容量超負荷誘導心力衰竭研究進展

洪 茜， 鄒云增

復旦大學附屬中山醫(yī)院心血管內(nèi)科，上海 200032

心血管疾病正成為全世界人類的頭號死因，造成嚴重的社會、經(jīng)濟負擔。研究心血管病的發(fā)病機制并據(jù)此進行針對性的防治顯得尤為重要。生理狀態(tài)下，機械應力在維持心臟正常的結構和功能中起到重要作用，但是在病理狀態(tài)中出現(xiàn)的機械應力超負荷卻是引起心肌重構及心力衰竭的主要病因[1-2]。心臟在機械應力超負荷的刺激下，早期產(chǎn)生適應性心肌重構，以應對增加的室壁應力，常表現(xiàn)為心肌肥大、纖維組織增生、血管新生等；但如果機械應力超負荷持續(xù)存在，心臟將逐漸進入失代償期，心肌重構加劇，最終演變成心力衰竭。

1 機械應力超負荷分類

機械應力超負荷分為壓力超負荷和容量超負荷[1,3]。壓力超負荷常見于高血壓和主動脈縮窄，容量超負荷常見于主動脈瓣反流和二尖瓣反流。在高血壓心臟病終末期、心肌梗死、擴張性心肌病和機體過度運動中，也伴隨著容量超負荷的現(xiàn)象。雖然兩類超負荷均可引起心臟肥大，但壓力超負荷時，心臟后負荷增加明顯，表現(xiàn)為向心性肥大，即室壁肥厚明顯，心室內(nèi)徑無明顯變化，肌節(jié)橫向增寬；而容量超負荷時，心臟前負荷增加明顯，表現(xiàn)為離心性肥大，即室壁肥厚可明顯或不明顯，但心室內(nèi)徑明顯增大，肌節(jié)縱向伸長[3]。

2 容量超負荷誘導心力衰竭的原因

容量超負荷是心衰進程中重要的伴隨現(xiàn)象，也是患者住院的主要原因之一。在患者出現(xiàn)心衰的臨床癥狀前，容量超負荷即已存在。容量超負荷可導致室壁張力增加，不但可使左室形狀改變(由橢圓形變?yōu)閳A形，心肌重塑)，導致二尖瓣關閉不全，還可形成心內(nèi)膜下心肌缺血，導致心肌壞死(或凋亡)和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的激活，對心衰進程產(chǎn)生不良影響。此外，升高的靜脈壓可通過降低腎臟灌注梯度而導致心腎綜合征，使病情進一步發(fā)展和復雜。容量超負荷的處理是心衰特別是急性心衰(包括慢性心衰急性加重)管理的重要內(nèi)容。

在臨床診療上已發(fā)現(xiàn)，一些藥物對于兩類機械應力超負荷所致心肌重構的療效存在顯著差異[4]。近期在轉化醫(yī)學實驗中報道，鈣通道拮抗劑能抑制壓力超負荷引起的心臟肥大，改善心功能[5]，但未改善容量超負荷引起的心肌重構[6]。這些證據(jù)說明，對于兩類機械應力超負荷引發(fā)的心肌重構，診療方案的選擇應該不同。鈣通道拮抗劑對兩類心肌重構療效的差異，可能與其對關鍵的鈣信號相關通路的調(diào)控差異有關。然而，其療效差異的機制仍有待進一步闡明。

3 容量超負荷引發(fā)心臟重構的模型選擇

目前，相比于對壓力超負荷大量的研究，人們對容量超負荷的研究深度和廣度卻明顯受限。壓力超負荷誘導心力衰竭通常采用主動脈縮窄誘導壓力超負荷致心力衰竭模型。然而容量超負荷誘導心力衰竭的模型卻并不廣為人所知。對于人類而言，容量超負荷引發(fā)左心心功能不全的病理、生理機制存在倫理問題，以及從最初容量超負荷到最后引發(fā)左心功能不全需時過長，所以利用動物實驗構建了容量超負荷模型模擬人類疾病，進而了解其潛在的誘導心力衰竭的病理、生理機制。容量超負荷動物模型可以分為2類：低壓力型和高壓力型。

3.1 低壓力型通常采用二尖瓣反流模型

3.1.1 犬類脊索斷裂構建低壓力型容量超負荷模型 這類模型的優(yōu)點為：(1)操作者易控制二尖瓣反流量和反流程度；(2)無需開胸手術；(3)不影響心包膜；(4)易復制；(5)所有的二尖瓣附屬物均保持完整，即使二尖瓣反流非常嚴重。缺點是會引發(fā)急性二尖瓣反流，進而導致與人類脊索斷裂導致的二尖瓣反流一致的癥狀，但是和臨床上逐漸發(fā)生的二尖瓣反流的癥狀表現(xiàn)存在差異[7-9]。

