心肌高海拔低氧適應的研究進展

曾坐佳,雷 遷,2△

(1.電子科技大學醫學院,四川 成都 610056;2.四川省醫學科學院·四川省人民醫院麻醉手術中心,四川 成都 610072)

低氧是許多疾病共有的一種病理生理過程,并且廣泛而非特異地影響著呼吸、循環等多個系統。心臟是調節整個機體氧供需平衡最重要的器官之一,有關低氧對心肌相關影響的研究中,科學家們發現高海拔地區世居人群在長期慢性的低氧習服下可能發生了適應性基因選擇,使其心肌對急慢性缺氧環境產生了一定程度的耐受[1,2]。而近年來,許多研究學者也注意到高海拔相關低氧適應不僅是機體對氧攝取和利用的改變,還包含了非常復雜的表觀遺傳學改變[3～5]。以往對低氧適應的研究多局限于氧氣感知或低氧反應相關基因的生物學研究,而對心肌細胞本身的異質性改變研究較少。在低氧適應過程中,相關基因的表達可能使心肌細胞本身也發生了適應性改變。全球有代表性的高海拔地區諸如安第斯山脈、埃塞俄比亞、青藏高原等,世界上有超過5億人長期居住于此[6],對該類人群進行研究有助于進一步揭示心肌低氧適應的機制。在科技高速發展的時代,單細胞測序技術是近年發展較為迅速的一種研究方法[7,8],可以從單個細胞的基因層面揭示包括細胞增殖、細胞間通訊、細胞分化、免疫微環境等微觀生理過程,這更加促進了心肌低氧適應相關的研究進展[9,10]。

1 心肌低氧適應的機制

近年心肌缺血缺氧性疾病多發,研究人員一直試圖從器官或組織缺血缺氧預處理的機制中尋找防治心肌缺血的作用靶點,而心肌低氧適應的現象也使得心肌保護、心肌損傷后修復、心肌再生等探索存在可能[2, 11～13]。成人心臟每天需要大約6 kg的ATP用于心肌收縮和離子交換的能量供應,正常氧供應條件下有氧糖酵解是心臟主要的供能方式。而低氧適應后心肌細胞通過調節線粒體內有氧代謝的關鍵酶改變供能方式,對急慢性缺氧產生一定程度的耐受[2,4]。低氧適應發生機制中的關鍵是低氧誘導因子(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)[14],在機體內的表達受缺氧程度和時間影響有所不同。HIF-1及其衍生物通過調節糖代謝、線粒體功能、氧化應激、細胞周期、免疫微環境等生理過程產生心肌保護作用[2,5]。

當器官組織缺氧時,電子傳遞鏈的中斷和氧化還原狀態的失衡會產生活性氧物質(reactive oxygen species, ROS),而內皮PAS結構蛋白-1(endothelial PAS domain protein 1, EPAS-1)基因敲除小鼠對缺氧產生了更強烈的氧化應激反應,其中低氧誘導因子2α(hypoxia inducible factor-2α, HIF-2α)通過轉活初代抗氧化酶(antioxidant enzymes, AOEs)的啟動子在維持線粒體穩態和ROS平衡中發揮了重要作用[15]。通常情況下成年后心肌細胞再生能力非常有限[16],一旦發生損傷或死亡則會嚴重損害心臟功能,但是經過低氧環境刺激的心肌在遭受急性缺血缺氧后可以促進缺血后心臟功能的恢復并減輕纖維化程度[12]。此外,部分心肌組織的生理性低氧可以促進血管生成和心外膜細胞發生增殖和分化,這種低氧適應的能力為心肌缺血缺氧修復損傷提供了潛在的治療靶點[17]。

心肌低氧適應相關研究中,研究者選擇以心臟體外循環手術為低氧模型。而免疫系統是機體防御有害刺激的重要屏障,在心肌缺血再灌注損傷的研究中發現HIF-1可誘導巨噬細胞參與免疫微環境調控,并通過調節心肌細胞自噬升高從而減輕體外循環手術中的心肌缺血再灌注損傷即達到心肌保護作用[18]。此外,巨噬細胞還參與維持心肌線粒體穩態,防治心功能不全[19],而心肌低氧適應是否誘導類似的免疫微環境調控尚需進一步研究。綜上,對心肌低氧適應機制的研究,有助于探索缺血缺氧性心臟病的防治靶點及方法。

