10周有氧訓(xùn)練對(duì)心力衰竭大鼠心臟重塑和運(yùn)動(dòng)耐力的影響

程蕾　李曉霞

摘要：目的：探討長(zhǎng)期有氧訓(xùn)練對(duì)心力衰竭（HF）大鼠心臟重塑（包括結(jié)構(gòu)性重塑和功能性重塑）及運(yùn)動(dòng)耐力的影響。方法：8周齡清潔級(jí)雄性Wistar大鼠結(jié)扎冠狀動(dòng)脈建立HF模型，4周后隨機(jī)分為假手術(shù)對(duì)照組（Sham組）、假手術(shù)運(yùn)動(dòng)組（Sham+E組）、心衰對(duì)照組（HF組）和心衰運(yùn)動(dòng)組（HF+E組）。Sham+E組和HF+E組進(jìn)行10周有氧訓(xùn)練（跑臺(tái)），Sham組和HF組保持安靜狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)前后利用超聲心動(dòng)術(shù)檢測(cè)心臟結(jié)構(gòu)參數(shù)包括左室舒張期內(nèi)徑（LVIDd）、左室收縮期內(nèi)徑（LVIDs）、左室舒張期前壁厚度（LVAWDd）、左室收縮期前壁厚度（LVAWDs）、左室舒張期后壁厚度（LVPWDd）、左室收縮期后壁厚度（LVPWDs）以及心功能參數(shù)包括縮短分?jǐn)?shù)（FS）、左室射血分?jǐn)?shù)（LVEF）和心率（HR）；利用跑臺(tái)遞增負(fù)荷力竭運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定大鼠的運(yùn)動(dòng)耐力參數(shù)包括力竭時(shí)間、力竭距離和最大跑速。實(shí)驗(yàn)后取心臟稱量體重（BW）、左室重量（LVW）、右室重量（RVW）并計(jì)算左室質(zhì)量指數(shù)（LVMI），利用Masson染色法進(jìn)行組織病理學(xué)觀察并獲得心肌膠原容積分?jǐn)?shù)（CVF）。結(jié)果：1）與Sham組比較，HF組最大跑速、力竭距離、力竭時(shí)間、BW、LVIDd、FS和LVEF降低（P<0.01），LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd、LVPWDs和CVF升高（P<0.01）；2）與HF組比較，HF+E組最大跑速、力竭距離和力竭時(shí)間、LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF升高（P<0.01），HR和CVF降低（P<0.01）。結(jié)論：1）HF后心臟出現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能重塑，運(yùn)動(dòng)能力下降；2）10周有氧跑臺(tái)訓(xùn)練逆轉(zhuǎn)了HF大鼠心臟重塑，運(yùn)動(dòng)耐力提高。

關(guān)鍵詞：有氧訓(xùn)練；心臟；心力衰竭；重塑；運(yùn)動(dòng)耐力

中圖分類號(hào)：G804.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-2076（2015）01-0080-05

Abstract：Objective： To investigate the effect of 10 weeks aerobic training on cadiac remodeling （including structure remodeling and function remodeling） as well as exercise tolerance of heart failure （HF） rats. Methods： HF model was established through ligating coronary artery in clean grade Wistar

心力衰竭（heart failure，HF）是各種心臟疾病導(dǎo)致心功能不全的一種綜合征，由于心肌收縮力下降使心排血量不能滿足機(jī)體代謝需要，器官、組織血液灌注不足，同時(shí)出現(xiàn)肺循環(huán)和（或）體循環(huán)淤血的表現(xiàn)[1]。HF時(shí)心臟發(fā)生結(jié)構(gòu)性重塑和功能性重塑，最終導(dǎo)致心功能降低、運(yùn)動(dòng)耐力下降，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量[2]。薈萃分析及臨床研究顯示，有氧訓(xùn)練（耐力運(yùn)動(dòng)）可有效改善HF患者生活質(zhì)量，降低住院率與死亡率，已成為防治HF的重要康復(fù)手段之一[3]。但有氧訓(xùn)練對(duì)HF產(chǎn)生良性效應(yīng)的機(jī)制尚不清楚。本研究以Wistar大鼠為受試對(duì)象，通過(guò)結(jié)扎冠狀動(dòng)脈建立心梗后HF模型，觀察10周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)心臟重塑和運(yùn)動(dòng)耐力的影響，為制定針對(duì)HF患者特異性運(yùn)動(dòng)處方提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

8周齡健康清潔級(jí)雄性Wistar大鼠48只，體重250～280 g，由山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司提供，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào)：SCXK[魯]2008-0003。大鼠分籠飼養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)室溫度為24℃～26℃，濕度40%～60%，自然光照，自由進(jìn)食水。大鼠適應(yīng)環(huán)境一周后再進(jìn)行3天適應(yīng)性訓(xùn)練（跑臺(tái)），運(yùn)動(dòng)方案為：每天訓(xùn)練15 min，速度為5 m/s（坡度為0°），而后開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)。

