王友華, 陳 偉, 馬 美, 戴高遠(yuǎn), 滑藝杰
(陜西師范大學(xué) 運(yùn)動(dòng)生物學(xué)研究所, 西安 710119)
心傳導(dǎo)系統(tǒng)作為特化的心肌組織,在維持心臟節(jié)律和同步收縮的電信號(hào)啟動(dòng)和傳導(dǎo)過程中起關(guān)鍵作用。心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)由竇房結(jié)(sinoatrial node, SAN),房室結(jié)(atrio-ventricular node, AVN)和浦肯野纖維組成。心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的任何改變都可能影響竇性心律,誘發(fā)心律失常。房室結(jié)作為心傳導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分,是正常心房與心室唯一的電連接結(jié)構(gòu),對(duì)維持心臟正常功能有著十分重要的作用[1, 2]。房室結(jié)主要過濾竇房結(jié)傳向心室的沖動(dòng),可確保心房肌和心室肌依先后順序分開收縮,另外房室結(jié)是次級(jí)起搏點(diǎn),產(chǎn)生和維持心臟有節(jié)律的收縮和舒張。文獻(xiàn)表明,心肌血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide, VIP)、突觸素(synapse, Syn) 等因子在心臟中廣泛分布,并且與心臟發(fā)育、心興奮傳導(dǎo)以及心臟的功能狀態(tài)密切相關(guān),在心律失常的發(fā)生發(fā)展中,VEGF、VIP、Syn起著重要調(diào)控作用。運(yùn)動(dòng)作為一種無創(chuàng)無藥的健康促進(jìn)手段,在降低心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)中的作用已被廣泛證實(shí)[3, 4]。然而,不受限制地增加運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和強(qiáng)度可導(dǎo)致心血管系統(tǒng)的損傷。Chang Y等研究表明,運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致心肌組織結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變化,不適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)或過度訓(xùn)練可導(dǎo)致心肌的運(yùn)動(dòng)性微損傷,誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性心率失常[5]。而房室結(jié)組織是心肌的特化組織,運(yùn)動(dòng)引起心肌結(jié)構(gòu)性損傷會(huì)波及房室結(jié),目前,對(duì)于不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)房室結(jié)組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響相關(guān)報(bào)道較少,但在運(yùn)動(dòng)過程中,運(yùn)動(dòng)性心率失常和運(yùn)動(dòng)猝死時(shí)有發(fā)生。因此,深入研究不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)房室結(jié)組織結(jié)構(gòu)及病理改變的影響是運(yùn)動(dòng)心臟生物學(xué)研究的重要方向之一。積極開展該方面的研究工作,將會(huì)為運(yùn)動(dòng)性心率失常生物學(xué)機(jī)制提供理論依據(jù)。
蘇木素、伊紅、麗春紅-S、酸性品紅、磷鉬酸、苦味酸-天狼猩紅、兔多克隆抗體VEGF、VIP 、Syn (武漢博士德生物工程有限公司)、DAB顯色試劑盒。
日本Olympus BX51光學(xué)顯微鏡 ,德國(guó)LAICA RM2145切片機(jī),瑞典LKB-NOVA型熱脹式超薄切片機(jī),日本JEM2000EX透射電子顯微鏡、德國(guó)Eppendorf微型離心機(jī)。
3月齡雄性SD大鼠隨機(jī)分成3組:安靜對(duì)照組(C),中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組(AE),大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組(FE),每組8只。實(shí)驗(yàn)干預(yù)8周,C組正常飲食,不干預(yù),籠內(nèi)自由生活,AE組和FE組分別進(jìn)行中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)和大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度參照Bedford訓(xùn)練模型標(biāo)準(zhǔn)。