自噬在膿毒癥肌肉萎縮中的研究進(jìn)展

林大衛(wèi) 吳 進(jìn) 蔣 鵬

江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院麻醉科，江蘇鎮(zhèn)江 212001

膿毒癥是指宿主對感染的反應(yīng)失調(diào)而導(dǎo)致危及生命的器官功能障礙。2016 年發(fā)布的膿毒癥指南定義為其以器官功能障礙為核心[1]。全身炎癥反應(yīng)期可累及心臟、肺、肝、腎、胃腸、肌肉等多種臟器，以致后期發(fā)展為多器官功能障礙。肌肉功能障礙在膿毒癥進(jìn)程中占據(jù)著特殊地位。臨床上多見四肢肌肉和呼吸肌無力，可導(dǎo)致患者長期臥床，相關(guān)并發(fā)癥發(fā)生率明顯增加，生活質(zhì)量明顯下降，總體預(yù)后極差[2]。膿毒癥引起的呼吸肌萎縮使機(jī)械通氣時(shí)間明顯延長，脫機(jī)更加困難[3]，并增加停用后呼吸衰竭的復(fù)發(fā)概率[4]。自噬是指細(xì)胞的自食過程，利用溶酶體分解自身組分以維持胞內(nèi)正常生理活動[5]。研究表明，自噬參與多種疾病的病理生理過程，在膿毒癥的進(jìn)程中也發(fā)揮重要作用[6]。本文就自噬對膿毒癥肌肉萎縮的影響作一綜述。

1 自噬

自噬是一個(gè)廣泛存在于真核細(xì)胞內(nèi)的自身保護(hù)機(jī)制，在各種應(yīng)激條件下，如細(xì)胞應(yīng)激、營養(yǎng)缺乏、微生物感染等啟動，產(chǎn)生一種特異性的雙層膜結(jié)構(gòu)即自噬體，并將部分細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器包裹其中，再和溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體。膜內(nèi)的組分最終被降解為核苷酸、氨基酸、游離脂肪酸等小分子并運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中再利用，主要用于合成大分子物質(zhì)或ATP，起著支持細(xì)胞生存和調(diào)控體內(nèi)代謝平衡的作用。因此，自噬更是一種物質(zhì)降解途徑。研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)淖允赡軌蛲ㄟ^降解細(xì)胞內(nèi)受損和有害物質(zhì)從而保護(hù)細(xì)胞，但過度的自噬也會造成細(xì)胞程序性死亡[7]。因此對于細(xì)胞而言，自噬是一把雙刃劍。

2 膿毒癥肌肉萎縮的相關(guān)機(jī)制

膿毒癥會誘導(dǎo)骨骼肌萎縮[8]。肌肉萎縮特征是肌纖維橫截面積、肌核數(shù)、蛋白質(zhì)含量、肌力降低及疲勞性增加和胰島素抵抗[9]。膿毒癥可從不同角度誘導(dǎo)骨骼肌萎縮。研究發(fā)現(xiàn)，肌肉質(zhì)量的調(diào)節(jié)主要取決于蛋白質(zhì)降解和合成的相對速率[10]。目前普遍認(rèn)為膿毒癥導(dǎo)致肌肉萎縮，肌肉蛋白質(zhì)的過度降解占主導(dǎo)因素。Fischer 等[11]發(fā)現(xiàn)，給予蛋白酶體抑制劑可阻止膿毒癥誘導(dǎo)的肌肉蛋白分解，緩解骨骼肌萎縮。膿毒癥期存在嚴(yán)重的代謝紊亂，具體表現(xiàn)為糖、脂肪利用障礙，能量供應(yīng)主要通過蛋白質(zhì)降解[12]，機(jī)體處于強(qiáng)制高代謝狀態(tài)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分解大于合成的負(fù)氮平衡。而骨骼肌是人體內(nèi)蛋白含量最高的部位，也是營養(yǎng)能量代謝最重要的器官，受膿毒癥代謝異常的影響最嚴(yán)重。了解蛋白質(zhì)降解機(jī)制，有助于研究發(fā)現(xiàn)對抗肌肉萎縮的策略。Doyle 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥涉及肌蛋白降解主要通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)的激活和自噬通過Toll 樣受體4 信號上調(diào)。Morel 等[14]在膿毒癥動物模型的肌肉組織中觀察到泛素蛋白酶復(fù)合體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）的激活。UPS 對降解底物具備高度選擇性，不同于自噬溶酶體系統(tǒng)，它可以避開正常的蛋白質(zhì)，并特異性識別和降解不需要的蛋白質(zhì)。膿毒癥期間UPS 對肌肉萎縮的不良影響小于自噬溶酶體降解途徑。

