运动预适应心肌保护作用机制研究综述

王 强, 闻剑飞, 施洪飞

(1.合肥师范学院体育系,安徽合肥230601;2.扬州大学体育学院,江苏扬州225009)

运动预适应心肌保护作用机制研究综述

王 强1, 闻剑飞1, 施洪飞2

(1.合肥师范学院体育系,安徽合肥230601;2.扬州大学体育学院,江苏扬州225009)

目的:综述运动预适应对心肌缺血保护作用分子机制的研究进展。方法:查阅国内外相关文献,并对其分析、归纳。结果:运动预适应心肌保护作用分子机制主要涉及三条信号转导途径,且相互联系。结论:运动预适应心肌保护作用机制复杂,对诱发其保护效应的触发物和信号转导通路的探讨将是未来研究的重点。

运动预适应;心肌;早期保护;延迟性保护;信号转导

激烈的运动作为一种应激,可极大地提高心肌耗氧量,造成暂时的心肌相对缺血或绝对缺血,反复运动则造成反复暂时缺血,这种通过运动诱导机体产生内源保护物质,从而提高机体耐受缺血缺氧的能力称为运动预适应(Exercise Preconditioning EP)。运动预适应以运动代替缺血刺激克服伦理和缺血损伤的弊端,有广泛的临床应用价值。运动诱导的预适应心肌保护存在早期保护时相和延迟性保护时相,但二者在机制上存在差异[1]。本文现将运动诱导的预适应早期和延迟性保护的分子机制研究情况综述如下。

1 运动预适应心肌保护早期时相的分子机制

耐力运动训练及短期急性运动都能诱导心肌产生预适应早期保护时相,但具体机制尚不明了。目前认为,运动预适应早期保护时相是运动后即刻至1-2h内发生,其保护作用的产生可能并不涉及保护性蛋白的从头合成,而是运动诱发心肌释放内源性物质或胞内离子变化,通过特定的激活途径直接作用于已转录的基因、离子通道或活化已表达的蛋白。目前研究提示早期保护机制发生涉及以下几个途径。

1.1 自由基-抗氧化酶途径

较大强度运动训练作为一种弱的缺血刺激可促进心脏抗氧化酶活性提高,可使心脏对随后更大程度的缺血造成的自由基损伤产生保护,增强心肌细胞抗缺血能力,维持细胞内稳态,这是细胞的一种自我保护效应。运动可通过多条途径引起自由基生成增加,为保护细胞免受自由基损伤,而激活抗氧化系统,达到心肌保护作用。实验研究发现[2],大鼠进行两周运动训练,最后一次进行大强度运动后即刻结扎冠状动脉复制心肌缺血模型,结果显示,运动组心肌梗死面积减少,Mn-SOD活性在30min后增加,同时TNF-α和IL-1β水平升高。运动中活性氧增加可以升高炎性因子水平,后者可能活化抗氧化酶,从而产生细胞保护效应。张敏[3]等也证明了低氧运动后心肌在30min后CuZn-SOD的活性增加。因此,可以推测运动预适应可预先引起机体自由基生成增加,进而激活细胞因子,最终细胞因子调节抗氧化酶活化,也可能是自由基直接活化抗氧化酶,达到保护心肌的作用。运动引起抗氧化酶活性快速增加的机制还需进一步研究。

1.2 一氧化氮(NO)和一氧化氮合成酶(NOS)途径

内源性NO在缺血预适应早期时相中作用已被实验证实[4]。NO通过扩张冠脉、抑制中性粒细胞和血小板黏附、负性变力、抑制凋亡、与离子通道相互作用降低钙浓度、中和自由基等多方面作用降低缺血再灌注对心肌的损伤。研究表明,运动可诱导血管内皮细胞NOS和NO的增加,在机体内有益于抑制炎性反应引起的损伤[5]。急性运动可引起心肌cNOS活性升高,血清NO含量增加,并且cNOS的增加与强度具有正相关[6]。