AE組:每周訓(xùn)練5 d,速度為20 m/min,起始時(shí)間為20 min,每隔兩天增加5 min,當(dāng)時(shí)間增加至60 min每天后,增加跑臺(tái)坡度5%,直至訓(xùn)練結(jié)束; FE組:每周訓(xùn)練6d,起始速度為20 m/min,時(shí)間為20 min,速度每天增加3 m/min,時(shí)間每天增加5 min,當(dāng)速度達(dá)到35 m/min后,保持速度不變,每天增加時(shí)間,當(dāng)時(shí)間達(dá)到60 min每天后,保持速度和時(shí)間不再變化,增加跑臺(tái)坡度10%,直至訓(xùn)練結(jié)束,次日摘取心臟,6只用10%中性甲醛固定48 h,石蠟包埋后切片進(jìn)行HE染色和Masson染色定位心臟房室結(jié),VG染色和磷鎢酸染色觀察房室結(jié)的顯微結(jié)構(gòu),免疫組化方法檢測(cè)房室結(jié)VEGF、VIP、Syn的定位和表達(dá)。2只大鼠定位到房室結(jié)后,取材用2.5%戊二醛固定24 h進(jìn)行透射電鏡觀察房室結(jié)閏盤、膠原細(xì)胞和毛細(xì)血管超微結(jié)構(gòu)。
房室結(jié)的定位是采用連續(xù)切片法,對(duì)包埋的整塊蠟塊進(jìn)行連續(xù)切片,然后隔五張取一張進(jìn)行HE染色定位。首先,房室結(jié)大體位置在房室交界處,在大體位置選定的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行房室結(jié)的觀察,特化心肌組織與普通心肌不一樣,由于房室結(jié)實(shí)質(zhì)成分中的三類細(xì)胞中細(xì)胞器、肌微絲均較少,所以HE染色后房室結(jié)的最大特點(diǎn)是染色淺,并且較模糊,因?yàn)樘鼗男募〗M織肌纖維排列不規(guī)則,起搏細(xì)胞(pacemaker cell, PC)與過渡細(xì)胞(transitional cell, TC)之間均有特殊的連接方式,高倍鏡下可發(fā)現(xiàn)竇房結(jié)和房室結(jié)呈網(wǎng)狀交錯(cuò)。其次,竇房結(jié)和房室結(jié)內(nèi)都有PC和TC,它們不僅分布在特化心肌纖維中,在其它地方如冠狀竇口處、肺靜脈根部也有零星的分布,但這些都是少數(shù),只有在房室結(jié)才能發(fā)現(xiàn)大量的PC和TC。找準(zhǔn)部位之后,把該片之前、之后蠟帶全部制片、編號(hào),然后用于組織學(xué)染色和免疫組化實(shí)驗(yàn)。
VG染色檢測(cè)出膠原纖維呈紅色,肌纖維呈黃色:常規(guī)脫蠟、水化,蘇木素染液5~10 min,流水稍洗后浸入Victoria Blue'B 染色液中,2%鹽酸酒精分化3 s,流水沖洗,再用Ponceau染液浸染5 min,傾去染液直接用95%酒精分化,常規(guī)脫水、二甲苯透明、樹膠封片。
磷鎢酸染色檢測(cè)出膠原纖維呈黃色,肌纖維呈淡藍(lán)色:常規(guī)脫蠟、水化,酸化高錳酸鉀溶液氧化5 min,2%草酸水溶液漂白1~2 min,用蒸餾水洗1次,取出后直接用95%酒精迅速洗去多余染液,常規(guī)脫水、二甲苯透明、樹膠封片,光鏡觀察。
膠原容積分?jǐn)?shù)(collagen volume fraction, CVF)%采用Image Pro Plus 5.1分析。
房室結(jié)的取材部位:房室結(jié)位于右心房?jī)?nèi),主動(dòng)脈根部的Koch三角內(nèi)。打開右心耳,上方是卵圓窩,右側(cè)為三尖瓣隔側(cè)瓣,左側(cè)為冠狀竇口,此三點(diǎn)的連線,即構(gòu)成Koch三角,房室結(jié)即在此內(nèi)。于二尖瓣前瓣和三尖瓣隔側(cè)瓣附著緣之間,切取房室隔(分隔右心房與左心室)全層組織約3 mm×3 mm,作為房室結(jié)區(qū)的電鏡取材。房室結(jié)的位置及組織結(jié)構(gòu):房室結(jié)位于房間隔下部、二尖瓣前瓣(大瓣)與三尖瓣隔側(cè)附著緣之間的房室隔內(nèi),范圍約2 mm×2 mm。左右方向略有偏移,或位于右側(cè)心內(nèi)膜下。取下的組織塊小于1 mm3,快速置于2.5%戊二醛中固定24 h,1%鋨酸固定3 h,丙酮脫水,EPON 812包埋,半超薄切片定位,LKB-NOVA(瑞典)超薄切片機(jī)切片,醋酸鈾和檸檬酸鉛雙染色,JEM-2000EX(日本)透射電鏡觀察組織結(jié)構(gòu)改變并拍照。
免疫組織化學(xué)采用SABC法檢測(cè)心肌房室結(jié)VEGF、VIP和Syn蛋白表達(dá),石蠟切片在4℃丙酮中固定10 min,3% H2O2浸泡15 min消除內(nèi)源性過氧化物酶,1% TritonX-100 浸泡30 min,正常兔血清封閉液37 度孵育30 min 以封閉非特異性結(jié)合位點(diǎn),羊抗大鼠VEGF、VIP和Syn多克隆抗體(武漢博士德生物工程有限公司1∶500)4度孵育過夜,生物素標(biāo)記的兔抗山羊抗體(1∶200),SABC復(fù)合物分別37度孵育30 min,DAB顯色。除正常封閉血清外,其余各步之間用PBS充分沖洗。3套切片,一套蘇木精復(fù)染,另一套不復(fù)染,另設(shè)陰性對(duì)照,脫水、透明、中性樹膠封片。復(fù)染切片用于組織陽性表達(dá)的形態(tài)學(xué)觀察,未復(fù)染切片用于光密度值測(cè)定。陰性對(duì)照染色以PBS取代一抗,其它程序相同。Leika光學(xué)顯微鏡觀察、拍照。
