慢性間歇性低壓低氧對缺血后心臟的保護作用

許家寶，李惠霖，強玉婷，王 雪，朱文赫

(吉林醫藥學院，吉林 吉林 132013)

心血管疾病是全球死亡率、發病率和醫療費用高的重要原因[1]。研究表明，長時間工作可能導致缺血性心臟病(IHD)的發生[2]，增加心肌梗塞的發生率[3]。然而迄今為止，在預防和治療IHD方面取得的成就有限[4]，IHD仍是導致患者發病和死亡的主要原因之一。慢性間歇性低壓低氧(chronic intermittent hypobaric hypoxia，CIHH)，類似缺血預處理和長期慢性缺氧，可以保護心臟在缺血再灌注(I/R)時的損傷。這種心臟保護的持續時間要比缺血預處理更長，而且比長期的慢性缺氧的副作用更小。

1 CIHH對心臟功能和結構的保護

研究表明，CIHH對在I/R后的心臟有保護作用。Guan[5]等在對實驗組(CIHH)大鼠進行模擬海拔5 km的低壓低氧處理，每日6 h，持續14、28、42 d之后，與常氧對照組相比，沒有出現左心室的肥大。在基礎條件下，CIHH大鼠的冠脈流量(CF)明顯高于對照組(大鼠，但對照組(和CIHH大鼠的左室發展壓(LVDP)，左室發展壓最大變化速率(±LVdp/dtmax)和左室舒張末壓(LVEDP)所指示的基礎左心室功能沒有差異。但是在I/R期間LVDP和±LVdp/dtmax降低，而LVEDP升高，表明I/R損害了左心室功能[67]。再灌注時，各組CF均顯著降低，但CIHH組再灌注時CF改善幅度和心功能恢復大于對照組，CIHH組大鼠的心肌梗死面積也少于對照組。Xu[7]等通過對大鼠左冠狀動脈前降支進行結扎，發現與對照組相比，CIHH組心肌的梗死面積更小且纖維化更少，同時在CIHH治療后毛細血管密度顯著增加，說明CIHH治療的大鼠可能通過增加CF改善梗死后心肌的重塑和左室的重構。對于重度慢性冠心病患者，CIHH也可以改善他們的心肌灌注[8]。最近一項研究表明，CIHH可以通過減弱由輻射引起的血管周圍和間質區心臟纖維化，從而改善了輻射對心臟功能的損害[9]。

2 CIHH的心臟保護機制

2.1 抗心律失常

在心肌I/R早期，細胞內游離Ca2+濃度([Ca2+]i)急劇增加，隨后心臟內鈣超載加劇了心肌細胞的損傷。[Ca2+]i異常也會導致嚴重的心律不齊和心室纖顫。因此，維持相對穩定的[Ca2+]i對于心肌細胞的生理活性和心臟功能具有重要意義[10]。

Zhou[11]等對大鼠采取果糖喂養誘導代謝綜合征的方法，在基礎條件下，與空白對照組相比較，食用果糖的大鼠APD明顯縮短，而CIHH組則明顯延長。在缺血的條件下，與空白對照組和果糖喂養大鼠相比較，CIHH-果糖喂養組大鼠的AP波幅、0期APD的最大升高率和靜息電位均降低，而且果糖喂養大鼠的心律失常評分在缺血后顯著高于其他處理組，說明CIHH治療可以降低果糖喂養代謝綜合征大鼠的心律失常發生。

此外，多種通道參與了CIHH抗心律失常的保護。研究表明[4]，在常壓常氧對照組的離體心肌細胞中，[Ca2+]i在模擬缺血時升高，再灌注時下降，但仍高于基礎水平。相比之下，在CIHH治療大鼠的離體心肌細胞中，在模擬I/R過程中[Ca2+]i始終維持在基線水平，說明沒有出現鈣的超載。而使用ATP K通道拮抗劑格列苯脲可以消除CIHH的保護作用，與使用格列苯脲效果相同的是，使用相對選擇性的線粒體ATP K通道拮抗劑5-HD也可以消除CIHH對細胞的保護作用。而線粒體ATP K通道的開啟劑氯甲苯噻嗪(diazoxide)對常壓常氧對照組大鼠同樣產生了心臟保護作用，但是diazoxide對CIHH組大鼠I/R后的心功能恢復沒有影響。Zhu[15]等發現CIHH治療改善了心肌細胞長度的恢復以及加速了再灌注過程中細胞溶質鈣離子濃度([Ca2+]c)的快速下降，線粒體通透性過渡孔(MPTP)的開啟劑蒼術苷可以消除這些作用，但不會對對照組的大鼠心肌細胞造成影響。他們對心肌細胞的線粒體進行分離后發現，CIHH治療可以增加MPTP對Ca2+的耐受，再灌注的前幾分鐘內抑制MPTP開放可加速[Ca2+]c的下降，并減弱了[Ca2+]c和線粒體游離鈣離子濃度([Ca2+]m)的超負荷。CIHH抑制MPTP的開放降低了缺血后線粒體的損傷和細胞色素c的釋放。

