运动延缓衰老所致心肌纤维化研究进展

王世强 常芸

1 上海体育学院（上海200438）

2 国家体育总局体育科学研究所

心肌纤维化是致病因子长期作用于心脏， 引起心肌组织细胞外基质（extracellular matrix，ECM）过度沉积，胶原纤维比例失调以及排列紊乱的过程，是一种慢性炎症逐渐发展的过程[1]。心肌纤维化常伴随发生高血压、糖尿病和心肌梗死等心血管疾病。 心肌纤维化是多种心脏疾病发展到一定阶段的共同病理改变， 可导致心肌结构发生紊乱，僵硬度增加，心脏顺应性降低，心肌舒缩功能减退，心律失常发生率增加。 研究显示，随着年龄增长，心肌胶原含量逐渐增加，异常聚积在心肌间质和血管周围，造成心肌纤维化[2]。 心肌纤维化是心脏衰老的一个重要特征， 是造成老年人心功能减退的重要原因。 研究衰老所致的心肌纤维化的发病机制以及预防措施日益受到国内外学者的重视。 最新研究表明，运动有助于缓解心脏衰老造成的心肌纤维化[3]。 本文就衰老所致心肌纤维化的发生机制以及运动对其影响的研究进行综述和探讨， 为阐释运动延缓衰老的机制提供理论依据， 进一步丰富和发展运动延缓衰老的理论。

1 心肌纤维化及其影响因素

心肌纤维化是心脏长期受到异常刺激造成的一种组织学病理变化， 结构改变常表现为心肌组织中成纤维细胞增殖和以胶原细胞为主分泌的ECM增多而降解减少，ECM的合成和降解之间的失衡。 ECM由胶原蛋白、糖蛋白和蛋白聚糖组成，可以影响细胞的存活、增殖和分化，决定细胞的形状，参与细胞的迁移。 在心肌中，最为丰富的纤维蛋白是胶原蛋白，是ECM的主要成分。 哺乳动物心肌主要含Ⅰ型（Collagen I，Col-I）和Ⅲ型（CollagenⅢ，Col-Ⅲ）胶原，以Ⅰ型胶原为主，占胶原蛋白总量的85%，Ⅲ型胶原约占11%。纤维化发生时，各型胶原蛋白比例失调，Ⅰ型、Ⅲ型胶原占ECM的比例增加。心肌纤维化的功能性改变表现为心肌僵硬度增加、顺应性减小、收缩力下降和心脏功能减退[4]。此外，心肌纤维化会引起心肌组织的电传导异常， 如传导延缓和传导阻滞等， 增加心律失常发生甚至猝死的危险性[5]。研究证实， 心肌纤维化的发生主要与以下几种因素有关。

1.1 转化生长因子-β1

转化生长因子-β1 （transforming growth factor-β1，TGF-β1）属TGF-β超家族，是一段多功能肽。TGF-β1参与胚胎发育、细胞增殖、分化、凋亡和细胞外基质的合成等多个生理和病理过程[6]。 目前认为，TGF-β1是心肌纤维化发生过程中的关键调节因子， 其可促进心肌成纤维细胞（fibroblasts）向肌成纤维细胞（myofibroblasts）转化，促进心肌胶原基因表达，加速细胞外基质合成与沉积，同时抑制ECM降解酶的活性，从而减低ECM的降解能力，最终导致心肌纤维化的形成。 体外研究表明，TGF-β1可诱导大鼠心肌成纤维细胞Ⅰ型和Ⅲ型胶原合成增加，诱导心肌纤维化[7，8]。 给予TGF-β1受体拮抗剂后，小鼠心肌间质胶原含量显著降低，左心室僵硬度降低， 由肿瘤坏死因子过表达而导致的心肌纤维化症状减轻[9]。 Brooks 等[10]发现TGF-β1基因敲除的小鼠心肌纤维化受到抑制。 TGF-β1不仅可以通过促进细胞外基质的形成诱导心肌纤维化， 还可以通过调节基质金属蛋白酶/金属蛋白酶组织抑制剂（matrix metalloproteinase / tissue inhibitor of matrix metalloproteinase，MMPs/TIMPs）影响ECM的合成和分解，诱导心肌纤维化的发生[11]。