研究發(fā)現(xiàn),安靜對(duì)照組大鼠體重為(403.47±22.32)g,中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)后大鼠體重為(365.78±16.46)g,大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)后大鼠體重為(351.43±26.96)g,表明中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)和大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)均能抑制體重增長(zhǎng)且大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)使大鼠體重下降尤為明顯。
VG染色中,安靜對(duì)照組和中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組房室結(jié)實(shí)質(zhì)細(xì)胞肌纖維、胞漿呈黃色,膠原纖維呈鮮紅色,觀察到鮮紅色的膠原纖維穿行于黃色的PC、TC和浦肯野氏細(xì)胞中(根據(jù)黃色深淺清晰分辨出三類傳導(dǎo)細(xì)胞);大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組觀察到黃色的實(shí)質(zhì)細(xì)胞分布稀蔬,且排列紊亂和區(qū)域性空泡化現(xiàn)象(圖1)。
磷鎢酸蘇木素染色中,安靜對(duì)照組和中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組房室結(jié)實(shí)質(zhì)細(xì)胞胞漿呈藍(lán)色,藍(lán)色的肌纖維分布均勻,有透明感;大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組房室結(jié)中藍(lán)色的肌纖維分布不均、排列異常、PC、TC和浦肯野氏細(xì)胞之間連接紊亂和空泡化現(xiàn)象。磷鎢酸各組中細(xì)胞核均不明顯,不易辨認(rèn)(圖2)。
Fig. 1 VG staining of atrioventricular node in rats of different intensity exercise (A, B, C ×100; D, E, F ×400)
Fig. 2 Phosphotungstic acid staining of atrioventricular node(AVN) in rats of different intensity exercise (A, B, C ×100; D, E, F ×400)
安靜對(duì)照組和中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組閏盤結(jié)構(gòu)清晰,連接完整,在房室結(jié)中閏盤較少但較完整,中間連接、橋粒連接、縫隙連接清晰;大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組閏盤發(fā)生扭曲,盤旋重疊,模糊、不連續(xù)并有極度擴(kuò)張現(xiàn)象,橋粒和中間連接被破壞現(xiàn)象。表明,中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能夠維持閏盤的結(jié)構(gòu)與功能,而大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組導(dǎo)致閏盤結(jié)構(gòu)和功能損傷(圖3)。
Fig. 3 Effects of different intensity exercise on the intercalated disc of atrioventricular node (AVN) in rat (× 20 000)
研究發(fā)現(xiàn),中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組和安靜對(duì)照組大鼠成纖維細(xì)胞差異不大,大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組大鼠成纖維細(xì)胞細(xì)胞漿糖原、電子致密顆粒豐富,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)達(dá),表明合成膠原蛋白的能力增強(qiáng)(圖4)。
與安靜對(duì)照組相比,中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組Koch三角區(qū)小動(dòng)脈管壁較厚且彈力纖維較發(fā)達(dá),血管周圍膠原纖維豐富,對(duì)血管起支持和保護(hù)作用。大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組其血管壁周圍膠原過度增生,血管平滑肌增殖,管壁較厚。內(nèi)皮細(xì)胞安靜對(duì)照組和中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組差異不大,排列較整齊,大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組內(nèi)皮細(xì)胞零亂且稀疏(圖5)。
Fig. 5 Effects of different intensity exercise on capillaries in rat atrioventricular node(AVN) (× 6000)
