异丙肾上腺素诱导心肌病理损伤机制的研究进展

余树青(综述)，肖 芬，吴建新(审校)

(大理学院药学与化学学院，云南 大理 671000)

异丙肾上腺素(isoproterenol,ISO)为β受体激动剂，可通过兴奋心脏，加快心率，增加心肌收缩力等，使心肌耗氧量剧增，氧自由基的释放增加，导致心肌缺血样损伤、坏死。目前研究资料显示，这些病理损伤可能与线粒体能量代谢紊乱、氧化应激、细胞凋亡、细胞内钙超载、神经内分泌失调和炎性反应等有关[1-3]。该文就ISO诱导心力衰竭模型的病理损伤机制进行综述，为今后此种动物模型的建立及评价提供参考。

1 线粒体能量代谢紊乱

线粒体基质内含有脂肪酸β氧化和三羧酸循环所需的全部酶类，内膜上具有呼吸链酶系及腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)酶复合体。当病理因素致慢性心力衰竭(chronic heart failure，CHF)时，心肌能源供给由脂肪酸的β氧化转变为以葡萄糖的酵解为主。脂肪酸氧化受到以下三个因素调节：①血浆非酯化脂肪酸(free fatty acid，FFA)水平；②肉碱脂酰转移酶-Ⅰ活性；③线粒体内分解脂肪酸的β氧化酶的活性[4]。当FFA在心肌大量蓄积，就会抑制线粒体的氧化磷酸化和腺苷酸化，也可以抑制Na+,K+-ATP酶。同时也可抑制丙酮酸的氧化，减少葡萄糖的利用。眭荣燕等[2]采用ISO诱导大鼠心肌肥厚，发现心肌细胞膜Na+，K+-ATP酶和Ca2+-ATP酶活性降低。Yuan等[5]采用ISO诱导大鼠急性心肌缺血，发现心肌线粒体脂肪酸β氧化限速酶：肌型肉碱转移酶Ⅰ(muscle type carnitine transferase Ⅰ，M-CPT-Ⅰ)和关键酶中链脂肪乙酰辅酶A脱氢酶(mid-chain acetyl CoA dehydrogenase，MCAD)mRNA表达均显著下降，过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferators-activated receptor α，PPAR α)mRNA表达也显著下降，而血清和心肌组织FAA、肌酸激酶和乳酸脱氢酶显著升高。M-CPT-Ⅰ和MCAD的基因表达均受PPARα调节，激活PPARα，能明显上调M-CPT-Ⅰ和MCAD mRNA的表达。杨永曜等[6]采用ISO诱导心肌缺血损伤，发现血浆FFA水平上升，心肌PPARα mRNA及关键酶(M-CPT-Ⅰ，MCAD)表达下调，线粒体氧化磷酸化受到抑制。Devika等[7]注射ISO后发现心肌线粒体三羧酸循环酶：异枸橼酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶活性显著下降，呼吸链标志性酶：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶和细胞色素C氧化酶活性显著下降。

2 诱导氧化应激

当生成酶系活性增强或消除酶系活性降低，就会造成氧化应激状态。机体的抗自由基物质种类很多，主要包括酶性和非酶性的各类抗氧化剂，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、多种维生素等。Priscilla等[8]注射ISO后发现血清和心肌组织抗氧化酶类和非酶类抗氧化物质均显著下降。而血清和心肌组织损伤标志性蛋白，如心肌肌钙蛋白T、肌酸激酶、肌酸激酶同工酶、谷草转氨酶、谷丙转氨酶和血清乳酸脱氢酶同工酶水平显著升高。赵晓明等[9]注射ISO建立大鼠急性心肌梗死模型，发现丙二醛、8-羟基脱氧鸟苷水平升高而超氧化物歧化酶活性下降。NO是由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)催化生成。NOS有三种亚型：神经型一氧化氮合酶(neuronal NOS，nNOS)、内皮型一氧化氮合酶(endothelial NOS，eNOS)及诱导型一氧化氮合酶(inducible NOS，iNOS)。正常情况下，NO可通过一氧化氮-环鸟苷酸通路在CHF发生、发展中对抗缩血管物质以及交感神经兴奋引起的外周血管阻力的增高[10]。但随着CHF的发展iNOS的表达增加促使NO合成过度，NO与超氧阴离子O2+生成过氧化硝基阴离子ONOO-，后者是造成细胞损伤、引起心肌收缩功能障碍的主要物质之一。Ribeiro等[11]注射大剂量ISO后发现，心肌iNOS mRNA表达显著升高，合成过量NO，产生大量的ONOO-和氧自由基。

