洪 茜， 鄒云增

復(fù)旦大學(xué)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(hào)死因，造成嚴(yán)重的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。研究心血管病的發(fā)病機(jī)制并據(jù)此進(jìn)行針對(duì)性的防治顯得尤為重要。生理狀態(tài)下，機(jī)械應(yīng)力在維持心臟正常的結(jié)構(gòu)和功能中起到重要作用，但是在病理狀態(tài)中出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷卻是引起心肌重構(gòu)及心力衰竭的主要病因[1-2]。心臟在機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷的刺激下，早期產(chǎn)生適應(yīng)性心肌重構(gòu)，以應(yīng)對(duì)增加的室壁應(yīng)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(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷持續(xù)存在，心臟將逐漸進(jìn)入失代償期，心肌重構(gòu)加劇，最終演變成心力衰竭。

1 機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷分類

機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷分為壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷[1,3]。壓力超負(fù)荷常見于高血壓和主動(dòng)脈縮窄，容量超負(fù)荷常見于主動(dòng)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(kuò)張性心肌病和機(jī)體過(guò)度運(yùn)動(dòng)中，也伴隨著容量超負(fù)荷的現(xiàn)象。雖然兩類超負(fù)荷均可引起心臟肥大，但壓力超負(fù)荷時(shí)，心臟后負(fù)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(wú)明顯變化，肌節(jié)橫向增寬；而容量超負(fù)荷時(shí)，心臟前負(fù)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(zhǎng)[3]。

2 容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭的原因

容量超負(fù)荷是心衰進(jìn)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(fù)荷即已存在。容量超負(fù)荷可導(dǎo)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(dǎo)致二尖瓣關(guān)閉不全，還可形成心內(nèi)膜下心肌缺血，導(dǎo)致心肌壞死(或凋亡)和神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的激活，對(duì)心衰進(jìn)程產(chǎn)生不良影響。此外，升高的靜脈壓可通過(guò)降低腎臟灌注梯度而導(dǎo)致心腎綜合征，使病情進(jìn)一步發(fā)展和復(fù)雜。容量超負(fù)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(duì)于兩類機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷所致心肌重構(gòu)的療效存在顯著差異[4]。近期在轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中報(bào)道，鈣通道拮抗劑能抑制壓力超負(fù)荷引起的心臟肥大，改善心功能[5]，但未改善容量超負(fù)荷引起的心肌重構(gòu)[6]。這些證據(jù)說(shuō)明，對(duì)于兩類機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷引發(fā)的心肌重構(gòu)，診療方案的選擇應(yīng)該不同。鈣通道拮抗劑對(duì)兩類心肌重構(gòu)療效的差異，可能與其對(duì)關(guān)鍵的鈣信號(hào)相關(guān)通路的調(diào)控差異有關(guān)。然而，其療效差異的機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明。

3 容量超負(fù)荷引發(fā)心臟重構(gòu)的模型選擇

目前，相比于對(duì)壓力超負(fù)荷大量的研究，人們對(duì)容量超負(fù)荷的研究深度和廣度卻明顯受限。壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭通常采用主動(dòng)脈縮窄誘導(dǎo)壓力超負(fù)荷致心力衰竭模型。然而容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭的模型卻并不廣為人所知。對(duì)于人類而言，容量超負(fù)荷引發(fā)左心心功能不全的病理、生理機(jī)制存在倫理問(wèn)題，以及從最初容量超負(fù)荷到最后引發(fā)左心功能不全需時(shí)過(guò)長(zhǎng)，所以利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了容量超負(fù)荷模型模擬人類疾病，進(jìn)而了解其潛在的誘導(dǎo)心力衰竭的病理、生理機(jī)制。容量超負(fù)荷動(dòng)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(gòu)建低壓力型容量超負(fù)荷模型 這類模型的優(yōu)點(diǎn)為：(1)操作者易控制二尖瓣反流量和反流程度；(2)無(wú)需開胸手術(shù)；(3)不影響心包膜；(4)易復(fù)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(yán)重。缺點(diǎn)是會(huì)引發(fā)急性二尖瓣反流，進(jìn)而導(dǎo)致與人類脊索斷裂導(dǎo)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(shù)構(gòu)建二尖瓣反流模型 模型優(yōu)點(diǎn)是能夠通過(guò)直接控制二尖瓣附屬物研究其各部分對(duì)于左室功能的影響；缺點(diǎn)為需要開胸手術(shù)，難度較大[10-15]。

3.1.3 結(jié)扎冠狀動(dòng)脈回旋支和后降支構(gòu)建羊缺血性二尖瓣反流模型 模型優(yōu)點(diǎn)是由于羊有相對(duì)固定的冠狀動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)，易于操作，具有可復(fù)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(fù)荷模型分型

3.2.1 小鼠、大鼠和兔的主動(dòng)脈反流模型 模型優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需開胸手術(shù)，易于復(fù)制，能夠誘導(dǎo)心力衰竭。缺點(diǎn)是只適用于小型哺乳類動(dòng)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(dòng)脈腔靜脈瘺模型 模型優(yōu)點(diǎn)是該模型適用于所有動(dòng)物，具有高度可復(fù)制性；缺點(diǎn)是這類疾病在人類身上發(fā)生率很低[23-26]。

