稳定微管对心肌细胞的影响

郑敏　郑宏



·综述·

稳定微管对心肌细胞的影响

郑敏郑宏

心肌细胞微管是构成细胞的主要骨架成分，在维持心肌细胞正常结构、调节心肌细胞的生理功能中占有显著的地位，然而心肌缺血缺氧时会破坏微管结构，从而造成心肌损伤。现有研究证实通过稳定微管可减少心肌缺血缺氧性损伤，从而促进心肌保护。该文从心肌细胞微管的结构、功能以及稳定微管与心肌疾病的关系，对目前国内外研究进行综述，为心肌保护相关研究提供一些理论依据。

微管；心肌缺血缺氧；稳定

微管在心肌细胞中占有显著的地位，可以维持细胞形态、调节细胞自由运动以及生理功能。当心肌细胞缺血缺氧或缺血再灌注时，会使微管网遭到损伤和破坏。紫杉醇是一种微管稳定剂，能促进微管蛋白积聚，提高微管稳定性，从而减轻心肌缺血再灌注损伤，对心肌有一定的保护功能。本文旨在介绍微管的结构、功能、以及稳定微管对心肌缺血缺氧及其他心肌疾病的影响，提高人们对心肌细胞微管稳定性的意识，为预防心肌缺血缺氧性损伤提供相关理论依据。

一、心肌细胞微管的概述

1.微管的结构

微管是心肌细胞的骨架系统主要成分，不仅能够维持细胞形态结构、调节细胞运动，还保障了细胞生理功能[1]。微管在心肌细胞纤维骨架中最粗，以中空管网状结构均匀分布在细胞浆内。Goldstein等(1979年)早期实验揭示心肌细胞中微管双螺旋结构遍布在细胞质，且围绕着细胞核与肌纤维平行，其两端分别附着在细胞膜和细胞核上，以保持细胞核的正常形态和位置。微管的双螺旋结构是13条原纤维组成的，每一条原纤维是由α、β微管蛋白呈线性分布组成。α、β微管蛋白之间依赖化学键连接。心肌细胞中表现出微管蛋白亚基单体或微管蛋白亚基二聚体等不同的形态结构和排列方式，即微管是一种可以自由装配和解离的动态结构，可以解离成微管蛋白单体，同时微管蛋白单体又可重新装配成微管，因此依赖这种动态平衡以顺应细胞质结构的多变性和施展自身的功能。高浓度的微管蛋白中含有少量其他物质,且成为微管之间相互连接的路径之一， 称为微管相关蛋白(MAP)，其与微管的位置布局相同，并且可参与调控心肌细胞微管蛋白的装配和解离。每个MAP的分子最少包括两个结构域，分别是与微管结合的结构域和将微管向外延伸的域。MAP又分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型可分为MAPla和MAPlb，促进了微管的稳定。MAPⅡ型中的MAP4可以涂敷在的微管表面，使微管蛋白亚单位不能从微管端部剥离，从而发挥稳定的作用[2]。微管其他相关蛋白如tau蛋白的重复序列和微管结合，其主要作用是提高微管组装的出发点和加快速度，促进微管组装和维护结构。总之，MAP通过调控微管稳定性和微管蛋白的动态平衡,在控制微管延伸中占有重要的地位。

2.微管聚合与解聚

微管具有聚合和解聚的特征。正常心肌细胞中，聚合状态的微管蛋白和游离胞浆状态的微管蛋白分别约占30%和70%，且聚合态和游离态微管蛋白受环境因素影响下可处于一种动态平衡中，从而促进了细胞结构的稳定。在不同的环境因素作用下，微管可以在离体条件下发生聚合和解聚，例如一定浓度的Ca2+与适当的微管蛋白浓度结合可以促进蛋白二聚体聚合；反之在一定的Mg2+浓度下可以拮抗Ca2+与微管蛋白结合位点。MAP也是微管聚合的必要条件，如tau蛋白能够降低微管蛋白聚合的最低有效浓度，进而提高了微管的稳定性。同时微管的聚合还受pH、三磷酸鸟苷、压力、湿度、特异性药物等影响。特异性药物如紫杉醇和秋水仙素分别可以促进和抑制微管蛋白的聚合。

