肥厚型心肌病钙离子稳态失衡与能量学改变*

吴 昊 综述，赵 跃，张 宏 审校

(1.大理大学临床医学院，云南大理 671000；2.大理大学基础医学院，云南大理 671000；3.云南省第一人民医院心血管内科，昆明 650032)

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy，HCM)是一种由多因素引起的左心室肥厚为主要临床病理特征的复杂心脏疾病[1]，全球发病率约为1/500[2]，是青少年及年轻运动员猝死的最常见原因。HCM有着显著的遗传特征，被世界卫生组织(WHO)定义为一种以常染色体显性为主的遗传性心脏疾病，主要由编码心脏蛋白的基因突变引起[3]。目前已发现有超过30个基因的1 500种突变与HCM发病相关[4-5]，其中以编码肌小节蛋白的基因突变为主，约占总突变的80%[6]。目前，关于HCM的疾病机制尚不完全清楚，认为毒性多肽学说、无效等位基因学说、能量消耗假说和钙离子(Ca2+)稳态异常学说是其主要致病机制。但是，越来越多的研究认为Ca2+稳态异常在HCM的发生发展中处于中心地位[7-8]。β受体阻滞剂和非二氢吡啶类Ca2+通道拮抗剂等传统药物作为HCM的一线用药加上近些年开发出的新的药物，使HCM症状得到了有效的控制，本文就近年的HCM中Ca2+稳态和能量学改变最新研究进行综述。

1 Ca2+与心脏活动

1.1肌肉兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling，ECC) 在心肌细胞中，Ca2+诱发心肌细胞产生动作电位，经过转导引起心肌收缩的过程被称为ECC。在ECC中，最重要的过程是Ca2+触发释放[9]，即心肌细胞兴奋引起细胞膜上的电压依赖L-型Ca2+通道开放，Ca2+内流，细胞内Ca2+浓度升高，引起心肌细胞内肌浆网膜上的兰尼碱受体(RyR) Ca2+通道快速开放，以最快速度释放Ca2+，导致细胞质内Ca2+浓度急剧升高。此后Ca2+通过与细肌丝上的肌钙蛋白C结合，原肌球蛋白发生位移，暴露出细肌丝上与横桥结合的位点，使粗细肌丝结合，引起心肌细胞收缩。

1.2心脏电活动 在窦房结内，当膜电位去极化达到阈电位-40 mV时Ca2+通道激活并开放，Ca2+缓慢内流引起起搏P细胞的缓慢去极化[10]。而在心房肌或者心室肌细胞中，复极的2相平台期主要是缓慢而持续的Ca2+内流形成。当膜电位约-55 mV 时，T型和L型Ca2+通道相继激活开放，Ca2+沿较高的浓度差跨膜缓慢内流，这种缓慢而持续的内流使细胞膜内的电位保持在较高水平形成2相平台期。由于Ca2+通道的失活比激活更慢，使Ca2+内流微弱而时间持久，2相平台期及Ca2+内流不仅与心房、心室肌细胞的动作电位时程有关还与电兴奋引起的心肌收缩有关[10]。所以，Ca2+对心脏电活动的作用至关重要。

1.3Ca2+为心肌细胞第二信使 在细胞内，Ca2+参与的生化过程很多，如葡萄糖的转运、细胞分裂、神经介质的释放、蛋白质的合成、DNA的合成、丙酮酸脱氢酶的活化、腺苷-3′，5′-环化-磷酸(cAMP)和鸟苷-3′,5′-环磷酸(cGMP)的活化等。其中，最重要的是Ca2+作为第二信使通过钙调蛋白(calmodulin,CaM)调节细胞的功能。CaM与Ca2+结合后，构型发生变化，导致Ca2+/CaM复合物与钙调蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的CaM结合域结合，使CaMKⅡ自身磷酸化活化激活下游信号通路，从而对代谢过程起调控作用。

1.4细胞内Ca2+稳态 细胞内Ca2+稳态是由细胞膜、肌浆网及线粒体上一系列Ca2+通道、离子交换体和钙泵对Ca2+进行转运来维持的。如细胞膜上的电压门控Ca2+通道及Na+-Ca2+交换体(NCX)、肌质网膜上的IR3R-Ca2+通道和线粒体膜的RyR-Ca2+通道使Ca2+流入细胞质。而细胞质内Ca2+外流的通道主要包括细胞膜和肌质网上的钙泵，线粒体通过NCX把Ca2+转入线粒体钙库。

