心脏再同步化技术对心肌能量代谢的影响机制及其意义的研究

With the development of cardiovascular diseases (CVDs) treatment techniques, more and more CVDs progresses into the phase of heart failure (HF). Clinical practices have proved that CRT could ameliorate HF symptoms, but the mechanisms are still in vague. It has been demonstrated that progression of HF accompanies the cardiac energy metabolism abnormality. Our preliminary studies also revealed disruption of the mitochondrial ultrastructure and down-regulation of MCU, MICU2 and pyruvatedehydrogenase kinase 4 (an energy metabolism related enzyme) genes in HF dogs’ myocardium, while CRT could reverse the above pathological and biological alterations. These indicated that CRT might improve heart function via affecting the expression of MCU and MICU2, two vital proteins in regulating mitochondrial matrix calcium homeostasis, and further modulating the activity of related enzymes’ activity. This project was designed, applying the methods of telescope, confocal laser scanning microscope, immunohistology, ELISA, western blot and Langendorff system in a model of CRT treated HF dogs, to clarify the mechanism of CRT in regulating HF myocardium energy metabolism via modulating mitochondrial matrix calcium homeostasis in the novel angle of MCU and MICU2, and in further to discuss the probability to be a novel drug target and a clinical indication diameter for CRT.

心力衰竭发病率逐渐趋高。临床证明心脏再同步化治疗(CRT)能够改善心功能，但机制不明。既往发现心衰伴随心肌能量代谢异常。我们在心衰犬模型的前期研究也证实：电镜下心衰犬心肌组织线粒体超微结构破坏；基因芯片研究发现：线粒体内膜钙通道蛋白MCU、MICU2及能量代谢相关丙酮酸脱氢酶激酶4 表达改变；而CRT可改变上述心衰后病理学及分子生物学改变，同时伴随心肌钙超载的减轻。故提出假说：CRT可能通过影响线粒体内膜钙通道蛋白MCU、MICU2表达，调控线粒体基质钙稳态，干预线粒体能量代谢相关酶类活性，改善心功能。本项目拟利用CRT治疗心衰犬模型，运用电镜、激光共聚焦显微镜、免疫组化、WB、心脏灌流装置等，首次从MCU、MICU2入手，围绕线粒体钙稳态及能量代谢相关酶类活性改变，讨论CRT调节心肌能量代谢、改善心功能的机制，探讨其药物研发价值，并行临床研究讨论其作为优化甄别CRT适应人群指标的可能性。

心力衰竭的发生和发展与线粒体损伤和线粒体功能异常有密切关系。线粒体是细胞中产生能量的主要场所,而心脏作为人体耗能最大的器官之一,其对线粒体功能变化和线粒体损伤异常敏感。线粒体钙单向转运 体(MCU)是钙离子经线粒体内膜进入线粒体基质的最主要离子通道。MCU对钙离子的摄取是浓度依赖性的,当胞浆钙显著增高时线粒体钙摄取增加,反之则减少。因此MCU的表达情况和功能状态直接影响线粒体基质钙离子浓度,并进 而影响需钙离子活化的能量代谢相关酶活性。MCU的过度表达被证明可以促进心脏疾病的进展,而降低其表达水平或者使用其特异性抑制剂可以起到保护心脏 功能,减轻心肌损伤的作用。心脏再同步化治疗(CRT)作为一种心力衰竭的器械治疗方法,其临床疗效已经被证实,然而目前有关CRT改善心力衰竭作用的具体机制尚不清楚,并且 国内外相关的基础研究也较少。我们通过建立实验犬右心房快速起搏诱导心力衰竭作为心衰模 型,模拟扩张型心肌病的临床和病理特点;再通过双心室起搏作为CRT治疗动物模型。此外,我们通过心肌组织表达谱芯片高通量检测技术,筛选出与线粒体有关的差异基因,包括编码线粒体钙单向转运体(MCU)和线粒体动力相关蛋白1(Drp1)的基因。由于MCU和Drp1均与心脏自噬相关, 因此我们通过研究CRT对MCU和Drp1蛋白表达的影响及其与自噬的 关系,并在体外通过血管紧张素II(AngII)和细胞牵张培养分别模拟心肌细胞病理性应激状态和CRT对心肌细胞的机械作用,从而在动物体内实验和细胞体外实验两个方面深入研究了CRT作用的分子机制。由于 MCU 在心力衰竭的发生和发展中可能有重要作用。因此我们还通过建 立小鼠主动脉缩窄(TAC)诱导的心脏压力超负荷所致心衰模型,研究 MCU 特 异性抑制剂对长期压力负荷增加的小鼠心脏的保护作用及其与心脏自噬的关系。此外,我们还通过体外细胞干预实验研究MCU功能抑制或者siRNA敲减MCU表达对细胞自噬和线粒体自噬的影响。MCU通过调控心肌细胞自噬尤其是线粒体自噬从而影响线粒体质量控制，并改善心肌细胞能量代谢产物水平。在本研究中我们通过阐述MCU在心力衰竭过程中与心脏自噬的关系为CRT治疗的分子机制研究提供了理论支持。此外, 我们还发现MCU抑制剂对心脏具有保护作用,这有可能为心衰的治疗提供新的干预靶点。