心肌细胞凋亡研究进展

1、心肌细胞凋亡研究进展浙江医科大学生理学教研室汤坚梅陈莹莹综述夏强审校Kerr等在1972年首次提出细胞凋亡(apop to sis1这一概念。细胞凋亡是指在一定的生理或病理条件下,有核细胞启动细胞内特定程序,最后通过激活内源性DNA内切酶,导致细胞自然死亡。其生物学特征为:产生凋亡小体,不发生炎症反应,在琼脂糖凝胶电泳上显示DNA阶梯状图谱2,3。心肌细胞凋亡的研究直至近几年才有了新的突破,从此为人们探索各种心脏疾病的病理机制开拓了一条新途径。1心肌细胞凋亡的生物学意义心肌细胞的凋亡对心脏生理、病理的意义,及其对疾病转归的影响目前仍有争议。但一般认为,心肌细胞凋亡的生物学意义与以下几个方面有关

2、。1.1凋亡与心脏重塑新生动物的心脏与成年动物的心脏不同,其左、右心室在重量、细胞数、室腔大小方面均无明显差异,因而出生后其形态有一个转变和成熟过程。观察出生121天的大鼠心脏组织4,细胞凋亡在出生后第1天即大量出现,随着时间的推移凋亡细胞数量逐渐减少,至第21天基本消失。非心肌细胞发生凋亡的比例高于心肌细胞,这可能是心肌血管成分迅速增加引起的细胞增生旺盛所致。更重要的发现是,心肌细胞凋亡的发生率在不同部位也有差异,右心室明显高于室间隔和左心室。这种现象符合心脏形态发展的趋势。出生后肺的扩张、周围循环阻力的增加造成左、右心室负荷突然改变和差异,可能是诱发细胞凋亡并造成其不同发展趋势的原因。与此

3、相应,在高血压性心脏肥大5和扩张型心肌病6的心肌中也发现了细胞凋亡现象。以前人们用肌小节的伸长或心肌细胞的变长来解释这种心脏肥大和心腔扩大。但近来发现,用牵拉刺激直接作用于乳头肌时7,高拉力负荷反而使肌小节长度缩短,乳头肌横径上细胞数减少,同时观察到心肌细胞的凋亡。在快速左室起搏诱导的扩张型心肌病模型中6,心肌受到机械负荷刺激,产生代偿性心腔扩大时,亦观察到心肌细胞的凋亡。在对高血压病的研究中发现,心脏肥大的早期发生心肌细胞凋亡,随后凋亡现象消失,出现心脏肥大5。故认为机械性刺激(如牵拉、扩张等引起的心肌肥大,可能与心肌细胞早期发生凋亡,随后进入细胞增殖有关。1.2凋亡与心肌梗塞坏死一直以来被

4、认为是心肌梗塞中细胞死亡的唯一方式。近来研究发现,心肌缺血所致的心肌硬塞区存在着3种细胞受损方式8:梗死性坏死、凝固性细胞溶解及液化性细胞溶解。其中第一种与一般意义的“坏死”性质相符,而存在于梗死区周围的所谓“凝固性细胞溶解”,不伴有炎症细胞的浸润,与凋亡的细胞形态学特征相似,因此认为心肌梗塞过程可能与凋亡有关。1995年Itoh等人,用缺口末端标记法(n ick end labeling m ethod,N ELM及DNA琼脂糖凝胶电泳,在心肌梗塞病例的尸检样本中发现确实存在心肌细胞的凋亡9,从而肯定了这种观点。进一步研究发现,在冠脉阻塞发生后2h后,就有大量心肌细胞发生凋亡并迅速达到高峰,

