黄芪及黄芪组分通过调节心肌细胞能量代谢治疗慢性心力衰竭的机制探讨

陈 彦，郑 佳

心力衰竭是由各种心脏结构和功能性疾病所导致病理生理过程不断进展的心室射血能力受损的临床综合征。中国心力衰竭注册登记组公布其研究结果显示：目前中国心力衰竭病人年龄为(66±15)岁，呈上升趋势，男性多于女性[1]。其发病率和死亡率逐年上升，对家庭和社会造成严重的经济和精神负担。因此，防治心力衰竭并减慢其进程成为研究重点。能量缺乏及能量代谢障碍是心力衰竭的主要标志。心力衰竭时，肥厚的心肌出现代偿，心肌能量的利用由脂肪酸的β氧化逐渐转化为葡萄糖的无氧酵解，游离脂肪酸和乳酸等代谢产物的积累造成线粒体膜损伤，线粒体是产生能量的主要场所，能量代谢紊乱，心肌细胞损伤进一步加重，加速心力衰竭进程。黄芪是国内传统的治疗心血管疾病的益气药物，中医学“气”与现代医学“能量”密切相关。黄芪甲苷、黄芪多糖为常用的黄芪组分，可明显改善心脏的收缩与舒张功能，广泛用于心力衰竭的治疗。

1 心肌细胞能量代谢

心肌代谢能量的来源主要是三磷酸腺苷(ATP)等高能磷酸键，而线粒体是氧化代谢产生能量的主要细胞器官，其主要功能是生产、储存ATP[2-3]。正常的心肌细胞代谢所需能量的50%～70%由脂肪酸(fatty acid，FA)氧化提供，其余由葡萄糖氧化提供[4-5]。心力衰竭的心肌细胞中，心肌肥大，细胞缺血缺氧，脂肪酸氧化酶的活性降低，心肌能量代谢底物由脂肪酸氧化逐渐向葡萄糖氧化及无氧酵解转化，ATP的产生受到抑制。有研究表明，衰竭的心肌细胞线粒体膜损伤，形态异常，氧化功能减退，能量代谢底物由优先利用脂肪酸转变为优先利用葡萄糖，导致游离脂肪酸(free fatty acids，FFA)堆积[6-7]。FFA堆积损伤线粒体功能和呼吸链，抑制细胞内ATP生成相关酶的活性，抑制糖酵解，进一步加重能量代谢障碍，加剧心功能的恶化。

2 黄芪及黄芪组分调节能量代谢

腹主动脉缩窄术可诱导大鼠心肌细胞肥厚。由此引发的肥厚心肌细胞中FFA和乳酸(lactic acid，LAC)含量远远高于正常的心肌细胞，其产能机制由有氧氧化向无氧糖酵解转化，能量底物逐渐由效能高的脂肪酸转向效能较低的葡萄糖，从而使心肌细胞处于“能量饥饿状态”。宋莹等[8]观察到黄芪多糖可以有效改善肥厚心肌细胞的能量代谢，减轻FFA和LAC的累积，提高线粒体功能，从而减轻心肌细胞肥厚和心力衰竭的发展。

心力衰竭早期代偿性的心肌肥厚、能量代谢及其传导途径紊乱，涉及诸多分子水平的变化。研究表明，PPARγ辅助激活因子-1(PGC-1α)的表达与心肌细胞中能量代谢水平密切相关[9-10]。许放等[11]利用异丙肾上腺素(ISO)诱导H9C2心肌细胞肥大，从分子水平观察黄芪甲苷对肥大心肌细胞能量代谢的影响。实验结果显示，黄芪甲苷高低剂量(100 μmol/L、50 μmol/L)均可减少H9C2肥大心肌细胞中游离脂肪酸含量，增加ATP/单磷酸腺苷(AMP)比值，同时蛋白免疫印迹(Western blot)方法证实黄芪甲苷增加PGC-1α蛋白表达。张素萍等[12]观察到黄芪甲苷可有效抑制ISO诱导的成年大鼠心肌肥厚，增加ATP/AMP、ATP/二磷酸腺苷(ADP)比值，提高PGC-1α蛋白表达水平，减少FFA含量。以上实验均证明黄芪甲苷可能通过过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α 改善异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚能量代谢水平表达，发挥心肌保护作用，减慢心力衰竭进程。

