金鵬 綜述 楊永曜 審校

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院，貴州 貴陽(yáng) 550004；2.貴州省人民醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 貴陽(yáng) 550002)

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·綜 述·

PPARα/PGC-1α軸在阿霉素心肌病能量代謝中的作用

金鵬1綜述 楊永曜2△審校

(1. 貴州醫(yī)科大學(xué)附屬人民醫(yī)院，貴州 貴陽(yáng) 550004；2.貴州省人民醫(yī)院心內(nèi)科，貴州 貴陽(yáng) 550002)

PPARα； PGC-1α； 阿霉素； 心肌??； 能量代謝

心力衰竭是由于各種原因?qū)е滦募p害引起心室收縮或舒張功能受損而發(fā)生泵血功能障礙。在心衰的治療主要以藥物改善血流動(dòng)力學(xué)為主，隨著醫(yī)學(xué)研究的不斷發(fā)展，以抑制神經(jīng)體液因子為主的治療在90年代不斷興起，使β受體阻滯劑、腎素-血管緊張素系統(tǒng)抑制成為治療、改善心衰預(yù)后的主要措施，而在21世紀(jì)，心肌能量代謝治療正逐漸被研究人員關(guān)注，有望成為心衰治療的另一理想靶點(diǎn)。本文從阿霉素(DOX)及過(guò)氧化物酶體增殖物活化受體α(PPARα)/過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子1α(PGC-1α)軸在心肌細(xì)胞中的作用機(jī)制兩方面闡述兩者在心力衰竭中的對(duì)抗性作用。

1 PPARα/PGC-1α軸在心肌代謝中的作用

1.1 PPARα代謝 PPARα在成人心肌實(shí)質(zhì)細(xì)胞的強(qiáng)烈表達(dá)起到了調(diào)節(jié)心肌代謝的重要作用，激活后可誘導(dǎo)基因編碼的脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白合成，從而促進(jìn)脂肪酸進(jìn)入細(xì)胞，增加脂類氧化代謝，并減少糖酵解。在甘油三脂肪酶基因敲除的小鼠中，PPAR激動(dòng)劑能明顯提高線粒體功能并且修復(fù)甘油三脂肪酶基因敲除所帶來(lái)的心肌損害，防止心肌壞死增加脂肪酸的利用[1]。成年人的心肌細(xì)胞主要依賴脂肪酸的能量供應(yīng)，其氧化、轉(zhuǎn)運(yùn)均需要基本的刺激條件調(diào)節(jié)，過(guò)度的PGC-1表達(dá)可增加脂肪酸的氧化[2]。PPAR家族在此過(guò)程中其著極其重要的作用，脂肪酸及其代謝產(chǎn)物都是PPARs的低中度親和配體，這可能是細(xì)胞內(nèi)基因調(diào)控的脂質(zhì)環(huán)境的傳輸信息。目前PPAR的研究在心臟組織比其他組織已經(jīng)很全面，尤其是在脂肪酸消耗很多的器官，如心臟、棕色脂肪、腎臟及肝臟，還有在心肌中與PGC-1一起，誘導(dǎo)脂肪酸代謝的一系列關(guān)鍵性基因。在小鼠中PPAR的缺失導(dǎo)致脂肪酸氧化的減少及脂肪酸氧化基因表達(dá)的減少。PPAR表達(dá)減少ANF、BNP、ET-1、血管緊張素Ⅱ等促使心室肥厚、心腔擴(kuò)大因子的表達(dá)，阻斷心室重塑，增加心臟射血分?jǐn)?shù)，改善心臟功能，減少死亡率[3]。脂聯(lián)素通過(guò)增加PPARα及PGC-1α表達(dá)可減弱鐵超載所致心力衰竭[4]。

