热应激对动物心肌细胞影响研究进展

吕秋凤，黄 帆，杨群辉，刘 梅，孙瑞媛

(沈阳农业大学，辽宁沈阳 110866)

热应激对动物心肌细胞影响研究进展

吕秋凤*，黄 帆，杨群辉，刘 梅，孙瑞媛

(沈阳农业大学，辽宁沈阳 110866)

热应激是动物饲养过程中经常遇到的难题，给畜牧业带来了较大的损失。由于心脏对热的敏感性较高，当动物机体遭受热应激损害时，首当其冲的器官往往是心脏。所以，如何提高心脏抵抗热应激的损伤，成为养殖业日益关注的焦点。论文从热应激对心脏的影响、心肌细胞在热应激作用下的组织形态学变化、热应激损伤心肌细胞的机制、热应激作用下心肌细胞的自我保护及如何提高心肌细胞对热应激的抵抗能力方面，结合近年来的研究做一综述。

热应激；心肌细胞;损伤

热应激(heat stress)是动物集约化饲养中经常遇到一大难题，给动物的生长、繁殖带来较大的损失[1]。例如笼养肉鸡常常因为受到急性热应激而猝死，即使在慢性热应激下也会因为食物消耗率低、代谢受阻而生长缓慢。

心脏是热应激较为敏感的器官。从宏观角度分析，当动物处于热应激状态下时，高温刺激体温调节中枢-下丘脑，并在下丘脑的调节下，机体加快散热，呼吸加快，体表血液流动加快，其心率也会加快，从而加重了心脏的负担，容易造成心肌损伤；从微观角度观察，有试验表明，心肌细胞在持续热应激作用下会发生严重的肿胀、变性[2]。当心肌受到损伤时，动物的健康也就受到了严重的威胁。所以，保护心肌细胞免受热应激的损伤成为当下研究热应激的热点之一。在国内外的研究中，持续的热应激往往造成心肌细胞的凋亡，然而热应激诱导心肌细胞凋亡的机制还不是很清晰。本文就近年来有关热应激对心肌细胞影响的研究进行综述，为探讨热应激对心肌的影响机制提供参考。

1 热应激对心脏的影响

心脏是动物机体循环系统中最重要的器官，当动物处于热应激状态下时，首当其冲的器官往往就是心脏。众所周知，当高温刺激下丘脑温度调节中枢时，机体表现出呼吸加快，心率加快，体表血液流速加快。持续的热应激会给心脏带来较大的负担，最终导致心脏衰竭。

有研究学者将肉鸡置于不同高温下，并在不同的时间段检测肉鸡股动脉压和右心室内压，发现股动脉压显著下降，且温度越高，股动脉压下降的速度越快；而通过记录不同时间段的右心室内压，可以计算出右心室内压的最大变化速率，右心室内压的最大变化速率可反映出右心室收缩和舒张的功能状态。实验表明右心室内压的最大变化速率显著下降，说明右心室在热应激作用下损伤严重[3]。

与上述试验相类似，高俊涛等[4]对SD大鼠做左心室插管手术，并检测可以反映心肌收缩力的等容收缩期左心室压力的最大值(left ventricular systolic pressure，LVSP)以及反映心脏功能状态的左心室等容收缩期压力变化最大速率(+dp/dt)等相关指标，发现在热应激初期LVSP，+dp/dt均逐渐升高，而1 h后两者均显著下降，反映出长时间的热应激造成左心室收缩力下降以及使心脏出现功能障碍的现象。提示，持续热应激会给动物心脏造成严重的损伤。

