引用本文： 李文彪, 陳沁. 阻塞性睡眠呼吸暫停損害心臟的分子機制研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2025, 24(1): 64-70. doi: 10.7507/1671-6205.202404001 復制
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阻塞性睡眠呼吸暫停（obstructive sleep apnea，OSA）是一種常見的與睡眠障礙相關的疾病，其特征是夜間睡眠時上呼吸道反復塌陷，導致睡眠碎片、低氧血癥、高碳酸血癥、胸內壓明顯波動和交感神經活動增加，表現為睡眠時呼吸暫停或低通氣甚至憋醒，常伴有白天嗜睡、注意力不集中、記憶力下降、頭暈等癥狀[1]。在北美，男性OSA的患病率為15%～30%，女性為10%～15%[2]。患病率也呈逐年遞增的趨勢，從1990年到2010年，美國成年男性OSA的患病率從11%上升到14%[3]。慢性間歇性低氧是其一種十分特殊的病理現象，表現為夜間反復缺氧，然后再充氧[4]。患者長期處于這種狀態下，會給機體多個器官造成損傷，比如心、腦、肝、腎等器官。而心臟作為高耗氧量器官之一，更易在慢性間歇性低氧環境下而功能受損。臨床數據顯示阻塞性睡眠呼吸暫停患者心臟結構明顯發生改變，呈向心性肥厚，左心室收縮和舒張功能減退[5]。基礎實驗數據同樣顯示，在慢性間歇低氧（chronic intermittent hypoxia，CIH）環境下，大鼠心臟功能明顯受損，縮短分數和射血分數均會降低[6-8]，同時心肌細胞紊亂，出現一定程度的壞死和水腫。大鼠還會出現心臟間質空間增加，結構異常等表現[9]。作為一種全身性疾病，OSA已經被證實是心血管疾病的獨立高危險因素[10]。為了更好地防治OSA損傷心功能，十分有必要揭示其背后的損傷機制，因此CIH損傷心功能機制的研究成為了當下的熱門研究方向。現有研究表明，CIH會導致機體發生氧化應激反應、炎癥反應、細胞凋亡、自噬等病理變化，從而損傷心肌，進一步損害心臟功能。隨著研究的深入，其背后的具體的分子機制也被進一步闡明，本文對心肌在CIH狀態下受損的機制做一綜述。
1 氧化應激
生理狀態下機體處于氧化和抗氧化的平衡狀態，外界條件變化時平衡被打破，氧化作用大于抗氧化作用，導致ROS介導的脂質、蛋白質和DNA受損[11]，從而影響癌癥、神經變形、動脈粥樣硬化、糖尿病和衰老等多種疾病的發生發展，這一過程被稱為氧化應激[12-13]。ROS主要來源于線粒體的有氧代謝途徑[14]，包括超氧陰離子、羥基自由基和過氧化氫等，他們具備很強的氧化能力，會從其他物質中剝奪電子，從而改變該物質原有的結構和功能。其中，過氧化氫能將半胱氨酸殘基（Cys-S）氧化成可逆的亞砜形式（Cys-SOH）[13，15]，但當過氧化氫水平過高時，進一步氧化成不可逆的亞磺酸（sulfurous acid）和磺酸（sulfonic acid）形式，從而永久性損傷蛋白質。類似于過氧化氫，超氧陰離子能破壞含有鐵-硫團簇的蛋白質，羥基自由基會不加選擇地氧化脂質、蛋白質和DNA[16]。ROS的清除主要依賴于機體內的抗氧化劑，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶等，超氧化物歧化酶能迅速將超氧陰離子轉化成過氧化氫，過氧化氫能被過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶分解成水，這些酶的存在使得ROS能被調控。此外，機體內還存在一些非酶型抗氧化劑，如維生素C、維生素E和谷胱甘肽等[11-12]。因此，ROS在機體生理功能中扮演著十分重要的角色，其含量在很大程度上決定著它扮演著什么樣的“角色”（好或壞）。研究表明CIH會通過提高ROS的水平促進氧化應激的發生，從而導致心、腦、肝、腎、肺等多器官損傷[17-23]。CIH激化氧化應激的機制主要體現在兩個方面，第一，CIH提高ROS水平；第二，CIH降低抗氧化劑水平，下面具體介紹CIH如何實現這兩個途徑。
核因子紅細胞2相關因子2（nuclear factor?erythroid 2 related factor 2，Nrf2）是細胞中氧化應激的主要傳感器[24-25]，其水平主要受Kelch樣ECH關聯蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）調控[26]。當細胞內氧化劑水平升高，Nrf2會從Nrf2-Keap1復合物中解離出來進入細胞核中，從而啟動一些抗氧化基因的轉錄，比如血紅素加氧酶1、過氧化氫酶[27-28]。而CIH會降低Nrf2的表達，從而減少Nrf2下游抗氧化基因的表達，最終加劇氧化應激反應[29]。CIH條件下，肌纖生成調節因子-1（myofibrillogenesis regulator-1，MR-1）會過高表達，在將其沉默后，Nrf2表達升高，氧化應激得到緩解[30]，這間接說明MR-1參與了CIH導致的氧化應激過程，這一過程似乎是通過調控Nrf2實現，但具體調控機制未被闡明。
金屬硫蛋白（metallothionein，MT）是一類廣泛存在于生物中的金屬結合蛋白，具有極強的抗氧化活性，能夠清除超氧化物、羥基自由基和過氧化氫等ROS[31-32]。暴露于CIH環境下的小鼠，MT表達下降，氧化應激增強[33]。此外，在CIH狀態下，Nrf2和MT下降趨勢趨于一致且兩者之間似乎存在著正反饋調節，Nrf2作為轉錄因子能與MT的啟動子結合促進MT的表達，相反，MT通過激活PI3K/Akt/GSK-3β/Fyn通路促進Nrf2的表達[34]。
