黃芪及黃芪組分通過調節心肌細胞能量代謝治療慢性心力衰竭的機制探討

陳 彥，鄭 佳

心力衰竭是由各種心臟結構和功能性疾病所導致病理生理過程不斷進展的心室射血能力受損的臨床綜合征。中國心力衰竭注冊登記組公布其研究結果顯示：目前中國心力衰竭病人年齡為(66±15)歲，呈上升趨勢，男性多于女性[1]。其發病率和死亡率逐年上升，對家庭和社會造成嚴重的經濟和精神負擔。因此，防治心力衰竭并減慢其進程成為研究重點。能量缺乏及能量代謝障礙是心力衰竭的主要標志。心力衰竭時，肥厚的心肌出現代償，心肌能量的利用由脂肪酸的β氧化逐漸轉化為葡萄糖的無氧酵解，游離脂肪酸和乳酸等代謝產物的積累造成線粒體膜損傷，線粒體是產生能量的主要場所，能量代謝紊亂，心肌細胞損傷進一步加重，加速心力衰竭進程。黃芪是國內傳統的治療心血管疾病的益氣藥物，中醫學“氣”與現代醫學“能量”密切相關。黃芪甲苷、黃芪多糖為常用的黃芪組分，可明顯改善心臟的收縮與舒張功能，廣泛用于心力衰竭的治療。

1 心肌細胞能量代謝

心肌代謝能量的來源主要是三磷酸腺苷(ATP)等高能磷酸鍵，而線粒體是氧化代謝產生能量的主要細胞器官，其主要功能是生產、儲存ATP[2-3]。正常的心肌細胞代謝所需能量的50%～70%由脂肪酸(fatty acid，FA)氧化提供，其余由葡萄糖氧化提供[4-5]。心力衰竭的心肌細胞中，心肌肥大，細胞缺血缺氧，脂肪酸氧化酶的活性降低，心肌能量代謝底物由脂肪酸氧化逐漸向葡萄糖氧化及無氧酵解轉化，ATP的產生受到抑制。有研究表明，衰竭的心肌細胞線粒體膜損傷，形態異常，氧化功能減退，能量代謝底物由優先利用脂肪酸轉變為優先利用葡萄糖，導致游離脂肪酸(free fatty acids，FFA)堆積[6-7]。FFA堆積損傷線粒體功能和呼吸鏈，抑制細胞內ATP生成相關酶的活性，抑制糖酵解，進一步加重能量代謝障礙，加劇心功能的惡化。

2 黃芪及黃芪組分調節能量代謝

腹主動脈縮窄術可誘導大鼠心肌細胞肥厚。由此引發的肥厚心肌細胞中FFA和乳酸(lactic acid，LAC)含量遠遠高于正常的心肌細胞，其產能機制由有氧氧化向無氧糖酵解轉化，能量底物逐漸由效能高的脂肪酸轉向效能較低的葡萄糖，從而使心肌細胞處于“能量饑餓狀態”。宋瑩等[8]觀察到黃芪多糖可以有效改善肥厚心肌細胞的能量代謝，減輕FFA和LAC的累積，提高線粒體功能，從而減輕心肌細胞肥厚和心力衰竭的發展。

心力衰竭早期代償性的心肌肥厚、能量代謝及其傳導途徑紊亂，涉及諸多分子水平的變化。研究表明，PPARγ輔助激活因子-1(PGC-1α)的表達與心肌細胞中能量代謝水平密切相關[9-10]。許放等[11]利用異丙腎上腺素(ISO)誘導H9C2心肌細胞肥大，從分子水平觀察黃芪甲苷對肥大心肌細胞能量代謝的影響。實驗結果顯示，黃芪甲苷高低劑量(100 μmol/L、50 μmol/L)均可減少H9C2肥大心肌細胞中游離脂肪酸含量，增加ATP/單磷酸腺苷(AMP)比值，同時蛋白免疫印跡(Western blot)方法證實黃芪甲苷增加PGC-1α蛋白表達。張素萍等[12]觀察到黃芪甲苷可有效抑制ISO誘導的成年大鼠心肌肥厚，增加ATP/AMP、ATP/二磷酸腺苷(ADP)比值，提高PGC-1α蛋白表達水平，減少FFA含量。以上實驗均證明黃芪甲苷可能通過過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α 改善異丙腎上腺素誘導的心肌肥厚能量代謝水平表達，發揮心肌保護作用，減慢心力衰竭進程。