2 热应激作用下心肌组织形态学变化

处在热应激状态下的动物，经常会出现热休克和猝死现象。虽然这种热休克和猝死是由多种原因引起，但心肌细胞往往最先遭受到严重的热应激损伤。Wu Di等[5]将肉鸡置于热应激状态下并对其心肌细胞做组织切片观察，热应激1 h之后，发现心肌细胞出现肿胀状态；热应激5 h之后，出现心肌组织萎缩、心肌细胞核固缩；热应激15 h之后心肌细胞出现空泡变性、心肌纤维之间的间隙变大等特征。心肌组织的这种变化不仅仅出现在肉鸡中，Islam A等[6]通过对大鼠心肌细胞进行体外培养，然后将培养的心肌细胞放置在42℃环境下，观察心肌细胞在不同时间段内的变化，最终发现体外培养的大鼠心肌细胞出现与上述实验现象相似的组织形态学变化。提示热应激会给动物心肌组织造成严重的损伤。

3 热应激损伤心肌细胞的机制

根据上述心肌组织学变化可知，当动物长时间处于热应激状态下时，热应激损伤的最终结果是导致心肌细胞的凋亡。此外，心肌组织处在热应激下会在血清中释放一些重要的酶，如肌酸激酶(creatine kinase，CK)、肌酸激酶同工酶(creatine kinase-MB，CK-MB)和乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH)等[7]，同时产生大量的自由基。通过检测血清中生化指标的变化，可以从侧面反映出心肌细胞在热应激作用下受到的伤害。

3.1 热应激作用下心肌组织内的生化指标的变化

CK和CK-MB在心肌组织中的含量丰富，两者联合LDH是检测心肌损伤的重要生化指标[8]。李昌武等[9]在试验中证实，当小鼠处在热应激状态下，其血清中的CK、CK-MB和LDH活力均呈上升趋势，提示心肌在热应激下而受损。这与仲庆振等[10]在研究急性热应激对鹅心脏损伤中所测得的CK活力上相一致，同样与井然等[11]所测得的高温环境中大鼠血清中LDH和CK-MB活力显著升高相一致。如此以来，便可以通过检测动物血清中相关酶的变化，方便而快捷的诊断出动物心肌细胞受到热应激损伤的程度，同时寻找降低这些酶活性的方法，便可以减轻热应激对动物心肌的伤害。

3.2 热应激诱导的心肌细胞凋亡机制

目前国内外研究中，关于热应激诱导的细胞凋亡机制还不甚清晰。Slimen I B等[12]指出热应激可以引起细胞的氧化应激，而氧化应激可通过多条途径介导细胞凋亡，提示热应激是通过多种途径诱导细胞凋亡的。最近有学者提出，较长时间的热应激可触发心肌细胞的内质网应激，进而进入内质网的信号凋亡途径[13]。然而，内质网的信号凋亡途径会与线粒体凋亡途径相汇合，其凋亡的最后一步依然由线粒体释放细胞色素C，激活caspase-3而最终导致细胞凋亡[14]。

王晓武等[15]将小鼠置于潮湿高温环境下，发现其心肌细胞凋亡率明显高于对照组，同时检测到血管紧张素Ⅱ(Ang Ⅱ)大量生成，而AngⅡ可通过P38 MAPK信号通路使caspase-3活化，以及联合湿热环境诱导的氧化应激产生高浓度的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，最终导致细胞凋亡[16]。由此可知，热应激既可以通过内源性通路，也可以通过外源性通路诱导细胞凋亡。

有研究发现热应激可以引起心肌细胞内钙离子超载以及机体的氧化应激，导致线粒体膜通透性的改变，并释放出细胞色素C，从而诱导心肌细胞的凋亡[17-18]。提示线粒体在心肌细胞中的重要作用，增强心肌细胞抵抗热应激引起的凋亡的，其关键就在于保护心肌线粒体。

4 热应激作用下心肌细胞的自我保护

众所周知，当细胞受到热应激或其他应激时，胞质内会迅速大量合成一类具有分子伴侣功能的蛋白质——热休克蛋白(heat shock proteins，Hsp)。同样，心肌细胞也能合成Hsp。其中Hsp70是得到广泛研究的一种热休克蛋白。Hsp70已经被证实可以抑制心肌细胞的凋亡，但其抑制凋亡的机制尚不清楚。

