卡尔文跑步机助力SCI：运动训练对小鼠心脏功能及心肌线粒体自噬的影响

一、研究背景与目的

- 背景：心力衰竭（HF）是全球棘手的公共卫生问题，影响超3800万人，患者生活质量低、预后差，1年死亡率30%-40%，5年死亡率超50%。运动心脏康复是HF管理的重要部分，但不同运动方式对不同病因HF的心脏结构和功能益处尚无共识，且线粒体自噬（mitophagy）在其中的作用不明。

- 目的：探究8周中等强度持续训练（MICT）和高强度间歇训练（HIIT）对缺血性和压力超负荷性心力衰竭小鼠心脏结构、功能的影响，以及线粒体自噬在其中的作用机制。

西安交通大学附属第二医院在《Experimental Physiology》发表文章“Exercise training improves cardiac function and regulates myocardial mitophagy differently in ischaemic and pressure-overload heart failure mice" ，研究表明运动可通过改善心肌自噬和线粒体自噬发挥心脏保护作用，且这种改善并非单纯剂量依赖，与运动对心脏功能的促进作用不一致；多种线粒体自噬通路（尤其是PRKN依赖通路）参与其中，心肌对运动的反应具有运动方式和病因依赖性。

二、研究方法

（一）实验动物与分组

- 选用8周龄雄性C57BL/6J野生型小鼠，构建两种HF模型：通过左前降支结扎（LAD）建立心肌梗死（MI）缺血性HF模型，通过主动脉缩窄（TAC）建立压力超负荷性HF模型。

- 小鼠随机分为假手术组（SHAM）、久坐组（SED）、MICT组、HIIT组，每组6只。

（二）运动方案

- 适应期：共3天，第1天跑步机速度0.0m/min，持续15min；第2天5.0m/min，15min；第3天10.0m/min，10min。

- 运动能力测试：热身5min（6.0m/min），初始速度9.0m/min，每3min增加3.0m/min直至力竭，通过校正峰值速度（Vpeak）评估运动能力，训练前后及中期各测1次。

- 训练期：每周5天，共8周，每天60min。MICT强度为65%-70%Vpeak；HIIT含6min热身（50-60%Vpeak）、8组间歇训练（4min 85-90%Vpeak+2min 50-60%Vpeak）、6min冷身（50-60%Vpeak）。

实验方法：

运动方案包括3天的适应期、运动能力测试，以及术后2个月使用KW-PT小动物跑步机(中国南京卡尔文)进行的8周训练期(图1a)。跑步带后面的电网开关处于关闭状态，以防止老鼠在跑步机上触电;在电网前面放置障碍物，以防止老鼠在未通电的电网上休息。跑步机的倾斜度全程为0°。(1)适应期，第1天跑步机速度为0.0m/min，持续15 min;第2天5.0 m/min，持续 15 分钟;第3天10.0 m/min 持续 10 分钟(Janice Sánchez等人，2019 年）

（三）检测指标与方法

1. 心脏结构与功能：术后2个月及训练后，采用高分辨率小动物超声成像系统（Vevo 2100）检测左心室舒张末期内径（LVIDd）、收缩末期内径（LVIDs）、射血分数（LVEF）、缩短分数（FS）；通过酶联免疫法检测血清脑钠肽（BNP）浓度。

2. 心肌病理形态：处死小鼠后取心脏，计算心脏重量/体重（HW/BW）、心脏重量/胫骨长度（HW/TL）、左心室质量指数（LVMI）、右心室质量指数（RVMI）；进行HE染色观察心肌纤维，Masson三色染色观察心肌间质纤维化并计算胶原体积分数（CVF）。

3. 自噬与线粒体自噬相关指标：采用实时荧光定量RT-PCR检测自噬（Map1lc3b、Sqstm1）和线粒体自噬（Pink1、Prkn、Becn1、Bnip3、Hif1α）相关基因mRNA表达；Western blotting检测相关蛋白（LC3B、P62、PINK1、PRKN、BECN1、BNIP3、HIF1α）表达；通过lv喹抑制自噬体与溶酶体融合，检测心肌自噬流。

三、研究结果

（一）模型构建验证

- 术后2个月，MI组小鼠出现毛发晦暗、乏力、气短，运动能力显著下降（P<0.01），LVIDs升高（P<0.01），LVEF、FS降低（P<0.0001）；TAC组小鼠无明显外观异常，运动能力略有下降但不显著，LVIDd、LVIDs缩小（P<0.0001），LVEF、FS升高（P<0.05/P<0.01）。两组血清BNP均显著高于假手术组（P<0.0001），模型构建成功。

（二）运动对心脏结构与功能的影响

1. 缺血性HF（MI组）：MICT显著提高LVEF、FS（P<0.05），降低LVIDs、BNP（P<0.01/P<0.0001）；HIIT仅显著降低BNP（P<0.0001），对LVIDd、LVIDs、LVEF、FS无显著改善。

2. 压力超负荷性HF（TAC组）：MICT和HIIT均显著提高LVEF、FS（P<0.001/P<0.0001），降低LVIDd、LVIDs、BNP（P<0.0001），且HIIT在降低BNP方面更优（P<0.0001）。

3. 运动能力：MICT显著提高两种HF小鼠的运动能力（P<0.001/P<0.0001），且优于HIIT（P<0.05）；HIIT仅呈改善趋势，无显著差异。

（三）运动对心肌病理形态的影响

- 久坐组HF小鼠心脏偏大，心肌纤维紊乱、断裂，心室腔扩大、室壁变薄，纤维化显著（P<0.0001）。MICT和HIIT均能不同程度逆转心肌肥大和重构，减少间质纤维化（P<0.01/P<0.0001），且改善趋势与心脏功能结果一致。

（四）运动对自噬与线粒体自噬的影响

1. 自噬：HF小鼠心肌自噬流受抑，MICT和HIIT可改善自噬流。MI组中HIIT提升自噬相关指标更显著，TAC组中MICT提升更显著（如TAC组MICT显著提高LC3II/LC3I和LC3II/GAPDH比值，P<0.01）。

2. 线粒体自噬：HF小鼠线粒体自噬相关基因和蛋白表达降低，MICT和HIIT可上调其表达，但作用因模型而异。MI组中HIIT对PINK1、PRKN等提升更显著，TAC组中MICT更有效；相关性分析显示，缺血性HF中PINK1、PRKN、BECN1、HIF1α与LVEF、FS正相关（P<0.05/P<0.01/P<0.0001），压力超负荷性HF中主要是PRKN依赖通路发挥作用（P<0.01）。

四、研究结论

1. 运动方式选择：MICT是改善缺血性心力衰竭心脏结构和功能的“最佳"方式；MICT和HIIT（尤其是HIIT）均适用于压力超负荷性心力衰竭，且MICT在提升两种HF小鼠运动能力方面有独特优势。

2. 机制作用：运动可通过改善心肌自噬和线粒体自噬发挥心脏保护作用，且这种改善并非单纯剂量依赖，与运动对心脏功能的促进作用不一致；多种线粒体自噬通路（尤其是PRKN依赖通路）参与其中，心肌对运动的反应具有运动方式和病因依赖性。