09.9.8-运动对心肌形态结构及生物学的影响

-1-运动对心肌形态结构及生物学的影响巩清波1，巩红英1，曾妍2（1重庆文理学院体育学院，重庆永川，4021682兵器工业北京北方医院理疗科，北京海淀，100089）摘要：心脏是人体机能重要的动力系统,是衡量身体健康及运动能力的重要指标。在长期的体育锻炼下,心肌的形态结构及功能会发生相应变化。本文就不同运动负荷对心肌形态结构及其生物学的影响进行综述,以其为运动训练提供理论参考。关键词：运动；心肌；形态结构；生物学；影响前言心脏作为人体最重要的动力器官，得到了充分的重视，进行了长期的研究。1899年，瑞典临床学家Heschen首先提出了运动员心脏(Athlete’sheart)的概念。其后运动心脏成为运动医学和运动生理学的重点研究课题之一，并发展成为一门新兴学科一运动心脏学(SportsCardiology)[1]。对心脏的研究经历了一个由宏观到微观的过程，1979年Ferrario等人提出了心肌重塑概念(myocardialremodeling)，认为运动导致心肌结构的变化对维护正常心功能有利[2]；1989年Baumbach等人又提了心脏重塑(Cardiacremodeling)，提出心血管发生相应的结构和功能的变化[3]；1994年Lbtan提出生理性和病理性心脏重塑概念(Physiologicalandpathologicalcardiacremodeling)，认为心肌肥大是心脏重塑的主要表现之一[4][5]。在运动心脏研究的100年里，大致经历了3个阶段：20世纪初从最初的叩诊、听诊到大体及器官水平的形态测量，从运动心脏的重量、形态分型、心壁厚度、心脏面积等方面揭示心脏对运动的适应；20世纪五六十年代，新技术、新方法的运用，对运动心脏泵血功能、心脏肥大机理进行探讨；20世纪后期，分子生物学及计算机科学的发展，运动心脏的研究深入到细胞、亚细胞、分子水平[6]。1运动对心脏形态学的影响1899年瑞典医生Henschen通过叩诊发现越野滑雪运动员心脏肥大,认为最大的心脏将赢得比赛的胜利,并把这种运动员特有的大心脏称为运动员心脏(athlete'sheart)。随着科学技术的发展，国内外诸多学者通过X线影像、超声心动图、核磁共振图像等技术分析证实了运动员确有心脏肥大，同时伴有心功能的改变。1.1运动对心脏构型的影响长期系统训练可引起运动员心脏形态、结构产生适应性变化。不同项目运动员心脏肥大类型各异。一般耐力项目运动员心脏从心腔扩大为主，表现为心室厚度随着心腔内径的扩大而成比例的增大，心肌细胞体积和肌纤维数量相对不变，其室壁厚度与左室内径之比不变。力量项目运动员心脏以心壁增厚为主，心容积和心腔内径并无明显变化，其室壁厚度与左室内径比值增大，为心脏肥大。张志琪，田振军[7]研究发现有氧运动组小鼠和大强度疲劳组与对照组比较，心系数分别增加了15.74%和17.33%，表明心脏发生不同程度的肥大；左室内压二阶导数分别增加了47.17%和35.24%。表明有氧运动组心脏明显发生运动性肥大，心肌收缩功能增强，大强度------------------------------作者：巩清波，男，山东人，硕士，助教。研究方向：运动生理学、运动机能检测。重庆文理学院资助基金（项目编号：Z2007TY03）-2-疲劳组也出现心肌肥大，但心肌收缩功能降低。运动训练导致心脏绝对重量和相对重量的增加[8][9][10][11][12]。Blomquist对优秀运动员心重量和病理性心肌肥厚的心重量进行测量后认为，优秀运动员的心重不会超过500g，而病理性心重则超过1000g，所以运动导致心脏重量增加是运动与心脏重塑的最直观表现[13]。运动训练导致左心室腔内径、室间隔厚度及左室游离壁厚度均增大，心肌细胞体积、长度及横截面积显著增大[14],这些是运动心脏几何构型变化的主要方面。