等長收縮運動促進缺血心肌側支動脈生成的機制

姜峰，陸曉

等長收縮運動(Isometric Exercise,IE)是人類肌肉的基本運動形式。近年研究表明：冠心病患者在做動力性運動的同時進行等長收縮的運動，不僅能夠延長動力性運動的作用持續時間，還能有效地降低心絞痛、心肌缺血等疾病的發生率[1]。國內也有臨床研究證實讓冠心病患者做等長收縮運動可以促進缺血心肌側支循環生成，但機制不明[2]。本文就等長收縮運動促進缺血心肌側支生成的機制作一綜述。

1 等長收縮運動的血液動力學變化

動力性運動的特點是心率，每搏輸出量，心輸出量隨著運動強度的增加而增加，同時外周血管阻力降低，這些血液動力學變化引起收縮壓增加而舒張壓不變或有所下降[3-4]。等長收縮同時增加了心率和心輸出量，但外周血管阻力沒有明顯變化，導致收縮壓和舒張壓顯著增加。這些血液動力學的改變主要用來維持靜力性運動過程中的肌肉血流灌注，以滿足工作骨骼肌的代謝需求[3]。同時作為主要血液供應的冠狀動脈舒張期，等長收縮運動時舒張壓可以增加冠狀動脈血流灌注。在等長收縮運動過程中的上述血流動力性變化主要通過自主神經活動進行調節，通過3個不同的神經機制，即中樞作用、運動升壓反射(Exercise Pressor Reflex,EPR)、動脈壓力感受性反射來增加交感神經活性，降低副交感神經的活性，從而使等長收縮運動時出現心率及血壓的同步增加[5]。

2 等長收縮運動促進缺血心肌側支動脈生成的機制

2.1 心肌側支血管生成的類型 心肌側支血管的形成非常的復雜。它主要有三種：血管發生、血管新生以及動脈生成。其中，第一種指的是內皮細胞前期或血管母細胞產生一個新血管的過程[6]。它只在胚胎發育過程中存在或者由于成人血管母細胞遷移導致血管形成[6-7]。血管新生是源于固有的毛細血管和管后細小微靜脈的新生毛細血管性血管的形成，再繼續分化出重塑的、無完整被膜組織的毛細血管網的過程[7]。而動脈生成系指血管阻塞，血流再灌注加重側支微動脈的容量負荷、管腔內壓力變大、導致細胞增多、血管重塑而形成更多有活性的側支循環動脈的過程[8]。血管新生和動脈生成是提供側支循環，改善組織缺血最重要的方式。和血管的新生相比較，經過動脈生成所形成的側支動脈能夠更好地為缺血區域提供血液供應[9]。

2.2 血流剪切力與側支動脈生成 在血液循環過程中，血流對于血管壁所產生的摩擦力，也就是血液在循環過程中對于血管內皮所接觸平面而生成和血液流動方向相同的摩擦力，稱為血流剪切力(Fluid Shear Stress,FSS)，FSS分為層流和紊流兩種類型。層流血流剪切力是通過層流血流形成的，它的方向和血流的方向相同；而紊流血流剪切力是通過渦流、湍流等一些異常血流所形成，也叫震蕩剪切力。用來計算血流剪切力(FSS)的方程式為τm=η×4×Vm/πr3[9]，η表示血液的粘稠程度，Vm表示動脈中能允許的血液流動速率的最大值，r表示血管半徑大小。它和血流大小以及流動的速率呈正比的關系，和血管半徑的三次方呈反比的關系。很多研究證實血流剪切力在側支動脈生成中起著決定性的作用[10]。在體動物(在豬和兔的后肢)缺血模型研究發現FSS是缺血組織周圍側支動脈生成的決定性因素，經過一段時間的提高FSS的治療后，側支動脈可以完全代替原閉塞動脈的功能[11-12]。研究發現，高血壓鼠與對照組的非高血壓鼠相比起較，高血壓組的側支動脈生成數量明顯增加，在進一步比較了兩組血管內徑、管壁厚度和血管收縮性后，得出血流剪切力是其中的決定性因素[13]。而Pipp建立豬的動靜脈瘺模型，單側結扎豬的股動脈，然后將股動脈結扎的遠端連接到相鄰的股靜脈造成動靜脈瘺，這樣的動靜脈瘺導致了股動脈伴行的固有側支循環的血流速率明顯增加，提高了血流剪切力[14]。一周后側支循環的血流量即可達到阻塞前血管的水平，而經過4周后，側支血管的血流量為阻塞前血管的兩倍，說明血流剪切力的增高可以促進側支動脈的生成。國內也有研究使用體外反搏的方法提高動脈系統的FSS，實驗犬經過一個療程(共28～30h/6周)的治療后發現，心肌梗死區域的新生微血管的數目顯著增加[15]，表明血流剪切力的變化可以促進動脈生成。在體外實驗中發現，當內皮細胞暴露在高血流剪切力環境下，會引起基因表達的改變加速血管增殖和重塑[16-18]。隨著側支血管半徑的擴大，FSS與血管半徑的立方呈反比，往往達到生理狀態，動脈生成過程終止。最終側支血管的管壁的厚度、長度、內徑均增加，側支動脈便成了具有一定功能的可以傳導的動脈，進而為缺血的區域提供更多的血液供應。