4 容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭

4.1 容量超負(fù)荷與左室細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu) 細(xì)胞外基質(zhì)是一個(gè)高度可適應(yīng)性的結(jié)構(gòu)，廣泛受到機(jī)械壓力、激活的神經(jīng)激素、炎癥和氧化應(yīng)激的調(diào)控。容量超負(fù)荷導(dǎo)致的心肌重構(gòu)表現(xiàn)為促進(jìn)室壁增厚與心室腔擴(kuò)大，而壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)心肌重構(gòu)表現(xiàn)為過(guò)量的基質(zhì)沉積。細(xì)胞外基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的組成和更新受到心肌纖維化細(xì)胞、心肌細(xì)胞、肥大細(xì)胞及彌漫的炎癥細(xì)胞所控制。心肌纖維化細(xì)胞通過(guò)分泌纖維化膠原物質(zhì)、層粘連蛋白及纖維連接蛋白，構(gòu)成了一張巨大的網(wǎng)絡(luò)，維持心肌的結(jié)構(gòu)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(xì)胞、心肌細(xì)胞、肥大細(xì)胞及彌漫的炎癥細(xì)胞通過(guò)分泌蛋白來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)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(fù)荷導(dǎo)致的心室重構(gòu)和功能異常的進(jìn)展分期 有研究[28]采用嚙齒類動(dòng)物主動(dòng)脈腔靜脈瘺模型誘導(dǎo)容量超負(fù)荷模型發(fā)現(xiàn)，其心室重構(gòu)和心功能異常的進(jìn)展可以分為3個(gè)階段：急性壓力期(12 h～7 d)，代償性重構(gòu)期(3～10周)及失代償性心力衰竭(>15周)。

4.3 容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭促進(jìn)動(dòng)態(tài)的細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)節(jié) Murry等[29]報(bào)道，容量超負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致早期膠原濃度的下降，發(fā)現(xiàn)在主動(dòng)脈腔靜脈瘺模型誘導(dǎo)容量超負(fù)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(xiàng)研究結(jié)果與Ryan等[30]早期觀察結(jié)果一致，總膠原纖維會(huì)在第2天有50%的下降，而到第5天又恢復(fù)正常。容量超負(fù)荷不僅影響膠原纖維網(wǎng)絡(luò)更新的改變，也會(huì)影響膠原物質(zhì)的分布改變，進(jìn)而影響心肌的舒張功能及順應(yīng)性的改變。在心力衰竭代償期，膠原Ⅲ型向膠原Ⅰ型轉(zhuǎn)變加快，層粘連蛋白和彈力蛋白的表達(dá)也相應(yīng)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(gè)月時(shí)，選用犬類左室心肌組織進(jìn)行基因芯片分析，發(fā)現(xiàn)容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭模型會(huì)促進(jìn)新的基質(zhì)物質(zhì)的表達(dá)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(dá)下降的改變與容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)尚需進(jìn)一步研究。

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

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

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

4.7 氧化應(yīng)激和容量超負(fù)荷誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu) 活性氧自由基可以誘導(dǎo)心功能障礙，包括收縮功能下降、心肌肥厚、細(xì)胞外基質(zhì)的更新和細(xì)胞凋亡。有報(bào)道[44]顯示，活性氧自由基與容量超負(fù)荷誘導(dǎo)心力衰竭相關(guān)?；钚匝踝杂苫梢酝ㄟ^(guò)改變硫化鋅的表達(dá)或者直接的相互作用調(diào)節(jié)MMP的表達(dá)[45]。相反，ONOO-誘導(dǎo)的TIMP4的硝化作用能夠改善內(nèi)皮細(xì)胞MMP2活性的抑制作用[46]。活性氧自由基同時(shí)也可刺激MMP的分泌[47]及抑制心肌纖維化細(xì)胞中的膠原產(chǎn)生[48]。

5 容量超負(fù)荷和壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)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(fù)荷所致常見的心臟肥大相關(guān)因子(如ERK1/2)表達(dá)、心肌纖維化、心肌炎癥反應(yīng)及凋亡程度均普遍高于容量超負(fù)荷，患者術(shù)后生存率亦明顯降低。在壓力超負(fù)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(fù)荷心臟這些變化均不明顯[50]。這些證據(jù)提示，壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷所致的心肌重構(gòu)很可能由不同的信號(hào)通路引發(fā)，在壓力超負(fù)荷心臟重構(gòu)中獲得的經(jīng)驗(yàn)并不能簡(jiǎn)單用于容量超負(fù)荷心臟重構(gòu)。

