心肌細胞凋亡研究進展

1、心肌細胞凋亡研究進展浙江醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)教研室湯堅梅陳瑩瑩綜述夏強審校Kerr等在1972年首次提出細胞凋亡(apop to sis1這一概念。細胞凋亡是指在一定的生理或病理條件下,有核細胞啟動細胞內(nèi)特定程序,最后通過激活內(nèi)源性DNA內(nèi)切酶,導(dǎo)致細胞自然死亡。其生物學(xué)特征為:產(chǎn)生凋亡小體,不發(fā)生炎癥反應(yīng),在瓊脂糖凝膠電泳上顯示DNA階梯狀圖譜2,3。心肌細胞凋亡的研究直至近幾年才有了新的突破,從此為人們探索各種心臟疾病的病理機制開拓了一條新途徑。1心肌細胞凋亡的生物學(xué)意義心肌細胞的凋亡對心臟生理、病理的意義,及其對疾病轉(zhuǎn)歸的影響目前仍有爭議。但一般認為,心肌細胞凋亡的生物學(xué)意義與以下幾個方面有關(guān)

2、。1.1凋亡與心臟重塑新生動物的心臟與成年動物的心臟不同,其左、右心室在重量、細胞數(shù)、室腔大小方面均無明顯差異,因而出生后其形態(tài)有一個轉(zhuǎn)變和成熟過程。觀察出生121天的大鼠心臟組織4,細胞凋亡在出生后第1天即大量出現(xiàn),隨著時間的推移凋亡細胞數(shù)量逐漸減少,至第21天基本消失。非心肌細胞發(fā)生凋亡的比例高于心肌細胞,這可能是心肌血管成分迅速增加引起的細胞增生旺盛所致。更重要的發(fā)現(xiàn)是,心肌細胞凋亡的發(fā)生率在不同部位也有差異,右心室明顯高于室間隔和左心室。這種現(xiàn)象符合心臟形態(tài)發(fā)展的趨勢。出生后肺的擴張、周圍循環(huán)阻力的增加造成左、右心室負荷突然改變和差異,可能是誘發(fā)細胞凋亡并造成其不同發(fā)展趨勢的原因。與此

3、相應(yīng),在高血壓性心臟肥大5和擴張型心肌病6的心肌中也發(fā)現(xiàn)了細胞凋亡現(xiàn)象。以前人們用肌小節(jié)的伸長或心肌細胞的變長來解釋這種心臟肥大和心腔擴大。但近來發(fā)現(xiàn),用牽拉刺激直接作用于乳頭肌時7,高拉力負荷反而使肌小節(jié)長度縮短,乳頭肌橫徑上細胞數(shù)減少,同時觀察到心肌細胞的凋亡。在快速左室起搏誘導(dǎo)的擴張型心肌病模型中6,心肌受到機械負荷刺激,產(chǎn)生代償性心腔擴大時,亦觀察到心肌細胞的凋亡。在對高血壓病的研究中發(fā)現(xiàn),心臟肥大的早期發(fā)生心肌細胞凋亡,隨后凋亡現(xiàn)象消失,出現(xiàn)心臟肥大5。故認為機械性刺激(如牽拉、擴張等引起的心肌肥大,可能與心肌細胞早期發(fā)生凋亡,隨后進入細胞增殖有關(guān)。1.2凋亡與心肌梗塞壞死一直以來被

4、認為是心肌梗塞中細胞死亡的唯一方式。近來研究發(fā)現(xiàn),心肌缺血所致的心肌硬塞區(qū)存在著3種細胞受損方式8:梗死性壞死、凝固性細胞溶解及液化性細胞溶解。其中第一種與一般意義的“壞死”性質(zhì)相符,而存在于梗死區(qū)周圍的所謂“凝固性細胞溶解”,不伴有炎癥細胞的浸潤,與凋亡的細胞形態(tài)學(xué)特征相似,因此認為心肌梗塞過程可能與凋亡有關(guān)。1995年Itoh等人,用缺口末端標(biāo)記法(n ick end labeling m ethod,N ELM及DNA瓊脂糖凝膠電泳,在心肌梗塞病例的尸檢樣本中發(fā)現(xiàn)確實存在心肌細胞的凋亡9,從而肯定了這種觀點。進一步研究發(fā)現(xiàn),在冠脈阻塞發(fā)生后2h后,就有大量心肌細胞發(fā)生凋亡并迅速達到高峰,

