阿霉素誘導(dǎo)心臟毒性的發(fā)病機(jī)制與防治

王青偉，丁榮晶

北京大學(xué)人民醫(yī)院，北京 100044

阿霉素(adriamycin, ADR)，也稱為多柔比星(doxorubicin, DOX)，屬于蒽環(huán)類抗腫瘤藥物。該藥自20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始用于臨床治療腫瘤，其抗瘤譜廣，療效顯著，被認(rèn)為是治療實(shí)體瘤和血液系統(tǒng)惡性腫瘤最有效的藥物之一[1]。DOX屬于周期非特異性藥物，對(duì)各種生長(zhǎng)周期的腫瘤細(xì)胞都有殺滅作用，其機(jī)理主要是通過(guò)嵌入DNA并與拓?fù)洚悩?gòu)酶II相互作用，從而阻斷DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成[2-4]。然而，DOX對(duì)心肌的毒性作用大大限制了這一高效抗腫瘤藥物的臨床應(yīng)用。

1973年Lefrak等[5]首次報(bào)道了DOX的心臟毒性，認(rèn)為它比DOX引起的骨髓抑制作用、消化道和腎臟毒性等更為危險(xiǎn)。DOX引起的心臟毒性按發(fā)病時(shí)間可分為：急性，在給藥后的幾小時(shí)或幾天內(nèi)發(fā)生；慢性，發(fā)生在暴露后1年內(nèi)；遲發(fā)性，在化療后數(shù)年發(fā)生[6-8]，其作用嚴(yán)重程度不一，范圍從一過(guò)性心功能障礙到充血性心力衰竭[1,7,9]。研究發(fā)現(xiàn)，DOX導(dǎo)致心力衰竭發(fā)展的最大決定因素之一是其累積劑量。當(dāng)DOX累積劑量達(dá)到400 mg/m2時(shí)，心功能不全的發(fā)生率為3%～5%；當(dāng)累積劑量達(dá)到550 mg/m2時(shí)，心功能不全的發(fā)生率增至7%～26%；當(dāng)累積劑量達(dá)到700 mg/m2時(shí)，心功能不全的發(fā)生率高達(dá)18%～48%[7,10-12]。

目前關(guān)于DOX致心臟毒性的確切機(jī)制還不太清楚，其研究主要集中在細(xì)胞核、溶酶體以及線粒體事件上，包括氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡、鐵死亡、鈣超載和自噬失調(diào)等[13-18]。此外，臨床上發(fā)現(xiàn)DOX導(dǎo)致的心臟損害往往是進(jìn)展性與不可逆性的，因此需要早期監(jiān)測(cè)和提前預(yù)防心臟毒性的發(fā)生以及積極治療DOX誘導(dǎo)的心力衰竭[19-20]。本文就DOX誘導(dǎo)的心臟毒性的發(fā)病機(jī)制及其防治的進(jìn)展情況進(jìn)行匯總，旨在為進(jìn)一步研究和臨床治療決策提供參考。