1.2 基质金属蛋白酶/金属蛋白酶组织抑制剂

正常情况下，既有心肌间质胶原蛋白的合成，又有胶原蛋白的降解，ECM的合成和降解处于平衡的状态，这是因为心肌中存在能降解ECM的MMPs及其生理抑制剂TIMPs，MMPs/TIMPs系统的平衡对于胶原代谢的平衡非常重要。MMPs是参与降解细胞外基质最重要的酶系， 对ECM具有很高的亲和力， 主要有间质胶原酶（MMP-1、MMP-8、MMP-13）、 明胶酶（MMP-2、MMP-9）、基质溶解素（MMP-3）和膜型MMPs（membrane type MMP，MT-MMPs）。TIMPs是MMPs的内源特异性生理抑制剂， 能和MMPs结合， 抑制其活性， 包括TIMP-1、TIMP-2、 TIMP-3和TIMP-4。 MMPs和TIMPs共同作用，来维持ECM合成和降解的动态平衡[12]，而一旦某些致病因素使心肌MMPs/TIMPs平衡发生失调，将造成ECM合成和降解失衡，导致心肌纤维化的发生。

研究发现， 在心肌纤维化的初始阶段，MMPs活性和表达水平增加，TIMPs的增加不明显或者降低， 主要表现为ECM降解增加， 心肌失去基质胶原支持而出现排列紊乱。 在心肌纤维化的中后期，MMPs的活性降低，TIMPs的水平升高，MMPs的活性进一步被抑制，导致胶原合成增加。 Xie等[13]研究证实，MMP-2和MMP-9与心肌纤维化的程度成正相关。 MMP-2基因缺乏小鼠心肌肥大和心肌纤维化的程度明显降低[14]。 Chiao等[15]则发现MMP-9基因缺乏小鼠左心室胶原蛋白含量降低，心肌纤维化程度降低。 由于MMPs和TIMPs的表达量与心肌纤维化水平具有较强的相关性， 因此其成为检测心肌纤维化的生物标志物。

1.3 结缔组织生长因子

结缔组织生长因子 （connective tissue growth factor，CTGF） 是一种富含半胱氨酸的分泌肽， 广泛存在于多种组织器官中，成纤维细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞均可分泌CTGF， 是TGF-β1调节的下游靶点之一。 研究证实CTGF参与调节多种组织器官纤维化的发生发展。 Dean等[16]在心肌梗死诱导的大鼠心肌纤维化模型中发现，CTGF转录和蛋白表达高峰出现在心肌梗死后期，提示CTGF可能主要与后期的心肌纤维化有关。Koitabashi等[17]研究发现，心脏衰竭的病人心肌组织CTGF表达增加，CTGF免疫组化着色的深度与心肌纤维化程度密切相关。 目前认为，CTGF可能通过促进心肌纤维细胞增殖并促进其分化为心肌成纤维细胞，使ECM的合成增加，诱导心肌纤维化。 因此，抑制CTGF表达或减弱其活性可能成为治疗心肌纤维化的有效手段。

1.4 MicroRNA

近年来，研究发现miRNA（microRNA）与心肌纤维化的关系密切。 microRNA是一种大约由18～24个碱基组成的单链小分子RNA，这些小分子RNA通过碱基互补配对识别和结合到目的mRNA的3’非翻译区（3’-UTR），通过抑制mRNA的翻译或者降解mRNA负性调节蛋白表达。 通过测序和克隆已经得到数百个人类miRNA，每种miRNA都能调控上百个基因的表达。 据估计，大约有三分之一的人类基因受到miRNA的调控[18]。

研究证实，miR-21、miR-29和miR-30与心肌纤维化密切相关。 Thum等[19]证实miR-21表达上调能抑制Spry1的水平， 从而增强ERK-MAP信号通路的活性，导致成纤维细胞增殖，促进心肌纤维化发生。在心肌梗死造成的人和小鼠心肌纤维化模型上发现miR-29低表达的现象，进一步研究发现抑制miR-29表达后，胶原蛋白的表达增加。 而用miR-29 Mimic（miR-29的模拟物）使其过表达后，胶原蛋白表达降低，提示miR-29具有抑制心肌纤维化的作用[20]。 有研究发现TGF-β1可以下调miR-29的表达，使心肌成纤维细胞分泌基质胶原增加，从而促进心肌纤维化[21]。 miR-30主要通过降低CTGF的表达抑制心肌纤维化的发生。敲除miR-30后，体外培养的心肌细胞和成纤维细胞CTGF表达增加，miR-30 过表达则降低了CTGF的水平[22]。