膿毒癥期間還存在蛋白質(zhì)合成水平降低。mTOR通過磷酸化下游的S6K1 和真核起始因子eIF4E 的結(jié)合蛋白，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成[15]。Shi 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥大鼠萎縮的肌肉組織中，AMPK 明顯上調(diào)，其抑制mTOR 及下游的S6K1。膿毒癥期間，激素的失調(diào)[17]、全身炎癥反應(yīng)也參與肌肉萎縮的進(jìn)程[18]。此外，大量受損和功能失調(diào)線粒體的聚集是膿毒癥誘導(dǎo)肌肉功能障礙的重要特征。Protti 等[19]發(fā)現(xiàn)，膿毒癥動物模型的骨骼肌中線粒體功能減退，并且肌纖維中聚集大量異常結(jié)構(gòu)的線粒體。功能障礙的線粒體會產(chǎn)生更多的活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS 不僅可以損傷正常的線粒體，還可以直接損傷周圍組織?？紤]到骨骼肌功能活動需要巨大的能量支持，肌纖維中富含大量的網(wǎng)狀線粒體，導(dǎo)致ROS 嚴(yán)重?fù)p傷骨骼肌。

3 自噬與膿毒癥肌肉萎縮的關(guān)系

自噬是維持體內(nèi)能量代謝平衡的重要機(jī)制，尤其是在代謝活躍的骨骼肌中起到重要作用[20]。自噬更是一種重要的分解代謝途徑，與膿毒癥誘導(dǎo)的肌肉萎縮密切相關(guān)[21]。研究表明，膿毒癥期間，自噬在不同器官中發(fā)揮著不同利害影響。它更傾向于保護(hù)肺部、心臟、腎臟和大腦，以及損傷骨骼肌。但目前自噬對膿毒癥肌肉萎縮產(chǎn)生的利弊仍然存在爭議。

