研究目的:心梗(Mycardial infarction,MI)严重损害心功能,威胁生命安全。心梗后引起心脏局部缺血缺氧,梗死区触发炎症反应和心肌细胞凋亡,引起心脏病理性重构和心功能恶化,最终导致心力衰竭。因此寻求科学有效的方法预防和改善缺血性心脏病及其导致的心肌细胞凋亡意义重大。心梗后康复期进行适度运动有效改善其运动不耐受现象,降低心肌组织炎症和细胞凋亡,改善心功能。成纤维细胞生长因子21(Fibroblast growth factor 21,FGF21)属于成纤维细胞生长因子19的亚族,FGFR1是FGF21的心肌特异性受体。抑制FGFR1表达导致其下游ErK磷酸化水平显著降低。心肌细胞可自分泌FGF21,在抑制细胞凋亡和炎性方面发挥重要作用。运动改善心梗心功能是否与有氧运动上调心梗心脏FGF21表达有关?是否与激活心脏FGF21/FGFR1-ErK/PGC-1α/NF-κB信号通路有关?目前缺乏直接的文献报道。本论文研究目的:探讨有氧运动刺激内源性FGF21表达对心梗大鼠心肌细胞凋亡的抑制作用及其机制,为运动作为缺血性心脏疾病预防和康复的有效手段及其靶点筛选提供理论和实验依据。研究方法:动物手术、分组及干预实验:清洁级3月龄雄性Sprague-Dawley大鼠50只(购于西安交通大学实验动物管理中心,动物质量合格证号:SCXK(陕)2017-003),体重180-220g,分笼饲养,每笼8只,自由饮食,动物室温为22℃～28℃。适应喂养1周后采用左冠状动脉前降支永久性结扎制备心肌梗死模型,假手术组只穿线不结扎。将造模成功的48只大鼠随机分为假手术组(S组)、心梗安静组(MI组)和心梗+有氧运动组(ME组)、心梗+受体抑制剂PD166866组(MD)、心梗+PBS对照组(MP)、心梗+有氧运动+受体抑制剂PD166866组(MDE组),共6组,每组8只。ME组、MDE组术后进行适应性训练,速度15m/min,30min/d,5d×1wk,之后进行正式训练,16m/min(50%-60%VO2max),60min/d,5d/wk×4wk。药物注射和运动同步进行,运动全部结束次日腹腔麻醉,取血,摘取心脏和骨骼肌待用。大鼠心功能评定及形态学实验:采用血流动力学指标评定大鼠心功能,常规石蜡切片Masson染色观察分析心肌胶原容积分数(Collagen volume fraction,CVF%),常规石蜡切片HE染色观察分析骨骼肌细胞横截面积(Cross section area,CSA%),TUNEL染色观察细胞凋亡情况。细胞分组及干预:采用浓度为400 μmol/L的H2O2处理H9C2大鼠心肌细胞4h构建细胞凋亡模型。将细胞分为正常对照组(C)、FGF21重组蛋白干预组(CF)、FGFR1受体抑制剂组(CP)、AMPK激动剂AICAR干预组(CA)、FGF21重组蛋白和AIC AR共同干预组(CF A)、FGFR1受体抑制剂和AIC AR共同干预组(CPA)。AICAR干预H9C2大鼠心肌细胞浓度为1mM;FGF21重组蛋白干预H9C2大鼠心肌细胞浓度为75 ng/mL,干预时间为15 h;FGFR1抑制剂的处理浓度采用100 ng/mL,干预时间为24 h。生化及分子生物学指标检测:酶联免疫吸附反应检测心梗大鼠血清FGF21表达,Caspase-3试剂盒检测心肌和骨骼肌细胞凋亡情况,Western blotting检测FGF21、FGFR1蛋白表达,凋亡相关蛋白Bax、Bcl-2、p53,炎症蛋白TNF-α、IL-10,collagen-Ⅰ、collagen-Ⅲ 蛋白及通路蛋白 ErK/PGC-1α/NF-KB 的表达,RT-qPCR 测定fgf21、fgfr1基因表达。研究结果:(1)TUNEL多色免疫荧光染色、Western blotting和Caspease-3结果表明,有氧运动可显著抑制心梗大鼠心肌细胞凋亡;FGF21心肌特异性受体FGFR1抑制剂干预后凋亡现象进一步恶化。提示,FGF21在抑制心梗大鼠心脏心肌细胞凋亡中发挥重要作用。(2)Western blotting结果表明,有氧运动显著抑制心梗心脏的炎性反应;FGF21心脏特异性受体FGFR1抑制剂干预加重心梗大鼠心脏炎性反应。提示,FGF21在抑制心梗大鼠心脏的炎症反应中发挥重要作用。