缺血状态下心肌代谢变化的研究概况

王俊梅，李 伟，颜璐璐，马晓慧(综述)，马英丽(审校)

(1.黑龙江中医药大学，哈尔滨 150040； 2.天士力研究院药理毒理研究所，天津 300410)

心肌缺血是一种临床高发疾病，多由冠状动脉粥样硬化所引起。由于管腔狭窄或血管痉挛以及心脏对氧气的需求量增加，出现一系列氧供需平衡障碍，进而引起心肌代谢的相应变化。主要涉及到能量代谢、糖代谢、氨基酸代谢和脂代谢等多方面。近年来，代谢组学在该领域得到广泛应用，为心肌缺血性疾病的研究开辟了新思路。该文就缺血状态下心肌代谢变化的相关研究予以综述，旨在阐述心肌缺血与代谢变化的密切关系，为该疾病发病机制、疾病诊断、药物治疗的相关研究提供参考依据。

1 正常状态的心肌代谢

心肌的一切活动均需要能量，其产生的两大途径包括：糖酵解和氧化磷酸化。正常状态下，心肌所需能量的60%～90%来自非酯化脂肪酸的β氧化[1]，长链脂肪酸借助肉碱丙酰转移酶1和肉碱丙酰转移酶2进入线粒体进行β氧化，产生乙酰辅酶A，进入三羧酸循环产生腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)提供能量。另外,10%～40%的能量则由葡萄糖、乳酸和丙酮酸等糖类提供。葡萄糖经过糖酵解产生丙酮酸，乳酸在乳酸脱氢酶的作用下产生丙酮酸，最终在丙酮酸脱氢酶作用下，转变成乙酰辅酶A进入三羧酸循环[2]。脂肪酸代谢和葡萄糖代谢是可以相互调节的。脂肪酸氧化代谢增强可以抑制葡萄糖的氧化代谢：①脂肪酸氧化产生的柠檬酸可以抑制磷酸果糖激酶的活性；②脂肪酸氧化增强可以增加乙酰辅酶A和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸I水平，并抑制丙酮酸脱氢酶活性，进而抑制葡萄糖酵解。反之，葡萄糖和乳酸增加，可促进乙酰辅酶A的合成，刺激丙二酰辅酶A生成，从而抑制脂肪酸的氧化。

2 缺血状态的心肌代谢

2.1心肌缺血对糖代谢的影响

2.1.1心肌缺血对糖酵解通路的影响 心肌轻度缺血时糖摄取量增加的同时糖酵解作用也加速，通过提供有限的ATP，维持重要酶的活性，如Na+/K+-ATPase和肌质网Ca2+-ATPase[3]。严重缺血时，葡萄糖释放量的减少，糖原的耗竭，磷酸果糖激酶和甘油醛-3-磷酸脱氢酶水平上的酶抑制作用，以及磷酸果糖激酶的转位、灭活均不同程度的抑制了糖酵解作用，使ATP的数量减少。而糖酵解/糖氧化比例的失调进一步造成代谢产物(如乳酸、H+)堆积，加剧心肌细胞的受损程度。

2.1.2心肌缺血对葡萄糖转运的影响 葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUTs)是细胞膜上的一种跨膜糖蛋白,主要负责将葡萄糖分子从高浓度向低浓度运载过细胞膜。在心肌中高表达的GLUTs主要包括GLUT1和GLUT4[4]。心肌缺血时，分布于细胞器膜的GLUT1和存在于囊泡内的GLUT4迅速移位至细胞质膜，使心肌细胞摄取更多的外源性葡萄糖以代偿缺血心肌能量利用的失衡[5-7]。缺氧时间过长，GLUTs的转移过程则受到一定程度抑制[8]。

2.1.3心肌缺血对糖原代谢的影响 作为心肌细胞有力的能量来源物质，糖原的多少直接关系到心肌细胞受损的程度。心肌糖原在缺血时分解增强。由于糖原的位置靠近肌质网，它的代谢转化可在原地对钙泵提供ATP。王彬[9]研究发现，心肌缺血/再灌注损伤大鼠模型组糖原消耗显著，糖原合成受阻，心肌细胞受损明显。吴伟康等[10]研究表明,心肌缺血时心肌糖原消耗量增加，无氧酵解增强。

2.2心肌缺血对脂代谢的影响

2.2.1非酯化脂肪酸明显提高 有氧条件下脂肪酸是心肌主要能源，而在心肌缺血时脂肪酸代谢受到抑制，非酯化脂肪酸明显升高。随之胞质溶胶和线粒体内脂酰辅酶A、脂酰卡尼汀等有害中间产物蓄积。胞质溶胶脂酰辅酶A增加后，脂酰辅酶A合成酶被抑制，心肌中脂肪酸水平上升，脂肪酸的摄取下降。另一方面，心肌缺血可引起交感神经兴奋，通过β受体，使体内脂肪组织分解，血中非酯化脂肪酸增高，心肌内非酯化脂肪酸也随之升高[11]。王红艳等[12]研究结果显示，心肌缺血后血清中非酯化脂肪酸水平显著升高，分析其原因可能与心肌氧供应受到限制，心肌细胞对非酯化脂肪酸利用减少有关。

2.2.2脂肪酸合成增强 缺血状态下，心肌利用α磷酸甘油和脂酰辅酶A合成三酰甘油的作用有所增强。这与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸比值的增加、三羧酸循环被抑制，乙酰辅酶A及乙酰卡尼汀等合成脂酰辅酶A有关[11]。

