熱應(yīng)激對動物心肌細(xì)胞影響研究進(jìn)展

呂秋鳳，黃 帆，楊群輝，劉 梅，孫瑞媛

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110866)

熱應(yīng)激對動物心肌細(xì)胞影響研究進(jìn)展

呂秋鳳*，黃 帆，楊群輝，劉 梅，孫瑞媛

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110866)

熱應(yīng)激是動物飼養(yǎng)過程中經(jīng)常遇到的難題，給畜牧業(yè)帶來了較大的損失。由于心臟對熱的敏感性較高，當(dāng)動物機(jī)體遭受熱應(yīng)激損害時，首當(dāng)其沖的器官往往是心臟。所以，如何提高心臟抵抗熱應(yīng)激的損傷，成為養(yǎng)殖業(yè)日益關(guān)注的焦點。論文從熱應(yīng)激對心臟的影響、心肌細(xì)胞在熱應(yīng)激作用下的組織形態(tài)學(xué)變化、熱應(yīng)激損傷心肌細(xì)胞的機(jī)制、熱應(yīng)激作用下心肌細(xì)胞的自我保護(hù)及如何提高心肌細(xì)胞對熱應(yīng)激的抵抗能力方面，結(jié)合近年來的研究做一綜述。

熱應(yīng)激；心肌細(xì)胞;損傷

熱應(yīng)激(heat stress)是動物集約化飼養(yǎng)中經(jīng)常遇到一大難題，給動物的生長、繁殖帶來較大的損失[1]。例如籠養(yǎng)肉雞常常因為受到急性熱應(yīng)激而猝死，即使在慢性熱應(yīng)激下也會因為食物消耗率低、代謝受阻而生長緩慢。

心臟是熱應(yīng)激較為敏感的器官。從宏觀角度分析，當(dāng)動物處于熱應(yīng)激狀態(tài)下時，高溫刺激體溫調(diào)節(jié)中樞-下丘腦，并在下丘腦的調(diào)節(jié)下，機(jī)體加快散熱，呼吸加快，體表血液流動加快，其心率也會加快，從而加重了心臟的負(fù)擔(dān)，容易造成心肌損傷；從微觀角度觀察，有試驗表明，心肌細(xì)胞在持續(xù)熱應(yīng)激作用下會發(fā)生嚴(yán)重的腫脹、變性[2]。當(dāng)心肌受到損傷時，動物的健康也就受到了嚴(yán)重的威脅。所以，保護(hù)心肌細(xì)胞免受熱應(yīng)激的損傷成為當(dāng)下研究熱應(yīng)激的熱點之一。在國內(nèi)外的研究中，持續(xù)的熱應(yīng)激往往造成心肌細(xì)胞的凋亡，然而熱應(yīng)激誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的機(jī)制還不是很清晰。本文就近年來有關(guān)熱應(yīng)激對心肌細(xì)胞影響的研究進(jìn)行綜述，為探討熱應(yīng)激對心肌的影響機(jī)制提供參考。

1 熱應(yīng)激對心臟的影響

心臟是動物機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)中最重要的器官，當(dāng)動物處于熱應(yīng)激狀態(tài)下時，首當(dāng)其沖的器官往往就是心臟。眾所周知，當(dāng)高溫刺激下丘腦溫度調(diào)節(jié)中樞時，機(jī)體表現(xiàn)出呼吸加快，心率加快，體表血液流速加快。持續(xù)的熱應(yīng)激會給心臟帶來較大的負(fù)擔(dān)，最終導(dǎo)致心臟衰竭。

有研究學(xué)者將肉雞置于不同高溫下，并在不同的時間段檢測肉雞股動脈壓和右心室內(nèi)壓，發(fā)現(xiàn)股動脈壓顯著下降，且溫度越高，股動脈壓下降的速度越快；而通過記錄不同時間段的右心室內(nèi)壓，可以計算出右心室內(nèi)壓的最大變化速率，右心室內(nèi)壓的最大變化速率可反映出右心室收縮和舒張的功能狀態(tài)。實驗表明右心室內(nèi)壓的最大變化速率顯著下降，說明右心室在熱應(yīng)激作用下?lián)p傷嚴(yán)重[3]。