3.微管的功能

微管具有很多功能，是心肌细胞骨架主要力量，能够维持细胞生理结构，是细胞内物质传递的主要道路[3]。生理情况下，细胞的结构、细胞器的定位和功能取决于微管结构的稳定程度[4]。微管双螺旋结构支撑着细胞生理形态，其自身不会发生收缩，因而可以维持细胞的生理形态。微管还参与细胞内小泡以及色素的运输，对细胞器如线粒体、核糖体定位有一定的支持作用。此外微管还具有传递重要信息的作用，例如重要生物学功能的微管信号转导，目前此信号通道的研究很多，且已证实微管参与蛋白激酶信号转导功能，微管之间或者微管蛋白之间通过相互作用后，进一步传递着信号分子。重要的信息在心肌细胞内是经过细胞质、肌纤维膜、微管、细胞核途径传达的。有文献报道许多核转录因子如p53、雄激素受体、糖皮质激素受体β、甲状腺素等在细胞质聚集后通过微管结构快速准确的运输到细胞核中[3]。

二、微管稳定剂的概述

紫杉醇是已被证实是一种化学治疗癌症的药物，且能与微管蛋白二聚体紧密地结合，促进了微管蛋白的聚合。紫杉醇能够降低微管蛋白聚合所需的最低有效浓度，提高微管聚合的速度，增加聚合的数量，同时可以打破聚合和解聚形式的动态平衡，阻止微管蛋白的解聚，提高了微管的稳定性。

三、稳定微管对心肌病的影响

1.心肌缺血缺氧

心肌缺血再灌注时可以使微管网遭到破坏和损伤，心肌细胞长时间缺氧可使微管解聚与聚合的动态平衡遭到破坏，致微管松散、断裂、解聚且阻碍其生理功能正常运行[5]。其中微管的稳定性与钙浓度密切相关，心肌细胞钙超载可能会使微管结构坍塌和破坏，同时受到破坏的微管也可能会促进钙超载。Skobel等[6]研究证实紫杉醇可以减轻缺血再灌注对心肌的破坏,保护了缺氧受损的心肌，且这种保护作用可能与紫杉醇稳定微管有关系。当心肌细胞发生缺血或者缺氧缺血再灌注时，会使肌酸激酶大量释放，从而严重损伤心肌细胞。当使用紫杉醇预先处理心肌细胞后，肌酸激酶的释放显著减少，从而减轻了心肌不可逆的损伤。有研究将微管解聚剂秋水仙素应用于鼠心肌细胞后微管结构遭到破坏，提高了细胞胞浆内的Ca2+浓度，这可能与流入细胞内Ca2+增加、肌浆网摄取Ca2+能力降低有关[7]。进一步的研究发现，应用紫杉醇稳定微管后，导致肌纤维内的Ca2+浓度有所减低，使钙的释放减少，致使胞浆内的钙超载程度减弱[8]。微管稳定剂紫杉醇不仅可以促进微管的稳定，而且有效地减少胞浆内钙的释放，从而减轻心肌缺血缺氧时的氧化应激反应[9]。