1 阿霉素誘導(dǎo)心臟毒性的發(fā)病機(jī)制

1.1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激(oxidative stress)是由體內(nèi)氧化和抗氧化對(duì)損傷反應(yīng)的不平衡引起的[21]。誘導(dǎo)自由基產(chǎn)生往往被認(rèn)為是DOX引起心臟毒性的主要機(jī)制。雖然DOX殺死快速分裂癌細(xì)胞的主要機(jī)制與DNA損傷有關(guān)，但DOX在心肌細(xì)胞中表現(xiàn)出的毒性與其代謝引起的自由基形成有關(guān)。具體而言，DOX被線粒體呼吸鏈復(fù)合體I中的NAD(P)H氧化酶或一氧化氮合酶(NOS)還原成半醌自由基，可與氧分子反應(yīng)形成超氧自由基[22]。隨后，氧化還原循環(huán)導(dǎo)致過(guò)氧化氫和羥 自由基的產(chǎn)生[23]。另外，氧化應(yīng)激也可以通過(guò)誘導(dǎo)NOS表達(dá)，導(dǎo)致一氧化氮和過(guò)氧化亞硝酸鹽的形成[24-25]。這種機(jī)制與心臟中包括肌原纖維肌酸激酶在內(nèi)的關(guān)鍵酶的硝化和失活有關(guān)[26]。此外，阿霉素-鐵復(fù)合物的形成會(huì)催化芬頓反應(yīng)(Fenton reaction)，即Fe2+催化過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為羥自由基，從而導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生[27]。有研究表明，只有在DOX濃度非常高的情況下才會(huì)觀測(cè)到DOX對(duì)腫瘤細(xì)胞的氧化損傷，而心肌細(xì)胞高度依賴氧化底物代謝，可能對(duì)DOX引起的氧化應(yīng)激更敏感[9]。此外，DOX還會(huì)顯著降低內(nèi)源性抗氧化劑如谷胱甘肽和過(guò)氧化氫酶的水平，導(dǎo)致氧化還原失衡并擴(kuò)大氧化應(yīng)激反應(yīng)[28]。在DOX誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激過(guò)程中，由任何一種機(jī)制形成的自由基都會(huì)繼續(xù)破壞多種細(xì)胞成分，包括脂質(zhì)、核酸和蛋白質(zhì)，導(dǎo)致膜脂質(zhì)過(guò)氧化、線粒體功能障礙等，繼而激活細(xì)胞毒性信號(hào)通路，引起心肌組織受損。

1.2 細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡(apoptosis)又稱為程序性細(xì)胞死亡，指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細(xì)胞自主的有序的死亡。研究表明，DOX誘發(fā)的氧化應(yīng)激可通過(guò)外在(Fas-FasL)和內(nèi)在凋亡途徑直接引發(fā)心肌細(xì)胞凋亡，并導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟功能障礙[25,29]。其中，線粒體依賴的內(nèi)在通路在DOX誘導(dǎo)的心臟毒性中起著關(guān)鍵作用。該通路通過(guò)多種機(jī)制激活，包括上調(diào)p53導(dǎo)致Bax等促凋亡蛋白上調(diào)，下調(diào)GATA4導(dǎo)致抗凋亡蛋白Bcl-XL的表達(dá)降低等，進(jìn)而促進(jìn)線粒體釋放細(xì)胞色素c，激活Caspasase 9并進(jìn)一步激活Caspase 3[30-31]。Caspase的活性也可受DOX影響，已有研究證明Caspase 3的激活和細(xì)胞凋亡與體內(nèi)DOX給藥有關(guān)[32]。在DOX治療過(guò)程中，氧化還原反應(yīng)的不平衡狀態(tài)也會(huì)影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣穩(wěn)態(tài)和蛋白質(zhì)折疊，導(dǎo)致心肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，最終也可導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡[21,33]。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激持續(xù)或嚴(yán)重時(shí)，有三個(gè)凋亡信號(hào)通路被激活，包括Caspase 12、c-JNK和C/EBP同源蛋白(CHOP)通路[21,34-35]。此外，DOX還可以通過(guò)不直接涉及ROS產(chǎn)生和氧化應(yīng)激的機(jī)制誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，其中一個(gè)觸發(fā)因素就是DNA損傷。DOX嵌入DNA中并與拓?fù)洚悩?gòu)酶IIβ(TOPIIβ)結(jié)合，抑制DNA和RNA的合成并導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡或死亡[9]。低于觸發(fā)心肌細(xì)胞死亡所需水平的DNA損傷還可能會(huì)通過(guò)DNA突變的積累導(dǎo)致累積的心臟毒性[36]。