與上述試驗相類似，高俊濤等[4]對SD大鼠做左心室插管手術(shù)，并檢測可以反映心肌收縮力的等容收縮期左心室壓力的最大值(left ventricular systolic pressure，LVSP)以及反映心臟功能狀態(tài)的左心室等容收縮期壓力變化最大速率(+dp/dt)等相關(guān)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在熱應(yīng)激初期LVSP，+dp/dt均逐漸升高，而1 h后兩者均顯著下降，反映出長時間的熱應(yīng)激造成左心室收縮力下降以及使心臟出現(xiàn)功能障礙的現(xiàn)象。提示，持續(xù)熱應(yīng)激會給動物心臟造成嚴(yán)重的損傷。

2 熱應(yīng)激作用下心肌組織形態(tài)學(xué)變化

處在熱應(yīng)激狀態(tài)下的動物，經(jīng)常會出現(xiàn)熱休克和猝死現(xiàn)象。雖然這種熱休克和猝死是由多種原因引起，但心肌細(xì)胞往往最先遭受到嚴(yán)重的熱應(yīng)激損傷。Wu Di等[5]將肉雞置于熱應(yīng)激狀態(tài)下并對其心肌細(xì)胞做組織切片觀察，熱應(yīng)激1 h之后，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞出現(xiàn)腫脹狀態(tài)；熱應(yīng)激5 h之后，出現(xiàn)心肌組織萎縮、心肌細(xì)胞核固縮；熱應(yīng)激15 h之后心肌細(xì)胞出現(xiàn)空泡變性、心肌纖維之間的間隙變大等特征。心肌組織的這種變化不僅僅出現(xiàn)在肉雞中，Islam A等[6]通過對大鼠心肌細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，然后將培養(yǎng)的心肌細(xì)胞放置在42℃環(huán)境下，觀察心肌細(xì)胞在不同時間段內(nèi)的變化，最終發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的大鼠心肌細(xì)胞出現(xiàn)與上述實驗現(xiàn)象相似的組織形態(tài)學(xué)變化。提示熱應(yīng)激會給動物心肌組織造成嚴(yán)重的損傷。

3 熱應(yīng)激損傷心肌細(xì)胞的機(jī)制

根據(jù)上述心肌組織學(xué)變化可知，當(dāng)動物長時間處于熱應(yīng)激狀態(tài)下時，熱應(yīng)激損傷的最終結(jié)果是導(dǎo)致心肌細(xì)胞的凋亡。此外，心肌組織處在熱應(yīng)激下會在血清中釋放一些重要的酶，如肌酸激酶(creatine kinase，CK)、肌酸激酶同工酶(creatine kinase-MB，CK-MB)和乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)等[7]，同時產(chǎn)生大量的自由基。通過檢測血清中生化指標(biāo)的變化，可以從側(cè)面反映出心肌細(xì)胞在熱應(yīng)激作用下受到的傷害。

3.1 熱應(yīng)激作用下心肌組織內(nèi)的生化指標(biāo)的變化

CK和CK-MB在心肌組織中的含量豐富，兩者聯(lián)合LDH是檢測心肌損傷的重要生化指標(biāo)[8]。李昌武等[9]在試驗中證實，當(dāng)小鼠處在熱應(yīng)激狀態(tài)下，其血清中的CK、CK-MB和LDH活力均呈上升趨勢，提示心肌在熱應(yīng)激下而受損。這與仲慶振等[10]在研究急性熱應(yīng)激對鵝心臟損傷中所測得的CK活力上相一致，同樣與井然等[11]所測得的高溫環(huán)境中大鼠血清中LDH和CK-MB活力顯著升高相一致。如此以來，便可以通過檢測動物血清中相關(guān)酶的變化，方便而快捷的診斷出動物心肌細(xì)胞受到熱應(yīng)激損傷的程度，同時尋找降低這些酶活性的方法，便可以減輕熱應(yīng)激對動物心肌的傷害。