缺血缺氧时稳定微管可以减轻线粒体功能损伤，从而降低心肌损伤的程度。微管不仅参与线粒体在细胞中的分布及定位，而且还和线粒体呼吸功能的调节有关。缺氧时可使心肌细胞线粒体通透性转换孔(MPTP)开放，引起线粒体通透性转换(MPT)，导致线粒体内膜电位下降，致使线粒体膜膨胀甚至破裂，从而激活凋亡信号分子，出现了细胞凋亡、坏死，以致心肌细胞发生不可逆的损伤[10]。郑霁等[11]研究发现，当加入微管解聚剂时，观察到微管免疫荧光强度降低、微管结构明显损害、MPTP开放，从而降低了线粒体内膜电位、减低了细胞呼吸功能，且与时间呈相关性。当加入微管稳定剂后，以上检测结果均明显减轻，说明稳定微管能够显著减轻线粒体损伤，弱化心肌缺氧时线粒体通透性转换和呼吸功能的损害。以上说明提高微管稳定性能减少线粒体呼吸功能的损伤，可以降低心肌细胞微管破坏所致的缺氧性损害。细胞缺血缺氧会显著破坏微管解聚和聚合的动态平衡，同时会明显减弱线粒体的呼吸调节功能，由此更加损害原本已被破坏的微管平衡状态，如此循环下去，细胞会持续地发生凋亡、坏死。

心肌缺血缺氧时，会使心肌的能量供应由有氧氧化磷酸化转化为无氧糖酵解，此时微管的结构遭到破坏，荧光染色下可见微管结构消失，断裂、呈空泡状。缺氧早期，糖酵解关键酶活性增高，为细胞提供暂时的能量；伴随长时间缺氧的情况下，酸性产物大量聚集，加重了微管结构损害，糖酵解关键酶活性显著下降，导致糖酵解能量供应逐渐消失[12]。若在缺氧早期给予适当浓度的紫杉醇，可以促进微管蛋白聚合而稳定微管，提高糖酵解关键酶活性，减轻心肌缺血缺氧的损伤，进一步发挥了心肌保护作用。倘若在心肌缺血缺氧晚期给予适当浓度的微管稳定剂，糖酵解关键酶活性未见明显异常。在心肌缺血缺氧时若给予大剂量的紫杉醇，过度聚合了微管蛋白，使微管在细胞内局部大量积聚，致使在细胞内不均匀分布，严重破坏了微管生理结构，反而显著降低了糖酵解关键酶活性。由此可知心肌保护与微管稳定剂适当的浓度和适当的时间有关。故心肌缺氧时微管结构的变化与糖酵解有着密切的关系，一味地追求微管稳定并不能起到心肌保护作用。故在心肌缺氧早期给予适量的微管稳定剂，不仅能够促进细胞能量的生成，而且对心肌细胞有一定的保护作用。

2.心力衰竭等其他心肌疾病

近期通过猪冠状动脉的研究证实，紫杉醇可以阻止血管再狭窄、抑制血管内膜增生，从而促进了血管重塑[13]。同时Herdeg等(2000年)兔颈动脉的研究发现，局部应用紫杉醇能有效防止血管新生狭窄的形成，保持血管原有的形状，能够扩张狭窄血管直径。这是由于紫杉醇提高微管的稳定性，改变原有的细胞骨架结构所致。

紫杉醇稳定微管后可导致心肌纤维化，明显影响了心肌的机械牵张力。有研究显示，当结扎鸡左心房建立左心室容量负荷降低和左心发育不全的模型后，通过蛋白免疫印迹法分析显示增加了总量和聚合β-微管蛋白，且通过共聚焦显微镜观察到在致密分布的左心室微管密度也有所增加[14]。由此推断微管在心肌细胞的发育中占据重要的分量。若给予大量紫杉醇过度稳定微管后，会导致心肌纤维条索压力骤增，心肌细胞紧张度增高，从而降低了心肌顺应性。故要严格掌握对微管控制，若过度聚合微管蛋白，可提高心肌强直性，严重减低心肌收缩功能。