細胞內鐵離子含量對氧化應激程度具有一定影響，過氧化氫在鐵離子的存在下會轉化成更具毒害作用的羥基自由基（芬頓反應）[35]。CIH環境下，小鼠心肌細胞中總鐵含量升高[36]，總鐵含量升高可能與轉鐵蛋白受體1和二價金屬轉運蛋白1（兩者為血清游離鐵進入心肌細胞的相關蛋白）表達增強以及FPN1蛋白（唯一的鐵釋放蛋白）表達下降有關，同時線粒體中的鐵含量會過載，線粒體中鐵過載可能與Mfrn2和MtFt（線粒體中特異性表達的可以結合鐵的鐵蛋白）表達增強以及ABCB8蛋白（與線粒體鐵輸出功能相關）表達降低有關。
前文中提到ROS主要來源于線粒體呼吸鏈，而NADPH氧化酶同樣是ROS的重要來源途徑。研究發現在C2C12成肌細胞中，45%的ROS來自線粒體，40%來自NADPH氧化酶[37]。NADPH氧化酶是一類跨膜氧化還原酶，將電子從膜一側的NADPH跨膜傳遞給另一側的氧分子，生成以超氧陰離子和過氧化氫為主的ROS類物質，NADPH氧化酶在一定程度上決定了ROS的產生[38]。研究發現相對于常氧組，CIH組老鼠NADPH酶的mRNA和蛋白質表達都會升高，且最終都有ROS升高，這提示CIH可能通過升高NADPH氧化酶從而增加ROS的產生，最終加劇氧化應激[29，36，39]。同時，ROS的產生介導了內質網應激和炎癥等眾多病理反應。
2 炎癥
如今，人們普遍認為炎癥是機體對于外源性或內源性刺激做出的一種防御性的應激反應[40]。炎癥反應的目的是清除有害性刺激，但如果有害性刺激長期不能被清除，機體會進一步出現病理性反應，比如組織纖維化、壞死等。眾多研究已經表明，處于CIH環境中的大鼠心肌組織中白細胞介素（interleukin，IL）-1、IL-6、IL-18和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等炎癥因子表達水平升高[41-44]，這些分子與炎癥反應都密切相關[45-46]。Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）、核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小體和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）等分子在CIH導通過炎癥損傷心肌的過程中也扮演著重要角色。
NLRP3炎性小體[47-48]是受體蛋白NLRP3、凋亡相關的斑點樣蛋白（apoptosis associated speck like protein containing a CARD，ASC）和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）前體（pro-caspase-1）三種蛋白質的復合物，NLRP3炎性小體被激活后會促進IL-1β和IL-18的激活與釋放。NLRP3炎性小體激活前需要接受一個啟動信號，該啟動信號主要由NF-κB介導，當受到刺激后，比如TNF-α、IL-1β和病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）、NF-κB被激活并促進NLRP3的表達，啟動信號發生后，NLRP3炎性小體再在相關刺激下被激活。而CIH會誘發氧化應激，導致大量ROS增加，從而刺激硫氧還蛋白互作蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）[49]與硫氧還蛋白分離，然后TXNIP與NLRP3結合，從而激活NLRP3炎性小體，進一步導致其下游炎癥因子IL-1β和IL-18表達升高，最終造成CIH小鼠心肌炎癥和損傷[50-51]。
研究發現CIH能使心肌組織中TRL4 mRNA和MyD88 mRNA表達水平升高[52]。TRL4是參與非特異性免疫的一種重要蛋白質分子，能識別體內一些內源性信號分子，從而介導炎癥反應的發生。TLR4信號傳導依賴于髓樣分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）途徑，MyD88途徑能激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK），從而導致AP-1轉錄因子激活，進而增加下游促炎基因轉錄。研究發現CIH使大鼠心肌細胞中蜂窩通信網絡因子1（cellular communication network factor 1，CCN1）表達水平升高，CCN1水平影響著JNK（MAPK的一種）/c-Jun（AP-1的一種）通路表達水平[53]，這提示CIH可能是基于CCN1通過調控JNK/c-Jun通路影響炎癥反應。CCN1能作為配體發揮作用，直接結合受體TLR2和TLR4，從而激活MyD88導致炎癥細胞因子和趨化因子的表達[54]。這說明，CIH通過誘導CCN1表達，CCN1與TLR4結合，進而激活下游一系列級聯反應，最終導致炎癥反應的發生。
NF-κB是一種體內普遍存在的核轉錄因子，細胞質中的NF-κB通常是與其抑制蛋白（inhibitor of NF-κB，IkB）結合成三聚體的復合物，處于失活狀態。當受到刺激因子激活后，NF-κB迅速轉移至細胞核內，參與調控炎癥相關基因的轉錄，引起炎癥反應。NF-κB激活的一種已知途徑是TRL4信號傳導，CIH誘導增加的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）會激活TRL4信號傳導，誘導NF-κB激活，導致多種炎性細胞因子和趨化因子的上調[55]，比如IL-1、TNF-α。相反，這些炎癥因子又會活化炎癥細胞，進一步活化NF-κB，從而形成炎癥反應相關因子的正反饋網絡調節。