心肌纖維化是慢性心力衰竭發生發展的重要病理變化之一，主要表現為膠原纖維的增生、心肌肥厚，伴隨著心肌能量代謝異常。唐斌等[13]利用黃芪甲苷干預慢性心力衰竭大鼠，大鼠心肌細胞對脂肪酸的代謝能力提高，對糖酵解的依賴性降低，可以有效糾正心力衰竭大鼠心肌細胞的能量代謝異常，顯微鏡下可見大鼠心肌細胞排列規整，細胞間質未見明顯變化，未見明顯肥大心肌細胞。左室質量指數(left ventricular mass index，LVMI)、右室質量指數(right ventricular mass index，RVMI)、膠原容積分數(collagen volume fraction，CVF)較模型組均明顯降低，說明黃芪甲苷可抑制膠原纖維增生，改善慢性心力衰竭大鼠心室重構中能量代謝的異常。

線粒體是細胞能量產生的主要場所，線粒體膜通透性轉運孔(mitochondrial permeability transitionpor，PTP)穩定與否常被用來衡量線粒體的產能狀態[14]。在心力衰竭代償期，底物利用由優先利用脂肪酸轉變為優先利用葡萄糖，隨著FFA、LAC的堆積，線粒體膜內外pH梯度失衡，PTP孔開放，線粒體膜電位下降，功能紊亂，直至線粒體崩解，細胞死亡。張晶等[15]觀察到在肥大的心肌細胞中，高劑量的黃芪甲苷[5 mg/(kg·d)]可明顯減少FFA、LAC含量，抑制PTP開放，維持線粒體膜電位，維持細胞的能量供應。于妍等[16]觀察到在血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)誘導的原代心肌細胞肥大模型中，黃芪注射液可以顯著提高線粒體細胞色素C氧化酶(COX)活性，降低線粒體單胺氧化酶(MAO)活性，調節線粒體功能，改善能量代謝。

ATP是心肌收縮的直接功能物質，其生成與ATP合成酶F1亞單位β(F1-ATPaseβ)密切相關。研究證實，黃芪組分(黃芪甲苷、黃芪多糖)可使AngⅡ誘導的乳鼠肥大心肌細胞F1- ATPaseβ表達趨于正常，調節肥大心肌細胞能量的產生，預防心力衰竭的發生發展[17]。

Toll樣受體4(Toll-like receptor4，TLR4)在心力衰竭心室重構發生發展過程中起著重要作用[18]。有研究發現，在腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)誘導的心肌肥大細胞中，核因子-κB(NF-κB)和TLR4的表達增加[19]。梁靈君等[20]建立TNF-α誘導乳鼠心肌細胞肥大模型，發現黃芪多糖可能通過抑制 TLR4/NF-κB信號通路的激活，從而抑制TNF-α誘導的心肌肥厚，改善能量代謝。

隨著心肌肥厚病程的進展，最終會導致心功能不全。細胞內鈣離子(Ca2+)濃度的改變影響心肌興奮-收縮偶聯功能。Ca2+濃度變化是時間及空間效應形成心肌細胞內的鈣瞬變[21]。孫婭楠等[22]研究發現，在原代心肌細胞肥大的代償期，益氣藥黃芪注射液可以改善鈣瞬變異常；在心肌細胞肥大的失代償期，黃芪注射液與活血化瘀藥丹參注射液聯合應用對鈣瞬變的改善優于單味用藥，從而改善心肌興奮-收縮偶聯，延緩心力衰竭的進程。

肌酸激酶(CK)在心肌細胞中呈高表達狀態。生理情況下，ATP可被線粒體型CK從內膜轉移并形成磷酸肌酸(PCr)，PCr在能量所需部位再經胞質型CK同工酶轉化成ATP以供利用，因此，CK在細胞內穿梭機制障礙會導致PCr和ATP之間的能量傳輸障礙而發生心力衰竭。蘇敬澤等[23]研究發現黃芪組分及組分配伍可顯著對抗AngⅡ引起的CK及其同工酶的變化，使其表達趨于正常，調節肥大心肌細胞的能量代謝，防治心力衰竭的發展。

3 小 結

黃芪及黃芪組分具有保護心肌線粒體結構，提高生物氧化相關的多種酶的活性，抑制膠原纖維增生，改善鈣瞬變異常，調節肌酸激酶的表達等作用，從而改善心肌能量代謝，延緩心力衰竭發生發展。