心力衰竭患者心脏全基因及能量代谢相关基因表达谱的研究进展

田国祥，魏万林，张薇，王晓兵，姚雪莉

心力衰竭（heart failure，心衰）是指由于各种原因引起的心肌结构和功能的变化并导致心室泵血和（或）充盈功能低下的临床综合征。目前，随着高血压、冠心病治疗水平的提高以及人口的老龄化，心衰在我国的发病率和患病率呈逐年增加趋势，已经给社会和家庭带来了沉重的医疗负担[1]。

1 心衰不同阶段心肌全基因表达谱研究进展

心衰的本质是心肌组织细胞中某些相关基因表达与调控异常而引起的心肌病，从某种角度上说心力衰竭是一种基因病。特定状态下的组织、细胞中所表达的全套基因及其丰度，称为基因表达谱（gene expression profile）[2]，成为基因组研究的热点[3]，而在心衰过程中心脏及心肌细胞所表达的全套基因及其丰度即为心脏的全基因表达谱。而基因芯片（又称DNA芯片）技术是进行基因组研究、基因功能分析的一项主要技术[4]，该技术是将大量靶基因或寡核苷酸片段，有序地、高密度地固定排列在以玻璃、硅及塑料等硬质载体上，通过与被检测基因的碱基序列进行互补匹配，实现核酸序列的分子识别，有传统基因表达检测方法无可比拟的高通量特点，是高效地大规模获取相关生物信息的重要手段。

目前通过对心脏基因表达谱的研究，已发现多条心衰相关分子途径。如Steenbergen等[5]使用DNA微阵列技术研究人类原发性心肌病在心力衰竭进展期凋亡基因的表达，发现TNF-α与NF-κB诱导的抗凋亡基因（如GADD45β，FLIP，A20）表达下调。在Dahl大鼠心力衰竭模型中，却发现凋亡相关转录因子D结合蛋白表达下调[6]。Kenneth等[7]使用cDNA微阵列筛选心力衰竭反应性基因，然后用定量PCR鉴定和验证，在所筛选到的心力衰竭反应性基因中，发现只有map2k3，map4k5和Cebpb等一小部分基因被证明是心力衰竭依赖性的。另外，Tan等[8]发现了心力衰竭患者10个类别中的103个特征基因，涉及肌纤维蛋白、细胞外基质/细胞骨架、水解/应激有关的蛋白质、与代谢有关蛋白质、凋亡/炎症有关蛋白质、信号转导有关蛋白质、转录/翻译有关蛋白质、免疫系统有关、未知功能等基因。国内陈金星等[9]用Genespring软件分析心肌梗死后心力衰竭大鼠心脏基因表达谱芯片，发现了参与能量代谢、心肌细胞骨架及纤维化等13类共千余条表达显著上调和下调的基因，在梗死区差异表达基因以形成期最多（1086条）、稳定期次之（724条）；而非梗死区差异表达基因也以形成期最多（196条），稳定期较少（97条）。张其鹏等[10]经过对现有基因和蛋白质数据库的检索，确定了407条与心力衰竭相关的基因，4046条相关核酸序列和蛋白质序列，建立了心衰相关基因和蛋白质数据库，表明在器官水平上心衰相关基因集中于炎性反应、细胞凋亡与增殖、肌肉运动与发育、能量代谢、信号转导、细胞基质/胞浆/骨架、配体、水解酶和转录因子等方面。

以上研究表明了心脏基因表达谱是发现、研究心衰分子机制的非常实用的方法；同时也表明心衰的分子机制非常复杂，是多个类别多种基因相互作用、序贯激活的过程。但目前实验室及临床在此方面的相关研究还存在着一些缺陷：一是基因表达谱的检测多为横断面而非纵向序贯性的研究，因在不同的心衰阶段心脏基因表达谱可能存在较大的差异，为此不同的研究之间基因表达谱不能进行很好的横向比较；同时也因缺乏心衰不同阶段基因表达谱的纵向比较，而不能分析心衰发生发展过程中基因谱表达的差异；二是临床研究纳入的心衰患者往往处于心衰的不同阶段，心脏基因表达谱的差异本身就比较大，数据汇总分析的难度也比较大，找出的心衰相关基因就很少。因此，有必要进行心衰发生发、展不同阶段的基因表达谱时间序贯性的比较研究。