3.1.2 開胸手術構建二尖瓣反流模型 模型優(yōu)點是能夠通過直接控制二尖瓣附屬物研究其各部分對于左室功能的影響；缺點為需要開胸手術，難度較大[10-15]。

3.1.3 結扎冠狀動脈回旋支和后降支構建羊缺血性二尖瓣反流模型 模型優(yōu)點是由于羊有相對固定的冠狀動脈解剖結構，易于操作，具有可復制性和梗死面積的可控制性[16-17]。

3.1.4 豬的室間隔缺損模型 這類模型非常重要，由于這類疾病模型屬于自然發(fā)生，能夠有效模擬人類收縮功能正常的心力衰竭模型[18-19]。

3.2 高壓力型容量超負荷模型分型

3.2.1 小鼠、大鼠和兔的主動脈反流模型 模型優(yōu)點是無需開胸手術，易于復制，能夠誘導心力衰竭。缺點是只適用于小型哺乳類動物，與人類臨床上逐漸發(fā)生的二尖瓣反流的癥狀表現(xiàn)存在差異[20-22]。

3.2.2 鼠和狗的主動脈腔靜脈瘺模型 模型優(yōu)點是該模型適用于所有動物，具有高度可復制性；缺點是這類疾病在人類身上發(fā)生率很低[23-26]。

4 容量超負荷誘導心力衰竭

4.1 容量超負荷與左室細胞外基質(zhì)重構 細胞外基質(zhì)是一個高度可適應性的結構，廣泛受到機械壓力、激活的神經(jīng)激素、炎癥和氧化應激的調(diào)控。容量超負荷導致的心肌重構表現(xiàn)為促進室壁增厚與心室腔擴大，而壓力超負荷誘導心肌重構表現(xiàn)為過量的基質(zhì)沉積。細胞外基質(zhì)網(wǎng)絡的組成和更新受到心肌纖維化細胞、心肌細胞、肥大細胞及彌漫的炎癥細胞所控制。心肌纖維化細胞通過分泌纖維化膠原物質(zhì)、層粘連蛋白及纖維連接蛋白，構成了一張巨大的網(wǎng)絡，維持心肌的結構完整。纖維化膠原物質(zhì)共有5類，其中，Ⅰ型膠原占85%、Ⅲ型膠原占15%[27]。心肌纖維化細胞、心肌細胞、肥大細胞及彌漫的炎癥細胞通過分泌蛋白來調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的更新，包括基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)、基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMP)及其他蛋白水解酶。

4.2 容量超負荷導致的心室重構和功能異常的進展分期 有研究[28]采用嚙齒類動物主動脈腔靜脈瘺模型誘導容量超負荷模型發(fā)現(xiàn)，其心室重構和心功能異常的進展可以分為3個階段：急性壓力期(12 h～7 d)，代償性重構期(3～10周)及失代償性心力衰竭(>15周)。

4.3 容量超負荷誘導心力衰竭促進動態(tài)的細胞外基質(zhì)調(diào)節(jié) Murry等[29]報道，容量超負荷會導致早期膠原濃度的下降，發(fā)現(xiàn)在主動脈腔靜脈瘺模型誘導容量超負荷模型后，在第1天和第5天即發(fā)現(xiàn)纖維化膠原物質(zhì)的下降。而這項研究結果與Ryan等[30]早期觀察結果一致，總膠原纖維會在第2天有50%的下降，而到第5天又恢復正常。容量超負荷不僅影響膠原纖維網(wǎng)絡更新的改變，也會影響膠原物質(zhì)的分布改變，進而影響心肌的舒張功能及順應性的改變。在心力衰竭代償期，膠原Ⅲ型向膠原Ⅰ型轉變加快，層粘連蛋白和彈力蛋白的表達也相應升高[31]；在心力衰竭終末期，總膠原纖維明顯增加，尤其是心內(nèi)膜[32]。最近的研究[33]顯示，在二尖瓣反流4個月時，選用犬類左室心肌組織進行基因芯片分析，發(fā)現(xiàn)容量超負荷誘導心力衰竭模型會促進新的基質(zhì)物質(zhì)的表達下調(diào)，包括核心蛋白聚糖、腓骨蛋白1及肌原纖維蛋白1。如何將這些蛋白表達下降的改變與容量超負荷誘導心力衰竭的關系聯(lián)系起來尚需進一步研究。