2.3 等長收縮運動與血流剪切力 多個研究表明血流剪切力的增加是動脈生成的關鍵刺激因素[19]。等長收縮運動時，產生血流動力學改變。國外研究證實即使是低強度的，短時間的等長收縮運動也會引起血壓的明顯增高[20-22]，而國外的動物研究證實當動脈跨壁壓急性增高時能夠引起血管壁肌肉的平穩收縮，減小動脈管腔直徑，從而引起血流剪切力的改變。Ceri等[23]研究對健康人血壓正常者進行研究，一側上肢做等長收縮運動，而另一側不做運動，結果發現受試者的動脈血壓增高，運動一側上肢的血流剪切力水平及肱動脈直徑均增高，而無運動一側的血流剪切力水平及肱動脈直徑則無明顯變化，等長收縮運動引起血壓增加引起血流剪切力的改變，血流剪切力的改變激活了血管壁的機械敏感性感受器TrpV4，而TrpV4引起炎癥因子的表達改變，吸引了單核細胞的聚集。同時eNOS和iNOS被激活，提供了利于動脈生成的環境，從而最終促進側支動脈生成。

2.4 等長收縮運動促進缺血心肌側支動脈生成的分子生物學機制 有國內外的研究證明，在做等長收縮運動時，血管內血流的速度明顯增快，而增快的血流速度能夠明顯提高血管壁剪切應力水平[24]，從而使增強的血管壁剪切力直接作用于血管內壁，這一系列的作用使得血管內皮合成并且分泌出許多具有生物活性的物質，最終促進側支動脈的生成。

2.4.1 血管壁剪切力激活內皮細胞相關通道促進側支動脈生成：FSS促使動脈生成的感受器可能存在于內皮細胞膜的陽離子通道上，也可能存在于機械感受性復合體上。一些研究證實，內皮細胞表面Trpv4受體可以感受到血流剪切力的變化，將物理信號轉化為化學信號[25]。4α-佛波醇-12,13-二癸酸(4α-PPD)是Trpv4的激動劑，當Trpv4被激活后，導致Ca2+內流引起ATP釋放明顯增加，而ATP作為一個細胞外的刺激因子，參與多種細胞信號傳導，可引起平滑肌的收縮及多種炎性分子的釋放，促進動脈生成。應用4α-PPD的情況下，與未阻塞的動脈相比，傳導能力恢復了61%；Trpv4基因敲除后，動脈生成受損[26]。另外，還有一些研究證明，內皮細胞的表層包含著血小板-內皮細胞粘附分子(CD31)復合體[27]。CD31直接感受FSS，通過c-Src蛋白磷酸化PI3K，磷酸化的PI3K激活整合素，從而激活核轉錄因子-kB，啟動動脈生成。國外的研究提示，在CD31基因敲除后，與野生型相比，會發現由于FSS導致的血管重塑作用顯著損傷，內膜和中膜厚度明顯下降[28]。以上結果表明，FSS是動脈生成中非常重要的啟動因素。

