張金梁

摘要：目的:觀察游泳訓(xùn)練對(duì)心肌梗死造成的心肌氧化應(yīng)激的保護(hù)作用，并對(duì)其內(nèi)在影響機(jī)制進(jìn)行探索。方法:實(shí)驗(yàn)材料Sprague-Dawley大鼠60只，心肌梗死造模完成后隨機(jī)分成4組：假心梗組(CON),心梗組(MI),心梗游泳訓(xùn)練組(MS)，心梗+游泳+LY294002組 (MSL)。每組15只。游泳訓(xùn)練時(shí)間共計(jì)8周。檢測(cè)左心室組織氧化應(yīng)激相關(guān)指標(biāo)，抗氧化酶及相關(guān)調(diào)控通路及調(diào)節(jié)蛋白變化。結(jié)果:心梗（MI）可造成心肌組織氧化應(yīng)激水平異常變化：活性氧（ROS）及丙二醛（MDA）明顯升高（P< 0.05）；線粒體（thioredoxin-2，MnSOD及peroxiredoxin 3）及胞漿中（HO-1，γ-GCL，NQO-1）抗氧化酶提示，MI可引起相關(guān)抗氧化酶的水平降低（P< 0.05）。另外，心?？上抡{(diào)磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B （PI3K-AKt）信號(hào)通路活性，游泳訓(xùn)練可以有效抑制心梗造成的氧化應(yīng)激紊亂（降低CAT及MDA），顯著性提高線粒體及胞漿中抗氧化酶水平（P< 0.05）。游泳訓(xùn)練引起改善作用（降低氧化應(yīng)激及提高抗氧化酶）在加入PI3K阻斷劑LY294002后部分消失。結(jié)論：游泳訓(xùn)練可以有效降低心梗造成的氧化應(yīng)激反應(yīng)。其機(jī)制可能是，通過上調(diào)PI3K-AKt系統(tǒng)活性增加抗氧化酶水平而實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：心肌梗死；游泳訓(xùn)練；氧化應(yīng)激；抗氧化酶

中圖分類號(hào)：G804.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-2076(2012)05-0062-06

眾多研究表明，心肌梗死導(dǎo)致大量心肌細(xì)胞壞死、溶解、炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，導(dǎo)致心功能下降［1~2］。心肌梗死導(dǎo)致由于能量供給不足而引起的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境異常，心臟代償性的收縮增加可引起細(xì)胞膜煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）引起的活性氧水平升高。更嚴(yán)重的是，該活性氧（ROS）水平的升高進(jìn)而觸發(fā)線粒體產(chǎn)生大量的ROS(線粒體內(nèi)存在“氧觸發(fā)氧釋放”機(jī)制［3］)。氧化應(yīng)激不僅可攻擊細(xì)胞膜及其細(xì)胞器，還可通過與炎癥因子的相互增強(qiáng)作用而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的發(fā)生［4］，進(jìn)一步加重心梗造成的心肌損傷。所以，提高抗氧化酶水平，降低ROS含量常被作為心肌梗死治療的重要思路之一。

相關(guān)研究證實(shí)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以有效改善心梗大鼠病理性心肌重構(gòu)［5］，對(duì)抗心梗造成的氧化應(yīng)激反應(yīng)，減輕細(xì)胞凋亡［6］。雖然以往研究已從不同方面或角度揭示了運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)病理性心肌的保護(hù)作用，但不幸的是，對(duì)于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)抗氧化應(yīng)激的分子機(jī)制研究卻令人失望，這也嚴(yán)重限制著運(yùn)動(dòng)康復(fù)療法的處方的精確制定。

磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B(PI3K-AKt)信號(hào)通路參與眾多細(xì)胞生理學(xué)過程，如調(diào)節(jié)線粒體介導(dǎo)的抗凋亡過程［7］，促進(jìn)糖原轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)［8］等。最近有研究證實(shí)，該信號(hào)級(jí)聯(lián)還參與線粒體內(nèi)抗氧化酶的生成過程［9］。另有研究指出，該信號(hào)級(jí)聯(lián)可能也是引起胞漿中抗氧化酶的重要上游調(diào)節(jié)機(jī)制［10］之一。然運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練引起的抗氧化作用是否也通過上述機(jī)制，目前尚缺乏直接證據(jù)。