4.4 細胞外基質(zhì)的降解與更新 有文獻[34-35]報道，在慢性起搏誘導心動過速的動物模型中，MMP的活性增加和進展性的左室擴張、膠原降解、收縮功能障礙和神經(jīng)激素的激活相關。在構建容量超負荷模型第5天，即可發(fā)現(xiàn)MMP早期表達下降，之后升高，同時伴隨MMP/TIMP比值的改變[30]。更進一步的研究發(fā)現(xiàn)，抑制MMP的表達能夠明顯改善豬起搏誘導心動過速的左室擴張[36]，小鼠[37]和兔子[38]的心肌梗死及大鼠的主動脈腔靜脈瘺[39]。

4.5 肥大細胞和容量超負荷誘導細胞外基質(zhì)重構 有研究[40-41]顯示，在容量超負荷模型中，肥大細胞能夠初始化一系列的分子事件，導致細胞因子的聚集、MMP的激活和持續(xù)的細胞外基質(zhì)的更新。然而，除了肥大細胞以外，其他細胞類型，如心肌細胞和浸潤性的中性粒細胞的作用也不能排除。

4.6 心肌纖維化細胞和容量超負荷誘導細胞外基質(zhì)重構 關于對容量超負荷誘導心力衰竭心臟的心肌纖維化細胞進行研究的報道較少。多數(shù)研究都是針對一系列已知能夠在容量超負荷模型中表達升高和影響細胞外基質(zhì)的細胞因子或活化的氧化應激因子，如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)能夠促進心肌纖維化細胞的MMP13的表達、MMP2/9的激活和抑制膠原合成[42]。通常這類結果提示這些細胞因子具有抗纖維化的作用。然而，Borer等[43]在從兔慢性主動脈反流模型中提取心肌纖維化細胞的實驗中發(fā)現(xiàn)，和對照組相比，層粘連蛋白和膠原Ⅲ型的表達增加，膠原Ⅰ型的表達沒有改變。這項結果顯示，在體容量超負荷模型中提取的纖維化細胞中與單純體外刺激引起的MMP與一氧化氮(NO)的基礎表達是不同的。

4.7 氧化應激和容量超負荷誘導細胞外基質(zhì)重構 活性氧自由基可以誘導心功能障礙，包括收縮功能下降、心肌肥厚、細胞外基質(zhì)的更新和細胞凋亡。有報道[44]顯示，活性氧自由基與容量超負荷誘導心力衰竭相關。活性氧自由基可以通過改變硫化鋅的表達或者直接的相互作用調(diào)節(jié)MMP的表達[45]。相反，ONOO-誘導的TIMP4的硝化作用能夠改善內(nèi)皮細胞MMP2活性的抑制作用[46]?；钚匝踝杂苫瑫r也可刺激MMP的分泌[47]及抑制心肌纖維化細胞中的膠原產(chǎn)生[48]。

5 容量超負荷和壓力超負荷誘導心力衰竭的差異

在分子水平上的最新研究[49]表明，壓力超負荷所致常見的心臟肥大相關因子(如ERK1/2)表達、心肌纖維化、心肌炎癥反應及凋亡程度均普遍高于容量超負荷，患者術后生存率亦明顯降低。在壓力超負荷心臟中，鈣火花、鈣瞬變、L型鈣電流、肌漿網(wǎng)鈣釋放均明顯增加，而容量超負荷心臟這些變化均不明顯[50]。這些證據(jù)提示，壓力超負荷和容量超負荷所致的心肌重構很可能由不同的信號通路引發(fā)，在壓力超負荷心臟重構中獲得的經(jīng)驗并不能簡單用于容量超負荷心臟重構。

