肥厚型心肌病鈣離子穩態失衡與能量學改變*

吳 昊 綜述，趙 躍，張 宏 審校

(1.大理大學臨床醫學院，云南大理 671000；2.大理大學基礎醫學院，云南大理 671000；3.云南省第一人民醫院心血管內科，昆明 650032)

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)是一種由多因素引起的左心室肥厚為主要臨床病理特征的復雜心臟疾病[1]，全球發病率約為1/500[2]，是青少年及年輕運動員猝死的最常見原因。HCM有著顯著的遺傳特征，被世界衛生組織(WHO)定義為一種以常染色體顯性為主的遺傳性心臟疾病，主要由編碼心臟蛋白的基因突變引起[3]。目前已發現有超過30個基因的1 500種突變與HCM發病相關[4-5]，其中以編碼肌小節蛋白的基因突變為主，約占總突變的80%[6]。目前，關于HCM的疾病機制尚不完全清楚，認為毒性多肽學說、無效等位基因學說、能量消耗假說和鈣離子(Ca2+)穩態異常學說是其主要致病機制。但是，越來越多的研究認為Ca2+穩態異常在HCM的發生發展中處于中心地位[7-8]。β受體阻滯劑和非二氫吡啶類Ca2+通道拮抗劑等傳統藥物作為HCM的一線用藥加上近些年開發出的新的藥物，使HCM癥狀得到了有效的控制，本文就近年的HCM中Ca2+穩態和能量學改變最新研究進行綜述。

1 Ca2+與心臟活動

1.1肌肉興奮-收縮耦聯(excitation-contraction coupling，ECC) 在心肌細胞中，Ca2+誘發心肌細胞產生動作電位，經過轉導引起心肌收縮的過程被稱為ECC。在ECC中，最重要的過程是Ca2+觸發釋放[9]，即心肌細胞興奮引起細胞膜上的電壓依賴L-型Ca2+通道開放，Ca2+內流，細胞內Ca2+濃度升高，引起心肌細胞內肌漿網膜上的蘭尼堿受體(RyR) Ca2+通道快速開放，以最快速度釋放Ca2+，導致細胞質內Ca2+濃度急劇升高。此后Ca2+通過與細肌絲上的肌鈣蛋白C結合，原肌球蛋白發生位移，暴露出細肌絲上與橫橋結合的位點，使粗細肌絲結合，引起心肌細胞收縮。

1.2心臟電活動 在竇房結內，當膜電位去極化達到閾電位-40 mV時Ca2+通道激活并開放，Ca2+緩慢內流引起起搏P細胞的緩慢去極化[10]。而在心房肌或者心室肌細胞中，復極的2相平臺期主要是緩慢而持續的Ca2+內流形成。當膜電位約-55 mV 時，T型和L型Ca2+通道相繼激活開放，Ca2+沿較高的濃度差跨膜緩慢內流，這種緩慢而持續的內流使細胞膜內的電位保持在較高水平形成2相平臺期。由于Ca2+通道的失活比激活更慢，使Ca2+內流微弱而時間持久，2相平臺期及Ca2+內流不僅與心房、心室肌細胞的動作電位時程有關還與電興奮引起的心肌收縮有關[10]。所以，Ca2+對心臟電活動的作用至關重要。

1.3Ca2+為心肌細胞第二信使 在細胞內，Ca2+參與的生化過程很多，如葡萄糖的轉運、細胞分裂、神經介質的釋放、蛋白質的合成、DNA的合成、丙酮酸脫氫酶的活化、腺苷-3′，5′-環化-磷酸(cAMP)和鳥苷-3′,5′-環磷酸(cGMP)的活化等。其中，最重要的是Ca2+作為第二信使通過鈣調蛋白(calmodulin,CaM)調節細胞的功能。CaM與Ca2+結合后，構型發生變化，導致Ca2+/CaM復合物與鈣調蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的CaM結合域結合，使CaMKⅡ自身磷酸化活化激活下游信號通路，從而對代謝過程起調控作用。

1.4細胞內Ca2+穩態 細胞內Ca2+穩態是由細胞膜、肌漿網及線粒體上一系列Ca2+通道、離子交換體和鈣泵對Ca2+進行轉運來維持的。如細胞膜上的電壓門控Ca2+通道及Na+-Ca2+交換體(NCX)、肌質網膜上的IR3R-Ca2+通道和線粒體膜的RyR-Ca2+通道使Ca2+流入細胞質。而細胞質內Ca2+外流的通道主要包括細胞膜和肌質網上的鈣泵，線粒體通過NCX把Ca2+轉入線粒體鈣庫。

