穩定微管對心肌細胞的影響

鄭敏　鄭宏

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·綜述·

穩定微管對心肌細胞的影響

鄭敏鄭宏

心肌細胞微管是構成細胞的主要骨架成分，在維持心肌細胞正常結構、調節心肌細胞的生理功能中占有顯著的地位，然而心肌缺血缺氧時會破壞微管結構，從而造成心肌損傷?，F有研究證實通過穩定微管可減少心肌缺血缺氧性損傷，從而促進心肌保護。該文從心肌細胞微管的結構、功能以及穩定微管與心肌疾病的關系，對目前國內外研究進行綜述，為心肌保護相關研究提供一些理論依據。

微管；心肌缺血缺氧；穩定

微管在心肌細胞中占有顯著的地位，可以維持細胞形態、調節細胞自由運動以及生理功能。當心肌細胞缺血缺氧或缺血再灌注時，會使微管網遭到損傷和破壞。紫杉醇是一種微管穩定劑，能促進微管蛋白積聚，提高微管穩定性，從而減輕心肌缺血再灌注損傷，對心肌有一定的保護功能。本文旨在介紹微管的結構、功能、以及穩定微管對心肌缺血缺氧及其他心肌疾病的影響，提高人們對心肌細胞微管穩定性的意識，為預防心肌缺血缺氧性損傷提供相關理論依據。

一、心肌細胞微管的概述

1.微管的結構

微管是心肌細胞的骨架系統主要成分，不僅能夠維持細胞形態結構、調節細胞運動，還保障了細胞生理功能[1]。微管在心肌細胞纖維骨架中最粗，以中空管網狀結構均勻分布在細胞漿內。Goldstein等(1979年)早期實驗揭示心肌細胞中微管雙螺旋結構遍布在細胞質，且圍繞著細胞核與肌纖維平行，其兩端分別附著在細胞膜和細胞核上，以保持細胞核的正常形態和位置。微管的雙螺旋結構是13條原纖維組成的，每一條原纖維是由α、β微管蛋白呈線性分布組成。α、β微管蛋白之間依賴化學鍵連接。心肌細胞中表現出微管蛋白亞基單體或微管蛋白亞基二聚體等不同的形態結構和排列方式，即微管是一種可以自由裝配和解離的動態結構，可以解離成微管蛋白單體，同時微管蛋白單體又可重新裝配成微管，因此依賴這種動態平衡以順應細胞質結構的多變性和施展自身的功能。高濃度的微管蛋白中含有少量其他物質,且成為微管之間相互連接的路徑之一， 稱為微管相關蛋白(MAP)，其與微管的位置布局相同，并且可參與調控心肌細胞微管蛋白的裝配和解離。每個MAP的分子最少包括兩個結構域，分別是與微管結合的結構域和將微管向外延伸的域。MAP又分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型可分為MAPla和MAPlb，促進了微管的穩定。MAPⅡ型中的MAP4可以涂敷在的微管表面，使微管蛋白亞單位不能從微管端部剝離，從而發揮穩定的作用[2]。微管其他相關蛋白如tau蛋白的重復序列和微管結合，其主要作用是提高微管組裝的出發點和加快速度，促進微管組裝和維護結構?？傊?，MAP通過調控微管穩定性和微管蛋白的動態平衡,在控制微管延伸中占有重要的地位。

2.微管聚合與解聚

微管具有聚合和解聚的特征。正常心肌細胞中，聚合狀態的微管蛋白和游離胞漿狀態的微管蛋白分別約占30%和70%，且聚合態和游離態微管蛋白受環境因素影響下可處于一種動態平衡中，從而促進了細胞結構的穩定。在不同的環境因素作用下，微管可以在離體條件下發生聚合和解聚，例如一定濃度的Ca2+與適當的微管蛋白濃度結合可以促進蛋白二聚體聚合；反之在一定的Mg2+濃度下可以拮抗Ca2+與微管蛋白結合位點。MAP也是微管聚合的必要條件，如tau蛋白能夠降低微管蛋白聚合的最低有效濃度，進而提高了微管的穩定性。同時微管的聚合還受pH、三磷酸鳥苷、壓力、濕度、特異性藥物等影響。特異性藥物如紫杉醇和秋水仙素分別可以促進和抑制微管蛋白的聚合。