研究發現類固醇受體共激活因子-3（steroid receptor coactivator 3，SRC-3）在成年小鼠心臟組織中極低表達，而在CIH環境中成年小鼠心臟組織中高表達[39]。SRC-3是p160類固醇受體共激活因子家族的成員，也是一些核受體和轉錄因子的共激活因子。SRC-3通過激活NF-κB信號通路和促進CXC趨化因子配體2（CXC motif chemokine ligand 2，CXCL2）表達從而募集中性粒細胞來促進炎癥[56]。說明CIH通過提高小鼠心臟中SRC3表達，從而激活NF-κB途徑，促進炎癥，損傷心功能。
炎癥反應本身的調控網絡就十分復雜，在CIH環境下的炎癥反應調控系統更為多變，各個分子之間的聯系就變得更為復雜。總之，從當前研究內容來看，CIH能促進機體和心臟產生多種內源性信號分子，比如CCN1、ROS等，這些信號分子會被某些感受器識別，機體產生應答，激活炎癥級聯反應，產生炎癥因子，最終導致炎癥反應。而這些炎癥因子又會進一步激活炎癥相關信號通路，進一步加重炎癥反應，形成一個正反饋調控。
3 線粒體功能障礙
線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，是制造能量的結構，與氧氣密切相關。同時，線粒體是不斷進行裂變和融合的動態細胞器。在電子顯微鏡下觀察慢性間歇性缺氧環境下小鼠心室肌細胞，發現線粒體數量減少、部分線粒體嵴斷裂、消失，呈空泡狀溶解[57-58]。已有證據顯示異常線粒體的裂變和眾多心臟疾病相關，比如心力衰竭和心肌梗死。CIH會誘導心肌細胞線粒體裂變增加，從而損傷心臟。線粒體裂變增加可能與線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）表達下降和動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）表達增加有關，Mfn2與線粒體融合相關，Drp1與線粒體裂變相關腺苷酸活化蛋白激酶（adenylate activates protein kinase，AMPK）/過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）軸對于維持線粒體結構和功能的完整性、調節線粒體能量代謝有著關鍵作用[59]。AMPK能感知細胞內ATP水平，當三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水平過低時，AMPK與單磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）或二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）結合激活，從而激活下游PGC-1α[60]，PGC-1α對于維持線粒體穩態有著重要作用[61]。研究發現CIH抑制了AMPK/PGC-1α通路的表達，導致心肌線粒體結構受損與合成障礙，進一步引起心臟結構和功能的改變；靶向封閉CB1R后，可逆轉AMPK/PGC-1α通路的低表達，改善線粒體損傷和心肌損傷[57]。這提示CB1R在CIH抑制AMPK/PGC-1α通路中扮演重要角色。CIH會使心肌細胞線粒體的結構及功能損傷、線粒體的生物合成發生障礙、能量代謝失衡，從而損傷心臟結構和功能。
4 自噬
自噬是指細胞內某些需要降解的細胞器、蛋白質等成分被雙層膜包裹形成自噬體，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物，以實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新。過高或過低的自噬水平都會對機體起到消極作用。過度的自噬會無差別吞噬細胞內物質，破壞其結構從而影響正常的生理功能。而過低的自噬會導致細胞內一些代謝廢物不能及時得到清除，影響能量和蛋白質的新陳代謝，導致機體發生病理改變。CIH刺激下，自噬在心臟中同樣表現出保護性機制[62-63]，它會清除細胞中受損的細胞器和蛋白質等成分。在CIH早期，心肌中自噬水平會代償性升高，心肌組織中出現大量自噬小體，且體積更大，結構更復雜，繼續進行間歇性低氧刺激，自噬水平則會出現下降趨勢，自噬小體數量減少，甚至下降到比未接受間歇低氧處理時還要低的水平，CIH環境下自噬水平呈現一種波動性變化[64]。自噬作為一種保護性機制，對于CIH造成的細胞或細胞器損傷作出應答，呈現出升高趨勢，恰恰又因為CIH的存在，本應該持續升高的自噬水平會被這種刺激所抑制，從而出現下降趨勢，所以說CIH損傷了自噬機制，從而使心臟受損。CIH損傷自噬的機制可能與AMPK有關，AMPK除了是能量調節的關鍵因子外，還是一種重要的心肌自噬水平調節因子，通過抑制mTOR復合物1來調控自噬。研究表明AMPK通路的自噬水平上調可以對抗心肌缺血、缺氧、糖尿病及吸煙造成的損傷；而AMPK缺失導致的自噬受損或者是AMPK通路下調導致的自噬水平下調都會導致病變更加顯著[65-70]。研究更是直接表明CIH會通過下調AMPK通路水平[71]，從而損傷自噬，最終導致小鼠心功能受損[64]。
5 內質網應激
