研究背景研究发现,心肌能量产生及利用不当可能是心室重构发生及向心力衰竭发展的重要因素。由此提出心肌代谢重构的概念,即心脏在慢性超负荷及底物供应改变时,出现的心肌细胞底物利用途经改变、线粒体功能失调以及高能磷酸盐代谢异常的现象。尽管心肌代谢重构与心室重构的因果关系目前尚不明确,但二者之间的密切联系逐渐受到研究者的重视。因此,研究心室重构时心肌能量代谢的特点,有助于揭示能量代谢在慢性心力衰竭(CHF)发展过程中的机制,对改善心脏功能,预防心力衰竭等具有重要意义。高能磷酸盐是心肌细胞生命活动可以直接利用的能源,心肌的收缩有赖于ATP和肌酸磷酸(PCr)水解所产生的能量。研究发现肥厚心肌高能磷酸盐代谢异常(产生减少、耗能增加、效率降低)在心室重构及向心力衰竭发展的进程中起重要作用,但其具体机制尚不清楚。线粒体(mitochondria)是ATP产生和储存的主要场所,在维持细胞正常的能量代谢、结构和功能方面具有重要作用。线粒体功能的发挥与内膜及基质中酶的活性密切相关。来源于三羧酸循环和脂肪酸β-氧化生成的还原当量通过线粒体内膜上的呼吸链酶复合体Ⅰ~Ⅴ进行氧化磷酸化,合成ATP,再由腺苷酸转运体(ANT)转出线粒体供细胞利用。其中复合体Ⅴ-腺苷三磷酸合酶(ATPase)和ANT构成了线粒体内能量合成及转运的两个重要环节,其活性影响着整个细胞的ATP水平,在调节线粒体氧化磷酸化功能和细胞能量产生及分布中起主要作用。目前研究较多集中于代谢重构中心肌底物利用途经的改变,但对于能量产生的关键环节-线粒体却少有研究。心室重构向CHF发展过程中,交感-肾上腺素能系统和肾素血管紧张素系统持续激活,血浆儿茶酚胺类物质浓度增高,除了对心肌组织有直接毒性作用外,还可导致能量产生及利用障碍和心肌耗氧量增加。β肾上腺素受体阻滞剂在改善左室重构的同时,对肥厚心肌线粒体能量代谢有无影响,目前相关研究甚少。本课题通过结扎大鼠腹主动脉造成心肌肥厚,在不同时相点观察高能磷酸盐改变与线粒体呼吸功能之间的关系,以及线粒体内膜氧化磷酸化关键酶ATPase和ANT的活性及表达变化,研究线粒体ATP生成、转运及储存的变化规律及其与心室重构发生、发展的关系,以及卡维的洛在能量代谢方面的保护机制,对于阐明心室重构的发生、发展机制,并为其防治提供新的理论依据及治疗靶点具有重要意义。方法建立腹主动脉缩窄后心肌肥厚模型,分4组术后5周、15周组( A5w、A15w);卡维地洛组,按2 mg·kg-1·d-1的剂量给予卡维地洛灌胃,2次/d,治疗5、15周(B5w、B15w),同时设假手术组( SH5w、SH15w)。观察期满后检测:⑴血流动力学指标:心率(HR)、左室舒张末压(LVEDP),左室收缩压(LVSP),左室内压最大上升和下降速率(±dp/dt max) ,计算平均主动脉压(MAP);⑵分别称取左心室(包括室间隔)与右心室湿重,计算左、右心室湿重/体重,分别作为左心室、右心室心肌肥厚指数(LVW/BW、RVW/BW);⑶分离大鼠心肌线粒体,Clark氧电极法测定线粒体氧化呼吸活性及电子传递链酶活性,HPLC法分析线粒体内及心肌组织高能磷酸盐含量,罗丹明123法测线粒体膜电位(MMP),定磷法测定ATPase合成与分解活性,H3-ADP摄入法测定ANT的转运活性;⑷RT-PCR检测ATPase-6亚基及α亚基和ANT1、ANT2 mRNA的表达;⑸Western blot测定F1-ATPase和ANT蛋白表达变化。