目的:力竭运动可导致严重的心肌缺血缺氧,造成运动性心脏损伤。运动预适应可增强心肌对缺血缺氧的耐受性,减少心肌损伤,提高心功能,对心脏有明确的保护作用,其机制与减少心肌细胞凋亡有关。在运动性心脏保护机制中PI3K-Akt信号通路的激活对于抑制心肌细胞的凋亡具有重要作用。本研究通过建立运动预适应大鼠模型,以一次性力竭运动为损伤性刺激因素,并使用PI3K抑制剂LY294002,从心肌结构、血清心肌酶、心电图、心功能、心肌凋亡指数、线粒体膜通透性转换孔开放水平以及心肌凋亡相关蛋白方面,深入探讨运动预适应激活PI3K-Akt信号通路对力竭大鼠心脏的影响及分子机制。为运动性心脏保护作用及机制研究提供新的理论和实验依据。方法:1动物分组与模型建立将84只健康雄性SD大鼠,随机分为6组(n=14):对照组(Con组)、力竭组(EE组)、运动预适应组(EP组)、运动预适应+力竭组(EP+EE组)、LY294002(PI3K抑制剂)+运动预适应+力竭组(LY+EP+EE)、LY294002组(LY组)。参照Domenech和Lennon的运动训练方法建立运动预适应动物模型。对照组不进行跑台运动。EE组在坡度为0°的鼠类电动跑台上,以25-30m/min的速度运动至力竭。EP组在跑台上进行间歇性运动,坡度为0°,速度为30m/min,运动15min,休息5min,重复3次,运动6天/周,共3周。EP+EE组大鼠运动训练方式同EP组,于运动训练结束后次日以与EE组相同运动方式运动至力竭。LY+EP+EE组大鼠于运动训练前腹腔注射LY294002(10mg/kg),训练方式同EP+EE组。LY组腹腔注射LY294002,注射方式同前,不参与运动训练。2应用光镜和透射电镜分别观察大鼠心肌显微结构和超微结构。3利用酶联免疫吸附测定法(Elisa)检测血清肌酸激酶同工酶(CK-MB)、心肌钙蛋白I(cTn-I)含量,评价心肌损伤。4采用生理记录仪描记心电图,记录各组大鼠心电图参数:心率(heart rate)、QRS间期(QRS duration)、ST段(ST segment),观察心电图的改变。5使用Millar压力容积导管记录大鼠血流动力学参数:搏出功(SW)、心输出量(CO)、搏出量(SV)、心率(HR)、收缩末期容积(Ves)、舒张末期容积(Ved)、收缩末期压力(Pes)、舒张末期压力(Ped)、射血分数(EF)、压力上升最大速率(dp/dt max)、压力下降最大速率(dp/dt min)、潜在能量(PE)、心脏效率(CE)、收缩末期压力容积关系(ESPVR)、舒张末期压力容积关系(EDPVR)、松弛时间常数(Tau),观察心功能的改变。6采用TUNEL法检测大鼠心肌细胞凋亡指数,评估心肌细胞凋亡程度。7使用双抗体夹心法测定大鼠心肌线粒体膜通透性转换孔(mPTP)开放水平,评估线粒体损伤。8 Western blot法检测大鼠左室心肌中PI3K、p-PI3K、Akt、p-Akt、Bad、p-Bad、Bcl-2、Bax、caspase-3蛋白水平,观察上述蛋白含量的变化。结果:1各组大鼠心肌组织病理学观察结果与Con组相比,EE组、EP+EE组、LY+EP+EE组的大鼠心肌显微和超微结构损伤性改变明显;与EE组比较,EP+EE组心肌结构损伤减轻。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组心肌结构损伤程度较重。LY组和EP组较Con组无明显改变。2各组大鼠血清CK-MB、cTn-I含量比较与Con组相比,EE组、EP+EE组、LY+EP+EE组的大鼠血清CK-MB、cTn-I的含量均显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组血清CK-MB、cTn-I含量降低,差异有统计学意义(P<0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组血清CK-MB、cTn-I的含量升高,差异有统计学意义(P<0.05)。LY组和EP组血清CK-MB、cTn-I水平较Con组无统计学差异(P>0.05)。3各组大鼠心电图指标的比较与Con组相比,EE组的大鼠HR增加、QRS间期延长、ST段抬高,差异有统计学意义(P<0.05);与Con组相比,LY+EP+EE组和EP+EE组ST段抬高,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组QRS间期缩短、ST段抬高程度降低,差异有统计学意义(P<0.05),HR减慢,无统计学差异(P>0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组大鼠ST段抬高程度增大,差异有统计学意义(P<0.05)。LY组和EP组心电图较Con组无明显差异(P>0.05)。4各组大鼠心功能指标的比较4.1各组大鼠心脏收缩功能参数的比较与Con组相比,EE组的CO、SV、Pes、EF、dp/dt max、ESPVR均降低,HR、Ves均升高,差异有统计学意义(P<0.05);与Con组相比,LY+EP+EE组大鼠CO、SV、Pes、EF、dp/dt max、ESPVR均降低,Ves升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组CO、SV、Pes、EF、dp/dt max、ESPVR均升高,Ves降低,差异有统计学意义(P<0.05),HR降低,无统计学差异(P>0.05);与EP+EE组比较,LY+EP+EE组大鼠CO、SV、EF、dp/dt max、ESPVR均降低,Ves升高,差异有统计学意义(P<0.05);与Con组相比,EP组的CO、SV、EF、dp/dt max、ESPVR均升高,Ves降低,差异有统计学意义(P<0.05);LY组与Con组无明显差异(P>0.05)。4.2各组大鼠心脏舒张功能参数的比较与Con组相比,EE组和LY+EP+EE组的Ved、Ped、EDPVR、Tau均升高,-dp/dt min降低,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组Ved、EDPVR、Tau均降低,-dp/dt min升高,差异有统计学意义(P<0.05),Ped降低,无统计学差异(P>0.05);与EP+EE组比较,LY+EP+EE组大鼠Tau升高,-dp/dt min降低,差异有统计学意义(P<0.05);与Con组相比,EP组的Ved、EDPVR均降低,-dp/dt min升高,差异有统计学意义(P<0.05);LY组与Con组无明显差异(P>0.05)。