心肌细胞凋亡的研究进展及意义.pdf

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1、2 0 0 6 年 第2 1 卷 第4 期 J o u r n a l o f T U S V o 1 .2 1 N o .4 2 0 0 6困口皿翻 .综述与进展M i n i R e v i e w 心肌细 胞凋亡的 研究进展及意义 杨明雄 ， 袁爱国2 摘要: 心肌细胞凋亡是在一系列基因 调控下进行的 程序化细胞死亡， 其实质是生理性细胞死亡。 首先对心肌细胞调亡的 研究方法、 影响因素等方面 进 行了 分析和总结; 然后对心肌缺血、 运动、 心肌缺氧和心脏疾病与心肌细胞调亡等方面的 研究进展进行了 总结; 并对心肌细胞凋亡的 调节因 素进行了 初步探讨; 最后对心肌细胞凋 亡在心脏疾病

2、和运动中的意义做了 简短的总结和概括。 关位词: 心肌细胞凋亡; 运动; 心脏疾病; 调节因素 中圈分类号:文献标识码: A文章编号: 1 0 0 5 - 0 0 0 0 ( 2 0 0 6 ) 0 4 - 0 3 2 3 - 0 6 T h e R e s e a r c h P e r s p e c t i v e s a n d Me a n i n g o f t h e A p o p t o s i s o f C a r d i a c Mu s c l e C e ll s Y A N G M i n g - x io n g , Y U A N A i - g u o 2

3、( 1 .D e p t . o f P E , J i s h o u U n iv e r s i t y , J i s h o u 4 1 6 0 0 0 , C h i n a ; 2 .S c h o o l o f P E , H u n a n N o r m a l U n iv e rs i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e a p o p t o s i s o f c a r d i a c m u s c l e c e l l s re f e r s t

4、o a n i n i t i a t i v e c e ll d e a t h p r o c e s s t h a t i s c o n t r o l l e d b y a s e r i e s o f g e n e s , a n d i n f a c t i t is 。 k i n d o f p h y s i - o l o g i c a l c e ll d e a t h . T h i s a rt i c l e re v i e w e d a n d a n a ly z e d t h e re s e a r c h m e t h o d s

5、 a n d a ff e c t i n g f a c t o r s o f t h e a p o p t o s i s o f c a r d i a c m u s c l e c e ll s a t f i r s t . T h e n w e s u m - m a r i z e d t h e re s e a r c h p ro g r e s s o f t h e a p o p t o s i s o f c a r d ia c m u s c l e c e l l s f ro m a s p e c t s a s f o l l o w s , t

6、 h e b l o o d l a c k i n g o f c a r d i a c m u s c l e , a n d e x e r c i s e s , a n d t h e o x y - g e n l a c k i n g o f c a r d i a c m u s c l e , a n d t h e c a r d ia c d i s e a s e s , e t c . A n d t h e n w e d i s c u s s t h e r e g u l a t i o n f a c t o r s . F i n a ll y , w

7、 e s u m m a r i z e d t h e m e a n i n g o f th e a p o p t o s i s o f c a r d i a c m u s c l e c e l l s i n t h e a r e a s o f t h e c a r d i a c d i s - a n d e x e r c i s e s i n b r i e f . K e y w o r d s : a p o p t o s i s o f c a r d i a c m u s c l e c e l l s ; e x e r c is e ; h e

8、 a r t d i s e a s e ; re g u l a t e f a c t o rs 细胞凋亡( a p o p t o s i s ) 是细胞死亡的一种重要形式， 即程序 性细胞死亡。 一般认为， 它是由 基因 控制的、 有序化的主动死亡 过程。自1 9 7 2 年K e r r 等首次以 形态学概念提出细胞凋亡这一 术语以 来， 凋亡一直是医 学界的 研究热点。近年来， 随着分子 生物学技术的不断丰富及分子心血管病学的研究发展， 已证实 细胞凋亡现象存在于心血管系统的许多生理和病理变化中， 与 许多心血管疾病的发生发展密切相关， 并且已渗透到体育科学 的有关方面。 细胞凋亡

9、与坏死在形态学、 生物化学等诸多方面均存在截 然不同的 差别n “ : ( 1 ) 凋亡细胞出现皱缩， 细胞器大多正常， 胞浆 浓缩， 核染色质密度增高， 凝聚在核周边， 细胞膜完整， 后期细胞 膜出 芽， 脱落， 形成膜包被有细胞核裂片的凋亡小体; 坏死细胞 表现为 胞体肿胀， 同 时细胞器肿胀， 细胞膜破裂， 形成小泡。( 2 ) 凋亡细胞核染色质浓缩， 丝状破裂， D N A 变化启动早， 被内 切核 酸酶降 解成有组织的 小片 段( 1 8 0 - 2 0 0 b p s ) ， 在凝胶电 泳上表现 为梯带D N A片段; 坏死细胞核染色质分解， D N A变化较迟， 被 溶酶体酶类降