3.2 熱應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡機(jī)制

目前國內(nèi)外研究中，關(guān)于熱應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡機(jī)制還不甚清晰。Slimen I B等[12]指出熱應(yīng)激可以引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激可通過多條途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡，提示熱應(yīng)激是通過多種途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的。最近有學(xué)者提出，較長時間的熱應(yīng)激可觸發(fā)心肌細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，進(jìn)而進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號凋亡途徑[13]。然而，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的信號凋亡途徑會與線粒體凋亡途徑相匯合，其凋亡的最后一步依然由線粒體釋放細(xì)胞色素C，激活caspase-3而最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[14]。

王曉武等[15]將小鼠置于潮濕高溫環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)其心肌細(xì)胞凋亡率明顯高于對照組，同時檢測到血管緊張素Ⅱ(Ang Ⅱ)大量生成，而AngⅡ可通過P38 MAPK信號通路使caspase-3活化，以及聯(lián)合濕熱環(huán)境誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激產(chǎn)生高濃度的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[16]。由此可知，熱應(yīng)激既可以通過內(nèi)源性通路，也可以通過外源性通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

有研究發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激可以引起心肌細(xì)胞內(nèi)鈣離子超載以及機(jī)體的氧化應(yīng)激，導(dǎo)致線粒體膜通透性的改變，并釋放出細(xì)胞色素C，從而誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的凋亡[17-18]。提示線粒體在心肌細(xì)胞中的重要作用，增強(qiáng)心肌細(xì)胞抵抗熱應(yīng)激引起的凋亡的，其關(guān)鍵就在于保護(hù)心肌線粒體。

4 熱應(yīng)激作用下心肌細(xì)胞的自我保護(hù)

眾所周知，當(dāng)細(xì)胞受到熱應(yīng)激或其他應(yīng)激時，胞質(zhì)內(nèi)會迅速大量合成一類具有分子伴侶功能的蛋白質(zhì)——熱休克蛋白(heat shock proteins，Hsp)。同樣，心肌細(xì)胞也能合成Hsp。其中Hsp70是得到廣泛研究的一種熱休克蛋白。Hsp70已經(jīng)被證實可以抑制心肌細(xì)胞的凋亡，但其抑制凋亡的機(jī)制尚不清楚。

近年來Hsp70的抑制細(xì)胞凋亡的機(jī)制不斷被發(fā)現(xiàn)，例如Hsp70可以抑制Fas介導(dǎo)的應(yīng)激性心肌細(xì)胞凋亡[19]。然而，Hsp70在心肌細(xì)胞中的含量隨著熱應(yīng)激時間的延長而逐漸降低，而當(dāng)Hsp70降到最低水平時，心肌細(xì)胞也出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p傷。提示Hsp70可能通過某種機(jī)制抵抗熱應(yīng)激對心肌的損傷[20]。心肌細(xì)胞內(nèi)Hsp70水平隨時間的變化與仲慶振等人的研究相一致[10]。提示，Hsp無法長期穩(wěn)定的高表達(dá)也可能是持續(xù)熱應(yīng)激導(dǎo)致心肌凋亡的重要原因。

