间歇性低氧对左心室功能的损害及机制分析*

王金伟， 吉恩生

阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(obstructive sleep apnea syndrome，OSAS)是由于睡眠时上气道阻塞，呼吸时上气道阻力增加，使呼吸变浅变慢或暂停，继而引起反复发作的低氧和高碳酸血症，是多种心血管疾病如高血压、心律失常、心肌缺血和心衰以及心脏猝死的重要危险因素［1-2］。它不仅可以引起急性血流动力学改变，长期效应还可引起慢性血流动力学改变及心脏结构和功能变化。大量文献显示间歇性低氧可引起左心功能损伤。

1 间歇性低氧对左心功能的影响

1.1 间歇性低氧对心肌收缩和舒张的影响 慢性间歇性低氧可以引起左心室舒张和收缩功能下降，临床研究显示，中重度OSA病人左室射血分数、缩短分数以及代表心脏舒张功能的E/A值均下降［3］。有研究表明，间歇性低氧处理6周的大鼠，左心室压力最大上升速度、心肌纤维缩短最大速度、左室收缩压均降低，说明间歇性低氧引起左心室收缩功能下降。左室压力最大下降速度降低，且等容舒张期左室压力下降时间延长，左室舒张末期压力上升，表明左室舒张功能下降［4］。但Naghshin等［5］研究证明间歇性低氧暴露4周的C57BL/6J鼠心肌收缩力增强，之所以出现这种结果可能是由于间歇性低氧暴露时间较短，且低氧程度较轻引起的，是短期间歇性低氧的代偿性表现，而间歇性低氧对心脏影响的最终结果是心功能下降，甚至引起心力衰竭。

1.2 间歇性低氧引起的心室重塑 超声心动图显示，OSA病人左室后壁厚度、左室质量及质量指数与正常人比较均增加［6］，说明间歇性低氧可引起OSA病人的左室重塑。Hayashi等［7］研究发现，间歇性低氧暴露10 d的C57BL/6J小鼠心肌细胞横断面积和直径明显增加且出现间质纤维化，但平均动脉压、左室舒张和收缩功能均没有改变，说明间歇性低氧能导致心室重塑，且与左室后负荷无关，间歇性低氧引起的反复低氧和复氧可能直接引起心肌损伤，并参与左心室重塑。研究表明，间歇性低氧暴露4周的大鼠出现心肌结构异常且心肌细胞间隙增宽，这一现象在间歇性低氧暴露8周时更明显，且出现结构断裂和心肌细胞紊乱［8］，说明间歇性低氧能引起心脏结构的破坏，且其严重程度与暴露的时间长短有关。

1.3 间歇性低氧增强心肌损伤易感性 在间歇性低氧35 d动物离体心脏的缺血再灌注模型进行研究，发现缺血再灌注处理后，IH组心肌梗死面积明显高于正常对照组，但冠脉血管张力并没有改变，表明间歇性低氧能够通过对心肌细胞的直接作用来增加心脏对缺血再灌注损伤的敏感性［9］。另外，有研究表明间歇性低氧不仅增加心肌细胞对缺血再灌损伤的敏感性，还能抑制急性心梗病人左室心肌收缩力的恢复［10］，而这些均与间歇性低氧对心肌细胞的损伤有关。

1.4 间歇性低氧引起心肌细胞的改变 间歇性低氧能引起心肌细胞肥大、坏死和凋亡。其中细胞凋亡是间歇性低氧引起心肌细胞损害最重要的病理改变。对Wistar大鼠进行间歇性低氧处理后，发现大鼠左室心肌细胞出现明显坏死和凋亡［11］。而且我们实验室曾观察间歇性低氧大鼠心肌细胞的形态学改变，发现间歇性低氧大鼠心肌细胞与对照组相比，表现为心肌细胞萎缩，部分心肌细胞点状坏死，部分内皮细胞坏死脱落。心肌细胞肥大和间质纤维化是心室重塑的基础，而心肌细胞凋亡和坏死会导致细胞数量的减少，会进一步影响心脏功能。