较大强度运动训练可造成心肌相对缺血缺氧, ATP生成不足,胞内 Ca2+增加,Ca2+与钙调蛋白(CaM)形成复合物,后者与cNOS结合,使其激活。任何能引起细胞内钙升高的因素均能导致cNOS活性增加。Xuan[7]等观察发现,清醒的兔子缺血预处理后,可迅速引起钙介导的cNOS激活,而不依赖钙的iNOS活性保持不变。运动诱导的cNOS活性的增加除了钙途径外,可能还存在其它触发因子。目前已经证实了一些重要的内源性物质(如腺苷、儿茶酚胺、缓激肽)可能参与激活和中介IPC的保护作用[8][9]。已知这些物质可通过激活 cNOS,产生NO。运动引起的儿茶酚胺、腺苷等活性物质的生成增加,可能通过特殊途径激活cNOS或者钙信号位于儿茶酚胺和腺苷的下游。

NOS活性增加可催化L-精氨酸生成NO,NO是小分子物质可直接作用于胞膜上ATP敏感性钾(sarco KATP)通道,使其开放,增加钾外流,使动作电位时程缩短,减少缺血再灌注心律不齐发生率,同时NO可作用于L-钙通道,减少钙内流,从而减少心肌细胞钙超载,减轻心肌缺血损伤。Light研究证实[10],早期再灌注阶段,sarco KATP通道的持续激活对心功能持续恢复以及心电稳定起着关键作用。而Raul[11]研究证实,运动介导早期保护时相是由于抑制线粒体ATP敏感性(mito-KATP)钾通道实现的, NO具有抑制mito-KATP通道的作用,因而,NO抑制mito-KATP通道可能参与了运动诱导的早期预适应保护。

1.3 阿片肽信号途径

内源性阿片肽(EPO)家族包括脑啡肽、内啡肽、强啡肽、孤啡肽、内吗啡肽五大类。研究发现[12],阿片肽及其受体参与了IPC的早期保护。有研究报道[13],运动训练可引起血浆中阿片肽释放增加,并且认为运动引起的阿片肽的释放可以产生心脏保护作用。在预适应早期保护阶段,内源性阿片肽与心肌细胞膜上阿片肽受体结合,通过Gi蛋白的耦联作用抑制AC,使细胞内cAMP浓度下降,从而降低胞内钙离子浓度,引起负性肌力作用。研究证实[14][15],蛋白激酶C(PKC)和酪氨酸激酶(TK)是介导阿片肽受体参与IPC作用的重要信号分子,阿片肽与其受体结合通过激活一系列蛋白激酶,通过蛋白磷酸化作用激活sarco KATP通道,减小心肌缺血再灌注损伤,发挥心肌保护作用。然而,运动诱发阿片肽释放在预适应早期心肌保护中的作用及其机制研究还相对较少,确切机制尚需实验研究予以证实。

2 运动预适应心肌保护延迟时相分子机制

预适应延迟性保护发生在预适应后24h或更长时间,其保护效应可持续数天。延迟性保护的发生不仅需要保护性蛋白的激活,更需要一系列保护性蛋白的重新合成,涉及基因转录、翻译及翻译后的修饰,是一个极其复杂的过程。研究证实[16-18],运动预适应延迟性保护作用的发生可能涉及一氧化氮、抗氧化酶、热休克蛋白、ATP敏感性钾通道等多个效应分子及其相关信号转导通路。从触发物看主要包括以下三个方面。

2.1 氧自由基触发的运动预适应延迟性保护

运动过程中氧自由生成增加已被实验证实[19],利用电子顺磁共振技术,人们观察运动骨骼肌和心肌的自由基生成均高于静息状态。运动中心肌的耗氧量急剧增加,线粒体产生ROS相应增加,另外大强度运动可模拟心肌缺血再灌注,并可激活黄嘌呤氧化酶(XO)通道,XO被认为是心脏缺血再灌注时产生自由基的主要来源。ROS可通过一系列生化反应使心肌细胞内环境进一步氧化,处于氧化应激态。EP引起心肌细胞轻度氧化应激态,可激活抗氧化系统,维持内环境稳定。研究发现[20],大鼠7周和一次间歇运动训练结束后24h复制心肌缺血再灌注模型,结果显示7周和一周间歇运动训练组心肌SOD和GXH-PX明显高于对照组,而MDA显著降低,心肌CK、LDH、GOT释放减少。长期间歇运动训练使心肌细胞经常遭受相对缺血的环境而发生适应,可能在缺血再灌注时中性粒细胞激活降低,儿茶酚胺释放减少,产生自由基也相对减少。而一次间歇性运动造成心肌相对缺血,自由基生成增加,增加的氧自由成为缺血预适应延迟性保护作用的启动因子。

