心力衰竭引起骨骼肌病变的分子机制研究进展

1、心力衰竭引起骨骼肌病变的分子机制研究进展临床一班 黄慧雅 陈骏良 方艳 常冬元 李葚煦 胡向欣摘要 骨骼肌病变是慢性心力衰竭的主要症状之一，表现为运动耐量的下降、呼吸困难和乏力，甚至心源性恶病质。主要原因是骨骼肌的功能、结构、血流和代谢改变，伴有炎性反应和神经内分泌功能紊乱等。引发骨骼肌细胞结构和功能异常的确切机制尚不十分清楚。本文介绍了近年来发现的相关分子机制，主要包括肌抑素、胰岛素样生长因子1、部分致炎细胞因子、PPARg共活化物-1、MafBx泛素连接酶、Bcl-2家族蛋白、麦角受体等。心衰骨骼肌病变分子机制的研究，为临床治疗和改善预后提供了新的思路。关键词 心力衰竭；骨骼肌；分子机制引

2、言心力衰竭（heart failure）是由于心脏工作能力减损，心排血量降低，静脉系统淤血及动脉系统灌注不足的一组心脏循环症候群。早期患者可感到疲劳、乏力、嗜睡和身体活动能力下降，以及包括呼吸肌在内的多种骨骼肌功能的异常表现。以往人们认为这种骨骼肌的病变只是由心力衰竭引起血流分布的改变而导致的一种并发症，随着研究的深入，逐渐发现其病变是心源性恶病质（cardiac cachexia）的重要表现，是合成和分解代谢的失平衡的全身性消耗的过程，进一步损伤心脏功能，从而形成恶性循环，对心衰的发展和预后有着很大的影响。本文对近年来慢性充血性心衰骨骼肌病变分子机制研究的进展作简要介绍如下。1 心力衰竭引起

3、骨骼肌病变的主要表现及原因心力衰竭引起骨骼肌病变的主要表现见表11。表1 心力衰竭时骨骼肌的病变病 变临床病理表现功能乏力、易疲劳结构肌肉质量损失、萎缩、纤维化、型肌纤维转变为型、线粒体减少、血管内皮损伤血流毛细血管密度、血管舒张、下肢最大血流代谢蛋白水解、有氧代谢、酸中毒、糖酵解炎性反应细胞因子及氧化标志物神经内分泌变化生长激素、胰岛素样生长因子-1、肾上腺素及去甲肾上腺素、皮质醇低活动性活动减少引起的骨骼肌和外周循环改变以往的研究显示心衰时骨骼肌功能受损发生机制涉及能量代谢、神经内分泌和基因表达异常等多个方面，主要原因有：供能方式改变，即心衰时骨骼肌以糖酵解为主要供能方式，可能与型纤维减少

4、有关；神经体液因子紊乱，交感神经兴奋性增强和肾素-血管紧张素系统激活在导致心衰发病的同时也造成了骨骼肌功能受损；细胞凋亡和肌球蛋白表达异常，直接影响骨骼肌的功能；钙超载和钙泵活性改变导致骨骼肌兴奋性衰减；哇巴因结合位点较正常减少，影响了局部组织钠钾泵的活性并导致骨骼肌氧化磷酸化功能异常等2。这些因子相互作用形成复杂的调节系统，多种成分的异常逐渐积累，引起骨骼肌的血管内皮功能障碍、血流灌注不足、细胞死亡和肌肉萎缩，最终导致心衰加重和患者预后的恶化，形成恶性循环。近年发现多种参与骨骼肌生长发育和功能代谢调节的生物活性分子也参与了心衰骨骼肌病变的发病过程，是心衰骨骼肌病变发病的重要分子基础。2 心力

