卡爾文跑步機助力SCI：運動訓練對小鼠心臟功能及心肌線粒體自噬的影響

一、研究背景與目的

- 背景：心力衰竭（HF）是全球棘手的公共衛生問題，影響超3800萬人，患者生活質量低、預后差，1年死亡率30%-40%，5年死亡率超50%。運動心臟康復是HF管理的重要部分，但不同運動方式對不同病因HF的心臟結構和功能益處尚無共識，且線粒體自噬（mitophagy）在其中的作用不明。

- 目的：探究8周中等強度持續訓練（MICT）和高強度間歇訓練（HIIT）對缺血性和壓力超負荷性心力衰竭小鼠心臟結構、功能的影響，以及線粒體自噬在其中的作用機制。

西安交通大學附屬第二醫院在《Experimental Physiology》發表文章“Exercise training improves cardiac function and regulates myocardial mitophagy differently in ischaemic and pressure-overload heart failure mice” ，研究表明運動可通過改善心肌自噬和線粒體自噬發揮心臟保護作用，且這種改善并非單純劑量依賴，與運動對心臟功能的促進作用不一致；多種線粒體自噬通路（尤其是PRKN依賴通路）參與其中，心肌對運動的反應具有運動方式和病因依賴性。

二、研究方法

（一）實驗動物與分組

- 選用8周齡雄性C57BL/6J野生型小鼠，構建兩種HF模型：通過左前降支結扎（LAD）建立心肌梗死（MI）缺血性HF模型，通過主動脈縮窄（TAC）建立壓力超負荷性HF模型。

- 小鼠隨機分為假手術組（SHAM）、久坐組（SED）、MICT組、HIIT組，每組6只。

（二）運動方案

- 適應期：共3天，第1天跑步機速度0.0m/min，持續15min；第2天5.0m/min，15min；第3天10.0m/min，10min。

- 運動能力測試：熱身5min（6.0m/min），初始速度9.0m/min，每3min增加3.0m/min直至力竭，通過校正峰值速度（Vpeak）評估運動能力，訓練前后及中期各測1次。

- 訓練期：每周5天，共8周，每天60min。MICT強度為65%-70%Vpeak；HIIT含6min熱身（50-60%Vpeak）、8組間歇訓練（4min 85-90%Vpeak+2min 50-60%Vpeak）、6min冷身（50-60%Vpeak）。

實驗方法：

運動方案包括3天的適應期、運動能力測試，以及術后2個月使用KW-PT小動物跑步機(中國南京卡爾文)進行的8周訓練期(圖1a)。跑步帶后面的電網開關處于關閉狀態，以防止老鼠在跑步機上觸電;在電網前面放置障礙物，以防止老鼠在未通電的電網上休息。跑步機的傾斜度全程為0°。(1)適應期，第1天跑步機速度為0.0m/min，持續15 min;第2天5.0 m/min，持續 15 分鐘;第3天10.0 m/min 持續 10 分鐘(Janice Sánchez等人，2019 年）

（三）檢測指標與方法

1. 心臟結構與功能：術后2個月及訓練后，采用高分辨率小動物超聲成像系統（Vevo 2100）檢測左心室舒張末期內徑（LVIDd）、收縮末期內徑（LVIDs）、射血分數（LVEF）、縮短分數（FS）；通過酶聯免疫法檢測血清腦鈉肽（BNP）濃度。

2. 心肌病理形態：處死小鼠后取心臟，計算心臟重量/體重（HW/BW）、心臟重量/脛骨長度（HW/TL）、左心室質量指數（LVMI）、右心室質量指數（RVMI）；進行HE染色觀察心肌纖維，Masson三色染色觀察心肌間質纖維化并計算膠原體積分數（CVF）。

3. 自噬與線粒體自噬相關指標：采用實時熒光定量RT-PCR檢測自噬（Map1lc3b、Sqstm1）和線粒體自噬（Pink1、Prkn、Becn1、Bnip3、Hif1α）相關基因mRNA表達；Western blotting檢測相關蛋白（LC3B、P62、PINK1、PRKN、BECN1、BNIP3、HIF1α）表達；通過lv喹抑制自噬體與溶酶體融合，檢測心肌自噬流。

三、研究結果

（一）模型構建驗證

- 術后2個月，MI組小鼠出現毛發晦暗、乏力、氣短，運動能力顯著下降（P<0.01），LVIDs升高（P<0.01），LVEF、FS降低（P<0.0001）；TAC組小鼠無明顯外觀異常，運動能力略有下降但不顯著，LVIDd、LVIDs縮小（P<0.0001），LVEF、FS升高（P<0.05/P<0.01）。兩組血清BNP均顯著高于假手術組（P<0.0001），模型構建成功。

（二）運動對心臟結構與功能的影響

1. 缺血性HF（MI組）：MICT顯著提高LVEF、FS（P<0.05），降低LVIDs、BNP（P<0.01/P<0.0001）；HIIT僅顯著降低BNP（P<0.0001），對LVIDd、LVIDs、LVEF、FS無顯著改善。

2. 壓力超負荷性HF（TAC組）：MICT和HIIT均顯著提高LVEF、FS（P<0.001/P<0.0001），降低LVIDd、LVIDs、BNP（P<0.0001），且HIIT在降低BNP方面更優（P<0.0001）。

3. 運動能力：MICT顯著提高兩種HF小鼠的運動能力（P<0.001/P<0.0001），且優于HIIT（P<0.05）；HIIT僅呈改善趨勢，無顯著差異。

（三）運動對心肌病理形態的影響

- 久坐組HF小鼠心臟偏大，心肌纖維紊亂、斷裂，心室腔擴大、室壁變薄，纖維化顯著（P<0.0001）。MICT和HIIT均能不同程度逆轉心肌肥大和重構，減少間質纖維化（P<0.01/P<0.0001），且改善趨勢與心臟功能結果一致。

（四）運動對自噬與線粒體自噬的影響

1. 自噬：HF小鼠心肌自噬流受抑，MICT和HIIT可改善自噬流。MI組中HIIT提升自噬相關指標更顯著，TAC組中MICT提升更顯著（如TAC組MICT顯著提高LC3II/LC3I和LC3II/GAPDH比值，P<0.01）。

2. 線粒體自噬：HF小鼠線粒體自噬相關基因和蛋白表達降低，MICT和HIIT可上調其表達，但作用因模型而異。MI組中HIIT對PINK1、PRKN等提升更顯著，TAC組中MICT更有效；相關性分析顯示，缺血性HF中PINK1、PRKN、BECN1、HIF1α與LVEF、FS正相關（P<0.05/P<0.01/P<0.0001），壓力超負荷性HF中主要是PRKN依賴通路發揮作用（P<0.01）。

四、研究結論

1. 運動方式選擇：MICT是改善缺血性心力衰竭心臟結構和功能的“最佳”方式；MICT和HIIT（尤其是HIIT）均適用于壓力超負荷性心力衰竭，且MICT在提升兩種HF小鼠運動能力方面有獨特優勢。

2. 機制作用：運動可通過改善心肌自噬和線粒體自噬發揮心臟保護作用，且這種改善并非單純劑量依賴，與運動對心臟功能的促進作用不一致；多種線粒體自噬通路（尤其是PRKN依賴通路）參與其中，心肌對運動的反應具有運動方式和病因依賴性。