自由基可激活G蛋白、PKC,活化的PKC可激活MAPKs,二者共同作用于NF-κB,从而促进SOD和GSH-PX的合成,提高心肌在延迟相的抗氧化能力[21]。Daskc[22]等研究发现,TNF-α、IL-1和脂多糖可诱导Mn-SOD表达,而运动预适应可引起IL-1β、TNF-α等多种细胞因子增加,后者可由NF-κB途径激活Mn-SOD基因表达。

氧化应激可以激活热休克蛋白,Quindry等[23]证实了HSP参与了IPC的延迟性保护。HSP是重要的分子伴侣,帮助蛋白质折叠、装备和调整,使其形成正确的三维机构,另外,HSP可修复受损的细胞结构蛋白,维持细胞的稳定性。在运动预适应的延迟相有大量的保护性蛋白合成,可以推测HSP家族参与了这些蛋白质合成修饰。也有研究发现,心肌HSP72的升高不是运动诱导心脏保护必需的,其机制还有待进一步研究。

翟庆峰[24]等证实血红素氧合酶-1(HO-1)作为一种热休克蛋白(即HSP32)参与了EP的延迟性保护,EP延迟相HO-1合成增加,I/R后各项指标均好转,而在EP之前加入HO-1抑制剂,EP的保护效应消失。Rong也证实了 HO-1在高热预适应中抗I/R的保护作用。因此,HO-1可能是EP延迟性保护中一个重要的效应分子。运动训练造成的轻度氧化应激可依次激活PKC、MAPK、AP-1和NF-κB激活 HO-1表达[25]。另外,运动释放的其它活性物质如NO、阿片肽、腺苷可能参与了HO-1基因表达过程。HO-1通过激活 HO-1/ CO系统,使抗氧化产物胆红素、CO、铁离子生成增加,进而减轻 I/R造成的自由基损伤。另据报道[24],HO-1/CO系统可减轻胞内钙超载,发挥心肌保护作用,但具体机制尚待研究。

2.2 NO和NOS触发的运动预适应延迟性保护机制

一氧化氮合成酶分为钙依赖型(cNOS、eNOS、nNOS)和非钙依赖型(iNOS),不同的NOS在不同的保护窗起作用。Xuan[7]等研究发现,兔子在缺血预处理后,迅速引起cNOS的激活,而iNOS活性不变,24h后iNOS的活性增加,而cNOS活性不变,预处理24h后iNOS的上调可被N(omega)-nitro-L-arginine所抑制,说明延迟相iNOS是被NO、氧化剂和 PKC的激活所触发。Babai[26]等研究发现,犬在跑台训练24h后,心肌iNOS表达量增加,并可能通过NO介导了延迟性保护。Angnes[27]等人观察发现,预先让犬做跑台训练,24h后进行缺血再灌注,结果发现EP组心律不齐发生率明显下降,而在EP前预先给予iNOS抑制剂组,犬的心律不齐发生率明显高于EP组,而且EP组的死亡率远低于抑制剂组,说明iNOS在运动预适应延迟保护相发挥重要作用,降低了缺血再灌造成的心律不齐的发生,减少了再灌注造成的死亡发生。

研究发现[28],预适应延迟相iNOS合成增加是由于早期预适应NO释放触发的,在早期预适应时NO呈现心肌保护效应,同时NO的继续合成增加,过量的NO与O2生成ONOO-和羟自由基,从而加强氧化反应激活PKC,通过信号转导激活酪氨酸激酶和其他激酶、NF-κB,最终导致iNOSmRNA上调和延迟相iNOS活性增加,对第二天的缺血事件起保护作用。

iNOS通过催化L-精氨酸合成NO,NO可直接激活肌纤维膜ATP敏感性钾通道,使其开放,增加钾外流,加速第三时相复极,缩短心肌动作电位时程,减少心律不齐的发生,并能通过作用于L-型钙通道,减少钙内流,减轻I/R心肌细胞钙超载。Shinnura[29]等研究发现,iNOS催化的NO可通过特殊信号途径激活COX-2,后者催化花生四烯酸生成PGI2,PGI2可激活线粒体ATP敏感性钾通道,延缓线粒体的钙超载,最终阻止线粒体通透性转化孔开放,从而发挥心肌保护作用。但是运动动物模型研究表明[30],NOS/COX-2/mito-KATP途径在运动诱导的心肌保护中的作用不如抑制素诱导的心脏保护作用。

