金鹏 综述 杨永曜 审校
(1. 贵州医科大学附属人民医院，贵州 贵阳 550004；2.贵州省人民医院心内科，贵州 贵阳 550002)
·综 述·
PPARα/PGC-1α轴在阿霉素心肌病能量代谢中的作用
金鹏1综述 杨永曜2△审校
(1. 贵州医科大学附属人民医院，贵州 贵阳 550004；2.贵州省人民医院心内科，贵州 贵阳 550002)
PPARα； PGC-1α； 阿霉素； 心肌病； 能量代谢
心力衰竭是由于各种原因导致心肌损害引起心室收缩或舒张功能受损而发生泵血功能障碍。在心衰的治疗主要以药物改善血流动力学为主，随着医学研究的不断发展，以抑制神经体液因子为主的治疗在90年代不断兴起，使β受体阻滞剂、肾素-血管紧张素系统抑制成为治疗、改善心衰预后的主要措施，而在21世纪，心肌能量代谢治疗正逐渐被研究人员关注，有望成为心衰治疗的另一理想靶点。本文从阿霉素(DOX)及过氧化物酶体增殖物活化受体α(PPARα)/过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子1α(PGC-1α)轴在心肌细胞中的作用机制两方面阐述两者在心力衰竭中的对抗性作用。
1 PPARα/PGC-1α轴在心肌代谢中的作用
1.1 PPARα代谢 PPARα在成人心肌实质细胞的强烈表达起到了调节心肌代谢的重要作用，激活后可诱导基因编码的脂肪酸转运蛋白合成，从而促进脂肪酸进入细胞，增加脂类氧化代谢，并减少糖酵解。在甘油三脂肪酶基因敲除的小鼠中，PPAR激动剂能明显提高线粒体功能并且修复甘油三脂肪酶基因敲除所带来的心肌损害，防止心肌坏死增加脂肪酸的利用[1]。成年人的心肌细胞主要依赖脂肪酸的能量供应，其氧化、转运均需要基本的刺激条件调节，过度的PGC-1表达可增加脂肪酸的氧化[2]。PPAR家族在此过程中其着极其重要的作用，脂肪酸及其代谢产物都是PPARs的低中度亲和配体，这可能是细胞内基因调控的脂质环境的传输信息。目前PPAR的研究在心脏组织比其他组织已经很全面，尤其是在脂肪酸消耗很多的器官，如心脏、棕色脂肪、肾脏及肝脏，还有在心肌中与PGC-1一起，诱导脂肪酸代谢的一系列关键性基因。在小鼠中PPAR的缺失导致脂肪酸氧化的减少及脂肪酸氧化基因表达的减少。PPAR表达减少ANF、BNP、ET-1、血管紧张素Ⅱ等促使心室肥厚、心腔扩大因子的表达，阻断心室重塑，增加心脏射血分数，改善心脏功能，减少死亡率[3]。脂联素通过增加PPARα及PGC-1α表达可减弱铁超载所致心力衰竭[4]。
1.2 PGC-1α作用机制 PGC辅助激活因子是一种与核受体或其他转录因子相结合的蛋白质，可以增加转录活性。大多数转录因子均需要辅助激活因子，特别是核受体PPAR。并且和核转录中介复合物及CREB 结合蛋白(CBP/ p300)及类固醇受体辅激活因子1 (SCR-1)直接关联。4步呼吸链中及ATP酶复合物中超过70%的亚单位都需要PGC诱导。所有脂肪酸氧化的关键酶和与细胞内甘油转运的酶类[5]。在体内细胞的过多表达导致氧耗的增加及脂肪酸氧化的增多，葡萄糖的氧化受到抑制。PGC-1的共同活化作用产生了显着的代谢相关关键调控因子的转录，是一个使得心肌细胞能量代谢显着增加及ATP产生增多的完整过程。持续不断的表达使得线粒体的不断改变，最重要的一点是线粒体基质的纤维化。线粒体合成及呼吸链亚基的转录调节现在研究已经很彻底了，而他们关键的调节因子主要是核呼吸因子及雌激素相关受体家族，而PGC-1调节线粒体的合成就是与这些因子的共同激活有着必然联系[6]。基因工程小鼠模型已经被用来调查PGC-1α在心肌新陈代谢的调控中的作用，小鼠心肌中不断过度的表达PGC-1α出现了线粒体的激增、心肌病、早期致死的心衰。这种模型明显的揭示了在PGC-1α出生阶段的过度表达使得线粒体激增，此时并没有明显的心功能障碍。