当心脏发生心力衰竭时，心肌细胞的微管蛋白结构也会出现一些变化。当左心室后负荷压力增大时，微管表达量增加，进一步提高了微管的稳定性，增加心肌强直性，导致心肌收缩功能减弱，同时微管蛋白量也在增加[15]。同时有研究建立左心室压力负荷导致心肌肥厚的模型后，发现心肌收缩功能障碍与微管量的增加有很大的联系[16]。有研究建立了猫右心压力后负荷模型后，揭示心肌细胞的微管蛋白聚合能力增强，同时发现β-微管蛋白基因量表达增加，但是收缩功能却发生了异常[17]。通过心力衰竭模型的建立，发现在心力衰竭早期即代偿期内，微管蛋白急剧升高可以抵抗心肌收缩的压力；在晚期即失代偿期，心肌收缩性肌丝消失，此时微管蛋白积聚虽然有利于代偿失去的收缩蛋白，但另一方面会加重心肌细胞负荷，造成心肌细胞收缩功能障碍，心肌纤维阻力增大，抑制肌小节运动，破坏了心肌运动功能。由此可知在发生心力衰竭时，心肌功能异常与微管蛋白聚合能力密切相关。在心功能不全早期虽然收缩性物质减少，但此时通过微管蛋白聚合来代偿，以抵制收缩的压力，维护细胞的稳定；当失代偿期时，肌小节弹性缺失使收缩蛋白功能减弱，增加了心肌强直性，此时即使有大量的微管蛋白聚集也无法恢复心肌正常运动，反而会造成心肌损伤，同时抑制细胞间的信号传导功能，激活细胞凋亡系统，这些与紫杉醇用药浓度及作用时间有关[18]。

稳定微管还可以有效地预防和控制缺血性室性心律失常[19]。研究者选择冠状动脉硬化性心脏病并发室性心律失常的患者，给予静脉给药后对比治疗前后的左室舒张末内径、舒张末室间隔厚度及LVEF等，发现紫杉醇可以降低缺血性室性期前收缩症状，且与剂量密切相关，对缺血性心肌具有保护作用。在大鼠缺血处理后给予紫杉醇稳定微管，发现缺血性室性心律失常的发生显著降低,且呈剂量依赖性，能降低室性心动过速的发生。同时一定剂量的紫杉醇可以明显降低心肌缺血再灌注时心肌梗死面积，由此推断稳定微管可以减少缺血再灌注心肌损伤[20-21]。

四、展　望

微管是维持细胞生理功能必要的成分。在心肌缺血或缺血再灌注时，微管结构在荧光染色下出现断裂、破坏，同时推测心肌缺血时所造成的心肌损伤可能与微管有关。心肌缺血时，细胞内Ca2+蓄积导致钙超载和氧自由基生成，可能会破坏微管网的结构，同时使得线粒体通透性转换孔得以开放，造成线粒体呼吸调节功能受损和能量供应下降，进而抑制糖酵解功能，最终使细胞凋亡信号分子被激活，心肌细胞出现了凋亡和坏死。关于心肌损伤的机制目前研究很多，人们迫切地探索出心肌损伤与微管相关的机制，目前人类开始从心肌细胞实施缺氧预处理来观察微管的变化，力图通过改变微管结构来衡量心功能，以提高心肌保护作用。未来可能会通过改变微管稳定性来促进心肌保护，但是要严格掌握微管稳定剂的剂量和时间，这也让心肌保护作用看到曙光。关于心肌细胞的微管还有很多研究的价值，值得我们去探索。

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(本文编辑：杨江瑜)

Effects of stable microtubules on cardiac muscle cells

Zheng Min，Zheng Hong.

The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University，Urumqi 830054，China

Microtubule of myocardial cells are the main component of the cellular skeleton structure, which plays a significant role in maintaining the normal structure and regulating the physiological function of cardiac myocytes. However, myocardial ischemia and hypoxia can destroy the microtubule structure, which can result in myocardial injury. It has been confirmed that myocardial ischemia and hypoxia injury can be alleviated by microtubule stabilizing, which might promote myocardial protection. Our paper reviewed the microtubules structure，function and the relationship between the microtubules stability and the cardioadic diseases, providing some theoretical basis for the related study of myocardiocytes protection.

Microtubule; Myocardial ischemia and hypoxia; Stability

10.3969/j.issn.0253-9802.2016.08.002

830054 乌鲁木齐，新疆医科大学第一附属医院

2016-04-06)