2 HCM中Ca2+失衡与能量学改变

2.1Ca2+敏感性增加 众多证据表明，编码肉瘤蛋白的基因突变常引起肌丝Ca2+敏感性增加，并且不同的突变会从不同的机制影响Ca2+敏感性。如MYL和TN直接增加肌钙蛋白和Ca2+的亲和力，而MHY7和MYBPC3则是在粗肌丝之间形成额外的交叉横桥，协同激活细肌丝[11]，二者亲和力改变引起Ca2+敏感性增加和横桥解离困难。此外，高氧化应激通过改变心肌肌球蛋白结合蛋白C(MYBPC3)和肌钙蛋白磷酸化状态增加肌丝对Ca2+的敏感性[12]。心肌肌钙蛋白I(cTnI)基因7、8号外显子编码了cTnI的抑制区和调控区两个主要功能区，当其发生错义突变或缺失突变时减弱了cTnI对肌球蛋白酶活性的抑制，引起心肌纤维的Ca2+敏感性增加[13]。体外实验表明，MYBPC3调控心肌收缩的机制之一是通过其N端结构域与相邻细丝的相互作用，降低了激活肌球蛋白ATP酶活性所需的Ca2+浓度阈值，从而增加细肌丝对Ca2+的敏感性[14-15]。Ca2+敏感性增加导致了肌丝机械松弛受损，使得Ca2+再摄取时间延长，导致舒张功能发生障碍。同时，有研究表明肌纤维脱敏的松弛校正有效地阻断了细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2)参与的信号转导途径[16-17]。

2.2肌质网Ca2+-ATP酶(sarcopendoplasic Ca2+-ATPase,SERCA2)活性与能量学改变 心脏舒张期Ca2+摄取依赖水平的低表达可能是导致舒张期Ca2+水平升高，引起左室收缩储备功能受损的重要机制。COPPINI等[18]发现HCM患者中SERCA2的水平降低。SERCA2磷酸化功能的净平衡似乎更多地受到SERCA2水平降低的驱动，因为在经磷酸酶处理后的SERCA2活性和Ca2+敏感性没有改变的情况下，SERCA2的总摄取速度降低。此外，SERCA2活性降低是造成细胞内Ca2+稳态失衡的另一机制。SERCA2活性变化似乎是通过Ca2+缓冲激活CaMKⅡ和随后磷酸化PLNThr17直接实现[11]。

HCM发生早期出现的能量代谢异常与SERCA2活性的改变有关。一方面，肌节蛋白基因突变导致能量学改变，引起SERCA2活性降低。基球蛋白重链7(MYH7)基因R403Q突变是第一个被发现的HCM致病基因，因此也是研究最早且被研究较多的位点。研究发现，该位点位于S1区段的肌动蛋白结合部位，此突变导致横桥解离速度加快，张力产生时ATP的消耗增加，从而引起细胞内能量失调[19]。除此之外，MHY7和MYBPC3突变导致粗肌丝间形成额外的交叉横桥，从而增加了肌球蛋白ATP酶的能量需求。由于产生心肌细胞收缩力的跨桥周期所需能量在心肌细胞ATP消耗比重中增加，使能量相对缺乏，降低了SERCA2及其他ATP消耗过程的活性。SERCA2活性下降导致舒张期肌浆网Ca2+回摄速度下降，引起细胞质Ca2+浓度升高。另有研究显示ACTC中R95C、F90△使肌球蛋白ATP酶显著下降，也同样可能是由于突变导致了心肌细胞能量不足[20]。

另一方面，在心肌肥厚前出现线粒体能量合成不足，导致线粒体数量发生了代偿性的增加[21]。线粒体DNA由于缺乏组蛋白保护和修复机制，在较高氧化压力下发生的突变能导致氧化磷酸化电子传递链复合体、电子转运蛋白的功能障碍，引起25%～40% HCM病例，使心肌蛋白对ATP的利用效率降低、ATP消耗增加、心肌能量供应不足，同时还引起心肌组织的活性氧簇(ROS)水平增加，抗氧化的血红素氧化酶1(heme oxygenase 1,HO-1)表达水平降低，从而引起线粒体DNA突变的恶性循环。与HCM相关的线粒体基因突变主要是线粒体DNA转运RNA(tRNA)基因点突变、线粒体DNA结构基因点突变、线粒体DNA缺失突变[22]。有研究[1]证明，m2336t>c突变通过降低16S核糖体RNA(rRNA)的稳定性从而导致线粒体功能紊乱和超微结构缺陷，如电子传递链复合体Ⅰ和Ⅳ活性显著降低，ATP/ADP比值和线粒体膜电位降低，使心肌细胞能量缺乏，离子泵、肌浆网Ca2+-ATP酶活性下降，从而提高细胞内Ca2+浓度，导致HCM特异性电生理异常。细胞色素C氧化酶2复合体(synthesis of cytochrome c oxidase 2,SCO2)突变，是引起细胞色素C氧化酶(Cox)紊乱的常见突变基因，也同样引起线粒体呼吸链功能障碍[23]。除了线粒体本身基因突变外，核基因编码的线粒体磷酸载体蛋白(PIC)基因中Gly72Glu的突变导致HCM患者的肌肉线粒体ATP合成紊乱[24]。最终在能量供应不足的情况下，心肌组织发生退行性改变及代偿性肥厚增生等病理变化导致心肌肥厚，引起HCM。