5、衰竭引起骨骼肌病变的分子机制研究进展2.1肌抑素肌抑素（Myostatin）属于转化生长因子家族（Transforming Growth Factor-beta family，TGF-）成员，其分子由两个相同的亚基组成，各含110个氨基酸残基，总分子量为25.0kDa。肌抑素是由骨骼肌特殊分泌的一种糖蛋白因子，对肌肉生长具有负调节作用。在人类和动物中，肌抑素基因变异或功能缺陷引起骨骼肌的异常增生和肥大，而其过度表达会导致衰竭综合征，如以骨骼肌病变为表现之一的心源性恶病质3。最新的研究证明心力衰竭时肌抑素的表达有增加。Shyu4等通过主动脉-腔静脉瘘复制心脏容量负荷过度的心力衰竭大鼠模型，发现4

6、周后肌抑素的表达增加了2.7倍，而且8只小鼠中有5只发生了肌肉萎缩。可见，肌抑素在心力衰竭引起的骨骼肌病变中发挥了重要的作用。Shyu5等还通过周期性地拉伸体外培养的大鼠心肌细胞，证实拉伸心肌细胞可引起肌抑素表达增加，而且证明了这种上调至少部分是由IGF-1通过p38 MAP激酶和MEF2途径介导的。一系列实验表明，肌抑素能够通过神经-体液系统调节骨骼肌纤维的数量和大小3。人类肌抑素基因的启动子含有几个公认的糖皮质激素反应元件，而心力衰竭病人中皮质醇的水平升高，可能是心衰时肌抑素表达增加、活性增强的原因之一。它能与抑制性前肽、卵泡抑素或卵泡抑素调节基因等抑制性蛋白结合，通过一系列信号转导途径影

7、响靶基因的表达，从而引起骨骼肌萎缩、纤维化，进一步加重心衰的症状。对肌抑素的阻断可以改善骨骼肌的结构和功能6。虽然临床上已出现针对肌抑素的药物，但作为一种生长因子，它在具体疾病中的阻断作用还有待进一步研究。2.2 IGF-1人类胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）为70个氨基酸残基组成的单链肽，分子量为7649Da，其基因位于12号染色体。人体许多组织都可以合成并分泌IGF-1，在正常机体内主要由肝脏合成，因此IGF-1主要存在于血液中。它是生长激素（growth hormone，GH）的下游因子，对骨骼肌细胞的生长代谢具有重要的调控作用

8、。Hambrecht7等发现，尽管慢性心力衰竭患者体内的血清IGF-1水平尚在正常范围内，但骨骼肌组织中IGF-1 mRNA的表达量则下降了52%，并伴有GH水平的升高；在对心衰患者8和动物模型9的骨骼肌功能测试中，与对照组相比，GH-IGF轴功能低下的实验组的股四头肌收缩力都发生了明显下降，其中前者的下降幅度达到了24%，提示心衰发生时IGF-1表达水平的下降很可能与骨骼肌的收缩功能障碍密切相关。近年来IGF-1对骨骼肌的调控机制的研究已逐步深入。Stitt10等发现，IGF-1激活PI3K-Akt通路后，可降低蛋白水解酶的活性，抑制组织蛋白的水解，防止肌肉萎缩；在Fas-FasL介导的细胞

9、凋亡中，IGF-1可降低IL-1相关的NO生成量，增加PI3K/Akt/CREB通路中BCL-2的表达量，从而抑制肌细胞凋亡的发生；Musar11的实验显示，对毒素损伤肌肉后的小鼠进行MLC/mIGF-1转基因后，其骨髓干细胞开始活跃增殖，迁移入肌损伤部位，加速表达各种肌蛋白并分化为肌细胞。在对细胞生长起正向作用的同时，如前所述，IGF-1还可通过激活p38 MAPK-MEF2-肌抑素通路实现对其自身的负反馈调节。这显示IGF-1对肌肉生长的调控具有一种剂量依赖性的特征：适量的IGF-1可促进肌纤维发生、抑制蛋白水解和细胞凋亡，而过量的IGF-1则可导致肌抑素的积累达到相应的阈值，进而产生生长

