曾坐佳,雷 遷,2△

(1.電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,四川 成都 610056;2.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院麻醉手術(shù)中心,四川 成都 610072)

低氧是許多疾病共有的一種病理生理過程,并且廣泛而非特異地影響著呼吸、循環(huán)等多個(gè)系統(tǒng)。心臟是調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)體氧供需平衡最重要的器官之一,有關(guān)低氧對(duì)心肌相關(guān)影響的研究中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)高海拔地區(qū)世居人群在長期慢性的低氧習(xí)服下可能發(fā)生了適應(yīng)性基因選擇,使其心肌對(duì)急慢性缺氧環(huán)境產(chǎn)生了一定程度的耐受[1,2]。而近年來,許多研究學(xué)者也注意到高海拔相關(guān)低氧適應(yīng)不僅是機(jī)體對(duì)氧攝取和利用的改變,還包含了非常復(fù)雜的表觀遺傳學(xué)改變[3～5]。以往對(duì)低氧適應(yīng)的研究多局限于氧氣感知或低氧反應(yīng)相關(guān)基因的生物學(xué)研究,而對(duì)心肌細(xì)胞本身的異質(zhì)性改變研究較少。在低氧適應(yīng)過程中,相關(guān)基因的表達(dá)可能使心肌細(xì)胞本身也發(fā)生了適應(yīng)性改變。全球有代表性的高海拔地區(qū)諸如安第斯山脈、埃塞俄比亞、青藏高原等,世界上有超過5億人長期居住于此[6],對(duì)該類人群進(jìn)行研究有助于進(jìn)一步揭示心肌低氧適應(yīng)的機(jī)制。在科技高速發(fā)展的時(shí)代,單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)是近年發(fā)展較為迅速的一種研究方法[7,8],可以從單個(gè)細(xì)胞的基因?qū)用娼沂景?xì)胞增殖、細(xì)胞間通訊、細(xì)胞分化、免疫微環(huán)境等微觀生理過程,這更加促進(jìn)了心肌低氧適應(yīng)相關(guān)的研究進(jìn)展[9,10]。

1 心肌低氧適應(yīng)的機(jī)制

近年心肌缺血缺氧性疾病多發(fā),研究人員一直試圖從器官或組織缺血缺氧預(yù)處理的機(jī)制中尋找防治心肌缺血的作用靶點(diǎn),而心肌低氧適應(yīng)的現(xiàn)象也使得心肌保護(hù)、心肌損傷后修復(fù)、心肌再生等探索存在可能[2, 11～13]。成人心臟每天需要大約6 kg的ATP用于心肌收縮和離子交換的能量供應(yīng),正常氧供應(yīng)條件下有氧糖酵解是心臟主要的供能方式。而低氧適應(yīng)后心肌細(xì)胞通過調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)有氧代謝的關(guān)鍵酶改變供能方式,對(duì)急慢性缺氧產(chǎn)生一定程度的耐受[2,4]。低氧適應(yīng)發(fā)生機(jī)制中的關(guān)鍵是低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)[14],在機(jī)體內(nèi)的表達(dá)受缺氧程度和時(shí)間影響有所不同。HIF-1及其衍生物通過調(diào)節(jié)糖代謝、線粒體功能、氧化應(yīng)激、細(xì)胞周期、免疫微環(huán)境等生理過程產(chǎn)生心肌保護(hù)作用[2,5]。

當(dāng)器官組織缺氧時(shí),電子傳遞鏈的中斷和氧化還原狀態(tài)的失衡會(huì)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species, ROS),而內(nèi)皮PAS結(jié)構(gòu)蛋白-1(endothelial PAS domain protein 1, EPAS-1)基因敲除小鼠對(duì)缺氧產(chǎn)生了更強(qiáng)烈的氧化應(yīng)激反應(yīng),其中低氧誘導(dǎo)因子2α(hypoxia inducible factor-2α, HIF-2α)通過轉(zhuǎn)活初代抗氧化酶(antioxidant enzymes, AOEs)的啟動(dòng)子在維持線粒體穩(wěn)態(tài)和ROS平衡中發(fā)揮了重要作用[15]。通常情況下成年后心肌細(xì)胞再生能力非常有限[16],一旦發(fā)生損傷或死亡則會(huì)嚴(yán)重?fù)p害心臟功能,但是經(jīng)過低氧環(huán)境刺激的心肌在遭受急性缺血缺氧后可以促進(jìn)缺血后心臟功能的恢復(fù)并減輕纖維化程度[12]。此外,部分心肌組織的生理性低氧可以促進(jìn)血管生成和心外膜細(xì)胞發(fā)生增殖和分化,這種低氧適應(yīng)的能力為心肌缺血缺氧修復(fù)損傷提供了潛在的治療靶點(diǎn)[17]。