5、而壞死在1天后才占據(jù)優(yōu)勢10。因此,心肌細胞凋亡是急性心肌梗塞引起細胞損傷的主要方式。而壞死則是繼凋亡之后成為梗塞區(qū)細胞逐漸喪失的主要原第28卷第2期1999年浙江醫(yī)科大學(xué)學(xué)報JOU RNAL O F ZH EJ I AN G M ED I CAL UN I V ER S IT YV o l28N o21999因,是陳舊性心肌梗塞中細胞死亡的主要形式。另一些實驗發(fā)現(xiàn),在缺血復(fù)灌心臟中,復(fù)灌期細胞凋亡程度較單純?nèi)毖谳p,然而復(fù)灌的這種有利作用與其增加細胞死亡現(xiàn)象相矛盾,這可能是由于復(fù)灌增加炎性細胞浸潤、白細胞堆積11、鈣超載12等再損傷因素所致。1.3凋亡與心律失常惡性心律失常和完全傳導(dǎo)阻滯的突

6、然發(fā)生往往導(dǎo)致猝死,其病理檢查常發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)系統(tǒng)如竇房結(jié)、房室結(jié)、希氏束、束支的破壞及心肌、心內(nèi)膜的病變。Jam es認為,凋亡參與了出生后竇房結(jié)、房室結(jié)和希氏束的形態(tài)重建過程,重建不完全或過度所造成的傳導(dǎo)組織異位殘留或破壞,是引起先天性心律失常和傳導(dǎo)阻滯的重要原因13。后天性完全傳導(dǎo)阻滯所致的猝死者的心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)中,竇房結(jié)發(fā)生非炎性的變性破壞,組成傳導(dǎo)通路的心肌細胞幾乎完全喪失14,這種細胞喪失方式符合凋亡的特點。因此可認為,傳導(dǎo)系統(tǒng)細胞凋亡是引起緩慢性心律失常的病因之一。B ikeriai在心律失?；颊叩男膬?nèi)膜下區(qū)觀察到閏盤被損壞的皺縮的凋亡心肌細胞15,進一步證明傳導(dǎo)系統(tǒng)外心肌細胞凋亡也與心

7、律失常的發(fā)生有關(guān)。由于細胞凋亡可在幾分鐘內(nèi)完成,心律失常的陣發(fā)性發(fā)生被認為是由間歇性心肌細胞凋亡引起的。2心肌細胞凋亡的有關(guān)發(fā)生機制及其調(diào)控因素細胞凋亡被認為是“流產(chǎn)的有絲分裂”。心肌細胞在胚胎發(fā)育末期已經(jīng)基本分化成熟,由于某種細胞周期抑制因子的作用,形成G1 S期限制點(R點屏障,細胞不再合成DNA,因而失去了分裂增殖能力。所以過去一直忽視了其發(fā)生凋亡的可能。但目前認為心肌細胞并未完全達到終末分化,在一定因素的刺激下仍可跨過R點,發(fā)生分裂增生,并引發(fā)細胞凋亡,其發(fā)生凋亡可能有兩種形式:出生后血液循環(huán)方式等環(huán)境因素的突然轉(zhuǎn)變可引起S期細胞的增多2。這些變化可能與凋亡發(fā)生有關(guān),促發(fā)了心肌自我保護

8、,對部分多余細胞實行自然死亡。正常分化的細胞在G1期末需對DNA進行檢查、修復(fù)才能進入S期復(fù)制。某些環(huán)境因素如機械刺激、自由基、缺氧等,可能損壞了心肌細胞檢查機制或使DNA修復(fù)失敗,導(dǎo)致進入S期的細胞DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄錯誤,DNA不穩(wěn)定性增加,繼發(fā)凋亡機制。急性心肌梗塞的心肌發(fā)生凋亡時確實存在S期細胞突然增多的現(xiàn)象10。心肌細胞凋亡的發(fā)生機制目前仍不十分明確,現(xiàn)在認為可能與病理狀態(tài)下的細胞因子、癌基因及其產(chǎn)物、離子的轉(zhuǎn)移等因素有關(guān)。2.1細胞因子細胞因子的種類很多,與細胞凋亡有關(guān)的細胞因子主要涉及以下幾種。胰島素樣生長因子I(IGF2可減少缺血復(fù)灌對心肌的損傷,這種保護作用可能通過兩方面實現(xiàn):減

9、少缺血復(fù)灌引起的心肌細胞凋亡;抑制中性粒細胞浸潤所致的心肌壞死16。IGF2I抑制心肌細胞凋亡的機制,可能與其促進NO的釋放、抑制自由基形成有關(guān)。神經(jīng)生長因子(N GF主要的靶細胞為交感神經(jīng)節(jié)細胞,缺乏N GF將導(dǎo)致該細胞凋亡。在轉(zhuǎn)基因大鼠模型中,使鼠心N GF表達增加,交感神經(jīng)節(jié)細胞凋亡程度減輕,支配心臟的交感神經(jīng)增多,其釋放的神經(jīng)遞質(zhì)增多,導(dǎo)致病理性心肌肥大,心腔擴大,神經(jīng)來源的細胞在心臟異位增生17。提示N GF表達異?？赡芘c心肌凋亡有關(guān)。轉(zhuǎn)化生長因子(T GF2可促進冠脈內(nèi)膜NO釋放。心肌缺血復(fù)灌時,腫瘤壞死因子(TN F及過氧化基團的生成增加,抑制內(nèi)皮衍生性舒張因子(NO產(chǎn)生,心肌細

