急性与慢性抗阻训练差异调控Wistar大鼠左心室心肌血管生成与代谢适应相关基因HIF-1α、FSTL1、PGC-1α及VEGF表达

《Cardiology Research and Practice》：Acute and Chronic Resistance Training Differentially Modulate Myocardial Angiogenesis–Related Gene Expression in Wistar Rats

　　

心肌血管生成（myocardial angiogenesis）有助于维持心肌灌注（myocardial perfusion）和心脏功能（cardiac function）。抗阻训练（resistance training, RT）可诱导心血管适应（cardiovascular adaptations），但急性抗阻训练（acute resistance training, ART）和慢性抗阻训练（chronic resistance training, CRT）的心肌转录反应（myocardial transcriptional responses）仍不完全清楚。本研究比较了健康雄性Wistar大鼠在单次RT后和8周重复RT后左心室（left ventricle）中血管生成（angiogenesis）和代谢适应（metabolic adaptation）相关基因的表达。24只大鼠随机分为三组：久坐对照（sedentary control, CON）（n = 8）、ART（单次爬梯训练）或CRT（每周5天爬梯训练，持续8周）。RT在倾斜80°的1-m梯子上进行，使用附着于尾部的渐进负荷（progressive loads）。ART组在运动后1 h、CRT组在末次训练后1 h采集左心室组织。与CON相比，ART组缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α）和卵泡抑素样蛋白1（follistatin-like 1, FSTL1）表达显著较高，而过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator–activated receptor gamma coactivator-1α, PGC-1α）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）无显著差异。CRT组HIF-1α和FSTL1表达也显著高于CON，同时PGC-1α和VEGF表达显著较高。ART和CRT之间所检测基因均无显著差异。这些发现表明，ART与CRT后心肌转录谱不同，其特征为单次训练后HIF-1α和FSTL1相关反应，以及CRT后PGC-1α和VEGF相关反应。

研究背景方面，抗阻训练（resistance training, RT）不仅影响骨骼肌力量和代谢健康，也被认为是生理性心脏重塑的重要刺激。与有氧训练不同，抗阻运动时心输出量主要通过心率升高而增加，每搏量变化较小，导致动脉压、心肌壁应力和后负荷短暂升高，形成压力过载相关的心脏重塑刺激。生理性心脏肥大通常纤维化很少或没有，并伴随心肌毛细血管密度成比例增加；冠状动脉微血管成比例扩张是区分生理性肥大与病理性重塑的重要特征。血管生成（angiogenesis）是从已有血管形成新毛细血管的多步骤过程，受促血管生成和抗血管生成因子复杂相互作用调控。已有研究显示，8周人体RT可正向调节内皮祖细胞和血管生成相关基因，急性和4周RT可增加血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）表达，动物心肌梗死模型也显示RT增强血管化。血管生成适应由多条信号通路调控。传统上，缺氧诱导因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α, HIF-1α）被视为氧敏感的主要血管生成调节因子，在组织氧利用降低时刺激VEGF转录。然而，生理运动也可通过非缺氧机制激活VEGF。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator–activated receptor gamma coactivator-1α, PGC-1α）是线粒体生物发生和氧化代谢的主调节因子，可在能量需求增加时以不依赖经典HIF信号的方式促进VEGF表达。此外，心脏因子卵泡抑素样蛋白1（follistatin-like 1, FSTL1）可促进血管生长、内皮细胞存活和组织修复，并可通过Akt/内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase, eNOS）信号及与VEGF通路相互作用发挥作用。在实验性心肌梗死中，抗阻运动增加心肌FSTL1表达并伴随血管生成重塑增强。现有问题在于：多数研究关注有氧运动或病理性模型，如心肌梗死和衰老，对健康心脏中RT诱导的生理适应了解较少；HIF-1α是否是运动诱导血管生成的中心调节因子，健康心肌RT是否产生足够或持续缺氧以维持HIF-1α激活仍不确定；单次抗阻运动和重复RT是否产生不同心肌转录反应，尤其是缺氧相关、代谢和血管生成相关基因的相对反应尚未充分表征。因此，研究人员检测健康雄性Wistar大鼠在单次抗阻运动或8周抗阻训练后左心室HIF-1α、PGC-1α、FSTL1和VEGF表达，假设单次和重复RT会产生不同的心肌表达谱。

