细胞凋亡与心力衰竭

作者：朱剑荣（综述）， 王 伟（审校）
作者单位：汕头大学医学院， 广东 汕头 515041
《河北医学》2008年6月11卷6期 文献综述
【关键词】  心肌细胞; 凋 亡; 心力衰竭

　　心力衰竭( congestive heart failure, 心衰)是一组在静脉回流正常的情况下，心脏收缩和/或舒张功能失常导致心脏泵血功能与组织、器官对氧和其他价养物质供求失衡，导致休内发生复杂病理生理过程的临床征候群，是大多数器质性心脏病发展的晚期阶段［1］。临床上表现为心排量不足，组织、器官灌注减少和肺循环或体循环静脉淤血，故习惯上又称“充血性心力衰竭”。其机制由最初的“心肾模式”，到60、70年代的“血流动力学模式”，发展至今天的“神经激素模式”，即认为各种神经激素机制的长期持续激活参与心肌重构，心室重塑，促使心功能不断恶化。但总体来说，心衰的机理还是不完全清楚，众多研究表明，在心衰发生、发展过程中, 心肌细胞凋亡可能起了重要作用［2］。

　　1  细胞凋亡的分子机制

　　1.1  细胞凋亡的概念与特征:1972年, Kerr等［3］首次提出了“细胞凋亡( apoptosis) ”的概念。随着近年分子生物学的发展,细胞凋亡已经成为诸多领域关注的热点。细胞凋亡是指细胞在一定的生理或病理条件下，受基因调控的主动性的细胞死亡。生理情况下，细胞凋亡是正常组织清除某些细胞的一种独特方法，对保持正常组织的平衡稳定有着重要的意义，如清除自身反应性淋巴细胞、衰老的粒细胞过程中均可见细胞凋亡。病理情况下，有许多因素及化学制剂可诱导细胞凋亡，如辐射、抗癌药、病毒感染、高热等。细胞凋亡与传统的细胞坏死(necro sis) 有本质的区别, 具有独特的形态和生物化学特征。表现为细胞核染色质固缩、DNA 广泛降解断裂、核膜崩解, 最终形成凋亡小体。凋亡过程中激活核酸内切酶,在组蛋白八聚体之间的连接处切开DNA,形成DNA 小片断,并发生核固缩。整个过程中凋亡细胞的质膜(细胞膜和细胞器膜) 不破裂, 不引发死亡细胞的自溶也不引起炎症反应。除坏死有如上差异外, 细胞凋亡区别于细胞坏死的一个显著特征即受基因调控, 许多基因包括多种原癌基因和抑癌基因均参与细胞凋亡的调控, 主要包括以下两类: ①促进细胞凋亡: w p 53、cmy c、Fas、B ax、bak、ced 3、ced 4、B id、B ik、B n ip s 等。②抑制细胞凋亡: mp 53、B cl22、bcl2x l、ced 29、B cl2w 、M cl21、N r213等。以往常将心肌细胞死亡导致心肌功能不断恶化归因于细胞坏死,近年来人们则更加关注细胞凋亡,心肌细胞的丢失可能是心脏在多种因素的作用下心肌细胞发生凋亡的结果［4,5］。

　　1.2  Bcl-2家族的特征:Bcl-2是第一个被发现参与凋亡调控的基因家族, 包括抗凋亡蛋白如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w等和促凋亡蛋白如Bax、Bad、Bak、Bid 和Bcl-xs等。 Bcl-2 蛋白可抑制细胞凋亡［5］,其基因产物主要定位于线粒体膜,核膜及内质网上。在无死亡信号刺激时,Bcl-2家族的大部分抗凋亡蛋白一般作为细胞器膜如线粒体膜、内质网膜、核膜等的整合膜蛋白被隔离起来,而促凋亡蛋白则以非活性的形式定位分布于胞液或细胞质骨架上。Bcl - 2 抗凋亡的作用可能与抗氧自由基,钙超载及细胞内蛋白酶变化，能保持线粒体膜的稳定性,抑制细胞色素C 和凋亡诱导因子释放有关。Bcl-2亦可与其它基因如C-myc、p53等相互作用,以控制细胞的增殖和程序性死亡。