4.3各组大鼠心脏机械能量参数的比较与Con组相比,EE组和LY+EP+EE组的PE升高,SW、CE降低,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组PE降低,SW、CE升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EP+EE组比较,LY+EP+EE组大鼠SW、CE降低,差异有统计学意义(P<0.05);与Con组相比,EP组的PE降低,SW、CE升高,差异有统计学意义(P<0.05);LY组与Con组无明显差异(P>0.05)。4.4各组大鼠P-V环的比较与Con组相比,EE组、EP+EE组、LY+EP+EE组的P-V环向右移位;与Con组相比,EP组的P-V环向左移位;与EE组比较,EP+EE组P-V环向左移位;与EP+EE组比较,LY+EP+EE组P-V环稍向右移位。5各组大鼠心肌细胞凋亡指数的比较与Con组相比,EE组、EP+EE组、LY+EP+EE组的大鼠心肌凋亡指数显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组心肌凋亡指数降低,差异有统计学意义(P<0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组心肌凋亡指数升高,差异有统计学意义(P<0.05)。LY组和EP组心肌凋亡指数较Con组无统计学差异(P>0.05)。6各组大鼠心肌线粒体通透性转换孔(mPTP)开放水平的比较与Con组相比,EE组、EP+EE组、LY+EP+EE组的大鼠mPTP开放水平显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组mPTP开放水平降低,差异有统计学意义(P<0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组mPTP开放水平升高,差异有统计学意义(P<0.05)。LY组和EP组mPTP开放水平较Con组无统计学差异(P>0.05)。7 Western blot法检测各组大鼠左室心肌中PI3K、p-PI3K、Akt、p-Akt、Bad、p-Bad、Bcl-2、Bax、caspase-3蛋白含量7.1各组大鼠心肌通路相关蛋白PI3K、p-PI3K、Akt、p-Akt的表达水平的比较7.1.1各组大鼠心肌通路相关蛋白p-PI3K、p-Akt的表达水平的比较与Con组相比,EE组和LY+EP+EE组的大鼠心肌中p-PI3K、p-Akt蛋白含量显著下降,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组相比,EP+EE组大鼠心肌中p-PI3K、p-Akt蛋白含量升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EP+EE组比较,LY+EP+EE组p-PI3K、p-Akt蛋白含量显著降低,差异有统计学意义(P<0.05);与Con组比较,EP组p-PI3K、p-Akt蛋白含量显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);LY组p-PI3K、p-Akt蛋白含量与Con组无统计学差异(P>0.05)。7.1.2各组大鼠心肌通路相关蛋白PI3K、Akt蛋白含量比较与Con组相比,EE组、LY组的大鼠心肌中PI3K、Akt蛋白含量差异无统计学意义(P>0.05),而EP组、EP+EE组、LY+EP+EE组大鼠心肌中PI3K、Akt蛋白含量明显升高,差异有统计学意义(P<0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组大鼠心肌中PI3K、Akt蛋白水平无明显差异(P>0.05)。7.2各组大鼠心肌凋亡相关蛋白Bad、Bcl-2、p-Bad、Bax、caspase-3含量的比较7.2.1各组大鼠促心肌凋亡的蛋白Bad、Bax、caspase-3含量的比较与Con组相比,EE组、EP+EE组、LY+EP+EE组的大鼠心肌中Bad、Bax、caspase-3蛋白含量均显著升高,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组Bad、Bax、caspase-3蛋白含量降低,差异有统计学意义(P<0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组Bad、Bax、caspase-3蛋白含量升高,差异有统计学意义(P<0.05)。LY组和EP组Bad、Bax、caspase-3蛋白水平较Con组无统计学差异(P>0.05)。7.2.2各组大鼠抗心肌凋亡的蛋白p-Bad、Bcl-2含量的比较与Con组相比,EE组和LY+EP+EE组的大鼠心肌中p-Bad、Bcl-2蛋白含量均显著降低,EP+EE组心肌中Bcl-2含量显著降低,差异有统计学意义(P<0.05);与EE组比较,EP+EE组p-Bad、Bcl-2蛋白含量升高,差异有统计学意义(P<0.05)。与EP+EE组比较,LY+EP+EE组p-Bad、Bcl-2蛋白含量下降,差异有统计学意义(P<0.05)。EP组p-Bad、Bcl-2蛋白水平较Con组高,差异有统计学意义(P<0.05)。LY组p-Bad、Bcl-2蛋白水平较Con组无统计学差异(P>0.05)。结论:1力竭运动会破坏大鼠的心肌结构,引起心室传导功能障碍,损伤心脏的收缩和舒张功能,并能抑制PI3K-Akt信号通路发挥抗心肌细胞凋亡作用,使心肌细胞凋亡增加。2运动预适应使心肌发生适应性改变,心肌损伤程度减轻,心电活动障碍和心功能得以改善,其机制是激活PI3K-Akt信号通路,抑制线粒体途径,减少心肌细胞凋亡,从而对力竭大鼠发挥心脏保护作用。3运动预适应上调PI3K-Akt信号通路表达,该通路激活后抑制心肌细胞凋亡,发挥心肌保护作用。