研究人员开展的研究使用24只8周龄雄性Wistar大鼠（180–200 g），随机分为久坐对照（sedentary control, CON）（n = 8）、急性抗阻训练（acute resistance training, ART）（n = 8，单次爬梯）和慢性抗阻训练（chronic resistance training, CRT）（n = 8，每周5天爬梯8周）。RT在1 m、80°倾角梯子上进行，尾部附着渐进负荷。ART在运动后1 h、CRT在末次训练后1 h采集左心室组织，CON在相应时间点采集。结论为：ART和CRT均显著增加HIF-1α和FSTL1表达；CRT还显著增加PGC-1α和VEGF表达；ART与CRT之间所检测基因无显著差异。其意义在于提示RT后存在不同的心肌转录谱，单次训练后以HIF-1α和FSTL1相关反应为特征，慢性训练后以PGC-1α和VEGF相关反应为特征；但仅mRNA水平，不能确定血管生成或HIF-1α依赖/非依赖机制。

关键技术方法方面，动物为8周龄雄性Wistar大鼠，饲养于Universitas Padjadjaran实验室。样本量按Mead资源方程确定，最少6只/组，加2只，共24只。RT为1 m梯子80°倾角，尾部附重物。ART一次训练：25%、50%、75%体重各4次，100%体重6次。CRT每周5天、连续8周，从50%体重开始，完成10次后下次负荷增加10%，直至最大耐受负荷；每次10次，间隔2 min。运动后1 h取左心室，提取RNA，一步定量逆转录聚合酶链反应（quantitative reverse transcription polymerase chain reaction, RT-qPCR）检测FSTL1、HIF-1α、PGC-1α、VEGF，以甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH）为内参，2^?ΔΔCt法计算相对表达。统计用Shapiro–Wilk、Levene、单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey事后检验。

研究结果如下。3.1 身体和心脏重量（Body and Heart Weight）：通过测量终末体重、心脏重量和心脏重量/体重比，三组终末体重、心脏重量和心脏重量/体重比均无显著差异（p分别为0.112、0.855、0.689）。CON、ART、CRT终末体重分别为362.8±10.65 g、346.3±5.88 g、333.0±11.2 g；心脏重量分别为1.00±0.06 g、1.00±0.03 g、0.97±0.05 g；心脏重量/体重比分别为2.77±0.17、2.89±0.14、2.92±0.04 mg/g。3.2 RT负荷（RT Load）：通过记录训练负荷，ART单次训练负荷从25%到100%体重递增；CRT 8周训练负荷从第1周约130 g增加至第8周约630 g，与第1周相比第2周起显著增高（p<0.05），且后续每周较前一周显著增加（#p<0.05）。3.3 RT对心脏血管生成相关基因的影响（Impact of RT on Cardiac Angiogenesis–Related Genes）：通过RT-qPCR检测左心室mRNA，HIF-1α组间差异显著（F(2,21)=7.041，p<0.01，η²=0.401，95% CI：0.056–0.590），ART和CRT均高于CON（p<0.01和p<0.05），ART与CRT无显著差异。PGC-1α组间差异显著（F(2,21)=4.632，p<0.05，η²=0.306，95% CI：0.004–0.516），仅CRT高于CON（p<0.05），CON与ART、ART与CRT无显著差异。FSTL1组间差异显著（F(2,21)=10.121，p<0.001，η²=0.491，95% CI：0.130–0.656），ART和CRT均高于CON（p<0.001和p<0.05），ART与CRT无显著差异。VEGF组间差异显著（F(2,21)=5.144，p<0.05，η²=0.329，95% CI：0.014–0.534），仅CRT高于CON（p<0.05），CON与ART、ART与CRT无显著差异。结论为ART以HIF-1α和FSTL1升高为特征，CRT额外出现PGC-1α和VEGF升高。

