缺血狀態下心肌代謝變化的研究概況

王俊梅，李 偉，顏璐璐，馬曉慧(綜述)，馬英麗(審校)

(1.黑龍江中醫藥大學，哈爾濱 150040； 2.天士力研究院藥理毒理研究所，天津 300410)

心肌缺血是一種臨床高發疾病，多由冠狀動脈粥樣硬化所引起。由于管腔狹窄或血管痙攣以及心臟對氧氣的需求量增加，出現一系列氧供需平衡障礙，進而引起心肌代謝的相應變化。主要涉及到能量代謝、糖代謝、氨基酸代謝和脂代謝等多方面。近年來，代謝組學在該領域得到廣泛應用，為心肌缺血性疾病的研究開辟了新思路。該文就缺血狀態下心肌代謝變化的相關研究予以綜述，旨在闡述心肌缺血與代謝變化的密切關系，為該疾病發病機制、疾病診斷、藥物治療的相關研究提供參考依據。

1 正常狀態的心肌代謝

心肌的一切活動均需要能量，其產生的兩大途徑包括：糖酵解和氧化磷酸化。正常狀態下，心肌所需能量的60%～90%來自非酯化脂肪酸的β氧化[1]，長鏈脂肪酸借助肉堿丙酰轉移酶1和肉堿丙酰轉移酶2進入線粒體進行β氧化，產生乙酰輔酶A，進入三羧酸循環產生腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)提供能量。另外,10%～40%的能量則由葡萄糖、乳酸和丙酮酸等糖類提供。葡萄糖經過糖酵解產生丙酮酸，乳酸在乳酸脫氫酶的作用下產生丙酮酸，最終在丙酮酸脫氫酶作用下，轉變成乙酰輔酶A進入三羧酸循環[2]。脂肪酸代謝和葡萄糖代謝是可以相互調節的。脂肪酸氧化代謝增強可以抑制葡萄糖的氧化代謝：①脂肪酸氧化產生的檸檬酸可以抑制磷酸果糖激酶的活性；②脂肪酸氧化增強可以增加乙酰輔酶A和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸I水平，并抑制丙酮酸脫氫酶活性，進而抑制葡萄糖酵解。反之，葡萄糖和乳酸增加，可促進乙酰輔酶A的合成，刺激丙二酰輔酶A生成，從而抑制脂肪酸的氧化。

2 缺血狀態的心肌代謝

2.1心肌缺血對糖代謝的影響

2.1.1心肌缺血對糖酵解通路的影響 心肌輕度缺血時糖攝取量增加的同時糖酵解作用也加速，通過提供有限的ATP，維持重要酶的活性，如Na+/K+-ATPase和肌質網Ca2+-ATPase[3]。嚴重缺血時，葡萄糖釋放量的減少，糖原的耗竭，磷酸果糖激酶和甘油醛-3-磷酸脫氫酶水平上的酶抑制作用，以及磷酸果糖激酶的轉位、滅活均不同程度的抑制了糖酵解作用，使ATP的數量減少。而糖酵解/糖氧化比例的失調進一步造成代謝產物(如乳酸、H+)堆積，加劇心肌細胞的受損程度。

2.1.2心肌缺血對葡萄糖轉運的影響 葡萄糖轉運體(glucose transporter，GLUTs)是細胞膜上的一種跨膜糖蛋白,主要負責將葡萄糖分子從高濃度向低濃度運載過細胞膜。在心肌中高表達的GLUTs主要包括GLUT1和GLUT4[4]。心肌缺血時，分布于細胞器膜的GLUT1和存在于囊泡內的GLUT4迅速移位至細胞質膜，使心肌細胞攝取更多的外源性葡萄糖以代償缺血心肌能量利用的失衡[5-7]。缺氧時間過長，GLUTs的轉移過程則受到一定程度抑制[8]。

2.1.3心肌缺血對糖原代謝的影響 作為心肌細胞有力的能量來源物質，糖原的多少直接關系到心肌細胞受損的程度。心肌糖原在缺血時分解增強。由于糖原的位置靠近肌質網，它的代謝轉化可在原地對鈣泵提供ATP。王彬[9]研究發現，心肌缺血/再灌注損傷大鼠模型組糖原消耗顯著，糖原合成受阻，心肌細胞受損明顯。吳偉康等[10]研究表明,心肌缺血時心肌糖原消耗量增加，無氧酵解增強。

2.2心肌缺血對脂代謝的影響

2.2.1非酯化脂肪酸明顯提高 有氧條件下脂肪酸是心肌主要能源，而在心肌缺血時脂肪酸代謝受到抑制，非酯化脂肪酸明顯升高。隨之胞質溶膠和線粒體內脂酰輔酶A、脂酰卡尼汀等有害中間產物蓄積。胞質溶膠脂酰輔酶A增加后，脂酰輔酶A合成酶被抑制，心肌中脂肪酸水平上升，脂肪酸的攝取下降。另一方面，心肌缺血可引起交感神經興奮，通過β受體，使體內脂肪組織分解，血中非酯化脂肪酸增高，心肌內非酯化脂肪酸也隨之升高[11]。王紅艷等[12]研究結果顯示，心肌缺血后血清中非酯化脂肪酸水平顯著升高，分析其原因可能與心肌氧供應受到限制，心肌細胞對非酯化脂肪酸利用減少有關。

2.2.2脂肪酸合成增強 缺血狀態下，心肌利用α磷酸甘油和脂酰輔酶A合成三酰甘油的作用有所增強。這與還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸比值的增加、三羧酸循環被抑制，乙酰輔酶A及乙酰卡尼汀等合成脂酰輔酶A有關[11]。