5 如何提高心肌細(xì)胞對熱應(yīng)激的抵抗能力

由于熱應(yīng)激對心肌細(xì)胞的損傷與動物機(jī)體其他組織細(xì)胞的損傷有一定的相關(guān)性，如熱應(yīng)激會增加機(jī)體ROS的含量，高濃度的ROS會誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡[16]。熱應(yīng)激作為非特異性應(yīng)激反應(yīng)，對動物機(jī)體的其他器官同樣會造成嚴(yán)重的傷害。所以，提高心肌細(xì)胞對熱應(yīng)激的抵抗通常從動物整體水平上降低熱應(yīng)激的損傷。例如，通過降低環(huán)境溫度來加快動物機(jī)體的散熱；飼喂具有抗氧化作用的中藥復(fù)方可顯著降低動物血清中的ROS等。

我國學(xué)者曾通過對中草藥的研究，尋求抗熱應(yīng)激的方法，并且取得了一定的效果。例如近年來發(fā)現(xiàn)水母雪蓮可以顯著降低熱應(yīng)激作用下的小鼠血清中心肌損傷標(biāo)準(zhǔn)物CK、LDH等的含量，從而減輕了熱應(yīng)激對小鼠心肌細(xì)胞的傷害[21]。

抗氧化劑可以清除機(jī)體內(nèi)的ROS，從而達(dá)到抗熱應(yīng)激的目的，如維生素E、硒等。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)維生素E可以通過增加心肌細(xì)胞內(nèi)的金屬硫蛋白的表達(dá)，從而實現(xiàn)抵抗熱應(yīng)激而保護(hù)心肌細(xì)胞目的[22]。近年來，在心肌組織中發(fā)現(xiàn)?；撬岬暮糠浅ＸS富。?；撬峋哂星宄齊OS，降低血清中CK、LDH等心肌損傷標(biāo)志物，抑制心肌細(xì)胞凋亡的作用[23]，并且可直接作為飼料添加物而受到廣泛關(guān)注。2000年發(fā)現(xiàn)的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)可以水解Ang Ⅱ[24]，從而保護(hù)心肌細(xì)胞免受Ang Ⅱ引起的細(xì)胞凋亡。

6 小結(jié)

綜合近年來熱應(yīng)激對動物心肌細(xì)胞的影響研究可知，心臟很容易遭受到熱應(yīng)激的損傷。雖然心肌細(xì)胞可以通過合成Hsp進(jìn)行短暫的抵抗，但長時間的熱應(yīng)激仍然可以給心肌細(xì)胞帶來嚴(yán)重的傷害，甚至造成心肌細(xì)胞的凋亡。在動物飼養(yǎng)過程中，提高動物抵抗熱應(yīng)激的重要一環(huán)就是提高動物心肌對熱應(yīng)激的抵抗。但無論是在飼養(yǎng)條件方面，還是在營養(yǎng)水平上，都應(yīng)盡量避免熱應(yīng)激的發(fā)生。從機(jī)體整體水平上減輕熱應(yīng)激損傷的同時，還應(yīng)積極探討熱應(yīng)激對心臟損傷的具體機(jī)制，尋找改善和提高心肌細(xì)胞抵抗熱應(yīng)激能力的方法。

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Pregress on Effect of Heat Stress on Myocardial Cells

Lü Qiu-feng,HUANG Fan,YANG Qun-hui,LIU Mei,SUN Rui-yuan

(ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning,110866,China)

Heat stress is a difficult problem in the process of animal feeding,which brings great loss to animal husbandry.Due to the sensitivity of the heart to heat,when the animal body suffers the damage from heat stress,the heart is always damaged firstly.Therefore,how to improve the heart to resist the damage of heat stress is becoming significant in animal husbandry.In this article,we gave a review on the impact of the heat stress on animal heart,morphological changes of the myocardial cells under the effect of heat stress,the traumatic mechanism of myocardial cells,self protection of the myocardial cells under the effect of heat stress,and how to improve the myocardial cells to resist the heat stress.

heat stress; myocardial cell; trauma

2016-06-25

呂秋鳳(1967-)，女，遼寧西豐人，副教授，博士，主要從事動物生理生化和動物營養(yǎng)與飼料學(xué)研究。*通訊作者

S852.3

A

1007-5038(2017)01-0082-04