10、解为随机片段， 在电泳上表现为不规则的大片“ 污 斑” 。( 3 ) 凋亡过程中仍需要一些特定蛋白质的合成， 特别是一 些与凋亡过程相关的 基因表达， 生成特殊的酶， 因 此， 能量供应 也是必须的; 坏死过程中， 蛋白 质合成停止， 能量供应消失。( 4 ) 死亡细胞的最后出路: 凋亡细胞被巨噬细胞吞噬或被周围细胞 融合， 可被再利用， 因此， 是单个细 胞的 死亡， 不会对周围正常细 胞或组织造成次级损害或引发炎症; 坏死细胞则因胞内物质随 细胞破裂而渗漏出， 对周围 组织细胞产生毒害 作用， 大片细胞死 亡， 组织出 现炎症反应， 坏死细胞最终也被吞噬细胞吞噬。 心肌细胞为终末分化、 不

11、具备增殖能力的 成熟细胞， 心肌细 胞凋亡在维持心脏正常形态结构方面具有十分重要的意义。 过去 认为， 细胞凋亡在不具备再生能力的细 胞如成熟的心肌细胞、 神 经细 胞中 不再发生。 但近些年的 研究表明， 细 胞凋亡同 样存在于 心肌细胞中， 并且在心脏的生理、 病理发展过程中 起重要作用网 ， 被认为是心脏由 代偿性变化向生理性、 病理性变化发展的细胞 学基础。 心肌细胞凋亡是在一定的生理和病理条件下， 通过一定的 信号传导途径，激活细胞“ 自 杀” 程序， 在一系列基因调控下进行 的 程序化细胞死亡方式。 对心肌细胞凋亡的 研究起步稍晚， 其因 有三: 凋亡过程短暂不易发现( 持 续约1

12、 - 3 h ) ; 方法学限制; 低估 凋亡 在 心 脏病中 的 作 用。1 9 8 9 年， N e p o tn n ia s h c h i k h 等 Z 观 察饥 饿性心肌萎缩超微结构时发现， 心肌细胞结构蛋白 合成降 低， 细 胞数减少， 但不伴随细胞核相应成比 例的 减少， 由 此初步提出 饥 饿性心肌萎缩是由心肌细胞凋亡所致。1 9 9 4 年， C o t t l ic b 和 K a w a n 等n . 采用电镜结合 U N A凝胶电泳方法才取得了心肌细 胞凋亡的直接证据。 前者揭示再灌注损伤 诱发兔心肌细胞凋亡， 后者证实心肌炎患者伴发心肌细胞凋亡。 目 前基本可以认

13、为， 心肌细胞凋亡是维持心脏组织形态相 对稳定的不可缺少的细胞学基础， 其中 包括维持心脏胚胎发育 和正常成熟的组织结构; 在增生与退化、 肥厚与萎缩之间获得稳 收稿日 期: 2 0 0 6 -05 - 0 6 ; 修回日 期: 2 0 0 6 -06 - 0 1 ; 录用日 期: 2 0 0 6 - 0 6 - 1 0 作音简介: 杨明 雄( 1 9 6 9 - ) ， 男， 土家族， 湖南吉首人， 吉首大学讲师。 作者单位: 1 . 吉首大学体育学院， 吉首4 1 6 0 0 0 ; 2 . 湖南师范大学体育学院， 长沙4 1 0 0 8 3 0 困 ，J o u rn a l of T

14、U S V o 1 .2 1 N o .4 2 0 0 6 2 0 0 6 年第2 1 卷第4 期 态平衡， 起到对心脏形态转型和重塑作用; 适度训练导致的心肌 细胞凋亡可使心脏产生良 好的适应， 即运动心脏; 同时在一定条 件下对心肌组织损伤的修复有促进作用。 1 心肌细胞凋亡的研究方法 心肌细胞凋亡是一个非常复杂的过程， 由于心肌细胞凋亡 时过程短暂不易观察， 再加上方法学的限制， 使心肌细胞凋亡的 研究相对滞后。 目 前， 对心肌细胞凋亡的研究， 主 要采用形态学、 生物化学等方法来进行定性、 定量研究。 1 . 1 形态学研究方法 根据凋亡细胞固有的形态特征， 人们已经使用普通光学显

15、微镜直接观察细胞的大小和凋亡小体， 也可用带电荷的染料台 盼蓝使死细胞着色、 活细胞不着色， 或用透射或扫描电 镜直接观 察凋亡细胞发泡、 染色体浓缩及凋亡小体。非荧光的醋酶底物 和双苯并咪哇染料可被活细胞或凋亡细胞吸收， 前者水解后能 产生很强的绿色荧光， 后者在紫外光的激发下可以产生蓝色荧 光。 而 碘化丙吮只 染死细胞， 并在紫外光下呈红色荧光。 将双苯 并咪哩染料和碘化丙咤染色结合起来， 通过流式细胞仪分析可 以把凋亡、 坏死细胞区别开来。这种方法是目 前最令人满意的 形态学研究方法19 1 0 1 . 2 生物化学研究方法 细胞凋亡时主要生物化学特征是其染色体发生浓缩， 染色 体在核