10、抑制作用。在心衰发生时，由于IGF-1的水平下调，其对肌肉功能的正向作用减弱，骨骼肌细胞的再生修复能力下降，而组织蛋白的水解和细胞凋亡途径则异常激活，这可能是导致心衰患者出现骨骼肌功能障碍的具体原因之一。临床治疗中发现，在帮助一些心衰病人进行长期的体育锻炼后，他们体内的IGF-1水平都发生了成倍的提升，乏力的症状也得到了改善，这无疑增强了人们对IGF-1基因治疗的临床效果的信心与期待12。2.3 免疫分子慢性心力衰竭的特点之一是免疫系统的激活和一些致炎细胞因子在循环中浓度的增高，主要以肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-, TNF-）和白细胞介素（interleukin，

11、IL）为代表。TNF-由157个氨基酸残基组成，分子量17kDa，有膜结合型和游离型两种形式。IL是一类庞大的细胞因子类型，目前已发现的有29种，其中IL-1b、IL-6等可能与心衰的发生密切相关。Toth13等对心力衰竭患者的研究显示，心衰患者中炎性标记物较对照组有增加；尽管其TNF-与对照组之间没有显著差异，但统计结果显示，TNF-浓度越高，肌肉的重量越小；TNF-和IL-6的水平与有氧代谢能力之间也表现出很强的负相关；TNF-和IL-6水平增高与伸膝力量和前臂握力的减弱有关。这些结果都提示细胞因子可能是导致心衰时骨骼肌萎缩及其收缩功能障碍的影响因素之一。TNF-主要通过泛素-蛋白酶体或引

12、起细胞凋亡的半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶（caspase）途径介导骨骼肌的分解代谢，引起肌萎缩和骨骼肌病14。Du15等的实验显示，caspase-3可将肌动球蛋白（actomyosin）降解为约14kD的肌动蛋白片段，并以此为媒介与泛素-蛋白酶体途径产生协同作用，共同导致骨骼肌蛋白的分解破坏。IL-1b可以抑制肌浆网Ca2+-ATP酶的表达，干扰肌细胞正常的舒缩性能。Adams等16在骨骼肌活检标本中发现，心衰病人的NF-kB活性比正常对照组明显增强，且NF-kB活性与iNOS表达的增加呈线性相关，由此提出上述几种致炎细胞因子在心衰时的表达上调很可能是通过激活转录因子NF-kB实现的。而Toth

13、等提出，心衰时骨骼肌力量的减弱，可能主要不是因为骨骼肌的萎缩，而是由于心衰引起了骨骼肌收缩功能的内在缺陷，而细胞因子在其中发挥了重要的作用。2.4 PGC-1a过氧化物增殖激活受体协同激活子（peroxisome proliferator-activated receptor- coactivator，PGC)-1是一种强效的核受体转录协同激活子，其分子同时含有转录激活区和RNA结合序列，通过与结合在DNA启动子上的转录因子直接接触而发挥作用。以往的研究表明它主要与适应性发热、线粒体发生、葡萄糖摄取和糖异生、心脏发育等有关，并可能是IL-1、IL-1、TNF-等细胞因子作用的靶点17。Vesc

14、ovo18等人以诱发右心衰竭大鼠的比目鱼肌为实验研究对象，发现PGC-1在骨骼肌病变的发展和逆转过程中有重要的作用。采用Western blot检测实验大鼠比目鱼肌匀浆中的PGC-1含量，可以发现心衰大鼠骨骼肌表达的PGC-1明显下降，而在心功能正常并给予GH、心衰并给予GH的两组大鼠骨骼肌中PGC-1的含量相近，由此反映心衰大鼠在给予GH后PGC-1的水平恢复到正常。同时，给予GH后在心衰中下降了的I型纤维肌球蛋白重链1（myosin heavy chain-1，MHC1）、细胞色素c和肌钙蛋白I（Troponin I，存在于I型纤维中）的水平也得到恢复。最终，骨骼肌纤维类型向I型纤维转化，

