心肌细胞钙离子代谢与胎儿心肌保护

张 力，周成斌



心肌细胞钙离子代谢与胎儿心肌保护

张 力，周成斌

［关键词］：钙离子代谢；心肌保护；胎儿心功能

作者单位：510080广州,南方医科大学,广东省心血管病研究所,广东省人民医院(张 力)；510080广州,广东省心血管病研究所,广东省人民医院(周成斌)

随着胎儿心脏超声诊断技术的提高和推广,大量先天性心脏病(先心病)能够产前诊断[1]。宫内矫治胎儿心脏结构畸形,避免心脏大血管继发性改变是提高复杂先心病救治成功率的重要选择。在胎羊心脏转流模型的研究中,国内外学者认识到胎儿心功能的损害可能与体外循环过程中胎儿心肌细胞的钙离子(Ca2＋)代谢有关。本文探讨胎儿心肌细胞Ca2＋代谢与心功能受损的关系,为胎儿心肌保护提供新思路。

1 胎儿心血管系统的生理特点

胎儿在宫内处于低氧环境,经胎盘氧合后的脐静脉血氧分压仅为20～30 mm Hg,是成人动脉血氧分压的1/4～1/5。胎儿为了适应在宫内低氧环境的生长需要,其营养摄取、废物排泄及气体交换都由脐带血管经胎盘循环来完成[2]。胎儿的心脏发育贯穿整个孕期,胎儿的心肌细胞成分以非收缩成分为主(约占60%),在生长发育过程中,由于其心脏的储备能力低下,心排量的维持依赖较高的心率。研究表明增加胎儿心率可以延长单位时间内心肌细胞去极化的累计时间,增加钙内流以及肌质网(sarcoplasmic reticulum,SR)钙的储备；同时,高频率去极化过程增加心肌细胞膜下的钠离子(Na＋)浓度,促进钠钙交换蛋白(Na＋/Ca2＋exchanger,NCX)的Ca2＋内流,提高细胞内Ca2＋浓度[3]。

2 心肌细胞钙循环

研究表明,Ca2＋在心脏收缩和舒张过程中发挥了关键的作用。心肌钙循环主要是在心肌细胞SR内进行,包括钙释放、钙回摄和钙存储三个部分,任何一个过程出现异常,都将导致心功能的损害。在正常心肌细胞钙循环过程中,SR为引起兴奋-收缩的钙瞬变提供了约92%的Ca2＋[4],为心肌兴奋-收缩偶联钙循环的主要场所。心肌细胞去极化是少量Ca2＋通过心肌细胞膜上的L型钙离子通道(LCa)迅速进入细胞质使Ca2＋浓度增加,Ca2＋与SR上的兰尼碱受体2(ryanodine receptor 2,RyR2)结合,使SR上的通道开放,导致大量的Ca2＋从SR中释放出来,进入胞浆,这一过程被称为钙诱导钙释放(calcium induced calcium release,CICR)[5]。心肌细胞收缩后SR钙泵将细胞质内的Ca2＋回摄至SR内储存,同时细胞膜上的钠钙交换体将少量Ca2＋运至细胞膜外,Ca2＋与肌钙蛋白C解离,心肌细胞舒张。在心肌钙代谢过程中,目前认为以下受体或蛋白发挥重要作用。

2.1 Ryanodine受体 Ryanodine受体是一种Ca2＋释放通道,可分为RyR1、RyR2、RyR3三类。在心肌细胞中钙释放通道的主要类型是RyR2,参与了心肌的兴奋收缩耦联、心脏起搏和心率失常的过程,CICR是心肌中基础Ca2＋释放(钙火花)的主要方式。有研究显示,在体内剔除RyR2将减少Ca2＋、ATP和氧化代谢,从而导致代谢重排和细胞死亡,因此RyR2维持了心肌细胞ATP的生产和生存[6],对心肌功能起到重要作用。在心衰个体中,蛋白激酶A信号通路诱导的RyR2过度磷酸化被认为是导致钙泄漏及心衰的重要原因之一[7]。然而有很多其他实验数据表明钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2＋/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ,CaMK Ⅱ)依赖的RyR磷酸化是钙泄漏的重要原因[8-9]。此外,交换蛋白的识别被cAMP直接激活更进一步证实CaMKⅡ依赖磷酸化通过β受体刺激心脏的重要性[10-12]。最近的报道提出CaMKⅡ和蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)对RyR均有功能性的调节[13]。

