心力衰竭相關(guān)膈肌功能障礙的潛在機(jī)制和治療策略

劉祖林， 劉 蓉

隨著老齡化的來臨，心力衰竭(heart failure， HF)已成為一個(gè)亟待解決卻又難以處置的公共衛(wèi)生問題[1]。吸氣功能受損出現(xiàn)的呼吸困難和勞累型疲勞是HF的主要癥狀，限制患者的生存狀態(tài)，膈肌是主要的吸氣肌之一，其功能障礙是HF患者的一個(gè)顯著特征[2]，稱為心力衰竭相關(guān)的膈肌功能障礙(heart failure associated diaphragm dysfunction, HFaDD)[3]。研究表明, HFaDD可能和膈肌重塑、細(xì)胞特異性功能障礙和膈肌萎縮等有關(guān)，臨床也缺乏針對性的治療措施?，F(xiàn)就HFaDD潛在機(jī)制及治療策略進(jìn)行綜述，以期提高臨床對HFaDD的認(rèn)識(shí)，為其治療提供參考和借鑒。

1 HF相關(guān)的膈肌功能障礙的潛在機(jī)制

1.1 膈肌重塑

1.1.1 膈肌興奮-收縮耦聯(lián)的重塑 興奮-收縮耦聯(lián)的結(jié)構(gòu)和功能完整是膈肌功能正常的基礎(chǔ)，是指肌膜上的動(dòng)作電位觸發(fā)機(jī)械收縮的中介過程。有研究[4]發(fā)現(xiàn)，HF大鼠模型中膈肌神經(jīng)肌肉連接處擴(kuò)張和煙堿乙酰膽堿受體胚胎型亞基的表達(dá)增強(qiáng)，在膈肌神經(jīng)肌肉連接處引起的變化表現(xiàn)為神經(jīng)變性和去神經(jīng)支配[5]。HF的發(fā)展可能會(huì)加速去神經(jīng)支配及相關(guān)神經(jīng)營養(yǎng)因子的喪失，繼而引發(fā)膈肌無力，導(dǎo)致吸氣肌功能指標(biāo)如最大吸氣壓和跨橫膈膜壓力的減低。最大吸氣壓和跨橫隔膜壓力主要反映膈肌等長收縮。當(dāng)HF時(shí)膈肌等長肌力下降20%～40%[6]。擴(kuò)張性和缺血性的HF動(dòng)物模型中均觀察到最大的強(qiáng)直性收縮中等長收縮力的下降，與HF類型無關(guān)，等張收縮特性也會(huì)因HF而受損。峰值功率輸出是速度和等張收縮力縮短的產(chǎn)物，可以評價(jià)膈肌收縮障礙程度(如HF小鼠膈肌峰值功率下20%～50%，最大縮短速度可降低20%～30%)[7]。因此, 體外電刺激膈肌等長和等張收縮特性的損傷是HF破壞膈肌興奮-收縮耦合的強(qiáng)有力證據(jù)。HF時(shí)，膈肌興奮-收縮耦聯(lián)重塑常表現(xiàn)為去神經(jīng)支配和神經(jīng)肌肉連接異常，神經(jīng)營養(yǎng)因子減少，是膈肌功能障礙重要原因[8]。

1.1.2 伸縮裝置重塑 HF導(dǎo)致膈肌組織蛋白和肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain, MHC)的比例損失,肌聯(lián)蛋白的缺失導(dǎo)致肌絲晶格間距變寬，肌節(jié)不穩(wěn)定，有可能降低鈣敏感性和膈肌最大收縮力[9]。HF導(dǎo)致膈肌中肌凝蛋白在體外運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中滑動(dòng)速度減慢20%，可能是由于肌凝蛋白ATP酶活性的降低[10]。HF動(dòng)物肌球蛋白重鏈Ⅰ型和Ⅱa型纖維增加，同時(shí)肌球蛋白重鏈Ⅱb型纖維減少[11]。有研究[12]報(bào)道了在接受心臟移植或放置左心室輔助裝置的嚴(yán)重HF患者中，Ⅰ型纖維增加(P<0.0001)，Ⅱb型纖維下降(P<0.001)，充分表明在HF發(fā)生、發(fā)展中肌凝蛋白輕鏈、原肌凝蛋白和肌鈣蛋白(C、I和T)亞型出現(xiàn)從快到慢的轉(zhuǎn)變。膈肌伸縮裝置重塑有可能導(dǎo)致膈肌纖維縮短、速度更慢，從而使峰值功率更低。