16、 小体单位之间的 连接处断裂成1 8 0 - 2 0 0 帅整数倍的寡 核 昔酸片断， 在 凝胶电 泳上表 现为梯形电 泳图 谱( D N A l a d d e r ) , 细胞经处理后， 采用常规方法分离提纯D N A 后， 进行琼脂糖凝 胶电泳和澳化乙咤染色， 在凋亡细胞群中可以观察到典型的 D N A l a d d e r 。由于心肌细胞量少， 通常在分离提纯D N A 后， 用 3 2 P - A T P 和脱氧核糖核昔酸末端转移酶(T D T ) 标记D N A ， 然后 进行电 泳和放射显影， 观察凋亡细胞中D N A l a d d e : 的形成。由 于在细胞凋亡的早期，

17、只有少数细胞的D N A 发生断裂， 用生物 化学方法很难测出D N A l a d d e r ， 最近有学者使用抗组蛋白和抗 D N A 的 单克隆 抗体酶 联免 疫( E L I S A ) , 测定凋亡细胞， 可以 测定 早期的细胞凋亡。细胞凋亡时D N A 裂解， 在内源性核酸内切酶 的 作用 下， 在 核小 体 单位间 被随 机 切断， 形成1 8 02 0 0 b y 核小 体D N A 多聚体。 D N A 双链断裂或只要一条链上出现缺口 而产生 的 一系列D N A的3 - O H未端， 可在脱氧核糖核昔酸末端转移酶 (T D T ) 的 作用下， 将脱氧核糖核昔酸和荧光素、

18、 过氧化物酶、 碱性 磷酸 化酶 或生物 素形成的 衍生物 标 记到D N A的3 - O H 末 端， 从 而可进行凋亡细胞的检测。这种方法实质上是分子生物学和形 态学相结合的研究方法， 已广泛用于心肌细胞凋亡研究中。 2 心肌细胞凋亡的影响因素 心肌细胞凋亡不仅由特定基因控制， 还受细胞周围的刺激 信号诱导或抑制， 外源性因子可通过一定途径发挥刺激效应。 目 前的研究表明， 影响心脏细胞凋亡的因素很多， 归纳起来， 主 要有物 理性因 素、 化学性因素和生物性因素。 这些因 素中， 有生 理 性的 或病理性的， 也可以 是促发性的或抑制性的。 2 . ， 物理性因紊 高血压导致的容量超负荷

19、、 充血性心力衰竭使心肌被持续 牵张及风心病的风湿活动反复发作引起瓣膜充血、 肿胀， 纤维化 及胞索乳头肌粘连等均能诱导心肌细胞凋亡， 最终导致心力衰 竭。有研究认为， 强恒磁场能明显减少心肌细胞的凋亡。 2 .2 化学性因素 缺氧、 缺硒或缺钙都可诱发细胞凋亡。 国内学者就药物对心 肌细胞凋亡的影响进行了 大量的 研究。 其中 有中 药制剂， 也有西 药; 有的起促进作用， 有的 起抑制作用。 起促进作用的药 物有: 肾 上腺素、 去甲肾 上腺素、 依那普利; 起抑制作用的 药物有: 中 药如 人参类制剂、 活血化10 - 类制剂、 清热解毒类制剂， 西药如卡托普 利、 肉碱、 肝素等。 研

20、究证实， 福辛普利既能促进心肌细胞凋亡以 改善左心室肥厚， 又能抑制心肌细胞凋亡以改善心力衰竭。 2 . 3 生物性因素 一些生物性因素能诱导或抑制细胞凋亡。 T u r n e 等!.伪 了 验 证心肌细胞中氧化应激是否诱导细胞凋亡， 采用了 三种形式的 氧化应激: 超氧生成物维生素K , 、 过氧化氢、 缺血再灌注刺激。 结果表明， 不同浓度的维生素K , 或者H 刃: 能导致不同程度的 心肌细胞凋亡， 单独的 缺血不能诱导细胞凋亡， 而 缺血 再灌注损 伤可诱导心肌细胞凋亡(9 .10 1。同样， 在心肌缺血和心脏疾病中的 氧 化应 激也能 诱导细胞凋亡 11 110 G u o X u

21、 n 等 11 佣 A n g II 处理成 年 大鼠 心室肌细胞， 在心肌细胞上观察到了 典型的 细胞凋亡的 结 构改变和D N A 梯形” 片断。 C i g o l a 等(131也报道了A n g I I 通过不 同的信号传递途径诱导心肌细胞凋亡。另外， 一些生物活性物 质， 如 胰岛 素 样 生 长因 子 一 I 能 减 少 心 肌 细 胞 凋 亡 X14 1， 而N O , A n g II 能 诱 导 细 胞 凋 亡 115,叽 3 心肌细胞凋亡研究现状 目 前关于心肌细胞凋亡的研究国 外进行的较多， 我国的 研 究相对落后。但随着分子生物学技术的不断丰富及分子心血管 病学的研究