所以，本研究通過建立心肌梗死動(dòng)物模型，用游泳訓(xùn)練作為干預(yù)手段，檢測(cè)游泳對(duì)心梗大鼠心肌氧化應(yīng)激狀況及相關(guān)抗氧化酶的影響，并探討PI3K/Akt在抗氧化酶調(diào)節(jié)中的可能作用, 為進(jìn)一步豐富運(yùn)動(dòng)抗氧化作用的分子機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

蛋白FOXO3a表達(dá)統(tǒng)計(jì) 在細(xì)胞核內(nèi)的表達(dá)統(tǒng)計(jì)心肌梗死可造成心肌組織氧化應(yīng)激水平升高而引起心肌組織氧化損傷。ROS作為一類第二信使，傳遞應(yīng)激信號(hào)，對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生各種作用。適度的ROS水平可以有效激活細(xì)胞的氧化還原敏感型信號(hào)通路如MAPKs、PI3K/AKt等，各通路之間可以相互聯(lián)系，MAPKs、PI3K/AKt通過磷酸化來調(diào)節(jié)HSF-1、P53、NF-κB等轉(zhuǎn)錄因子，從而誘導(dǎo)一系列氧化還原敏感型基因的表達(dá)，控制細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)、凋亡、應(yīng)激等信號(hào)的反應(yīng)［15］。然而超量的ROS可造成細(xì)胞凋亡或壞死［16］。心肌梗死引起氧化應(yīng)激，造成心臟病理性心肌重構(gòu)及心肌大已得到普遍認(rèn)可［17~18］。本研究結(jié)果也顯示，心梗后，大鼠心肌組織氧化應(yīng)激水平升高（ROS及MDA增多及相關(guān)抗氧化酶的表達(dá)降低）。游泳訓(xùn)練則可以有效減少M(fèi)DA及ROS水平（圖1）。

線粒體作為細(xì)胞中能量合成的最重要細(xì)胞器，其不僅為細(xì)胞提供能量，同時(shí)也是細(xì)胞內(nèi)ROS重要的形成場(chǎng)所。線粒體有自身抗氧化酶系Thioredoxin-2, Prdx3, MnSOD等［19］，該體系主要FOXO3a［20］所調(diào)控（圖4）。正常情況下，能量合成過程所產(chǎn)生的ROS可通過線粒體內(nèi)抗氧化酶及解耦連蛋白2（UCP2）所清除，所以正常組織中有少量的ROS產(chǎn)生，對(duì)于維持正常細(xì)胞生理活動(dòng)發(fā)揮激活作用。心肌缺血后由于ROS水平的急劇升高，超過了線粒體其自身清除能力時(shí)就會(huì)首先造成線粒體損傷（ROS可直接攻擊線粒體的DNA［21］及其編碼的線粒體蛋白，也包括不飽和脂肪酸如心磷脂），導(dǎo)致線粒體融合及溶解［22］。因此提高線粒體內(nèi)抗氧化酶對(duì)于減輕氧化應(yīng)激起著第一時(shí)間窗作用。FOXO3a不僅可以影響細(xì)胞的增殖過程［23］同時(shí)還是線粒體抗氧化酶的上游調(diào)節(jié)蛋白［9］。PI3K/AKt信號(hào)通路作為其上游重要的調(diào)節(jié)機(jī)制，直接決定著其活性及功能變化（圖4）。因此對(duì)于心梗造成的氧化損傷治療，無論是藥物或是補(bǔ)劑都集中在對(duì)線粒體抗氧化酶的提高［24］。本研究顯示，游泳訓(xùn)練可以顯著性增加線粒體內(nèi)抗氧化酶含量，這和先前的研究結(jié)論相一致［25］。