心肌纤维化是慢性心力衰竭发生发展的重要病理变化之一，主要表现为胶原纤维的增生、心肌肥厚，伴随着心肌能量代谢异常。唐斌等[13]利用黄芪甲苷干预慢性心力衰竭大鼠，大鼠心肌细胞对脂肪酸的代谢能力提高，对糖酵解的依赖性降低，可以有效纠正心力衰竭大鼠心肌细胞的能量代谢异常，显微镜下可见大鼠心肌细胞排列规整，细胞间质未见明显变化，未见明显肥大心肌细胞。左室质量指数(left ventricular mass index，LVMI)、右室质量指数(right ventricular mass index，RVMI)、胶原容积分数(collagen volume fraction，CVF)较模型组均明显降低，说明黄芪甲苷可抑制胶原纤维增生，改善慢性心力衰竭大鼠心室重构中能量代谢的异常。

线粒体是细胞能量产生的主要场所，线粒体膜通透性转运孔(mitochondrial permeability transitionpor，PTP)稳定与否常被用来衡量线粒体的产能状态[14]。在心力衰竭代偿期，底物利用由优先利用脂肪酸转变为优先利用葡萄糖，随着FFA、LAC的堆积，线粒体膜内外pH梯度失衡，PTP孔开放，线粒体膜电位下降，功能紊乱，直至线粒体崩解，细胞死亡。张晶等[15]观察到在肥大的心肌细胞中，高剂量的黄芪甲苷[5 mg/(kg·d)]可明显减少FFA、LAC含量，抑制PTP开放，维持线粒体膜电位，维持细胞的能量供应。于妍等[16]观察到在血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)诱导的原代心肌细胞肥大模型中，黄芪注射液可以显著提高线粒体细胞色素C氧化酶(COX)活性，降低线粒体单胺氧化酶(MAO)活性，调节线粒体功能，改善能量代谢。

ATP是心肌收缩的直接功能物质，其生成与ATP合成酶F1亚单位β(F1-ATPaseβ)密切相关。研究证实，黄芪组分(黄芪甲苷、黄芪多糖)可使AngⅡ诱导的乳鼠肥大心肌细胞F1- ATPaseβ表达趋于正常，调节肥大心肌细胞能量的产生，预防心力衰竭的发生发展[17]。

Toll样受体4(Toll-like receptor4，TLR4)在心力衰竭心室重构发生发展过程中起着重要作用[18]。有研究发现，在肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)诱导的心肌肥大细胞中，核因子-κB(NF-κB)和TLR4的表达增加[19]。梁灵君等[20]建立TNF-α诱导乳鼠心肌细胞肥大模型，发现黄芪多糖可能通过抑制 TLR4/NF-κB信号通路的激活，从而抑制TNF-α诱导的心肌肥厚，改善能量代谢。

随着心肌肥厚病程的进展，最终会导致心功能不全。细胞内钙离子(Ca2+)浓度的改变影响心肌兴奋-收缩偶联功能。Ca2+浓度变化是时间及空间效应形成心肌细胞内的钙瞬变[21]。孙娅楠等[22]研究发现，在原代心肌细胞肥大的代偿期，益气药黄芪注射液可以改善钙瞬变异常；在心肌细胞肥大的失代偿期，黄芪注射液与活血化瘀药丹参注射液联合应用对钙瞬变的改善优于单味用药，从而改善心肌兴奋-收缩偶联，延缓心力衰竭的进程。

肌酸激酶(CK)在心肌细胞中呈高表达状态。生理情况下，ATP可被线粒体型CK从内膜转移并形成磷酸肌酸(PCr)，PCr在能量所需部位再经胞质型CK同工酶转化成ATP以供利用，因此，CK在细胞内穿梭机制障碍会导致PCr和ATP之间的能量传输障碍而发生心力衰竭。苏敬泽等[23]研究发现黄芪组分及组分配伍可显著对抗AngⅡ引起的CK及其同工酶的变化，使其表达趋于正常，调节肥大心肌细胞的能量代谢，防治心力衰竭的发展。

3 小 结

黄芪及黄芪组分具有保护心肌线粒体结构，提高生物氧化相关的多种酶的活性，抑制胶原纤维增生，改善钙瞬变异常，调节肌酸激酶的表达等作用，从而改善心肌能量代谢，延缓心力衰竭发生发展。