1.3 細(xì)胞焦亡

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)是一種由炎癥介導(dǎo)的程序性細(xì)胞死亡，表現(xiàn)為細(xì)胞腫脹膨大直至細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的釋放進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。非感染性組織(如心臟)中的細(xì)胞焦亡可能是通過(guò)無(wú)菌炎癥的損傷相關(guān)分子模式(damageassociated molecular patterns, DAMPs)引發(fā)的，通過(guò)激活TLR4受體啟動(dòng)，導(dǎo)致NLRP3炎性小體形成。這種反應(yīng)會(huì)誘導(dǎo)Caspase 1級(jí)聯(lián)反應(yīng)的激活，并引起下游促炎細(xì)胞因子IL-1β和IL-18等的分泌[16,37-38]。研究表明，在DOX誘導(dǎo)的心臟毒性中，除了細(xì)胞焦亡標(biāo)志物(Caspase 1、IL-1β和IL-18)升高外，還發(fā)現(xiàn)TNF-α和促炎M1巨噬細(xì)胞的升高，以及IL-10和抗炎M2巨噬細(xì)胞的降低[16]。此外，DOX還可以通過(guò)激活線粒體中的Bnip3，進(jìn)而誘導(dǎo)Caspase 3的激活，并最終引發(fā)gasdermin E (GSDME)依賴性細(xì)胞焦亡[31,39]。其他心臟細(xì)胞類型(如內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞)中細(xì)胞焦亡的存在還需要進(jìn)一步研究。

1.4 鐵死亡

鐵死亡(ferroptosis)是一種鐵依賴性的細(xì)胞程序性死亡方式[40]。心肌中含有豐富的血紅素用以合成肌紅蛋白、細(xì)胞色素等，其中血紅素加氧酶-1(Hmox1)是鐵卟啉化合物血紅素分解代謝過(guò)程中的限速酶，可將血紅素分解為一氧化碳、膽綠素和Fe2+。研究表明，DOX通過(guò)激活Nrf2導(dǎo)致Hmox1上調(diào)，進(jìn)而誘導(dǎo)血紅素降解并在心肌細(xì)胞中釋放游離鐵[15]。DOX也可上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR)，導(dǎo)致更多的鐵進(jìn)入細(xì)胞[31]。而DOX導(dǎo)致線粒體功能障礙后，鐵未能及時(shí)用于血紅素和鐵硫簇的合成或儲(chǔ)存于線粒體鐵蛋白(FtMt)中，也可導(dǎo)致線粒體內(nèi)鐵過(guò)載[31,41]。最終心肌細(xì)胞內(nèi)鐵蓄積導(dǎo)致細(xì)胞膜特別是線粒體膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化，心肌細(xì)胞發(fā)生鐵死亡。DOX本身是Fe3+的螯合劑，甚至可以在沒(méi)有游離Fe3+的情況下，直接從鐵蛋白中提取Fe3+，形成DOX-Fe3+復(fù)合物，并且游離Fe2+和Fe3+可能不是DOX處理下DOX-Fe復(fù)合物形成和脂質(zhì)過(guò)氧化物產(chǎn)生所必需的[42-43]。DOX-Fe3+以氧濃度依賴的方式被還原為DOXFe2+復(fù)合物，然后產(chǎn)生羥基自由基，進(jìn)而導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化物的產(chǎn)生。此外，DOX還導(dǎo)致谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(GPx4)降低，以致脂質(zhì)過(guò)氧化物的清除能力降低，也會(huì)進(jìn)一步加劇脂質(zhì)過(guò)氧化物的聚集[17]。

1.5 自噬

自噬(autophagy)在維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞對(duì)各種應(yīng)激的適應(yīng)性保護(hù)中起著至關(guān)重要的作用[44]。自噬可以分為大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬，其中大自噬被認(rèn)為是自噬的主要類型，通常將其簡(jiǎn)稱為“自噬”[45]。心肌細(xì)胞中有兩種主要的線粒體自噬通路，PINK1/Parkin通路和不依賴Parkin的Bnip3/NIX通路[46]。近年來(lái)，關(guān)于DOX對(duì)自噬的影響及其在心臟毒性中的作用的報(bào)道相互矛盾。多項(xiàng)研究表明，DOX會(huì)損害溶酶體酸化和功能，從而抑制心肌細(xì)胞中的自噬通量[44,47]。相反，一些研究還表明自噬水平增加，會(huì)觸發(fā)DOX誘導(dǎo)的有害影響和細(xì)胞死亡[48]。大多數(shù)研究認(rèn)為，DOX上調(diào)心臟自噬并促進(jìn)DOX誘導(dǎo)的心臟毒性的發(fā)生。但也有研究報(bào)道，長(zhǎng)期抑制自噬可能會(huì)導(dǎo)致病理后果[49]。此外，研究表明，心臟對(duì)DOX的自噬反應(yīng)似乎不僅取決于所使用的心臟毒性模型的類型，而且還取決于DOX處理的濃度和持續(xù)時(shí)間[18]。有趣的是，DOX誘導(dǎo)的自噬反應(yīng)可能是物種特異性的，因?yàn)镈OX處理已顯示在大鼠模型中刺激自噬，但在小鼠模型中抑制自噬[50]。