(3)Masson染色和Western blotting结果表明,有氧运动可显著抑制Collagen-Ⅰ、Collagen-Ⅲ表达,降低心梗心肌胶原纤维过度增生;FGF21受体FGFR1抑制剂(PD166866)干预后进一步加重胶原纤维化程度。提示,FGF21在改善心梗心肌胶原纤维化方面发挥重要作用。(4)血流动力学检测表明,FGF21心脏特异性受体FGFR1干预后进一步恶化心功能,有氧运动可显著改善心梗心功能。提示,FGF21在运动改善心梗心脏心功能中发挥重要作用,且相关性分析表明,运动改善心梗心脏心功能与运动上调心梗心脏FGF21关系密切。(5)Western blotting结果表明,有氧运动可显著上调心梗大鼠心肌fgfr1基因和FGF21/FGFR1蛋白的表达水平,激活心梗大鼠心肌ErK/PGC-1α/NF-κB信号,而有氧运动干预后fgf21基因表达不显著。提示,有氧运动可激活心梗大鼠心肌ErK/PGC-1α/NF-κB信号通路且与运动上调心梗心肌FGF21表达呈正相关。但有氧运动刺激心肌FGF21蛋白表达可能主要来源于其它器官。(6)有氧运动抑制心梗导致的骨骼肌细胞凋亡和骨骼肌丢失。有氧运动显著降低骨骼肌Bax/Bcl-2、p53和Caspease-3表达,增加心梗大鼠骨骼肌细胞横截面积,抑制心梗导致的骨骼肌细胞凋亡和骨骼肌丢失现象,且相关性分析表明,与运动上调心梗骨骼肌FGF21呈正相关。(7)FGF21在抑制心梗大鼠骨骼肌炎症反应中发挥重要作用。心梗触发炎症反应,FGF21受体抑制剂(PD166866)干预加重其炎症反应;有氧运动及有氧运动和受体抑制剂干预均可抑制炎症反应。(8)心梗导致骨骼肌fgf21表达显著升高,而FGF21蛋白表达显著降低,可能与骨骼肌FGF21合成并快速释放入血有关;有氧运动上调心梗大鼠骨骼肌局部和循环FGF21水平,且骨骼肌、心肌与血清FGF21水平呈显著性正相关。(9)AICAR干预后显著抑制H2O2诱导的H9C2心肌细胞炎症反应和细胞凋亡;显著升高H2O2诱导的H9C2心肌细胞FGF21/FGFR1的表达;不同浓度FGF21重组蛋白或AICAR干预后显著激活H9C2心肌细胞ErK/PGC 1 α/NF-κB信号通路。(10)AICAR或FGF21重组蛋白干预显著减少TUNEL阳性颗粒数量,显著降低Bax/Bcl-2比值和p53蛋白表达。FGF21受体抑制剂(PD166866)干预显著升高H9C2心肌细胞TUNEL 阳性颗粒数量和Bax/Bcl-2比值。表明,运动或FGF21均显著抑制H2O2诱导的H9C2心肌细胞凋亡。(11)AICAR或FGF21重组蛋白干预显著降低TNF-α/IL-10比值。FGF21受体抑制剂干预显著升高H9C2细胞TNF-α/IL-10蛋比值。表明,运动或FGF21均显著抑制H9C2心肌细胞炎症反应。(12)AICAR或FGF21重组蛋白干预显著升高ErK1/2、PGC-1α表达,显著降低pNF-κB/NF-κB 比值。FGF21受体抑制剂(PD166866)干预显著抑制H9C2心肌细胞ErK/PGC1α/NF-κB信号通路。表明,运动通过FGF21激活H9C2心肌细胞 ErK/PGC-1α/NF-κB 信号通路。研究结论:(1)有氧运动显著促进心梗大鼠心肌FGF21/FGFR1的表达,抑制心梗心脏炎性因子表达、胶原过度增生和心梗大鼠心肌细胞凋亡,改善心功能。且有氧运动改善心梗心功能与心肌FGF21表达升高呈正相关。有氧运动显著激活ErK1/2-PGC-1α/NF-KB信号通路,且与运动上调心肌FGF21升高有关。(2)有氧运动显著心梗大鼠骨骼肌横截面积,抑制心梗导致的骨骼肌炎性因子表达和骨骼肌细胞凋促进心梗大鼠骨骼肌和血清FGF21的表达。有氧运动增加亡,且与运动促进骨骼肌FGF21表达升高有关。(3)外源性AICAR或FGF21重组蛋白干预均显著降低H2O2诱导的H9C2心肌细胞凋亡和炎症反应,激活ErK1/2、PGC-1α/NF-KB信号通路。表明,运动通过FGF21激活心肌细胞ErK/PGC-1α/NF-κB信号通路,降低心肌细胞凋亡和炎症反应。综上,有氧运动通过刺激心梗骨骼肌FGF21表达释放,升高循环和心肌FGF21水平,并通过FGF21激活心梗心脏ErK1/2-PGC-1α-NF-κB信号通路,从而降低心脏炎症反应,抑制心梗心肌细胞凋亡和纤维化,改善心梗大鼠心功能。