22、发展， 对心肌细胞凋亡各方面的研究已 经展开， 并且 有些方面已 经取得了 很大的进展， 当 然有些方面还需要继 续深 人。本文主要从以下几个有限的方面对目 前研究得较多的 领域 进行了总 结， 希望能起到抛砖引玉的 作用， 促进我国 在心肌细 胞 凋亡方面的研究。 3 . 1 心肌缺1 w缺血再灌注损伤与心肌细胞凋亡 1 9 9 4 年G o t t l ie b 等r r 首 次在兔离体心脏发现缺血3 0 m i n 后， 再灌注4 h 可诱导心肌细胞发生凋亡。 Z h a o 等1佣狗分别制备心 肌持续缺血7 h 和缺血1 h 再灌注6 h 实验模型， 发现持续缺血 组动物心肌只检测出

23、极少数凋亡细胞 ( 0 .2 t 0 . 1 p / o 且无D N A 梯形 电 泳图 谱; 而相比 之下， 缺血再灌注组可检出明显增多的凋亡心 肌细胞 ( 2 6 士 4 ) % 并伴有典型的D N A 梯形图谱出 现。提示单纯 缺血诱发心肌细胞凋亡可能性较小， 但再灌注可迅速诱发凋亡 产生。但也有研究显示再灌注损伤不引起心肌细胞凋亡或只是 加快缺血所致的心肌细胞凋亡的 例子， 例如F l i s s 等W 对大鼠 进 行再灌注研究， 结果显示持续缺血组心肌缺血2 .2 5 h 细胞凋亡 明显，而再灌注组缺血4 5 m i n 再灌注仅 1 h 细胞凋亡就很明 显， 此时再灌注损伤还来不及

24、产生凋亡， 而且定量分析发现再 灌 注组凋亡的细胞数只占细胞总数的2 3 %，而持续缺血组则占 3 3 % ， 说明凋亡主 要是因缺血所致， 再灌注损伤只是加快凋亡的 速度。这种不同结果的原因不清楚， 可能与方法学有关，因为 F l i s s 只是单纯用凋亡的时间规律来推断缺血和再灌注两者引 起的细胞凋亡， 这种方法并不十分可靠。 心肌持续性缺血可以导致组织损伤以及细胞死亡， 缺血之 后冠状动脉再通是缓解缺血损伤的 关键， 但较长时间缺血后的 心 肌细 胞词亡的 研究进展及意义 J o u r n a l of T U S V o l .2 1 N o .4 2 0 0 6. 困 再灌注却可

25、导致更为严重的损伤， 即所谓再灌注损伤。许多实 验证实， 心肌缺血再灌注过程可诱导心肌细胞凋亡。如G o t t l i e b 等门 在家兔离体心脏灌注模型研究中发现， 缺血5 m i n 再灌注 2 4 0 m i n 心肌细胞未见凋亡现象， 而缺血3 0 m i n 再灌注2 4 0 m i n 心肌细胞出现凋亡。我国的刘旭等1 9 1 在研究中也发现: 心肌缺 血- 再灌注损伤与缺血时间有一定相关性。 陈寄梅等rm r,在未成熟 心肌缺血一 再灌注损伤与细胞凋亡的研究中也发现:与成年心 脏心肌细胞一样， 未成熟心肌缺血一 再灌注伴有细胞凋亡， 凋亡 的 严重程度与再灌注前的缺血时间长短

26、有关， 缺血时间长的再 灌注组凋亡率 较高。 提示凋亡的发生与缺血时间关系密切， 而 再 箱注可加快细胞的凋亡12 11。 也就是说， 缺血时间是内因， 再灌 注是外因。同样， 在人类心肌缺血再灌注过程中也存在心肌细 胞的凋亡。S a r a s te w 等对8 例确诊因心肌梗塞而死亡者的心脏 标本进行检测, 8 例中的6 例进行过成功的溶栓治疗， 表明经历 过缺血再灌注损伤。 结果发现所有急性心肌梗塞的心肌细胞中 均有典型的细胞凋亡的 生化特征， 而对照组均为阴 性。还发现 凋亡细胞大量出现在正常心肌与坏死心肌的交界处。因此可以 认为急性心肌缺血后再灌注过程中， 凋亡也加入到心肌细胞死 亡