2.3钙超载 钙超载在HCM Ca2+稳态失衡中起着非常重要的作用。Ca2+敏感性增加及SERCA2活性降低都将导致细胞内Ca2+超载。对于HCM来说，钙超载导致心肌细胞肥大、心律失常、纤维化及心力衰竭。一方面，当钙超载发生时，细胞质内的Ca2+与细肌丝上的肌钙蛋白结合，使心肌处于高收缩状态。另一方面，Ca2+与CaM激活钙调神经磷酸酶/活化T细胞核因子(CaN/NFAT)通路使心肌细胞肥大[25]。在单细胞研究中，HCM iPSC-CMs在诱导心脏分化后第40天起，NFAT激活的肥大介质GATA4和MEF2C显著上调，提示CaN/NFAT通路在HCM表型的发生发展中起核心作用[13]。同时，活化的CaMKⅡ可以移位到细胞核，使组蛋白去乙酰化酶(HDAC4) 磷酸化，从而解除对肌细胞增强因子-2(Mef-2)控制基因转录的抑制作用[25]。

为了缓解细胞内Ca2+升高，CaMKⅡ使线粒体摄取细胞质内Ca2+能力增强，使大量Ca2+聚集在线粒体内，将会抑制氧化磷酸化，造成线粒体呼吸功能障碍。同时，使氧自由基产生增加，线粒体及心肌细胞的脂质过氧化损伤[26]，氧自由基的增加反过来激活Ca2+通道，使细胞质内钙超载进一步加重。在氧化应激增加后，ROS可调控包括MAPK、AP-1、ASK-1/NF-κB在内的多种信号通路引起心肌肥大[27-28]，TGF β/Smad信号通路导致心肌纤维化，同时激活CaM激酶、钙依赖性磷脂酶、钙依赖性核苷酸内切酶等多种消化酶，引起心肌细胞凋亡。黄一等[29]认为，B淋巴细胞-2基因(Bcl-2)家族成员Nix等促凋亡基因表达同样受心肌肥大信号的调节。由于细胞凋亡和心力衰竭的密切关系，因此，ROS在心肌肥厚向心力衰竭转化过程中起着非常重要的作用。不仅如此，Ca2+稳态失衡还是HCM致死性心律失常的原因[30-31]。KNOLLMANN等[31]研究证明肌钙蛋白T(cTnT)基因突变的小鼠在心肌细胞还没有肥大的情况下表现出抑制性和长时间的钙瞬变，而这极可能引起去极化延迟或自发性钙振荡，说明Ca2+稳态失衡可能是导致HCM心律失常的分子机制之一。

3 HCM治疗药物

3.1β受体阻滞剂 20世纪60年代，β受体阻滞剂首次被用于治疗HCM[32]。它是2011版美国指南和2014版欧洲心血管病学会指南推荐的HCM首选基础用药，也是最主要的药物。β受体阻滞剂在改善左室流出道梗阻引起的缺血症状上有着极其重要的意义。其主要机制是通过抑制交感神经活性，从而减少心脏高收缩状态，降低心肌耗氧量。研究证明，β受体阻滞剂主要是降低患者运动状态下左室流出道梗阻，对静息状态下流出道压力阶差无明显影响[32]。而选择性的β1 受体阻滞剂可以减少Ca2+的内流，在治疗慢性心力衰竭中发现，美托洛尔可以使衰竭心脏SERCA2a蛋白的水平和活性改善[33]。因此推测β受体阻滞剂除了抑制交感神经活性外，还可能参与改善钙循环降低心肌收缩力、抑制心肌肥厚。卡维地洛作为一种β受体阻滞剂和α受体拮抗剂，可以阻断过氧化氢诱导的SERCA2a在基因和蛋白水平的降低，并可促进SERCA2a基因的上调，改善细胞内Ca2+状态[34]，但具体作用机制目前尚不十分清楚。