2.4.2 血管壁剪切力通過內皮細胞的旁分泌機制促進側支動脈生成：①內皮細胞的活化(FSS改變引起內皮細胞旁分泌相關活化因子)：當各種因素導致動脈受阻后，血流進行再分配使側支微動脈(管徑30～50μm)的血流量增多[29]，微動脈血管內的FSS增大，進一步激活EC。而活化的內皮細胞源源不斷的合成和分泌粒-單核細胞集落刺激因子(Granulocyte-Macrophage Colony-Stimulating Factor，GM-CSF)、單核細胞趨化蛋白-1(Monocyte Chemotactic Protein 1,MCP-1)、轉化生長因子-β(Transforming Growth Factor-β,TGF-β)、血管細胞粘附分子-1(Vascular Cell Adhesion Molecule 1，VCAM-1)、粘著斑激酶(Focal Adhesion Kinase,FAK)、整合素和細胞間粘附分子-1/2(Intercellular Adhesion Molecule-1/2，ICAM-1/2)作用于單核細胞(Monocyte，MC)來促進動脈生成。②單核細胞的活化 (血管活性因子作用下的單核細胞動員，趨化和促動脈生成作用)：血液和骨髓中的MC被MCP-1、GM-CSF、TGF-β吸引到側支微動脈[30]，通過MCP-1、VCAM-1粘附于EC，同時分泌基質金屬蛋白酶(Matrixmetelloproteinases，MMPs)、尿纖溶酶原激活劑(Urokinase-Type Plasminogen Activator,uPA)會對動脈基底膜、內彈力膜(Internalelasticlamina，IEL)和細胞外基質(Extracellular Matrix，ECM)進行降解，之后經過動脈壁到達血管外膜后，成熟為巨噬細胞分泌FGF-2、TGF-β、MCP-1、uPA和MMPs促進動脈生成[31]。MCP-1被稱為是MC的趨化因子，在MC的表層，有特殊的受體，也就是CCR-2。因此，它能讓MC到達側支的小微動脈，這有利于MC的遷移，同時，活化的MC，有利于動脈的生成，同時能夠提高側支動脈的數量。GM-CSF可以通過抑制MC的凋亡動員骨髓中的MC，延長生存時間。MC從血液到達組織，當沒有特異性的生長因子存在時，MC則會迅速凋亡。然而，GM-CSF可以有效控制MC的凋亡，延長巨噬細胞和MC的壽命[32]。因此，GM-CSF可以通過MC表現出強烈的動脈生成效應。TGF-β也是MC重要趨化因子，能夠刺激MC產生腫瘤壞死因子(Tumor Necrosis Factor，TNF-β)、白介素-1、血小板衍生生長因子(Platelet Derived Growth Factor，PDGF)和成纖維細胞生長因子(Fibroblast Growth Factor 2，FGF-2)從而促進動脈生成。③平滑肌細胞的活化(單核細胞分泌相關因子促平滑肌細胞活化，促進側支動脈生成)：活化的MC分泌的MMP、uPA等可以降解ECM和IEL幫助平滑肌細胞遷移至內膜。而活化的MC分泌的FGF-2、TGF-β、PDGF-B可以將平滑肌細胞從收縮型促成為合成型，然后通過一系列的分裂增殖最終合成ECM，并且動脈內膜的厚度就將增加，形成新的IEL。平滑肌細胞也就會轉變成收縮型，MC停止運動[33]。這樣，就會產生相對較大的管腔，管壁的厚度增加，然后，微動脈就會成為具有一定作用的傳導動脈，為缺血區域提供更多血液供應。

