10周有氧训练对心力衰竭大鼠心脏重塑和运动耐力的影响

程蕾　李晓霞

摘要：目的：探讨长期有氧训练对心力衰竭（HF）大鼠心脏重塑（包括结构性重塑和功能性重塑）及运动耐力的影响。方法：8周龄清洁级雄性Wistar大鼠结扎冠状动脉建立HF模型，4周后随机分为假手术对照组（Sham组）、假手术运动组（Sham+E组）、心衰对照组（HF组）和心衰运动组（HF+E组）。Sham+E组和HF+E组进行10周有氧训练（跑台），Sham组和HF组保持安静状态。实验前后利用超声心动术检测心脏结构参数包括左室舒张期内径（LVIDd）、左室收缩期内径（LVIDs）、左室舒张期前壁厚度（LVAWDd）、左室收缩期前壁厚度（LVAWDs）、左室舒张期后壁厚度（LVPWDd）、左室收缩期后壁厚度（LVPWDs）以及心功能参数包括缩短分数（FS）、左室射血分数（LVEF）和心率（HR）；利用跑台递增负荷力竭运动实验测定大鼠的运动耐力参数包括力竭时间、力竭距离和最大跑速。实验后取心脏称量体重（BW）、左室重量（LVW）、右室重量（RVW）并计算左室质量指数（LVMI），利用Masson染色法进行组织病理学观察并获得心肌胶原容积分数（CVF）。结果：1）与Sham组比较，HF组最大跑速、力竭距离、力竭时间、BW、LVIDd、FS和LVEF降低（P<0.01），LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd、LVPWDs和CVF升高（P<0.01）；2）与HF组比较，HF+E组最大跑速、力竭距离和力竭时间、LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF升高（P<0.01），HR和CVF降低（P<0.01）。结论：1）HF后心脏出现结构与功能重塑，运动能力下降；2）10周有氧跑台训练逆转了HF大鼠心脏重塑，运动耐力提高。

关键词：有氧训练；心脏；心力衰竭；重塑；运动耐力

中图分类号：G804.2 文献标识码：A 文章编号：1006-2076（2015）01-0080-05

Abstract：Objective： To investigate the effect of 10 weeks aerobic training on cadiac remodeling （including structure remodeling and function remodeling） as well as exercise tolerance of heart failure （HF） rats. Methods： HF model was established through ligating coronary artery in clean grade Wistar

心力衰竭（heart failure，HF）是各种心脏疾病导致心功能不全的一种综合征，由于心肌收缩力下降使心排血量不能满足机体代谢需要，器官、组织血液灌注不足，同时出现肺循环和（或）体循环淤血的表现[1]。HF时心脏发生结构性重塑和功能性重塑，最终导致心功能降低、运动耐力下降，严重影响患者的生活质量[2]。荟萃分析及临床研究显示，有氧训练（耐力运动）可有效改善HF患者生活质量，降低住院率与死亡率，已成为防治HF的重要康复手段之一[3]。但有氧训练对HF产生良性效应的机制尚不清楚。本研究以Wistar大鼠为受试对象，通过结扎冠状动脉建立心梗后HF模型，观察10周跑台运动对心脏重塑和运动耐力的影响，为制定针对HF患者特异性运动处方提供理论依据。

1 研究对象和方法

1.1 实验动物

8周龄健康清洁级雄性Wistar大鼠48只，体重250～280 g，由山东鲁抗医药股份有限公司提供，实验动物许可证号：SCXK[鲁]2008-0003。大鼠分笼饲养，实验室温度为24℃～26℃，湿度40%～60%，自然光照，自由进食水。大鼠适应环境一周后再进行3天适应性训练（跑台），运动方案为：每天训练15 min，速度为5 m/s（坡度为0°），而后开始正式实验。

1.2 心梗后HF模型的建立和实验分组

适应性训练结束后第二天，将动物随机分为心衰组（n=28）和假手术组（n=20）。心衰组通过结扎冠状动脉建立心梗后HF模型，方法为：1%戊巴比妥钠麻醉并仰卧固定，行气管插管并连接呼吸机以监测心电图的实时变化；于胸骨左侧第3肋与第4肋之间开胸，破坏胸包暴露心脏，由左心耳下方2～3 mm处用0号丝线结扎左冠状动脉前降支；心电图显示QRS波增高增宽，ST段弓背向上抬高0.2 mV以上持续15 min为结扎成功。随后迅速放回心脏，关闭胸腔缝合胸壁。假手术组开胸后只栓线，不结扎，其他操作同心衰组。术后连续一周肌注抗生素以预防感染。四周后行超声心术检测（方法见1.5），以左室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）≤45%作为造模成功的标志，其中2只动物造模失败，1只死亡。随后将假手术组随机分为假手术对照组（Sham组，n=10）和假手术运动组（Sham+E组，n=10），心衰组随机分为心衰对照组（HF组，n=12）和心衰运动组（HF+E组，n=13）。Sham组和HF组保持安静状态，Sham+E组和HF+E组进行10周有氧训练（跑台）。