3.2Ca2+拮抗剂 对于使用β受体阻滞剂效果不佳或者禁忌的患者，可以使用非二氢吡啶类Ca2+通道阻滞剂，如维拉帕米等药物治疗。其机制是通过阻断Ca2+通道，以达到降低心肌收缩力，改善心室舒张功能。研究结果表明，早期使用地尔硫卓确实延缓了携带者舒张功能障碍的发展[25]。LAN等[8]通过诱导多能干细胞心肌细胞(induced pluripotent stem cell cardiomyocytes，iPSC-CMs)建立单细胞HCM模型，在单个患病的iPSC-CMs中添加维拉帕米50～100 nmol/L连续10～20 d，明显改善了HCM中心肌细胞肥大、Ca2+处理异常和心律失常[8]。同时发现地尔硫卓比维拉帕米抑制Ca2+通道作用更强[8]。在动物模型中，用Ca2+拮抗剂治疗MYH6突变的转基因小鼠，使HCM中心肌肥厚改善尤其明显[30]。

3.3肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)抑制剂 血管紧张素-Ⅰ(AngⅠ)转换酶(ACE)基因是RAAS的主要组成部分，该基因第16内含子中存在287 bp的Alu重复序列，导致了一种共同的多态性，即II、ID和DD 3种基因型，这些基因型都会影响HCM患者心肌肥大的表型。心肌产生的血管生成素Ⅱ(AngⅡ)能以自分泌/旁分泌方式直接作用于心肌细胞膜抗血管紧张肾Ⅱ型受体(AT1R)，上调细胞质Ca2+水平，产生正性肌力作用。通过旁分泌方式，促进心交感神经末梢释放去甲肾上腺素，再经Gαs/αi/AC/cAMP/PKA通路，激活L型电压门控Ca2+通道，使Ca2+进入细胞质内，促进Ca2+释放。长期的Ang Ⅱ/AT1R通路高度活化，细胞内高Ca2+状态可通过Gαq使Ca2+/CaMK通路活化，同时活化CaN/NFAT通路，使心肌大量合成蛋白、蛋白多糖等细胞外基质，从而引发心肌肥大及纤维化。另一方面，AT1R自身细胞内的C端通过表皮生长因子受体(EGFR)的活化进一步激活IP3K通路，增强Ang Ⅱ/AT1R通路[35]。

血管紧张素转化酶抑制剂(ACEI)类药物和ARB药物的作用机制是通过阻断Ang Ⅱ/AT1R通路抑制心肌肥厚。较早就有研究发现，ACEI类药物依那普利及ARB类药物氯沙坦和坎地沙坦可抑制SERCA2a的下调[36-37]，以此改善细胞质内Ca2+高浓度状态。基础试验中，氯沙坦能够起到减少心肌纤维化的作用。

3.4抗氧化剂 除了上述治疗HCM的传统药物外，近年来出现了一系列新的治疗药物。抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸应用于HCM模型中，减轻了氧化应激，逆转了已建立的心肌肥厚和纤维化，预防了心脏收缩和舒张功能障碍，并改善了心律失常倾向[38]。

3.5其他药物 晚期钠电流选择性抑制剂，晚期钠电流在HCM中表现为异常，细胞内钠水平的维持是Ca2+代谢的关键，因此抑制这种钠电流已成为医学治疗的热点。研究中还发现雷诺拉嗪降低CaMKⅡ的活性和抑制β-肾上腺素能受体可能也是阻止心肌结构和功能改变的机制[25]。但上述抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸和晚期钠电流选择性抑制剂两类药物尚没有权威的临床实验结果，因此都只是可能成为具有潜力的药物。

4 结 语

长期以来，HCM是生物医学领域关注的热点，其发病及常用治疗药物的生物学机制仍然尚不明确。大多学者倾向于Ca2+稳态失衡学说，但HCM发生发展过程中Ca2+涉及上游及下游的信号通路还没有较完整的阐述。因此，Ca2+稳态失衡导致HCM的疾病机制仍然需要更多地从临床样本及基础实验加以研究和探讨。而在治疗方面，CaM、钙调蛋白激酶和钙调神经磷酸酶等与Ca2+稳态相关，导致心肌细胞肥厚的靶点治疗药物需要进一步开发。因此，以Ca2+稳态失衡为突破点，加强HCM的疾病机制研究和临床治疗药物的开发，将会为HCM的预防和药物治疗提供新的理论依据。