在运动性心肌肥大中，力量性训练如举重、投掷,以心室壁增厚为主，室腔不扩大；耐力性训练如自行车、马拉松、越野、滑雪、长跑、游泳等,以心室腔及右心房扩大为主，室壁增厚不明显[15]，常芸，林福美[16]等在对大鼠进行耐力训练后的对比发现，经过12周耐力训练后心脏重量和心脏重量指数均有所增高，分别增高8%和51%，其中,心脏重量指数的增高有显著性统计学意义,说明耐力训练已产生心脏肥大。完全停止训练8周后再测心脏重量,发现停训后心脏绝对重量和心脏重量指数与其对照组无显著差异,其中,心脏重量指数较训练时显著降低24%,表明由耐力训练引起的心脏肥大变化属适应性反应，为可逆性改变。LucenaMC[17][18]对力竭性运动的大鼠心室影响进行研究指出，力竭性运动会导致心肌细胞与间质之间的比值降低。力竭性运动即刻大鼠心室肌形态发生退行性变化，主要表现在：肌小节中的肌原纤维从极度收缩的有组织状态变为肌原纤维失去方向和Z线模糊的无组织状态、线粒体表现为肿胀并伴有嵴的瓦解和线粒体膜之间的间隙变窄、细胞核表现为异染色质的数量增加。动物实验结果证明，适宜的负荷可引起心肌的生理性肥大，不适宜的负荷可导致心脏发生病理性肥大。近年来右心室构型变化的研究引起人们的重视。尽管对运动引起心脏构型的重塑已经进行了大量的研究，但对运动引起的心房重塑及右室重塑还应做深入的研究和探讨。1.2运动对心肌细胞的影响心肌细胞在心脏组织结构和功能方面起着重要作用。研究表明,在不同负荷条件下,心肌细胞肥大是一种适应性或代偿性生理/病理变化过程。在构成心脏的细胞中，心肌细胞仅为心脏细胞总数的1/3，而体积却约占心脏结构的75%。因此,近1个世纪以来，人们在运动引起心肌细胞肥大的研究中不断探索。李玉峰，王士雯[19]对老年大鼠进行有规律的游泳训练运动后发现呼吸控制率、碳氧比值明显增加，电子传递组分的活性显著升高，说明长时间有规律的游泳运动能明显提高老年大鼠心肌线粒体的功能，可能是运动改善了老年动物心脏功能的能量基础。冯启[20]实验证明，适宜的运动负荷可使心肌细胞发生生理性肥大，表现为心肌细胞体密度下降；心肌纤维增粗，肌节变长；心肌收缩能力增加；心肌线粒体均匀体积增大；肌质网摄取钙能力增加；线粒体嵴致密；基质电子密度增高。毛宗珍[21]等人的研究表明适宜负荷后，心脏发生生理性重塑，心肌发生生理性肥大，主要是：线粒体数目增多，体积增大，轻度肿胀；肌管系统轻度扩张；毛细血管增多。过度训练后，心脏发生病理性重塑，心肌发生缺血缺氧性损伤。主要是：肌丝断裂；线粒体增多肥大，膜损伤，嵴模糊甚至消失，基质溶解；胞核分叶、老化。雷志平等人[22]对SD大鼠进行4周的间歇性低氧训练后，电镜下观察其急性运动后心肌组织的超微结构变化，并进行形态计量学分析。结果显示：间歇性低氧训练和有氧运动相结合，可对心肌肌原纤维间线粒体的数量和体积产生一定影响，并通过线粒体体积密度的增高和线粒体内膜及嵴的表面密度的增大，提高有氧代谢能力。田振军等[23][24]研究发现过度负荷及过度训练可导致心肌肌丝紊乱，部分肌丝断裂，并出现心肌纤维化，结缔组织增生，肌节异常，粗肌丝减少，无法区分Ａ带、Ⅰ带,部分肌核溶解消失,线粒体肿胀,嵴断裂,呈现空泡样变,心肌细胞闰盘局部扩张,收缩能力下降,同时还导致心肌线粒体钙超载,细胞膜受损。赵敬国[25]对大鼠进行l周力竭性训练，发现运动后即-3-刻及30分仍可表现为心脏充血．部分心肌浊肿，3小时只可见有轻度心肌细胞浊肿，24小时基本恢复正常。提示经过1周反复的力蝎性游泳运动可明显地提高心肌的适应能力．表现为进行同样运动后心肌损伤的程度明显减轻。张勇[26]采用三级递增负荷跑台对大鼠进行力竭性运动试验，运动即刻测的大鼠心肌线粒体丙二醛含量，发现心肌线粒体膜脂质过氧化水平显著性增高，从而影响到线粒体呼吸链氧化磷酸化以及ATP生成。步斌[27]通过对SD大鼠建立过度训练模型,光镜下HE切片观察不同训练时期样本,主要见心肌纤维浊肿,以20天和30天组更为严重。此外,从5天组开始,可见部分心肌细胞核周隙扩张,呈空泡状,核有压迹。训练30天组,尚可见心肌纤维灶状坏死。