3 诱导细胞凋亡

以前认为细胞凋亡具有两条主要的途径：一条由细胞死亡受体(肿瘤坏死因子受体或Fas)介导，通过死亡区域蛋白和死亡区域蛋白样白细胞介素1-转化酶样抑制蛋白激活胱天蛋白酶(caspase)8；另一条途径由发育信号或生长因子撤除所诱发，引发细胞色素C从线粒体中释放，使Apaf1(Apoptotic protease activating factor-1)多聚体化并激活caspase-9，此途径可被B细胞淋巴瘤/白血病2(Bcl-2)家族蛋白所调控[12]。内质网应激是继死亡受体信号途径和线粒体途径之后新近发现的一条细胞凋亡通路，它主要激活三条信号通路：未折叠蛋白反应、内质网超负荷反应、固醇调节级联反应。适度的应激可通过未折叠蛋白反应产生细胞保护作用，但当应激过强或时间过长时三种内质网感应蛋白就会通过CHOP(C/EBP homologous protein)激活途径、c-Jun氨基端激酶(c-Jun-N-terminal kinase，JNK)激活通路和caspase-12的激活介导下游凋亡相关基因表达，从而引发细胞凋亡。双链RNA依赖的蛋白激酶样内质网激酶(PKR-like ER kinase，PERK)、活化转录因子6(activating transcription factor 6，ATF6)和肌醇激酶1(inositol-requiring enzyme 1，IRE1)是内质网内的三种跨膜受体蛋白。内质网应激时IRE1-α和IRE1-β、ATF6及PERK的活化均可诱导CHOP生成，CHOP通过上调促凋亡蛋白Bax、下调Bcl-2表达，促进线粒体细胞色素C释放、凋亡小体形成和caspase活化导致细胞凋亡[13]。另外，IRE1与肿瘤坏死因子受体相关因子2(tumor necrosis factor receptor-associated factor 2，TRAF2)结合启动JNK级联反应，促进caspase-12聚集与活化，进而激活caspase-9、caspase-3而诱导细胞凋亡[14]。赵智明等[15]注射ISO后发现Bax、caspse-9和caspase-3表达明显增加，Bcl-2表达减少。近年来大量的文献报道，ISO还可通过多条途径激活凋亡相关基因和凋亡蛋白酶，如p38丝裂原激活蛋白激酶途径、核因子κB、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)受体途径和白细胞介素6途径[16]。

4 细胞内Ca2+超载

Ca2+是心肌细胞中许多重要的信号转导通路的调节因子，胞内Ca2+超载则可激活心肌细胞的信号转导通路，导致CHF的发生。胞膜上的Na+，K+-ATP酶、Ca2+-ATP酶及Ca2+，Mg2+-ATP酶对于维持细胞内的离子浓度具有重要生理意义。此三种酶活性下降，均能导致胞内Ca2+超载，从而引起心肌细胞凋亡。齐敏友等[17]和Sampath等[18]发现ISO能造成心肌钙超载，使心肌Ca2+-ATP酶、Na+，K+-ATP酶和Mg2+-ATP酶水平显著下降。有研究提示，胞内升高的Ca2+可以与钙调蛋白结合，调节其下游因子(如钙调磷酸酶)，而钙调磷酸酶则是唯一受Ca2+与钙调素活化的磷蛋白磷酸酶，通过使活化T细胞核因子3去磷酸化移位到细胞核而造成心肌肥大[19]。王培勇等[20]用ISO诱导大鼠心肌肥厚纤维化，发现心肌细胞核45Ca2+摄取能力降低，核上RyR(ryanodine受体)数目上调，而1,4,5-三磷酸受体数目下调，提示心肌细胞核钙调节系统参与心肌肥厚的发生过程。沈建新等[21]利用ISO激活β肾上腺素受体，结果发现心肌细胞内钙释放和肌质网内钙容量均明显增加，推断ISO可能通过蛋白激酶A使L-型钙通道磷酸化，从而内流钙增多，再通过钙诱导钙释放机制激发更多的钙释放，但至于ISO是否可导致钙释放通道的磷酸化而调节胞内钙释放，目前还不清楚。