综上所述，心肌纤维化是复杂的病理过程，不同致病因子造成的心肌纤维化的形成机制有所不同。 心肌纤维化的发生受多种因素调控， 这些因素之间也存在复杂的联系，共同参与了心肌纤维化的发生发展。其可能的调节机制可归纳如图1所示。

2 衰老可导致心肌纤维化

图1 心肌纤维化的调节示意图

研究表明， 伴随着衰老， 细胞外基质含量逐渐增加，而其降解代谢速率逐渐减慢，胶原交联增强，细胞外基质异常沉积在细胞间质， 造成组织器官的进行性纤维化。在肾脏、肝脏、胰腺、肺和心脏等器官都会随着身体衰老发生纤维化。 心肌纤维化是心脏衰老的一个重要特征，导致细胞电生理活动异常，使心律失常发生率升高。 另外，心肌纤维化可引起心肌结构紊乱，僵硬度增加，心肌顺应性降低，心肌收缩和舒张功能障碍，最终发生心脏衰竭。 心肌纤维化往往成为老年人心脏疾病难于康复的一个重要病因[23]。 心脏发生纤维化主要有两个原因： 胶原蛋白含量逐渐增加和心肌胶原蛋白交联增强。 两者共同导致沉积在间质的胶原蛋白增加，造成心肌纤维化[24]。 越来越多的研究证实，运动促进心脏健康的一个重要原因可能是其可缓解衰老造成的心肌纤维化，有效延缓了心脏功能的衰退[25]。

2.1 衰老使心肌胶原蛋白含量增加

大量研究发现， 衰老可导致心肌胶原蛋白的含量增加。 Debessa通过比较研究老年人（67～87岁）和年轻人（20～25岁）的心脏发现，老年人心脏的胶原蛋白含量和胶原纤维数量均显著高于年轻人[26]。 在动物实验中同样发现了这种变化。 Mays等[27]研究2周龄和24月龄大鼠心脏发现，24月龄大鼠Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白含量显著增加。 Nguyen等[28]研究了不同月龄大鼠左心室胶原含量的变化发现， 随着月龄的增加， 胶原含量逐渐增加，心脏舒张功能逐渐降低。

研究表明，增龄过程中，心肌胶原蛋白含量的增加是胶原蛋白合成增加和降解不平衡的结果。 Mays等[29]研究发现， 与1月龄大鼠相比，15月龄大鼠胶原纤维的降解速率显著降低，而胶原合成的速率没有发生变化。因此认为， 衰老心肌发生纤维化主要是由于胶原蛋白降解减慢造成的。与此一致，Annoni等[30]的研究发现，随着月龄的增加，大鼠Ⅰ型和Ⅲ型胶原mRNA水平逐渐降低，而沉积在细胞间质的胶原逐渐增多。 可见，随着年龄的增加，心肌胶原蛋白的合成不变或减少，胶原蛋白降解的减少可能在胶原的聚积中发挥了主要作用。

研究证实， 衰老使胶原蛋白含量增加可能主要与TGF-β1有关。 大量研究发现， 衰老的心脏有较高的TGF-β1蛋白表达。 一方面，TGF-β1是成纤维细胞的强趋化因子，刺激成纤维细胞分泌胶原蛋白、纤维连接蛋白和蛋白多糖等ECM成分，促进了纤维化的形成；另一方面，TGF-β1可以抑制胶原酶和明胶酶等基质金属蛋白酶的分泌，刺激基质金属蛋白酶抑制剂TIMP的表达，从而抑制胶原蛋白成分的降解， 促进心肌纤维化的发展[31，32]。 而与正常同龄小鼠相比，敲除TGF-β1的老龄小鼠则表现较低的胶原含量，心肌僵硬度降低，从而表现出较高的心肌顺应性[10]。

CTGF作为TGF-β1的下游靶点， 在老龄性心肌纤维化发生过程中也发生显著变化。Chiao等[15]研究发现，老龄小鼠（26～34月龄）左心室胶原蛋白显著高于青年小鼠 （6～9月龄），TGF-β1和CTGF的表达也均显著增加。 而MMP-9基因剔除的老龄小鼠TGF-β1和CTGF表达减少，胶原蛋白含量也显著降低，减轻了由于衰老而造成的心肌纤维和心肌功能减退。 Van Almen等[33]发现，老龄小鼠心肌CTGF的表达显著增加， 而心肌miR-18/miR-19的表达降低。 进一步研究发现，miR-18/miR-19的过表达抑制了心肌成纤维细胞CTGF的分泌，而抑制miR-18/miR-19则促进了心肌成纤维细胞CTGF的表达。

