長期運動對慢性心力衰竭大鼠左室重構的抑制作用

甄 潔

(鄭州大學體育系，河南 鄭州 450001)

長期運動對慢性心力衰竭大鼠左室重構的抑制作用

甄 潔

(鄭州大學體育系，河南 鄭州 450001)

目的 觀察8 w運動對心力衰竭大鼠左室結構、功能和重構基因表達的影響，探討運動改善左室重構的可能機制。方法 40只SD大鼠隨機分為心力衰竭對照組(HC組，n=10)、心力衰竭運動組(HE組，n=10)、假手術對照組(SC組，n=10)和假手術運動組(SE組，n=10)，心力衰竭模型采用冠狀動脈結扎術。HE組和SE組進行8 w跑臺運動，SC組和HC組在鼠籠內自由活動。超聲心動圖檢測左室結構和功能；分離左室后行Masson染色法進行組織病理學觀察并獲得膠原容積分數(CVF)；實時熒光定量PCR檢測左室心肌心鈉素(ANF)、α-肌球蛋白重鏈(α-MHC)、β-肌球蛋白重鏈(β-MHC)和肌質網Ca2+-ATP酶(SERCA2a)mRNA表達量。結果 ①與SC組比較，SE組大鼠左室出現離心性肥大，心功能提高，α-MHC和SERCA2a mRNA升高(P<0.05)；②與SC組比較，HC組左室出現向心性肥大，心功能降低，CVF明顯增加(P<0.05)，心肌α-MHC和SERCA2a mRNA表達下調(P<0.05)，ANF和β-MHC mRNA表達上調(P<0.05)；③與HC組比較，HE組大鼠左室發生離心性肥大，心功能提高，CVF明顯減少(P<0.05)，心肌α-MHC和SERCA2a mRNA表達上調(P<0.05)，ANF和β-MHC mRNA表達下調(P<0.05)。結論 長期運動抑制心力衰竭大鼠左室重構并改善心功能，其機制與心肌纖維化程度減輕、胚胎基因表達下調、收縮蛋白表達上調有關。

運動；慢性心力衰竭；左室重構

心力衰竭高患病率、高致殘率和高死亡率嚴重影響患者的生活質量〔1〕。心力衰竭的發病機制極為復雜，近年研究認為以神經內分泌為主、多種因素參與的以左室病理性重構為主要特征的心臟負荷過度是心力衰竭發生最主要的原因〔2〕。研究發現，規律運動特別是有氧運動對于穩定期心力衰竭患者具有積極作用，可提高運動耐力并改善生活質量〔3～6〕。此外，運動員經過長期運動訓練，心臟出現生理性重構并伴隨心功能提高〔7〕。運動對心力衰竭時左室病理重構的影響以及運動誘導的生理重構在其中的作用鮮有關注，因此本研究以SD大鼠為受試對象，通過結扎冠狀動脈造模，觀察8 w運動對左室結構、功能和重構基因表達的影響，探討運動改善左室重構的可能機制。

1 資料與方法

1.1 實驗動物 健康雄性SPF級SD大鼠40只，體質量250～300 g，由軍事醫學科學院實驗動物中心提供，分籠飼養，自由進食水。

1.2 動物分組與造模 將大鼠隨機分為心力衰竭對照組(HC組)、心力衰竭運動組(HE組)、假手術對照組(SC組)和假手術運動組(SE組)各10只。心力衰竭造模采用冠狀動脈結扎術，方法為：腹腔麻醉后胸部備皮，連接小動物呼吸機，在心尖搏動處開胸暴露心臟，0號絲線結扎冠狀動脈前降支，心電圖示心肌缺血性改變持續 30 min標志手術成功，迅速放回心臟縫合胸壁。術后連續3 d給予青霉素肌注以預防感染。SC組和SE組動物開胸后只栓線不結扎左冠狀動脈前降支。

1.3 運動方案 SC組和HC組動物在鼠籠內自由活動，HE組和SE組在術后4 w開始進行跑臺適應性訓練(10～15 m/min，坡度為0°，30 min/d，共5 d)，之后開始正式訓練，速度為16 m/min(50%～60%VO2max)，坡度為0°，60 min/d，5 d/w，共8 w。

1.4 左室結構與功能檢測 末次訓練后48 h，腹腔麻醉大鼠，胸部備皮，仰臥位固定，用小動物超聲影像診斷系統(Vevo 770，加拿大visualsonics公司)進行左室結構與功能檢測，指標包括左室舒張末內徑(LVEDD)、左室壁厚度(LVWT)、心率(HR)、左室縮短分數(LVFS)和左室射血分數(LVEF)。