5、而坏死在1天后才占据优势10。因此,心肌细胞凋亡是急性心肌梗塞引起细胞损伤的主要方式。而坏死则是继凋亡之后成为梗塞区细胞逐渐丧失的主要原第28卷第2期1999年浙江医科大学学报JOU RNAL O F ZH EJ I AN G M ED I CAL UN I V ER S IT YV o l28N o21999因,是陈旧性心肌梗塞中细胞死亡的主要形式。另一些实验发现,在缺血复灌心脏中,复灌期细胞凋亡程度较单纯缺血期轻,然而复灌的这种有利作用与其增加细胞死亡现象相矛盾,这可能是由于复灌增加炎性细胞浸润、白细胞堆积11、钙超载12等再损伤因素所致。1.3凋亡与心律失常恶性心律失常和完全传导阻滞的突

6、然发生往往导致猝死,其病理检查常发现传导系统如窦房结、房室结、希氏束、束支的破坏及心肌、心内膜的病变。Jam es认为,凋亡参与了出生后窦房结、房室结和希氏束的形态重建过程,重建不完全或过度所造成的传导组织异位残留或破坏,是引起先天性心律失常和传导阻滞的重要原因13。后天性完全传导阻滞所致的猝死者的心脏传导系统中,窦房结发生非炎性的变性破坏,组成传导通路的心肌细胞几乎完全丧失14,这种细胞丧失方式符合凋亡的特点。因此可认为,传导系统细胞凋亡是引起缓慢性心律失常的病因之一。B ikeriai在心律失常患者的心内膜下区观察到闰盘被损坏的皱缩的凋亡心肌细胞15,进一步证明传导系统外心肌细胞凋亡也与心

7、律失常的发生有关。由于细胞凋亡可在几分钟内完成,心律失常的阵发性发生被认为是由间歇性心肌细胞凋亡引起的。2心肌细胞凋亡的有关发生机制及其调控因素细胞凋亡被认为是“流产的有丝分裂”。心肌细胞在胚胎发育末期已经基本分化成熟,由于某种细胞周期抑制因子的作用,形成G1 S期限制点(R点屏障,细胞不再合成DNA,因而失去了分裂增殖能力。所以过去一直忽视了其发生凋亡的可能。但目前认为心肌细胞并未完全达到终末分化,在一定因素的刺激下仍可跨过R点,发生分裂增生,并引发细胞凋亡,其发生凋亡可能有两种形式:出生后血液循环方式等环境因素的突然转变可引起S期细胞的增多2。这些变化可能与凋亡发生有关,促发了心肌自我保护

8、,对部分多余细胞实行自然死亡。正常分化的细胞在G1期末需对DNA进行检查、修复才能进入S期复制。某些环境因素如机械刺激、自由基、缺氧等,可能损坏了心肌细胞检查机制或使DNA修复失败,导致进入S期的细胞DNA复制、转录错误,DNA不稳定性增加,继发凋亡机制。急性心肌梗塞的心肌发生凋亡时确实存在S期细胞突然增多的现象10。心肌细胞凋亡的发生机制目前仍不十分明确,现在认为可能与病理状态下的细胞因子、癌基因及其产物、离子的转移等因素有关。2.1细胞因子细胞因子的种类很多,与细胞凋亡有关的细胞因子主要涉及以下几种。胰岛素样生长因子I(IGF2可减少缺血复灌对心肌的损伤,这种保护作用可能通过两方面实现:减

9、少缺血复灌引起的心肌细胞凋亡;抑制中性粒细胞浸润所致的心肌坏死16。IGF2I抑制心肌细胞凋亡的机制,可能与其促进NO的释放、抑制自由基形成有关。神经生长因子(N GF主要的靶细胞为交感神经节细胞,缺乏N GF将导致该细胞凋亡。在转基因大鼠模型中,使鼠心N GF表达增加,交感神经节细胞凋亡程度减轻,支配心脏的交感神经增多,其释放的神经递质增多,导致病理性心肌肥大,心腔扩大,神经来源的细胞在心脏异位增生17。提示N GF表达异常可能与心肌凋亡有关。转化生长因子(T GF2可促进冠脉内膜NO释放。心肌缺血复灌时,肿瘤坏死因子(TN F及过氧化基团的生成增加,抑制内皮衍生性舒张因子(NO产生,心肌细