1.2 膈肌細(xì)胞特異性功能障礙

1.2.1 腫瘤壞死因子-α(tumor mecrosis factor-α, TNF-α)和白細(xì)胞介素-6(interleukin-6, IL-6) 在HF患者中，TNF-α和IL-6被認(rèn)為是導(dǎo)致HF膈肌異常的假定循環(huán)因子，通過動(dòng)物體內(nèi)注射TNF-α、體外暴露TNF-α或心臟特異性過表達(dá)，TNF-α均可導(dǎo)致膈肌收縮功能損失15%～20%[13]，膈肌收縮力降低，而膈肌厚度無明顯變化，可能是由于心肌特異性TNF-α過表達(dá)[14]。在大鼠模型[15]中觀察到，IL-6水平增高，其膈肌收縮力雖無明顯減低，但膈肌中Ⅰ型、Ⅱa型、Ⅱb型纖維萎縮。TNF-α和IL-6表達(dá)水平是HF有關(guān)的膈肌無力和萎縮的觸發(fā)因素。

1.2.2 鞘磷脂酶(sphingomyelinase, SMase) 鞘磷脂在細(xì)胞信號(hào)通路中起第二信使的作用，SMase可水解鞘磷脂產(chǎn)生神經(jīng)酰胺及磷酸膽堿，是鞘磷脂信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要組成部分。HF導(dǎo)致SMase中性亞型活性增加20%，引起橫膈膜神經(jīng)酰胺的積累[16]。中性SMase和神經(jīng)酰胺是膈肌收縮力異常的介質(zhì)。通過體外暴露于SMase或神經(jīng)酰胺模擬HF時(shí)膈肌狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)通過破壞收縮器功能，可降低膈肌收縮幅度、鈣敏感性和抗疲勞能力[16]。通過由還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotied phosphate, NADPH)氧化酶和線粒體的活性氧(ROS)，以及鈣蛋白酶(Calpain)的激活，介導(dǎo)SMase刺激引起膈肌無力，繼而導(dǎo)致氧化還原失衡，蛋白質(zhì)氧化，引發(fā)膈膜萎縮，從而損害膈肌收縮功能[17-18]。

1.2.3 線粒體的ROS HF提高了膈肌線粒體內(nèi)ROS的釋放，膈膜中ROS的主要來源是NADPH氧化酶和線粒體, NADPH氧化酶2(Nox2)亞基的mRNA和蛋白水平升高，而Nox2亞基p47phoxis的磷酸化是NADPH氧化酶激活和ROS生成的關(guān)鍵步驟[19-20]。線粒體靶向抗氧化劑可阻斷膈肌線粒體ROS，使HF中的膈肌收縮幅度正?；荋F中膈肌功能障礙信號(hào)通路的重要組成部分[21]。線粒體過氧化氫酶過表達(dá)，影響膈肌收縮功能障礙，可能是通過誘導(dǎo)ROS釋放，引起肌絲和興奮-收縮耦聯(lián)蛋白對ROS敏感[22]，從而降低膈肌收縮幅度、鈣敏感性和抗疲勞，出現(xiàn)膈肌細(xì)胞特異性功能障礙[23-25]。

