综述：冬眠哺乳动物心血管系统的适应性变化

《Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology》：Adaptations of cardiovascular system in hibernating mammals.

　　

弗拉基斯拉夫·S·库兹明（Vladislav S. Kuzmin）| 迪娜·K·加尤尔尼娜（Dina K. Gaynullina）| 阿纳斯塔西娅·A·什韦特索娃（Anastasia A. Shvetsova）| 塔蒂亚娜·S·菲拉托娃（Tatiana S. Filatova）| 张伟华（Weihua Zhang）| 阿莱娜·S·阿布拉莫奇金娜（Alena S. Abramochkina）| 丹尼斯·V·阿布拉莫奇金（Denis V. Abramochkin）

莫斯科国立罗蒙诺索夫大学人类与动物生理学系，列宁格勒高地1号，莫斯科12区，俄罗斯

摘要

温带和高纬度地区的冬季对动物的生存提出了严峻挑战，这些挑战与低温和食物供应有限有关。在某些哺乳动物物种中，它们通过冬眠来应对这些挑战，冬眠的特点是核心体温和代谢活动显著降低。尽管环境条件极端，但冬眠的哺乳动物仍能保持心脏功能，避免危及生命的心律失常和血管衰竭。本文综述了当前关于在蛰伏期间支持生存的心血管适应性研究的证据，重点关注心脏电生理学、钙离子（Ca²⁺）稳态以及血管张力的调节。深度冬眠者的心脏表现出特定的离子通道特性，这些特性能够在低温下维持心脏兴奋性和稳定的传导。钠离子（Na⁺）电流对寒冷诱导的去极化的抵抗力、钙离子（Ca²⁺）和钾离子（K⁺）电流的协调调节、增强的电耦合以及细胞内钙离子（Ca²⁺）处理的适应性调节，共同保护心肌免受寒冷引起的电不稳定性和收缩功能障碍。在血管层面，冬眠伴随着血液在器官间的显著重新分配。血管收缩反应性的增强和内皮抗收缩机制的减弱，加上血管平滑肌细胞的结构重塑和表型转换，导致代谢不活跃组织的灌注减少，而重要器官的血液供应则得到保持。尽管大部分数据来自松鼠科（Sciuridae）动物，但这些发现揭示了在极端低体温和低代谢状态下的基本心血管可塑性原理，这对人类的心血管病理生理学也具有潜在意义。

引言

在中高纬度地区，冬季的低温和食物短缺对几乎所有动物都构成了严重挑战。许多恒温动物和变温动物在冬季仍然活跃并继续觅食，但其他动物则会进入冬眠（恒温动物）或休眠（变温动物）状态，后者有时也被称为滞育。这两种现象背后的机制涉及从分子到整个有机体的生理功能的剧烈重组。然而，哺乳动物的冬眠过程似乎更为复杂，因为无法诱导非冬眠物种进入冬眠状态，而且变温动物中处于寒冷休眠状态与其他物种之间的界限也不像冬眠哺乳动物与非冬眠哺乳动物之间的界限那么明显。尽管如此，哺乳动物的冬眠程度差异很大，从棕熊仅降低6°C体温的浅层睡眠（Sahdo等人，2013年）到几种地松鼠物种持续数月、体温降至0°C以下的深层冬眠（Anufriev和Okhlopkov，2015年）都有。因此，冬眠可以定义为哺乳动物在冬季处于代谢活动大幅减少和体温降低的状态，而休眠则是变温动物由于低温而导致的活动减少状态。变温性是指恒温动物（无论是哺乳动物还是鸟类）在适当情况下能够暂时降低体温和代谢活动的能力，这取决于季节或一天中的时间等。因此，所有冬眠者都是变温动物，但只有某些变温动物才会进入冬眠状态。

冬眠物种的多样性最高见于以下几类啮齿动物：睡鼠科（Gliridae）；地松鼠、旱獭和花栗鼠（Sciuridae）；仓鼠（Cricetidae）；跳鼠（Dipodidae）。除了啮齿动物外，温带和北方地区的刺猬（Erinaceidae）和蝙蝠（多个科）在冬季也会进入深度冬眠。在食肉哺乳动物中，棕熊和黑熊（Ursidae）会进入深度冬眠状态，这传统上被称为冬眠，尽管它与上述啮齿动物、食虫动物和翼手目动物的“真正”冬眠有明显不同。獾（Mustelidae）和貉（Canidae）的冬眠程度较浅，体温仅降低2–3°C，这种状态有时被称为“冬季迟钝”（Bevanger和Broseth，1998年）。一些真兽类和后兽类哺乳动物及鸟类可以进入持续时间较短的低代谢状态，通常持续数小时，称为日间蛰伏（Ruf和Geiser，2015年）。然而，这种现象与冬眠有根本区别，因此不在本文讨论范围内。