1.2 心梗后HF模型的建立和實(shí)驗(yàn)分組

適應(yīng)性訓(xùn)練結(jié)束后第二天，將動(dòng)物隨機(jī)分為心衰組（n=28）和假手術(shù)組（n=20）。心衰組通過(guò)結(jié)扎冠狀動(dòng)脈建立心梗后HF模型，方法為：1%戊巴比妥鈉麻醉并仰臥固定，行氣管插管并連接呼吸機(jī)以監(jiān)測(cè)心電圖的實(shí)時(shí)變化；于胸骨左側(cè)第3肋與第4肋之間開(kāi)胸，破壞胸包暴露心臟，由左心耳下方2～3 mm處用0號(hào)絲線結(jié)扎左冠狀動(dòng)脈前降支；心電圖顯示QRS波增高增寬，ST段弓背向上抬高0.2 mV以上持續(xù)15 min為結(jié)扎成功。隨后迅速放回心臟，關(guān)閉胸腔縫合胸壁。假手術(shù)組開(kāi)胸后只栓線，不結(jié)扎，其他操作同心衰組。術(shù)后連續(xù)一周肌注抗生素以預(yù)防感染。四周后行超聲心術(shù)檢測(cè)（方法見(jiàn)1.5），以左室射血分?jǐn)?shù)（left ventricular ejection fraction，LVEF）≤45%作為造模成功的標(biāo)志，其中2只動(dòng)物造模失敗，1只死亡。隨后將假手術(shù)組隨機(jī)分為假手術(shù)對(duì)照組（Sham組，n=10）和假手術(shù)運(yùn)動(dòng)組（Sham+E組，n=10），心衰組隨機(jī)分為心衰對(duì)照組（HF組，n=12）和心衰運(yùn)動(dòng)組（HF+E組，n=13）。Sham組和HF組保持安靜狀態(tài)，Sham+E組和HF+E組進(jìn)行10周有氧訓(xùn)練（跑臺(tái)）。

1.3 運(yùn)動(dòng)耐力測(cè)定與10周運(yùn)動(dòng)方案

參照本課題組已建立的遞增負(fù)荷力竭運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)耐力測(cè)定[4]。HF組和HF+E組先進(jìn)行15 min熱身（速度為5 m/min，坡度為0°）后休息5 min，再進(jìn)行遞增負(fù)荷測(cè)試，方法為：起始負(fù)荷為7 m/min，每3 min遞增5 m/min，坡度為0°，直至力竭，力竭標(biāo)準(zhǔn)為：動(dòng)物不能堅(jiān)持本級(jí)負(fù)荷跑速，先后滯于跑道后1/3處達(dá)6次以上，聲、光、電刺激驅(qū)趕無(wú)效。記錄最大跑速、力竭距離和力竭時(shí)間。Sham組和Sham+E組除起始負(fù)荷定為10m/min外，其他步驟同上。

Sham+E組HF+E組動(dòng)物進(jìn)行10周有氧跑臺(tái)訓(xùn)練。具體方案如下，跑速：前2周為最大跑速的50%，后8周為最大跑速的60%；時(shí)間：第一天30 min，以后每天遞增10 min，直到60 min/d；頻率：5 d/w。

1.4 超聲心動(dòng)術(shù)檢測(cè)心臟結(jié)構(gòu)與功能

用小動(dòng)物超聲圖成像系統(tǒng)（visualsonics vevo770，加拿大）檢測(cè)心臟結(jié)構(gòu)與功能。檢測(cè)前以1%戊巴比妥鈉30 mg/kg腹腔麻醉大鼠，仰臥固定。取胸骨旁左室短軸切面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量參數(shù)包括左室舒張期內(nèi)徑（left ventricular internal diameter at diastole，LVIDd）、左室收縮期內(nèi)徑（left ventricular internal diameter at systole，LVIDs）、左室舒張期前壁厚度（left ventricular anterior wall diameter at diastole，LVAWDd）、左室收縮期前壁厚度（left ventricular anterior wall diameter at systole，LVAWDs）、左室舒張期后壁厚度（left ventricular posterior wall diameter at diastole，LVPWDd）、左室收縮期后壁厚度（left ventricular posterior wall diameter at systole，LVPWDs）以及縮短分?jǐn)?shù)（fractional shortening，F(xiàn)S）、LVEF和心率（heart rate，HR）。每項(xiàng)指標(biāo)測(cè)量3個(gè)心動(dòng)周期，取均值。