2 HCM中Ca2+失衡與能量學改變

2.1Ca2+敏感性增加 眾多證據表明，編碼肉瘤蛋白的基因突變常引起肌絲Ca2+敏感性增加，并且不同的突變會從不同的機制影響Ca2+敏感性。如MYL和TN直接增加肌鈣蛋白和Ca2+的親和力，而MHY7和MYBPC3則是在粗肌絲之間形成額外的交叉橫橋，協同激活細肌絲[11]，二者親和力改變引起Ca2+敏感性增加和橫橋解離困難。此外，高氧化應激通過改變心肌肌球蛋白結合蛋白C(MYBPC3)和肌鈣蛋白磷酸化狀態增加肌絲對Ca2+的敏感性[12]。心肌肌鈣蛋白I(cTnI)基因7、8號外顯子編碼了cTnI的抑制區和調控區兩個主要功能區，當其發生錯義突變或缺失突變時減弱了cTnI對肌球蛋白酶活性的抑制，引起心肌纖維的Ca2+敏感性增加[13]。體外實驗表明，MYBPC3調控心肌收縮的機制之一是通過其N端結構域與相鄰細絲的相互作用，降低了激活肌球蛋白ATP酶活性所需的Ca2+濃度閾值，從而增加細肌絲對Ca2+的敏感性[14-15]。Ca2+敏感性增加導致了肌絲機械松弛受損，使得Ca2+再攝取時間延長，導致舒張功能發生障礙。同時，有研究表明肌纖維脫敏的松弛校正有效地阻斷了細胞外調節蛋白激酶(ERK1/2)參與的信號轉導途徑[16-17]。

2.2肌質網Ca2+-ATP酶(sarcopendoplasic Ca2+-ATPase,SERCA2)活性與能量學改變 心臟舒張期Ca2+攝取依賴水平的低表達可能是導致舒張期Ca2+水平升高，引起左室收縮儲備功能受損的重要機制。COPPINI等[18]發現HCM患者中SERCA2的水平降低。SERCA2磷酸化功能的凈平衡似乎更多地受到SERCA2水平降低的驅動，因為在經磷酸酶處理后的SERCA2活性和Ca2+敏感性沒有改變的情況下，SERCA2的總攝取速度降低。此外，SERCA2活性降低是造成細胞內Ca2+穩態失衡的另一機制。SERCA2活性變化似乎是通過Ca2+緩沖激活CaMKⅡ和隨后磷酸化PLNThr17直接實現[11]。

HCM發生早期出現的能量代謝異常與SERCA2活性的改變有關。一方面，肌節蛋白基因突變導致能量學改變，引起SERCA2活性降低?；虻鞍字劓?(MYH7)基因R403Q突變是第一個被發現的HCM致病基因，因此也是研究最早且被研究較多的位點。研究發現，該位點位于S1區段的肌動蛋白結合部位，此突變導致橫橋解離速度加快，張力產生時ATP的消耗增加，從而引起細胞內能量失調[19]。除此之外，MHY7和MYBPC3突變導致粗肌絲間形成額外的交叉橫橋，從而增加了肌球蛋白ATP酶的能量需求。由于產生心肌細胞收縮力的跨橋周期所需能量在心肌細胞ATP消耗比重中增加，使能量相對缺乏，降低了SERCA2及其他ATP消耗過程的活性。SERCA2活性下降導致舒張期肌漿網Ca2+回攝速度下降，引起細胞質Ca2+濃度升高。另有研究顯示ACTC中R95C、F90△使肌球蛋白ATP酶顯著下降，也同樣可能是由于突變導致了心肌細胞能量不足[20]。

另一方面，在心肌肥厚前出現線粒體能量合成不足，導致線粒體數量發生了代償性的增加[21]。線粒體DNA由于缺乏組蛋白保護和修復機制，在較高氧化壓力下發生的突變能導致氧化磷酸化電子傳遞鏈復合體、電子轉運蛋白的功能障礙，引起25%～40% HCM病例，使心肌蛋白對ATP的利用效率降低、ATP消耗增加、心肌能量供應不足，同時還引起心肌組織的活性氧簇(ROS)水平增加，抗氧化的血紅素氧化酶1(heme oxygenase 1,HO-1)表達水平降低，從而引起線粒體DNA突變的惡性循環。與HCM相關的線粒體基因突變主要是線粒體DNA轉運RNA(tRNA)基因點突變、線粒體DNA結構基因點突變、線粒體DNA缺失突變[22]。有研究[1]證明，m2336t>c突變通過降低16S核糖體RNA(rRNA)的穩定性從而導致線粒體功能紊亂和超微結構缺陷，如電子傳遞鏈復合體Ⅰ和Ⅳ活性顯著降低，ATP/ADP比值和線粒體膜電位降低，使心肌細胞能量缺乏，離子泵、肌漿網Ca2+-ATP酶活性下降，從而提高細胞內Ca2+濃度，導致HCM特異性電生理異常。細胞色素C氧化酶2復合體(synthesis of cytochrome c oxidase 2,SCO2)突變，是引起細胞色素C氧化酶(Cox)紊亂的常見突變基因，也同樣引起線粒體呼吸鏈功能障礙[23]。除了線粒體本身基因突變外，核基因編碼的線粒體磷酸載體蛋白(PIC)基因中Gly72Glu的突變導致HCM患者的肌肉線粒體ATP合成紊亂[24]。最終在能量供應不足的情況下，心肌組織發生退行性改變及代償性肥厚增生等病理變化導致心肌肥厚，引起HCM。