圖4 游泳訓(xùn)練引起胞漿及線粒體內(nèi)抗氧化酶形成的可能機(jī)制示意圖。左邊為線粒體內(nèi)抗氧化酶形成機(jī)制示意圖［9］；右邊為胞漿中抗氧化酶形成示意圖［10］。另外，當(dāng)線粒體ROS含量超過其內(nèi)抗氧化酶能力時(shí)，過多的ROS被釋放到胞漿中，又會(huì)損傷其他細(xì)胞器及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而造成心肌細(xì)胞損傷。因此，減少胞漿中ROS常作為維持細(xì)胞正常功能的次級(jí)治療靶點(diǎn)。其中提高二相酶（胞漿中抗氧化酶如：GST、NQO-1、HO-1）水平也日益受到關(guān)注。Nrf2作為二相酶最重要的轉(zhuǎn)錄因子，上調(diào)Nrf2／ARE通路能夠顯著提高細(xì)胞的抗氧化能力。相關(guān)研究證實(shí)［26,28-29］，線粒體營(yíng)養(yǎng)素可以有效提高二相抗氧化酶的生成，并指出線粒體營(yíng)養(yǎng)素能夠促進(jìn)Keap1與Nrf2解離水平及Nrf2磷酸化后向核內(nèi)轉(zhuǎn)移速率，在細(xì)胞核中與更多的Nrf2與抗氧化酶基因上的共同序列ARE結(jié)合，從而增加二相解毒酶和抗氧化酶的表達(dá)［27］（圖4）。本研究結(jié)果提示，心梗造成二相酶表達(dá)減少，提示心梗弱化Nrf2與Keap1的解離水平。這也與Nrf2在細(xì)胞核中的表達(dá)結(jié)果相一致(圖3D）。而PI3K/AKt信號(hào)通路的變化也證實(shí)了其對(duì)Nrf2的調(diào)控作用。

總之，本研究提示，游泳訓(xùn)練可以有效降低心梗造成的氧化應(yīng)激，而對(duì)PI3K/AKt的激活作用可能是其提高胞漿及線粒體內(nèi)抗氧化酶的共同機(jī)制之一。因此，洞察運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的抗氧化作用將有助于全面了解心梗造成的心肌損傷機(jī)制及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的保護(hù)效應(yīng)，為心肌梗死的臨床防治提供新的治療思路和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

［1］Golbidi S, Ebadi S A, Laher I. Antioxidants in the Treatment of Diabetes［J］. Curr Diabetes Rev, 2011.

［2］Henriksen E J, Diamond-Stanic M K, Marchionne E M. Oxidative stress and the etiology of insulin resistance and type 2 diabetes［J］. Free Radic Biol Med, 2010.

［3］Gustafsson A B, Gottlieb R A. Heart mitochondria: gates of life and death［J］. Cardiovasc Res, 2008, 77(2): 334-343.

［4］Martinon F. Signaling by ROS drives inflammasome activation［J］. Eur J Immunol, 2010, 40(3): 616-619.

［5］Xu X, Wan W, Powers A S, et al. Effects of exercise training on cardiac function and myocardial remodeling in post myocardial infarction rats［J］. J Mol Cell Cardiol, 2008, 44(1): 114-122.

［6］French J P, Hamilton K L, Quindry J C, et al. Exercise-induced protection against myocardial apoptosis and necrosis: MnSOD, calcium-handling proteins, and calpain［J］. FASEB J, 2008, 22(8): 2862-2871.

［7］Cheng S M, Ho T J, Yang A L, et al. Exercise training enhances cardiac IGFI-R/PI3K/Akt and Bcl-2 family associated pro-survival pathways in streptozotocin-induced diabetic rats［J］. Int J Cardiol, 2012.

［8］Cao S C, Zhao G, Chang B, et al. ［Effects of exercise on expression and phosphorylation of PI3K and PKB in insulin signaling in the skeletal muscles of type 2 diabetic rats］［J］. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao, 2010, 30(6): 1217-1221.

［9］Cox A G, Winterbourn C C, Hampton M B. Mitochondrial peroxiredoxin involvement in antioxidant defence and redox signalling［J］. Biochem J, 2010, 425(2): 313-325.

［10］Feng Z, Liu Z, Li X, et al. alpha-Tocopherol is an effective Phase II enzyme inducer: protective effects on acrolein-induced oxidative stress and mitochondrial dysfunction in human retinal pigment epithelial cells［J］. J Nutr Biochem, 2010, 21(12): 1222-1231.

