心肌高海拔低氧适应的研究进展

曾坐佳,雷 迁,2△

(1.电子科技大学医学院,四川 成都 610056;2.四川省医学科学院·四川省人民医院麻醉手术中心,四川 成都 610072)

低氧是许多疾病共有的一种病理生理过程,并且广泛而非特异地影响着呼吸、循环等多个系统。心脏是调节整个机体氧供需平衡最重要的器官之一,有关低氧对心肌相关影响的研究中,科学家们发现高海拔地区世居人群在长期慢性的低氧习服下可能发生了适应性基因选择,使其心肌对急慢性缺氧环境产生了一定程度的耐受[1,2]。而近年来,许多研究学者也注意到高海拔相关低氧适应不仅是机体对氧摄取和利用的改变,还包含了非常复杂的表观遗传学改变[3～5]。以往对低氧适应的研究多局限于氧气感知或低氧反应相关基因的生物学研究,而对心肌细胞本身的异质性改变研究较少。在低氧适应过程中,相关基因的表达可能使心肌细胞本身也发生了适应性改变。全球有代表性的高海拔地区诸如安第斯山脉、埃塞俄比亚、青藏高原等,世界上有超过5亿人长期居住于此[6],对该类人群进行研究有助于进一步揭示心肌低氧适应的机制。在科技高速发展的时代,单细胞测序技术是近年发展较为迅速的一种研究方法[7,8],可以从单个细胞的基因层面揭示包括细胞增殖、细胞间通讯、细胞分化、免疫微环境等微观生理过程,这更加促进了心肌低氧适应相关的研究进展[9,10]。

1 心肌低氧适应的机制

近年心肌缺血缺氧性疾病多发,研究人员一直试图从器官或组织缺血缺氧预处理的机制中寻找防治心肌缺血的作用靶点,而心肌低氧适应的现象也使得心肌保护、心肌损伤后修复、心肌再生等探索存在可能[2, 11～13]。成人心脏每天需要大约6 kg的ATP用于心肌收缩和离子交换的能量供应,正常氧供应条件下有氧糖酵解是心脏主要的供能方式。而低氧适应后心肌细胞通过调节线粒体内有氧代谢的关键酶改变供能方式,对急慢性缺氧产生一定程度的耐受[2,4]。低氧适应发生机制中的关键是低氧诱导因子(hypoxia inducible factor-1, HIF-1)[14],在机体内的表达受缺氧程度和时间影响有所不同。HIF-1及其衍生物通过调节糖代谢、线粒体功能、氧化应激、细胞周期、免疫微环境等生理过程产生心肌保护作用[2,5]。

当器官组织缺氧时,电子传递链的中断和氧化还原状态的失衡会产生活性氧物质(reactive oxygen species, ROS),而内皮PAS结构蛋白-1(endothelial PAS domain protein 1, EPAS-1)基因敲除小鼠对缺氧产生了更强烈的氧化应激反应,其中低氧诱导因子2α(hypoxia inducible factor-2α, HIF-2α)通过转活初代抗氧化酶(antioxidant enzymes, AOEs)的启动子在维持线粒体稳态和ROS平衡中发挥了重要作用[15]。通常情况下成年后心肌细胞再生能力非常有限[16],一旦发生损伤或死亡则会严重损害心脏功能,但是经过低氧环境刺激的心肌在遭受急性缺血缺氧后可以促进缺血后心脏功能的恢复并减轻纤维化程度[12]。此外,部分心肌组织的生理性低氧可以促进血管生成和心外膜细胞发生增殖和分化,这种低氧适应的能力为心肌缺血缺氧修复损伤提供了潜在的治疗靶点[17]。

心肌低氧适应相关研究中,研究者选择以心脏体外循环手术为低氧模型。而免疫系统是机体防御有害刺激的重要屏障,在心肌缺血再灌注损伤的研究中发现HIF-1可诱导巨噬细胞参与免疫微环境调控,并通过调节心肌细胞自噬升高从而减轻体外循环手术中的心肌缺血再灌注损伤即达到心肌保护作用[18]。此外,巨噬细胞还参与维持心肌线粒体稳态,防治心功能不全[19],而心肌低氧适应是否诱导类似的免疫微环境调控尚需进一步研究。综上,对心肌低氧适应机制的研究,有助于探索缺血缺氧性心脏病的防治靶点及方法。