本研究近期構(gòu)建并優(yōu)化了一種新型小鼠心臟容量超負(fù)荷手術(shù)模型，通過(guò)在高頻超聲引導(dǎo)下破壞主動(dòng)脈瓣導(dǎo)致主動(dòng)脈瓣反流并控制反流程度，較好地模擬了臨床容量超負(fù)荷病變。本研究使用這一新型容量超負(fù)荷小鼠模型，與已有的壓力超負(fù)荷(主動(dòng)脈縮窄)小鼠模型在心臟結(jié)構(gòu)、功能、基因組、蛋白質(zhì)譜水平上和藥物干預(yù)上進(jìn)行比較，研究絲裂原活化蛋白激酶家族(ERK1/2，p38，JNK)、鈣相關(guān)信號(hào)[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(ài)性信號(hào)(β-arrestin-2)的活性或表達(dá)水平的差異。本課題組發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后2周，壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷心臟射血分?jǐn)?shù)較假手術(shù)組心臟沒(méi)有明顯差異，提示均處于代償期。兩類超負(fù)荷心臟的心臟/體質(zhì)量比均明顯增加，但是壓力超負(fù)荷心臟的室壁厚度明顯大于容量超負(fù)荷心臟，壓力超負(fù)荷心腔內(nèi)徑明顯小于容量超負(fù)荷心腔內(nèi)徑；壓力超負(fù)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(fù)荷心臟的血管周圍纖維化不明顯，與假手術(shù)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(fù)荷心肌中磷酸化水平或表達(dá)水平明顯升高，但在容量超負(fù)荷心肌中不明顯；Akt的磷酸化水平在壓力超負(fù)荷組也明顯升高，但在容量超負(fù)荷組中甚至低于假手術(shù)組；CaMKⅡ在壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷心肌中磷酸化水平均升高。

壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷分別作用于心動(dòng)周期的收縮期和舒張期。鈣離子作為第二信使，在心肌細(xì)胞的興奮-收縮耦聯(lián)過(guò)程中起關(guān)鍵作用。越來(lái)越多的研究[51]表明，鈣離子參與病理?xiàng)l件下心肌重構(gòu)及心力衰竭的發(fā)生、發(fā)展過(guò)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(gè)催化亞基和1個(gè)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(dá)較高[52]。當(dāng)心肌細(xì)胞受到壓力超負(fù)荷刺激時(shí)，血管緊張素Ⅱ、異丙腎上腺素等生化因子隨之表達(dá)升高。心肌細(xì)胞膜上的相關(guān)受體、整合素和離子通道接收機(jī)械和化學(xué)負(fù)荷信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為特定的化學(xué)信號(hào)，促進(jìn)細(xì)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(jié)合后激活CaN，進(jìn)而使活化T細(xì)胞核因子(NFAT)去磷酸化轉(zhuǎn)位入核，通過(guò)與核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子如鋅指轉(zhuǎn)錄因子4(GATA4)、肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2 (MEF2)等作用，上調(diào)多種心肌肥大相關(guān)基因特異性表達(dá)，最終引起心肌細(xì)胞蛋白合成增加、心肌細(xì)胞肥大、心肌纖維化加重，導(dǎo)致病理性心肌重構(gòu)[53]。本課題組研究[53-54]顯示，抑制CaN活性可預(yù)防或減輕壓力超負(fù)荷心肌細(xì)胞肥大，緩解心肌纖維化，改善心功能，而過(guò)表達(dá)CaN可加劇心肌重構(gòu)。結(jié)果提示，CaN的調(diào)控在機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷所致心肌重構(gòu)中發(fā)揮重要作用，并且可能介導(dǎo)壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷所致心肌重構(gòu)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(hào)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(xì)胞存活、心肌正常生長(zhǎng)/病理性肥大等過(guò)程[54]。Akt信號(hào)失控會(huì)導(dǎo)致心臟重構(gòu)甚至最終引起失代償。通過(guò)抑制蛋白磷酸酶PHLPP1(Akt的特異性抑制劑)進(jìn)而激活A(yù)kt信號(hào)會(huì)促進(jìn)游泳所致的心臟生理性肥大，但會(huì)減輕壓力超負(fù)荷引起的病理性肥大[55]。本課題組觀察到在容量超負(fù)荷后1周，心肌Akt磷酸化程度并不減輕，但在術(shù)后2～8周均降低，而在術(shù)后2周，心功能尚能維持，提示Akt信號(hào)可能在容量超負(fù)荷心臟從代償期到心功能不全的過(guò)程中起了作用。

6 小 結(jié)

綜上所述，壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)荷分別作用于心動(dòng)周期的不同時(shí)段，引起向心性和離心性心臟肥大。但是，由于均為機(jī)械應(yīng)力超負(fù)荷誘發(fā)，壓力超負(fù)荷和容量超負(fù)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(gòu)，而是呈現(xiàn)相互交叉的特點(diǎn)，且在病變的不同階段呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。本文揭示了一些肥大相關(guān)信號(hào)在兩類超負(fù)荷心臟重構(gòu)中的差異，并初步提出了CaN和Akt信號(hào)通路可能分別是針對(duì)兩類超負(fù)荷精準(zhǔn)化治療的靶點(diǎn)。其上下游調(diào)控因子在兩類超負(fù)荷心臟重構(gòu)中的調(diào)控差異，尚需進(jìn)行深入研究。