运动预适应心肌保护作用的研究进展

朱 萍，郭 维

(杭州市水上运动中心，浙江 杭州 310023)

运动预适应心肌保护作用的研究进展

朱 萍，郭 维

(杭州市水上运动中心，浙江 杭州 310023)

运动诱导机体产生内源性保护物质，从而提高机体耐受缺血缺氧的能力，其机制尚不明确。查阅相关文献，综述运动对抗心肌缺血性损伤的保护机制。

缺血再灌注；运动预适应；心肌保护

无论是一次、短期大强度或中等强度间歇运动，还是长期中等强度耐力运动均能够诱导机体产生内源性保护作用，从而提高心肌耐受缺血、缺氧的能力，并能有效减轻随后的心肌缺血/再灌注(I/R)损伤，这种通过运动诱导机体产生心肌保护作用的现象称为运动预适应(EP)。运动预适应诱导机体产生心肌保护的现象已得到证实，但其分子机制尚未阐明。目前，大多数研究学者认为运动预适应心肌保护可能与运动直接诱导心肌细胞产生适应性细胞保护有关，这种适应性心肌细胞保护可能与运动训练引起的心肌热休克蛋白表达增加、心肌抵抗氧化应激、心肌内质网应激蛋白表达改变、一氧化氮的作用、降低心肌细胞凋亡基因的表达和心肌ATP敏感钾(KATP)通道开放等有关。

1 运动诱导心肌热休克蛋白家族表达

热休克蛋白家族(HSPs)成员是重要的分子伴侣，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，在应激状态下HSPs表达增加，能及时修复受损的细胞结构蛋白，维持细胞的稳定性。在运动预适应过程中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。其中以HSP70与运动预适应心肌保护作用的研究最多。研究表明，一次急性跑台运动结束后0.5h，大鼠心肌HSP70mRNA表达显著增加，24h后HSP蛋白含量明显增加[1]。在运动预适应中，免疫组化显示大鼠心肌胞浆HSP70免疫反应阳性颗粒大且密集，其蛋白表达显著增加[2]。也有研究发现，运动诱导心脏保护并不伴有HSPs表达发生改变[3]，因此，其机制还有待进一步研究。

2 运动与心肌抗氧化能力

长期以来，活性氧(ROS)被认为只是一类损伤细胞的毒性物质。近年来，活性氧可以作为信号分子参与机体代谢调控的功能引起了人们的广泛关注。运动作为一种刺激可以促使体内ROS生成增加，导致机体的氧化应激状态，引起细胞的氧化损伤。适量的ROS是对细胞的一种预适应性刺激，ROS通过激活氧化还原敏感性信号通路激酶，来调节氧化还原敏感型基因的表达，如抗氧化酶基因，使细胞的抗氧化能力增强，抵抗更为严重的氧化应激[4]。ROS可激活G蛋白、蛋白激酶C(PKC)，活化的PKC可激活MAPKs(丝裂原活化蛋白激酶家族)，二者共同作用于NF-κB(核因子-κB)，从而促进细胞内超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)的合成，提高心肌的抗氧化能力[5]。张敏等[6]通过动物模拟高原运动心脏实验，观察了心肌组织中锰超氧化物歧化酶mRNA的表达情况。结果不但证明了运动预适应的存在，也表明其机制与抗氧化酶活性提高有关。研究发现，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，而丙二醛(MDA)显著降低，心肌肌酸激酶等物质释放减少[7]。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，ROS生成增加，增加的ROS成为缺血预适应心肌保护作用的启动因子[7]。

3 一氧化氮与运动性心肌保护

一氧化氮(NO)作为一种内皮源性自由基，在I/R中起着重要的作用。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。一氧化氮在缺血预适应中发挥细胞内信号分子作用，在缺血后适应的作用可能在于抑制缺血再灌注的炎性反应，激活KATP通道和抑制线粒体通透转换孔(PTP)的开放，其次，一氧化氮可以作为信号传递分子，刺激G蛋白和PKC。内皮型一氧化氮合酶是血管和心肌组织产生一氧化氮的主要酶，抑制一氧化氮合酶后能阻断缺血后适应的心脏保护作用[8,9]。Zdrenghea等[10]研究表明，运动诱导NO生成增加，有利于心脏机能从I/R损伤后的恢复。Babai等[11]在动物运动前用L-NAME，结果取消了运动引起的延迟性保护作用，可以推断，运动诱导了NO的产生是运动预适应提供心脏保护的机制之一。

