细胞凋亡与缺血性心脏病

心血管病学进展 1999年第5期第20卷 综述

作者：谢志泉　刘伊丽

单位：第一军医大学附属南方医院心内科，广州　510515

　　文章编号：1004-3934(1999)05-0279-03　　中图分类号：Q255;R541.4　　　文献标识码：A

Apoptosis and Ischemic Heart Diseases

XIE Zhi-quan,LIU Yi-li

　　(Department of Cardiology of Nanfang Hospital,First Military Medical University,Guangzhou 510515)

　　冠脉供血不能满足心肌对能量的需要时就发生心肌缺血。一旦缺血存在，心肌组织不仅缺氧和代谢障碍，同时毒性代谢产物蓄积，引起缺血性损伤，如继续发展则导致心肌死亡。长期以来人们认为细胞坏死是这种心肌死亡的唯一方式。近年来，普遍承认细胞死亡有两种机理，即坏死和凋亡。累积的资料^［1-8］充分表明，心肌细胞同样存在凋亡，细胞凋亡也是缺血性心肌细胞死亡的重要方式之一。在培养的乳鼠心肌细胞，缺氧刺激12小时后便有核小体间脱氧核糖核酸(DNA)断裂即凋亡的证据，而成纤维细胞缺氧72小时也未发生凋亡。在离体的乳头肌，发现心肌过伸负荷触发细胞凋亡。在体心脏的实验表明，再灌注损伤和心肌梗死均能诱发心肌细胞凋亡。越来越多的临床资料也表明细胞凋亡参与人类心肌梗死的病理过程。当前，细胞凋亡是缺血性心脏病研究的崭新课题，具有重要的理论和临床价值，现就初步的认识分四方面阐述如下。

　　1　心肌细胞凋亡与坏死^［9-11］

　　普遍认为，心肌坏死有三种类型：(1)凝固性坏死：由严重而持久的缺血所致，主要发生于梗死区中心，组织学特征是肌原纤维伸长，线粒体呈絮状改变；(2)收缩带坏死；由严重缺血再灌注所致，多见于梗塞的周边部，其特征是肌原纤维有收缩带、线粒体损害和钙化，肌细胞溶解；(3)肌细胞溶解：由慢性缺血所致，以细胞水肿、早期肌原纤维溶解和晚期核溶解为特征。在光镜下，急性缺血心肌从4～12小时起出现凝固性坏死，核固缩与核溶解，胞浆萎缩，边缘坏死收缩带形成，继之胞核和胞浆条纹消失，且细胞间质明显的中性粒细胞浸润，至第10天，坏死区边缘开始纤维血管增生。

　　心肌细胞凋亡受基因控制，生化和形态变化的过程与细胞坏死截然不同，凋亡于持续缺血2小时后发生，高峰时间为4.5小时，6小时后减少。凋亡的心肌细胞在体内存在的时间短暂，一般只有2～3小时，多见于坏死与正常交界区单个散在分布，不伴中性细胞浸润。心肌凋亡虽然在显微结构水平难于和坏死区别，但其超微改变仍具有特征：(1)核染色体分隔浓集，细胞膜和胞浆内亚细胞器完整；(2)完整的胞膜起泡，胞浆浓缩，可见核碎片；(3)完整的细胞膜内亚细胞器结构破坏，核膜消失；(4)可有凋亡小体。

　　尽管如此，由于凋亡过程短暂，凋亡小体不易发现，且其晚期和坏死有共同的改变，因此形态学上区分心肌凋亡与坏死往往比较困难，常需借助DNA凝胶电泳和组织原位标记的方法，琼脂糖凝胶电泳和TUNEL法是最常用的两种鉴别技术。与其它细胞一样，心肌细胞凋亡时DNA电泳呈梯状分布，组织化学则显示阳性标记的DNA片断。