2 间歇性低氧损伤心功能的机制

有研究者将OSA病人的心室重塑和功能障碍归因于高血压、胸内压的机械波动和交感神经兴奋。众所周知，交感神经兴奋在间歇性低氧引起的系统性高血压和肺动脉高压中起重要作用，而系统性高血压和肺动脉高压能增加心脏的前后负荷。但有报道显示连续低氧3周的动物肺动脉高压对左室重塑的影响十分有限［12］。因此，前负荷对左室功能的影响可能极小。Chen等［13］研究发现间歇性低氧处理5周的大鼠，尾动脉血压并没有明显升高，但心功能显著下降，说明后负荷并不是导致心功能不全的主要因素。有研究显示，去除交感神经，可消除间歇性低氧引起的血压变化，但并没有消除左室肥厚［14］。以上这些研究表明，间歇性低氧很可能是通过对心肌细胞的直接损伤导致心室重塑和左心功能的改变。

2.1 氧化应激的产生及其在间歇性低氧中的作用

大量证据表明，间歇性低氧引起的氧化应激是OSA病人心肌损害的重要机制。用抗氧化基因干预，能明显抑制间歇性低氧引起的心肌细胞坏死［11］，且抗氧化剂能有效阻止间歇性低氧引起的缺血再灌后心肌梗死面积的增加［15］。间歇性低氧造成氧分子部分还原，使细胞内活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)浓度增加，从而引起氧化应激。ROS包括过氧化物、羟自由基、过氧化氢和过氧亚硝酸盐。ROS分子具有细胞毒性，能引起脂质过氧化、基因损伤和突变、细胞内ATP消耗、Ca2+平衡改变、蛋白质氧化以及组织坏死和细胞凋亡。细胞内ROS的产生包括多种机制，包括黄嘌呤-次黄嘌呤系统、线粒体呼吸酶类、某些细胞色素P450酶、脂氧合酶、NO合酶和NADPH氧化酶。已有研究表明，间歇性低氧动物心肌组织中NADPH氧化酶表达水平明显高于对照组，虽然间歇性低氧引起NADPH氧化酶升高的机制尚不明确，但它可能是间歇性低氧产生ROS的主要来源［16］。

间歇性低氧引起的氧化应激还能使心肌组织中的氧化和抗氧化平衡失调。有研究发现，间歇性低氧动物心肌组织中丙二醛(malondialdehyde，MDA)水平明显增加，且超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性显著降低［16］。MDA 是脂质过氧化作用的主要产物之一，能够反映脂质过氧化作用的水平。SOD能清除超氧化自由基，防止细胞损伤，它的活性可以直接反映细胞对氧自由基的清除能力。间歇性低氧引起抗氧化能力的降低可能是由于氧化产物的增加使抗氧化酶的过度消耗，同时，间歇性低氧也能直接抑制SOD的表达［16］。总之，间歇性低氧不但能引起氧化应激，也能使机体抗氧化能力降低，且其严重程度与低氧程度和暴露时间呈正相关。

间歇性低氧引起的氧化应激还能够促进炎症的发生，如与炎症密切相关的转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)过度表达。TGF-β 能促进纤维母细胞增殖，引起心肌细胞纤维化，在心室重塑中发挥重要作用［17］。另外，间歇性低氧能激活心肌肥大细胞中的糜蛋白酶，进而增加血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)的产生，使OSA病人血浆中AngⅡ血浆水平升高［18］。曾有报道称间歇性低氧引起的小鼠心室重塑和氧化应激能被血管紧张素受体抑制剂所减轻［12］。因此，间歇性低氧引起的AngⅡ的过度表达可能通过激活氧化应激来引起左室重塑。

