Wistar 大鼠喂食不含鎂的飲食或正常飲食16 周，建立鎂缺乏大鼠模型。第16 周時，低鎂血癥大鼠表現(xiàn)出心電圖異常，包括房室傳導(dǎo)阻滯、竇性停搏和室性早搏。伴隨著右心室肌鎂含量顯著降低，通過膜片鉗研究低鎂心肌細(xì)胞中的L 型鈣離子通道最大內(nèi)向電流密度顯著減小30.4%，鈣離子通道電導(dǎo)顯著減小41.5%（P均＜0.05）。

2.3 鎂與離子信號傳導(dǎo)通道

鎂離子能夠參與心血管系統(tǒng)包括鉀通道在內(nèi)的多種陽離子通道功能。低鎂血癥通常合并低鉀血癥。降低細(xì)胞內(nèi)鉀，心肌興奮性增高，鈉離子內(nèi)流相對加速，心肌快反應(yīng)自律細(xì)胞的自動去極化加速。對心肌細(xì)胞的興奮產(chǎn)生、動作電位的傳導(dǎo)以及細(xì)胞的收縮至關(guān)重要[25]。同時，鎂離子作為心肌細(xì)胞膜鈉鉀泵的激活劑，可促進(jìn)K+進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，從而使心肌細(xì)胞極化。低鎂導(dǎo)致Na+-K+-三磷酸腺苷（ATP）酶功能減弱，引起心肌細(xì)胞膜電位不穩(wěn)定[3]。鎂離子通過抑制鉀離子通道延遲整流K 電流（3 相)，影響心肌細(xì)胞鉀離子內(nèi)向整流。楊向軍等[29]用膜片鉗內(nèi)面向外膜式記錄豚鼠心室肌細(xì)胞單通道內(nèi)向整流性鉀離子流。在無鎂離子浸浴液下，心室肌細(xì)胞內(nèi)向整流性背景鉀通道的內(nèi)向整流作用不明顯，當(dāng)浸浴液含1 mmol/L 鎂離子時出現(xiàn)明顯的內(nèi)向整流作用。

肥大心肌的特征是與完整心肌相比，興奮性超正常期延長。間質(zhì)中鉀離子的積聚較慢，表現(xiàn)為心肌的動作電位延長，Vishnevskii 等[30]通過腹主動脈阻斷建立左心室肥厚大鼠模型。腹膜內(nèi)給藥門冬氨酸鉀鎂持續(xù)16 d，門冬氨酸鉀鎂誘導(dǎo)的膜電位變化伴有明顯的肌醇應(yīng)答。模型組心肌動作電位持續(xù)時間較正常心肌延長了3 倍（4.0 ms vs.12.8 ms，P＜0.01），經(jīng)門冬氨酸鉀鎂干預(yù)后顯著減少44%（7.5 ms vs.12.8 ms，P＜0.01）。

瞬時受體電位通道M 型（TRPM）是一類非選擇陽離子通道。其中，TPRM7 在心臟中表達(dá)最高，TRPM7 是具有離子通道和蛋白激酶雙重結(jié)構(gòu)的雙功能膜蛋白，也是心肌細(xì)胞鎂離子的介導(dǎo)受體，TRPM7 通道對鎂離子的轉(zhuǎn)運功能，參與體內(nèi)鎂離子的平衡與代謝[25]。

Rios 等[31]發(fā)現(xiàn)TRPM7 是一種通用的表達(dá)通道，鎂離子是TRPM7 的滲透阻滯劑之一。并在TRPM7缺陷小鼠的心臟和腎臟中發(fā)現(xiàn)明顯的炎癥/纖維化反應(yīng)及細(xì)胞間黏附分子-1 的表達(dá)增加，通過鎂離子缺乏介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞活化相關(guān)過程。Chubanov 等[32]發(fā)現(xiàn)TRPM7 功能上調(diào)與心臟纖維化有關(guān)，TRPM7是人類心房成纖維細(xì)胞上鈣鎂的主要滲透通道。心房顫動患者成纖維細(xì)胞中的TRPM7 明顯上調(diào)。通過調(diào)節(jié)保守絲氨酸環(huán)殘基減少內(nèi)向電流。通過利用鎂離子通道的阻斷效應(yīng)，可以在已知的鎂離子敏感的鉀離子通道調(diào)節(jié)劑中鑒定出TRPM7 通道抑制劑。Yu 等[33]發(fā)現(xiàn)，心肌纖維化是心臟成纖維細(xì)胞（CFs）產(chǎn)生的結(jié)締組織蛋白不成比例的堆積。CFs 有一個功能活躍的TRPM7 通道。TRPM7 可能在不同時期調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)鎂離子的轉(zhuǎn)運。二者關(guān)系異常緊密，同時有待于進(jìn)一步深入研究。

3 鎂與氧化應(yīng)激能量代謝

氧化應(yīng)激是由于體內(nèi)抗氧化酶和氧自由基失衡，其在心肌重構(gòu)的發(fā)生過程中起著重要作用[38]。氧化應(yīng)激與心肌肥厚、心肌纖維化的發(fā)生發(fā)展存在因果關(guān)系?；钚匝踉龆嗷蚩寡趸傅臏p少引起血管壁增厚和血管腔狹窄，損傷內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙，血管舒張性降低，增加血管收縮，引起外周負(fù)荷阻力增加。鎂離子代謝的紊亂被證實與氧化應(yīng)激密切相關(guān)[34]。