目前，临床上倾向将心衰发生、发展阶段划分为四个主要的阶段：阶段A：“前心衰阶段”（pre heart failure）：包括心衰高危人群，但尚无心脏的结构或功能异常，也无心衰的症状和（或）体征，前心衰阶段实际为心衰的启动阶段；阶段B：前临床阶段（pre clinical HF）：患者已发展成器质性心脏病、结构性心脏病，但从无心衰的症状和（或）体征，前临床阶段实际为心衰的代偿阶段；阶段C：临床心衰阶段（NYHA心功能分级：Ⅱ～Ⅳ）：患者已有基础的结构性心脏病，以往或目前有心衰的症状和（或）体征；或目前虽无心衰的症状和（或）体征，但以往曾因此治疗过；阶段D：难治性心衰阶段：进行性结构性心脏病，虽经积极的内科治疗，休息时仍有症状，且需要特殊干预。心衰的四个阶段就是宏观心衰的发生、发展、形成、结局的过程，也是微观心肌细胞增殖、肥大、凋亡、纤维化及心脏结构重构的过程，因此在不同的心衰阶段，控制心肌重构的基因表达会呈现比较显著的差异，从而使得心脏在病理上呈现心肌细胞的增生、肥大为主继而凋亡、纤维化增加为主等变化，为此，深入研究不同阶段心衰基因谱的差异对搞清心衰发生发展的分子机制，发现新的心力衰竭诊断标记物以及从基因机制的基础上进行心衰的防治都会有意义。

2 心肌能量代谢相关基因差异表达研究进展

近年来逐渐认识到，心脏在结构重构的同时，心肌细胞能量代谢在心衰的发生、发展中同样发挥着重要作用[11]。既往已认识到神经激素学说即神经体液因子的紊乱在心衰发生发展中起着重要作用，由此产生的抑制交感神经系统（β受体阻滞剂的使用）和抑制肾素-血管紧张素-醛固酮（RAAS）系统（ACEI/ARB类药物的使用），缓解心脏的结构重构，使得慢性心衰的预后得到很大程度上的改观。但神经激素学说仍不能完全解释心衰病程进展的所有问题。目前的治疗策略虽然能够使部分慢性心衰患者的病程稳定，甚至能部分逆转心肌重构，但大多数患者的病情仍有持续进展，并最终走向终末期心力衰竭。Van Bilsen[12]提出衰竭心肌代谢重构（metabolic remodeling）的概念后，越来越多的证据支持心肌细胞糖、脂利用和能量代谢紊乱导致心肌重构，最终导致慢性心衰的发生和发展[13]。慢性心衰时线粒体功能障碍除了引起ATP生成减少外，还导致活性氧簇（ROS）的大量产生，这将加重线粒体功能障碍，形成恶性循环，同时还将触发线粒体所诱发的心肌细胞凋亡。许多研究都证实衰竭心肌细胞的凋亡相关蛋白表达增加，而抗凋亡蛋白表达降低，从而导致心肌细胞的凋亡增加。线粒体功能障碍所诱发的细胞凋亡增加是慢性心衰时心肌代谢重构的重要途径，从而使心血管学者们逐渐认识到心衰同时也是一种慢性代谢性疾病[14]，以及由此为基础的心衰代谢疗法也正在兴起。衰竭心肌代谢重构的理论是心肌代谢疗法的理论基础，代谢重构的具体机制和信号转导通路是代谢疗法的药物靶点，但目前药物治疗的靶点仍比较模糊，原因在于对代谢重构过程中引起能量代谢的相关基因（葡萄糖、脂肪代谢）表达及表达的变化还没有认识。