27、的调节中。 以上这些说明在心肌缺血一定的时间后， 给予血流再灌注， 诱导了心肌细胞凋亡的发生。这可能是由于再灌注后虽然心肌 得到了 氧的 供应， 但增加了 氧自 由 基的形成， 也加重了 钙离子的 超载， 从而触发了心肌细胞凋亡的始发环节及核酸内切酶激活 途径必 卜 剑 0 3 .2 运动与心肌细胞凋亡 目 前关于心 肌细 胞凋亡与运动关系的 研究较少。 大家知道， 系统的 运动 训练可 使心脏产生良 好的 适应， 即 运动心脏， 这是心 脏生理代偿变化的结果。运动心脏作为特有的高功能、 高储备、 大 功率心 脏， 在 竞技运动中 的 作用 早已 为 人们 所关注 固 。 随 着大 众体育的

28、广泛开展， 运动心脏的 研究又延伸到高水平运动员以 外的群体， 并日 益受到重视闪 。 有关运动心脏的 发生机制更是现 代运动心脏科学研究的热点， 随着细胞和分子生物学理论与技 术的 发展与应用， 运动心脏的 研究也越来越深人， 尤其是心脏细 胞凋亡的研究， 对运动心脏结构和功能的发生、 发展及转归又有 了 新的认识。 在运动过程中， 心脏存在着缺血、 缺氧现象， 在运动负荷适 宜的 情况下， 由 于心脏有自 身的防御系统， 适度的缺血、 缺氧， 对 心脏不造成损伤。但在过度训练和超负荷运动中， 由于心脏存 在着较严重的缺血、 缺氧状态， 心脏自 身的防御系统又不能有效 地发挥作用， 而导致心

29、脏损伤。常 芸等!周 人的 研究表明: 耐力训 练可引发运动心脏形成， 适宜负荷的耐力训练引起以心肌肥大 为特征的 适应性的心脏结构重塑。持续大强度耐力训练和急性 力竭运动则会造成运动性心肌微损伤。 运动性的心脏结构和功 能的重塑与心肌微损伤发生中 存在心肌细胞凋亡现象， 其细胞 凋亡程度与运动强度有关， 说明心肌细胞凋亡参与了运动心脏 肥大及运动性微损伤过程。可以这样认为， 运动性心肌微损伤 的发生是由 细胞坏死和细胞凋亡共同作用机制参与形成， 且心 肌徽损伤的程度与运动训练强度有关。C a r r a r o 等N 和袁海平ta m 及袁箭峰等13 11 的研究也表明， 长期超负荷运动和力

30、竭运动及过 度训练都可引起心肌细胞凋亡增加， 但其可能的 机制尚 未阐 述。 这提示心肌细胞凋亡有可能参加心脏实质细胞的丢失， 说明心 肌细胞凋亡参与由于运动超负荷而致的 病理性失代偿心脏转变 过程， 并在此过程中 起重要作用。 金其贯等t 2 时过度训练时大鼠 心肌细胞凋亡的研究也发现， 过度训练组较不运动组和 适量运 动组大鼠 心肌细胞凋亡数量显著增多。 但也有不同意见， J i n H 等13 3 时刁 、 鼠 进行了1 3 周跑台 运动实验， 实验中的运动强度和时 间是逐渐加长的， 在运动的第4 天， 第1 0 天， 第1 3 周末采用对 心肌细胞凋亡情况进行检测， 未发现细胞凋亡。

31、这种结论的可靠 性还需要更进一步的探索， 这可能与他测量所用的 仪器有关， 也 有可能是心脏对强度产生良 好适应所致。 综上所述， 目 前可以 认为: 适度的运动不会造成心脏 损伤， 但过度训练可能导致心脏损伤，而心肌细胞凋亡在这种损伤中 的地位和作用， 以及发病机制现在都还不清楚Mx 。 对这类问题 的 进一步研究将为运动性心脏结构与功能的发生、 发展和转归 提供新的 认识和思路， 对于防止运动性心血管损伤， 加强医 务监 督同样具有重要的理论和实际意义。 3 .3 心肌缺氛与心肌细胞凋亡 心肌细胞凋亡可由不同的死亡信号介导， 这些死亡信号包 括有缺氧、 酸中毒、 电离辐射、 机械牵引、 再

32、灌注氧化应激、 病毒 感染等。 单纯缺氧情况下， 心肌细胞是否发生凋亡仍存在争议闰 0 许多体内 外实验及尸检都发现缺氧时， 心 肌细胞可出 现凋亡的 一些形态学改变。W e b s t e r 等M 报道， 缺氧时B N I P 3 m R N A表达 水平及蛋白 质合成增多， 但并未激发细胞凋亡的 发生。 缺氧、 酸 中毒共存时则可见心肌细胞凋亡。 其原因可能是酸性环境下， B N I P 3 的稳定性增高且其与线粒体膜的 结合能力增强。 Y a n g 等 M 在培养的成年大鼠心肌细胞发现缺氧7 2 h 的细胞凋亡发生率明 显高于缺氧4 8 h 者， 而缺氧4 8 h 后再给氧3 h 又