2.2 间歇性低氧引起氧化应激的机制 目前间歇性低氧引起氧化应激的机制并不十分清楚，可能与以下机制有关:(1)缺氧－复氧机制:在缺氧和复氧过程中，ROS和内源性抗氧化物质的平衡受到干扰，在低氧阶段，心肌细胞可以通过自身调节适应低氧环境，但在复氧时，细胞内的氧气骤然增加，形成大量的活性氧簇，破坏细胞成分［13］。这与缺血再灌注过程十分相似，有研究证明，缺血再灌注模型的心肌细胞在缺血期间也能产生ROS［19］，这种现象虽然与缺血相矛盾，但低氧时呼吸链细胞色素的氧化还原作用减弱，把电子直接转移给氧，从而产生ROS。即使在缺血条件下，仍然有大量可利用的氧分子，很可能在缺氧条件下也是如此。在氧分子存在的条件下，氧化还原作用减弱可以产生大量的ROS。这样，间歇性低氧引起的缺氧和复氧均能产生ROS。(2)间歇性低氧引起交感肾上腺素能神经活性增强，β受体兴奋可以刺激心肌细胞氧化应激。在交感神经兴奋的急性期，ROS是激活第二信使(蛋白激酶级联反应)的主要动力，并且在慢性期，活性氧参与心室重塑和纤维化［20］。

无论间歇性低氧是通过何种机制产生活性氧，它对心脏和大脑均有影响，说明氧化应激是间歇性低氧病人的普遍现象。

2.3 离子交换体介导的心肌细胞损伤 有研究显示，间歇性低氧8周的C57BL/6鼠敲除Na+/Ca2+交换体1后，心功能损伤比未敲除Na+/Ca2+交换体1组明显减轻，且心肌细胞凋亡减轻，敲除Na+/Ca2+交换体1后的动物对抗缺血再灌注损伤的能力明显增强。说明间歇性低氧造成的心肌细胞损伤至少部分是由Na+/Ca2+交换体1介导的［21］。

Na+/Ca2+交换体是一个由938个氨基酸残基构成的、包含11个疏水性跨膜片段的蛋白质，几乎在所有的组织器官中表达。但在心肌细胞中，Na+/Ca2+交换体1占主导地位。Na+/Ca2+交换体是一种双向离子转运体，能同时转入3个Na+并排出1个Ca2+。Na+/Ca2+交换体有2种工作模式，同向型将Na+转入细胞内，将Ca2+转出细胞;逆向型将Ca2+转入细胞内，将Na+转出细胞。Na+/Ca2+交换体的同向转运在心脏电收缩偶联钙离子平衡中起重要作用，而逆向转运模式可能是Ca2+进入细胞的一种生理学机制，如心脏收缩早期肌浆网的钙触发钙释放。然而，逆向转运活动的增强可能会导致钙离子平衡失调和电活动异常，这被认为是心脏损伤的一个重要途径。

间歇性低氧处理后Na+/Ca2+交换体介导的心肌细胞损伤的机制尚不清楚，但间歇性低氧模型与心肌缺血再灌注模型十分相似。有研究者发现在心肌缺血再灌注后，由于胞内ATP产生减少，钠泵活动受到抑制，而Na+/Ca2+交换体的同向或逆向转运取决于细胞膜内外的电化学梯度，尤其是胞内Na+浓度，Na+浓度通过钠钾泵来调控，钠泵活动受抑使心肌细胞内Na+外流减少。另外，H+产生增多能通过Na+/H+交换体促进Na+内流。这2种作用引起细胞内Na+浓度超载，促进Na+/Ca2+交换体的过度逆向转运，造成心肌钙超载和肌浆网Ca2+的异常释放。心肌细胞Ca+平衡被打破后损伤电活动和收缩功能，从而破坏心肌细胞的正常功能。而这一机制可能也发生在间歇性低氧引起的心肌改变中［21］。

此外，有研究发现，心肌细胞中Na+/H+交换体1可能参与间歇性低氧引起的心肌细胞 Na+超载［22］，而Na+/H+交换体1在心脏缺血缺氧等病理改变中，是导致心肌肥大和心肌纤维化的重要离子通道［23］。因此，Na+/H+交换体1也可能介导了间歇性低氧造成的心肌细胞损伤。