［11］Wang Y H, Hu H, Wang S P, et al. Exercise benefits cardiovascular health in hyperlipidemia rats correlating with changes of the cardiac vagus nerve［J］. Eur J Appl Physiol, 2010, 108(3): 459-468.

［12］史仍飛，胡莉莉，李志剛，等.雷帕霉素和LY294002對(duì)游泳訓(xùn)練大鼠骨骼肌生長(zhǎng)及PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的影響［J］.體育科學(xué),2011(7).

［13］王湧濤，景志強(qiáng)，張鈞.運(yùn)動(dòng)對(duì)糖尿病大鼠LPL和HL影響的研究［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2008, 31(1): 47-49.

［14］Zhu L, Liu Z, Feng Z, et al. Hydroxytyrosol protects against oxidative damage by simultaneous activation of mitochondrial biogenesis and phase II detoxifying enzyme systems in retinal pigment epithelial cells［J］. J Nutr Biochem, 2010, 21(11):1089-1098.

［15］朱紅軍，江鐘立.運(yùn)動(dòng)與氧化應(yīng)激的預(yù)適應(yīng)［J］.中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2003,(2): 58-60.

［16］Hori M, Nishida K. Oxidative stress and left ventricular remodelling after myocardial infarction［J］. Cardiovasc Res, 2009, 81(3): 457-464.

［17］Kinugawa S, Tsutsui H, Hayashidani S, et al. Treatment with dimethylthiourea prevents left ventricular remodeling and failure after experimental myocardial infarction in mice: role of oxidative stress［J］. Circ Res, 2000, 87(5): 392-398.

［18］Surekha R H, Srikanth B B, Jharna P, et al. Oxidative stress and total antioxidant status in myocardial infarction［J］. Singapore Med J, 2007, 48(2): 137-142.

［19］Cox A G, Winterbourn C C, Hampton M B. Mitochondrial peroxiredoxin involvement in antioxidant defence and redox signalling［J］. Biochem J, 2010, 425(2): 313-325.

［20］Victor V M, Rocha M, Herance R, et al. Oxidative stress and mitochondrial dysfunction in type 2 diabetes［J］. Curr Pharm Des, 2011, 17(36): 3947-3958.

［21］Ide T, Tsutsui H, Hayashidani S, et al. Mitochondrial DNA damage and dysfunction associated with oxidative stress in failing hearts after myocardial infarction［J］. Circ Res, 2001, 88(5): 529-535.

［22］Tsutsui H, Kinugawa S, Matsushima S. Mitochondrial oxidative stress and dysfunction in myocardial remodelling［J］. Cardiovasc Res, 2009, 81(3): 449-456.

［23］Miyamoto K. FoxO3a is essential for the maintenance of hematopoietic stem cell pool［J］. Rinsho Ketsueki, 2008, 49(3): 141-146.

［24］Tsutsui H, Kinugawa S, Matsushima S. Mitochondrial oxidative stress and dysfunction in myocardial remodelling［J］. Cardiovasc Res, 2009, 81(3): 449-456.

［25］Brinkmann C, Chung N, Schmidt U, et al. Training alters the skeletal muscle antioxidative capacity in non-insulin-dependent type 2 diabetic men［J］. Scand J Med Sci Sports, 2011.

［26］Kwak M K, Itoh K, Yamamoto M, et al. Enhanced expression of the transcription factor Nrf2 by cancer chemopreventive agents: role of antioxidant response element-like sequences in the nrf2 promoter［J］. Mol Cell Biol, 2002, 22(9): 2883-2892.

［27］Liu J. The effects and mechanisms of mitochondrial nutrient alpha-lipoic acid on improving age-associated mitochondrial and cognitive dysfunction: an overview［J］. Neurochem Res， 2008, 33(1): 194-203.

［28］Liu J, Atamna H, Kuratsune H, et al. Delaying brain mitochondrial decay and aging with mitochondrial antioxidants and metabolites［J］. Ann N Y Acad Sci， 2002, 959: 133-166.

［29］Zhu L, Liu Z, Feng Z, et al. Hydroxytyrosol protects against oxidative damage by simultaneous activation of mitochondrial biogenesis and phase II detoxifying enzyme systems in retinal pigment epithelial cells［J］. J Nutr Biochem， 2010, 21(11): 1089-1098.