10、胞发生凋亡及坏死。T GF2可通过抑制TN F及过氧化基团的生成,促进冠脉内膜NO释放,抑制凋亡发生,减少缺血复灌对心肌的损伤18。充血性心衰时,心肌细胞发生凋亡,伴有心指49数下降,TN F2和I L26增加19。TN F2的抑制剂vesnarinone可抑制凋亡发生以改善慢性心衰20。心肌营养1(CT21是正常心肌生长的必需因素,它通过激活STA T3(signaltran sdu2 cer and activato r of tran scri p ti on3和丝裂素活化蛋白(M A P激酶途径,抑制凋亡。但在病理状态下,CT21亦可引发心肌肥大21。M A P激酶1(M EK1的抑制

11、剂D P098059能阻断M A P激酶的激活,消除CT21的生理性促生长作用;但是,不能阻断STA T3的激活及CT21引发的病理性心肌肥大。因此,心肌细胞受到机械刺激时,少量细胞凋亡,进而心肌细胞受到生长因子CT21等的刺激,通过激活STA T3,进入S期,合成DNA,出现心肌肥大。2.2癌基因及其产物与细胞凋亡有关的基因已发现很多。bcl22与bax均属于bcl22基因家族。bcl22基因又称为“抗死亡基因”,具有抑制细胞凋亡的作用;bax与bcl22结合后,可使bcl22失活。bcl22 bax的表达程度决定了细胞的命运。观察胚胎及出生121天的大鼠心脏组织bcl22m RNA水平发现

12、,在胚胎心肌中bcl22m RNA维持高水平,出生后15天显著下降,至第1121天又明显增加。与不同部位心肌细胞凋亡的发生率一致,右心室bcl22表达明显低于左心室4。在冠脉阻塞发生后17天,心肌细胞bcl22基因表达减少,bax基因表达增加22。在缺氧、机械刺激引起的心肌凋亡过程中,均发现Fas m RNA大量增多,Fas基因的产物生成增加7,8,Fas基因的产物是细胞表面蛋白,主要以膜受体的形式存在,属于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,又称Fas受体

13、。Fas受体与其配体结合可启动细胞凋亡过程。在急性心肌梗塞的心肌细胞中,同时有Fas基因和bcl22基因表达的增加,但Fas表达的增加水平显著高于bcl22,因而抑制bcl22基因的抗凋亡作用10。R as基因编码的P21蛋白位于细胞膜内表面,其作用类似于G蛋白。研究发现,H2 ras、N2ras基因缺乏时,鼠心的生长、发育不受影响,而K2ras缺乏可使心室壁变薄23。P21可抑制周期蛋白依赖性激酶的活性,阻断终末分化的细胞发生凋亡24。故当ras基因低表达时,可使处于发育中的心肌发生凋亡。2.3其他因素凋亡的发生还可能与细胞本身的代谢增加有关。细胞凋亡往往伴随着胞浆酸化的发生。缺氧条件下培养

14、的心肌细胞发生凋亡时发现伴有培养基的酸化8。某些药物通过激活离子通道,促进胞浆碱化来抑制凋亡发生。最近在有关缺血预处理的研究中发现,蛋白激酶C可激活A T Pase,使细胞内N a+ Ca2+浓度下降,从而抑制N a+ H+交换,预防细胞内酸中毒,心肌细胞的凋亡因此被抑制12。这也是缺血预处理的保护机制之一。总之,引起细胞凋亡发生的因素很多,且诸因素间存在相互作用。这中间的关系以及进一步的细胞内信号传递过程尚有待深入研究。但心肌细胞的凋亡参与多种心脏疾病的病理机制,目前已得到肯定。这将给心脏疾病的病理生理学研究,及其预防、治疗方法的改进提供新的思路。参考文献1.Kerr JF,W yllie

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