15、线粒体合成增加，肌肉病变也得到一定程度的逆转。心力衰竭病人肌肉病变的特点之一即骨骼肌I型纤维向II型纤维转化。PGC-1可以与不同的转录因子相互作用使信号转导通路中的基因协调表达，在骨骼肌中诱导富含线粒体的肌肉发生和I型纤维的优先合成19。Calcineurin（CaN）是一种钙钙调蛋白依赖的蛋白磷酸酶，激活I型纤维和肌球蛋白基因转录，受IGF-1调节，IGF1-Calcineurin可以使PGC-1a的合成增加，而IGF-1-calcineurin-PGC-1轴由GH调控。因此上述实验在给予GH后，可通过上调PGC-1使骨骼肌的结构和代谢得到改善。这对临床治疗具有一定的提示意义。2.5 Ma

16、fBx泛素连接酶MafBx（muscle atrophy F-box）是一种SCF（Skp-cullin-F box protein）家族E3泛素连接酶，属于成肌调节因子（MyoD）降解过程中的核蛋白，在心脏和骨骼肌特异性表达，其基因位于8号染色体长臂20。研究表明，心力衰竭时会出现MafBx的高表达，这不但与心肌重塑有关21，而且可导致骨骼肌萎缩。Adams22等在对心衰小鼠的研究中发现，经过左前降支结扎6周的小鼠有显著的左心室收缩功能障碍，其骨骼肌上MafBx mRNA的表达较假手术小鼠高出了两倍；单用炎症细胞因子（IL-1b、IFN-g或TNF-）培养的细胞没有显示MafBx mRNA的

17、过度表达，但使用MafBx mRNA或3种细胞因子混合进行培养的细胞中MafBx的表达有显著增加，说明心衰时炎症细胞因子水平的升高可以导致MafBx表达增多。Li23等的实验证明TNF-可通过激活p38 MAPK来调节MafBx的表达。而这种泛素连接酶的高度表达引起骨骼肌蛋白质的泛素化增加，通过泛素-蛋白酶体系统降解的蛋白质增多，是肌萎缩的开始。另一种研究表明：细胞内的IGF-1可诱导Akt磷酸化，阻断去神经肌肉的损耗及MafBx和MuRF1（muscle RING finger 1）的表达，从而减轻肌萎缩。通过同类激素药物IGF-1治疗后，效果显著，也对这种理论提供了有力支持。这一方面显示了

18、心衰骨骼肌病变各分子机制间的协同作用，另一方面也提示该酶的抑制剂可以作为药物开发的新的靶点之一。2.6 Bax/Bcl-2Bcl（B-cell leukemia-lymphoma）-2蛋白和Bax蛋白（BCL-2 associated X protein）属于BCL-2蛋白家族，该蛋白家族是线粒体凋亡途径的重要调控者。抗凋亡蛋白Bcl-2是bcl-2原癌基因的编码产物，属膜整合蛋白，分子量为26kDa，定位于线粒体、内质网和连续的核周膜，它的表达可以抑制P53相关的和P53非相关的细胞凋亡效应；而促凋亡蛋白Bax（BCL-2 associated X protein）是p53的早期反应促凋亡基

19、因的编码产物，分子量为21kDa，可与BCL-2结合成异源二聚体并定位于质膜，通过拮抗bcl-2而发挥促凋亡作用。两者的比值决定了线粒体途径中细胞对凋亡信号的敏感性24。细胞凋亡在心力衰竭大鼠骨骼肌萎缩的发生中起重要作用。付春景等25，26在皮下注射野百合碱构建大鼠心力衰竭模型的实验中发现，较正常对照组，心力衰竭组大鼠的骨骼肌Bax/Bcl-2明显增加。Bax/Bcl-2的变化可以激活下游的半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶（caspase），从而导致其级联放大反应，促发细胞凋亡。同时还发现科索亚和氯沙坦可能分别作用于血管紧张素、受体，通过改变Bax/Bcl-2比值来减轻心力衰竭时骨骼肌的凋亡和萎缩。2