2.3心肌缺血對氨基酸代謝的影響 張永亮等[13]應用離子交換色譜法對急性心肌缺血家兔的蛋白質降解和氨基酸代謝進行了研究。結果表明游離氨基酸總量、蘇氨酸、甘氨酸、精氨酸以及組織氨水平的降低是缺血心肌氨基酸代謝的特征性變化。Arsenite[14]研究發現，缺血時冠狀竇中谷氨酸水平顯著降低，而谷氨酸的補充可有效改善心肌做功，加速糖酵解。

2.4心肌缺血對乳酸代謝的影響 急性心肌缺血時，糖酵解產生的丙酮酸不能進入三羧酸循環而還原為乳酸并蓄積于心肌細胞。陳炬等[15]通過測定心肌乳酸吸收分數和心肌乳酸吸收比發現急性心肌缺血后心肌細胞代謝和利用乳酸的能力下降。心肌乳酸吸收分數和心肌乳酸吸收比是診斷心肌缺血極有價值的依據之一。

2.5心肌缺血對能量代謝的影響 心肌缺血時，磷酸肌酸作為心肌的一種能量儲備物質，其水平顯著降低。缺血初期，磷酸肌酸轉化為ATP，提供心肌所需能量，此時ATP下降不明顯；當缺血時間過長，超過心肌能量儲備時，ATP明顯下降，并伴有腺苷二磷酸、腺苷一磷酸等升高[6]。同時，ATP的缺乏使Na+/K+-ATP酶活性受抑制，細胞內Na+不能及時排出，Na+濃度的升高啟動Na+-Ca2+交換，致細胞內Ca2+超負荷，從而使線粒體Ca2+增多，其與無機磷酸根結合成鈣鹽沉積，使細胞內呼吸鏈功能受損，ATP進一步減少，形成惡性循環，加速心肌細胞死亡。另一方面線粒體受損使氧化酶活性降低致使單電子還原增多，氧自由基增加，進而膜脂質過氧化，促使損傷進一步發展[16]。趙雅君等[17]曾對大鼠心肌缺血/再灌注時能量代謝進行了研究，缺氧/復氧組心肌組織中腺苷一磷酸、腺苷二磷酸、ATP水平均顯著低于正常對照組。

結合上述文獻發現：缺血狀態下心肌代謝發生了復雜變化。但相關研究也僅局限在某一代謝途徑，對心肌代謝的整體變化未做深入研究。近年來，代謝組學的應用在一定程度上彌補了這一不足。

3 代謝組學技術在心肌代謝研究中的應用

代謝組學是研究生物體系(細胞，組織或生物體)受外部刺激所產生的所有代謝產物變化的科學[18-19]。其主要是利用先進分析檢測技術結合模式識別和專家系統等計算分析方法，對機體小分子代謝產物進行整體水平上的研究，進而可以通過了解機體整個代謝網絡，來進行疾病診斷和發病機制研究[20]。

Sabatine等[21]應用液相色譜-質譜聯用儀技術，對比鑒定了18例勞累型心肌缺血患者以及非心肌缺血患者的血漿代謝物，心肌缺血組檸檬酸循環代謝物顯著改變，γ氨基丁酸、瓜氨酸、精氨酸、琥珀酸酯均顯著降低；另一方面，Barba等[22]采用基于核磁共振的代謝組學研究了31例勞累型心肌缺血患者的代謝產物變化，乳酸鹽、葡萄糖、脂質以及長鏈氨基酸等均顯著改變。以上兩項研究結果均提示，心肌缺血與三羧酸循環通路、修飾脂質、長鏈氨基酸密切相關。劉胤敏[23]采用代謝組學方法分析了大鼠血漿和尿液代謝物，發現能量代謝、糖代謝、氨基酸代謝通路中相關物質水平變化與心肌缺血密切相關。這為心肌缺血的病理過程研究提供了參考。呂永海[24]建立了超高效液相色譜-飛行時間質譜儀代謝組學研究平臺，通過質譜數據最終鑒定了22個心肌缺血生物標志物，初步闡釋了心肌缺血的損傷機制。Bodi等[25]將以核磁共振為基礎的代謝組學技術應用于豬與人血漿的分析中。結果表明，心肌缺血初期(10 min)，葡萄糖、乳酸、甘氨酸、苯基丙氨酸等水平均有所增加；而膽堿內含物、三酰基甘油減少；缺血2 h后肌酸、脂肪酸增加。王勇等[26]運用氣相色譜串聯質譜儀對模型組和假手術組豬血漿進行代謝組學分析，發現慢性心肌缺血狀態下，糖類、脂類以及氨基酸代謝均出現障礙，最終導致檸檬酸循環通路異常。其中檸檬酸、葡萄糖、硬脂酸等物質可能成為該病癥臨床診療重要的參考指標。嚴蓓等[27]在應用代謝組學方法評價心肌缺血大鼠模型的過程中分析心肌缺血涉及能量代謝、糖代謝、脂代謝、核苷酸代謝和氨基酸代謝異常，這為進一步在分子水平評價藥效奠定了理論基礎。

4 結 語

缺血性心臟病的病發率和病死率逐年上升，勢必成為醫學領域研究的熱點。但迄今其發病機制仍不明確，缺乏特效的治療方法和藥物，這種現狀急待解決。代謝異常作為缺血心肌的特征性變化，對其深入研究具有極大的潛在價值。明確缺血狀態下心肌代謝變化，才能為該疾病發病機制、疾病診斷、藥物治療的研究奠定基礎。近年來，伴隨著代謝組學的應用與發展，多項研究從代謝網絡的角度近一步闡述了缺血心肌代謝的整體變化。因此，希望通過代謝組學對缺血性心臟病的研究，可以明確其發病機制，從而探索到有效的治療方法和藥物。

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