3 小結

綜上所述，動脈生成和血管新生過程存在一定的差別，前者的生成部位是阻塞動脈近端的一些側支微動脈，觸發因素為側支微動脈的血管壁剪切力增加，主要調節因子為MC、炎癥因子，而血管新生的誘發因素主要是缺氧，主要調節因子是低氧誘導轉錄因子-1、生長因子，結果是形成新的血管網絡，改善組織氧合和營養供應。血管新生只能輕微改善缺血區血液供應，而動脈生成可以產生功能性大側支動脈，可以更有效地恢復血管阻塞后下降的血流。等長收縮運動在一定程度上可以通過增加血管壁剪切力從而促進治療性動脈生成，即在臨床上通過等長收縮訓練有可能可以促進缺血心肌側支動脈生成，使患者自身形成“生物搭橋”以彌補心肌的供血不足，其研究前景及應用前景非常廣闊。

[1] Salehi Z, Salehi K, Moeini M, et al. The Effect of Resistance Exercise on Lipid Profile of Coronary Artery Disease Patients: A Randomized Clinical Trial[J]. Iran J Nurs Midwifery Res, 2017, 22(2): 112-116.

[2] Lin S, Chen Y, Li Y, et al. Physical ischaemia induced by isometric exercise facilitated collateral development in the remote ischaemic myocardium of humans[J]. Clin Sci (Lond), 2014, 127(10): 581-588.

[3] Mitchell J H. J.B. Wolffe memorial lecture. Neural control of the circulation during exercise[J]. Med Sci Sports Exerc, 1990, 22(2): 141-154.

[4] Ho CS, Lopez JA, Vuckovic S, et al. Surgical and physical stress increases circulating blood dendritic cell counts independently of monocyte counts[J]. Blood, 2001, 98(1): 140-145.

[5] Katayama K, Ishida K, Saito M, et al. Hypoxia attenuates cardiopulmonary reflex control of sympathetic nerve activity during mild dynamic leg exercise[J]. Exp Physiol, 2016, 101(3): 377-386.

[6] Carmeliet P, Jain RK. Molecular mechanisms and clinical applications of angiogenesis[J]. Nature, 2011, 473(7347): 298-307.

[7] Zhang H, Pan J, Qiu F, et al. A novel modified physiologically relevant model for cardiac angiogenesis[J]. Microvasc Res, 2017. doi: 10.1016/j.mvr.2017.06.007. [Epub ahead of print]

[8] Koenig S, Arya A, Hindricks G, et al. Catheter ablation of ventricular tachycardia in the setting of electrical storm after revascularization of a chronic total occlusion of the right coronary artery: An uncommon presentation of reperfusion arrhythmia[J]. HeartRhythm Case Rep, 2016, 2(6): 462-464.

[9] Irace C, Cortese C, Fiaschi E, et al. Wall shear stress is associated with intima-media thickness and carotid atherosclerosis in subjects at low coronary heart disease risk[J]. Stroke, 2004, 35(2): 464-468.

[10]Kubis N, Checoury A, Tedgui A, et al. Adaptive common carotid arteries remodeling after unilateral internal carotid artery occlusion in adult patients[J]. Cardiovasc Res, 2001, 50(3): 597-602.

[11]Bin G, Cuifang W, Bo Z, et al. Fluid shear stress inhibits TNF-alpha-induced osteoblast apoptosis via ERK5 signaling pathway[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2015, 466(1): 117-123.

[12]Kim SK, Lee J, Song M, et al. Combination of three angiogenic growth factors has synergistic effects on sprouting of endothelial cell/mesenchymal stem cell-based spheroids in a 3D matrix[J]. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2016, 104(8): 1535-1543.

[13]Falcon BL, Swearingen M, Gough WH, et al. An in vitro cord formation assay identifies unique vascular phenotypes associated with angiogenic growth factors[J]. PLoS One, 2014, 9(9): e106901.

[14]Troidl C, Nef H, Voss S, et al. Calcium-dependent signalling is essential during collateral growth in the pig hind limb-ischemia model[J]. J Mol Cell Cardiol, 2010, 49(1): 142-151.

[15]伍貴富, 杜志民, 胡承恒, 等. 長期體外反搏對犬急性心肌梗死心肌側支循環的影響[J]. 中山醫科大學學報, 2002, 23(6): 411-413.

