有氧运动对心梗大鼠左心室β3-AR和一氧化氮合酶表达的影响
2013-10-18呼德尓朝鲁田振军
陈 婷,呼德尓朝鲁,张 可,田振军
β3肾上腺素能受体(β3-AR)在心肌梗死(MI)后心血管功能的调节中发挥重要作用[25]。与熟知的β1/β2-AR发挥正性肌力作用相比,心室肌β3-AR-NOS通路可介导负性肌力作用[36]。以往研究认为,MI后心脏交感神经系统过度激活上调β3-AR[11],可导致左心室(LV)及心肌细胞功能紊乱[35]。但近期研究表明,β3-AR是治疗 MI等心脏疾病的潜在靶点。心肌过表达β3-AR可减轻LV肥大,保护心脏[36],而β3-AR基因敲除可加重心脏病理性重塑。β3-AR的激活可作为一种保护机制来对抗 MI[32,1]。而且,过去认为心肌β3-AR主要通过eNOS介导负性肌力。但最近研究发现,nNOS作为β3-AR的下游因子也可维持衰竭心脏NO及活性氧的平衡[36]。
业已表明,MI后心脏β-AR信号调节紊乱[38]可导致病理性心脏重塑,心功能恶化[28]。运动可持续保护心功能[30],临床上已把运动作为治疗及预防 MI的重要干预手段[19],其作用机制可能与β3-AR表征关系密切,但缺少实验支持。过去10年内研究多采用持续有氧运动(AE)改善 MI大鼠心功能[28,45],提高MI病人生存质量[27,3]。2013年关于高强度间歇有氧运动(AIT)在心脏康复中的报道,以及高强度AIT和持续AE的比较研究关注度日益增高。高强度AIT在未来改善 MI症状[20],预防和治疗 MI疾病及中将发挥日益重要的作用[31]。因此,本研究采用中强度持续AE和高强度AIT两种有氧运动方式,探讨其对LV中β3-AR和其下游分子eNOS和nNOS表达,及对MI大鼠心脏功能的影响,为运动改善MI疾病,探索安全有效治疗预防MI的运动康复方案提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 实验动物与分组
实验动物为3月龄雄性Sprague Dawley大鼠48只,体重190~210g,购于由西安交通大学医学院实验动物中心,(动物质量合格证号:陕医动证字08-004号)。动物随机分为正常对照组(C),心肌梗死组(MI),心梗+中强度持续有氧运动组(ME1),心梗+高强度间歇有氧运动组(ME2)。每组12只。动物室内温度为18℃~23℃,湿度为50%~60%。大鼠均采用国家标准啮齿类动物干燥饲料喂养,自由饮食,C组大鼠常规笼内安静饲养,MI组采用左冠状动脉前降支(LAD)结扎法,建立 MI模型。ME1和ME2组进行为期8wk的小动物跑台运动。
1.2 主要仪器和试剂
主要仪器为PowerLab/8s生理信号采集处理系统,ALC-V8动物呼吸机,BM-Ⅱ型病理组织包埋机,生物组织摊烤片机,LEICA-RM 2126切片机,BX51奥林巴斯光学显微镜,Nikon Eclipse 55i荧光显微镜,低温高速离心机,酶标仪,Biorad电泳仪和转移槽,凝胶成像仪等。主要试剂包括兔抗大鼠多克隆抗体β3-AR、eNOS和nNOS均购于Santa Cruz、cell signaling和Signalway公司。
1.3 心梗模型制备
采用5%的戊巴比妥钠(30mg/kg)腹腔麻醉大鼠,采用呼吸机连接自制面罩辅助呼吸,小动物呼吸机参数调至呼吸频率为66次/min,潮气量为10ml,吸呼比为2∶1,多道生理信号采集处理系统记录大鼠肢导心电图(ECG)。开胸暴露心脏,于左心耳根部和肺动脉圆锥左缘交界下2 mm处用5/0手术线结扎左冠状动脉前降支(LAD),结扎后肉眼可见结扎远端心肌颜色逐渐变浅或变白,大鼠MI后心电图出现S-T段抬高或T波倒置现象。由此断定MI模型造模成功。然后逐层缝合关胸。ME1和ME2组大鼠在MI模型成功后1周开始训练。
1.4 动物运动方案
1.4.1 中强度持续有氧运动方案
运动方案参照Xu[43]等人的研究进行。ME1组大鼠MI术后一周进行跑台运动。第一周为适应性训练(10m/min,10min/d,共5d)。正式训练时,起始训练速度10m/min,时间为5min。之后以3m/min速度逐渐递增至16 m/min,运动总时间为60min(运动强度60%~70%˙VO2max)。每周训练5d,连续训练8wk。
