生理性心肌肥厚实验动物模型和观察指标的研究进展

孙元隆, 阮小芬,刘永明综述 贾美君审校

心肌肥厚是心脏对血压负荷、损伤、生长发育等因素产生的心肌细胞尺寸增大，心室壁、室间隔肥厚，心脏重量增加的现象，分为生理性和病理性心肌肥厚2种。病理性心肌肥厚发生在压力超负荷、心肌缺血、瓣膜病变等病理情况下，可出现心肌细胞肥大，心肌间质增生，而随着心肌逐渐肥厚，会出现心肌纤维化，细胞坏死、凋亡的情况，容易引发心律失常和心力衰竭；而生理性心肌肥厚发生在生长发育、运动锻炼、妊娠怀孕的过程中，出现心肌肥厚、心肌收缩力增加，但心肌不发生纤维化、坏死等。

1 生理性心肌肥厚的动物模型

1.1 游泳训练模型 将大鼠置于深度超过45 cm，开口面积≥20 cm×25 cm的容器内，单独隔开游泳训练，水温保持在30～32℃。生理性心肌肥厚的游泳训练时间较长，一般从15 min开始，每2 d增加15 min，1周5次训练，在1个月内逐渐增加至200 min，此训练将持续8～12周[1]。可在大鼠躯干部悬挂重物，使其负重游泳，调控负荷的程度，更好地达到训练效果。Gibb等[2]和Lu等[3]的实验结果显示，每天游泳训练1～6 h，持续1～24个月，一般可以使得大鼠心肌肥厚15%，心肌细胞尺寸增大21%，左心室重量提升13%。Fernandes等[4]的研究发现大鼠负重2%～4%自身体质量的重物，可有效增加心肌肥厚的程度。

1.2 跑步机运动模型 大多数制作大鼠和小鼠的生理性心肌肥厚模型都采用了连续的跑步机跑步，其特点是固定或递增速度、可以调节的倾斜度和持续时间。Yalin等[5]研究设定小鼠跑步机斜度为0°～7°，5～7 m/min无网格、5～7 m/min有网格、20 m/min有网格，3种训练各15 min，驯化期过后，每天60 min，20 m/min有网格训练，每周5次，共进行8周。4周、8周时心室后壁分别比对照组肥厚7%、16%。8周时心脏体积比较对照组增加21%[6]。

1.3 主动跑轮运动模型 主动跑轮运动对动物运动的控制较少，跑步周期和程度均由动物自己决定。因此，动物的运动习惯对结果的影响很大。记录的日跑路程在2～4周内达到峰值，约在10～15 km/d，之后就会降低至<4 km/d，因此，只需3～4周即可观察到心肌明显的肥大，而较长的运动训练并没有产生进一步的肥大[7]。Schreckenberg等[8]在大鼠出生后6周将其放入带轮的饲养笼中，使其可以主动的进行跑轮运动，持续6周，平均速度为3.2 km/h，3个月时室间隔厚度相对于对照组增加13%，左室后壁厚度增加9%；而6个月时均无明显改变。

2 生理性心肌肥厚的观测指标

2.1 心脏称重 能体现心肌肥厚的心脏称重数据有：全心质量(cardiac weight，CW)、左心室质量(left ventricle weight，LVW)。随着运动训练的进行，大鼠的体质量和体脂含量也可能发生变化，Pitts等[9]的研究发现，高脂饮食大鼠的心脏和体质量在饲养8周后大于普通饮食大鼠。故当体质量是心脏质量分析的干扰因素时，可采用心脏质量/体质量的比值，即心体质量比(CW/BW)；左心室质量/体质量的比值，即左心体质量比(LVW/BW)作为判断心肌肥厚的指标[10]。CW/BW、LVW/BW均可排除大鼠自身质量对心脏质量组间差异的影响，在脂肪含量下降和体质量增长受到抑制时，该数值更具有代表性。

2.2 心脏超声指标 心脏超声是一种无创检测动物心脏大小，心肌厚度的方式。取长轴或者短轴观均可获得心脏的大体结构特征。通过对M型心脏超声的测量，可以获取左心室收缩末期内径(left ventricular internal systolic dimension，LVSd)、左室舒张末期内径(left ventricular end diastolic dimension，LVDd)、室间隔舒张末期厚度(interventricular septum thickness at end-diastole，IVSd)、左室后壁舒张末期厚度(left ventricular posterior wall thickness at end-diastole，LVPWd)、左心室射血分数(left ventricular ejection fraction，LVEF)。二尖瓣舒张早期和舒张晚期最大血流速度(E、A)，计算E/A；前后叶瓣环的平均值为舒张早期、舒张晚期的峰值速度(Ea、Aa),计算Ea/Aa。左心室质量指数(left ventricular mass index，LVMI)的公式为左室质量/体表面积(LVM/BSA)，LVM取值可参照1.04×[(LVDd+ Lvpwd+ IVSd)3-(LVDd)3]-14[11]。

LVPWd和IVSd可反映心室壁和室间隔的厚度，直接反映心室肥厚程度。LVEF可反映心脏收缩功能，E/A和Ea/Aa可反映心脏的舒张功能，可从心脏功能的结果鉴别生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚。雍永宏等[12]发现高血压模型大鼠E/A显著下降，Ea/Aa显著升高，而运动组大鼠E/A显著增加，Ea/Aa显著降低，该结果与Vinereanu等[13]的研究结果一致，认为E/A和Ea/Aa可作为区别生理性心肌肥厚和病理性心肌肥厚的指标。