本研究近期構建并優(yōu)化了一種新型小鼠心臟容量超負荷手術模型，通過在高頻超聲引導下破壞主動脈瓣導致主動脈瓣反流并控制反流程度，較好地模擬了臨床容量超負荷病變。本研究使用這一新型容量超負荷小鼠模型，與已有的壓力超負荷(主動脈縮窄)小鼠模型在心臟結構、功能、基因組、蛋白質(zhì)譜水平上和藥物干預上進行比較，研究絲裂原活化蛋白激酶家族(ERK1/2，p38，JNK)、鈣相關信號[鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(CaN)、鈣/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)]、蛋白激酶B(Akt)、非G蛋白依賴的arrestin偏愛性信號(β-arrestin-2)的活性或表達水平的差異。本課題組發(fā)現(xiàn)，在術后2周，壓力超負荷和容量超負荷心臟射血分數(shù)較假手術組心臟沒有明顯差異，提示均處于代償期。兩類超負荷心臟的心臟/體質(zhì)量比均明顯增加，但是壓力超負荷心臟的室壁厚度明顯大于容量超負荷心臟，壓力超負荷心腔內(nèi)徑明顯小于容量超負荷心腔內(nèi)徑；壓力超負荷心臟的血管周圍纖維化和間質(zhì)纖維化均異常增高，但容量超負荷心臟的血管周圍纖維化不明顯，與假手術組處于同水平，在室間隔區(qū)的間質(zhì)纖維化程度則輕度升高。在分子水平，ERK1/2、p38、JNK、CaN、β-arrestin-2在壓力超負荷心肌中磷酸化水平或表達水平明顯升高，但在容量超負荷心肌中不明顯；Akt的磷酸化水平在壓力超負荷組也明顯升高，但在容量超負荷組中甚至低于假手術組；CaMKⅡ在壓力超負荷和容量超負荷心肌中磷酸化水平均升高。

壓力超負荷和容量超負荷分別作用于心動周期的收縮期和舒張期。鈣離子作為第二信使，在心肌細胞的興奮-收縮耦聯(lián)過程中起關鍵作用。越來越多的研究[51]表明，鈣離子參與病理條件下心肌重構及心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展過程。CaN最早是從牛腦內(nèi)分離純化出的一種蛋白磷酸酶，由1個催化亞基和1個調(diào)節(jié)亞基組成的異二聚體，受鈣/鈣調(diào)蛋白的調(diào)節(jié)，在心肌及骨骼肌中表達較高[52]。當心肌細胞受到壓力超負荷刺激時，血管緊張素Ⅱ、異丙腎上腺素等生化因子隨之表達升高。心肌細胞膜上的相關受體、整合素和離子通道接收機械和化學負荷信號并將其轉化為特定的化學信號，促進細胞外鈣離子內(nèi)流增加或肌漿網(wǎng)鈣釋放增加。胞內(nèi)鈣濃度升高，鈣離子與鈣調(diào)蛋白結合后激活CaN，進而使活化T細胞核因子(NFAT)去磷酸化轉位入核，通過與核內(nèi)的轉錄因子如鋅指轉錄因子4(GATA4)、肌細胞增強因子2 (MEF2)等作用，上調(diào)多種心肌肥大相關基因特異性表達，最終引起心肌細胞蛋白合成增加、心肌細胞肥大、心肌纖維化加重，導致病理性心肌重構[53]。本課題組研究[53-54]顯示，抑制CaN活性可預防或減輕壓力超負荷心肌細胞肥大，緩解心肌纖維化，改善心功能，而過表達CaN可加劇心肌重構。結果提示，CaN的調(diào)控在機械應力超負荷所致心肌重構中發(fā)揮重要作用，并且可能介導壓力超負荷和容量超負荷所致心肌重構和療效的差異。

Akt作為一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，是心臟眾多病理、生理信號的重要調(diào)節(jié)樞紐，控制糖原合成、能量代謝、心肌肌力、心肌細胞存活、心肌正常生長/病理性肥大等過程[54]。Akt信號失控會導致心臟重構甚至最終引起失代償。通過抑制蛋白磷酸酶PHLPP1(Akt的特異性抑制劑)進而激活Akt信號會促進游泳所致的心臟生理性肥大，但會減輕壓力超負荷引起的病理性肥大[55]。本課題組觀察到在容量超負荷后1周，心肌Akt磷酸化程度并不減輕，但在術后2～8周均降低，而在術后2周，心功能尚能維持，提示Akt信號可能在容量超負荷心臟從代償期到心功能不全的過程中起了作用。

6 小 結

綜上所述，壓力超負荷和容量超負荷分別作用于心動周期的不同時段，引起向心性和離心性心臟肥大。但是，由于均為機械應力超負荷誘發(fā)，壓力超負荷和容量超負荷心臟肥大在病因和病理改變上，并非涇渭分明的兩類心臟重構，而是呈現(xiàn)相互交叉的特點，且在病變的不同階段呈現(xiàn)動態(tài)變化。本文揭示了一些肥大相關信號在兩類超負荷心臟重構中的差異，并初步提出了CaN和Akt信號通路可能分別是針對兩類超負荷精準化治療的靶點。其上下游調(diào)控因子在兩類超負荷心臟重構中的調(diào)控差異，尚需進行深入研究。