5 神经内分泌失调

已有大量文献表明，大剂量注射ISO能使肾素-血管紧张素-醛固酮系统(rennin-angiotensin-aldosterone-system，RAAS)被高度激活。进而使血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，AngⅡ)水平增加，AngⅡ通过血管紧张素Ⅱ受体(angiotensinⅡreceptor，AT1)还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、蛋白激酶C、p38丝裂原激活蛋白激酶激活蛋白1的序贯活化上调转化生长因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)基因的表达，引起细胞外基质的大量增生和过度积聚，导致心肌纤维化发生。另外，AngⅡ与AT1结合，可激活钙通道使细胞内Ca2+浓度升高，造成心肌胞内Ca2+超载。近年来也发现醛固酮具有独立于且相加于AngⅡ的心脏毒性作用。廖火城等[22]注射ISO诱导大鼠心肌纤维化过程中发现血浆AngⅡ水平、TGF-β1水平、心肌TGF-β1蛋白表达及TGF-β1mRNA表达显著升高。也有研究发现，醛固酮具有导致心肌、血管的纤维化和重构、胶原的沉着及降低心肌顺应性的作用[23]。其机制可能是醛固酮经丝裂原激活的蛋白激酶和盐皮质激素受体上调心肌细胞结缔组织生长因子表达，而参与心肌的纤维化；并且醛固酮还能上调心室肌成纤维细胞内皮素受体，诱导基质金属蛋白酶活性增加和刺激活性氧类产生，并经JAK2激酶依赖通路上调血管紧张素转化酶基因表达等多种途径，参与心肌纤维化的形成。

6 炎性反应

研究显示，炎性细胞因子(如TNF-α、白细胞介素1β、白细胞介素6等)可能通过多种不同机制降低心肌收缩力、左心室重构、诱导心肌细胞凋亡、从而促进心力衰竭的发生、发展。已有研究表明这些炎性介质可作用于其受体，通过caspase-8途径引起凋亡而加重心力衰竭,焦向英等[3]用ISO长期刺激其受体，发现血中心肌炎性因子C反应蛋白增高，心肌和血液中白细胞介素6、TNF-α等水平也升高，提示体内存在较强的炎性反应。刘瑜等[24]注射ISO诱导大鼠心肌缺血后发现CD40-CD40L炎症途径被激活，且炎性因子CD40、CD40L的表达显著增强。也有研究表明，心肌损伤时p38激酶活化可诱导TNF-α、白细胞介素1、白细胞介素6等的表达增加，而TNF-α生成后也可通过其受体进一步激活p38激酶，加重损伤[25]。

7 结 语

心力衰竭是一种复杂的临床综合征，它是各种心脏病的终末阶段，发病率及病死率均较高，严重危害着人类健康。ISO诱导心力衰竭动物模型是一种无创、简单的实验方法，且与临床上人类常见的心力衰竭相关性大，尤其是在研究缺血梗死后的心室重构和心肌纤维化方面有显著优势。但其损伤机制较复杂，且常常是多种因素相互协同作用，许多信号分子还存在双向调节作用，其损伤机制与给药剂量和给药时间是否有相关性还不清楚。因此，要完全阐明其损伤机制还有待更深一步的研究。

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