2.3鈣超載 鈣超載在HCM Ca2+穩態失衡中起著非常重要的作用。Ca2+敏感性增加及SERCA2活性降低都將導致細胞內Ca2+超載。對于HCM來說，鈣超載導致心肌細胞肥大、心律失常、纖維化及心力衰竭。一方面，當鈣超載發生時，細胞質內的Ca2+與細肌絲上的肌鈣蛋白結合，使心肌處于高收縮狀態。另一方面，Ca2+與CaM激活鈣調神經磷酸酶/活化T細胞核因子(CaN/NFAT)通路使心肌細胞肥大[25]。在單細胞研究中，HCM iPSC-CMs在誘導心臟分化后第40天起，NFAT激活的肥大介質GATA4和MEF2C顯著上調，提示CaN/NFAT通路在HCM表型的發生發展中起核心作用[13]。同時，活化的CaMKⅡ可以移位到細胞核，使組蛋白去乙酰化酶(HDAC4) 磷酸化，從而解除對肌細胞增強因子-2(Mef-2)控制基因轉錄的抑制作用[25]。

為了緩解細胞內Ca2+升高，CaMKⅡ使線粒體攝取細胞質內Ca2+能力增強，使大量Ca2+聚集在線粒體內，將會抑制氧化磷酸化，造成線粒體呼吸功能障礙。同時，使氧自由基產生增加，線粒體及心肌細胞的脂質過氧化損傷[26]，氧自由基的增加反過來激活Ca2+通道，使細胞質內鈣超載進一步加重。在氧化應激增加后，ROS可調控包括MAPK、AP-1、ASK-1/NF-κB在內的多種信號通路引起心肌肥大[27-28]，TGF β/Smad信號通路導致心肌纖維化，同時激活CaM激酶、鈣依賴性磷脂酶、鈣依賴性核苷酸內切酶等多種消化酶，引起心肌細胞凋亡。黃一等[29]認為，B淋巴細胞-2基因(Bcl-2)家族成員Nix等促凋亡基因表達同樣受心肌肥大信號的調節。由于細胞凋亡和心力衰竭的密切關系，因此，ROS在心肌肥厚向心力衰竭轉化過程中起著非常重要的作用。不僅如此，Ca2+穩態失衡還是HCM致死性心律失常的原因[30-31]。KNOLLMANN等[31]研究證明肌鈣蛋白T(cTnT)基因突變的小鼠在心肌細胞還沒有肥大的情況下表現出抑制性和長時間的鈣瞬變，而這極可能引起去極化延遲或自發性鈣振蕩，說明Ca2+穩態失衡可能是導致HCM心律失常的分子機制之一。

3 HCM治療藥物

3.1β受體阻滯劑 20世紀60年代，β受體阻滯劑首次被用于治療HCM[32]。它是2011版美國指南和2014版歐洲心血管病學會指南推薦的HCM首選基礎用藥，也是最主要的藥物。β受體阻滯劑在改善左室流出道梗阻引起的缺血癥狀上有著極其重要的意義。其主要機制是通過抑制交感神經活性，從而減少心臟高收縮狀態，降低心肌耗氧量。研究證明，β受體阻滯劑主要是降低患者運動狀態下左室流出道梗阻，對靜息狀態下流出道壓力階差無明顯影響[32]。而選擇性的β1 受體阻滯劑可以減少Ca2+的內流，在治療慢性心力衰竭中發現，美托洛爾可以使衰竭心臟SERCA2a蛋白的水平和活性改善[33]。因此推測β受體阻滯劑除了抑制交感神經活性外，還可能參與改善鈣循環降低心肌收縮力、抑制心肌肥厚?？ňS地洛作為一種β受體阻滯劑和α受體拮抗劑，可以阻斷過氧化氫誘導的SERCA2a在基因和蛋白水平的降低，并可促進SERCA2a基因的上調，改善細胞內Ca2+狀態[34]，但具體作用機制目前尚不十分清楚。