內質網的主要功能是合成蛋白質、脂質和糖類，是跨膜蛋白和分泌性蛋白的合成場所，接受核糖體合成的蛋白質并對其進行加工，形成蛋白質三級結構。它是一個高度活躍的細胞器，對于外界環境變化十分敏感，多種刺激導致內質網中未折疊的蛋白質積累，從而產生內質網應激。內質網應激包含未折疊蛋白反應和內質網超負荷反應，前者共有3條通路，分別是肌醇依賴酶1（inositol?requiring enzyme1，IRE1）途徑[72]、蛋白激酶R樣內質網激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）途徑和活化轉錄因子6（activating transcription factor 6，ATF6）途徑[73]。內質網應激最初的目的是減少蛋白質合成，增強內質網的降解功能，從而減輕內質網的負擔，維持細胞內穩態[74]。但當刺激過度或持續時，細胞失代償，從而導致細胞凋亡。內質網控制細胞Ca2+攝取、儲存和信號傳導，保持細胞內Ca2+穩態。Ca2+穩態和內質網功能密切相關，Ca2+穩態失衡時，會抑制蛋白質翻譯后修飾，內質網內大量未折疊蛋白積累，從而導致內質網應激[75]。CIH會通過激活血管緊張素Ⅱ（angiotensin Ⅱ，AngⅡ）-PLC-三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）信號通路[76]，使細胞內Ca2+濃度超載，從而誘發內質網應激。IP3被激活后會引起內質網中Ca2+的釋放進入胞質，釋放進入胞質中的Ca2+會激活細胞膜上的非選擇性的陽離子通道，促進細胞膜去極化，導致細胞外Ca2+內流，細胞內Ca2+濃度大幅度升高，最終導致內質網應激。同時細胞內過載的Ca2+，也會觸發細胞凋亡。CIH產生大量ROS，ROS會破壞內質網功能，從而導致內質網應激[77-79]。首先，ROS可直接攻擊維持蛋白質折疊酶活性所必需的游離亞硫基，從而導致內質網腔內蛋白質的氧化修飾，進而誘導內質網分子伴侶蛋白功能異常，導致內質網腔內的展開蛋白被大量積累和，最終引發內質網應激[80]。此外，ROS還能通過調控內質網Ca2+釋放和攝取從而破壞Ca2+穩態，導致內質網應激。Ca2+的釋放主要由內質網上的IP3受體（IP3 receptor，IP3R）和蘭尼堿受體（ryanodine receptor，RyR）控制，NADPH氧化酶來源的ROS可直接作用于分布在內質網上的IP3R，引起其構象改變，導致胞內游離Ca2+濃度升高。ROS能雙向調控RyR影響Ca2+穩態，生化實驗顯示低濃度H2O2能活化RyR，高濃度H2O2對RyR產生抑制作用[81]。Ca2+-ATP酶可以將Ca2+從細胞質泵入內質網中，ROS能抑制Ca2+-ATP酶活性，從而減少內質網中Ca2+濃度，導致內質網應激[82]。
6 細胞凋亡
細胞凋亡是指為維持內環境穩定，由基因控制的細胞自主的有序的死亡。細胞凋亡與眾多疾病密切相關，比如艾滋病、腫瘤、自身免疫性疾病和阿爾茲海默病，在CIH損傷心肌的過程中同樣扮演著重要角色。目前已知哺乳動物的細胞凋亡途徑有三條，第一條為死亡受體途徑，由細胞表面的死亡受體介導；第二條為線粒體細胞凋亡途徑，由細胞內線粒體介導；第三條為內網應激細胞凋亡途徑，由內質網介導。CIH能通過調控后兩條途徑，導致心肌細胞凋亡，最終造成心臟損傷。CIH會導致內質網應激，三條內質網應激途徑的相關蛋白都和細胞凋亡密切相關。其中，肌醇需求酶1（inositol-Requiring Enzyme 1，IRE1）會激活JNK和p38 MAPK的表達，兩者都能激活促調亡蛋白BIM及抑制抑調亡蛋白BCL-2，從而引起細胞凋亡[83]。PERK發生自身磷酸化后，激活真核起始因子2α（eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α）[84]，eIF2α激活活化轉錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）[85]，ATF4激活C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）[86]，CHOP和ATF4會促進生長抑制及DNA損傷誘導蛋白-34（DNA damage-inducible protein 34，GADD34）表達，而高表達的GADD34會導致細胞凋亡[87]。同時CHOP還能調節BCL-2家族，使促凋亡蛋白增多，抑凋亡蛋白減少，引起細胞凋亡[88]。除了PERK能促進CHOP表達，IRE1[89]和ATF6[90]均可引起CHOP蛋白的高表達。此外，CIH能直接活化內質網上的Caspase-12，活化的Caspase-12能活化Caspase-9，活化的Caspase-9進一步活化Caspase-3，活化的Caspase-3是細胞凋亡的生物學標志。
RhoA/Rho激酶信號通路已經被證實[91]，它能通過上調Bax以激活線粒體死亡途徑并誘導心肌細胞凋亡，CIH會上調心肌組織RhoA/Rho激酶信號通路活性，從而導致心肌細胞凋亡[42]。Bim是BCL-2家族中的促凋亡蛋白，能促進線粒體內的凋亡因子釋放到胞質中，FOXO是Bim的上游調控基因，FOXO1的活化參與調節了一些基因的表達，其中就包括Bim[92]。CIH的刺激會導致FOXO1水平升高，從而促進Bim的表達，導致心肌細胞凋亡[93]。
7 總結
CIH導致心臟受損是多方面的，包括線粒體功能受損、氧化應激、自噬、內質網應激、炎癥和細胞凋亡等。心臟受損背后的機理看上去似乎是復雜而無序的，實際存在這樣一個邏輯。CIH刺激下，作為與氧氣密切相關的細胞器，線粒體首先出現結構和功能受損，當線粒體出現結構損傷，細胞在亞細胞水平做出應答反應，啟動自噬，清除受損線粒體。刺激持續存在，自噬反應不足以使受損的線粒體恢復穩態。值得注意的是，持續的CIH刺激同時還會抑制自噬水平，其背后的機制未有明確闡述。線粒體持續受損，細胞在更高的水平做出反應，細胞發生凋亡，過度的細胞凋亡導致器官受損，比如心臟。此外，線粒體功能受損，還會產生ROS，而過度的ROS會對脂質、蛋白質和DNA造成破壞，使情況變得更為復雜，比如ROS會破壞內質網蛋白質和Ca2+穩態，導致內質網應激，而內質網應激又會介導細胞凋亡。同時ROS還會作為信號分子，介導炎癥的發生，炎癥持續存在，會使器官功能走向更壞的結局。在整個CIH損傷心臟的過程中，線粒體受損是關鍵的一環，持續受損的線粒體引發一系列的連鎖反應。同時，ROS的大量產生會使情況變得更復雜，加重細胞受損。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