讨论部分总结：研究人员认为，RT改变多个基因表达，ART和CRT有共享和训练相关反应。HIF-1α在ART和CRT均高于CON，可能反映抗阻运动相关代谢和氧需求增加；由于HIF-1α活性主要受蛋白稳定性、降解和亚细胞定位调控，mRNA解释需谨慎。运动诱导血管反应也受内皮和血流动力学信号影响，可能涉及eNOS、一氧化氮（nitric oxide, NO）、磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase, PI3K）/Akt等，但本研究未直接测定NO、eNOS活性或内皮素-1（endothelin-1, ET-1），因此这些仅为可能贡献。HIF-1α升高可能调节下游血管生成信号，但VEGF仅在CRT显著高于CON，ART与CON无显著差异，ART与CRT也无显著差异，因此不支持急性运动后HIF-1α升高立即导致VEGF升高的简单直接关系；VEGF可能受其他调节通路影响，尤其在重复训练后。CRT中VEGF升高可能表明支持血管适应的增强转录环境，但mRNA不能证明血管生成发生；本研究未评估VEGF蛋白、内皮增殖或心肌毛细血管密度。CRT中VEGF与PGC-1α同时升高；PGC-1α参与线粒体生物发生、氧化代谢和运动适应，其调节涉及AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK）、活性氧（reactive oxygen species, ROS）、NO和钙依赖通路，并可通过雌激素相关受体α（estrogen-related receptor α, ERRα）依赖途径促进VEGF，可能补充经典HIF信号；但未直接评估PGC-1α蛋白活性和ERRα信号，机制仍为推断。FSTL1在ART和CRT均升高，FSTL1是心脏保护和促血管生成因子，可通过Akt/eNOS信号影响内皮功能，增加eNOS磷酸化，促进内皮迁移和网络形成；抑制Akt或eNOS可减弱这些效应。由于ART和CRT均升高，FSTL1反应可能更直接与运动刺激相关而非慢性训练适应；但未测蛋白和下游Akt/eNOS活性。CRT中FSTL1、PGC-1α和VEGF同时增加，提示重复RT期间代谢和血管信号可能存在相互作用；AMPK可经PGC-1α促进代谢适应和线粒体生物发生，FSTL1与AMPK激活和eNOS磷酸化相关，FSTL1信号还与转化生长因子-β（transforming growth factor-β, TGF-β）/Smad2/3、Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin, mTOR）和细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase, ERK）通路相关；但本研究未直接测AMPK磷酸化、eNOS活性或这些下游信号蛋白，因此作为未来假设而非已证明机制。机械和血流动力学刺激也可能贡献，运动训练可增加冠状动脉转运能力，剪切应力是血管适应重要刺激，因此CRT后VEGF较高可能反映代谢、机械和血流动力学刺激综合影响而非单纯缺氧。组织采集时间重要：ART和CRT均在末次运动后1 h取心脏，CRT结果不应解释为完全休息的慢性适应，而是慢性训练动物对最后一次运动的早期转录反应；运动诱导基因表达高度时间依赖，血管生成转录本可在0–4 h变化，有些至24 h仍升高，最后训练后24 h内回到基线；因此ART与CRT比较主要反映未训练与慢性训练动物运动后早期分子反应差异。局限包括未测蛋白，未直接评估心肌血管生成，基因panel有限，无通路特异性干预，不能建立因果；未来需训练后洗脱期、多个运动后采样时间点、蛋白验证和心肌血管适应结构/功能测量。研究结论翻译：总之，ART和CRT与心肌血管生成相关基因表达的不同变化相关。ART增加HIF-1α和FSTL-1 mRNA表达，可能反映对运动代谢和氧需求的早期转录反应。相反，CRT后PGC-1α和VEGF表达较高，可能反映与重复运动暴露和代谢适应相关的更持续转录反应。这些发现表明ART和CRT可能参与与心肌血管生成信号相关的不同转录反应。然而，由于本研究仅评估mRNA表达，这些发现不能确定心肌血管生成或确认HIF-1α依赖或非依赖机制。未来需结合蛋白水平分析、心肌毛细血管密度和血管功能评估的研究，以确定这些转录变化是否转化为结构和功能性血管生成适应。