2.3 阿片肽触发的运动预适应延迟性保护机制

研究证实[31][32],内源性和外源性的阿片肽能够触发缺血心肌的预适应保护效应。Frassdorf[33]等预先给大鼠注射吗啡,24h后缺血再灌注,结果吗啡组较对照组心肌梗死面积明显减少。Chen[34]等研究发现,被预先给予阿片肽受体激动剂(U50488H)的大鼠在24h、48h后缺血再灌注心肌梗死面积明显减少,而12h和72h组则无保护效应或弱保护效应。若提前使用受体阻断剂(nor-BNI),此保护效应消失。说明阿片肽及其受体的激活可发挥预适应延迟性保护作用。

Eric[18]等研究运动大鼠模型,大鼠分为3组,对照组不运动,其余两组执行5天运动方案,其中一组在第4、5天注射OR阻断剂(纳咯酮),24h后各组进行缺血再灌注,结果显示,运动组产生了良好的保护效应,而运动加阻断剂组保护效应消失。实验还发现,运动预适应可引起阿片肽前体物质(前脑啡肽、强啡肽原、阿黑皮质原)和阿片肽受体(δ-受体、κ-受体、μ-受体)基因表达增加。说明运动训练可诱导延迟相阿片肽及其受体的合成,从而触发和介导运动预适应延迟性保护。已有研究证实[15][35], mito-KATP和sarc-KATP是阿片肽受体介导的DPC的主要效应物质。同期研究发现[71],在δ-阿片肽类物质介导的延迟性预适应中心脏COX-2蛋白表达上调,提示COX-2可能参与了阿片肽诱导延迟性心肌保护效应。

以上研究说明,在阿片肽及其受体介导的早期保护中,阿片肽受体通过 G蛋白信号途径,激活PKC、丝裂霉素活化蛋白激酶、酪氨酸激酶,使通道蛋白或其他效应蛋白磷酸化,发挥早期保护作用, PKC可使NF-κB等转录因子活化,诱导HSP、iNOS、COX-2、Mn-SOD等内源性心肌保护蛋白表达,发挥延迟性心肌保护作用。因此,运动诱导的早期内源性阿片肽除产生早期保护效应外,还可能通过信号转导通路引起延迟相保护性蛋白的表达,但Eric[19]等证实,运动预适应延迟相阿片肽前体物质和受体表达增加,通过早期通路介导保护效应。那么,是什么触发了运动预适应延迟相阿片肽及其受体的表达,还需要进一步研究。

总之,EP阿片肽保护途径中,在发挥早期保护同时可能也触发了延迟性保护的发生。从效应分子上看,阿片肽途径和iNOS、自由基通路也存在某些联系。

3 展望

运动预适应可诱导早期相和延迟相心肌保护效应。目前研究还主要集中在实验验证和效应分子上,对其机制研究并不多见。事实上,运动预适应分子机制是极其复杂的,早期保护与延迟期保护之间,各信号转导通路之间,效应分子之间可能都存在相互作用和联系,构成了复杂的网络。因此,对其保护效应的触发物和中间信号转导通路的研究将是未来研究的重点。

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A Review on Cardioprotective Molecule Mechanisms of Exercise Preconditioning

WANG Qiang1, WEN Jian-fei1, SHI Hong-fei2

(1.Department of S ports Science,Hef ei Normal University,Hef ei230601,China; 2.School ofPhysical Education,Yangzhou University,Yangzhou225009,China)

Objective:To review the advance of research on the cardioprotective molecule mechanisms of exercise preconditioning.Methods:After looking into the pertinent literature,the authors analyze the research achievement,then induction molecule mechanisms of exercise preconditioning.Results:Three paths of signal transduction is involved in the cardioprotective molecule mechanisms by exercise preconditioning,and it is intercommunication.Conclusion:The mechanisms of exercise preconditioning is complex,so research will focus on the triggering of protection effect and paths of signal transduction in the future.

exercise preconditioning;myocardial;early protection;delayed protection;signal transduction

G804.55

B

1674-2273(2010)06-0125-05

2010-07-10

合肥师范学院科研资助项目(2010kj12)

王强(1981-),男 ,安徽郎溪人,合肥师范学院体育系教师,硕士,研究方向:运动与心血管病康复。