2 高海拔环境与心肌低氧适应

世代居住在高海拔地区的人群长期处于低压低氧的高原环境中,血液中血红蛋白浓度和红细胞压积出现了不同程度的代偿性升高,且在青少年和青年成人中的汉族人群升高幅度高于同年龄阶段的藏族人群。并且,相较于同海拔埃塞俄比亚人群,青藏高原地区人群的血红蛋白浓度具有更显著的遗传力,而长期居住于高海拔地区的人群在氧气摄取和运输机制上也发生了改变。由于心脏对缺氧极为敏感,在急性缺氧时可能会产生严重的心律失常,但是部分临床回顾性研究发现,高海拔地区器质性心脏病患者的心房颤动发生率方面并未出现显著升高,提示长期慢性低氧适应可能在高海拔人群产生了抗心律失常的作用效果[20～22]。高海拔人群在对抗心肌缺血再灌注损伤方面也具有一定的优势,发生缺血再灌注后心肌损伤的程度更轻。Pan等[23]通过基因测序技术首次在青藏高原藏族人群中证实EPAS-1基因在心脏成熟过程中被过度激活表达,经低氧适应诱导信号通路调控心肌细胞成熟产生了防治先天性心脏病的重要作用[22, 32]。研究还发现抑制脯氨酸羟化酶结构域酶(prolyl hydroxylase domain enzymes,PHD)可以增加HIF-1α表达,减少心肌缺血梗死面积或者改善心肌损伤后心脏功能恢复等,在心肌急性缺血、心肌再灌注损伤和心肌细胞再生方面具有可观的治疗前景[13,24]。

高海拔低氧适应是多个基因相互协同作用的结果,尽管目前的研究已经取得了一定成果,但心肌低氧适应的机制尚需进一步探索,从而为心肌缺血、再灌注损伤及其它急慢性缺氧性疾病的防治寻找突破口。

3 单细胞测序技术在心肌低氧适应研究中的应用

基因测序技术在探索高海拔人群基因改变的相关研究中已经取得了显著的成果[23]。人类基因组计划的完成使单细胞转录组学技术得以应用于大多数的科学研究领域,但是由于心肌细胞具有体积大、不易分离、难以长时间保存活性等特点,使得标准的单细胞测序技术很难在心肌组织细胞的相关研究中广泛应用。细胞核能保留细胞大多数的基因和生物特性,因此对组织或细胞提取细胞核进行单细胞转录组学研究可以实现对心肌细胞的单细胞转录组测序[25]。单细胞核RNA测序能从新鲜或者冷冻组织的上万个核基因中分辨这些细胞,弥补了单细胞测序的不足并逐渐被应用于对心脏组织单个细胞层面的研究[26,27],这些方法在心脏相关的研究中得到广泛应用[26]。

单细胞测序技术应用于心脏相关研究,有助于从细胞水平阐释心脏的转录图谱和部分细胞标记物,对确定心脏发育轨迹以及重要信号通路和变化过程具有重要意义[28,29]。心脏中,心房和心室组织的组成大为不同,通过单细胞组学技术首次明确了心脏不同部位心肌细胞组成的差异,并为心脏疾病相关的研究奠定了基础[9]。

在研究构建人类心肌细胞转录图谱的过程中,心肌组织病变的免疫微环境调控过程逐渐受到重视,巨噬细胞除了发挥免疫功能,其在维持组织功能稳态方面的重要作用逐渐被揭示[9,18,19,30]。基于单细胞测序技术,Chang等发现依赖于HIF-1α的巨噬细胞糖酵解可能是抑制心脏移植后排斥反应的潜在治疗靶点[10]。此外,在单细胞转录组学技术的支持下,关于细胞-细胞间的研究让人们较全面的认识到细胞间的信息交换和相互作用[31,32]。转录组学技术在高海拔人群的研究中已经发现大量低氧适应相关证据,在构建高海拔人群低氧适应相关基因转录图谱方面做出了巨大贡献,然而单细胞测序技术在高海拔人群低氧适应相关研究中的应用尚有不足,更多的生物学信息还有待进一步发掘。

4 小结与展望

近年,关于心肌保护的研究已经确定了许多转录因子和信号通路,而低氧诱导信号通路被证明是最具有应用前景的通路之一。低氧适应是一个非常复杂的自然选择过程,目前研究已经确定了如PHD、HIF-1α、EPAS-1、脯氨酰羟化酶( EGLN1)、过氧化物酶体增殖物激活受体( PPARA)等大量与低氧适应相关的基因或分子靶点[13]。心肌在低氧适应中的作用机制,包括参与糖代谢、氧化应激、线粒体功能、细胞增殖、细胞凋亡、细胞间作用、心肌免疫微环境等生理过程的基因改变尚不完全清楚。尽管转录组学技术已经揭示了低氧适应的部分机制,单细胞测序作为现有最重要的转录组学技术之一,对心肌低氧适应的相关研究仍然很重要[7,9,10,33]。此外,探索高海拔人群的低氧适应性基因选择以及心肌低氧适应的临床和基础研究,为寻找缺血缺氧性心脏疾病和其它急慢性缺血缺氧性基本的防治寻找干预靶点具有重要意义。