2.3心肌缺血对氨基酸代谢的影响 张永亮等[13]应用离子交换色谱法对急性心肌缺血家兔的蛋白质降解和氨基酸代谢进行了研究。结果表明游离氨基酸总量、苏氨酸、甘氨酸、精氨酸以及组织氨水平的降低是缺血心肌氨基酸代谢的特征性变化。Arsenite[14]研究发现，缺血时冠状窦中谷氨酸水平显著降低，而谷氨酸的补充可有效改善心肌做功，加速糖酵解。

2.4心肌缺血对乳酸代谢的影响 急性心肌缺血时，糖酵解产生的丙酮酸不能进入三羧酸循环而还原为乳酸并蓄积于心肌细胞。陈炬等[15]通过测定心肌乳酸吸收分数和心肌乳酸吸收比发现急性心肌缺血后心肌细胞代谢和利用乳酸的能力下降。心肌乳酸吸收分数和心肌乳酸吸收比是诊断心肌缺血极有价值的依据之一。

2.5心肌缺血对能量代谢的影响 心肌缺血时，磷酸肌酸作为心肌的一种能量储备物质，其水平显著降低。缺血初期，磷酸肌酸转化为ATP，提供心肌所需能量，此时ATP下降不明显；当缺血时间过长，超过心肌能量储备时，ATP明显下降，并伴有腺苷二磷酸、腺苷一磷酸等升高[6]。同时，ATP的缺乏使Na+/K+-ATP酶活性受抑制，细胞内Na+不能及时排出，Na+浓度的升高启动Na+-Ca2+交换，致细胞内Ca2+超负荷，从而使线粒体Ca2+增多，其与无机磷酸根结合成钙盐沉积，使细胞内呼吸链功能受损，ATP进一步减少，形成恶性循环，加速心肌细胞死亡。另一方面线粒体受损使氧化酶活性降低致使单电子还原增多，氧自由基增加，进而膜脂质过氧化，促使损伤进一步发展[16]。赵雅君等[17]曾对大鼠心肌缺血/再灌注时能量代谢进行了研究，缺氧/复氧组心肌组织中腺苷一磷酸、腺苷二磷酸、ATP水平均显著低于正常对照组。

结合上述文献发现：缺血状态下心肌代谢发生了复杂变化。但相关研究也仅局限在某一代谢途径，对心肌代谢的整体变化未做深入研究。近年来，代谢组学的应用在一定程度上弥补了这一不足。

3 代谢组学技术在心肌代谢研究中的应用

代谢组学是研究生物体系(细胞，组织或生物体)受外部刺激所产生的所有代谢产物变化的科学[18-19]。其主要是利用先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法，对机体小分子代谢产物进行整体水平上的研究，进而可以通过了解机体整个代谢网络，来进行疾病诊断和发病机制研究[20]。

Sabatine等[21]应用液相色谱-质谱联用仪技术，对比鉴定了18例劳累型心肌缺血患者以及非心肌缺血患者的血浆代谢物，心肌缺血组柠檬酸循环代谢物显著改变，γ氨基丁酸、瓜氨酸、精氨酸、琥珀酸酯均显著降低；另一方面，Barba等[22]采用基于核磁共振的代谢组学研究了31例劳累型心肌缺血患者的代谢产物变化，乳酸盐、葡萄糖、脂质以及长链氨基酸等均显著改变。以上两项研究结果均提示，心肌缺血与三羧酸循环通路、修饰脂质、长链氨基酸密切相关。刘胤敏[23]采用代谢组学方法分析了大鼠血浆和尿液代谢物，发现能量代谢、糖代谢、氨基酸代谢通路中相关物质水平变化与心肌缺血密切相关。这为心肌缺血的病理过程研究提供了参考。吕永海[24]建立了超高效液相色谱-飞行时间质谱仪代谢组学研究平台，通过质谱数据最终鉴定了22个心肌缺血生物标志物，初步阐释了心肌缺血的损伤机制。Bodi等[25]将以核磁共振为基础的代谢组学技术应用于猪与人血浆的分析中。结果表明，心肌缺血初期(10 min)，葡萄糖、乳酸、甘氨酸、苯基丙氨酸等水平均有所增加；而胆碱内含物、三酰基甘油减少；缺血2 h后肌酸、脂肪酸增加。王勇等[26]运用气相色谱串联质谱仪对模型组和假手术组猪血浆进行代谢组学分析，发现慢性心肌缺血状态下，糖类、脂类以及氨基酸代谢均出现障碍，最终导致柠檬酸循环通路异常。其中柠檬酸、葡萄糖、硬脂酸等物质可能成为该病症临床诊疗重要的参考指标。严蓓等[27]在应用代谢组学方法评价心肌缺血大鼠模型的过程中分析心肌缺血涉及能量代谢、糖代谢、脂代谢、核苷酸代谢和氨基酸代谢异常，这为进一步在分子水平评价药效奠定了理论基础。

4 结 语

缺血性心脏病的病发率和病死率逐年上升，势必成为医学领域研究的热点。但迄今其发病机制仍不明确，缺乏特效的治疗方法和药物，这种现状急待解决。代谢异常作为缺血心肌的特征性变化，对其深入研究具有极大的潜在价值。明确缺血状态下心肌代谢变化，才能为该疾病发病机制、疾病诊断、药物治疗的研究奠定基础。近年来，伴随着代谢组学的应用与发展，多项研究从代谢网络的角度近一步阐述了缺血心肌代谢的整体变化。因此，希望通过代谢组学对缺血性心脏病的研究，可以明确其发病机制，从而探索到有效的治疗方法和药物。

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