有趣的是，小鼠所得的心肌病在PGC-1α停止过度表达后可以完全逆转，这种获得性功能明确的指出PGC-1α在心肌多方面代谢的过程中起着重要的调节作用，并且是一种极强的刺激线粒体增殖的物质[2]。在肥厚性心肌病中，心肌对脂肪酸氧化能力的减弱及对葡萄糖无氧酵解的增强的转变在目前看来是由于编码脂肪酸氧化的酶系、氧化磷酸化的酶系及PPARα/PGC-1α基因下调所致。在心力衰竭时出现协调性的线粒体通路的下调,而PGC在啮齿类动物肥厚性心脏病中表达降低，说明PGC-1的减少是获得性心脏病一种共同的信号。在心脏扩大的小鼠中发现PGC-1α的活性减低，虽未明显的表现出心衰的症状，但是胚胎学的检测已经出现心力衰竭标志物如：ANP、BNP、β-MHC，表明目前已存在心功能减低，核磁共振研究揭示了ATP浓度显着的减少[2]，说明了心脏已经不能为相应的电刺激增加而提供相应的收缩做功。从结构上来看，异常的密集的线粒体嵴和中性脂肪在胞质内的堆积，说明了消耗的脂肪酸与摄入的不正比例[2]。肉毒碱棕榈酰转移酶-1(CPT-1A)基因的表达受到PGC-1α的调控，而CPT-1A是长链脂肪酸通过线粒体膜β氧化的限速酶。有研究指出PGC-1α能独立够刺激CAP-1A基因而不依赖PPARα[7]。其表达的减少将会影响心肌脂肪酸的氧化。PGC-1α在内皮细胞表达具直接调控产生抗氧化物质SOD-2、Trx-2、Prx-3,等对抗线粒体增殖所产生的氧化物质，使心肌免于氧化损伤。在近几年的研究中[8]发现，PGC-1α在骨骼肌中的表达可以调节血管的生成。PGC-1α在细胞中会被缺氧的环境所诱导、激活，惯序的产生大量血管生成因子如：血管内皮生长因子。在手术后下肢缺血的模型中，骨骼肌中过度的PGC-1α表达使得血管激增，加速血流的恢复。这一点说明了其具有形成新生血管的能力。PGC-1α在啮齿类动物及人类会被运动强烈的诱导表达[9]。在鼠类缺乏PGC-1α血管网不能被运动的刺激而延生，说明了PGC-1α诱导运动相关的血管生成[10]。而血管网的稀疏被认为是心衰发生的机制之一。PGC-1α在甲状腺心肌病重具也有重要的保护作用[11]。
2 阿霉素心肌能量的代谢
阿霉素为常用化疗药物之一，其抗肿瘤主要作用使DNA解链，干扰细胞内复制过程，产生半醌及无氧自由基，与氧结合后产生超氧阴离子导致心力衰竭。其也是常用的一种制造心力衰竭动物模型的手段。
2.1 阿霉素心脏毒性导致细胞凋亡 据目前研究发现阿霉素在幼年心肌细胞的毒性作用是致心肌肥厚，而在成年人心肌则为扩张型心力衰竭。其在细胞与分子水平的机制在近年的研究中主要是阿霉素对心脏的毒性作用是表现在心肌超微结构的改变上，也就是胞质空泡的形成使得T管肌浆网肿胀，肌纤维的破坏的消失。线粒体的改变包括：线粒体肿胀、线粒体嵴的消失、溶解酶的增加、染色质的聚集、核颗粒性固缩及纤维形成，阿霉素作用于心肌成熟细胞H9c2使线粒体极化、线粒体网状结构分解，同样伴有细胞骨架的破坏。氧自由基的生成，线粒体破坏致生物能量供应障碍，细胞凋亡。
2.2 阿霉素氧化应激作用 心肌是能量代谢最旺盛的器官之一，其线粒体非常丰富，所以心肌对阿霉素所引起的损伤较其他器官更为敏感。其抗氧化的能力有较其他器官弱，如肝脏。因为心肌只表达少量硒依赖的过氧化酶来对抗阿霉素所产生的氧自由基，也可减少胞质中的铜锌超氧化物歧化酶。阿霉素能通过减少一些酶如：还原型辅酶Ⅱ(NADPH)
依赖的P450氧化还原酶、线粒体复合酶I中的还原型辅酶I(NADH)脱氢酶以及胞质中一系列可溶性氧化还原酶。在心肌抗氧化方面，阿霉素可被内皮型一氧化碳还原酶所减低，并能增强超氧阴离子形成。内皮型一氧化碳还原酶相比细胞色素P450还原酶及NADH脱氢酶是DOX形成半醌自由基的Km值的10～100倍，而心肌中线粒体占细胞容积的35%(与其他细胞相比)，其中主要参与阿霉素氧化还原反应的酶是复合酶I。所以其抗氧化等能力相对较低。阿霉素也能与铁等自由过渡金属离子作用，形成金属复合物，刺激相应产物形成，部分产物能减少氧的形成，氧基增加。阿霉素相关氧自由基还能够破坏细胞壁磷脂，增加细胞壁通透性、降低膜受体及一些酶的反应性。阿霉素对心磷脂有很强的亲和力，特别是对氧化呼吸酶中的细胞色素氧化酶及NADH脱氢酶活性所必须的线粒体内膜磷脂。与药物结合的心磷脂抑制氧化磷酸化反应，因其不能作为线粒体呼吸链酶的辅助因子。而对线粒体的作用表现在刺激4阶段，减弱阶段3的反应，并降低线粒体呼吸控制率[12]及线粒体膜电位的降低[13]。