1.4.2 高强度间歇有氧运动方案
运动方案参考 Wisloff[42]训练模型略加改动。ME2组大鼠MI术后一周进行跑台运动。第一周为适应性训练(15m/min,30min/d,共5d)。正式训练时,起始训练速度10m/min,时间为10min。之后进行间歇性大强度有氧运动,速度为25m/min(运动强度85%~90%˙VO2max),运动7min;然后间歇3min,速度为15m/min(运动强度50%~60%˙VO2max),之后依次交替进行,运动总时间为60min。每周训练5d,连续训练8wk。
1.5 血流动力学指标测定
8wk运动结束后次日,采用多导生理记录仪记录心电图,同步测试左室收缩压(LVSP)、左室舒张末压(LVEDP)、左室压力最大上升速率(+dp/dtmax)和最大下降速率(-dp/dt max)等心功能指标。数据采集完毕后,迅速开胸摘取心脏,进行后续实验。
1.6 心脏样品处理
每组随机选取6只大鼠心脏,置于10%中性甲醛溶液固定24h后,流水冲洗、梯度乙醇脱水、二甲苯透明,石蜡包埋。连续切片(厚5μm),常规制片,用于Masson染色和免疫荧光实验。另取6只大鼠心脏铝箔纸包裹,速入液氮后,移至-80℃低温冰箱保存,用于 Western Blot实验。
1.7 免疫荧光实验
切片脱蜡至水,PBS清洗,抗原修复后用山羊血清在湿盒中37℃封闭30min,滴加一抗(兔抗大鼠多克隆抗体β3-AR,1∶50),湿盒中4℃过夜,室温复温45min,PBS冲洗,滴加TRITC标记的二抗(1∶200),37℃湿盒中孵育1 h,PBS冲洗,滴加DAPI避光孵育2min,PBS冲洗,封片剂封片。每次染色设置空白对照(PBS取代一抗和二抗)及阴性对照(PBS取代一抗)。采用荧光显微镜观察,低倍镜选位,400倍镜下拍照。
1.8 Western Blot实验
采用RIPA试剂提取总蛋白质,Bradford方法测定蛋白质浓度。等量蛋白质采用12%SDS聚丙烯酰胺凝胶垂直电泳进行分离,然后转至NC膜上,丽春红染膜,室温摇动封闭(3%BSA,TBST稀释)30min后,分别加入兔抗β3-AR(1∶800)、eNOS(1∶500)、nNOS(1∶400)多克隆抗体,4℃过夜,室温下洗膜后加入辣根过氧化物酶羊抗兔IgG抗体(Jackson,1∶10000)孵育30min,室温下洗膜后用化学发光底物ECL(Millipore)进行发光显迹。内参为GAPDH蛋白,计算目的蛋白与内参蛋白条带的积分光密度(Integral Optical Density,IOD)。
1.9 数据采集与统计学处理
组织切片经光镜观察,采用Image Pro-plus 6.0软件进行测量分析。Western Blot实验结果胶片用Image Quant TLv2005软件分析处理,所得数据用 GraghPad Prism 6.0软件转换作图。所有数据均运用SPSS 17.0for Windows软件包进行处理,采用单因素方差分析进行显著性差异分析。P<0.05为差异显著,P<0.01为差异极显著。结果以平均数±标准差(D)表示。
2 实验结果
2.1 心功能参数的变化
心功能参数结果显示,MI组较C组LVEDP显著升高(P<0.01),LVSP和-dP/dt max显著降低(P<0.05)。与MI组比较,ME1组 LVEDP显著降低(P<0.01),-dP/dt max显著升高(P<0.05)。ME2组LVEDP显著降低(P<0.01),LVSP显著升高(P<0.05)。ME1组和 ME2组无显著差异(表1)。
表1 本研究大鼠血流动力学参数变化一览表Table 1 The Comparsion of Different Index of Hemodynamic in Rats
2.2 Masson染色观察结果
Masson染色结果显示,C组心肌细胞排列整齐,胶原纤维所占比例较少。与C组比较,MI后心肌组织结构紊乱,胶原容积百分比(CVF)是反映心肌间质纤维化的指标,MI后CVF(62.55±12.35%,P<0.01)较C组显著增加(6.17±1.06%),胶原纤维显著增多。ME1和 ME2组心肌组织结构有一定程度改善,并显著降低了MI后CVF(39.6±5.42%,37.92±8.83%,P<0.01),表明8周有氧运动可抑制MI后胶原的过度增生。ME1组和ME2组无显著差异(图1)。