1.2 PGC-1α作用機(jī)制 PGC輔助激活因子是一種與核受體或其他轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合的蛋白質(zhì)，可以增加轉(zhuǎn)錄活性。大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子均需要輔助激活因子，特別是核受體PPAR。并且和核轉(zhuǎn)錄中介復(fù)合物及CREB 結(jié)合蛋白(CBP/ p300)及類固醇受體輔激活因子1 (SCR-1)直接關(guān)聯(lián)。4步呼吸鏈中及ATP酶復(fù)合物中超過(guò)70%的亞單位都需要PGC誘導(dǎo)。所有脂肪酸氧化的關(guān)鍵酶和與細(xì)胞內(nèi)甘油轉(zhuǎn)運(yùn)的酶類[5]。在體內(nèi)細(xì)胞的過(guò)多表達(dá)導(dǎo)致氧耗的增加及脂肪酸氧化的增多，葡萄糖的氧化受到抑制。PGC-1的共同活化作用產(chǎn)生了顯著的代謝相關(guān)關(guān)鍵調(diào)控因子的轉(zhuǎn)錄，是一個(gè)使得心肌細(xì)胞能量代謝顯著增加及ATP產(chǎn)生增多的完整過(guò)程。持續(xù)不斷的表達(dá)使得線粒體的不斷改變，最重要的一點(diǎn)是線粒體基質(zhì)的纖維化。線粒體合成及呼吸鏈亞基的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)現(xiàn)在研究已經(jīng)很徹底了，而他們關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因子主要是核呼吸因子及雌激素相關(guān)受體家族，而PGC-1調(diào)節(jié)線粒體的合成就是與這些因子的共同激活有著必然聯(lián)系[6]。基因工程小鼠模型已經(jīng)被用來(lái)調(diào)查PGC-1α在心肌新陳代謝的調(diào)控中的作用，小鼠心肌中不斷過(guò)度的表達(dá)PGC-1α出現(xiàn)了線粒體的激增、心肌病、早期致死的心衰。這種模型明顯的揭示了在PGC-1α出生階段的過(guò)度表達(dá)使得線粒體激增，此時(shí)并沒(méi)有明顯的心功能障礙。有趣的是，小鼠所得的心肌病在PGC-1α停止過(guò)度表達(dá)后可以完全逆轉(zhuǎn)，這種獲得性功能明確的指出PGC-1α在心肌多方面代謝的過(guò)程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，并且是一種極強(qiáng)的刺激線粒體增殖的物質(zhì)[2]。在肥厚性心肌病中，心肌對(duì)脂肪酸氧化能力的減弱及對(duì)葡萄糖無(wú)氧酵解的增強(qiáng)的轉(zhuǎn)變?cè)谀壳翱磥?lái)是由于編碼脂肪酸氧化的酶系、氧化磷酸化的酶系及PPARα/PGC-1α基因下調(diào)所致。在心力衰竭時(shí)出現(xiàn)協(xié)調(diào)性的線粒體通路的下調(diào),而PGC在嚙齒類動(dòng)物肥厚性心臟病中表達(dá)降低，說(shuō)明PGC-1的減少是獲得性心臟病一種共同的信號(hào)。在心臟擴(kuò)大的小鼠中發(fā)現(xiàn)PGC-1α的活性減低，雖未明顯的表現(xiàn)出心衰的癥狀，但是胚胎學(xué)的檢測(cè)已經(jīng)出現(xiàn)心力衰竭標(biāo)志物如：ANP、BNP、β-MHC，表明目前已存在心功能減低，核磁共振研究揭示了ATP濃度顯著的減少[2]，說(shuō)明了心臟已經(jīng)不能為相應(yīng)的電刺激增加而提供相應(yīng)的收縮做功。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，異常的密集的線粒體嵴和中性脂肪在胞質(zhì)內(nèi)的堆積，說(shuō)明了消耗的脂肪酸與攝入的不正比例[2]。肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1(CPT-1A)基因的表達(dá)受到PGC-1α的調(diào)控，而CPT-1A是長(zhǎng)鏈脂肪酸通過(guò)線粒體膜β氧化的限速酶。有研究指出PGC-1α能獨(dú)立夠刺激CAP-1A基因而不依賴PPARα[7]。其表達(dá)的減少將會(huì)影響心肌脂肪酸的氧化。PGC-1α在內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)具直接調(diào)控產(chǎn)生抗氧化物質(zhì)SOD-2、Trx-2、Prx-3,等對(duì)抗線粒體增殖所產(chǎn)生的氧化物質(zhì)，使心肌免于氧化損傷。在近幾年的研究中[8]發(fā)現(xiàn)，PGC-1α在骨骼肌中的表達(dá)可以調(diào)節(jié)血管的生成。PGC-1α在細(xì)胞中會(huì)被缺氧的環(huán)境所誘導(dǎo)、激活，慣序的產(chǎn)生大量血管生成因子如：血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子。在手術(shù)后下肢缺血的模型中，骨骼肌中過(guò)度的PGC-1α表達(dá)使得血管激增，加速血流的恢復(fù)。這一點(diǎn)說(shuō)明了其具有形成新生血管的能力。PGC-1α在嚙齒類動(dòng)物及人類會(huì)被運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的誘導(dǎo)表達(dá)[9]。在鼠類缺乏PGC-1α血管網(wǎng)不能被運(yùn)動(dòng)的刺激而延生，說(shuō)明了PGC-1α誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的血管生成[10]。而血管網(wǎng)的稀疏被認(rèn)為是心衰發(fā)生的機(jī)制之一。PGC-1α在甲狀腺心肌病重具也有重要的保護(hù)作用[11]。