　　2　细胞凋亡与心肌梗死^［10-14］

　　实验不仅表明缺氧可刺激培养的心肌细胞发生凋亡，而且心肌细胞凋亡现象也存在于在体动物的心肌梗死模型中。由于原位组织化学标记新技术的应用，使得心肌组织的细胞凋亡的研究成为可能。Cheng等发现实验大鼠心肌梗死时梗死组织的边缘有特殊标记的DNA片断，Kajstura的研究表明细胞凋亡是扩大心肌梗死范围的一个独立因子。新近的资料已经证实人类心肌梗死除细胞坏死外细胞凋亡也参与梗死的病理过程，细胞凋亡不仅影响心肌梗死面积，而且促成心脏结构的重构，心肌梗死的早期和晚期均存在凋亡现象。目前认为，急性心肌梗死期心肌细胞凋亡具有如下特征：(1)心肌梗死灶中心及边缘均有凋亡发生，梗死病灶起始于凋亡，并从中心起由细胞凋亡与坏死共同促使梗死面积向四周扩展，遍及心室壁全层；(2)细胞凋亡先于细胞坏死出现，是早期(2～6小时)心肌细胞死亡的主要形式；(3)心肌细胞凋亡有一定的时间演变规律，急性缺血20分钟至1小时无细胞凋亡发生，至2小时后开始出现凋亡，3小时起显著增加，4.5小时达高峰，6小时后逐渐下降，并持续数天；(4)心肌细胞凋亡既分布于梗死中心亦分布于梗死灶边缘，前者凋亡的细胞相对密集，主要由严重缺血所致；后者凋亡的细胞多分散出现，主要由再灌注损伤所触发。

　　陈旧性心肌梗死的细胞凋亡：心肌梗死愈合后，梗死灶被疤痕组织所代替。疤痕组织周围与正常心肌之间有一个易受损害的交界部分，被称为梗死边缘的危险区，心肌细胞凋亡常常分布于该区域。在犬的陈旧性心肌梗死模型中，实验已揭示梗死灶边缘的危险区出现形态学和组织化学的典型凋亡征象。人类陈旧性心肌梗死尸检中同样证实了细胞凋亡，并发现伴有促进凋亡的Bax蛋白表达增加。陈旧性心肌梗死细胞凋亡的原因不甚清楚，推测由危险区心肌缺血及舒张期局部容量负荷过重所触发。细胞凋亡具有重要的病理作用，被认为是缺血性心肌病演化为心力衰竭的细胞学基础。

　　3　细胞凋亡与再灌注损伤^{［4-6，8，15-18］}

　　1992年，Schumer等较先在缺血再灌注的大鼠肾脏组织观察到细胞凋亡现象，1994年Gottlieb首次在兔子心脏上验证了再灌注损伤致使心肌细胞凋亡。在大鼠心肌缺血前给予胰岛素样生长因子-1(IGF-1)或抑制凋亡的Bcl-2基因产物，结果可使再灌注损伤引起时的细胞凋亡显著减轻。在人类急性心肌梗死尸检中也发现梗死灶收缩带有明显的细胞凋亡，病理学普遍认为收缩带区域细胞死亡机制与心肌短暂缺血后再灌注损伤密切相关。离体心脏的再灌注模型中，自由基诱使心肌细胞凋亡，而抗氧化物治疗可与之对抗。

　　再灌注损伤引起的细胞凋亡多分布于短暂缺血后血管再通的相关部位和梗死灶的收缩带区域。一般认为再灌注损伤触发的心肌细胞凋亡发生的时间往往略滞后于持续缺血所触发的细胞凋亡，可在3～12小时出现，1～2天达高峰，之后下降并持续数天。但也有个别资料提示再灌注损伤不引起心肌细胞凋亡或只是加快缺血所致的心肌细胞凋亡，例如Fliss等对大鼠进行再灌注研究，结果显示持续缺血组心肌缺血2.25小时细胞凋亡明显，而再灌注组缺血45分钟再灌注仅1小时细胞凋亡就很明显，此时再灌注损伤还来不及产生凋亡，而且定量分析发现再灌注组凋亡的细胞数只占细胞总数的28%，而持续缺血组则占33%，说明凋亡主要是因缺血所致，再灌注损伤只是加快凋亡的速度。这种不同结果的原因不清楚，可能与方法学有关，因为Fliss只是单纯用凋亡的时间规律来推断缺血和再灌注两者引起的细胞凋亡，这种方法并不十分可靠。