近年来Hsp70的抑制细胞凋亡的机制不断被发现，例如Hsp70可以抑制Fas介导的应激性心肌细胞凋亡[19]。然而，Hsp70在心肌细胞中的含量随着热应激时间的延长而逐渐降低，而当Hsp70降到最低水平时，心肌细胞也出现了严重损伤。提示Hsp70可能通过某种机制抵抗热应激对心肌的损伤[20]。心肌细胞内Hsp70水平随时间的变化与仲庆振等人的研究相一致[10]。提示，Hsp无法长期稳定的高表达也可能是持续热应激导致心肌凋亡的重要原因。

5 如何提高心肌细胞对热应激的抵抗能力

由于热应激对心肌细胞的损伤与动物机体其他组织细胞的损伤有一定的相关性，如热应激会增加机体ROS的含量，高浓度的ROS会诱导细胞的凋亡[16]。热应激作为非特异性应激反应，对动物机体的其他器官同样会造成严重的伤害。所以，提高心肌细胞对热应激的抵抗通常从动物整体水平上降低热应激的损伤。例如，通过降低环境温度来加快动物机体的散热；饲喂具有抗氧化作用的中药复方可显著降低动物血清中的ROS等。

我国学者曾通过对中草药的研究，寻求抗热应激的方法，并且取得了一定的效果。例如近年来发现水母雪莲可以显著降低热应激作用下的小鼠血清中心肌损伤标准物CK、LDH等的含量，从而减轻了热应激对小鼠心肌细胞的伤害[21]。

抗氧化剂可以清除机体内的ROS，从而达到抗热应激的目的，如维生素E、硒等。有学者发现维生素E可以通过增加心肌细胞内的金属硫蛋白的表达，从而实现抵抗热应激而保护心肌细胞目的[22]。近年来，在心肌组织中发现牛磺酸的含量非常丰富。牛磺酸具有清除ROS，降低血清中CK、LDH等心肌损伤标志物，抑制心肌细胞凋亡的作用[23]，并且可直接作为饲料添加物而受到广泛关注。2000年发现的血管紧张素转化酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)可以水解Ang Ⅱ[24]，从而保护心肌细胞免受Ang Ⅱ引起的细胞凋亡。

6 小结

综合近年来热应激对动物心肌细胞的影响研究可知，心脏很容易遭受到热应激的损伤。虽然心肌细胞可以通过合成Hsp进行短暂的抵抗，但长时间的热应激仍然可以给心肌细胞带来严重的伤害，甚至造成心肌细胞的凋亡。在动物饲养过程中，提高动物抵抗热应激的重要一环就是提高动物心肌对热应激的抵抗。但无论是在饲养条件方面，还是在营养水平上，都应尽量避免热应激的发生。从机体整体水平上减轻热应激损伤的同时，还应积极探讨热应激对心脏损伤的具体机制，寻找改善和提高心肌细胞抵抗热应激能力的方法。

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Pregress on Effect of Heat Stress on Myocardial Cells

LÜ Qiu-feng,HUANG Fan,YANG Qun-hui,LIU Mei,SUN Rui-yuan

(ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning,110866,China)

Heat stress is a difficult problem in the process of animal feeding,which brings great loss to animal husbandry.Due to the sensitivity of the heart to heat,when the animal body suffers the damage from heat stress,the heart is always damaged firstly.Therefore,how to improve the heart to resist the damage of heat stress is becoming significant in animal husbandry.In this article,we gave a review on the impact of the heat stress on animal heart,morphological changes of the myocardial cells under the effect of heat stress,the traumatic mechanism of myocardial cells,self protection of the myocardial cells under the effect of heat stress,and how to improve the myocardial cells to resist the heat stress.

heat stress; myocardial cell; trauma

2016-06-25

吕秋凤(1967-)，女，辽宁西丰人，副教授，博士，主要从事动物生理生化和动物营养与饲料学研究。*通讯作者

S852.3

A

1007-5038(2017)01-0082-04