1.5 動物取材 超聲檢測后稱體重(BW)，迅速分離心臟，冷PBS洗凈稱量心臟重量(HW)后分離左室，濾紙吸干，稱量左室重量(LVW)，分別計算與體重比值為心臟重量指數(HWI)和左室心臟重量指數(LVWI)。取左側肺葉，稱量得肺濕重，于干燥箱干燥24 h后稱量肺干重，計算肺含水率(LWR)=(肺濕重-肺干重)/ 肺濕重×100%。切取左室非梗死區心肌，分成兩份，一份進行心臟組織病理學觀察，另一份用于基因表達檢測。迅速將組織置于液氮中并轉移至-80℃冰箱凍存待測。

1.6 心臟組織病理學觀察 將左室心肌組織固定于10%的福爾馬林中，經脫水、透明、包埋、切片(5 μm)后行Masson染色，普通光鏡觀察各組心肌組織病理學變化。每張切片隨機選取5個視野，用圖像分析軟件測量膠原組織面積，膠原組織面積占所測視野面積的百分比即為膠原容積分數(CVF)。

1.7 mRNA表達檢測 將心室肌組織勻漿后，用Trizol法抽提心肌總RNA，用722型紫外分光光度計測定RNA濃度并測定A260/A280比值(1.8～2.0為高純度)。逆轉錄反應獲得cDNA，實時熒光定量PCR(7300型熒光定量PCR儀，美國Applied Biosystems公司)測定心鈉素(ANF)、α-肌球蛋白重鏈(α-MHC)、β-肌球蛋白重鏈(β-MHC)和肌質網Ca2+-ATP酶(Ca2+-ATPase，SERCA2a)mRNA表達量。擴增條件為：預變性94℃/3 min；94℃/45 s，55℃/30 s，72℃/90 s，共35個循環。以甘油醛-3-磷酸脫氫酶(GAPDH)作為內參，計算目的基因的相對表達量(SC組的倍數)。引物序列：ANF正義鏈5′-GGACTAGGCTGCAACAGCTTC-3′，反義鏈5′-GTGACACACCACAAGGGCTTA-3′；α-MHC正義鏈5′-ATCAAGGAGCTCACCTACCAG-3′，反義鏈5′-CACTCCTCATCGTGCATTTTC-3′；β-MHC正義鏈5′-ATGTGCCGGACCTTGGAA-3′，反義鏈5′-CCTCGGGTTAGCTGAGAGATCA-3′；SERCA2a正義鏈5′-CTGTGGAGACCCTTGGTTGT-3′，反義鏈5′-CAGAGCACAGATGGTGGCTA-3′；GAPDH正義鏈5′-TGTGTCCGTCGTGGATCTGA-3′，反義鏈5′-TTGCTGTTGAAGTCGCAGGAG-3′。

1.8 統計學方法 應用SPSS15.0統計軟件進行單因素方差分析及LSD檢驗。

2 結 果

2.1 BW與心臟指數 與SC組比較，SE組和HE組HW、HWI、LVW、LVWI升高(P<0.05)；HC組HW、HWI、LVW、LVWI和LWR升高(P<0.05)；與HC組比較，HE組LWR降低(P<0.05)；所有組間差異均有統計學意義，見表1。

2.2 左室結構與功能 與SC組比較，SE組LVEDD、LVFS和LVEF升高P<0.05，HR降低(P<0.05)；HC和HE組LVEDD、LVFS和LVEF降低(P<0.05)，LVWT和HR升高(P<0.05)。與HC組比較，HE組LVEDD、LVFS和LVEF升高(P<0.05)，HR降低(P<0.05)；所有組間差異均有統計學意義，見表2。

2.3 心臟組織病理學改變 左室心肌Masson染色顯示：膠原纖維呈藍色，心肌細胞呈紅色。SC組和SE組心肌纖維著色均勻，無膠原成分；HC組心肌細胞減少，膠原成分顯著增多，纖維化程度明顯，CVF高于SC組(P<0.05)；HE組較HC組心肌細胞增多且排列較為整齊，膠原纖維(即CVF)明顯減少(P<0.05)，但仍高于SC組(P<0.05)。見圖1及表3。

表1 各組大鼠BW與心臟指數

與SC組比較：1)P<0.05；與HC組比較：2)P<0.05，下表同

表2 各組大鼠左室結構與功能

2.4 mRNA表達的變化 與SC組比較，SE組α-MHC和SERCA2a升高(P<0.05)；HC組α-MHC和SERCA2a降低，ANF和β-MHC升高(P<0.05)。與HC組比較，HE組α-MHC和SERCA2a升高，ANF和β-MHC降低(P<0.05)；所有組間差異均顯著，見表3。