　　4　缺血性心肌细胞凋亡的病理生理和临床意义

　　4.1心肌细胞凋亡的刺激因子^{［4，10，13-14］}：(1)急性期：心肌持续性缺血是促发心肌梗死灶中心细胞凋亡的首要因素，常由血栓形成或栓塞或持久的冠状动脉痉挛造成；再灌注损伤也是急性期触发细胞凋亡的一个关键因素，这种情况多见于梗死灶的收缩带周围及血管短暂堵塞后再灌注的心肌细胞。(2)慢性期：容量负荷过重可刺激细胞发生凋亡，常见于梗塞灶的疤痕与正常心肌之间连接部位。其原因是此处心室壁变薄，局部张力增大，由此诱发凋亡。缺血性心脏病晚期心力衰竭时细胞凋亡增加，现认为也与心脏负荷过重有关。此外，某些细胞因子或生物活性物质可能也是心肌细胞凋亡的常见诱发因素。

　　这些因子是怎样诱发心肌细胞凋亡目前不清楚，可能由于刺激后产生某种或某些介质，直接与细胞膜的受体或进入细胞与胞浆内受体结合，经一定途径将信号传入胞核，从而调控凋亡相关的基因，使心肌细胞发生凋亡。如资料显示心肌梗死急性期的存活心肌其Bcl-2表达增加，而慢性期则Bax表达增加，说明刺激因子经由Bcl-2和Bax基因产物来抑制或诱导存活的心肌细胞凋亡。

　　4.2　凋亡的病理生理作用^［6，10］：(1)对心肌梗死大小的影响：包括两点：一是凋亡是梗死大小的主要决定因子，坏死处于从属地位，因为定量分析显示，高峰时凋亡的细胞数比高峰时坏死的细胞数高7倍；二是梗死灶周边区域的心肌细胞凋亡扩大了梗死面积。(2)心室重构：一方面，凋亡主导了梗死区的面积，而梗死区的心肌由于细胞丧失导致心肌变薄伸展，甚至室壁瘤形成，使功能性梗死面积扩大。非梗死区室壁则因容量负荷过重产生细胞肥大的离心性心肌肥厚。另一方面，急性梗死激发了存活心肌发生细胞凋亡，远离梗塞部位的心肌凋亡占1%，梗塞边缘区域凋亡占12%，这样水平的凋亡对室壁重构有很大的影响，体外观察到占0.6%的细胞凋亡就会引起机械功能的下降和心肌细胞以边对边滑移(side-to-side slippage)方式的结构重排。显然梗死边缘区域这种结构重排更为严重，这是对舒张期室壁应力增加早期的一种适应性反应，久而久之，细胞减少，胶原支架断裂，室壁变薄心室扩大，于是演变成心力衰竭。

　　4.3　临床意义：(1)理论价值：更新三种认识，第一，梗死的心肌死亡再也不能等同于心肌坏死，细胞凋亡是心肌死亡的机制之一，而且是梗死早期心肌死亡的主要方式；第二，以往认为梗死的心肌死亡是由心内膜向心外膜发展，但现在认为心肌死亡是由细胞凋亡与坏死的梗死中心开始，迅速向受累的心肌发展；第三，不同于以往观点，认为心肌梗死的大小更多地取决于细胞凋亡的严重程度；第四，细胞凋亡可能是缺血性心脏病演化为心力衰竭的细胞学机制。(2)治疗新策略：应当针对急性期和慢性期细胞凋亡和坏死的特点与规律制定方案。第一，针对细胞凋亡：首先，根据梗死中心凋亡由缺血所致，及如前述及凋亡的时间演变框架，必须设法尽早恢复心肌灌注以避免发生细胞凋亡，对此允许的时间是4小时，最理想是1小时内实施再灌注，因为凋亡一俟发生，细胞死亡就不可避免。其次，收缩带区域的细胞凋亡与再灌注有关，因此还需配合抗再灌注损伤的措施以减少收缩带的细胞死亡。再之，投入抗凋亡特异药物抑制细胞凋亡。此外，如降低心脏负荷等消除凋亡的诱发因素。第二，针对细胞坏死：挽救细胞坏死允许的时间略长，最佳时机是6小时内解除缺血，但缺血6～12小时重建血运仍有益处。及早血管再通和再灌注心肌保护的措施十分必要。第三，针对慢性期：细胞凋亡是缺血性心脏病晚期发展为心力衰竭的重要病理基础，心脏负荷、心肌缺血和一些生物因子等已被证明是触发凋亡的常见因素，鉴此，可采取消除诱发因素、阻断凋亡的信息通路和基因治疗。(3)开发抗心肌凋亡的新药物及基因生物制品。