3.微管的功能

微管具有很多功能，是心肌細胞骨架主要力量，能夠維持細胞生理結構，是細胞內物質傳遞的主要道路[3]。生理情況下，細胞的結構、細胞器的定位和功能取決于微管結構的穩定程度[4]。微管雙螺旋結構支撐著細胞生理形態，其自身不會發生收縮，因而可以維持細胞的生理形態。微管還參與細胞內小泡以及色素的運輸，對細胞器如線粒體、核糖體定位有一定的支持作用。此外微管還具有傳遞重要信息的作用，例如重要生物學功能的微管信號轉導，目前此信號通道的研究很多，且已證實微管參與蛋白激酶信號轉導功能，微管之間或者微管蛋白之間通過相互作用后，進一步傳遞著信號分子。重要的信息在心肌細胞內是經過細胞質、肌纖維膜、微管、細胞核途徑傳達的。有文獻報道許多核轉錄因子如p53、雄激素受體、糖皮質激素受體β、甲狀腺素等在細胞質聚集后通過微管結構快速準確的運輸到細胞核中[3]。

二、微管穩定劑的概述

紫杉醇是已被證實是一種化學治療癌癥的藥物，且能與微管蛋白二聚體緊密地結合，促進了微管蛋白的聚合。紫杉醇能夠降低微管蛋白聚合所需的最低有效濃度，提高微管聚合的速度，增加聚合的數量，同時可以打破聚合和解聚形式的動態平衡，阻止微管蛋白的解聚，提高了微管的穩定性。

三、穩定微管對心肌病的影響

1.心肌缺血缺氧

心肌缺血再灌注時可以使微管網遭到破壞和損傷，心肌細胞長時間缺氧可使微管解聚與聚合的動態平衡遭到破壞，致微管松散、斷裂、解聚且阻礙其生理功能正常運行[5]。其中微管的穩定性與鈣濃度密切相關，心肌細胞鈣超載可能會使微管結構坍塌和破壞，同時受到破壞的微管也可能會促進鈣超載。Skobel等[6]研究證實紫杉醇可以減輕缺血再灌注對心肌的破壞,保護了缺氧受損的心肌，且這種保護作用可能與紫杉醇穩定微管有關系。當心肌細胞發生缺血或者缺氧缺血再灌注時，會使肌酸激酶大量釋放，從而嚴重損傷心肌細胞。當使用紫杉醇預先處理心肌細胞后，肌酸激酶的釋放顯著減少，從而減輕了心肌不可逆的損傷。有研究將微管解聚劑秋水仙素應用于鼠心肌細胞后微管結構遭到破壞，提高了細胞胞漿內的Ca2+濃度，這可能與流入細胞內Ca2+增加、肌漿網攝取Ca2+能力降低有關[7]。進一步的研究發現，應用紫杉醇穩定微管后，導致肌纖維內的Ca2+濃度有所減低，使鈣的釋放減少，致使胞漿內的鈣超載程度減弱[8]。微管穩定劑紫杉醇不僅可以促進微管的穩定，而且有效地減少胞漿內鈣的釋放，從而減輕心肌缺血缺氧時的氧化應激反應[9]。