2.2 CaMKⅡ CaMKⅡ参与LCa的调节,应用CaM和CaMKⅡ抑制剂观察对LCa的钙依赖性失活(CDI)和钙依赖性易化(CDF)的影响,发现在应用了CaMKⅡ阻断剂后,RyRs的磷酸化被抑制,继而Ca2＋释放减少,导致细胞内Ca2＋浓度降低,影响了CDI和CDF的时程[14]。CaMKⅡ还可以通过下游调控元件拮抗调节子(downstream regulatory element antagonist modulator,DREAM)的易位来抑制心肌LCa的α1亚单位基因的转录[15]。Ronkainen等人进行深入研究得出结论,CaMKⅡ能够使Ca2＋介导的转录抑制剂DREAM易位进入细胞核中,从而促进DREAM介导的转录抑制[15]。研究发现,CaMKⅡ与RyR2上的FK506结合蛋白共同调节RyR2的功能[16-17],直接改变缺血期间或再灌注期间CaMKⅡ活性,显示出更显著的心肌保护作用。在酸性环境、缺氧/复氧等情况下,主要是通过CaMKⅡ途径来发挥心肌保护作用的[18]。

2.3 SR Ca2＋-ATP酶 心肌细胞收缩后,Ca2＋的清除主要经SR上的钙回摄,即肌质网Ca2＋-ATP酶(sarco-endoplasmic reticulum Ca2＋-ATP protein,SERCA2a)将Ca2＋重新摄取回SR,或由细胞膜上的钠-钙交换泵出细胞外。SERCA2a基因在钙回摄中有重要作用,是心脏收缩和舒张的主要调节之一,改变SERCA2a的活性对心脏功能尤其有害。有相关报道,在各种形式的缺血性心脏病以及早期低压缺氧反应中,SERCA2a表达受抑制,表明SERCA2a的表达可能受氧分压的调节。胚胎的SERCA2a调控提供了一个模型来研究低氧依赖性SERCA2a的转录,胚胎在低氧(1%～5%O2)的子宫环境下发育[19],最初,胚胎的增大导致缺氧,但在发育的心脏中,四腔心的形成尤其是冠状动脉的形成,缺氧局限在较小的区域[20]。而从胎儿到成年小鼠心脏组织的氧合逐步改善与SERCA2a表达的数倍增长是一致的[21]。研究发现,在SERCA2a基因剔除的心脏中,可引起钙循环重要场所SR的凋亡[22]。新近研究发现选择性调整SERCA的活性对心脏兴奋收缩偶联产生深远的影响,这归因于SR钙摄取的改变,但对SR钙泄漏没有显著改变[23]。

2.4 钙离子通道 心肌细胞膜上主要钙离子通道有电压依赖性LCa、电压依赖性T型钙离子通道(TCa)和NCX。通过LCa的慢内向钙内流是构成心室肌细胞动作电位平台期的基础,在心肌细胞正常生理兴奋-收缩偶联中有重要作用。TCa虽然也能触发钙内流诱导SR释放Ca2＋,但作用较小[24-25]。NCX在心肌细胞膜上是一个非ATP依赖的双向钙离子转运蛋白,依赖于细胞膜内外钠、钙离子浓度的变化,参与调节Ca2＋在心肌细胞内外的进出。在生理条件下,NCX主要通过正向交换模式将细胞兴奋时由LCa进入细胞内的Ca2＋排出细胞外,对维持心肌细胞钙稳态和收缩偶联起着重要作用。在缺氧状态下,胞内酸性代谢产物的蓄积,激活膜上的Na＋/H＋交换体,通过Na＋/H＋交换造成细胞内Na＋浓度升高,后者又可以通过增强反向NCX使胞内Ca2＋浓度升高,引起Ca2＋超载。细胞内Ca2＋超载是缺血心肌在再灌注过程中细胞凋亡、坏死、以及心功能降低的重要原因。尽管NCX不依赖ATP,但是当ATP充足时,NCX更有利于将Ca2＋排出细胞外[26]。NCX功能的改变可导致SR内Ca2＋的异常释放以及心肌电活动和收缩运动的异常。有研究显示在脑细胞NCX编码基因的启动子上有缺氧诱导因子1(hypoxia-inducing factor 1,HIF-1)结合的缺氧反应元件,HIF-1促进脑细胞NCX的表达,参与脑缺血预处理的保护作用[27]。钙预处理能够有效对抗心肌损伤,其机制涉及钙预处理时NCX反向交换活性的上调[28]。

2.5 线粒体和SR钙循环的相互作用 线粒体和SR钙循环是相互影响的,有研究发现心衰大鼠心肌细胞质Na＋浓度的增加引起兴奋-收缩耦联过程中线粒体钙回摄减少,破坏了心肌细胞的能量供应[29]。有报道线粒体-内质网结构偶联中的蛋白分子很多都是与Ca2＋相关的[30],它们形成有效的细胞器叫Ca2＋转运机制。有学者指出心衰时胞浆Na＋的增加导致心肌细胞活性氧的增加[31],在缺氧/复氧过程中,钙敏感受体激活通过肌醇1,4,5-三磷酸受体途径,是SR Ca2＋释放入线粒体,引起心肌细胞的凋亡。心肌细胞线粒体的钙释放主要通过线粒体NCX,研究发现,灌流线粒体NCX特异性阻断剂CGP37157使成年大鼠心肌组织中环磷酸腺苷水平升高,这可能与环磷酸腺苷活化蛋白激酶A,而蛋白激酶A又使RyR2的特异磷酸化位点ser2808、ser2814磷酸化,FKBP12.6结合蛋白结合RyR2的能力降低,导致SR在静息期的钙泄漏有关[32]。Neumann认为,线粒体NCX特异性阻断剂CGP37157促进了RyR2的活化且抑制了SERCA2a通道[33]。