1.5 動(dòng)物取材

大鼠稱體重（body weight，BW）后斷頭處死并取心臟，用生理鹽水沖洗，濾紙沾干，分離左右心室，分別稱量左室重量（left ventricular weight，LVW）、右室重量（right ventricular weight，RVW）并計(jì)算左室質(zhì)量指數(shù)（left ventricular mass index，LVMI）（LVMI=LVW/BW）。稱重后迅速將組織置于液氮中并轉(zhuǎn)移至-80℃冰箱凍存待測(cè)。

1.6 心臟組織病理學(xué)檢查以及心肌膠原容積分?jǐn)?shù)測(cè)定

心室肌組織常規(guī)固定脫水后，沿心臟長(zhǎng)軸將心尖至結(jié)扎點(diǎn)取2 mm厚組織制作切片，40g/L多聚甲醛固定24 h，石蠟包埋，Masson染色，普通光鏡觀察各組心肌組織病理學(xué)變化。每張切片隨機(jī)選取5個(gè)視野，用圖像分析軟件測(cè)量膠原組織所占百分率（心肌膠原面積/所測(cè)視野面積），取平均值即為心肌膠原容積分?jǐn)?shù)（collagen volume fraction，CVF）。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS15.0 for windows統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。數(shù)據(jù)以“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，組間比較使用單因素方差分析，兩兩比較使用LSD檢驗(yàn)。顯著性水平定為P<005，非常顯著水平定為P<001。

2 結(jié)果

2.1 最終樣本量

造模過(guò)程中，2只動(dòng)物造模失敗，1只死亡。10周運(yùn)動(dòng)干預(yù)過(guò)程中，Sham組拒跑大鼠1只，HF組死亡2只、拒跑1只，HF+E組死亡3只、拒跑2只。剔除上述大鼠后，最終樣本量n=36，其中Sham組（n=9），Sham+E組（n=10），HF組（n=9），HF+E組（n=8）。

2.2 運(yùn)動(dòng)耐力的變化

與Sham組比較，Sham+E組最大跑速、力竭距離和力竭時(shí)間均顯著性升高（P<001），而HF組上述指標(biāo)均明顯下降（P<001）；與HF組比較，HF+E組各運(yùn)動(dòng)耐力參數(shù)均顯著性升高（P<001）。見(jiàn)表1。

2.3 心臟結(jié)構(gòu)與功能變化

與Sham組比較，Sham+E組BW和HR降低（P<001），LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF增加（P<001），而HF組BW、LVIDd、FS和LVEF降低（P<001），LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd和LVPWDs增加（P<001）；與HF組比較，HF+E組HR降低（P<001），LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF升高（P<0.01）（見(jiàn)表2）。超聲心動(dòng)術(shù)見(jiàn)圖1。

2.4 心肌Masson染色與CVF

心肌Masson染色顯示：膠原纖維呈藍(lán)色，心肌細(xì)胞呈紅色。Sham組和Sham+E心肌纖維著色均勻，無(wú)膠原成分；HF組心肌細(xì)胞減少，膠原成分顯著增多，纖維化程度明顯，CVF高于Sham組（P<0.01）；HF+E組較HF組心肌細(xì)胞增多且排列較整齊，膠原纖維（即CVF）明顯減少（P<0.01）（見(jiàn)圖2～3）。

3 討論

3.1 HF后心臟發(fā)生結(jié)構(gòu)與功能重塑

HF造模的方法有多種，包括縮窄腹主動(dòng)脈法、結(jié)扎冠狀動(dòng)脈法、快速心室起搏法、戊巴比妥鈉靜脈注射法、阿霉素法和異丙腎上腺素注射法等，其中人工結(jié)扎左冠狀動(dòng)脈前降支造成心梗后HF是造模最常用的方法。一般認(rèn)為，結(jié)扎術(shù)后2～4周可獲得慢性HF模型，此模型廣泛應(yīng)用于HF發(fā)病機(jī)理、各種干預(yù)手段（手術(shù)、藥物以及運(yùn)動(dòng)等）療效評(píng)價(jià)等研究[5]。

HF發(fā)生后，由于心肌負(fù)荷過(guò)重、交感神經(jīng)過(guò)度激活以及氧化應(yīng)激等原因，通過(guò)不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路改變相應(yīng)基因的表達(dá)，包括一些胚胎基因活化，一些基因過(guò)表達(dá)、失活、缺失或突變，調(diào)控蛋白合成以及細(xì)胞生長(zhǎng)改變[6]。重塑基因的病理性改建可促使心臟結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，即心臟結(jié)構(gòu)重塑和功能重塑[7]。在本研究中，與Sham組比較，HF組LVIDd降低，LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd和LVPWDs增加，提示HF后發(fā)生病理性心臟肥大，表現(xiàn)為心腔縮小、心壁增厚（向心性肥大）。心臟結(jié)構(gòu)重塑在HF初期對(duì)維持心功能起到一定的代償作用，但心臟長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷將導(dǎo)致心肌進(jìn)一步發(fā)生重塑，包括心肌纖維化（即CVF增加）、細(xì)胞凋亡和壞死，造成心輸出量降低并加速HF進(jìn)程，心功能隨之下降，即在本研究中，與Sham組比較，HF組FS和LVEF顯著性降低。心功能下降最終導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)耐力下降，即HF組最大跑速、力竭距離和力竭時(shí)間明顯低于Sham組。