3.2Ca2+拮抗劑 對于使用β受體阻滯劑效果不佳或者禁忌的患者，可以使用非二氫吡啶類Ca2+通道阻滯劑，如維拉帕米等藥物治療。其機制是通過阻斷Ca2+通道，以達到降低心肌收縮力，改善心室舒張功能。研究結果表明，早期使用地爾硫卓確實延緩了攜帶者舒張功能障礙的發展[25]。LAN等[8]通過誘導多能干細胞心肌細胞(induced pluripotent stem cell cardiomyocytes，iPSC-CMs)建立單細胞HCM模型，在單個患病的iPSC-CMs中添加維拉帕米50～100 nmol/L連續10～20 d，明顯改善了HCM中心肌細胞肥大、Ca2+處理異常和心律失常[8]。同時發現地爾硫卓比維拉帕米抑制Ca2+通道作用更強[8]。在動物模型中，用Ca2+拮抗劑治療MYH6突變的轉基因小鼠，使HCM中心肌肥厚改善尤其明顯[30]。

3.3腎素-血管緊張素-醛固酮系統(RAAS)抑制劑 血管緊張素-Ⅰ(AngⅠ)轉換酶(ACE)基因是RAAS的主要組成部分，該基因第16內含子中存在287 bp的Alu重復序列，導致了一種共同的多態性，即II、ID和DD 3種基因型，這些基因型都會影響HCM患者心肌肥大的表型。心肌產生的血管生成素Ⅱ(AngⅡ)能以自分泌/旁分泌方式直接作用于心肌細胞膜抗血管緊張腎Ⅱ型受體(AT1R)，上調細胞質Ca2+水平，產生正性肌力作用。通過旁分泌方式，促進心交感神經末梢釋放去甲腎上腺素，再經Gαs/αi/AC/cAMP/PKA通路，激活L型電壓門控Ca2+通道，使Ca2+進入細胞質內，促進Ca2+釋放。長期的Ang Ⅱ/AT1R通路高度活化，細胞內高Ca2+狀態可通過Gαq使Ca2+/CaMK通路活化，同時活化CaN/NFAT通路，使心肌大量合成蛋白、蛋白多糖等細胞外基質，從而引發心肌肥大及纖維化。另一方面，AT1R自身細胞內的C端通過表皮生長因子受體(EGFR)的活化進一步激活IP3K通路，增強Ang Ⅱ/AT1R通路[35]。

血管緊張素轉化酶抑制劑(ACEI)類藥物和ARB藥物的作用機制是通過阻斷Ang Ⅱ/AT1R通路抑制心肌肥厚。較早就有研究發現，ACEI類藥物依那普利及ARB類藥物氯沙坦和坎地沙坦可抑制SERCA2a的下調[36-37]，以此改善細胞質內Ca2+高濃度狀態?；A試驗中，氯沙坦能夠起到減少心肌纖維化的作用。

3.4抗氧化劑 除了上述治療HCM的傳統藥物外，近年來出現了一系列新的治療藥物?？寡趸瘎㎞-乙酰半胱氨酸應用于HCM模型中，減輕了氧化應激，逆轉了已建立的心肌肥厚和纖維化，預防了心臟收縮和舒張功能障礙，并改善了心律失常傾向[38]。

3.5其他藥物 晚期鈉電流選擇性抑制劑，晚期鈉電流在HCM中表現為異常，細胞內鈉水平的維持是Ca2+代謝的關鍵，因此抑制這種鈉電流已成為醫學治療的熱點。研究中還發現雷諾拉嗪降低CaMKⅡ的活性和抑制β-腎上腺素能受體可能也是阻止心肌結構和功能改變的機制[25]。但上述抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸和晚期鈉電流選擇性抑制劑兩類藥物尚沒有權威的臨床實驗結果，因此都只是可能成為具有潛力的藥物。

4 結 語

長期以來，HCM是生物醫學領域關注的熱點，其發病及常用治療藥物的生物學機制仍然尚不明確。大多學者傾向于Ca2+穩態失衡學說，但HCM發生發展過程中Ca2+涉及上游及下游的信號通路還沒有較完整的闡述。因此，Ca2+穩態失衡導致HCM的疾病機制仍然需要更多地從臨床樣本及基礎實驗加以研究和探討。而在治療方面，CaM、鈣調蛋白激酶和鈣調神經磷酸酶等與Ca2+穩態相關，導致心肌細胞肥厚的靶點治療藥物需要進一步開發。因此，以Ca2+穩態失衡為突破點，加強HCM的疾病機制研究和臨床治療藥物的開發，將會為HCM的預防和藥物治療提供新的理論依據。