異丙腎上腺素誘導心肌病理損傷機制的研究進展

余樹青(綜述)，肖 芬，吳建新(審校)

(大理學院藥學與化學學院，云南 大理 671000)

異丙腎上腺素(isoproterenol,ISO)為β受體激動劑，可通過興奮心臟，加快心率，增加心肌收縮力等，使心肌耗氧量劇增，氧自由基的釋放增加，導致心肌缺血樣損傷、壞死。目前研究資料顯示，這些病理損傷可能與線粒體能量代謝紊亂、氧化應激、細胞凋亡、細胞內鈣超載、神經內分泌失調和炎性反應等有關[1-3]。該文就ISO誘導心力衰竭模型的病理損傷機制進行綜述，為今后此種動物模型的建立及評價提供參考。

1 線粒體能量代謝紊亂

線粒體基質內含有脂肪酸β氧化和三羧酸循環所需的全部酶類，內膜上具有呼吸鏈酶系及腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)酶復合體。當病理因素致慢性心力衰竭(chronic heart failure，CHF)時，心肌能源供給由脂肪酸的β氧化轉變為以葡萄糖的酵解為主。脂肪酸氧化受到以下三個因素調節：①血漿非酯化脂肪酸(free fatty acid，FFA)水平；②肉堿脂酰轉移酶-Ⅰ活性；③線粒體內分解脂肪酸的β氧化酶的活性[4]。當FFA在心肌大量蓄積，就會抑制線粒體的氧化磷酸化和腺苷酸化，也可以抑制Na+,K+-ATP酶。同時也可抑制丙酮酸的氧化，減少葡萄糖的利用。眭榮燕等[2]采用ISO誘導大鼠心肌肥厚，發現心肌細胞膜Na+，K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性降低。Yuan等[5]采用ISO誘導大鼠急性心肌缺血，發現心肌線粒體脂肪酸β氧化限速酶：肌型肉堿轉移酶Ⅰ(muscle type carnitine transferase Ⅰ，M-CPT-Ⅰ)和關鍵酶中鏈脂肪乙酰輔酶A脫氫酶(mid-chain acetyl CoA dehydrogenase，MCAD)mRNA表達均顯著下降，過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferators-activated receptor α，PPAR α)mRNA表達也顯著下降，而血清和心肌組織FAA、肌酸激酶和乳酸脫氫酶顯著升高。M-CPT-Ⅰ和MCAD的基因表達均受PPARα調節，激活PPARα，能明顯上調M-CPT-Ⅰ和MCAD mRNA的表達。楊永曜等[6]采用ISO誘導心肌缺血損傷，發現血漿FFA水平上升，心肌PPARα mRNA及關鍵酶(M-CPT-Ⅰ，MCAD)表達下調，線粒體氧化磷酸化受到抑制。Devika等[7]注射ISO后發現心肌線粒體三羧酸循環酶：異枸櫞酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶和α-酮戊二酸脫氫酶活性顯著下降，呼吸鏈標志性酶：還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸脫氫酶和細胞色素C氧化酶活性顯著下降。

2 誘導氧化應激

當生成酶系活性增強或消除酶系活性降低，就會造成氧化應激狀態。機體的抗自由基物質種類很多，主要包括酶性和非酶性的各類抗氧化劑，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、多種維生素等。Priscilla等[8]注射ISO后發現血清和心肌組織抗氧化酶類和非酶類抗氧化物質均顯著下降。而血清和心肌組織損傷標志性蛋白，如心肌肌鈣蛋白T、肌酸激酶、肌酸激酶同工酶、谷草轉氨酶、谷丙轉氨酶和血清乳酸脫氫酶同工酶水平顯著升高。趙曉明等[9]注射ISO建立大鼠急性心肌梗死模型，發現丙二醛、8-羥基脫氧鳥苷水平升高而超氧化物歧化酶活性下降。NO是由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)催化生成。NOS有三種亞型：神經型一氧化氮合酶(neuronal NOS，nNOS)、內皮型一氧化氮合酶(endothelial NOS，eNOS)及誘導型一氧化氮合酶(inducible NOS，iNOS)。正常情況下，NO可通過一氧化氮-環鳥苷酸通路在CHF發生、發展中對抗縮血管物質以及交感神經興奮引起的外周血管阻力的增高[10]。但隨著CHF的發展iNOS的表達增加促使NO合成過度，NO與超氧陰離子O2+生成過氧化硝基陰離子ONOO-，后者是造成細胞損傷、引起心肌收縮功能障礙的主要物質之一。Ribeiro等[11]注射大劑量ISO后發現，心肌iNOS mRNA表達顯著升高，合成過量NO，產生大量的ONOO-和氧自由基。