[16]Chen Z, Tzima E. PECAM-1 is necessary for flow-induced vascular remodeling[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2009, 29(7): 1067-1073.

[17]Ozaki CK, Jiang Z, Berceli SA. TNF-alpha and shear stress-induced large artery adaptations[J]. J Surg Res, 2007, 141(2): 299-305.

[18]Yu J, Bergaya S, Murata T, et al. Direct evidence for the role of caveolin-1 and caveolae in mechanotransduction and remodeling of blood vessels[J]. J Clin Invest, 2006, 116(5): 1284-1291.

[19]Degen A, Millenaar D, Schirmer SH. Therapeutic approaches in the stimulation of the coronary collateral circulation[J]. Curr Cardiol Rev, 2014, 10(1): 65-72.

[20]Umeda M, Williams JP, Marino CA, et al. Muscle pain and blood pressure responses during isometric handgrip exercise in healthy African American and non-Hispanic White adults[J]. Physiol Behav, 2015, 138: 242-246. doi: 10.1016/j.physbeh.2014.09.013. [Epub ahead of print]

[21]Garg R, Malhotra V, Kumar A, et al. Effect of isometric handgrip exercise training on resting blood pressure in normal healthy adults[J]. J Clin Diagn Res, 2014, 8(9): C8-C10.

[22]Umeda M, Newcomb LW, Ellingson LD, et al. Examination of the dose-response relationship between pain perception and blood pressure elevations induced by isometric exercise in men and women[J]. Biol Psychol, 2010, 85(1): 90-96.

[23]Atkinson CL, Carter HH, Dawson EA, et al. Impact of handgrip exercise intensity on brachial artery flow-mediated dilation[J]. Eur J Appl Physiol, 2015, 115(8): 1705-1713.

[24]Rizzi A, Benagiano V, Ribatti D. Angiogenesis versus arteriogenesis[J]. Rom J Morphol Embryol, 2017, 58(1): 15-19.

[25]Troidl C, Nef H, Voss S, et al. Calcium-dependent signalling is essential during collateral growth in the pig hind limb-ischemia model[J]. J Mol Cell Cardiol, 2010, 49(1): 142-151.

[26]Chen CK, Hsu PY, Wang TM, et al. TRPV4 Activation Contributes Functional Recovery from Ischemic Stroke via Angiogenesis and Neurogenesis[J]. Mol Neurobiol, 2017.

[27]Lecarpentier E, Atallah A, Guibourdenche J, et al. Fluid Shear Stress Promotes Placental Growth Factor Upregulation in Human Syncytiotrophoblast Through the cAMP-PKA Signaling Pathway[J]. Hypertension, 2016, 68(6): 1438-1446.

[28]Chen Z, Tzima E. PECAM-1 is necessary for flow-induced vascular remodeling[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2009, 29(7): 1067-1073.

[29]Masumura T, Yamamoto K, Shimizu N, et al. Shear stress increases expression of the arterial endothelial marker ephrinB2 in murine ES cells via the VEGF-Notch signaling pathways[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2009, 29(12): 2125-2131.

[30]Inoue M, Hayabuchi Y, Kagami S. Development of systemic-to-pulmonary collateral arteries in a patient with hypoplastic left cardiac syndrome after bilateral pulmonary artery banding[J]. Cardiol Young, 2010, 20(4): 465-467.

[31]Ren C, Li S, Wang B, et al. Limb remote ischemic conditioning increases Notch signaling activity and promotes arteriogenesis in the ischemic rat brain[J]. Behav Brain Res, 2016. doi: 10.1016/j.bbr.2016.10.036. [Epub ahead of print]

[32]Tajfard M, Latiff LA, Rahimi HR, et al. Serum concentrations of MCP-1 and IL-6 in combination predict the presence of coronary artery disease and mortality in subjects undergoing coronary angiography[J]. Mol Cell Biochem, 2017. doi: 10.1007/s11010-017-3054-5. [Epub ahead of print]

[33]Poling J, Szibor M, Schimanski S, et al. Induction of smooth muscle cell migration during arteriogenesis is mediated by Rap2[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2011, 31(10): 2297-2305.