1.3 膈肌萎縮

1.3.1 血管緊張素Ⅱ (AngⅡ) 和兒茶酚胺誘導(dǎo)的過度通氣 膈肌萎縮可因細(xì)胞變性、蛋白質(zhì)降解增強(qiáng)或蛋白質(zhì)合成受損而發(fā)生。雄性CD-1小鼠實(shí)驗(yàn)主動(dòng)脈縮窄引起壓力過載誘導(dǎo)的HF模型顯示，膈肌無力的主要原因是肌肉質(zhì)量的減少，而不是內(nèi)在肌細(xì)胞力量產(chǎn)生減少。膈肌萎縮可能與膈膜中參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反應(yīng)的信號(hào)分子[血紅素加氧酶1(HO-1)、蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(Perk)、X框結(jié)合蛋白1(XBp1)和XBp1剪接變異表達(dá)]增加而導(dǎo)致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激有關(guān)。Perk的下游靶點(diǎn)，真核翻譯起始因子2α(EIF2α)，在被Perk激活后，磷酸化的情況下抑制膈肌蛋白質(zhì)翻譯的起始。此外，通過EIF2α脫磷酸化，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激蛋白(C/EBP homologous protein, CHOP)的表達(dá)也顯著減少。AngⅡ和兒茶酚胺通過功能上的相互依賴機(jī)制來調(diào)節(jié)通氣驅(qū)動(dòng)，誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)介導(dǎo)的呼吸動(dòng)力增加，Perk等表達(dá)增加，影響Ca2+處理，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，激活下游靶點(diǎn)EIF2α過度磷酸化，從而限制膈肌蛋白翻譯。因此，膈肌萎縮是Perk表達(dá)增加和EIF2α磷酸化誘導(dǎo)的蛋白合成受損的結(jié)果。通氣驅(qū)動(dòng)的中樞神經(jīng)激素(AngⅡ和兒茶酚胺)長期激活而不解除時(shí)，會(huì)抑制蛋白質(zhì)合成，導(dǎo)致膈肌萎縮和無力[26]。

1.3.2 AngⅡ-Nox2-ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激導(dǎo)致膈肌萎縮 在小鼠體內(nèi)輸注AngⅡ會(huì)導(dǎo)致膈肌萎縮[27]。AngⅡ介導(dǎo)的肌肉 ROS 生成增加，部分歸因于血管緊張素Ⅱ-1型受體(AT1R)介導(dǎo)的Nox2活性增加和線粒體ROS產(chǎn)生升高[28]。研究[29]表明, ROS是膈肌萎縮和收縮功能障礙的病因之一。AngⅡ輸注4周后，缺乏Nox2表達(dá)的小鼠沒有骨骼肌萎縮，而注入AngⅡ的野生型小鼠表現(xiàn)出膈肌萎縮，表明用血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑阻斷腎素-血管緊張素系統(tǒng)可以防止HF動(dòng)物膈肌萎縮，可能存在AngⅡ誘導(dǎo)的不依賴于ROS激活而導(dǎo)致膈肌萎縮的機(jī)制[30]。

1.3.3 泛素-蛋白酶體蛋白水解途徑的激活途徑激活 橫膈膜萎縮和肌原纖維蛋白降解需要蛋白水解途徑的激活。上述所有途徑(細(xì)胞因子、AngⅡ、SMase、ROS及Calpain的激活)都激活了肌肉中的蛋白水解信號(hào)[31]。HF患者膈肌內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡，引起細(xì)胞內(nèi)鈣濃度升高，Calpain活性增加,原纖維蛋白會(huì)被Calpain切割和移除，泛素-蛋白酶水解途徑激活，膈肌纖維分解，抑制蛋白酶體會(huì)鈍化膈膜MHC降解和膈肌收縮幅度降低[32]。這些研究表明, Calpain激活及泛素-蛋白酶體途徑的激活是HF膈肌萎縮的重要原因。

2 HFaDD治療

2.1HFaDD的非藥物治療 心力衰竭患者常合并一些嚴(yán)重影響代謝的基礎(chǔ)性疾病，在嚴(yán)重甲狀腺功能減退、甲狀腺功能亢進(jìn)、低磷血癥和高血糖可嚴(yán)重影響膈肌的功能，糾正這些基礎(chǔ)疾病十分必要[33]。運(yùn)動(dòng)通過對抗由ROS引起的胰島素敏感性降低，使葡萄糖攝取增加，膈肌纖維類型改變和改善線粒體功能障礙，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)降解和蛋白質(zhì)合成；耐力訓(xùn)練可防止氧化應(yīng)激和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)過度活動(dòng)，并逆轉(zhuǎn)HF中膈肌萎縮[34]。HF患者經(jīng)過一定的耐力訓(xùn)練后，夜間呼吸困難情況改善，呼吸功能均得到改善[35]。膈神經(jīng)刺激已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高度脊髓損傷和肌萎縮側(cè)索硬化晚期患者肌收縮，可有效防止膈肌萎縮，還可以用來緩解呼吸機(jī)誘導(dǎo)的膈肌功能障礙。膈肌起搏是一項(xiàng)通過電刺激膈肌達(dá)到消除膈肌疲勞，增強(qiáng)收縮力的治療手段，是HF患者膈肌無力的潛在治療手段。