大多数关于冬眠的研究数据来自松鼠科（Sciuridae）动物，但如果未特别指出物种名称，即指代该科的数据。

节选

冬眠对全身血液动力学的影响及其调节

冬眠及伴随的体温下降会导致全身血液动力学发生显著变化。多项研究表明，在冬眠期间，许多物种的心率（HR）和/或心输出量（CO）都会降低（金 hamster 和叙利亚 hamster、刺猬、旱獭、地松鼠、棕熊）（Tempel 等人，1977年；Zatzman，1984年；Sj?quist 等人，1986年；Zatzman 和 Thornhill，1987年；Nelson 等人，2003年；Deveci 和 Egginton，2007年；Horwitz 等人，2013年）。由于心输出量（CO）是一个简单的...

可以预见，全身血液动力学的显著变化可能伴随着其调节机制的变化，包括由压力反射引起的变化。早期研究的结果表明，例如注射去甲肾上腺素并未导致冬眠旱獭的心率下降，这表明压力反射在冬眠期间被抑制...

除了冬眠动物心肌发生的显著变化外，冬眠还对血管系统有显著影响。血液供应根据冬季组织代谢需求的降低进行调整，导致大多数器官和组织的局部血流减少。通过对十三线地松鼠（Citellus tridecemlineatus）、金 hamster（Mesocricetus auratus）、欧洲刺猬（Erinaceus europaeus）和土拨鼠（Marmota）的研究...

第4节中的数据表明，冬眠期间的血流变化具有器官特异性。因此，冬眠期间器官间血流的重新分配是通过多种生理机制对血管张力的差异性调节实现的。

蛰伏期间动脉压力的剧烈变化表明，动脉可能发生显著的结构变化，可能涉及平滑肌层厚度、动脉弹性特性的变化，甚至平滑肌细胞表型的变化。

早期研究表明，溶液的急性冷却不会影响欧洲刺猬（Erinaceus europaeus）主动脉的弹性特性（Kirkeb?，1968年）。然而，对压力增加的被动主动脉扩张略微...

在非冬眠哺乳动物中，低体温会导致致命的心律失常。即使是被认为具有神经保护作用的轻微低体温，在手术过程中也常被使用，也可能引起心房颤动、房室阻滞和心室颤动（Dietrichs 等人，2019年）。相比之下，地松鼠等冬眠动物在冬眠开始时或冬眠期间间歇性苏醒时不会出现致命的心室心律失常...

冬眠动物的一个显著特征是它们的心肌能够在极低温度或急性低体温下保持收缩力和快速放松能力（Lyman 和 Blinks，1959年；Caprette 和 Senturia，1984年），而非冬眠物种则不然。为了维持心脏收缩力，冬眠动物必须应对能量限制、钙循环蛋白降解和低温导致的[Ca²⁺]浓度升高（Wang 等人，1999年）。

综上所述，研究数据表明，冬眠哺乳动物的心血管系统表现出异常的结构、分子和功能可塑性，使其能够适应冬眠带来的生理挑战。冬眠这种生态策略在环境温度和食物供应减少的情况下，有助于降低生存的能量成本，从而减少许多器官和组织的代谢需求。

作者贡献声明

弗拉基斯拉夫·S·库兹明（Vladislav S. Kuzmin）：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。迪娜·K·加尤尔尼娜（Dina K. Gaynullina）：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。阿纳斯塔西娅·A·什韦特索娃（Anastasia A. Shvetsova）：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。塔蒂亚娜·S·菲拉托娃（Tatiana S. Filatova）：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。张伟华（Weihua Zhang）：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。阿莱娜·S·阿布拉莫奇金娜（Alena S. Abramochkina）：撰写——综述与编辑，撰写——初稿。丹尼斯·V·阿布拉莫奇金（Denis V. Abramochkin）：撰写——综述与编辑...

本研究得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部（任务编号：122012100156–5）的支持。

Nakipova 等人，1997年

Zhang 等人，2006年

无利益冲突声明。