由于肌漿網(SR)和Na+/Ca2+交換器(NCX)在I/R期間的功能下降，導致了其對[Ca2+]i的調節下降。研究表明[13]，CIHH可以顯著限制I/R引起的SR Ca2+釋放通道(RyRs)以及降低了SR Ca2+泵ATPase(SERCA2)蛋白質含量和活性，從而減少SR內Ca2+的釋放。同樣，CIHH減輕了I/R誘導對NCX的抑制以及恢復了在I/R期間NCX對離子的逆向轉運。這些有助于心肌細胞通過NCX向細胞外排出胞漿中的Ca2+，以及通過RyRs和SERCA2使胞漿內Ca2+進入肌漿網來減輕缺血過程中的Ca2+超負荷。Ma[14]等在對發育大鼠的CIHH研究中表明，在I/R期間心肌細胞中Na+-Ca2+交換電流(INa/Ca)降低并且INa/Ca的逆轉電位向負電位轉移，CIHH可以改善這一點并且維持NCX1的活性。L型Ca2+通道激動劑Bay K8644或肌漿網Ca2+通道受體激活劑ryanodine可以減弱CIHH對心臟的保護作用。在對照組中使用Bay K8644或ryanodine不影響基礎心功能，但是在I/R后可以造成更嚴重的心功能損害和細胞內Ca2+濃度的上升。此外，CIHH的治療可以顯著阻止I/R期間L型鈣電流峰值的下降，降低因為L型Ca2+通道活性下降而導致的SR釋放Ca2+減少，從而減少心肌收縮力的下降[15]。Guo[16]等的實驗表明CIHH可以通過增加Na/K泵活性從而降低由于I/R期間堆積在細胞內的[Na+]i，減少高[Na+]i對細胞的損傷。同時，降低[Na+]i可以抑制NCX的逆向轉運，減少[Ca2+]i對細胞的損傷。Li[17]等發現缺血性室顫與線粒體轉運蛋白(TSPO)活性改變呈正相關。在基礎條件下，CIHH會上調TSPO活性，但在心肌缺血期間它會保持在與基礎條件下相似的水平。CIHH對TSPO活性的作用有助于缺血期間RyR和SERCA2功能的維持，而用TSPO激動劑FGIN-1-FGIN-27則不能逆轉這個過程。

2.2 抗細胞凋亡

細胞凋亡是I/R損傷的主要原因之一，而CIHH可以降低細胞凋亡的影響。Xu[7]等通過對大鼠進行永久性的冠脈結扎后，對左心室內梗死或不梗死區域進行TUNEL染色，發現經CIHH處理的大鼠的tunel陽性凋亡的心肌細胞少于對照組。除此之外，CIHH抑制了I/R后內質網應激相關因子(包括GRP78，CHOP和caspase-12)的過度表達，其中下調CHOP和caspase12的表達可能是CIHH抗凋亡的原因[18]。

2.3 心臟自主神經功能的改善

在生理和病理情況下，交感神經系統都通過β-腎上腺素受體參與心臟功能的調節，然而，在急性缺氧等其他能對心臟功能造成不利影響的條件下，交感神經的過度活躍可能導致更加嚴重的損害。Guan[10]等的研究發現CIHH可以降低β-腎上腺素受體密度和親和力，同時與β-腎上腺素受體偶聯的Gs蛋白α-亞基(Gsα)含量也減少。Wang[19]等研究表明CIHH通過增加大鼠心肌α1腎上腺素能受體活性，對抗I/R后心肌的損傷，CIHH可以增加大鼠心肌乳頭肌對苯腎上腺素的反應性，α1受體阻斷劑哌唑嗪可抵消CIHH對I/R的保護作用。在Gao[20]等的研究中發現，CIHH能增加大鼠心臟缺血后α1B腎上腺素能受體的密度和活性,通過該受體激活PKCε來抑制MMP-2的激活從而發揮心臟保護作用。

2.4 能量代謝

心臟的正常結構和功能取決于能量代謝的穩定，能量代謝紊亂會損害心臟功能。Gu[10]等通過對心肌細胞使用PGC-1α siRNA腺病毒處理，發現PGC-1α基因敲除消除了CIHH的保護作用，顯著抑制了CIHH心肌細胞中葡萄糖轉運蛋白4的表達，增加心肌細胞中肉堿棕櫚酰轉移酶-1b蛋白的表達，說明CIHH通過調節PGC-1α來優化心肌內葡萄糖和脂質的代謝。此外，CIHH治療可以增加心肌細胞中AMPK蛋白(尤其是p-AMPK蛋白)的表達，而AMPK抑制劑dorsomorphin預處理能顯著抑制PGC-1α蛋白的表達，說明AMPK參與CIHH通過調節PGC-1α來優化心肌的能量代謝的過程。CIHH的治療可顯著改善I/R損傷后線粒體ATP合酶的活性，而不會影響基線水平，ATP合酶抑制劑寡霉素可以消除CIHH對心臟的保護作用[21]。除此之外，CIHH下調了I/R后兩個負責脂肪酸代謝的關鍵蛋白(CPTII和ACAA2)，上調了一種糖酵解酶(ALDOA)，表明CIHH可能在I/R期間將心肌能量代謝的方向從脂肪酸代謝轉化為葡萄糖代謝而產生心臟保護作用。

2.5 氧化應激

基礎條件下，CIHH心肌細胞中總超氧化物歧化酶(SOD)、SOD-2和過氧化氫酶(CAT)的活性高于對照組；但是，SOD-1、GPX活性和MDA含量沒有明顯變化。I/R后，對照組和CIHH組心肌細胞的總SOD、SOD-1、SOD-2和CAT活性降低，MDA含量顯著增加，但CIHH組總SOD、SOD-2和CAT活性高于CON組。說明CIHH通過提高SOD和CAT的活性增加心肌的抗氧化能力[22]。同樣的，在果糖喂養誘導的代謝綜合征大鼠中可以發現，與果糖喂養組大鼠相比較，CIHH增加了SOD亞型中Cu/Zn-SOD、Mn-SOD的蛋白表達水平[23]。

綜上所述，CIHH治療可以保護心臟免受I/R后的損傷，持續時間較長且無明顯的副作用，同時對心肌梗死、代謝紊亂等導致的心功能下降也能產生明顯的保護作用。但其具體機制還需要進一步的研究。