2 阿霉素心肌能量的代謝

阿霉素為常用化療藥物之一，其抗腫瘤主要作用使DNA解鏈，干擾細(xì)胞內(nèi)復(fù)制過(guò)程，產(chǎn)生半醌及無(wú)氧自由基，與氧結(jié)合后產(chǎn)生超氧陰離子導(dǎo)致心力衰竭。其也是常用的一種制造心力衰竭動(dòng)物模型的手段。

2.1 阿霉素心臟毒性導(dǎo)致細(xì)胞凋亡 據(jù)目前研究發(fā)現(xiàn)阿霉素在幼年心肌細(xì)胞的毒性作用是致心肌肥厚，而在成年人心肌則為擴(kuò)張型心力衰竭。其在細(xì)胞與分子水平的機(jī)制在近年的研究中主要是阿霉素對(duì)心臟的毒性作用是表現(xiàn)在心肌超微結(jié)構(gòu)的改變上，也就是胞質(zhì)空泡的形成使得T管肌漿網(wǎng)腫脹，肌纖維的破壞的消失。線粒體的改變包括：線粒體腫脹、線粒體嵴的消失、溶解酶的增加、染色質(zhì)的聚集、核顆粒性固縮及纖維形成，阿霉素作用于心肌成熟細(xì)胞H9c2使線粒體極化、線粒體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分解，同樣伴有細(xì)胞骨架的破壞。氧自由基的生成，線粒體破壞致生物能量供應(yīng)障礙，細(xì)胞凋亡。

2.2 阿霉素氧化應(yīng)激作用 心肌是能量代謝最旺盛的器官之一，其線粒體非常豐富，所以心肌對(duì)阿霉素所引起的損傷較其他器官更為敏感。其抗氧化的能力有較其他器官弱，如肝臟。因?yàn)樾募≈槐磉_(dá)少量硒依賴的過(guò)氧化酶來(lái)對(duì)抗阿霉素所產(chǎn)生的氧自由基，也可減少胞質(zhì)中的銅鋅超氧化物歧化酶。阿霉素能通過(guò)減少一些酶如：還原型輔酶Ⅱ(NADPH)

依賴的P450氧化還原酶、線粒體復(fù)合酶I中的還原型輔酶I(NADH)脫氫酶以及胞質(zhì)中一系列可溶性氧化還原酶。在心肌抗氧化方面，阿霉素可被內(nèi)皮型一氧化碳還原酶所減低，并能增強(qiáng)超氧陰離子形成。內(nèi)皮型一氧化碳還原酶相比細(xì)胞色素P450還原酶及NADH脫氫酶是DOX形成半醌自由基的Km值的10～100倍，而心肌中線粒體占細(xì)胞容積的35%(與其他細(xì)胞相比)，其中主要參與阿霉素氧化還原反應(yīng)的酶是復(fù)合酶I。所以其抗氧化等能力相對(duì)較低。阿霉素也能與鐵等自由過(guò)渡金屬離子作用，形成金屬?gòu)?fù)合物，刺激相應(yīng)產(chǎn)物形成，部分產(chǎn)物能減少氧的形成，氧基增加。阿霉素相關(guān)氧自由基還能夠破壞細(xì)胞壁磷脂，增加細(xì)胞壁通透性、降低膜受體及一些酶的反應(yīng)性。阿霉素對(duì)心磷脂有很強(qiáng)的親和力，特別是對(duì)氧化呼吸酶中的細(xì)胞色素氧化酶及NADH脫氫酶活性所必須的線粒體內(nèi)膜磷脂。與藥物結(jié)合的心磷脂抑制氧化磷酸化反應(yīng)，因其不能作為線粒體呼吸鏈酶的輔助因子。而對(duì)線粒體的作用表現(xiàn)在刺激4階段，減弱階段3的反應(yīng)，并降低線粒體呼吸控制率[12]及線粒體膜電位的降低[13]。