心肌低氧適應(yīng)相關(guān)研究中,研究者選擇以心臟體外循環(huán)手術(shù)為低氧模型。而免疫系統(tǒng)是機(jī)體防御有害刺激的重要屏障,在心肌缺血再灌注損傷的研究中發(fā)現(xiàn)HIF-1可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞參與免疫微環(huán)境調(diào)控,并通過調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞自噬升高從而減輕體外循環(huán)手術(shù)中的心肌缺血再灌注損傷即達(dá)到心肌保護(hù)作用[18]。此外,巨噬細(xì)胞還參與維持心肌線粒體穩(wěn)態(tài),防治心功能不全[19],而心肌低氧適應(yīng)是否誘導(dǎo)類似的免疫微環(huán)境調(diào)控尚需進(jìn)一步研究。綜上,對(duì)心肌低氧適應(yīng)機(jī)制的研究,有助于探索缺血缺氧性心臟病的防治靶點(diǎn)及方法。

2 高海拔環(huán)境與心肌低氧適應(yīng)

世代居住在高海拔地區(qū)的人群長期處于低壓低氧的高原環(huán)境中,血液中血紅蛋白濃度和紅細(xì)胞壓積出現(xiàn)了不同程度的代償性升高,且在青少年和青年成人中的漢族人群升高幅度高于同年齡階段的藏族人群。并且,相較于同海拔埃塞俄比亞人群,青藏高原地區(qū)人群的血紅蛋白濃度具有更顯著的遺傳力,而長期居住于高海拔地區(qū)的人群在氧氣攝取和運(yùn)輸機(jī)制上也發(fā)生了改變。由于心臟對(duì)缺氧極為敏感,在急性缺氧時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的心律失常,但是部分臨床回顧性研究發(fā)現(xiàn),高海拔地區(qū)器質(zhì)性心臟病患者的心房顫動(dòng)發(fā)生率方面并未出現(xiàn)顯著升高,提示長期慢性低氧適應(yīng)可能在高海拔人群產(chǎn)生了抗心律失常的作用效果[20～22]。高海拔人群在對(duì)抗心肌缺血再灌注損傷方面也具有一定的優(yōu)勢(shì),發(fā)生缺血再灌注后心肌損傷的程度更輕。Pan等[23]通過基因測(cè)序技術(shù)首次在青藏高原藏族人群中證實(shí)EPAS-1基因在心臟成熟過程中被過度激活表達(dá),經(jīng)低氧適應(yīng)誘導(dǎo)信號(hào)通路調(diào)控心肌細(xì)胞成熟產(chǎn)生了防治先天性心臟病的重要作用[22, 32]。研究還發(fā)現(xiàn)抑制脯氨酸羥化酶結(jié)構(gòu)域酶(prolyl hydroxylase domain enzymes,PHD)可以增加HIF-1α表達(dá),減少心肌缺血梗死面積或者改善心肌損傷后心臟功能恢復(fù)等,在心肌急性缺血、心肌再灌注損傷和心肌細(xì)胞再生方面具有可觀的治療前景[13,24]。

高海拔低氧適應(yīng)是多個(gè)基因相互協(xié)同作用的結(jié)果,盡管目前的研究已經(jīng)取得了一定成果,但心肌低氧適應(yīng)的機(jī)制尚需進(jìn)一步探索,從而為心肌缺血、再灌注損傷及其它急慢性缺氧性疾病的防治尋找突破口。

3 單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)在心肌低氧適應(yīng)研究中的應(yīng)用