缺血缺氧時穩定微管可以減輕線粒體功能損傷，從而降低心肌損傷的程度。微管不僅參與線粒體在細胞中的分布及定位，而且還和線粒體呼吸功能的調節有關。缺氧時可使心肌細胞線粒體通透性轉換孔(MPTP)開放，引起線粒體通透性轉換(MPT)，導致線粒體內膜電位下降，致使線粒體膜膨脹甚至破裂，從而激活凋亡信號分子，出現了細胞凋亡、壞死，以致心肌細胞發生不可逆的損傷[10]。鄭霽等[11]研究發現，當加入微管解聚劑時，觀察到微管免疫熒光強度降低、微管結構明顯損害、MPTP開放，從而降低了線粒體內膜電位、減低了細胞呼吸功能，且與時間呈相關性。當加入微管穩定劑后，以上檢測結果均明顯減輕，說明穩定微管能夠顯著減輕線粒體損傷，弱化心肌缺氧時線粒體通透性轉換和呼吸功能的損害。以上說明提高微管穩定性能減少線粒體呼吸功能的損傷，可以降低心肌細胞微管破壞所致的缺氧性損害。細胞缺血缺氧會顯著破壞微管解聚和聚合的動態平衡，同時會明顯減弱線粒體的呼吸調節功能，由此更加損害原本已被破壞的微管平衡狀態，如此循環下去，細胞會持續地發生凋亡、壞死。

心肌缺血缺氧時，會使心肌的能量供應由有氧氧化磷酸化轉化為無氧糖酵解，此時微管的結構遭到破壞，熒光染色下可見微管結構消失，斷裂、呈空泡狀。缺氧早期，糖酵解關鍵酶活性增高，為細胞提供暫時的能量；伴隨長時間缺氧的情況下，酸性產物大量聚集，加重了微管結構損害，糖酵解關鍵酶活性顯著下降，導致糖酵解能量供應逐漸消失[12]。若在缺氧早期給予適當濃度的紫杉醇，可以促進微管蛋白聚合而穩定微管，提高糖酵解關鍵酶活性，減輕心肌缺血缺氧的損傷，進一步發揮了心肌保護作用。倘若在心肌缺血缺氧晚期給予適當濃度的微管穩定劑，糖酵解關鍵酶活性未見明顯異常。在心肌缺血缺氧時若給予大劑量的紫杉醇，過度聚合了微管蛋白，使微管在細胞內局部大量積聚，致使在細胞內不均勻分布，嚴重破壞了微管生理結構，反而顯著降低了糖酵解關鍵酶活性。由此可知心肌保護與微管穩定劑適當的濃度和適當的時間有關。故心肌缺氧時微管結構的變化與糖酵解有著密切的關系，一味地追求微管穩定并不能起到心肌保護作用。故在心肌缺氧早期給予適量的微管穩定劑，不僅能夠促進細胞能量的生成，而且對心肌細胞有一定的保護作用。

2.心力衰竭等其他心肌疾病

近期通過豬冠狀動脈的研究證實，紫杉醇可以阻止血管再狹窄、抑制血管內膜增生，從而促進了血管重塑[13]。同時Herdeg等(2000年)兔頸動脈的研究發現，局部應用紫杉醇能有效防止血管新生狹窄的形成，保持血管原有的形狀，能夠擴張狹窄血管直徑。這是由于紫杉醇提高微管的穩定性，改變原有的細胞骨架結構所致。

紫杉醇穩定微管后可導致心肌纖維化，明顯影響了心肌的機械牽張力。有研究顯示，當結扎雞左心房建立左心室容量負荷降低和左心發育不全的模型后，通過蛋白免疫印跡法分析顯示增加了總量和聚合β-微管蛋白，且通過共聚焦顯微鏡觀察到在致密分布的左心室微管密度也有所增加[14]。由此推斷微管在心肌細胞的發育中占據重要的分量。若給予大量紫杉醇過度穩定微管后，會導致心肌纖維條索壓力驟增，心肌細胞緊張度增高，從而降低了心肌順應性。故要嚴格掌握對微管控制，若過度聚合微管蛋白，可提高心肌強直性，嚴重減低心肌收縮功能。