鎂缺乏進(jìn)一步加重了活性氧對心肌的損傷反應(yīng)。Manju 等[35]在暴露在H2O2的影響下，在離體心臟灌注的大鼠心臟中測定了代表能量代謝的磷酸肌酸（CP）和氧化應(yīng)激損傷的乳酸脫氫酶（LDH）。在鎂充足的情況下，LDH 的釋放大約是對照的2 倍，CP 同比下降了65%（P＜0.001）；在鎂不足的情況下，LDH 的釋放大約是對照的4 倍，CP 同比下降了80%（P＜0.001）。用電刺激大鼠心室乳頭肌記錄心肌收縮變化，鎂缺乏組（0.48 mmol/L）對H2O2的負(fù)性肌力反應(yīng)顯著高于鎂充足組（1.2 mmol/L）?？衫媚芰繙p少，相關(guān)的脂質(zhì)過氧化增加，可能是鎂缺乏時H2O2負(fù)性肌力反應(yīng)增強的原因。

在高血壓所致的心臟機械重塑的逆轉(zhuǎn)與心肌細(xì)胞鎂離子量之間存在顯著相關(guān)性。補充鎂劑調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激水平可能是解釋這一有益作用的機制。Ozturk 等[36]采用非特異性一氧化氮合酶抑制劑N-硝基-L-精氨酸甲酯（L-NAME）40 mg/kg 給藥6 周誘導(dǎo)高血壓大鼠模型，實驗組飼喂含1 g/kg 氧化鎂（MgO）的食物。L-NAME 誘導(dǎo)的高血壓導(dǎo)致更大的細(xì)胞電容，這也暗示了心肌肥厚的水平。與對照組相比，MgO 治療組在心臟重量/脛骨長度比顯著降低（P＜0.05）。在組織水平上糾正了心肌肥大的同時，L-NAME 誘導(dǎo)的高血壓導(dǎo)致心肌細(xì)胞H2O2水平和超氧化物釋放增加，而在長期MgO 處理后兩者均顯著降低（P均＜0.05）。Kumar 等[37]研究提供了在鎂缺乏下心肌中脂質(zhì)過氧化和膠原沉積增加的證據(jù)。通過硫代巴比妥酸反應(yīng)測定脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。在鎂缺失飲食的第60 天，觀察到心臟組織中硫代巴比妥酸反應(yīng)性物質(zhì)的水平升高39%（P＜0.001），膠原沉積率顯著升高（59% vs.24%，P＜0.001）。第80 天心臟出現(xiàn)纖維增生性反應(yīng)。提示與鎂缺乏相關(guān)的心臟膠原合成和纖維增生的增加可能代表心肌氧化損傷后的修復(fù)性纖維生成。

4 小結(jié)

綜上所述，鎂離子與心肌的結(jié)構(gòu)重構(gòu)、電重構(gòu)、纖維化等幾個關(guān)鍵過程關(guān)系密切，可能是通過RAAS、鈣穩(wěn)態(tài)、TRPM7 通道以及氧化代謝等參與心肌重構(gòu)的。目前關(guān)于鎂離子與心肌重構(gòu)的相關(guān)研究仍存在一定的爭議，一方面因為鎂離子代謝本身的復(fù)雜性以及慢性心力衰竭心肌重構(gòu)相關(guān)機制的不確定性，缺乏更多具體分子機制研究支撐和大規(guī)模的人群驗證；另一方面受限于技術(shù)層面使得目前的研究設(shè)計具有一定局限性。正常成年人體內(nèi)的鎂含量為20～28 g，其中約99%的鎂位于細(xì)胞內(nèi)并儲存在組織中，血清鎂僅占人體總儲存的0.3%[38]。作為心肌重構(gòu)的研究應(yīng)該著眼于心肌組織中的鎂離子水平而不是血清中鎂離子水平，血清、單核細(xì)胞和骨骼肌三者中鎂離子濃度都不能準(zhǔn)確地反映出心力衰竭患者心肌鎂的代謝狀態(tài)[39]。

對此，汪明燈等[40]開展了一項小樣本的橫斷面研究，收集55 例原發(fā)性高血壓患者，研究發(fā)現(xiàn)在高血壓心肌重構(gòu)過程中，與血清鎂濃度相比，淋巴細(xì)胞內(nèi)鎂含量能更好的反映心肌和血管平滑肌細(xì)胞的生物學(xué)特性和離子變化。國外一項對79 例男性血液透析患者的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)相較于血清鎂，在頭發(fā)中測得的組織鎂濃度與左心室肥厚呈明顯負(fù)相關(guān)[41]。發(fā)鎂濃度可以被視為代表過去一段時間細(xì)胞內(nèi)鎂或組織內(nèi)鎂的儲存。研究者檢查了發(fā)鎂濃度與超聲心動圖參數(shù)之間的關(guān)系，左心室質(zhì)量指數(shù)高（≥144.3 g/m2）的患者的發(fā)鎂濃度明顯低于低左心室質(zhì)量指數(shù)患者（31 680 ng/g vs.51 095 ng/g，P＜0.01）。這一研究雖仍無法證明頭發(fā)和心肌細(xì)胞中的鎂濃度之間的直接關(guān)系，但對于今后相關(guān)研究有一定的參考價值。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突