2.4 炎症因子对心肌细胞的损伤 炎症反应已被证明在间歇性低氧引起心肌细胞损伤和心肌纤维化中起重要作用。有研究发现左室心肌细胞肿瘤坏死因子α(TNF-α)和白细胞介素6(IL-6)mRNA表达增加［12］。OSAS病人血浆中有多种炎症介质水平升高，如细胞因子类(TNF-α、IL-6和 IL-18)、炎症趋化因子类(IL-8、MCP-1)和 C-反应蛋白［24］。这些炎症分子通过多种途径损伤心功能，其中研究较多的是TNF-α。TNF-α是一种具有广泛生物学活性的炎症细胞因子，主要是由激活的单核-巨噬细胞产生。研究表明TNF-α在血浆中的水平与心功能变化呈负相关［25］。在间歇性低氧动物的心肌细胞中，TNF-α活性增加［18］。TNF-α可能通过以下机制损伤心功能:(1)激活NADPH氧化酶，产生活性氧分子，诱发氧化应激，从而损害左心功能［7］;(2)诱发左室重构和心肌细胞凋亡，TNF-α可促进心肌细胞肥大、加速细胞凋亡、促进心肌纤维化，进而导致左室重构［26］;(3)抑制心肌收缩力，动物实验研究发现，TNF-α可能通过抑制心室肌浆网Ca2+-ATP酶活性降低心室乳头肌收缩力［27］。

2.5 内皮素对心肌细胞的损伤 内皮素(endothelin，ET)是由21个氨基酸组成的一种血管活性肽，主要由内皮细胞产生，还可以由心肌细胞和血管平滑肌细胞等其它细胞分泌。ET具有加强心肌、平滑肌收缩和促进神经内分泌功能，需要与受体结合才能发挥作用，内皮素有两种受体——ETA和ETB，大鼠心室肌细胞既有ETA也有ETB受体分布，以ETA受体为主。临床研究表明，OSA病人血浆内皮素水平升高，且与夜间低氧的严重程度有关［28］。动物实验发现间歇性低氧处理后，心肌内皮素1(ET-1)水平明显升高，证明ET-1在间歇性低氧引起的心肌细胞重塑中发挥重要作用［29］。间歇性低氧大鼠给予内皮素受体拮抗剂后，发现间心肌细胞变性和坏死明显减轻，说明内皮素可能介导了间歇性低氧引起的心肌细胞损伤。有研究表明体外低氧培养乳鼠心肌细胞发现，心肌细胞ET-1合成增加，且能促进心肌细胞的损伤和凋亡，可能是通过ETA受体介导抑制异丙肾上腺素或通过cGMP依赖的通路抑制C型钠尿肽引起的［30］。但内皮素介导的间歇性低氧对心肌细胞的损害仍需进一步研究。

内皮素除了能加强心肌、血管收缩外，它还是一种强大的促炎因子。给大鼠注射内皮素后，其心肌组织中的TNF-α浓度明显升高，且TNF-α还能进一步刺激核转录因子NF-κB和NADPH氧化酶，介导心肌氧化应激的产生［31］。因此间歇性低氧引起的内皮素表达升高也很可能通过这条通路介导心肌细胞的损伤。

2.6 高碳酸血症对心功能的影响 OSAS病人由于反复的低氧会造成CO2储留，引起高碳酸血症和酸中毒，成为心血管疾病的重要危险因素。用小鼠模拟间歇性低氧伴高碳酸血症研究发现，模型组左室心肌缩短分数降低，心功能下降［32］，这可能是间歇性低氧和高碳酸血症协同作用的结果，有研究认为间歇性低氧、高碳酸血症和酸中毒能通过兴奋交感神经，增加外周阻力，进而加重心脏后负荷而引起心功能障碍［33］，且有报导称间歇性低氧合并高碳酸血症时心率降低和血压升高程度均高于单纯的间歇性低氧［34］，但间歇性低氧伴随高碳酸血症对心功能的影响仍需进一步研究。

3 结语

间歇性低氧引起心功能变化及其机制的研究，对临床OSA病人心血管并发症的预防和治疗有重要意义。间歇性低氧通过氧化应激、离子通道以及一些炎症因子和血管活性因子等途径破坏心肌细胞，进而影响心室结构和功能。但间歇性低氧损害心功能的具体信号通路还有待进一步研究。

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