     Bax作为Bcl - 2 家族中Bcl-2的同源体，与Bcl-2 结构类似, 与Bcl-2基因一样在组织广泛表达［6］，功能与Bcl - 2 相反。当细胞受到死亡刺激后, Bax在蛋白酶的作用下便发生构象变化,从胞液中易位到细胞器的膜结构上,尤其是线粒体外膜上,与Bcl-2 结合, 阻止Bcl-2 的激活, 使其丧失了对细胞凋亡的抑制作用,引起细胞器功能丧失和各种促凋亡因子的释放,从而促进凋亡［7］。

    Oltvai等［6］认为,决定细胞命运的关键因素是二者间的比率,例如Bcl-2与Bax相互作用,Bcl-2水平较高时促进细胞存活,而Bax水平较高时则促进细胞死亡。Bcl-2与Bax蛋白的比值是决定细胞是否发生凋亡的基本检查点。抑制Bax基因表达,提高Bcl-2 /Bax的比值,能够抑制细胞凋亡,促进细胞存活。Bax 通过与线粒体上Bcl - 2 蛋白形成二聚体发挥作用,当Bax 高表达时,形成同源二聚体Bax/ Bax 促进凋亡,Bcl - 2 高表达时,形成异源二聚体Bcl - 2/ Bax 以抑制凋亡的发生。当Bcl-2 /Bax的比例下降, Bcl-2 与Bax的异源二聚体减少, Bax同源二聚体增多。Bax与线粒体膜结合,形成渗透性膜转移孔复合物,建立线粒体膜通道,介导线粒体发生释放反应释放细胞色素c、凋亡诱导因子(A IF) 、促凋亡蛋白等。细胞色素c等与凋亡促进因子-1 (Apaf-1 ) 和caspase-9 结合形成复合物, 在ATP的参与下,使caspase蛋白酶家族发生酶解级联激活,主要通过caspase - 3,激活破坏基因组DNA的CAD ( caspase 激活的核酸内切酶) 造成基因组DNA 裂解; 失活DNA 修复相关酶(DNA-PK、PARA) ,造成DNA修复能力低下、分解细胞骨架等凋亡执行过程［8］。这个过程主要是由一些死亡受体非依赖的刺激（如紫外线、α射线照射、化疗药物、微生物等）激活，但也具有放大死亡受体通路信号的作用。但也有报道, Bax蛋白能不依赖caspase途径,单独使细胞凋亡。

　　2  心力衰竭与心肌细胞凋亡的联系

　　2.1  心肌细胞凋亡的诱因:1996 年Sharov等［9］首次报道在用冠状动脉栓塞制作的犬HF模型心脏发现凋亡证据。此后又在其他HF病人和实验动物型心脏发现凋亡现象。大量研究表明，在心血管系统中，诱导心肌细胞凋亡的因素有：压力负荷导致的机械压力、急性心肌缺血、氧自由基、细胞内钙离子超负荷和AngII、ALD、ET等神经内分泌激素以及TNF、干扰素γ、IL-1、表皮生长因子、转化生长因子-β1等细胞因子。

　　2.2  细胞凋亡在心衰发生发展过程中的作用:心力衰竭与心肌细胞凋亡关系密切。心力衰竭时，心肌收缩功能的异常常伴多种代谢失调。体外实验证明，心衰时升高的一系列神经内分泌物质如心房肽、去甲肾上腺素、血管紧张素II、α-肿瘤坏死因子等均有诱异心肌细胞凋亡的作用。在慢性心衰的早期，由于心房牵拉，血浆心房肽浓度明显升高，心房肽具有利钠、利尿、血管扩张作用，有降低心脏充盈压、心房压及增加钠排泄、抑制RAS系统激活作用。但心房肽可诱导细胞凋亡增加4～5倍，最大凋亡指数19%，其作用呈剂量、受体及细胞类型特异性(非心肌细胞，包括成纤维细胞及平滑肌细胞不发生凋亡):同时，心房肽可明显降低Mcl一2(Bcl一2类似物)的mRNA水平，其降低程度与凋亡一致。说明心房肽的作用是通过Mcl一2的降低。心房肽的作用可由cGMP诱导。心衰时，交感神经活性的增加是一重要特征，周围循环中去甲肾上腺素水平显著升高；周围循环中Ang11明显升高，肌小节的牵拉也可致心肌细胞 Ang11的释放。体外实验中，Ang11可促进心肌细胞凋亡增加4.8倍，表明RAS不仅在心肌的生长及功能方面起作用，而且影响心肌细胞的死亡及生存。Olivetti等通过TUNEL法发现，处于慢性心衰末期病人的心肌组织中有0.2%的细胞出现凋亡，一般看来，凋亡细胞的数量太少不至于对心功能造成不良影响。然而，凋亡是一个短暂事件，其发生过程需20 min～24 h，故推测即使每天有0.2%细胞凋亡，持续数月或数年则可能造成相当多的心肌细胞缺失。因为心肌细胞数量的减少，可以使心肌收缩力下降，可能会导致CHF的发生，并使存活的心肌细胞的负荷加重，而使CHF进行性恶化。由此对心衰发生的病理生理机制提出这样一个假说，即活性心肌细胞的持续性缺失可能是进行性心衰的重要机制之一。己有研究证实慢性心脏压力负荷异常、心肌组织肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活，尤其是血管紧张素II（Ang II）浓度增高是心肌细胞凋亡与心肌纤维化发生的主要机制［10］。Ang II能激活心肌细胞核内钙离子依赖的DNA酶活性，导致DNA裂解、细胞凋亡［11］。
 