33、比 单纯缺氧的 细胞凋 亡发 生率高。 说明 心肌细胞凋亡发生率与缺氧时间有关， 但同时受其他因素( 如复氧时间等) 的综合影响。 徐德民等阅 的 研究也发现: 缺氧可导致心肌细胞凋亡， 凋亡程度和心肌细胞缺 氧时间有关， 并可导致和在体心肌缺血相似的 心肌损伤。 说明细 胞凋亡在心肌缺氧心肌细胞死亡中 起重要作用。 张晓敏等国 的 研究也表明: 在培养的心肌细胞模拟“ 缺血损伤模型” 中， 缺氧缺 糖可引 起心肌细胞凋亡， 提示了 在心肌缺血 缺氧 过程中 也 会发生 心肌细胞凋亡。 这与苏卫东等 r a 和C h a k r a b a r t i 争 .研究结果相一 致。 说明心肌细胞凋

34、亡是心肌缺血缺氧时心肌细胞死亡的 重要形 式。 缺血缺氧能否引起心肌细胞凋亡， 缺氧时间长短是关键， 不同 的 实验条 件缺氧诱导 心肌细胞凋亡所需的 时间 不同。 3 . 4 心脏疾病与心肌细胞凋亡 由于方法学的进步以及其他组织、器官细胞凋亡研究的深 人， 心肌细胞凋亡也取得了一定进展， 目 前人们已 发现在许多心 脏疾病中都存在着心肌细胞凋亡现象。 3 .4 . 1 心肌细胞凋亡与自 发性高血压及心肌肥厚病U等14 2 报 道了在自 发性高血压大鼠 ( S H R ) 中， 有心脏病症状的S H R比 没 有心脏病症状的S H R 凋亡细胞增加近5 倍， 表明在代偿性心肌 肥大的 病理性转

35、变过 程中， 心脏功能的 降 低和 心肌 细 胞的 丢 失， 在某种程度上是由 于心肌细胞凋亡。 而且， 在 这种由 于高血压导 致的长期压力超负荷的 情况下， 在初期， 心肌是通过代偿性肥大 来减小心肌受到的应力， 而在晚期的失代偿期， 心肌将发生细胞 凋亡， 并且心肌细胞凋亡发生的主 要部位在左心室心肌层的内 层细胞， 在乳头肌也偶有发生阎 。 在大鼠主动脉狭窄手术导致的 压力超负荷引起的心肌肥大中显示了心肌细胞凋亡， 观察了 术 困封I o u m a l of T U S V o l .2 1 N o .4 2 0 0 62 0 0 6 年 第2 1 卷第4 期 后7 天的心肌细胞凋亡

36、情况， 发现第4 天细胞凋亡达到峰值， 1 个月后逐步平稳下来。 相比 之下， 细胞的生长在术后1 个月持 续增加. 可以这样认为， 在这种心肌肥大中， 首先发生的心肌凋 亡和之后发生的心肌细胞生长的关系， 提示了细胞凋亡可能是 心肌重构所需要的【n 1a 3 .4 .2肌细胞凋亡与。 肌梗死 实 验不仅表明 低氧可刺激培 养的心肌细胞发生凋亡， 而且心肌细胞凋亡现象也存在于在体 动物的心肌梗死模型中圈 。由于原位组织化学标记新技术的应 用， 使得心肌组织的细胞凋亡的研究成为可能。C h e n g 等4 3 发 现， 实验大鼠 心肌梗死时梗死组织的 边缘有特殊标记的D N A片 断。 K a

37、 j s t u r a i“ ) 的研究表明， 心肌细胞凋亡是扩大心肌梗死范围 的一个独立因子。新近的资料已经证实， 人类心肌梗死除细胞 坏死外， 细胞凋亡也参与梗死的病理过程， 细胞凋亡不仅影响心 肌梗死面积， 而且促成心脏结构的重构， 心肌梗死的早期和晚期 均存在凋亡现象; 心肌细胞凋亡不但发生在急性心肌梗死中， 而 且还发生在陈旧性心肌梗死中。 3 .4 .3 。 肌细胞凋亡与心力衰竭心肌细胞在心脏慢性压力负 荷过重的情况下发生细胞数目 的减少和心肌组织的纤维化， 这 些变化是导致心肌功能障碍的主要决定因素。 其中， 心肌细胞 的减少则可能是由于心肌细胞凋亡所致M 。其机制可能是一些

38、可诱发即刻早期反应基因 表达和心肌肥厚的 生长因子 ( A T II ) , 使衰老的或慢性压力负荷过重的心肌细胞发生凋亡所致。 此外， 生理情况下抑制细胞凋亡的营养因子的骤然减少也可诱发心肌 细胞凋亡， 这表明同一种刺激在生命的某阶段可导致心肌细胞 肥厚， 而在另一阶段又可诱导凋亡的发生。心衰发生的细胞凋 亡学说为在细胞水平上阐明心衰发病机制和探讨新的防治措施 提供了重要的理论指导。 3 .4 .4 心肌细胞调亡与心肌病及病毒性心肌炎 心肌病的组织 学特征是广泛存在的局限性心肌纤维化和存活心肌细胞的肥 大。 事实上， 很多形式的 心脏肥厚都存在着 局部心肌组织的非炎 症性退化。凋亡很可能通过