1.6 線粒體損傷

線粒體是心肌細(xì)胞的動(dòng)力源，其主要功能是通過(guò)氧化磷酸化合成 ATP，線粒體可產(chǎn)生心肌細(xì)胞利用的90%以上的ATP[25]。在DOX誘導(dǎo)的心臟毒性過(guò)程中，線粒體是最廣泛和漸進(jìn)性損傷的亞細(xì)胞器。心磷脂是線粒體內(nèi)膜的重要組成部分，是一種富含多不飽和脂肪酸的磷脂，與DOX具有高親和力[36]。DOX通過(guò)與心磷脂結(jié)合或者與線粒體DNA相互作用，進(jìn)入線粒體并抑制呼吸鏈，從而導(dǎo)致能量代謝異常、ROS生成增加和細(xì)胞凋亡[21,25]。此外，DOX還引起線粒體通透性轉(zhuǎn)變(MPT)的劑量依賴性誘導(dǎo)，這是一種由于MPT孔(mPTP)的“開(kāi)放”，線粒體失去了發(fā)展和維持跨內(nèi)膜電化學(xué)梯度能力的現(xiàn)象[51]。而阻滯線粒體膜轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放，可防止DOX引起的線粒體功能障礙和收縮功能受損[52]。

1.7 鈣超載

Ca2+在維持心肌細(xì)胞興奮-收縮耦聯(lián)中起重要作用，鈣穩(wěn)態(tài)對(duì)維持心肌細(xì)胞正常的形態(tài)和功能是不可或缺的。研究表明，DOX通過(guò)破壞心肌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整，影響其通透性，誘發(fā)細(xì)胞外Ca2+的內(nèi)流[21]。DOX還可通過(guò)降低肌漿網(wǎng)Ca2+-ATP酶(SERCA2a) mRNA的表達(dá)水平來(lái)抑制Ca2+-ATP酶泵，導(dǎo)致肌漿網(wǎng)對(duì)Ca2+的重回收延遲，或直接激活肌漿網(wǎng)膜上的雷諾丁受體(ryanodine receptor, RyR)/鈣釋放通道，導(dǎo)致Ca2+處理異常[25]。DOX也被證明可以抑制肌膜中的鈉-鈣交換通道[53]，并增加L型鈣通道的活性[54]。最終細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度不可控制地持續(xù)增加，高于生理水平必然導(dǎo)致維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的重要大分子難以控制的破壞，并引起心臟收縮和舒張功能障礙。

1.8 其他

DOX對(duì)肌節(jié)蛋白穩(wěn)定性的直接影響會(huì)破壞肌節(jié)維持，從而導(dǎo)致心肌功能障礙。肌節(jié)的蛋白質(zhì)，包括a-肌動(dòng)蛋白、肌鈣蛋白I和肌球蛋白輕鏈2，對(duì)心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性和功能有著重要作用[55]。據(jù)報(bào)道，這些肌節(jié)蛋白在心肌細(xì)胞的表達(dá)被DOX顯著下調(diào)[55]。研究表明，DOX還可以通過(guò)線粒體自噬失調(diào)和增加氧化應(yīng)激來(lái)誘導(dǎo)心肌細(xì)胞衰老[56]。此外，內(nèi)皮素-1(endothelin-1,ET-1)、神經(jīng)酰胺的累積等也被報(bào)道與DOX誘導(dǎo)的心臟毒性有關(guān)[36,57]。