此外，Babai等[11]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等[12]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。Shinnura等[13]研究发现，iNOS催化的NO可通过特殊信号途径激活COX-II，后者催化花生四烯酸生成前列环素(PGI2)，PGI2可激活线粒体KATP通道，延缓线粒体Ca2+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，NOS/COX-II/mitoKATP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[14]。

4 内质网应激蛋白与运动性心肌保护

内质网是真核细胞中调控蛋白质折叠、钙稳态和应激反应最重要的细胞器之一，对应激刺激非常敏感，诸如氧化应激、内质网内Ca2+耗竭、蛋白质加工异常、某些蛋白表达过多等因素均可以导致内质网内未折叠/错误折叠蛋白质的聚集和钙稳态失衡，出现内质网应激(ERS)。主要表现为葡萄糖调节蛋白类(GRPs)、钙网蛋白(CRT)、蛋白质折叠酶等表达上调和caspase-12、CHOP/GADD153等促凋亡因子的表达及活化[15]。一定程度的ERS可促进内质网功能恢复，长时间严重的ERS则诱导ER相关性死亡(ERAD)，造成组织损伤。ERS是加重I/R的重要因素。Kin等[16]在沙鼠大脑缺血模型上证实，IPC抑制ERS引起的蛋白合成和细胞凋亡。

Martindale等[17]发现心肌I/R会激活未折叠蛋白效应(UPR)，形成活化的转录因子6(AFT6)引起一些诸如GRP78和GRP94等蛋白的表达增加，进而反过来降低I/R引起的心肌坏死和凋亡。内质网应激蛋白过表达在I/R过程中产生ER保护，而这些蛋白在运动诱导的心肌保护中发挥着作用。不过，Murlasits等[18]证实，至少短时间的运动训练不能增加内质网应激蛋白，短时间运动性心肌保护作用与内质网适应可能没有联系。因此内源性心脏保护中ERS的作用及其信号转导通路值得深入研究。

5 细胞膜和线粒体KATP通道与运动性心肌保护

心肌细胞膜和线粒体均有ATP敏感钾(KATP)通道分布，KATP通道作为一种效应物质参与了EP诱导的心肌保护作用，是心肌细胞信号转导途径中的重要环节。近年来的研究发现心肌细胞膜和线粒体ATP敏感钾通道(sarcaKATP、mito KATP)的开放可能参与了预适应的全过程，即触发、介导及效应阶段[19,20]。

心肌KATP通道主要通过减少Ca2+超载、减轻缺血心肌的能量消耗和减少ROS的生成等机制介导心肌预适应保护作用。心肌细胞Ca2+超载是心肌I/R损伤发生的主要机理，心肌细胞膜上的KATP通道开放通过抑制Ca2+内流，降低细胞内Ca2+积累，致使缺血心肌电机械活动受到抑制，心肌张力降低而收缩力减弱，从而减少ATP消耗，减轻心肌损伤并改善心肌功能。在新陈代谢应激方面，心肌KATP通道可以看做是心肌保护效应的细胞能量传感器。心肌KATP通道开放对氧和能量物质利用效率提高，有利于能量物质的储备。KATP通道开放可以减轻线粒体内钙含量，减少缺血再灌注时线粒体通透性转换孔的开放数量。提示线粒体内KATP通道的开放减少可能为心脏保护作用机制之一。5天连续的跑台运动诱导大鼠EP预适应效应，EP使离体心脏I/R损伤的心肌坏死面积明显减少，KATP通道的阻断剂可以消除该保护效应[21]，说明KATP参与了运动预适应心肌保护作用。Zingman等[22]用转基因大鼠进行连续5天的跑台运动，建立EP模型。其研究结果表明，EP引起KATP通道表达的显著增加。KATP通道表达的增加减少了心律升高时心肌动作电位时程缩短的时间，并且，该通道表达的增加显著减少了由心率增加而引起的心肌能量消耗。Brown等[23]以大鼠为研究对象，持续进行为期分别为12和20周的跑台运动，已建立长期EP模型。结果发现，长期EP显著减少了大鼠心肌I/R损伤的心肌梗塞面积，且长期EP后sarcaKATP通道蛋白表达有所升高。同时sarcaKATP通道阻断剂能够取消EP诱导的心肌保护作用，而mitoKATP阻滞剂不能取消该效应，表明长期EP诱导的心肌保护作用是以sarcaKATP通道蛋白表达升高为特征。提示sarcaKATP通道的活化和/或表达在长期EP诱导的预适应心肌保护作用中起到了重要作用。总之，在短期和长期EP诱导的心肌保护作用中，心肌sarcaKATP通道和mitoKATP通道参与了EP诱导的心肌保护作用，是EP信号转导通路中的重要调控因子[24]。