1.3 运动耐力测定与10周运动方案

参照本课题组已建立的递增负荷力竭运动实验进行运动耐力测定[4]。HF组和HF+E组先进行15 min热身（速度为5 m/min，坡度为0°）后休息5 min，再进行递增负荷测试，方法为：起始负荷为7 m/min，每3 min递增5 m/min，坡度为0°，直至力竭，力竭标准为：动物不能坚持本级负荷跑速，先后滞于跑道后1/3处达6次以上，声、光、电刺激驱赶无效。记录最大跑速、力竭距离和力竭时间。Sham组和Sham+E组除起始负荷定为10m/min外，其他步骤同上。

Sham+E组HF+E组动物进行10周有氧跑台训练。具体方案如下，跑速：前2周为最大跑速的50%，后8周为最大跑速的60%；时间：第一天30 min，以后每天递增10 min，直到60 min/d；频率：5 d/w。

1.4 超声心动术检测心脏结构与功能

用小动物超声图成像系统（visualsonics vevo770，加拿大）检测心脏结构与功能。检测前以1%戊巴比妥钠30 mg/kg腹腔麻醉大鼠，仰卧固定。取胸骨旁左室短轴切面进行测量，测量参数包括左室舒张期内径（left ventricular internal diameter at diastole，LVIDd）、左室收缩期内径（left ventricular internal diameter at systole，LVIDs）、左室舒张期前壁厚度（left ventricular anterior wall diameter at diastole，LVAWDd）、左室收缩期前壁厚度（left ventricular anterior wall diameter at systole，LVAWDs）、左室舒张期后壁厚度（left ventricular posterior wall diameter at diastole，LVPWDd）、左室收缩期后壁厚度（left ventricular posterior wall diameter at systole，LVPWDs）以及缩短分数（fractional shortening，FS）、LVEF和心率（heart rate，HR）。每项指标测量3个心动周期，取均值。

1.5 动物取材

大鼠称体重（body weight，BW）后断头处死并取心脏，用生理盐水冲洗，滤纸沾干，分离左右心室，分别称量左室重量（left ventricular weight，LVW）、右室重量（right ventricular weight，RVW）并计算左室质量指数（left ventricular mass index，LVMI）（LVMI=LVW/BW）。称重后迅速将组织置于液氮中并转移至-80℃冰箱冻存待测。

1.6 心脏组织病理学检查以及心肌胶原容积分数测定

心室肌组织常规固定脱水后，沿心脏长轴将心尖至结扎点取2 mm厚组织制作切片，40g/L多聚甲醛固定24 h，石蜡包埋，Masson染色，普通光镜观察各组心肌组织病理学变化。每张切片随机选取5个视野，用图像分析软件测量胶原组织所占百分率（心肌胶原面积/所测视野面积），取平均值即为心肌胶原容积分数（collagen volume fraction，CVF）。

1.7 统计学分析

使用SPSS15.0 for windows统计软件包对数据进行统计学处理。数据以“平均数±标准差”表示，组间比较使用单因素方差分析，两两比较使用LSD检验。显著性水平定为P<005，非常显著水平定为P<001。

2 结果

2.1 最终样本量

造模过程中，2只动物造模失败，1只死亡。10周运动干预过程中，Sham组拒跑大鼠1只，HF组死亡2只、拒跑1只，HF+E组死亡3只、拒跑2只。剔除上述大鼠后，最终样本量n=36，其中Sham组（n=9），Sham+E组（n=10），HF组（n=9），HF+E组（n=8）。

2.2 运动耐力的变化

与Sham组比较，Sham+E组最大跑速、力竭距离和力竭时间均显著性升高（P<001），而HF组上述指标均明显下降（P<001）；与HF组比较，HF+E组各运动耐力参数均显著性升高（P<001）。见表1。

2.3 心脏结构与功能变化

与Sham组比较，Sham+E组BW和HR降低（P<001），LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF增加（P<001），而HF组BW、LVIDd、FS和LVEF降低（P<001），LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd和LVPWDs增加（P<001）；与HF组比较，HF+E组HR降低（P<001），LVW、LVMI、LVIDd、FS和LVEF升高（P<0.01）（见表2）。超声心动术见图1。

2.4 心肌Masson染色与CVF

心肌Masson染色显示：胶原纤维呈蓝色，心肌细胞呈红色。Sham组和Sham+E心肌纤维着色均匀，无胶原成分；HF组心肌细胞减少，胶原成分显著增多，纤维化程度明显，CVF高于Sham组（P<0.01）；HF+E组较HF组心肌细胞增多且排列较整齐，胶原纤维（即CVF）明显减少（P<0.01）（见图2～3）。