3 誘導細胞凋亡

以前認為細胞凋亡具有兩條主要的途徑：一條由細胞死亡受體(腫瘤壞死因子受體或Fas)介導，通過死亡區域蛋白和死亡區域蛋白樣白細胞介素1-轉化酶樣抑制蛋白激活胱天蛋白酶(caspase)8；另一條途徑由發育信號或生長因子撤除所誘發，引發細胞色素C從線粒體中釋放，使Apaf1(Apoptotic protease activating factor-1)多聚體化并激活caspase-9，此途徑可被B細胞淋巴瘤/白血病2(Bcl-2)家族蛋白所調控[12]。內質網應激是繼死亡受體信號途徑和線粒體途徑之后新近發現的一條細胞凋亡通路，它主要激活三條信號通路：未折疊蛋白反應、內質網超負荷反應、固醇調節級聯反應。適度的應激可通過未折疊蛋白反應產生細胞保護作用，但當應激過強或時間過長時三種內質網感應蛋白就會通過CHOP(C/EBP homologous protein)激活途徑、c-Jun氨基端激酶(c-Jun-N-terminal kinase，JNK)激活通路和caspase-12的激活介導下游凋亡相關基因表達，從而引發細胞凋亡。雙鏈RNA依賴的蛋白激酶樣內質網激酶(PKR-like ER kinase，PERK)、活化轉錄因子6(activating transcription factor 6，ATF6)和肌醇激酶1(inositol-requiring enzyme 1，IRE1)是內質網內的三種跨膜受體蛋白。內質網應激時IRE1-α和IRE1-β、ATF6及PERK的活化均可誘導CHOP生成，CHOP通過上調促凋亡蛋白Bax、下調Bcl-2表達，促進線粒體細胞色素C釋放、凋亡小體形成和caspase活化導致細胞凋亡[13]。另外，IRE1與腫瘤壞死因子受體相關因子2(tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2)結合啟動JNK級聯反應，促進caspase-12聚集與活化，進而激活caspase-9、caspase-3而誘導細胞凋亡[14]。趙智明等[15]注射ISO后發現Bax、caspse-9和caspase-3表達明顯增加，Bcl-2表達減少。近年來大量的文獻報道，ISO還可通過多條途徑激活凋亡相關基因和凋亡蛋白酶，如p38絲裂原激活蛋白激酶途徑、核因子κB、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)受體途徑和白細胞介素6途徑[16]。

4 細胞內Ca2+超載

Ca2+是心肌細胞中許多重要的信號轉導通路的調節因子，胞內Ca2+超載則可激活心肌細胞的信號轉導通路，導致CHF的發生。胞膜上的Na+，K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶及Ca2+，Mg2+-ATP酶對于維持細胞內的離子濃度具有重要生理意義。此三種酶活性下降，均能導致胞內Ca2+超載，從而引起心肌細胞凋亡。齊敏友等[17]和Sampath等[18]發現ISO能造成心肌鈣超載，使心肌Ca2+-ATP酶、Na+，K+-ATP酶和Mg2+-ATP酶水平顯著下降。有研究提示，胞內升高的Ca2+可以與鈣調蛋白結合，調節其下游因子(如鈣調磷酸酶)，而鈣調磷酸酶則是唯一受Ca2+與鈣調素活化的磷蛋白磷酸酶，通過使活化T細胞核因子3去磷酸化移位到細胞核而造成心肌肥大[19]。王培勇等[20]用ISO誘導大鼠心肌肥厚纖維化，發現心肌細胞核45Ca2+攝取能力降低，核上RyR(ryanodine受體)數目上調，而1,4,5-三磷酸受體數目下調，提示心肌細胞核鈣調節系統參與心肌肥厚的發生過程。沈建新等[21]利用ISO激活β腎上腺素受體，結果發現心肌細胞內鈣釋放和肌質網內鈣容量均明顯增加，推斷ISO可能通過蛋白激酶A使L-型鈣通道磷酸化，從而內流鈣增多，再通過鈣誘導鈣釋放機制激發更多的鈣釋放，但至于ISO是否可導致鈣釋放通道的磷酸化而調節胞內鈣釋放，目前還不清楚。