心肌间质1天即出现水肿,10天后可见较多的炎细胞浸润,训练20天和30天组可见间质出血及间质结缔组织增生。透射电镜下见训练1天组线粒体呈局灶性肿胀,嵴变短,部分线粒体完好。闰盘两端线粒体肿胀,有的心肌细胞核异染色质集聚,常染色质稀疏,肌原纤维间间隙变大,不规整,毛细血管内皮细胞肿胀,其胞桨内的线粒体嵴变短,内质网扩张,训练5天组电镜下见线粒体大小不匀,多数肿胀,嵴变短,有的线粒体异常肿大,嵴几乎消失或呈絮状致密斑状。闰盘连接处线粒体损伤严重,膜不连续,有断裂,可见部分纵向嵴线粒体。肿胀的线粒体和扩张的内质网挤压核致呈不规则状,有的核周隙扩张,可见肌原纤维断裂,甚至溶解。1.3运动对非心肌细胞的结构影响最近,大量研究表明,非心肌细胞在维持心脏结构与功能方面起着与心肌细胞同等重要的作用。非心肌细胞包括心肌成纤维细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞、巨噬细胞等多种细胞,在心肌组织中占很大比例。毛细血管则为各类细胞提供能量,输送血液。大量文献表明,毛细血管在运动中发生了生理性或病理性重塑;适应的运动负荷导致心肌组织中毛细血管数量增多,毛细血管内皮细胞中微饮小泡增加,毛细血管腔面微绒毛状结构增加,毛细血管内皮细胞中微饮小泡增加,毛细血管腔面微绒毛状结构增加,毛细血管腔室表面积增加,为运动心脏肥大及功能增强奠定基础。[28]过度负荷及过度训练可导致心肌细胞纤维化,间质成分增加,成纤维细胞增多,毛细血管密度下降,心肌发生缺血性损伤。非心肌细胞中的成纤维细胞产生和分泌胶原蛋白,在心肌内以胶原纤维的形式存在,构成心肌间质的三维空间的网络结构[29][30]。胶原纤维对心肌细胞起支持、排列作用,并在维持心脏正常收缩和舒张方面起重要作用。胡晓晟等[31]认为在动脉性高血压的心肌肥大过程中,心肌间质原有胶原增粗,新胶原体积比原来缺乏；胶原的心肌间质内、胶原体积比例增加导致间质纤维化,其结果造成间质网络结构破坏,心室舒张期硬度增加,引起功能性障碍,使生理性向病理性转变。由此可见,非心肌细胞重塑的研究有着非常重要的意义,在运动与心脏研究中,这方面将会成为今后几年来的研究热点。步斌[27]通过对SD大鼠建立过度训练模型于光镜下观察到毛细血管训练1天组即出现内皮组织肿胀,核肿大,着色浅,细微结构不清;内皮细胞胞桨肿胀,细血管及小动静脉淤血。从5天组起,着色浅,细胞周界不清,也可见毛细血管损伤重于心肌纤维,损害更明显。电镜下训练5天组还可见毛细血管壁失去正常结构、壁变薄；毛细血管内皮细胞胞质出现大量空泡,细胞核异染色质边集,常染色质稀疏,单个或3～5个不等的红细胞淤积在管腔内,有的毛细血管管腔变窄,甚至闭锁。训练10天、15组上述病变更重,线粒体、内质网损害更明显,细胞核常染色质稀疏,异染色质集聚更严重。未观察到心肌细胞或毛细血管的增生现象。2运动对心脏的生物学影响运动对心脏的影响不仅表现在形态、功能方面，而且还表现在生物学方面。主要包括心肌酶学指标和分子生物学指标两方面的适应性变化。-4-2.1运动对心肌酶学指标的影响长期运动训练可引起心肌细胞中已糖激酶、丙酮酸激酶和乳酸脱氢酶活性提高，这表明心肌组织糖酵解代射能力提高，加之，心肌中琥珀酸脱氢酶活性的提高，NAD+含量增加，说明心肌中糖的有氧化谢能力也是增加的。长期训练后心肌线粒体能量产生能力的变化并没有骨骼肌的变化那么明显。动物研究发现，训练后大鼠心肌的线粒体积和密度均未出现明显增加，但线粒体中线粒体蛋白含量，泛醌和cytc的含量增高了，表明心肌氧化磷酸化能力提高。虽然对于训练引起心肌酶学的改变尚存在一定的争议，但大多数实验研究表明心肌线粒体中大多数氧化酶的活性是增加的，也就表明心肌组织的有氧代谢能力经训练后是有所提高的。对大鼠心肌的研究还发现，训练大鼠心肌原纤维中ATPase活性提高，其变化程度与训练强度、持续时间及运动方式密切相关，耐力训练的作用相对较为明显，与跑台训练相比，游泳运动能产生更大幅度的心肌肥大和心肌肌原纤维ATPase活性的增加[32]。能量代谢相