运动导致心脏微损伤机制探秘
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近年来,运动性心肌微损伤的发生机制一直是运动医学研究热点之一。运动性心肌微损伤的实验性研究已从心肌的组织细胞病理学研究发展至分子病理学研究。目前认为,运动员心脏改变的机制主要为能量代谢障碍、细胞结构蛋白降解、血管内皮细胞功能障碍和心肌细胞凋亡等。由于运动性心肌微损伤的机制复杂,涉及面较广,采用新型生物技术如基因芯片等,可大规模、高效地检测成千上万个基因在生理和病理条件下的变化,有助于运动性心肌微损伤相关机制研究取得突破性进展。
能量代谢紊乱减少ATP合成
心肌细胞产能的主要方式是依赖于线粒体中的脂肪酸β氧化过程。大强度运动造成心肌细胞缺氧,是导致心肌微损伤的关键因素。
在缺氧状态下,线粒体的能量代谢受到抑制,继而影响线粒体中蛋白质的表达,造成心肌细胞功能障碍。国内研究发现,在力竭运动后,核呼吸因子1(NRF-1)、线粒体转录因子A(mtTFA)和线粒体呼吸链酶蛋白表达量明显降低,线粒体酶活性下降,从而影响线粒体能量代谢,减少腺苷三磷酸(ATP)合成,诱发心电图ST段改变与恶性心律失常等。
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细胞结构蛋白降解破坏内环境稳定性
国内研究发现,力竭运动可降解心肌细胞结蛋白,破坏细胞骨架结构。受损心肌结蛋白含量在24小时内呈先升后降的时相性变化。一旦心脏缝隙连接通道的结构和功能遭到破坏,可导致细胞间电耦联障碍,从而诱发心律失常。动物实验发现,敲除结蛋白基因的小鼠心肌出现了超微结构异常、心肌细胞死亡、心肌组织纤维化及钙化、向心性心肌细胞肥大和胚胎型基因表达,其心肌收缩功能受损。
力竭运动还会降解连接蛋白,改变其分布模式。这种改变同样呈时相性变化,在力竭运动后6小时尤为明显。连接蛋白的降解将影响内环境稳定,心肌细胞之间的信息和物质能量交换以及细胞新陈代谢、增殖和分化等生理过程。
内皮细胞功能障碍诱发冠脉持续收缩
研究表明,力竭运动产生的大量氧自由基和钙超载会使内皮细胞形态和功能发生异常,并促进内皮细胞黏附,影响其合成和释放生物活性物质。此外,力竭运动还可造成机体内一氧化氮(NO)与内皮素(ET)水平失衡,使ET水平显著增高而NO水平显著降低,继而诱发冠状动脉在运动过程中持续收缩,导致心肌缺血性损伤。
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在力竭性游泳运动后即刻,血液黏度明显升高、红细胞聚集性明显增加,从而引发微循环障碍,减少心肌血流量和供氧,进而导致心肌损伤。
不同运动训练强度细胞凋亡程度不一
动物研究发现,接受过度训练的大鼠,其心肌组织中发生了明显的凋亡现象。力竭运动后的大鼠心肌组织中,细胞凋亡相关基因表达改变(bcl-2表达减少,Fas表达增加),说明心肌细胞凋亡可能是过度训练影响心脏功能的病理生理机制。
然而,也有一些研究显示,经过系统耐力训练后的大鼠,其心肌对力竭运动的应激耐受能力较强,心肌细胞的受损多以凋亡形式出现,有利于受损细胞的清除及心肌结构与功能的恢复;而未经过系统训练的大鼠在力竭运动后,心肌的病理改变形式多为坏死,心肌细胞凋亡检出率较低。
■ 图片链接 年轻运动员猝死
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一项美国研究对387例年轻猝死运动员调查后发现,导致猝死的原因依次为肥厚型心肌病(26%,图1)、心肌炎(5.2%,图2)、致心律失常性右室心肌病(2.8%,图3)、冠状动脉粥样硬化(2.6%,图4)和扩张型心肌病(2.3%,图5)。该文发表在《新英格兰医学杂志》[N Engl J Med 2003,349(11):1064]。
图1 肥厚型心肌病
图2 心肌炎
图3 致心律失常性右室心肌病,右室壁大量脂肪成分浸润,仅残余少量心肌细胞
图4 右冠脉斑块破裂
图5 扩张型心肌病
■ 知识链接
链接1 ATP水平降低恶果多
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ATP水平下降将导致一系列代谢异常和紊乱。
1. 细胞膜、肌浆网钙泵活力及肌浆网钙摄取能力下降,钙离子内流增加,激活的膜磷脂酶将膜磷脂降解为溶血磷脂,导致缺血性肌挛缩,并在此过程中产生氧自由基,进一步产生损害作用,引起一系列的心脏结构改变和心功能紊乱。
2. 依赖ATP的细胞膜泵活性降低,膜电位改变及心电图ST段改变。
3. 酸中毒直接损害细胞超微结构,并抑制钙离子与肌钙蛋白结合,使心肌纤维收缩性降低。
4. 形成心肌缺血区与非缺血区代谢梯度,引发恶性心律失常。
链接2 心肌细胞骨架作用多
心肌细胞骨架是一类复杂的微丝微管网状结构,包括维持细胞形状,机械抗力和形态完整的一系列蛋白质,按结构和功能可以分为肌原纤维骨架、真正的“细胞骨架”如结蛋白等、膜相关蛋白和细胞间连接蛋白。细胞骨架在细胞间传递机械和电刺激,对维持细胞的稳定性起到重要作用,还参与调节细胞表面信号从胞外向胞内的传递过程,并参与核转录。
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结蛋白降解机制主要与氧自由基和细胞内钙超载两个因素有关,结蛋白的大量降解势必会影响心肌结构,导致心肌功能受损。缝隙连接是心肌细胞间进行物质交换和信息交流的唯一通道,细胞间连接蛋白结构破坏可导致心电活动和心肌收缩功能异常。
链接3 内皮细胞参与细胞功能调控
血管内皮细胞具有十分活跃的分泌功能。
血管内皮细胞参与体内多种平衡调节及细胞功能调控,合成和分泌多种生物活性物质如内皮源性舒张因子、前列环素和内皮素等。这些物质可维持血管舒缩状态,调节心肌血流量、血液凝固、白细胞活性和血小板聚集。
力竭运动后,内皮细胞的抗氧化活性大幅降低,对外源性活性氧产生系统敏感性较高,可产生大量的活性氧,突破内皮细胞防御能力,造成心肌损伤。
链接4 细胞凋亡参与细胞生命活动
细胞凋亡与细胞发育、分化、增殖一样,都是细胞生命活动的重要过程。细胞凋亡是在基因调控下由生理性因素或其他因素诱发的程序化细胞死亡,以调控机体发育、维持内环境稳定。
在细胞凋亡过程中,细胞先裂解为凋亡小体,之后被其他细胞吞噬而死亡,凋亡过程不引起炎症反应。缺血和缺氧是刺激心肌细胞凋亡的重要因素。
近年来研究表明,成熟心肌细胞在受到一定的刺激(如缺血、缺氧及心肌负荷增加等)之后,也可出现凋亡。, 百拇医药