5 神經內分泌失調

已有大量文獻表明，大劑量注射ISO能使腎素-血管緊張素-醛固酮系統(rennin-angiotensin-aldosterone-system，RAAS)被高度激活。進而使血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)水平增加，AngⅡ通過血管緊張素Ⅱ受體(angiotensinⅡreceptor，AT1)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、蛋白激酶C、p38絲裂原激活蛋白激酶激活蛋白1的序貫活化上調轉化生長因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)基因的表達，引起細胞外基質的大量增生和過度積聚，導致心肌纖維化發生。另外，AngⅡ與AT1結合，可激活鈣通道使細胞內Ca2+濃度升高，造成心肌胞內Ca2+超載。近年來也發現醛固酮具有獨立于且相加于AngⅡ的心臟毒性作用。廖火城等[22]注射ISO誘導大鼠心肌纖維化過程中發現血漿AngⅡ水平、TGF-β1水平、心肌TGF-β1蛋白表達及TGF-β1mRNA表達顯著升高。也有研究發現，醛固酮具有導致心肌、血管的纖維化和重構、膠原的沉著及降低心肌順應性的作用[23]。其機制可能是醛固酮經絲裂原激活的蛋白激酶和鹽皮質激素受體上調心肌細胞結締組織生長因子表達，而參與心肌的纖維化；并且醛固酮還能上調心室肌成纖維細胞內皮素受體，誘導基質金屬蛋白酶活性增加和刺激活性氧類產生，并經JAK2激酶依賴通路上調血管緊張素轉化酶基因表達等多種途徑，參與心肌纖維化的形成。

6 炎性反應

研究顯示，炎性細胞因子(如TNF-α、白細胞介素1β、白細胞介素6等)可能通過多種不同機制降低心肌收縮力、左心室重構、誘導心肌細胞凋亡、從而促進心力衰竭的發生、發展。已有研究表明這些炎性介質可作用于其受體，通過caspase-8途徑引起凋亡而加重心力衰竭,焦向英等[3]用ISO長期刺激其受體，發現血中心肌炎性因子C反應蛋白增高，心肌和血液中白細胞介素6、TNF-α等水平也升高，提示體內存在較強的炎性反應。劉瑜等[24]注射ISO誘導大鼠心肌缺血后發現CD40-CD40L炎癥途徑被激活，且炎性因子CD40、CD40L的表達顯著增強。也有研究表明，心肌損傷時p38激酶活化可誘導TNF-α、白細胞介素1、白細胞介素6等的表達增加，而TNF-α生成后也可通過其受體進一步激活p38激酶，加重損傷[25]。

7 結 語

心力衰竭是一種復雜的臨床綜合征，它是各種心臟病的終末階段，發病率及病死率均較高，嚴重危害著人類健康。ISO誘導心力衰竭動物模型是一種無創、簡單的實驗方法，且與臨床上人類常見的心力衰竭相關性大，尤其是在研究缺血梗死后的心室重構和心肌纖維化方面有顯著優勢。但其損傷機制較復雜，且常常是多種因素相互協同作用，許多信號分子還存在雙向調節作用，其損傷機制與給藥劑量和給藥時間是否有相關性還不清楚。因此，要完全闡明其損傷機制還有待更深一步的研究。

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