圖1 心肌Masson染色(×200)表3 各組心肌ANF mRNA表達和 β-MHC、α-MHC、SERCA2a、CVF變化

組別ANFβ-MHCα-MHCSERCA2aCVF(%)SC組1.00±0.180.98±0.150.99±0.191.02±0.185.8±1.3SE組0.97±0.191.16±0.211.63±0.301)1.52±0.281)5.1±1.5HC組2.21±0.511)1.78±0.381)0.32±0.091)0.41±0.081)20.2±4.91)HE組1.22±0.302)1.31±0.282)0.81±0.102)0.76±0.082)13.1±2.21)2)

3 討 論

近年研究認為，左室病理性重構是心力衰竭發生發展最重要的病理生理學機制〔8〕。左室肥大和心功能下降是左室病理重構的主要標志〔9〕。本研究提示心力衰竭后發生病理性心臟肥大，表現為心臟重量和左室重量增加、心腔縮小、心壁增厚，即向心性肥大，收縮功能隨之降低，肺水腫明顯。胚胎基因重新激活是心肌肥大發生的重要機制，其中MHC和ANF是心肌肥大的分子標志物，其表達水平能影響心肌功能和預后，在左室重構中發揮關鍵作用〔10〕。MHC由兩種基因α-MHC和β-MHC編碼，前者ATP酶活性高，肌肉收縮速率最快，后者則相反，調節二者的轉換對調節心肌收縮功能至關重要〔11〕。成年心室肌肌球蛋白α-MHC占優勢，胚胎期則以β-MHC為主〔12〕。ANF具有抗氧化作用，其表達水平與心力衰竭程度正相關〔13〕。本研究提示心力衰竭時肌球蛋白ATP酶活性降低，心肌收縮力下降。此外，SERCA2a是一種鈣離子泵(收縮蛋白)，可將胞質中的Ca2+逆濃度梯度泵入肌漿網，參與對細胞內Ca2+濃度的調節〔14〕。本研究中HC組SERCA2a表達下降，不僅導致心肌細胞內Ca2+超載，而且影響心臟的舒縮功能。心肌細胞外基質過度沉積是左室重構的另一特征〔15〕。心肌細胞外基質主要由Ⅰ型和Ⅲ型膠原組成，其生理功能在于為心肌細胞提供支持、傳導應力并保證心肌順應性〔16〕。本研究中，HC組心肌Masson染色顯示心肌細胞變性壞死、膠原成分明顯增多，CVF升高，纖維化程度明顯。研究表明，膠原由正常的3%增至10%時，心室壁順應性明顯下降，舒張功能受限，超過20%則出現心肌細胞被阻隔，收縮功能明顯下降〔17〕。此外，心肌纖維化可增加心肌電異質性，是造成心律失常和猝死原因之一〔18〕。

與左室病理性重構不同，運動訓練誘導的心臟肥大(運動性心臟肥大或運動員心臟)是心臟對于運動應激的良性適應，屬于生理性重構〔19～21〕。本研究提示長期運動訓練誘導左室出現離心性肥大，即心腔擴大，室壁增厚不明顯。由于心功能增強(LVFS和LVEF增加，HR降低)，因此這種結構變化屬于生理性肥大。在基因水平上，胚胎基因(ANP和β-MHC)無明顯變化，收縮蛋白基因(α-MHC和SERCA2a)表達上調，進一步證實運動性心臟肥大是對長期訓練適應的結果〔22〕。運動誘導的左室生理重構在心力衰竭康復中的作用尚無定論，本研究顯示左室心力衰竭時“向心性肥大”經過運動康復逐漸轉變為“離心性肥大”，其機制可能與有氧運動增加心臟前負荷有關。研究發現〔23〕，長期有氧運動(如長跑或游泳等耐力型運動員)通過增加回心血量(即心臟前負荷或容量負荷)造成心室壁應力增大，引起心肌細胞肌節串聯排列為主，心臟擴大以適應增加的容量負荷。本研究提示，運動誘導的左室生理性重構與病理性重構在心力衰竭大鼠運動康復過程中同時存在并相互抗衡〔24〕，最終前者的良性作用逆轉了后者的負面效應，表現為左室結構由病理性肥大向生理性肥大轉變。因此，長期有氧運動通過抑制心力衰竭時左室重構改善心功能。這一結論在Garciarena等〔25〕針對自發性高血壓大鼠的研究中也得到進一步證實，提示心力衰竭患者在運動康復過程中，即使在原有心臟病理肥大(如高血壓或心肌梗死造成的心臟向心性肥大)的基礎上出現離心性肥大，其堅持運動的收益可能遠遠大于風險。

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〔2015-12-11修回〕

(編輯 苑云杰/曹夢園)

河南省體育局項目(HT2013-05)

甄 潔(1973-)，女，講師，碩士，主要從事運動人體科學研究。

G804.5

A

1005-9202(2017)08-1881-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.08.025