阻塞性睡眠呼吸暫停（obstructive sleep apnea，OSA）是一種常見的與睡眠障礙相關的疾病，其特征是夜間睡眠時上呼吸道反復塌陷，導致睡眠碎片、低氧血癥、高碳酸血癥、胸內壓明顯波動和交感神經活動增加，表現為睡眠時呼吸暫停或低通氣甚至憋醒，常伴有白天嗜睡、注意力不集中、記憶力下降、頭暈等癥狀[1]。在北美，男性OSA的患病率為15%～30%，女性為10%～15%[2]。患病率也呈逐年遞增的趨勢，從1990年到2010年，美國成年男性OSA的患病率從11%上升到14%[3]。慢性間歇性低氧是其一種十分特殊的病理現象，表現為夜間反復缺氧，然后再充氧[4]。患者長期處于這種狀態下，會給機體多個器官造成損傷，比如心、腦、肝、腎等器官。而心臟作為高耗氧量器官之一，更易在慢性間歇性低氧環境下而功能受損。臨床數據顯示阻塞性睡眠呼吸暫停患者心臟結構明顯發生改變，呈向心性肥厚，左心室收縮和舒張功能減退[5]。基礎實驗數據同樣顯示，在慢性間歇低氧（chronic intermittent hypoxia，CIH）環境下，大鼠心臟功能明顯受損，縮短分數和射血分數均會降低[6-8]，同時心肌細胞紊亂，出現一定程度的壞死和水腫。大鼠還會出現心臟間質空間增加，結構異常等表現[9]。作為一種全身性疾病，OSA已經被證實是心血管疾病的獨立高危險因素[10]。為了更好地防治OSA損傷心功能，十分有必要揭示其背后的損傷機制，因此CIH損傷心功能機制的研究成為了當下的熱門研究方向。現有研究表明，CIH會導致機體發生氧化應激反應、炎癥反應、細胞凋亡、自噬等病理變化，從而損傷心肌，進一步損害心臟功能。隨著研究的深入，其背后的具體的分子機制也被進一步闡明，本文對心肌在CIH狀態下受損的機制做一綜述。
1 氧化應激
生理狀態下機體處于氧化和抗氧化的平衡狀態，外界條件變化時平衡被打破，氧化作用大于抗氧化作用，導致ROS介導的脂質、蛋白質和DNA受損[11]，從而影響癌癥、神經變形、動脈粥樣硬化、糖尿病和衰老等多種疾病的發生發展，這一過程被稱為氧化應激[12-13]。ROS主要來源于線粒體的有氧代謝途徑[14]，包括超氧陰離子、羥基自由基和過氧化氫等，他們具備很強的氧化能力，會從其他物質中剝奪電子，從而改變該物質原有的結構和功能。其中，過氧化氫能將半胱氨酸殘基（Cys-S）氧化成可逆的亞砜形式（Cys-SOH）[13，15]，但當過氧化氫水平過高時，進一步氧化成不可逆的亞磺酸（sulfurous acid）和磺酸（sulfonic acid）形式，從而永久性損傷蛋白質。類似于過氧化氫，超氧陰離子能破壞含有鐵-硫團簇的蛋白質，羥基自由基會不加選擇地氧化脂質、蛋白質和DNA[16]。ROS的清除主要依賴于機體內的抗氧化劑，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶等，超氧化物歧化酶能迅速將超氧陰離子轉化成過氧化氫，過氧化氫能被過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶分解成水，這些酶的存在使得ROS能被調控。此外，機體內還存在一些非酶型抗氧化劑，如維生素C、維生素E和谷胱甘肽等[11-12]。因此，ROS在機體生理功能中扮演著十分重要的角色，其含量在很大程度上決定著它扮演著什么樣的“角色”（好或壞）。研究表明CIH會通過提高ROS的水平促進氧化應激的發生，從而導致心、腦、肝、腎、肺等多器官損傷[17-23]。CIH激化氧化應激的機制主要體現在兩個方面，第一，CIH提高ROS水平；第二，CIH降低抗氧化劑水平，下面具體介紹CIH如何實現這兩個途徑。
核因子紅細胞2相關因子2（nuclear factor?erythroid 2 related factor 2，Nrf2）是細胞中氧化應激的主要傳感器[24-25]，其水平主要受Kelch樣ECH關聯蛋白1（Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1）調控[26]。當細胞內氧化劑水平升高，Nrf2會從Nrf2-Keap1復合物中解離出來進入細胞核中，從而啟動一些抗氧化基因的轉錄，比如血紅素加氧酶1、過氧化氫酶[27-28]。而CIH會降低Nrf2的表達，從而減少Nrf2下游抗氧化基因的表達，最終加劇氧化應激反應[29]。CIH條件下，肌纖生成調節因子-1（myofibrillogenesis regulator-1，MR-1）會過高表達，在將其沉默后，Nrf2表達升高，氧化應激得到緩解[30]，這間接說明MR-1參與了CIH導致的氧化應激過程，這一過程似乎是通過調控Nrf2實現，但具體調控機制未被闡明。
金屬硫蛋白（metallothionein，MT）是一類廣泛存在于生物中的金屬結合蛋白，具有極強的抗氧化活性，能夠清除超氧化物、羥基自由基和過氧化氫等ROS[31-32]。暴露于CIH環境下的小鼠，MT表達下降，氧化應激增強[33]。此外，在CIH狀態下，Nrf2和MT下降趨勢趨于一致且兩者之間似乎存在著正反饋調節，Nrf2作為轉錄因子能與MT的啟動子結合促進MT的表達，相反，MT通過激活PI3K/Akt/GSK-3β/Fyn通路促進Nrf2的表達[34]。