3.2 有氧訓(xùn)練對(duì)心臟重塑以及運(yùn)動(dòng)能力的影響

近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)康復(fù)作為防治慢性病的非藥物療法，具有節(jié)省開(kāi)銷、簡(jiǎn)便易行、副作用小且效果持續(xù)等特點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床隨機(jī)對(duì)照研究以及薈萃分析均顯示，長(zhǎng)期堅(jiān)持規(guī)律有氧訓(xùn)練可減輕HF患者疲勞、呼吸困難等癥狀，提高患者生活質(zhì)量并降低住院率與死亡率[8-9]。有氧訓(xùn)練對(duì)HF產(chǎn)生良性效應(yīng)的機(jī)制尚不清楚，可能與心臟結(jié)構(gòu)與功能的改善有關(guān)。在本研究中，與Sham組比較，Sham+E組HR降低，LVW、LVMI和LVIDd增加，提示長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)心肌出現(xiàn)離心性肥大，即心腔擴(kuò)大，室壁增厚不明顯。由于心功能增強(qiáng)（FS和LVEF增加）、運(yùn)動(dòng)耐力提高（最大跑速、力竭距離和力竭時(shí)間增加），因此這種結(jié)構(gòu)變化屬于生理性心肌肥大[10]。而與HF組比較，HF+E組左心室重量（LVW、LVMI）增加、心腔內(nèi)徑（LVIDd）增大，室壁厚度無(wú)明顯改變，這是由于有氧訓(xùn)練增加心臟容量負(fù)荷（前負(fù)荷），心肌出現(xiàn)“離心性肥大”，同時(shí)心肌纖維化減輕（CVF明顯減少），心功能增強(qiáng)（HR下降，F(xiàn)S和LVEF增加），運(yùn)動(dòng)耐力提高（最大跑速、力竭距離和力竭時(shí)間增加）。上述結(jié)果提示，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的生理性心肌肥大與病理性心肌肥大在HF大鼠有氧訓(xùn)練干預(yù)過(guò)程中并存且相互抗衡，最終前者的良性作用逆轉(zhuǎn)了后者的負(fù)面效應(yīng)，表現(xiàn)為心臟結(jié)構(gòu)由病理性肥大向生理性肥大轉(zhuǎn)變，即由HF時(shí)的向心性肥大轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)康復(fù)后的離心性肥大，這一結(jié)論在Garciarena等[11]針對(duì)自發(fā)性高血壓大鼠的研究中也得到進(jìn)一步證實(shí)。因此，長(zhǎng)期有氧訓(xùn)練通過(guò)抑制HF時(shí)的心臟結(jié)構(gòu)重塑改善心功能，運(yùn)動(dòng)能力隨之提高。研究證實(shí)，運(yùn)動(dòng)耐力下降是影響HF患者生活質(zhì)量的主要原因，也是HF患者預(yù)后的獨(dú)立危險(xiǎn)因子，因此改善HF患者的心功能特別是運(yùn)動(dòng)耐力是評(píng)價(jià)各種治療方案效果的終點(diǎn)指標(biāo)。

運(yùn)動(dòng)改善心肌重塑和運(yùn)動(dòng)耐力的分子機(jī)制尚不明確。藥理學(xué)研究表明[12]，降低重塑基因TGF-β1表達(dá)則可減弱心肌膠原合成，對(duì)于心肌纖維化具有潛在應(yīng)用價(jià)值。運(yùn)動(dòng)可下調(diào)衰老大鼠心肌TGF-β1表達(dá)水平，提示有氧訓(xùn)練可通過(guò)抑制重塑基因表達(dá)改善心肌重塑并提高運(yùn)動(dòng)耐力。此外，由于氧化應(yīng)激、交感過(guò)度活化以及內(nèi)皮功能紊亂均是HF后心肌重塑的重要病理生理機(jī)制[13]，而規(guī)律體力活動(dòng)可下調(diào)自由基水平[14]、抑制交感活性[15]并通過(guò)增加一氧化氮的合成改善內(nèi)皮功能紊亂、增加組織攝氧量、促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、提高心肌收縮力[16]，因此有氧訓(xùn)練通過(guò)多種途徑改善心肌結(jié)構(gòu)與功能重塑并提高運(yùn)動(dòng)耐力。

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