光鏡下,各組房室結(jié)中VEGF、VIP、Syn均有表達(dá)。與安靜對(duì)照組相比,中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能顯著提高心臟房室結(jié)VEGF、VIP表達(dá)(P<0.05),對(duì)Syn表達(dá)有影響但無顯著性差異;與中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)組相比,大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能顯著抑制VEGF、VIP、Syn表達(dá)(P<0.01,圖6,表1)。
Fig. 6 Effects of different intensity exercise on the expressions of VEGF, VIP and Syn in the atrioventricular node (AVN) of rats (×400)
Tab. 1 The effects of different intensity exercise on the optical density of VEGF, VIP, Syn, and CVF % in the atrioventricular node of rats n=6)
在不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中,運(yùn)動(dòng)性心律失常時(shí)有發(fā)生,尤其是大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和耐力性相關(guān)的運(yùn)動(dòng),嚴(yán)重者還會(huì)造成運(yùn)動(dòng)猝死。同時(shí),大強(qiáng)度訓(xùn)練可導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)性疲勞,運(yùn)動(dòng)性疲勞可導(dǎo)致組織乳酸堆積,自由基,氧化應(yīng)激和炎性因子增加,此可加重對(duì)心肌組織的損傷。房室結(jié)在心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)中扮演著重要的角色,其細(xì)胞、間質(zhì)成分以及血管的變化對(duì)心傳導(dǎo)系統(tǒng)有著很大的影響。大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌組織造成的損傷,會(huì)波及到心傳導(dǎo)系統(tǒng)。研究表明,反復(fù)進(jìn)行力竭運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致心室功能改變,心臟纖維化,從而造成心律失常[6]。心臟在運(yùn)動(dòng)過程中的適應(yīng)性改變,包括心肌細(xì)胞肥大、細(xì)胞外基質(zhì)成分纖維化,心臟結(jié)構(gòu)蛋白的表達(dá)水平的改變以及運(yùn)動(dòng)引起的炎癥、出血、脂肪浸潤(rùn)及神經(jīng)退行性變化等是造成心傳導(dǎo)系統(tǒng)病變的主要原因[7]。常蕓研究團(tuán)隊(duì)表明,大鼠在力竭運(yùn)動(dòng)后心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的竇房結(jié)和房室結(jié)膠原纖維增多,并且竇房結(jié)和房室交界區(qū)組織結(jié)構(gòu)紊亂,毛細(xì)血管和靜脈內(nèi)充血,部分肌原纖維模糊,推測(cè)心傳導(dǎo)系統(tǒng)的纖維化程度和炎癥反應(yīng)是構(gòu)成運(yùn)動(dòng)性心律失常的病理基礎(chǔ)[8]。閏盤是細(xì)胞與細(xì)胞之間沖動(dòng)傳導(dǎo)的特殊性低電阻通道,宋丹云等人做了不同運(yùn)動(dòng)對(duì)心肌超微結(jié)構(gòu)影響的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在間歇訓(xùn)練組中,心肌閏盤走向紊亂,Z物質(zhì)減少,在力竭組中,上述現(xiàn)象更為嚴(yán)重,有些閏盤甚至斷裂。這些變化可影響動(dòng)作電位的傳導(dǎo),并引起細(xì)胞間連續(xù)的機(jī)械力喪失,改變嚴(yán)重者,可導(dǎo)致傳導(dǎo)障礙并出現(xiàn)心率不齊[9]。在本研究中,我們通過最大攝氧量來反映大鼠的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷,通過調(diào)節(jié)跑臺(tái)的速度來控制大鼠的最大攝氧量,中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)的最大攝氧量為60%-75%之間,大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)的最大攝氧量為80%-90%之間[10,11]。本文研究結(jié)果表明,在大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)之后,大鼠心臟房室結(jié)膠原纖維穿插于肌纖維中,顏色較深,表明特化心肌纖維化嚴(yán)重。