2.2HFaDD的藥物治療

2.2.1 抗氧化治療 維生素E等抗氧化劑通過減輕氧化應(yīng)激，來改善膈肌萎縮和收縮功能障礙?？寡趸瘎┻€可能調(diào)節(jié)蛋白水解相關(guān)基因的表達(dá)。給動(dòng)物高劑量的維生素E可以降低半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)和Calpain等[36]幾種蛋白酶的表達(dá)。用新型線粒體靶向抗氧化劑(SS-31)處理動(dòng)物，通過對抗氧化應(yīng)激和防止蛋白酶激活，可防止大鼠膈膜肌肉萎縮[32]。上述治療還需要更多的隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步評估抗氧化劑對HFaDD的療效。

2.2.2 鈣致敏藥物(左西孟旦) 左西孟旦是一種用于治療急性和晚期HF新的鈣致敏藥物，通過其與心臟肌鈣蛋白C的鈣依賴性相互作用促進(jìn)肌細(xì)胞收縮力，具有抗氧化和抗炎特性，可逆轉(zhuǎn)膈肌疲勞[37],而心率、心肌耗氧無明顯影響。左西孟旦通過降低氧化應(yīng)激，增強(qiáng)膈膜肌纖維的收縮力[38]。

2.2.3 坎地沙坦及酒石酸美托洛爾 在HF時(shí)，增加的兒茶酚胺激活RAAS，AngⅡ是RAAS的關(guān)鍵介質(zhì)和兒茶酚胺產(chǎn)生的部分調(diào)節(jié)劑，并通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的AT1R和血管緊張素Ⅱ-2型受體(AT2R)介導(dǎo)，導(dǎo)致過度通氣，誘發(fā)膈肌無力。動(dòng)物模型中，坎地沙坦和酒石酸美托洛爾使HF小鼠通氣水平正常化，而其他血管緊張素受體拮抗劑(ARB)和β-受體阻滯劑則不具有同樣的藥效，這是因?yàn)镠F時(shí)通氣過度驅(qū)動(dòng)的呼吸刺激是通過血腦屏障內(nèi)的受體介導(dǎo)[2]。能夠穿越血腦屏障的AngⅡ(坎地沙坦)和β-ADR阻滯劑(酒石酸美托洛爾)有效地恢復(fù)呼吸驅(qū)動(dòng)和緩解膈肌無力，而不依賴于心功能的改善,進(jìn)而發(fā)揮改善過度通氣的作用[39]?？驳厣程购途剖崦劳新鍫柨捎糜谥委烪FaDD，臨床仍需更多的循證醫(yī)學(xué)的證據(jù)來進(jìn)一步評估。

膈肌重塑、膈肌細(xì)胞特異性功能障礙及膈肌萎縮都是HFaDD的原因。HFaDD相關(guān)的分子機(jī)制包括TNF-α及IL-6介導(dǎo)的SMase激活、ROS過載可導(dǎo)致膈肌細(xì)胞特異性功能障礙，AngⅡ和兒茶酚胺誘導(dǎo)過度通氣及AngⅡ-Nox2-ROS誘導(dǎo)的膈肌萎縮，泛素-蛋白酶體蛋白水解途徑的激活途徑。耐力訓(xùn)練、膈神經(jīng)刺激及膈肌起搏等是非藥物療法已經(jīng)被用于HFaDD的治療。目前對于HFaDD的藥物治療仍處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究及初步臨床試驗(yàn)階段，維生素E等抗氧化劑、鈣致敏藥物(左西孟旦)、坎地沙坦及酒石酸美托洛爾等基于不同機(jī)制的均可改善膈肌功能。改善膈肌功能障礙有望成為HF呼吸困難治療新的靶點(diǎn)。