　　参考文献

　　［1］　Tanaka M,Ito H,Adachi S,et al.Hypoxia induces apoptosis with enhanced expression of Fas antigenmessenger RNA in cultured neonatal rat cardiomyocytes［J］.Circ Res,1994,75:426-433

　　［2］　Lon X,Boluyt MO,Hipolito ML,et al.p53 and the hypoxiainduced apoptosis of cultured neonatal rat cardiac myocytes［J］.J Clin Invest,1997,99:2635-2643

　　［3］　Cheng W,Li B,Kajastura J,et al.Stretch-induced programmed myocyte cell deathc［J］.J Clin Invest,1995,96:2247-2259

　　［4］　Gottlieb RA,Burleson KO,Kloner RA,et al.Reperfusion injury induces

　　apoptosis in rabbit cardiomyocytes［J］.J Clin Invest,1994,94:1621-1628

　　［5］　Fliss H,Gattinger D.Apoptosis in ischemic and reperfused rat myocardium［J］.Circ Res,1996,79:949-956

　　［6］　Olivetti G,Quaini F,Sala R,et al.Acute myocardial infarction in humans is associated with activation of programmed myocyte cell death in the surviving portion of the heart［J］.J Mol Cell Cardiol,1996,28:2005-2016

　　［7］　Saraste A,Pulkki K,Kallajoki M,et al.Apoptosis in human acute myocardial infarcion［J］.Circulation,1997,95:320-323

　　［8］　Veinot JP,Gattinger DA,Fliss H.Early apoptosis in human myocardial infarcts［J］.Hum Pathol,1997,28:485-492

　　［9］　邵　耕：现代冠心病［M］.张均华，吴早敏.急性心肌梗塞［A］.北京：北京医科大学、中国协和医科大学联合出版社出版，1994.331

　　［10］　Kajstura J,Cheng W,Reiss K,et al.Apoptotic and necrotic myocyte cell

　　deaths are independent contributing variables of infarct size in rats［J］.Lab

　　Invest,1996,74:86-107

　　［11］　Sharov VG,Sabbah HN,Shimoyama,H,et al.Evidence of cardiocyte apoptosis in myocardium of dogs with chronic heart failure［J］.Am J Pathol,1996,148:141-149

　　［12］　Cheng W,Kajstura J,Nitahara JA,et al.Programmed myocyte cell death affects the viable myocardium after infarction in rats［J］.Exp Cell Res,1996,226:316-327

　　［13］　Olivetti G,Abbi R,Quaini F,et al.Apoptosis in the failing human heart［J］.N Engl J Med,1997,336:1131-1141

　　［14］　Misao J,Hayakawa Y,Ohno M.Expression of bcl-2 protein,an inhibitor of apoptosis,and Bax,an accelerator of apoptosis,in ventricular myocytes of human hearts with myocardial infarction［J］.Circulation,1996,94:1506-1512

　　［15］　Schumer M,Colombel MC,Sawczuk IS,et al.Morphologic,biochemical,and molecular evidence of apoptosis during the reperfusion phase after brief periods of renal ischemia［J］.Am J Pathol,1992,140:831-838

　　［16］　Buerke M,Murohara T,Skurk C.Cardioprotective effect of insulinlike

　　growth factor I in myocardial ischemia followed by reperfusion［J］.Proc

　　Natl Acad Sci USA,1995,92:8031-8035

　　［17］　Sawa Y,Bai HZ,Suzuki K,et al.Overexpression of Bcl-2 gene improves the myocardial tolerance to ischemic-reperfusion by preventing DNA fragmentation［J］.Circulation,1995,92(Suppl I):I-773

　　［18］　Dean DC,Fliss H.Apoptosis in an isolated reperfused heart model:Protection with dithiothreitol(abstr)［J］.J Mol Cell Cardiol,1996

收稿日期：1998-03-30

　　修回日期：1999-07-13