3.1 自噬可能促進(jìn)膿毒癥肌肉萎縮

膿毒癥導(dǎo)致的肌肉萎縮，肌肉蛋白質(zhì)的過度降解占主導(dǎo)因素。自噬溶酶體途徑是機(jī)體的重要降解途徑之一。Kishtia 等[22]發(fā)現(xiàn)，通過構(gòu)建多種膿毒癥模型，早期可以觀察到運(yùn)動肌肉萎縮，至少持續(xù)兩周，并且在萎縮的肌肉組織中觀察到自噬水平明顯升高，具體表現(xiàn)為LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ、Beclin-1 明顯上調(diào)，p62 明顯下調(diào)，表明膿毒癥會誘導(dǎo)骨骼肌自噬。膿毒癥期間，運(yùn)動肌比膈肌更易出現(xiàn)肌萎縮的情況[23]。Stana 等[24]采用盲腸結(jié)扎穿孔（cecal ligation and puncture，CLP）構(gòu)建膿毒癥動物模型，發(fā)現(xiàn)不同肌肉組織的自噬水平存在差異；其認(rèn)為運(yùn)動肌萎縮程度大于膈肌的原因在于運(yùn)動肌與膈肌由不同比例的快肌纖維、慢肌纖維組成，而快慢肌纖維ROS 水平不同，導(dǎo)致激活的自噬水平高低不同。因此，自噬介導(dǎo)的肌蛋白降解程度存在差異。表明膿毒癥肌萎縮程度與自噬水平密切相關(guān)。自噬還參與其他降解途徑，如非經(jīng)典鈣蛋白酶calpain 6可以通過激活mTOR 信號通路抑制自噬，從而延緩肌肉萎縮[25]。因此，可以采取干預(yù)自噬的手段，達(dá)到抗肌萎縮的治療目的。膿毒癥期間，機(jī)體通過Toll 樣受體4信號上調(diào)自噬水平。Ono 等[26]發(fā)現(xiàn)，外源性給予Toll 樣受體4 信號傳導(dǎo)的特異性抑制劑TAK-242，可緩解小鼠脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）誘導(dǎo)的骨骼肌萎縮。Cao 等[27]發(fā)現(xiàn)，低溫可以抑制AMPK 自噬信號，通過下調(diào)自噬水平緩解LPS 誘導(dǎo)的骨骼肌萎縮。此外，腎素-血管緊張素系統(tǒng)（renin-angiotensin system，RAS）在調(diào)節(jié)骨骼肌功能中發(fā)揮重要作用。研究表明，經(jīng)典RAS 軸中血管緊張素Ⅱ促進(jìn)骨骼肌萎縮[28]。非經(jīng)典RAS 軸的主要受體為MAS 受體，Cisternas 等[29]發(fā)現(xiàn)，Ang（1-7）與MAS 受體結(jié)合后，可對抗血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的肌萎縮。這是通過抑制自噬信號通路實(shí)現(xiàn)的，研究者采用注射LPS 構(gòu)建膿毒癥模型，發(fā)現(xiàn)Ang（1-7）可以緩解骨骼肌萎縮，并證明Ang（1-7）通過激活MAS 受體下調(diào)自噬水平[30]。綜上，膿毒癥期間活躍的自噬過度降解肌蛋白，可促進(jìn)肌肉萎縮。

3.2 自噬可能抑制膿毒癥肌肉萎縮

研究表明，激活的自噬可以延緩膿毒癥導(dǎo)致的肌肉萎縮。Qiu 等[31]認(rèn)為功能失調(diào)的細(xì)胞器和有毒蛋白質(zhì)可促進(jìn)肌肉萎縮，而活化的自噬溶酶體系統(tǒng)可以將其及時(shí)清除，阻止有害物質(zhì)的積累。因此，抑制自噬會加重肌肉萎縮。比如，膿毒癥代謝紊亂的一個(gè)重要原因是線粒體損傷。受損線粒體會產(chǎn)生ROS，ROS 繼續(xù)破壞正常的細(xì)胞器包括線粒體，從而產(chǎn)生新的ROS，形成惡性循環(huán)。并且蓄積的ROS 也可直接損傷肌纖維。Wu 等[32]通過調(diào)控線粒體質(zhì)量的平衡，膿毒癥多器官衰竭得到改善。綜上，對線粒體質(zhì)量的調(diào)節(jié)可以作為減緩膿毒癥肌肉萎縮的潛在靶點(diǎn)。而選擇性自噬中的線粒體自噬，可以被ROS 信號通路激活，通過特異性地包裹并降解有害的線粒體，降低ROS 對正常線粒體的侵蝕，起到一定抑制膿毒癥高代謝狀態(tài)的作用[33]。Parkin 是一條非常重要的線粒體自噬的調(diào)節(jié)通路，其促使CLP 模型中Parkin 的過表達(dá)，上調(diào)的線粒體自噬通過改善線粒體質(zhì)量和數(shù)量，緩解膿毒癥引起的骨骼肌萎縮[34]。

線粒體是能量代謝的重要組成部分，而下丘腦是能量代謝的重要調(diào)節(jié)中心[35]。Cheng 等[36]發(fā)現(xiàn)，下丘腦神經(jīng)肽的表達(dá)在膿毒癥高代謝調(diào)節(jié)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。腦內(nèi)自噬在合適的水平下可以維持腦細(xì)胞所需的ATP 生成和蛋白質(zhì)合成水平，在營養(yǎng)缺乏期間保護(hù)神經(jīng)元[37]。而膿毒癥代謝紊亂可打破這一平衡。Cao 等[38]通過激活與下丘腦自噬相關(guān)的通路AMPK，發(fā)現(xiàn)自噬激活后可改善膿毒癥的高代謝水平，進(jìn)而預(yù)防肌肉萎縮。綜上，膿毒癥期間，可通過激活自噬，發(fā)揮特異性清除有害物質(zhì)的作用，減緩肌肉萎縮。