　 据报道不同动物有明显不同的细胞凋亡率,最高可达35. 5%［12］。这些死亡率仅能在很局限的区域见到,细胞凋亡可在24 h内发生并完成,如此速率可导致心脏的快速退化萎缩。最近研究,在终末期HF已知出现小于0. 5%的细胞凋亡率,又超出生理性的趋势。另外,终末期HF中出现细胞坏死比细胞凋亡更多,最高可达7倍。然而,衰竭心肌存在心肌细胞再生也不断得到证实,还观察到在人类心肌组织存在骨髓干细胞及其处于不同分化时期的细胞,更为重要的是,这些细胞可表达心肌细胞特异性转录因子［13］ ,否定了心肌终末分化组织不能再生。

　　3  心衰对心肌细胞凋亡的治疗对策
    
　　随着细胞凋亡机制的阐述，人们逐步重视其在心血管系统发育及疾病发生中的作用，缺血再灌注、后负荷增加引起的心肌肥厚和心肌梗死后的心肌重构,均与心肌细胞凋亡有关。故在慢性心衰的治疗中，抑制心肌细胞的凋亡，减少心衰时心肌细胞的缺失，从而减慢甚而阻断心衰的进展，可能是新的治疗途径。
    
　　鉴于心肌细胞凋亡是HF发生和发展的一个重要的病理和生理基础,通过阻断、干预凋亡去治疗HF的新策略得到蓬勃发展,凋亡干预主要是通过针对细胞凋亡的诱发因素、细胞凋亡激活通路及对凋亡调控基因进行的。如β阻滞剂的有效使用抵消了高儿茶酚胺的促凋亡作用;卡维地洛能抑制缺血/再灌注引起的心肌细胞凋亡;血管紧张素转化酶抑制药也可保护心脏,抑制血管紧张素Ⅱ引起的凋亡。如利用细胞因子,Lee等［14］对快速心室起搏产生的狗CHF动物模型予以胰岛素样生长因子- 1 ( IGF - 1)治疗,治疗1wk后证实IGF - 1能显著改善心排血量、左室舒张末压力、肺毛细血管楔压等血流动力学指标,减少左室心肌细胞凋亡指数。如利用凋亡通路抑制剂, DeMoissac等［15］研究发现caspase抑制剂(Ac- Yrad - Cho)预处理心肌细胞,能降低低氧状态下心肌细胞的caspase - 3 活性,减少细胞色素C释放及细胞凋亡。如Yue等［16］报道,应用P38 抑制剂SB242719P38和TNK2 抑制剂SB203580 预处理后,缺血/再灌注产生的心肌细胞凋亡分别减少42. 8%和63. 3%。如基因治疗, Yuan 和Zender等［17,18］分别针对凋亡诱导因子和半胱氨酸蛋白酶设计了siRVA,成功地抑制了靶基因的表达。
    
　　然而,对心肌细胞凋亡的干预研究刚刚起步,尚有许多问题有待解决,如基因治疗的载体选择,基因转染的有效性，是否某些治疗心力衰竭的中医药存在抗细胞凋亡的作用等还不明确,所以我们要进一步明确细胞凋亡的分子机制,找出有效的抗心肌细胞凋亡的方法,为治疗心力衰竭提供新的途径。

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