當心臟發生心力衰竭時，心肌細胞的微管蛋白結構也會出現一些變化。當左心室后負荷壓力增大時，微管表達量增加，進一步提高了微管的穩定性，增加心肌強直性，導致心肌收縮功能減弱，同時微管蛋白量也在增加[15]。同時有研究建立左心室壓力負荷導致心肌肥厚的模型后，發現心肌收縮功能障礙與微管量的增加有很大的聯系[16]。有研究建立了貓右心壓力后負荷模型后，揭示心肌細胞的微管蛋白聚合能力增強，同時發現β-微管蛋白基因量表達增加，但是收縮功能卻發生了異常[17]。通過心力衰竭模型的建立，發現在心力衰竭早期即代償期內，微管蛋白急劇升高可以抵抗心肌收縮的壓力；在晚期即失代償期，心肌收縮性肌絲消失，此時微管蛋白積聚雖然有利于代償失去的收縮蛋白，但另一方面會加重心肌細胞負荷，造成心肌細胞收縮功能障礙，心肌纖維阻力增大，抑制肌小節運動，破壞了心肌運動功能。由此可知在發生心力衰竭時，心肌功能異常與微管蛋白聚合能力密切相關。在心功能不全早期雖然收縮性物質減少，但此時通過微管蛋白聚合來代償，以抵制收縮的壓力，維護細胞的穩定；當失代償期時，肌小節彈性缺失使收縮蛋白功能減弱，增加了心肌強直性，此時即使有大量的微管蛋白聚集也無法恢復心肌正常運動，反而會造成心肌損傷，同時抑制細胞間的信號傳導功能，激活細胞凋亡系統，這些與紫杉醇用藥濃度及作用時間有關[18]。

穩定微管還可以有效地預防和控制缺血性室性心律失常[19]。研究者選擇冠狀動脈硬化性心臟病并發室性心律失常的患者，給予靜脈給藥后對比治療前后的左室舒張末內徑、舒張末室間隔厚度及LVEF等，發現紫杉醇可以降低缺血性室性期前收縮癥狀，且與劑量密切相關，對缺血性心肌具有保護作用。在大鼠缺血處理后給予紫杉醇穩定微管，發現缺血性室性心律失常的發生顯著降低,且呈劑量依賴性，能降低室性心動過速的發生。同時一定劑量的紫杉醇可以明顯降低心肌缺血再灌注時心肌梗死面積，由此推斷穩定微管可以減少缺血再灌注心肌損傷[20-21]。

四、展　望

微管是維持細胞生理功能必要的成分。在心肌缺血或缺血再灌注時，微管結構在熒光染色下出現斷裂、破壞，同時推測心肌缺血時所造成的心肌損傷可能與微管有關。心肌缺血時，細胞內Ca2+蓄積導致鈣超載和氧自由基生成，可能會破壞微管網的結構，同時使得線粒體通透性轉換孔得以開放，造成線粒體呼吸調節功能受損和能量供應下降，進而抑制糖酵解功能，最終使細胞凋亡信號分子被激活，心肌細胞出現了凋亡和壞死。關于心肌損傷的機制目前研究很多，人們迫切地探索出心肌損傷與微管相關的機制，目前人類開始從心肌細胞實施缺氧預處理來觀察微管的變化，力圖通過改變微管結構來衡量心功能，以提高心肌保護作用。未來可能會通過改變微管穩定性來促進心肌保護，但是要嚴格掌握微管穩定劑的劑量和時間，這也讓心肌保護作用看到曙光。關于心肌細胞的微管還有很多研究的價值，值得我們去探索。

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(本文編輯：楊江瑜)

Effects of stable microtubules on cardiac muscle cells

Zheng Min，Zheng Hong.

The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University，Urumqi 830054，China

Microtubule of myocardial cells are the main component of the cellular skeleton structure, which plays a significant role in maintaining the normal structure and regulating the physiological function of cardiac myocytes. However, myocardial ischemia and hypoxia can destroy the microtubule structure, which can result in myocardial injury. It has been confirmed that myocardial ischemia and hypoxia injury can be alleviated by microtubule stabilizing, which might promote myocardial protection. Our paper reviewed the microtubules structure，function and the relationship between the microtubules stability and the cardioadic diseases, providing some theoretical basis for the related study of myocardiocytes protection.

Microtubule; Myocardial ischemia and hypoxia; Stability

10.3969/j.issn.0253-9802.2016.08.002

830054 烏魯木齊，新疆醫科大學第一附屬醫院

2016-04-06)