細胞內鐵離子含量對氧化應激程度具有一定影響，過氧化氫在鐵離子的存在下會轉化成更具毒害作用的羥基自由基（芬頓反應）[35]。CIH環境下，小鼠心肌細胞中總鐵含量升高[36]，總鐵含量升高可能與轉鐵蛋白受體1和二價金屬轉運蛋白1（兩者為血清游離鐵進入心肌細胞的相關蛋白）表達增強以及FPN1蛋白（唯一的鐵釋放蛋白）表達下降有關，同時線粒體中的鐵含量會過載，線粒體中鐵過載可能與Mfrn2和MtFt（線粒體中特異性表達的可以結合鐵的鐵蛋白）表達增強以及ABCB8蛋白（與線粒體鐵輸出功能相關）表達降低有關。
前文中提到ROS主要來源于線粒體呼吸鏈，而NADPH氧化酶同樣是ROS的重要來源途徑。研究發現在C2C12成肌細胞中，45%的ROS來自線粒體，40%來自NADPH氧化酶[37]。NADPH氧化酶是一類跨膜氧化還原酶，將電子從膜一側的NADPH跨膜傳遞給另一側的氧分子，生成以超氧陰離子和過氧化氫為主的ROS類物質，NADPH氧化酶在一定程度上決定了ROS的產生[38]。研究發現相對于常氧組，CIH組老鼠NADPH酶的mRNA和蛋白質表達都會升高，且最終都有ROS升高，這提示CIH可能通過升高NADPH氧化酶從而增加ROS的產生，最終加劇氧化應激[29，36，39]。同時，ROS的產生介導了內質網應激和炎癥等眾多病理反應。
2 炎癥
如今，人們普遍認為炎癥是機體對于外源性或內源性刺激做出的一種防御性的應激反應[40]。炎癥反應的目的是清除有害性刺激，但如果有害性刺激長期不能被清除，機體會進一步出現病理性反應，比如組織纖維化、壞死等。眾多研究已經表明，處于CIH環境中的大鼠心肌組織中白細胞介素（interleukin，IL）-1、IL-6、IL-18和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等炎癥因子表達水平升高[41-44]，這些分子與炎癥反應都密切相關[45-46]。Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）、核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小體和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）等分子在CIH導通過炎癥損傷心肌的過程中也扮演著重要角色。
NLRP3炎性小體[47-48]是受體蛋白NLRP3、凋亡相關的斑點樣蛋白（apoptosis associated speck like protein containing a CARD，ASC）和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）前體（pro-caspase-1）三種蛋白質的復合物，NLRP3炎性小體被激活后會促進IL-1β和IL-18的激活與釋放。NLRP3炎性小體激活前需要接受一個啟動信號，該啟動信號主要由NF-κB介導，當受到刺激后，比如TNF-α、IL-1β和病原體相關分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）、NF-κB被激活并促進NLRP3的表達，啟動信號發生后，NLRP3炎性小體再在相關刺激下被激活。而CIH會誘發氧化應激，導致大量ROS增加，從而刺激硫氧還蛋白互作蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）[49]與硫氧還蛋白分離，然后TXNIP與NLRP3結合，從而激活NLRP3炎性小體，進一步導致其下游炎癥因子IL-1β和IL-18表達升高，最終造成CIH小鼠心肌炎癥和損傷[50-51]。
研究發現CIH能使心肌組織中TRL4 mRNA和MyD88 mRNA表達水平升高[52]。TRL4是參與非特異性免疫的一種重要蛋白質分子，能識別體內一些內源性信號分子，從而介導炎癥反應的發生。TLR4信號傳導依賴于髓樣分化因子88（myeloid differentiation factor 88，MyD88）途徑，MyD88途徑能激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK），從而導致AP-1轉錄因子激活，進而增加下游促炎基因轉錄。研究發現CIH使大鼠心肌細胞中蜂窩通信網絡因子1（cellular communication network factor 1，CCN1）表達水平升高，CCN1水平影響著JNK（MAPK的一種）/c-Jun（AP-1的一種）通路表達水平[53]，這提示CIH可能是基于CCN1通過調控JNK/c-Jun通路影響炎癥反應。CCN1能作為配體發揮作用，直接結合受體TLR2和TLR4，從而激活MyD88導致炎癥細胞因子和趨化因子的表達[54]。這說明，CIH通過誘導CCN1表達，CCN1與TLR4結合，進而激活下游一系列級聯反應，最終導致炎癥反應的發生。
NF-κB是一種體內普遍存在的核轉錄因子，細胞質中的NF-κB通常是與其抑制蛋白（inhibitor of NF-κB，IkB）結合成三聚體的復合物，處于失活狀態。當受到刺激因子激活后，NF-κB迅速轉移至細胞核內，參與調控炎癥相關基因的轉錄，引起炎癥反應。NF-κB激活的一種已知途徑是TRL4信號傳導，CIH誘導增加的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）會激活TRL4信號傳導，誘導NF-κB激活，導致多種炎性細胞因子和趨化因子的上調[55]，比如IL-1、TNF-α。相反，這些炎癥因子又會活化炎癥細胞，進一步活化NF-κB，從而形成炎癥反應相關因子的正反饋網絡調節。