眾所周知,心血管疾病是世界范圍內(nèi)死亡的主要原因。其中,許多細(xì)胞因子比如:VEGF、VIP、Syn等參與心血管疾病的血管新生以及心律失常和猝死等[2, 12, 13],而定期進(jìn)行適宜運(yùn)動(dòng)可以有效降低心血管疾病的死亡率[14]。這可能與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的相關(guān)細(xì)胞因子水平改變密切相關(guān)。文獻(xiàn)表明,VEGF作為多肽神經(jīng)生長(zhǎng)因子,可能與神經(jīng)的營(yíng)養(yǎng)和再生、血管再生、創(chuàng)傷愈合等密切相關(guān),能保護(hù)神經(jīng)元對(duì)抗缺氧、低血糖、興奮性氨基酸、鈣超載、自由基和一氧化氮等多種損傷,并且VEGF水平與毛細(xì)血管數(shù)量呈強(qiáng)烈的正相關(guān)。合理的運(yùn)動(dòng)作為一種健康促進(jìn)手段,可以調(diào)節(jié)組織或器官如心臟缺血缺氧造成的損傷,潛在的機(jī)制可能是適宜負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)心肌VEGF表達(dá)增強(qiáng),面積比增加,進(jìn)而誘導(dǎo)血液剪切應(yīng)力改變,影響VEGF水平以及下游 eNOS/NO途徑刺激血管生成[15]。而不適宜運(yùn)動(dòng)使心肌受損抑制VEGF表達(dá)。所以,選擇科學(xué)合理的運(yùn)動(dòng)方式能夠有效促進(jìn)VEGF表達(dá),降低心血管疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。另有文獻(xiàn)表明,房室結(jié)內(nèi)也存在著VIP,這種神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)房室結(jié)沖動(dòng)傳導(dǎo)起微調(diào)作用。房室結(jié)接受VIP支配,其神經(jīng)纖維的密度大于周圍心肌但比竇房結(jié)少,除竇房結(jié)和房室結(jié)外,結(jié)內(nèi)的血管也受VIP調(diào)控,大冠狀動(dòng)脈周圍和大血管根部存在VIP陽性的心臟神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。并且VIP在迷走神經(jīng)刺激、缺血和心力衰竭期間從心內(nèi)神經(jīng)元釋放,這與房顫易感性增加有關(guān)。VIP增加可縮短犬心房有效不應(yīng)期,并且有助于迷走神經(jīng)介導(dǎo)的心房電重構(gòu)加速,還可以延長(zhǎng)乙酰膽堿誘導(dǎo)的心房顫動(dòng)的持續(xù)時(shí)間[16]。此外,心傳導(dǎo)系統(tǒng)中存在Syn陽性產(chǎn)物,且沿傳導(dǎo)細(xì)胞長(zhǎng)軸分布。文獻(xiàn)表明,心源性猝死與Syn在竇房結(jié)中的表達(dá)呈強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)性,猝死者大多竇房結(jié)區(qū)Syn表達(dá)較少或異常,可能與Syn調(diào)控功能減弱有關(guān)[17],證實(shí)竇房結(jié)中Syn減少是心源性猝死的因素之一。以前的研究也發(fā)現(xiàn),在房室結(jié)內(nèi)亦有Syn陽性產(chǎn)物。房室結(jié)是心傳導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分,竇房結(jié)的病理變化理應(yīng)在房室結(jié)中有同樣表現(xiàn)。然而,有關(guān)運(yùn)動(dòng)對(duì)房室結(jié)Syn中的變化情況與猝死關(guān)系的文獻(xiàn)尚缺,檢測(cè)不同運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)心傳導(dǎo)系統(tǒng)中Syn的影響,可以了解心傳導(dǎo)系統(tǒng)中的神經(jīng)分布,反映其功能狀態(tài),為進(jìn)一步揭示運(yùn)動(dòng)性心率失常及運(yùn)動(dòng)猝死的內(nèi)在機(jī)制產(chǎn)生積極影響。本研究表明,大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致房室結(jié)區(qū)VEGF,VIP和Syn表達(dá)明顯降低,其與運(yùn)動(dòng)性心律失常的關(guān)系有待于深入系統(tǒng)的研究。
綜上所述,中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能夠較好維持大鼠房室結(jié)的形態(tài)結(jié)構(gòu),促進(jìn)血管新生等相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá),而大強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)造成房室結(jié)形態(tài)結(jié)構(gòu)微損傷,抑制VEGF、VIP和Syn的表達(dá),使心傳導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生病理性改變,這可能與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的心律失常和運(yùn)動(dòng)性猝死密切相關(guān)。
中國(guó)應(yīng)用生理學(xué)雜志2021年3期