3 讨论

3.1 HF后心脏发生结构与功能重塑

HF造模的方法有多种，包括缩窄腹主动脉法、结扎冠状动脉法、快速心室起搏法、戊巴比妥钠静脉注射法、阿霉素法和异丙肾上腺素注射法等，其中人工结扎左冠状动脉前降支造成心梗后HF是造模最常用的方法。一般认为，结扎术后2～4周可获得慢性HF模型，此模型广泛应用于HF发病机理、各种干预手段（手术、药物以及运动等）疗效评价等研究[5]。

HF发生后，由于心肌负荷过重、交感神经过度激活以及氧化应激等原因，通过不同的信号转导通路改变相应基因的表达，包括一些胚胎基因活化，一些基因过表达、失活、缺失或突变，调控蛋白合成以及细胞生长改变[6]。重塑基因的病理性改建可促使心脏结构和功能发生变化，即心脏结构重塑和功能重塑[7]。在本研究中，与Sham组比较，HF组LVIDd降低，LVW、LVMI、LVAWDd、LVAWDs、LVPWDd和LVPWDs增加，提示HF后发生病理性心脏肥大，表现为心腔缩小、心壁增厚（向心性肥大）。心脏结构重塑在HF初期对维持心功能起到一定的代偿作用，但心脏长期过负荷将导致心肌进一步发生重塑，包括心肌纤维化（即CVF增加）、细胞凋亡和坏死，造成心输出量降低并加速HF进程，心功能随之下降，即在本研究中，与Sham组比较，HF组FS和LVEF显著性降低。心功能下降最终导致运动耐力下降，即HF组最大跑速、力竭距离和力竭时间明显低于Sham组。

3.2 有氧训练对心脏重塑以及运动能力的影响

近年来，运动康复作为防治慢性病的非药物疗法，具有节省开销、简便易行、副作用小且效果持续等特点。动物实验、临床随机对照研究以及荟萃分析均显示，长期坚持规律有氧训练可减轻HF患者疲劳、呼吸困难等症状，提高患者生活质量并降低住院率与死亡率[8-9]。有氧训练对HF产生良性效应的机制尚不清楚，可能与心脏结构与功能的改善有关。在本研究中，与Sham组比较，Sham+E组HR降低，LVW、LVMI和LVIDd增加，提示长期运动诱导心肌出现离心性肥大，即心腔扩大，室壁增厚不明显。由于心功能增强（FS和LVEF增加）、运动耐力提高（最大跑速、力竭距离和力竭时间增加），因此这种结构变化属于生理性心肌肥大[10]。而与HF组比较，HF+E组左心室重量（LVW、LVMI）增加、心腔内径（LVIDd）增大，室壁厚度无明显改变，这是由于有氧训练增加心脏容量负荷（前负荷），心肌出现“离心性肥大”，同时心肌纤维化减轻（CVF明显减少），心功能增强（HR下降，FS和LVEF增加），运动耐力提高（最大跑速、力竭距离和力竭时间增加）。上述结果提示，运动诱导的生理性心肌肥大与病理性心肌肥大在HF大鼠有氧训练干预过程中并存且相互抗衡，最终前者的良性作用逆转了后者的负面效应，表现为心脏结构由病理性肥大向生理性肥大转变，即由HF时的向心性肥大转变为运动康复后的离心性肥大，这一结论在Garciarena等[11]针对自发性高血压大鼠的研究中也得到进一步证实。因此，长期有氧训练通过抑制HF时的心脏结构重塑改善心功能，运动能力随之提高。研究证实，运动耐力下降是影响HF患者生活质量的主要原因，也是HF患者预后的独立危险因子，因此改善HF患者的心功能特别是运动耐力是评价各种治疗方案效果的终点指标。

运动改善心肌重塑和运动耐力的分子机制尚不明确。药理学研究表明[12]，降低重塑基因TGF-β1表达则可减弱心肌胶原合成，对于心肌纤维化具有潜在应用价值。运动可下调衰老大鼠心肌TGF-β1表达水平，提示有氧训练可通过抑制重塑基因表达改善心肌重塑并提高运动耐力。此外，由于氧化应激、交感过度活化以及内皮功能紊乱均是HF后心肌重塑的重要病理生理机制[13]，而规律体力活动可下调自由基水平[14]、抑制交感活性[15]并通过增加一氧化氮的合成改善内皮功能紊乱、增加组织摄氧量、促进葡萄糖转运、提高心肌收缩力[16]，因此有氧训练通过多种途径改善心肌结构与功能重塑并提高运动耐力。

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