39、两种方式参与该病的发生: 一种是 选择性和散在性的部分心肌细胞凋亡并释放三磷酸腺昔 ( A T P ) ， 后者又可进一步刺激邻近的心肌细胞凋亡， 从而形成恶 性循环: 另一种是心朋 阴 巴 厚往往伴有小动脉平滑肌细胞和内 皮细 胞的凋亡。 后者可能是冠脉小动脉狭窄的重要原因。 病毒t I b 肌 炎是心肌病发生的 一个重要原因， 已 知多 种病毒都诱发细胞凋 亡。 事实上， 心肌病患者的 心肌损伤并不都与炎症反应呈正比。 心 肌病患者存在的非炎症性损伤很可能是细胞凋亡的结果M 0 3 .4 .5 心肌细胞凋亡与先天性心血管疾病原发性肺动脉高压 的病理表现具有肺小动脉中膜变薄塌陷和内皮细胞过度

40、增生。 此类患者的窦房结和房室结的动脉及其分支血管中层平滑肌细 胞存在着非炎症性退化， 这很可能是细胞凋亡的表现网 。 致心律 失常性右室发育不全是以右室发育不良 和反复致死性室性心律 失常发作为主要表现的一种先天性心脏病， 镜下观察可见右心 室稀疏的存活的心肌细胞散在于大量的脂肪组织中。并伴有少 许组织的纤维化。其发生机制可能为异常的反复发生的心肌细 胞过度凋亡， 导致心肌细胞被脂肪和纤维组织所代替。 3 .4 .6 心肌细胞凋亡与心律失常 窦房结、 房室结及传导组织 细 胞 的 胚 胎 发 育 及 出 生 后 数 周 的 发 育 过 程 中 均 有 细 胞 滴 亡 发 生 1m 。 细胞凋

41、亡过度、 不足或延迟均可导致心律失常。 J a m e s “ 电镜 观察反复发作室性心律失常伴晕厥的长Q - T 综合征患者切除 的窦房结， 发现有典型细胞凋亡。 认为其心律失常反复发作可能 与细胞凋亡反复发生有关， 在窦房结内 有局限 性、 非炎症性退 变， 电镜证实存在凋亡现象。 房室结的 胚胎样组织的不完全凋亡 可引起心肌细胞额外激动而形成室性心律失常， 其周边的 连络 环凋亡不足可导致折返旁路的形成， 进而造成折返性心动过速 或W P W综合征发生。窦房结或窦房交界区细胞凋亡过度则会 导致病窦综合征; 希氏 束发育过程中过度凋亡以 及细 胞外基质 和成纤维细胞的增生可发生传导阻滞。

42、因此， 细胞凋亡失衡可能 是某些心律失常的发病基础Ilm a 4 心肌细胞凋亡的调节因素 心肌细胞凋亡的 诱发因子通过一定的 信号传递途径， 激活 生存或者死亡相关基因来调控细胞凋亡。 在这些信号途径中， 每 个环节的抑制或者激活， 都对心肌细胞凋亡具有调节作用。 目 前 已发现有三类相关基因， 即 凋亡过程中表达的基因， 促进细胞凋 亡的基因和抑制凋亡的基因。 研究得较多的是B c l - 2 家族， 这个家族由 许多同型异构体 组成， 有些可以抑制细胞凋亡， 如B c l - 2 14 飞 有些可以促进细胞 凋亡， 如B a x l 1 1 , B a k 和B c l - x 16 1。

43、当心肌细胞受到牵张时， 引起 B c l - 2 B a x 比 率 下降， 诱导心肌细 胞凋亡。 I n g 等 1佣从巨 噬 细 胞 中提取的细胞素: 白介素一 l 、 肿瘤坏死因子和干扰素等诱导N O 的生成， 使得N O 依赖性的B a k , B c l - : 的表达持续增加， 导致心 肌细胞凋亡。 张博等153 研究发现: N O可通过氧化应激反应， 作用 于心肌细胞的一些蛋白 质、 酶类、 细胞因子以 及胞液的钙超载等 途径来影响心肌细胞凋亡。 但N O对心肌细胞的 作用有双重性: 既是组织损伤的中间 介质， 又在心肌缺血再灌注损伤中 有保护 心肌作用。因此， N O在心肌细胞

44、凋亡中的作用还值得深人研 究。细胞凋亡的比 例和程度是通过改变细胞内B a k 和B c l - x 的 平衡来调节的。P 5 3 在调节心肌细胞凋亡中也起十分重要的作 用。 L e r i 等u 4 的 研究表明， 牵张 心肌细 胞可引 起A n g II 的 分泌， 并 通过心肌细胞膜上的A T l 受体途径激活P 5 3 ， 引起B c l - 2 J B a x 的比率下降， 最终导致心肌细胞凋亡。长期压力超负荷可引起 P 5 3 下游效应器W A F - 1 的 表达上调， 使心肌细 胞凋亡， 提示了 P 5 3 可诱导不同的 基因表达从而引起心肌细 胞凋亡。 有报道原 癌 基因 如