10、胞發(fā)生凋亡及壞死。T GF2可通過抑制TN F及過氧化基團的生成,促進冠脈內(nèi)膜NO釋放,抑制凋亡發(fā)生,減少缺血復(fù)灌對心肌的損傷18。充血性心衰時,心肌細胞發(fā)生凋亡,伴有心指49數(shù)下降,TN F2和I L26增加19。TN F2的抑制劑vesnarinone可抑制凋亡發(fā)生以改善慢性心衰20。心肌營養(yǎng)1(CT21是正常心肌生長的必需因素,它通過激活STA T3(signaltran sdu2 cer and activato r of tran scri p ti on3和絲裂素活化蛋白(M A P激酶途徑,抑制凋亡。但在病理狀態(tài)下,CT21亦可引發(fā)心肌肥大21。M A P激酶1(M EK1的抑制

11、劑D P098059能阻斷M A P激酶的激活,消除CT21的生理性促生長作用;但是,不能阻斷STA T3的激活及CT21引發(fā)的病理性心肌肥大。因此,心肌細胞受到機械刺激時,少量細胞凋亡,進而心肌細胞受到生長因子CT21等的刺激,通過激活STA T3,進入S期,合成DNA,出現(xiàn)心肌肥大。2.2癌基因及其產(chǎn)物與細胞凋亡有關(guān)的基因已發(fā)現(xiàn)很多。bcl22與bax均屬于bcl22基因家族。bcl22基因又稱為“抗死亡基因”,具有抑制細胞凋亡的作用;bax與bcl22結(jié)合后,可使bcl22失活。bcl22 bax的表達程度決定了細胞的命運。觀察胚胎及出生121天的大鼠心臟組織bcl22m RNA水平發(fā)現(xiàn)

12、,在胚胎心肌中bcl22m RNA維持高水平,出生后15天顯著下降,至第1121天又明顯增加。與不同部位心肌細胞凋亡的發(fā)生率一致,右心室bcl22表達明顯低于左心室4。在冠脈阻塞發(fā)生后17天,心肌細胞bcl22基因表達減少,bax基因表達增加22。在缺氧、機械刺激引起的心肌凋亡過程中,均發(fā)現(xiàn)Fas m RNA大量增多,Fas基因的產(chǎn)物生成增加7,8,Fas基因的產(chǎn)物是細胞表面蛋白,主要以膜受體的形式存在,屬于TN FR N GFR(tum o r necro tic facto r recep2 to r neu ron grow th facto r recep to r家族,又稱Fas受體

13、。Fas受體與其配體結(jié)合可啟動細胞凋亡過程。在急性心肌梗塞的心肌細胞中,同時有Fas基因和bcl22基因表達的增加,但Fas表達的增加水平顯著高于bcl22,因而抑制bcl22基因的抗凋亡作用10。R as基因編碼的P21蛋白位于細胞膜內(nèi)表面,其作用類似于G蛋白。研究發(fā)現(xiàn),H2 ras、N2ras基因缺乏時,鼠心的生長、發(fā)育不受影響,而K2ras缺乏可使心室壁變薄23。P21可抑制周期蛋白依賴性激酶的活性,阻斷終末分化的細胞發(fā)生凋亡24。故當(dāng)ras基因低表達時,可使處于發(fā)育中的心肌發(fā)生凋亡。2.3其他因素凋亡的發(fā)生還可能與細胞本身的代謝增加有關(guān)。細胞凋亡往往伴隨著胞漿酸化的發(fā)生。缺氧條件下培養(yǎng)

14、的心肌細胞發(fā)生凋亡時發(fā)現(xiàn)伴有培養(yǎng)基的酸化8。某些藥物通過激活離子通道,促進胞漿堿化來抑制凋亡發(fā)生。最近在有關(guān)缺血預(yù)處理的研究中發(fā)現(xiàn),蛋白激酶C可激活A(yù) T Pase,使細胞內(nèi)N a+ Ca2+濃度下降,從而抑制N a+ H+交換,預(yù)防細胞內(nèi)酸中毒,心肌細胞的凋亡因此被抑制12。這也是缺血預(yù)處理的保護機制之一。總之,引起細胞凋亡發(fā)生的因素很多,且諸因素間存在相互作用。這中間的關(guān)系以及進一步的細胞內(nèi)信號傳遞過程尚有待深入研究。但心肌細胞的凋亡參與多種心臟疾病的病理機制,目前已得到肯定。這將給心臟疾病的病理生理學(xué)研究,及其預(yù)防、治療方法的改進提供新的思路。參考文獻1.Kerr JF,W yllie

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