目前，国内外针对心衰心肌能量代谢进行研究，主要涉及了心肌细胞能量产生和转运的各个方面，包括底物利用、线粒体的氧化磷酸化、ATP转运等。其中抑制游离脂肪酸代谢的研究表明，慢性心衰伴随着血游离脂肪酸（FFA）水平的增加，而心肌细胞和线粒体摄取过多的FFA将导致线粒体氧化应激，产生大量ROS，诱发和加重线粒体功能障碍，并导致心肌重构和心功能衰竭的进展。而相应基因芯片研究表明，腹主动脉缩窄大鼠2周，参与心肌细胞脂肪酸β氧化的长链酰基辅酶A表达下降[15]。血FFA水平增加与慢性心衰死亡率呈正相关。而使用抑制FFA代谢的策略在缺血性心肌病的治疗中取得了良好的效果，同样抑制FFA代谢在慢性心衰治疗中也可能起到积极作用[16]。提高葡萄糖代谢心肌细胞氧化葡萄糖产生ATP比利用FFA产生同样的ATP耗氧量低，因此加强葡萄糖代谢有利于缓解心衰患者心肌相对缺血。研究表明，除了心肌极化液可能具有提高糖代谢的作用外，磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）也是提高糖代谢治疗的靶点。AMPK的刺激因素，如运动和脂联素可能通过加强葡萄糖的利用成为慢性心衰的治疗手段。慢性心衰患者存在心肌组织胰岛素抵抗，而胰岛素增敏剂，二甲双胍和噻唑烷二酮类药物可通过改善胰岛素抵抗而加强心肌对葡萄糖的利用。在以“代谢性核受体为靶点的治疗策略”中，代谢性核受体是心肌代谢的重要节点，在心肌代谢中尤为重要的是过氧化物酶体增殖活化受体（PPARα）。许多糖脂代谢酶蛋白均是PPARα的靶基因，推测心衰患者心肌PPARα表达下降可能是心肌底物和能量代谢紊乱的基础，加强PPARα的作用有望成为心衰的治疗手段。

以上研究表明，在心衰的发生、发展的不同阶段中能量代谢模式存在着显著差异，提示我们控制表达能量代谢的内核，即能量代谢的相关基因的表达在心衰的不同阶段必然存在着显著的差异，因此采用基因芯片技术对不同阶段的能量代谢相关基因的表达情况进行检测，进一步明确不同阶段差异表达的基因，据此在心衰的不同阶段选择不同的能量代谢相关契合的治疗靶点应能对心衰的改善应具有重要意义。同时对能量代谢相关基因在心衰不同阶段表达差异的研究也是对心脏基因谱表达差异的验证。

3 益气活血方剂对心肌能量代谢相关基因表达干预研究的意义

在中医传统文献中并无“心力衰竭”之名，根据其临床特征，主要涉及中医“喘证”、“水肿”、“心悸”、“怔忡”、“痰饮”、“心痹”等范畴。多数研究认为，慢性心衰阶段属本虚标实、虚实夹杂之证，以心之气阳虚衰为本，血脉瘀滞、水饮内停、痰浊不化为标[17]。其基本治法应是：温阳、益气与利水化饮法。中医认为，黄芪每能益气，可以补肺气、益正气、升阳气，心衰患者应用黄芪，一是水肿明显时，取黄芪有益气行水之功，二是有气虚血瘀时，取黄芪有益气行血之功。中医理论“气为血之帅，血为气之母”，概括“气”与“血”的关系。气血都是构成人体生命活动的基本物质，“气为血之帅”包括气能生血，气能行血。“血为气之母”是指血为气之载体，血能生气。二者互根互用，相互依存。而心衰时“精气夺”而“气虚”应是和心衰进程中逐渐形成的与能量代谢紊乱有关的物质的“虚”，其病位在心，“益气活血”实质为通过活血而改善心脏能量供给，改善心肌能量代谢。中药组方如能从能量代谢机制改善心衰模型心功能并能从能量代谢相关基因的差异性表达增加证据，将对心衰的发病机制的认识及治疗有很大的推动作用。目前利用基因芯片技术研究心力衰竭的基因表达谱已见报道，但用其研究中医药对心衰能量代谢相关基因谱差异表达的干预影响的研究尚未见。益气活血化瘀组方芪参益气滴丸是一种新型纯中药制剂，由黄芪、丹参、三七、降香配伍制成，具有益气通脉、活血止痛的功效，临床上已开始用于冠心病、心绞痛、心功能不全的治疗。我们课题组前期临床及基础研究中观察到：芪参益气滴丸可降低急性冠脉综合征（ACS）患者冠脉介入术（PCI）后血清炎症趋化因子的水平[18]；改善肾血管性高血压大鼠的心肌肥厚[19,20]；且可改善心衰患者的症状及心功能。因此，选择芪参益气滴丸及其他中药组方对心力衰竭心脏能量代谢相关基因谱表达的影响，有利于揭示其作用的物质基础和心脏基因表达机制。

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