结果1.腹主动脉缩窄术后5周及15周,大鼠LVW/BW、MAP及LVEDP均增加,且A15w组LVW/BW高于A5w组,±dp/dt max于术后15周出现降低;卡维地洛能降低LVW/BW、MAP及LVEDP,升高±dp/dt max,其中+dp/dt max可恢复至对照组水平;右心室重量指数各组间无显著差异。2.腹主动脉缩窄术后心肌组织内ATP、ADP、AMP及总腺苷酸池含量均降低,而且A15w组低于A5w组,并出现PCr降低;同时A15w组线粒体ATP、ADP、AMP及总腺苷酸池含量减低。3. A5w组ST3、ST4、OPR增高,RCR降低,线粒体CCO及NADH氧化酶活性均增高,而A15w组ST3、RCR、OPR降低,ST4无显著改变,线粒体CCO、SO及NADH氧化酶活性均降低;A5w组和A15w组MMP均降低。4.卡维地洛可提高心肌组织腺苷酸含量,其中B5w组ATP含量恢复至对照水平。与A5w组比较,卡维地洛能降低ST3、ST4、OPR,升高RCR,而在B15w组ST3、RCR、OPR升高。5. A5w组ATPase合成活性降低而水解活性升高,卡维地洛可使B5w组合成活性增加、水解活性降低;A15w组ATPase合成及水解活性均降低,且合成活性低于A5w组,卡维地洛能增加B15w组合成活性,但仍低于SH15w组。6. A15w组ATPase-6亚基及α亚基mRNA及F1-ATPase蛋白表达均降低降低,给予卡维地洛后,B15w组ATPase-α亚基高于A15w组,但无统计学意义,ATPase-6亚基mRNA表达增加,基本恢复至对照水平,B15w组F1-ATPase蛋白也有所增加,但仍低于对照水平。7. A5w组及A15w组ANT转运活性均降低,卡维地洛能改善ANT转运活性。8. A5w组及A15w组ANT1 mRNA表达均降低,给予卡维地洛后, ANT1mRNA表达均有所增加,其中B5w组ANT1 mRNA表达恢复至对照水平; A15w组ANT2 mRNA表达降低,B15w组ANT2mRNA表达高于A15w组,但无统计学意义。A15w组ANT蛋白表达降低,给予卡维地洛后,B15w组高于A15w组,但无统计学意义。结论1.肥厚心肌发生代谢重构:心肌组织腺苷酸含量及PCr含量降低;线粒体呼吸功能及呼吸链酶活性发生改变,MMP降低。细胞能量供应不足、消耗增多可能是心肌肥厚发生、发展及心功能减退的直接原因。2.卡维地洛通过改善线粒体呼吸功能、减少质子漏,促进线粒体产能,降低细胞能耗,从而改善心肌能量代谢。维持心肌正常能量代谢是卡维地洛心肌保护作用的机制之一。3.肥厚心肌ATPase活性发生改变,卡维地洛可调节酶活性;在肥厚后期伴心功能障碍时其改变与ATPase表达降低相一致,线粒体ATPase活性至少在一定程度上是受到酶蛋白表达定量调节的。4.肥厚心肌ANT转运活性显著降低,并与心肌及线粒体内ATP、ADP含量变化相一致,提示ANT转运活性对线粒体氧化呼吸有调控作用,并随心肌肥厚程度加重及心功能的减退而降低。5.心肌肥厚早期,ANT活性改变与ANT1异构体表达的减少有关,ANT1含量对肥厚早期功能的维持具有重要意义。心肌肥厚后期伴心功能减退时,心肌线粒体ANT活性的进一步下降与其蛋白表达减少有关。6.卡维地洛通过上调心肌线粒体ATPase和ANT1 mRNA及其蛋白的表达而提高其活性,从而改善心肌能量的产生和传递,这是卡维地洛改善肥厚心肌代谢重构的机制之一。