2.2 衰老使心肌胶原交联增强

心肌成纤维细胞分泌的原胶原（Procollagen）分布在细胞外， 多个原胶原分子通过共价作用偶联结合在一起，逐渐聚集从而形成具有抗张强度的、不溶性的胶原纤维的过程称为胶原交联（Cross-linking），胶原交联是心肌纤维化发生的重要过程。研究发现，随着年龄增长，心肌除了胶原含量增加外，细胞间的胶原交联明显增强，胶原蛋白的弹性降低，硬度增加，进而发生心肌纤维化[34]。 胶原蛋白交联的程度可通过检测羟基赖氨酸吡啶酚（hydroxylysylpyridinoline，HP）来确定[35]。 Thomas等[36]研究发现，与5月龄大鼠相比，23月龄大鼠HP的浓度增加了5倍，说明随着年龄增长，大鼠的胶原交联明显增强。Gosselin等[37]在骨骼肌中发现了同样的现象。他们发现，23月龄的大鼠比目鱼肌HP浓度显著高于3月龄的年轻大鼠。

研究显示， 老龄性心肌胶原交联增强主要与晚期糖 基 化 终 末 产 物 （advanced glycationend products，AGEs）的生成增多有关。 AGEs是人体内还原糖与蛋白质或脂质游离基在不需要酶参与的条件下发生不可逆反应所形成的。 心肌胶原蛋白等半衰期较长的蛋白质糖基化造成蛋白质交联损伤，使蛋白质网聚在一起，并使结构蛋白硬化，形成AGEs[38，39]。 随着年龄的增加，人体心肌组织中AGEs的生成和积聚逐渐增多，将胶原蛋白网聚在一起，使心肌交联增强，逐渐发生纤维化。 因此，在一定程度上，心肌AGEs的水平可以反映心肌纤维化的情况。 AGEs生成的阻断剂如Alagebrum （ALT-711）可以有效降低胶原交联，减轻心肌僵硬程度，延缓心脏老龄化过程，成为治疗老龄性心肌纤维化，预防心脏衰竭的有效药物[40，41]。

3 运动可缓解衰老导致的心肌纤维化及其机制

运动能改善人体的生理机能，促进身体健康，适宜的运动是延缓衰老进程的有效手段。随着年龄的增加，心肌和血管硬度逐渐增加，顺应性降低，最终造成纤维化改变。 运动可以减轻衰老导致的心肌纤维化的发生程度，延缓心脏衰老。 近年来，学者对运动减缓心肌纤维化发生的机制进行了深入的研究， 发现运动可通过降低心肌胶原含量和使心肌交联减弱减缓心肌纤维化的发生。

3.1 运动可抑制衰老诱导的心肌胶原含量的增加

早年， 众多研究表明中小强度运动可抑制老龄性心肌胶原的增加，从而缓解老龄性心肌纤维化。Thomas等[35]研究表明，与同龄对照大鼠相比，10周的跑台运动（45 min/d，5 days/wk）使25.5月龄大鼠左心室胶原含量显著降低。 Derumeaux等[42]让老龄小鼠进行4周游泳，用苦味酸天狼星红对其左心室心肌进行染色后发现，与同龄安静组相比， 运动显著降低了小鼠心肌内膜胶原蛋白含量，降低了其纤维化程度。 同时，小鼠的心肌收缩和舒张功能也得到明显改善。

近年来，对于运动如何调控老龄性心肌纤维化，学者们进行了深入的研究。Kwak等[43]研究发现，12周跑台运动显著降低了31月龄大鼠左心室胶原蛋白， 尤其是Ⅰ型胶原mRNA和蛋白的含量，说明运动抑制了Ⅰ型胶原的合成。 研究还发现， 运动抑制了衰老过程中心肌TGF-β1和TIMP-1表达的增加，而促进MMP-1、MMP-2和MMP-14表达的增加。 因此作者认为，运动促进胶原蛋白和ECM降解可能通过MMPs–TIMP-1–TGF-β1途径调节。 与此结果一致，黄伟[44]研究也证实10周的有氧运动通过抑制心肌胶原合成并促其降解， 从而延缓了心脏衰老所致的胶原沉积和心肌纤维化并改善了心脏功能，其机制与运动抑制TGF-β1/TIMP-1信号通路，进而促进MMPs表达上调有关。