6 线粒体与运动性心肌保护

线粒体是细胞物质与能量代谢的核心，它不仅是细胞内的“动力工厂”，还是非常敏感多变的细胞器。线粒体在细胞凋亡过程中起主开关作用，缺血预处理通过开放mitoKATP通道、抑制mPTP开放，抑制氧自由基产生和Ca2+超载而发挥心脏保护作用。值得注意的是，近年来在线粒体与内源性心脏保护作用的研究中，带有caspase富集功能域的凋亡抑制因子(ARC)的作用开始引起重视，ARC是迄今发现的、在心脏高度特异且大量表达的唯一抗凋亡蛋白，可通过特异地抑制caspase-2和caspase-8的活性抑制细胞凋亡[25]；最近证实，HPC诱导ARC表达上调并减轻缺氧/复氧所致心肌细胞凋亡，反义寡核苷酸抑制ARC的表达，消除HPC的上述心肌细胞保护作用，并证实ARC通过抑制细胞色素c释放和caspase-3活化介导HPC的心脏保护作用[25]。

线粒体通透性转换孔与细胞坏死与凋亡均有密切关系，抑制线粒体通透性转换孔可能是缺血后适应保护机制之一。透性转换孔是位于线粒体内、外膜上由多种蛋白组成的非选择性、高电导性复合孔道。正常情况下，转换孔处于关闭状态，但是当心肌处于缺血再灌注时，Ca2+超载、ROS大量生成等可促使孔开放，促使线粒体肿胀，外膜破裂，大量细胞色素c释放入胞质，使细胞凋亡，因此抑制孔的开放可保护心肌[26]。有研究报道：通过使用单通道膜片钳技术证实缺氧预处理可增加线粒体钙激活钾通道活性抑制通透性转换孔的开放，并且发现钙激活钾通道和通透性转换孔之间存在着某种联系，即：线粒体钙激活钾通道的开放可关闭通透性转换孔[27]。线粒体通透陛转换孔的开放存在于再灌注最初几分钟。心肌再灌注后，由于能量的迅速恢复，导致线粒体内钙超载。线粒体钙超载是使线粒体通透陛转换孔开放的触发因素，它们均在再灌注早期起作用。缺血后适应可抑制线粒体通透性转换孔，减少其开放[28]，这可能与一氧化氮增加，抑制线粒体通透性转换孔从而减少氧化剂及细胞内、线粒体内Ca2+超载有关。

7 结 语

运动预适应的机制与运动诱导心肌细胞适应性保护有关，其可诱导心肌细胞产生适应性细胞保护。运动引起的缺血和缺氧所致的心肌损伤作用机制错综复杂，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。对运动预适应的机制进行研究，掌握不同运动强度对运动心脏保护作用的规律，对指导运动员实施合理、有效、安全的训练方案具有重要意义，也可促进冠心病的运动康复，对心肌梗死的预防，避免运动性猝死产生有益的影响。

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AdvancesinResearchonMyocardialPreservationofExercisePreconditioning

ZHU Ping, GUO Wei

(Water Sports Center of Hangzhou, Hangzhou 310023, China)

Exercise induce the organism to produce endogenous protective substances, so as to improve the ability of the body resistant to ischemia and hypoxia, its mechanism is unclear. Looking into the pertinent literature, review the exercise- induced protective mechanisms against myocardial ischemic injury.

ischemia/reperfusion; exercise preconditioning; myocardial protection

1004-3624(2013)04-0116-04

G804.2

A

2013-05-08

朱 萍(1963-)，女，浙江杭州人，赛艇高级教练员.