2.3 阿霉素所致线粒体改变 阿霉素还有一个重要的毒性作用—线粒体中钙负荷能力减弱，其原因是应为线粒体渗透性改变的增强[14]。钙流失导致线粒体及细胞的破坏，是细胞死亡的征兆[15]。随着线粒体膜渗透性增加，非选择性蛋白孔开放，低于1.5 KDa的物质可随意通过该孔[16]。将导致线粒体渗透性肿胀、结构破坏。许多物质可以调控线粒体渗透通道-MPT，如肌酸激酶(CK)，己糖激酶，Bcl-2家族蛋白，末梢型苯并二氮杂受体[17]。线粒体通透性改变将会启动如细胞色素C、第二线粒体来源的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶激活剂SMAC/家族直接结合蛋白DIABLO等凋亡蛋白的表达，其原因可能是线粒体膜破裂后溢出或生成增加[18]。在动物实验中DOX增加线粒体通透性改变的机制由于线粒体蛋白中基底氧化特殊巯基的大量残留。mtDNA的氧化损伤也是DOX心肌能量破坏机制之一，mtDNA的氧化引起呼吸链的损伤，导致不能提供心肌大量的能量需求，产生大量电子并传递给氧分子，增加活性氧，造成持续的线粒体功能障碍。故早期的生物能量代谢衰竭主要归因于基质钙离子的过载[19]。线粒体的损伤包括重排、缺失、复制减少等在心肌中都有发现，但在骨骼肌中却没有发现，该证据在动物模型及DOX治疗已故的病人中都是存在的。最近有研究表明，蒽环类药物所致的心肌病其主要作用的不是氧化作用，而是在线粒体生发水平上的影响，导致产能障碍[20]。蒽环类药物长期治疗的小鼠中发现，其心肌中ATP及磷酸肌酸减低明显，原因为线粒体产ATP的减少以及磷酸肌酸同工酶、腺苷酸活化蛋白激酶损伤。磷酸肌酸同工酶损伤致线粒体与胞液的能量通道及信号通路受到干扰，阻断线粒体入口，阻止脂肪酸的β氧化。腺苷酸活化蛋白激酶通路的损伤降低细胞发动补偿能量的能力，从而增加糖摄取及酵解供能[21]。糖酵解酶的表达与肌纤维膜、肌质网膜离子转运功能相关联，包括钙、钠交换通道。心肌功能的减退又反射性激活心脏兴奋性，增加糖酵解。阿霉素对心脏的影响在于减少总ATP产量，早期对线粒体肌酸激酶同工酶及蛋白激酶A的损伤。线粒体肌酸激酶的损伤导致其能量代谢信号通路、细胞溶质的损害，并且干扰线粒体呼吸作用。蛋白激酶A的损伤阻断脂肪酸的β氧化，并补偿性的增加葡萄糖的氧化供能。在阿霉素治疗早期就观察到葡萄糖氧化及三羧酸循环相关基因诱导增加[22]。
3 总结与展望
阿霉素对心肌细胞产了多方面的损伤，其中最主要的为心肌线粒体的破坏导致的心肌能量代谢的紊乱，能量供应的绝对不足导致心肌产生一系列病理生理改变，最终导致心力衰竭。而PPARα/PGC-1α轴与其可能有着不可忽视的对抗性作用：(1)PPARα/PGC-1α轴产生抗氧化物如SOD2 和 Trx2与阿霉素主要产生氧化应激作用之间。(2)二者间对脂肪酸及葡萄糖利用的倾向相反。(3)对线粒体的生发学上，阿霉素所带来的氧化应激、线粒体膜通透性及膜电位改变、凋亡基因的表达等致线粒体损伤作用，而PPARα/PGC-1α轴的激活可刺激线粒体的增殖。其对抗性作用的表达是我们关注的重点，阿霉素是常见的致心肌病药物，其代表性的致心衰作用是实验中制作心衰模型的常用技术手段，被普遍用于动物实验，其生理、病理机制代表着心衰发生的主要过程。那么从PPARα/PGC-1α轴的激活，在阿霉素所致的心力衰竭是否有着保护心肌能量代谢，甚至逆转心力衰竭的作用，还需进一步探索。
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