Wright[45]也发现10周跑台运动降低了老龄大鼠左心室心肌内膜的胶原含量。与同龄安静鼠相比，胶原含量降低了21%。与Kwak等研究结果不同的是，其研究中运动没有显著改变老龄大鼠MMP和TIMP-1的表达和活性。

3.2 运动可抑制衰老诱导的心肌胶原交联的增强

研究证实， 运动可以抑制衰老诱导的心肌胶原交联的增强。 Thomas等[36]的研究发现，10周跑台运动（45 min/d，5 days/wk） 使23月龄大鼠左心室HP浓度较同龄对照大鼠降低50%以上， 而对年轻大鼠HP浓度没有显著影响。 进一步研究显示， 运动显著降低了老龄大鼠（25.5月龄）左心室间隔HP的浓度。研究表明，运动同样可减弱骨骼肌胶原交联。 Gosselin等[37]发现10周70%最大摄氧量的跑台运动（10 m/min，45 min/d）显著降低了23月龄大鼠比目鱼肌HP的水平。 这些研究都表明运动抑制了心肌胶原交联的增强。

近些年研究发现， 运动可以抑制胶原交联的增强主要与运动降低了心肌AGEs的含量有关。 Choi等[46]研究表明，12周的跑台运动（15 m/min，45～60 min/day）显著降低了大鼠左心室AGEs的含量，使心肌僵硬程度降低。 与此结果研究一致，Wright等[45]研究了10周跑台运动对35月龄大鼠心肌交联的影响。 其采用免疫组化方法对左心室AGEs染色后发现， 与同龄非运动大鼠相比，运动显著降低了大鼠心肌AGEs含量，与7月龄青年大鼠心肌AGEs含量相同。 运动通过降低AGEs的含量，使胶原交联程度降低，增加了胶原的降解，从而使胶原蛋白沉积减少，减缓了老龄性心肌纤维化发生。Steppan等[47]给老龄大鼠注射AGEs的抑制剂ALT-711并结合运动干预4周后发现，大鼠的收缩和舒张功能都得到明显改善，心肌和血管僵硬度降低。 研究指出，注射ALT-711结合运动干预不仅能减少新的AGEs的生成， 同时还能降低已经形成的AGEs的含量，从而缓解心血管的纤维化和僵硬度。

尽管多数研究认为运动能抑制衰老导致的心肌胶原含量增加和胶原交联的增强，但也存在争议。Choi等[46]研究发现，12周的跑台运动并没有降低大鼠心肌胶原含量。 Woodiwiss等[48]发现16周的自主轮转运动对大鼠心肌胶原蛋白含量和胶原交联均没有显著影响。因此，运动对老龄性心肌纤维化的调节作用仍需更加深入的研究。

综上所述，随着年龄增长，一方面TGF-β1表达的增加促进了TIMP的合成，而抑制了MMPs的表达，使心肌胶原蛋白降解减少， 使胶原沉积逐渐增多； 另一方面，由于AGEs增多使胶原交联增强，胶原降解进一步减少。这两种因素共同作用使胶原堆积逐渐增多，导致心肌纤维化的发生和发展。 而运动通过抑制TGF-β1和AGEs的表达，使胶原蛋白降解增加，从而缓解了心肌纤维化的发展， 延缓了由于心脏衰老导致的心脏功能减退（图2）。

图2 运动延缓衰老所致心肌纤维化的调节机制示意图

4 小结与展望

衰老可导致心肌纤维化， 是心律失常和心脏功能减退等疾病发生的病理生理基础之一。然而，衰老所致心肌纤维化发生的机制仍需进一步研究。 miR29和miR21是调节胶原蛋白表达和影响心肌成纤维细胞存活和增殖的重要因子， 其在心脏衰老致纤维化过程中的变化及作用机制如何仍不明确。 运动可通过降低心肌胶原含量和抑制心肌胶原交联的增强， 使胶原的代谢回归到平衡状态，从而缓解老龄性心肌纤维化。 进一步研究衰老所致心肌纤维化的发生发展机制对研究逆转心肌纤维化的方法， 最大限度延缓心脏功能衰退具有重要意义。 然而，这些研究大多是动物实验研究。 因此，有必要开展运动对老年人心肌纤维化影响的研究，以确定合适的运动时间和运动强度， 选择适宜的运动方式，从而促进老年人的心血管健康，延长老年人的寿命。

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