2.3 左心室β3-AR表达的观察结果
β3-AR免疫荧光结果显示,C组大鼠LV肌β3-AR阳性染色极少。MI组,ME1和ME2组均可见LV肌β3-AR阳性染色,呈亮红色颗粒。主要位于心肌细胞膜表面,呈点状分布(图2)。
β3-AR的 Western Blot结果显示,MI组大鼠LV中β3-AR蛋白表达较C组有增高趋势,差异不显著。ME1组β3-AR蛋白表达较 MI组显著增加(P<0.05)。ME2组β3-AR蛋白表达较MI组有增加趋势。ME1组和ME2组无显著差异(图3-A)。
图1 本研究大鼠心肌组织Masson染色(×400)Figure 1.Masson Dyeing Results in Rat Myocardium(×400)
图2 本研究大鼠心肌β3-AR免疫荧光染色图(×400)Figure 2 .Immunofluoresence Staining of Cardiacβ3-adrenergic Receptors(×400)
2.4 左心室eNOS和nNOS蛋白表达的Western Blot结果
Western Blot结果显示,MI组大鼠LV中eNOS蛋白表达较C组有下降趋势,nNOS蛋白表达显著增加(P<0.01)。ME1组eNOS和nNOS表达较 MI组均显著增加(P<0.05)。ME2组eNOS和nNOS表达较MI组均显著增加(P<0.01)。ME1组和 ME2组无显著差异(图3-B,C)。
图3 本研究大鼠心肌β3-AR,eNOS和nNOS表达的Western Blot结果示意图(×400)Figure 3.Western Blot Results of Cardiacβ3-adrenergic Receptors,eNOS and nNOS Protein Expression(×400)
3 分析与讨论
近年来,通过运动干预改善心血管疾病的研究逐渐增多。过去研究多采用持续AE改善 MI大鼠心功能[28,45]。近期关于高强度AIT在心脏康复中的研究,以及高强度AIT和持续AE的比较研究日益增多。2013年研究表明,AIT可改善MI大鼠病理性心脏重塑和线粒体功能紊乱[24],且采用高强度AIT较持续AE能更有效增加心脏病人最大摄氧量[33],改善有氧运动能力[34],但两种运动方式在改善左心室射血分数[21]、心脏收缩功能及骨骼肌适应能力[34]方面并无显著差异。本研究结果证实,在8周有氧运动后ME1和ME2组CVF和LVEDP均较MI后显著降低,ME1组-dP/dt max显著升高,ME2组LVSP显著增加,表明中强度持续AE和高强度AIT均可抑制MI后胶原过度增生,提高LV舒缩功能,保护MI大鼠心功能。且两种运动方式在对心功能改善上无显著差异。运动训练提升心功能的机制是多方面的[30],包括运动导致的心脏生理性重塑[19]、心肌细胞再生[23]、血管重塑[17]、运动的抗炎效应、对外周及中枢氧化应激的抑制[2]、神经体液调节平衡的恢复[7,15,37]等。本研究重点从心肌β3-AR角度探讨运动对MI的保护。
传统观点认为,β3-AR主要分布于白色及棕色脂肪细胞膜上,加速脂肪分解,调节能量代谢[14]。早期发现人类心脏中存在β3-AR。β3-AR兴奋可发挥负性肌力作用,与β1/β2-AR的正性肌力相拮抗。MI后心脏交感神经系统过度激活,β1/β2-AR对β-AR激动的反应下降、β1-AR表达下调、β1/β2-AR脱敏/脱偶联,导致β1/β2-AR的正性肌力作用受损[28],而持续高浓度的儿茶酚胺(CA)导致β3-AR上调[11],过去认为衰竭心脏β3-AR激活导致LV及心肌细胞功能紊乱[35]。但近期研究表明,β3-AR是治疗 MI等心脏疾病的潜在靶点。心肌过表达β3-AR可减轻LV肥大,保护心脏[36,41]。正常小鼠心脏敲除β3-AR后小鼠表现出轻度左室肥大,并随年龄增长而恶化。压力超负荷小鼠敲除β3-AR可抑制LV收缩功能,增加心肌纤维化,LV重塑[9],并加剧NOS解偶联,增加NOS来源的氧化应激水平。