基因測(cè)序技術(shù)在探索高海拔人群基因改變的相關(guān)研究中已經(jīng)取得了顯著的成果[23]。人類基因組計(jì)劃的完成使單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)得以應(yīng)用于大多數(shù)的科學(xué)研究領(lǐng)域,但是由于心肌細(xì)胞具有體積大、不易分離、難以長時(shí)間保存活性等特點(diǎn),使得標(biāo)準(zhǔn)的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)很難在心肌組織細(xì)胞的相關(guān)研究中廣泛應(yīng)用。細(xì)胞核能保留細(xì)胞大多數(shù)的基因和生物特性,因此對(duì)組織或細(xì)胞提取細(xì)胞核進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序[25]。單細(xì)胞核RNA測(cè)序能從新鮮或者冷凍組織的上萬個(gè)核基因中分辨這些細(xì)胞,彌補(bǔ)了單細(xì)胞測(cè)序的不足并逐漸被應(yīng)用于對(duì)心臟組織單個(gè)細(xì)胞層面的研究[26,27],這些方法在心臟相關(guān)的研究中得到廣泛應(yīng)用[26]。

單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)應(yīng)用于心臟相關(guān)研究,有助于從細(xì)胞水平闡釋心臟的轉(zhuǎn)錄圖譜和部分細(xì)胞標(biāo)記物,對(duì)確定心臟發(fā)育軌跡以及重要信號(hào)通路和變化過程具有重要意義[28,29]。心臟中,心房和心室組織的組成大為不同,通過單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)首次明確了心臟不同部位心肌細(xì)胞組成的差異,并為心臟疾病相關(guān)的研究奠定了基礎(chǔ)[9]。

在研究構(gòu)建人類心肌細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜的過程中,心肌組織病變的免疫微環(huán)境調(diào)控過程逐漸受到重視,巨噬細(xì)胞除了發(fā)揮免疫功能,其在維持組織功能穩(wěn)態(tài)方面的重要作用逐漸被揭示[9,18,19,30]?；趩渭?xì)胞測(cè)序技術(shù),Chang等發(fā)現(xiàn)依賴于HIF-1α的巨噬細(xì)胞糖酵解可能是抑制心臟移植后排斥反應(yīng)的潛在治療靶點(diǎn)[10]。此外,在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)的支持下,關(guān)于細(xì)胞-細(xì)胞間的研究讓人們較全面的認(rèn)識(shí)到細(xì)胞間的信息交換和相互作用[31,32]。轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)在高海拔人群的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量低氧適應(yīng)相關(guān)證據(jù),在構(gòu)建高海拔人群低氧適應(yīng)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄圖譜方面做出了巨大貢獻(xiàn),然而單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)在高海拔人群低氧適應(yīng)相關(guān)研究中的應(yīng)用尚有不足,更多的生物學(xué)信息還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

4 小結(jié)與展望

近年,關(guān)于心肌保護(hù)的研究已經(jīng)確定了許多轉(zhuǎn)錄因子和信號(hào)通路,而低氧誘導(dǎo)信號(hào)通路被證明是最具有應(yīng)用前景的通路之一。低氧適應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的自然選擇過程,目前研究已經(jīng)確定了如PHD、HIF-1α、EPAS-1、脯氨酰羥化酶( EGLN1)、過氧化物酶體增殖物激活受體( PPARA)等大量與低氧適應(yīng)相關(guān)的基因或分子靶點(diǎn)[13]。心肌在低氧適應(yīng)中的作用機(jī)制,包括參與糖代謝、氧化應(yīng)激、線粒體功能、細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞間作用、心肌免疫微環(huán)境等生理過程的基因改變尚不完全清楚。盡管轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)已經(jīng)揭示了低氧適應(yīng)的部分機(jī)制,單細(xì)胞測(cè)序作為現(xiàn)有最重要的轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)之一,對(duì)心肌低氧適應(yīng)的相關(guān)研究仍然很重要[7,9,10,33]。此外,探索高海拔人群的低氧適應(yīng)性基因選擇以及心肌低氧適應(yīng)的臨床和基礎(chǔ)研究,為尋找缺血缺氧性心臟疾病和其它急慢性缺血缺氧性基本的防治尋找干預(yù)靶點(diǎn)具有重要意義。