2.3 阿霉素所致線粒體改變 阿霉素還有一個(gè)重要的毒性作用—線粒體中鈣負(fù)荷能力減弱，其原因是應(yīng)為線粒體滲透性改變的增強(qiáng)[14]。鈣流失導(dǎo)致線粒體及細(xì)胞的破壞，是細(xì)胞死亡的征兆[15]。隨著線粒體膜滲透性增加，非選擇性蛋白孔開(kāi)放，低于1.5 KDa的物質(zhì)可隨意通過(guò)該孔[16]。將導(dǎo)致線粒體滲透性腫脹、結(jié)構(gòu)破壞。許多物質(zhì)可以調(diào)控線粒體滲透通道-MPT，如肌酸激酶(CK)，己糖激酶，Bcl-2家族蛋白，末梢型苯并二氮雜受體[17]。線粒體通透性改變將會(huì)啟動(dòng)如細(xì)胞色素C、第二線粒體來(lái)源的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶激活劑SMAC/家族直接結(jié)合蛋白DIABLO等凋亡蛋白的表達(dá)，其原因可能是線粒體膜破裂后溢出或生成增加[18]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中DOX增加線粒體通透性改變的機(jī)制由于線粒體蛋白中基底氧化特殊巰基的大量殘留。mtDNA的氧化損傷也是DOX心肌能量破壞機(jī)制之一，mtDNA的氧化引起呼吸鏈的損傷，導(dǎo)致不能提供心肌大量的能量需求，產(chǎn)生大量電子并傳遞給氧分子，增加活性氧，造成持續(xù)的線粒體功能障礙。故早期的生物能量代謝衰竭主要?dú)w因于基質(zhì)鈣離子的過(guò)載[19]。線粒體的損傷包括重排、缺失、復(fù)制減少等在心肌中都有發(fā)現(xiàn)，但在骨骼肌中卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，該證據(jù)在動(dòng)物模型及DOX治療已故的病人中都是存在的。最近有研究表明，蒽環(huán)類藥物所致的心肌病其主要作用的不是氧化作用，而是在線粒體生發(fā)水平上的影響，導(dǎo)致產(chǎn)能障礙[20]。蒽環(huán)類藥物長(zhǎng)期治療的小鼠中發(fā)現(xiàn)，其心肌中ATP及磷酸肌酸減低明顯，原因?yàn)榫€粒體產(chǎn)ATP的減少以及磷酸肌酸同工酶、腺苷酸活化蛋白激酶損傷。磷酸肌酸同工酶損傷致線粒體與胞液的能量通道及信號(hào)通路受到干擾，阻斷線粒體入口，阻止脂肪酸的β氧化。腺苷酸活化蛋白激酶通路的損傷降低細(xì)胞發(fā)動(dòng)補(bǔ)償能量的能力，從而增加糖攝取及酵解供能[21]。糖酵解酶的表達(dá)與肌纖維膜、肌質(zhì)網(wǎng)膜離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能相關(guān)聯(lián)，包括鈣、鈉交換通道。心肌功能的減退又反射性激活心臟興奮性，增加糖酵解。阿霉素對(duì)心臟的影響在于減少總ATP產(chǎn)量，早期對(duì)線粒體肌酸激酶同工酶及蛋白激酶A的損傷。線粒體肌酸激酶的損傷導(dǎo)致其能量代謝信號(hào)通路、細(xì)胞溶質(zhì)的損害，并且干擾線粒體呼吸作用。蛋白激酶A的損傷阻斷脂肪酸的β氧化，并補(bǔ)償性的增加葡萄糖的氧化供能。在阿霉素治療早期就觀察到葡萄糖氧化及三羧酸循環(huán)相關(guān)基因誘導(dǎo)增加[22]。

3 總結(jié)與展望

阿霉素對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)了多方面的損傷，其中最主要的為心肌線粒體的破壞導(dǎo)致的心肌能量代謝的紊亂，能量供應(yīng)的絕對(duì)不足導(dǎo)致心肌產(chǎn)生一系列病理生理改變，最終導(dǎo)致心力衰竭。而PPARα/PGC-1α軸與其可能有著不可忽視的對(duì)抗性作用：(1)PPARα/PGC-1α軸產(chǎn)生抗氧化物如SOD2 和 Trx2與阿霉素主要產(chǎn)生氧化應(yīng)激作用之間。(2)二者間對(duì)脂肪酸及葡萄糖利用的傾向相反。(3)對(duì)線粒體的生發(fā)學(xué)上，阿霉素所帶來(lái)的氧化應(yīng)激、線粒體膜通透性及膜電位改變、凋亡基因的表達(dá)等致線粒體損傷作用，而PPARα/PGC-1α軸的激活可刺激線粒體的增殖。其對(duì)抗性作用的表達(dá)是我們關(guān)注的重點(diǎn)，阿霉素是常見(jiàn)的致心肌病藥物，其代表性的致心衰作用是實(shí)驗(yàn)中制作心衰模型的常用技術(shù)手段，被普遍用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，其生理、病理機(jī)制代表著心衰發(fā)生的主要過(guò)程。那么從PPARα/PGC-1α軸的激活，在阿霉素所致的心力衰竭是否有著保護(hù)心肌能量代謝，甚至逆轉(zhuǎn)心力衰竭的作用，還需進(jìn)一步探索。

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國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No：81260053)

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