3.3 利弊爭議的可能原因

關(guān)于目前自噬對膿毒癥肌肉萎縮產(chǎn)生的利弊的爭議，一方面，可能是因?yàn)槟摱景Y處于不同時(shí)期其蛋白質(zhì)代謝機(jī)制的不同。Crowell 等[39]采用CLP 模型，發(fā)現(xiàn)膿毒癥急性期前24 h 存在自噬明顯上調(diào)，24 h 后自噬逐漸下調(diào)。下調(diào)的原因可能是需要刪除受損細(xì)胞器和有害的蛋白質(zhì)減少。假設(shè)此時(shí)加強(qiáng)自噬，則可以更多地清除細(xì)胞內(nèi)的廢物及有毒線粒體等，促進(jìn)能量循環(huán)從而緩解肌肉萎縮。在膿毒癥恢復(fù)期，隨著mTOR 的活性上調(diào)同時(shí)抑制自噬，肌蛋白合成增加；另一方面，還可能與自噬活躍程度有關(guān)。機(jī)體中不同組織的基礎(chǔ)自噬水平存在差異，骨骼肌中的自噬特別活躍。這可能與骨骼肌本身特征有關(guān)，骨骼肌作為人體最要的營養(yǎng)代謝器官，相比其他組織，肌纖維蛋白質(zhì)合成和降解途徑都十分活躍，自噬又是蛋白質(zhì)降解途徑之一。并且，與其他組織比較，骨骼肌在應(yīng)激狀態(tài)下的自噬動力學(xué)同樣存在差異。大多數(shù)組織在應(yīng)激下經(jīng)歷短暫的自噬，這個(gè)過程只持續(xù)幾個(gè)小時(shí)；相反，骨骼肌中活化的自噬可持續(xù)數(shù)天[40]。而且，認(rèn)為自噬抑制膿毒癥肌萎縮的觀點(diǎn)涉及的研究中，大都是建模時(shí)間短暫的研究。綜上，短期內(nèi)加強(qiáng)自噬可以通過清除有害物質(zhì)，改善肌肉萎縮。然而，膿毒癥期間骨骼肌長期處于高自噬水平，肌蛋白大量水解促進(jìn)肌肉萎縮實(shí)際上占據(jù)最主要的原因。Hernandez-García 等[41]發(fā)現(xiàn)，在豬膿毒癥模型中，通過外源性給予氨基酸可以拮抗骨骼肌系統(tǒng)中自噬溶酶體的激活，從而減緩肌蛋白的過度降解。因此，認(rèn)為自噬對膿毒癥誘導(dǎo)的肌肉萎縮起到有害的作用。

4 總結(jié)與展望

膿毒癥患者常合并骨骼肌萎縮，是影響患者生存質(zhì)量和高住院率、高死亡率的重要原因。骨骼肌的萎縮與蛋白質(zhì)的代謝密切相關(guān)。探討膿毒癥骨骼肌萎縮機(jī)制對積極干預(yù)患者的預(yù)后具有很大的臨床意義。膿毒癥導(dǎo)致自噬過度激活，過度降解肌蛋白引起肌肉萎縮。因此，可以通過探究各種手段干預(yù)自噬，達(dá)到延緩肌肉萎縮的目的。有病例報(bào)道發(fā)現(xiàn)，行針刺治療的膿毒癥患者肌肉萎縮速度明顯小于未行針刺的膿毒癥患者[42]。吳夢佳等[43]發(fā)現(xiàn)，針刺可影響失神經(jīng)大鼠骨骼肌自噬相關(guān)基因表達(dá)。推測病例報(bào)道中針刺可能通過抑制自噬，緩解ICU 患者肌肉萎縮。綜上，深入探究自噬相關(guān)的機(jī)制，可為治療膿毒癥肌肉萎縮提供新的思路和方法。