45、c - f o s , c 一 u n , c - m y c 等 参与 心 肌细 胞凋 亡。 机 械 应 力可 引起f o ， 的表达， 并且呈负 荷依赖性， 随 着负荷增加， f o s 表达 增 强 5 q 。 缺氧可 增加特定的 原癌基因 如。 - f o s , c 一 u n , c - m y c 的 表达 及在细胞核内的浓度， 使心肌细胞产生凋亡问 0 一些离子和质子 泵参与细胞凋亡， 机械 力可 使心肌细 胞氧 耗 增加， 而产生超氧阴 离子使心肌细 胞凋世绷 . C l g o l a 等叫 很 道了 通 过A T l 受体途径， 引起胞液内C a 21 浓 度 增加而 激

46、活钙依赖性核酸 内切酶， 使心肌细胞凋亡。V P A T P a s e ( v a c u o l a r p ro t o n A T P a s e ) 是 一种A T P 依赖 性质子泵， 可以 保护心肌细 胞免于细 胞凋亡。 最近的 研究表明， 白 介素 转换 酶样 蛋白 激酶( I C E - li k e p r o - t e a s e s ) 能诱导心室细胞凋亡ts e lo C p p - 3 2 和C a s p * 属于 半胧氨酸 蛋白 激酶， 前者在心率不齐的右心室凋亡心肌细胞中的表达非 常高159 ， 后者在心 肌梗塞期间 能 诱导心肌细胞凋 亡Iq ， 而C a

47、 s p a s e 的抑制剂如Z V A D - f m k 在一定程度上能抑制细胞凋亡卿 。 不同 的诱发因子可以激活不同的信号途径诱导心肌细胞凋亡。 G u o X u n lI 报道了可以与A T 1 受体结合激活磷m酶C ( P L C ) ， 水 解浆膜上的磷酸肌醇形成 1 , 2 一 甘油二醋 ( D G )和三磷酸肌醇 心 肌细 胞凋亡的 研究进展及意义 J o u r n a l of T U S V o l .2 1 N o .4 2 0 0 6. 困 ( 1 P 3 ) ， 最后激活蛋白 激酶C ( P K C ) ， 诱导心肌细胞凋亡161 。长期 压力超负荷可以激活P

48、 3 8 丝裂素蛋白 激酶( P 3 8 M A P K ) 介导心 肌细胞凋亡M a l ， 而A N P 诱导的 新生儿心肌细胞凋亡是由 环鸟昔 酸( C G M P ) 介导的19 .19 1 . 心肌细胞凋亡的意义 对于心肌细胞凋亡在心脏疾病中的意义， 目 前认为心肌细 胞的丢失可能导致收 缩功能下降， 进而减低心泵功能。A d a m s l t 已报道了严重心衰伴明显心脏扩大和围产期死亡的转基因鼠 G a q 过度表达引起细胞凋亡， 提示凋亡存在于心力衰竭的一个 短暂时期， 凋亡部位电活动的异常可导致心律失常， 凋亡也导致 心肌重塑。因此， 心肌细胞凋亡甚至是局限于局部范围的凋亡，

49、 均可导致细胞结构和电活动紊乱。陈跃峰等冈 的研究也证实了 这一点: 心肌细胞凋亡与心肌梗死后左室晚期重塑和功能不全 有关， 心肌细胞凋亡可导致急性心肌梗死后心室重塑。加强对 这方面的 研究， 将为 揭示心脏病的 发病机制开辟新途径， 从而制 订出合理的治疗方案和预防措施， 为心脏病的预防和治疗提供 更为科学的依据。 目 前我们在运动与心肌细胞凋亡关系方面的研究还不够深 人， 从某种惫义上 说才刚刚起步。 众所周知， 运动与心脏的 关系 相当 密切。 心脏功能的 好坏直接影响 运动成绩的 发挥， 同 样也关 系到运动员的身体健康甚至是运动员的生命。而运动对心脏的 影响还存在着许多值得探讨的问题。 科学系统的训练可使心脏 产生良 好的适应性， 即运动心脏， 这是心脏生理代偿的 结果州 。 但 目 前在运动心脏重塑方面还存在许多令人困惑的问题。虽然人 们认为它是可逆的， 但许多运动员在发生运动心脏时伴有心功 能的下降， 这就让人 们不得不思考运动心脏与病理心脏的区别、 转化、 相互关系等问 题。 在心脏由良 好的适应向 病理性转变过程 中， 心肌细胞凋亡是否存在?如果存在， 其发生与发展的过程如 何? 在这种病理转变过程中 起何作用呢? 如此等等。 王长青等阳 的 研究表明， 运动训练可以 启动心肌细胞