3 HIF-1对钙离子代谢的影响

笔者在已建立的胎羊心脏转流模型中,利用自身胎盘作为氧合器,进行气体交换,提供胎羊生理性低氧(20～30 mm Hg)[34-38]。低氧是胎儿心脏发育过程中不可或缺的生长条件,研究显示低氧激活HIF-1,参与早期胎儿心脏的形成、冠脉血管的生长、流出道的成形和中后期的胎儿心脏发育等[39]。HIF-1是一个由氧敏感的α亚基和结构性表达的β亚基组成的异源二聚体。HIF-1β在细胞内的表达水平相对稳定,而HIF-1α的活性和表达水平受氧浓度的影响[40-41]。常氧下HIF-1α被脯氨酸羟化酶(prolyl hydroxylases,PHD)作用后,经泛素-蛋白酶体途径迅速被降解；低氧下PHD受到抑制,HIF-1α稳定性增强,转移到细胞核与HIF-1β形成HIF-1,作用于靶基因的缺氧反应元件,激活转录过程,其调控基因涉及胎儿心脏发育的多个环节[42]。胎羊体外循环诱导全身炎症反应、手术应激,促进肝脏内核因子(NF-kappa B,NF-KB)的激活[43]。研究表明NF-KB与HIF-1具有相互促进作用,进一步诱导凋亡、抗凋亡、胎儿糖酵解等相关基因的表达[44]。因此,推测胎羊体外循环过度增强HIF-1活性,以适应体外循环状态下的低氧环境。为节约用氧,低氧下合成ATP的氧化磷酸化过程被抑制,HIF-1促进无氧糖酵解增强,胎盘代谢的再调整使得供给胎儿的能量底物减少[45]。胎羊体外循环的研究也显示胎羊体内储存的肝糖原被大量消耗,乳酸值显著升高,孕羊提供的血糖减少,使胎羊的血糖水平下降[46]。在过度激活的HIF-1作用下胎羊能量匮乏,对胎羊各脏器功能产生不利影响。

国内外胎羊体外循环的研究已证实心脏不停跳、生理性低氧的体外循环影响胎羊心室功能,降低心肌细胞SERCA2a蛋白含量,促进心肌肌钙蛋白的降解[36,38]。相关研究证实胎羊体外循环后心肌细胞出现明显Ca2＋超载现象。胎儿心肌细胞SR发育不成熟,钙离子储备少,但是SR仍然是CICR机制中钙离子释放和回收的重要细胞器。通过上述Ca2＋通道进入细胞内的Ca2＋作用于SR膜上的RyR2,启动CICR机制,SR释放Ca2＋,与细胞外进入的Ca2＋一起产生钙瞬变,促进肌丝的滑动,发生心肌收缩现象；达到钙瞬变的峰值后,SERCA2a、NCX等转运蛋白将胞浆内增多的钙离子回收到SR内或泵出细胞外,使胞浆内Ca2＋浓度迅速下降,肌丝滑动复员,心肌舒张[47]。在SERCA2a编码基因的启动子上也有HIF-1结合的缺氧反应元件,研究显示低氧和HIF-1抑制胚胎心肌细胞SERCA2a的表达和活性[48]。

4 结 语

综上所述,心肌细胞Ca2＋代谢受很多因素的影响,在心肌保护中起到重要作用。胎儿心肌细胞兴奋收缩耦联中的Ca2＋代谢依赖细胞膜Ca2＋通道和CICR机制[49-51]。胎羊生理性低氧体外循环存在过度激活HIF-1的风险,一方面通过无氧糖酵解迅速消耗胎羊有限的糖原储备和母体来源的能量,使胎羊心肌细胞处于能量匮乏状态；另一方面,HIF-1抑制SERCA2a的表达,降低SR摄取钙离子的能力,同时HIF-1上调胎羊心肌细胞NCX的表达,在能量供应不足的情况下,NCX促进Ca2＋内流,减少钙离子排出,从而产生Ca2＋超载,激活钙离子依赖的蛋白酶,影响心肌收缩蛋白的功能,产生心功能不良。因此,HIF-1可能是胎羊体外循环心功能不良发生机制中的关键环节。通过降低HIF-1的活性,提供能量底物促进Ca2＋的转运,增强心肌细胞调节Ca2＋的能力,为胎羊体外循环的心肌保护提供新方法。

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(修订日期:2015-11-09)

(收稿日期:2015-09-17)

通讯作者：周成斌,E-mail:zcbwwww@ 163.com

基金项目：国家自然科学基金项目(81370274)

DOI:10.13498/j.cnki.chin.j.ecc.2016.01.15