2 阿霉素誘導(dǎo)心臟毒性的防治

在DOX誘導(dǎo)的心臟毒性尚未發(fā)生時(shí)，提倡使用DOX時(shí)采用一些預(yù)防策略，主要包括DOX血藥濃度管理、生物標(biāo)志物及早期影像學(xué)檢查的發(fā)現(xiàn)以及調(diào)節(jié)藥物劑量、采用持續(xù)輸注或脂質(zhì)體封裝給藥方式等[9,36]。也可在使用DOX治療惡性腫瘤的同時(shí)聯(lián)合使用一些心臟保護(hù)性藥物。其中，右雷佐生是一種被廣泛批準(zhǔn)的用于蒽環(huán)類藥物引起心臟毒性的心臟保護(hù)劑，它可以與游離鐵螯合，減少DOX-Fe3+復(fù)合物誘導(dǎo)的自由基生成，從而減低心臟毒性，但右雷佐生對(duì)腫瘤患者遠(yuǎn)期生存率的影響尚存在爭(zhēng)議[9,21,25]。

研究表明，卡維地洛可以通過(guò)減少自由基釋放和心肌細(xì)胞凋亡來(lái)防止DOX引起的心臟毒性，表現(xiàn)出非β-受體阻滯劑的功能[21]。此外，Omega 3脂肪酸、他汀類藥物、輔酶Q10以及一些天然產(chǎn)品或中藥，如白藜蘆醇等也被報(bào)道可降低DOX引起的心臟氧化應(yīng)激的發(fā)生，從而減輕DOX誘導(dǎo)的心臟毒性[21]。其他一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如維生素A和類胡蘿卜素、維生素C、維生素E等，造血細(xì)胞因子，如促紅細(xì)胞生成素(EPO)和血小板生成素(TPO)，以及內(nèi)皮素-1受體拮抗劑(波生坦)等也被證明具有心臟保護(hù)作用[7,36,57]。

最后，對(duì)于DOX誘導(dǎo)心臟毒性的最嚴(yán)重方式——心力衰竭，目前臨床上使用基于收縮性心力衰竭的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)治療方式，包括血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEI)、血管緊張素受體拮抗劑(ARB)和β受體拮抗劑等藥物的應(yīng)用[7]。但一旦發(fā)展為心力衰竭，唯一被認(rèn)為最成功的治療選擇是心臟移植。盡管付出了很多努力，但在DOX誘導(dǎo)的心臟毒性治療方面，現(xiàn)有研究證據(jù)仍然缺乏。目前對(duì)于心臟監(jiān)測(cè)、預(yù)防性心臟治療或選擇性治療來(lái)逆轉(zhuǎn)DOX誘導(dǎo)的心臟毒性的治療標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成共識(shí)，還需要更多的研究數(shù)據(jù)來(lái)提供證據(jù)支持[12,25,58]。

3 總結(jié)與展望

DOX可治療多種腫瘤疾病，但心臟毒性限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。所有這些研究結(jié)果表明，DOX誘導(dǎo)的心臟毒性的發(fā)病機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，這些因素之間相互聯(lián)系互為因果，形成惡性循環(huán)，共同促進(jìn)心臟毒性的發(fā)展。而對(duì)DOX誘導(dǎo)的心臟毒性的防治措施，目前常規(guī)應(yīng)用證據(jù)不足，未來(lái)還需要進(jìn)一步探索。總之，DOX誘導(dǎo)的心臟毒性的具體機(jī)制尚未明確，未來(lái)仍需進(jìn)一步探討和驗(yàn)證這些基本機(jī)制，并著力于探討心肌病變過(guò)程中各種機(jī)制間的相互作用，制定有效的治療策略以對(duì)抗DOX誘導(dǎo)的心臟毒性，從而為DOX致心臟毒性的防治提供更廣泛的思路和實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。