2 高海拔環境與心肌低氧適應

世代居住在高海拔地區的人群長期處于低壓低氧的高原環境中,血液中血紅蛋白濃度和紅細胞壓積出現了不同程度的代償性升高,且在青少年和青年成人中的漢族人群升高幅度高于同年齡階段的藏族人群。并且,相較于同海拔埃塞俄比亞人群,青藏高原地區人群的血紅蛋白濃度具有更顯著的遺傳力,而長期居住于高海拔地區的人群在氧氣攝取和運輸機制上也發生了改變。由于心臟對缺氧極為敏感,在急性缺氧時可能會產生嚴重的心律失常,但是部分臨床回顧性研究發現,高海拔地區器質性心臟病患者的心房顫動發生率方面并未出現顯著升高,提示長期慢性低氧適應可能在高海拔人群產生了抗心律失常的作用效果[20～22]。高海拔人群在對抗心肌缺血再灌注損傷方面也具有一定的優勢,發生缺血再灌注后心肌損傷的程度更輕。Pan等[23]通過基因測序技術首次在青藏高原藏族人群中證實EPAS-1基因在心臟成熟過程中被過度激活表達,經低氧適應誘導信號通路調控心肌細胞成熟產生了防治先天性心臟病的重要作用[22, 32]。研究還發現抑制脯氨酸羥化酶結構域酶(prolyl hydroxylase domain enzymes,PHD)可以增加HIF-1α表達,減少心肌缺血梗死面積或者改善心肌損傷后心臟功能恢復等,在心肌急性缺血、心肌再灌注損傷和心肌細胞再生方面具有可觀的治療前景[13,24]。

高海拔低氧適應是多個基因相互協同作用的結果,盡管目前的研究已經取得了一定成果,但心肌低氧適應的機制尚需進一步探索,從而為心肌缺血、再灌注損傷及其它急慢性缺氧性疾病的防治尋找突破口。

3 單細胞測序技術在心肌低氧適應研究中的應用

基因測序技術在探索高海拔人群基因改變的相關研究中已經取得了顯著的成果[23]。人類基因組計劃的完成使單細胞轉錄組學技術得以應用于大多數的科學研究領域,但是由于心肌細胞具有體積大、不易分離、難以長時間保存活性等特點,使得標準的單細胞測序技術很難在心肌組織細胞的相關研究中廣泛應用。細胞核能保留細胞大多數的基因和生物特性,因此對組織或細胞提取細胞核進行單細胞轉錄組學研究可以實現對心肌細胞的單細胞轉錄組測序[25]。單細胞核RNA測序能從新鮮或者冷凍組織的上萬個核基因中分辨這些細胞,彌補了單細胞測序的不足并逐漸被應用于對心臟組織單個細胞層面的研究[26,27],這些方法在心臟相關的研究中得到廣泛應用[26]。

單細胞測序技術應用于心臟相關研究,有助于從細胞水平闡釋心臟的轉錄圖譜和部分細胞標記物,對確定心臟發育軌跡以及重要信號通路和變化過程具有重要意義[28,29]。心臟中,心房和心室組織的組成大為不同,通過單細胞組學技術首次明確了心臟不同部位心肌細胞組成的差異,并為心臟疾病相關的研究奠定了基礎[9]。

在研究構建人類心肌細胞轉錄圖譜的過程中,心肌組織病變的免疫微環境調控過程逐漸受到重視,巨噬細胞除了發揮免疫功能,其在維持組織功能穩態方面的重要作用逐漸被揭示[9,18,19,30]。基于單細胞測序技術,Chang等發現依賴于HIF-1α的巨噬細胞糖酵解可能是抑制心臟移植后排斥反應的潛在治療靶點[10]。此外,在單細胞轉錄組學技術的支持下,關于細胞-細胞間的研究讓人們較全面的認識到細胞間的信息交換和相互作用[31,32]。轉錄組學技術在高海拔人群的研究中已經發現大量低氧適應相關證據,在構建高海拔人群低氧適應相關基因轉錄圖譜方面做出了巨大貢獻,然而單細胞測序技術在高海拔人群低氧適應相關研究中的應用尚有不足,更多的生物學信息還有待進一步發掘。

4 小結與展望

近年,關于心肌保護的研究已經確定了許多轉錄因子和信號通路,而低氧誘導信號通路被證明是最具有應用前景的通路之一。低氧適應是一個非常復雜的自然選擇過程,目前研究已經確定了如PHD、HIF-1α、EPAS-1、脯氨酰羥化酶( EGLN1)、過氧化物酶體增殖物激活受體( PPARA)等大量與低氧適應相關的基因或分子靶點[13]。心肌在低氧適應中的作用機制,包括參與糖代謝、氧化應激、線粒體功能、細胞增殖、細胞凋亡、細胞間作用、心肌免疫微環境等生理過程的基因改變尚不完全清楚。盡管轉錄組學技術已經揭示了低氧適應的部分機制,單細胞測序作為現有最重要的轉錄組學技術之一,對心肌低氧適應的相關研究仍然很重要[7,9,10,33]。此外,探索高海拔人群的低氧適應性基因選擇以及心肌低氧適應的臨床和基礎研究,為尋找缺血缺氧性心臟疾病和其它急慢性缺血缺氧性基本的防治尋找干預靶點具有重要意義。