研究發現類固醇受體共激活因子-3（steroid receptor coactivator 3，SRC-3）在成年小鼠心臟組織中極低表達，而在CIH環境中成年小鼠心臟組織中高表達[39]。SRC-3是p160類固醇受體共激活因子家族的成員，也是一些核受體和轉錄因子的共激活因子。SRC-3通過激活NF-κB信號通路和促進CXC趨化因子配體2（CXC motif chemokine ligand 2，CXCL2）表達從而募集中性粒細胞來促進炎癥[56]。說明CIH通過提高小鼠心臟中SRC3表達，從而激活NF-κB途徑，促進炎癥，損傷心功能。
炎癥反應本身的調控網絡就十分復雜，在CIH環境下的炎癥反應調控系統更為多變，各個分子之間的聯系就變得更為復雜。總之，從當前研究內容來看，CIH能促進機體和心臟產生多種內源性信號分子，比如CCN1、ROS等，這些信號分子會被某些感受器識別，機體產生應答，激活炎癥級聯反應，產生炎癥因子，最終導致炎癥反應。而這些炎癥因子又會進一步激活炎癥相關信號通路，進一步加重炎癥反應，形成一個正反饋調控。
3 線粒體功能障礙
線粒體是細胞進行有氧呼吸的主要場所，是制造能量的結構，與氧氣密切相關。同時，線粒體是不斷進行裂變和融合的動態細胞器。在電子顯微鏡下觀察慢性間歇性缺氧環境下小鼠心室肌細胞，發現線粒體數量減少、部分線粒體嵴斷裂、消失，呈空泡狀溶解[57-58]。已有證據顯示異常線粒體的裂變和眾多心臟疾病相關，比如心力衰竭和心肌梗死。CIH會誘導心肌細胞線粒體裂變增加，從而損傷心臟。線粒體裂變增加可能與線粒體融合蛋白2（mitofusin 2，Mfn2）表達下降和動力相關蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）表達增加有關，Mfn2與線粒體融合相關，Drp1與線粒體裂變相關腺苷酸活化蛋白激酶（adenylate activates protein kinase，AMPK）/過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）軸對于維持線粒體結構和功能的完整性、調節線粒體能量代謝有著關鍵作用[59]。AMPK能感知細胞內ATP水平，當三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）水平過低時，AMPK與單磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）或二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）結合激活，從而激活下游PGC-1α[60]，PGC-1α對于維持線粒體穩態有著重要作用[61]。研究發現CIH抑制了AMPK/PGC-1α通路的表達，導致心肌線粒體結構受損與合成障礙，進一步引起心臟結構和功能的改變；靶向封閉CB1R后，可逆轉AMPK/PGC-1α通路的低表達，改善線粒體損傷和心肌損傷[57]。這提示CB1R在CIH抑制AMPK/PGC-1α通路中扮演重要角色。CIH會使心肌細胞線粒體的結構及功能損傷、線粒體的生物合成發生障礙、能量代謝失衡，從而損傷心臟結構和功能。
4 自噬
自噬是指細胞內某些需要降解的細胞器、蛋白質等成分被雙層膜包裹形成自噬體，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，降解其所包裹的內容物，以實現細胞本身的代謝需要和某些細胞器的更新。過高或過低的自噬水平都會對機體起到消極作用。過度的自噬會無差別吞噬細胞內物質，破壞其結構從而影響正常的生理功能。而過低的自噬會導致細胞內一些代謝廢物不能及時得到清除，影響能量和蛋白質的新陳代謝，導致機體發生病理改變。CIH刺激下，自噬在心臟中同樣表現出保護性機制[62-63]，它會清除細胞中受損的細胞器和蛋白質等成分。在CIH早期，心肌中自噬水平會代償性升高，心肌組織中出現大量自噬小體，且體積更大，結構更復雜，繼續進行間歇性低氧刺激，自噬水平則會出現下降趨勢，自噬小體數量減少，甚至下降到比未接受間歇低氧處理時還要低的水平，CIH環境下自噬水平呈現一種波動性變化[64]。自噬作為一種保護性機制，對于CIH造成的細胞或細胞器損傷作出應答，呈現出升高趨勢，恰恰又因為CIH的存在，本應該持續升高的自噬水平會被這種刺激所抑制，從而出現下降趨勢，所以說CIH損傷了自噬機制，從而使心臟受損。CIH損傷自噬的機制可能與AMPK有關，AMPK除了是能量調節的關鍵因子外，還是一種重要的心肌自噬水平調節因子，通過抑制mTOR復合物1來調控自噬。研究表明AMPK通路的自噬水平上調可以對抗心肌缺血、缺氧、糖尿病及吸煙造成的損傷；而AMPK缺失導致的自噬受損或者是AMPK通路下調導致的自噬水平下調都會導致病變更加顯著[65-70]。研究更是直接表明CIH會通過下調AMPK通路水平[71]，從而損傷自噬，最終導致小鼠心功能受損[64]。
5 內質網應激