2.3 血流动力学指标 血流动力学的检测结果主要反映生理性心肌肥厚时出现的心功能变化，代表收缩压的指标有左心室收缩压(left ventricular systolic pressure，LVSP)、左心室压力上升最大变化速率(+LVdp/dt)；代表舒张功能的指标有左心室舒张压(left ventricular diastolic pressure，LVDP)、左心室舒张末压(left ventricular end diastolic pressure，LVEDP)，左心室压力下降最大变化速率(-LVdp/dt)。Wang等[14]发现跑步机运动大鼠经8周训练后，LVSP、±LVdp/dt增高，LVEDP显著降低，说明生理性心肌肥厚时，心脏收缩、舒张功能均改善。

2.4 镜下微观结构

2.4.1 光学显微镜下特征:生理性心肌肥厚心肌细胞横径增大，心肌间质轻度增生，总胶原变多、胶原增粗，纤维组织正常分布，各组分在结构和生化重构的比例可持续均衡发展，而病理性心肌肥厚的心肌间质纤维化，胶原纤维明显增生，Ⅰ/Ⅲ型胶原比值下降且胶原发生不可逆的交叉结合。Padro等[15]和Radovits等[1]的研究发现，大鼠和小鼠在主动轮跑、游泳训练和跑步机训练后心肌细胞出现肥大。运动负荷的大鼠心肌肌束间或肌束内较粗胶原纤维大量增生,呈“条索状”或“树枝状”向下逐级延伸,呈波浪形弯曲或线形分布，并相互交织，网络着心肌束。在乳头肌上也可见到胶原束打成的结节，粗细不等的胶原纤维多呈“条索状”以垂直或斜交的方式借肌内膜心肌纤维连接。心肌细胞肥大且细胞间胶原纤维连接紧密。

2.4.2 透射电镜下特征:运动负荷大鼠心肌纤维增粗，排列整齐，数量增加，明暗带相间，结构清晰。心肌细胞体积略显增大，T管亦稍有扩张，同时和肌浆网分布于Z线，线粒体数量明显增多，体积增大，基质电子密度增强，核膜双层结构清晰可见，核仁清楚，线粒体膜完整。横小管扩张增大,闰盘连接不同程度改变[16]。

2.5 胚胎基因表达的改变 心肌肥厚时心肌胚胎基因表达改变，胚胎基因是在机体胚胎期表达而在器官组织生长成熟后便不再表达的一类基因。其中心脏胚胎基因在成熟的心脏中不再表达，但在血流动力学负荷改变、组织灌注不足、神经激素反应、代谢环境改变等病理情况下会出现胚胎基因的再表达，同时，成熟心脏的部分相关基因出现表达下降。

心肌重构中胚胎基因再表达使得心肌细胞肥大所需的蛋白质合成增加。在这一过程中，肌球蛋白重链(myosin heavy chain，MHC)和利钠肽是心肌重构中发挥重要调节作用的标志。

心肌肌球蛋白(myosin)是心肌主要的结构蛋白，主要由1对重链(α-MHC、β-MHC)和2对轻链组成。MHC有多种亚型，但在心肌细胞中仅表现为2种异构体，分别为α-MHC和β-MHC[17]，调节二者的比例可对心肌收缩功能产生重要的影响。

利钠肽是临床上诊断心力衰竭的重要指标之一[18]。其有3种不同的类型，即心房钠尿肽(atrial natriuretic peptide，ANP)、 脑钠肽(brain natriuretic peptide，BNP)和C型利钠肽(C-type natriuretic peptide，CNP)。GATA4作为关键的转录调节因子，在心肌肥厚形成过程中，参与调控压力负荷、内皮素等病理因素诱导的MHC、ANP和BNP等心肌肥厚相关基因的表达[19]。可见，MHC、ANP、BNP可通过转录因子调控参与胚胎基因再编程，成为心肌肥厚药物治疗研究的新靶点。

动物实验发现，成熟心室肌胚胎基因表达以α-MHC为主，β-MHC含量较少。在引起心肌肥厚的病理因素影响下，出现β-MHC再表达，α-MHC向β-MHC发生了转化，β-MHC的含量逐渐超过α-MHC，α-MHC/β-MHC比值减小，β-MHC占心肌总MHC的比例增加[20]。相应同工酶V1减少而V3增加，致使肌球蛋白ATP酶水解ATP的活性降低，造成心肌收缩时能量转换做功的过程减弱，与α-MHC相比，β-MHC与肌动蛋白的亲和力较低，所以当β-MHC表达占优时的心肌收缩力减弱，泵血功能减退。此外，压力超负荷致左心室肥厚大鼠血浆ANP、BNP均显著高于无心室肥厚者，且BNP水平升高与心肌肥厚的程度有关[21]。

病理性心肌肥厚时，心肌胚胎基因表达明显增加，ANP、BNP、α-MHC和β-MHC均有不同程度的增加，其中β-MHC较α-MHC表达占优势，出现α-MHC/β-MHC比值降低。而生理性心肌肥厚的胚胎基因表达均在正常范围之内[22]。Nakao等[23]对心肌MHC的研究发现，在心力衰竭失代偿期时，α-MHC在心肌MHC总量中的的比例可显著降低，而α-MHC可转变为β-MHC，加重心力衰竭病情。

3 总 结

生理性心肌肥厚可通过动物的多种运动模型制成，其在心功能和心脏大体、微观结构上与病理性心肌肥厚的特点截然不同，且其机制受到多个转录因子的调控，影响到蛋白质合成、心肌细胞增殖等，与胚胎基因相关的肌球蛋白ATP酶活性也会产生变化，并与心脏收缩力相关。通过运动造成生理性心肌肥厚是否能改善心肌肥厚相关的疾病也是研究的方向之一。