心肌β3-AR的激活可作为一种保护机制来对抗MI[32]。文献报道,运动训练可提高心血管疾病模型动物β-AR应答性[29]、改善β-AR 脱敏[28]、增加 β1-AR 蛋白水平[15,5]、使β1/β2-AR的比例恢复正常[6,22],保护心脏。目前运动与β3-AR表征研究备受关注,运动训练可增加缺血再灌注小鼠β3-AR表达[9],而本研究发现,MI组,ME1和ME2组均可见LV肌β3-AR阳性染色,主要位于心肌细胞膜表面。与MI组相比,ME1组LV中β3-AR蛋白表达显著增加,ME2组β3-AR表达有上升趋势。本研究结果表明,MI大鼠通过中强度持续AE和高强度AIT两种运动方式干预,心功能得到提升,与β3-AR上调密切相关。有氧运动通过心脏β3-AR的激活对抗 MI,β3-AR可能是心脏疾病康复运动效应的潜在靶点。据文献报道,β3-AR上调机制与β3/1-AR比例增加[36],钙瞬变峰值下降和L型钙电流减少相关[11]。
一氧化氮合酶在调节心功能中发挥关键作用[18,44]。心肌eNOS[10,16]及 nNOS[13]在 MI后心功能保护中发挥重要作用。eNOS缺失小鼠在MI后LV功能紊乱及重塑加剧,eNOS过表达小鼠可降低 MI后左室功能紊乱[26]。nNOS敲除小鼠在MI后两天心功能受损,心肌收缩力降低[40],心肌细胞钙瞬变振幅,L型钙通道活性及心脏收缩钙离子水平显著增加,且室性心律失常发生率增高,并更易患心室纤颤[8]。以前研究认为,心脏中β3-AR主要通过eNOS-NO介导其负性肌力作用。但近期研究表明,nNOS是除了eNOS以外,β3-AR 的下游因子[36]。MI后心肌eNOS分布不变而密度降低,nNOS表达及活性增加[12]。nNOS从肌浆网兰尼碱受体(RyR)易位到肌细胞膜与小窝蛋白3相互作用[4],从而替代eNOS,通过Gi蛋白-nNOSNO通路,发挥负性肌力作用[25]。文献报道,β3-AR激动剂可通过上调eNOS和nNOS[36],抑制氧化应激和病理性心脏重塑[32],对心肌产生保护效应。运动训练通过刺激β3-AR,增加eNOS生成,保护心肌免受缺血再灌注损伤[9]。本研究发现,MI后LV中eNOS蛋白表达有下降趋势,nNOS表达显著增加。而8wk有氧运动后,ME1和ME2组eNOS和nNOS蛋白表达较MI组均显著增加。该结果表明,中强度持续AE和高强度AIT两种运动方式均可上调eNOS及nNOS蛋白表达,有氧运动通过激活心脏β3-AR保护心肌免受MI损伤,与下游分子eNOS及nNOS蛋白表达增加有关。据文献报道,运动激活eNOS保护心脏的机制,与运动后血清及心脏中的NO代谢物-亚硝酸盐和亚硝基硫醇增加相关。当NO代谢物恢复到正常水平时,运动对心脏的保护作用也消失[9]。nNOS可抑制黄嘌呤氧化酶,降低超氧阴离子水平。运动后nNOS上调对心脏的保护机制可能与其维持了心脏NO及活性氧的平衡有关[25,39]。
目前,关于运动训练干预改善心血管疾病的研究,关注度逐渐倾向于高强度AIT,其在未来改善MI症状,预防和治疗MI疾病中将发挥日益重要的作用[20]。传统观点认为,MI患者进行高强度AIT运动存在一定危险性,但Meta分析统计在7项研究报告中,其中6项报道了高强度AIT的安全性,并未发现造成严重心脏不良事件,未增加心脏疾病患者急性MI或猝死的危险。受试患者进行高强度AIT的完成率(90%)与持续有氧运动(91%)完成率基本一致。需要强调的是,在运动方案实施过程中,所有低射血分数的心衰患者都必须进行心肺运动试验测试,并且经过严格详细的评估和运动指导监督[21]。
4 结论
本研究发现中强度持续有氧运动和高强度间歇有氧运动均可通过增加左心室β3-AR表征,上调其下游因子eNOS及nNOS表达,进而抑制心梗后胶原过度增生,保护心梗大鼠心功能,且两种运动方式在对心功能提升上无显著差异。病理心脏通过运动干预后心功能改善与β3-AR上调关系密切。β3-AR表征研究使得对β-AR的认识提高到一个新阶段,进一步探讨心脏运动康复与β3-AR表征研究,将为心脏运动康复手段筛选提供新思路。
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