內質網的主要功能是合成蛋白質、脂質和糖類，是跨膜蛋白和分泌性蛋白的合成場所，接受核糖體合成的蛋白質并對其進行加工，形成蛋白質三級結構。它是一個高度活躍的細胞器，對于外界環境變化十分敏感，多種刺激導致內質網中未折疊的蛋白質積累，從而產生內質網應激。內質網應激包含未折疊蛋白反應和內質網超負荷反應，前者共有3條通路，分別是肌醇依賴酶1（inositol?requiring enzyme1，IRE1）途徑[72]、蛋白激酶R樣內質網激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）途徑和活化轉錄因子6（activating transcription factor 6，ATF6）途徑[73]。內質網應激最初的目的是減少蛋白質合成，增強內質網的降解功能，從而減輕內質網的負擔，維持細胞內穩態[74]。但當刺激過度或持續時，細胞失代償，從而導致細胞凋亡。內質網控制細胞Ca2+攝取、儲存和信號傳導，保持細胞內Ca2+穩態。Ca2+穩態和內質網功能密切相關，Ca2+穩態失衡時，會抑制蛋白質翻譯后修飾，內質網內大量未折疊蛋白積累，從而導致內質網應激[75]。CIH會通過激活血管緊張素Ⅱ（angiotensin Ⅱ，AngⅡ）-PLC-三磷酸肌醇（inositol triphosphate，IP3）信號通路[76]，使細胞內Ca2+濃度超載，從而誘發內質網應激。IP3被激活后會引起內質網中Ca2+的釋放進入胞質，釋放進入胞質中的Ca2+會激活細胞膜上的非選擇性的陽離子通道，促進細胞膜去極化，導致細胞外Ca2+內流，細胞內Ca2+濃度大幅度升高，最終導致內質網應激。同時細胞內過載的Ca2+，也會觸發細胞凋亡。CIH產生大量ROS，ROS會破壞內質網功能，從而導致內質網應激[77-79]。首先，ROS可直接攻擊維持蛋白質折疊酶活性所必需的游離亞硫基，從而導致內質網腔內蛋白質的氧化修飾，進而誘導內質網分子伴侶蛋白功能異常，導致內質網腔內的展開蛋白被大量積累和，最終引發內質網應激[80]。此外，ROS還能通過調控內質網Ca2+釋放和攝取從而破壞Ca2+穩態，導致內質網應激。Ca2+的釋放主要由內質網上的IP3受體（IP3 receptor，IP3R）和蘭尼堿受體（ryanodine receptor，RyR）控制，NADPH氧化酶來源的ROS可直接作用于分布在內質網上的IP3R，引起其構象改變，導致胞內游離Ca2+濃度升高。ROS能雙向調控RyR影響Ca2+穩態，生化實驗顯示低濃度H2O2能活化RyR，高濃度H2O2對RyR產生抑制作用[81]。Ca2+-ATP酶可以將Ca2+從細胞質泵入內質網中，ROS能抑制Ca2+-ATP酶活性，從而減少內質網中Ca2+濃度，導致內質網應激[82]。
6 細胞凋亡
細胞凋亡是指為維持內環境穩定，由基因控制的細胞自主的有序的死亡。細胞凋亡與眾多疾病密切相關，比如艾滋病、腫瘤、自身免疫性疾病和阿爾茲海默病，在CIH損傷心肌的過程中同樣扮演著重要角色。目前已知哺乳動物的細胞凋亡途徑有三條，第一條為死亡受體途徑，由細胞表面的死亡受體介導；第二條為線粒體細胞凋亡途徑，由細胞內線粒體介導；第三條為內網應激細胞凋亡途徑，由內質網介導。CIH能通過調控后兩條途徑，導致心肌細胞凋亡，最終造成心臟損傷。CIH會導致內質網應激，三條內質網應激途徑的相關蛋白都和細胞凋亡密切相關。其中，肌醇需求酶1（inositol-Requiring Enzyme 1，IRE1）會激活JNK和p38 MAPK的表達，兩者都能激活促調亡蛋白BIM及抑制抑調亡蛋白BCL-2，從而引起細胞凋亡[83]。PERK發生自身磷酸化后，激活真核起始因子2α（eukaryotic initiation factor 2α，eIF2α）[84]，eIF2α激活活化轉錄因子4（activating transcription factor 4，ATF4）[85]，ATF4激活C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）[86]，CHOP和ATF4會促進生長抑制及DNA損傷誘導蛋白-34（DNA damage-inducible protein 34，GADD34）表達，而高表達的GADD34會導致細胞凋亡[87]。同時CHOP還能調節BCL-2家族，使促凋亡蛋白增多，抑凋亡蛋白減少，引起細胞凋亡[88]。除了PERK能促進CHOP表達，IRE1[89]和ATF6[90]均可引起CHOP蛋白的高表達。此外，CIH能直接活化內質網上的Caspase-12，活化的Caspase-12能活化Caspase-9，活化的Caspase-9進一步活化Caspase-3，活化的Caspase-3是細胞凋亡的生物學標志。
RhoA/Rho激酶信號通路已經被證實[91]，它能通過上調Bax以激活線粒體死亡途徑并誘導心肌細胞凋亡，CIH會上調心肌組織RhoA/Rho激酶信號通路活性，從而導致心肌細胞凋亡[42]。Bim是BCL-2家族中的促凋亡蛋白，能促進線粒體內的凋亡因子釋放到胞質中，FOXO是Bim的上游調控基因，FOXO1的活化參與調節了一些基因的表達，其中就包括Bim[92]。CIH的刺激會導致FOXO1水平升高，從而促進Bim的表達，導致心肌細胞凋亡[93]。
7 總結
CIH導致心臟受損是多方面的，包括線粒體功能受損、氧化應激、自噬、內質網應激、炎癥和細胞凋亡等。心臟受損背后的機理看上去似乎是復雜而無序的，實際存在這樣一個邏輯。CIH刺激下，作為與氧氣密切相關的細胞器，線粒體首先出現結構和功能受損，當線粒體出現結構損傷，細胞在亞細胞水平做出應答反應，啟動自噬，清除受損線粒體。刺激持續存在，自噬反應不足以使受損的線粒體恢復穩態。值得注意的是，持續的CIH刺激同時還會抑制自噬水平，其背后的機制未有明確闡述。線粒體持續受損，細胞在更高的水平做出反應，細胞發生凋亡，過度的細胞凋亡導致器官受損，比如心臟。此外，線粒體功能受損，還會產生ROS，而過度的ROS會對脂質、蛋白質和DNA造成破壞，使情況變得更為復雜，比如ROS會破壞內質網蛋白質和Ca2+穩態，導致內質網應激，而內質網應激又會介導細胞凋亡。同時ROS還會作為信號分子，介導炎癥的發生，炎癥持續存在，會使器官功能走向更壞的結局。在整個CIH損傷心臟的過程中，線粒體受損是關鍵的一環，持續受損的線粒體引發一系列的連鎖反應。同時，ROS的大量產生會使情況變得更復雜，加重細胞受損。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。