20、.7 麦角受体麦角受体（ergoreceptor）也称为肌动力感受器，是一类分布于骨骼肌的多巴胺受体，分为化学性感受和机械性感受两个亚型27。该受体与III和IV型传入神经纤维相接，对骨骼肌生成的产物敏感，激活后可以直接兴奋交感神经，增加通气量和非运动肢体的血管收缩，以改善运动中骨骼肌的富含氧的血供。许多实验表明心力衰竭时会出现麦角受体过度激活的现象。Piepoli28等对105名心衰病人及24名对照的研究中发现，心衰病人表现出交感神经支配的骨骼肌动力反射(ergoreflex)增强，麦角受体的高度激活及运动耐力的下降，反映了疾病的进一步恶化。慢性心力衰竭引起的骨骼肌代谢异常和循环功能障碍使骨

21、骼肌的局部代谢产物聚积，麦角受体过度激活，从而引起交感神经过度兴奋及运动时的供氧增加。这种过度激活在心衰早期可以维持血压，起到一定的代偿作用，但长时间的激活会因神经激素和血管收缩的异常，引起包括骨骼肌结构在内的许多器官系统的重塑29，从而加重心衰的症状。因此，麦角受体的系统性激活与心衰的疾病发展，尤其是骨骼肌的运动耐力下降有关。此外，还有研究发现，肌纤维氧化生成的自由基与心衰引起的骨骼肌病有关30；骨骼肌钠泵的改变，包括毒毛花甙K结合位点以及异构体表达的变化，与心力衰竭病人出现运动耐量降低有关，而运动能够帮助恢复骨骼肌钠泵的含量及活性31；心衰时骨骼肌萎缩破坏了胰岛素的信号转导途径，引起胰岛素

22、抵抗，进一步加重了骨骼肌的供氧减少、运动耐力下降及心衰全身系统症状32，33。3 结语与展望骨骼肌病变是慢性心力衰竭的主要症状之一，表现为运动耐力的下降、早期的呼吸困难和乏力，主要是由于骨骼肌功能、结构、血流、代谢、炎性反应、神经内分泌及活动性等发生了改变。虽然对病变的表现和原因已有较全面的认识，但对其分子机制所作的深入研究仍较少。近年来一些相关的细胞因子、受体或信号转导通路的分子逐渐被人们发现，如肌抑素、IGF-1、TNF-、IL-1b、IL-6、PGC-1、MafBx、Bax/Bcl-2、麦角受体等，这些因子在一个复杂的系统中相互作用，在心衰发病时共同引起骨骼肌的病变，同时又可以加重心衰的

23、症状，影响预后。针对骨骼肌的心衰治疗已经成为临床治疗的重要目标，对分子机制的研究能够为其提供很大的帮助。肌抑素是人们关注的焦点之一，第一个调节肌抑素的药物MYO-029已经被用于临床；许多实践证明适当的运动训练能影响多个分子如肌抑素、IGF-1、PGC-1a、细胞因子和钠泵等的表达，从而改善骨骼肌病变及心衰的预后；局部IGF-1基因治疗、作用于MafBx蛋白的药物、相关激素的使用、抑制或减轻炎症反应以及针对TNF-与IGF-1信号转导网络的相互作用等等都可能成为临床治疗新的方向，以这些分子为靶点的治疗手段有着广阔的发展空间。总而言之，对分子机制的研究将有助于人们对心力衰竭引起骨骼肌病变的机制进

24、行更深入的了解，为药物开发、临床治疗和改善预后提供科学依据和新的思路。参考文献1 Strassburg S, Springer J, Anker SD. Muscle wasting in cardiac cachexia. Int-J-Biochem-Cell-Biol, 2005, 37(10): 1938-472 姚成增, 崔松, 蒋梅先. 慢性心力衰竭与骨骼肌功能受损, 中国康复医学杂志. 2005, 20(5): 390-3933 Hoenig MH. Hypothesis: Myostatin is a mediator of cardiac cachexia. Internati

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