自噬在膿毒癥心肌功能障礙發(fā)病機制中的作用研究進展

周穎 綜述 楊國輝 審校

膿毒癥是感染引起的危及生命的器官功能障礙[1]。心臟是膿毒癥常見累及器官,膿毒癥心肌功能障礙(sepsis-induced myocardial dysfunction,SIMD)是膿毒癥引起的心功能不全,其特點是左心室擴張功能和左心室射血分數(shù)下降,膿毒癥患者中18%～65%發(fā)生心肌功能障礙,而在膿毒癥休克患者發(fā)病率高達80%,膿毒癥患者一旦發(fā)生SIMD病死率可高達70%,部分患者心功能障礙在膿毒癥治療7～10 d后癥狀可逐漸好轉(zhuǎn)[2]。自噬是細胞自我消化和凈化的過程,將細胞多余和功能失調(diào)的蛋白質(zhì)和細胞器等胞內(nèi)物質(zhì)進行降解和循環(huán)利用,對維持細胞穩(wěn)態(tài)起重要作用[3]。最近的多項研究表明,在細胞自噬基礎水平上采取干預措施促進自噬有利于改善膿毒癥所致的心肌功能障礙[4-5]。文章對自噬在膿毒癥心肌功能障礙發(fā)病機制中的作用進行綜述。

1 膿毒癥心肌功能障礙

1.1 SIMD的定義 SIMD最初認為是心室射血分數(shù)的可逆性降低、左心室增大、對液體復蘇和使用血管活性藥物的治療反應性差等[6]。近年來,膿毒癥心肌功能障礙普遍被接受的定義是膿毒癥引起的左心和右心心肌收縮和舒張功能障礙,可導致微循環(huán)障礙和組織灌注不足加重[7]。SIMD診斷標準主要有以下幾條:(1)急性心功能障礙;(2)心臟整體的伴有心臟收縮力下降的心室功能障礙(收縮和/或舒張功能);(3)左心室增大;(4)對液體復蘇和兒茶酚胺的反應減弱;(5)排除急性冠狀動脈綜合征引起的急性心功能障礙[8]。膿毒癥隨著病情進展并發(fā)心肌功能障礙,臨床監(jiān)測可伴有血液動力學、心臟結構和功能的動態(tài)變化[9]。

1.2 SIMD的發(fā)病機制和病理生理 病原體入侵導致宿主感染所致的炎性失衡是膿毒癥發(fā)生的關鍵基礎。宿主對侵入性病原體的初始急性反應通常會導致巨噬細胞吞噬病原體并產(chǎn)生炎性因子引發(fā)細胞因子風暴、激活先天免疫系統(tǒng)。心臟是膿毒癥多臟器功能損傷的器官之一。SIMD病理生理學是復雜的和多因素的,為更好認識和探究SIMD,認識其發(fā)病機制尤為必要。

1.2.1 炎性反應:病原體入侵機體后,產(chǎn)生大量的病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs) 及損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs),觸發(fā)炎性級聯(lián)反應,產(chǎn)生大量的炎性物質(zhì)。機體通過Toll樣受體(Toll like receptor,TLR) 識別病原體的入侵,TLR在免疫細胞以及包括心肌在內(nèi)的其他細胞中表達,并與脂多糖(LPS)、細菌DNA等PAMPs相互作用,導致NF-κB信號通路的激活,產(chǎn)生大量TNF-α、IL-6、IL-8和IL-1β等炎性因子[10]。機體處于膿毒癥狀態(tài),還產(chǎn)生大量DAMPs。目前研究表明DAMPs主要有高遷移率族蛋白B1(HMGB1)、細胞外組蛋白、細胞RNA等。心肌細胞釋放的HMGB1與TLR4結合后可導致活性氧(ROS)升高,可導致肌漿網(wǎng)中鈣含量下降及鈣離子泵收縮力降低[11];HMGB1參與心肌細胞自噬與凋亡,導致心肌損傷[12-13]。上述研究表明,炎性反應是發(fā)生心肌功能障礙的基礎。

1.2.2 心肌抑制因子:在合并可逆性心肌功能障礙的膿毒癥患者中存在 “心肌抑制物質(zhì)”,而在對照組的非膿毒癥患者的血清不存在,并且在體外試驗已得到證明,如腫瘤壞死因子和IL-1β等[14]。有研究發(fā)現(xiàn),減少心臟或血漿TNF-α、IL-1β可緩解SIMD相關表現(xiàn)。炎性反應產(chǎn)生大量心肌抑制因子,直接參與心肌功能障礙全部過程。

1.2.3 心肌細胞線粒體功能紊亂:線粒體功能障礙特點是結構異常、氧化應激增加、線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mPTP)異常開放、線粒體自噬等[15]。有研究表明,采用盲腸結扎穿孔術(CLP)誘導膿毒癥模型術后12～24 h后,小鼠心肌透射電鏡提示線粒體出現(xiàn)腫脹、線粒體結構破壞[16];在一項對膿毒癥死亡患者的研究中,發(fā)現(xiàn)心臟中存在線粒體水腫和線粒體嵴的結構變化(空泡和塌陷)[17]。線粒體是心肌細胞產(chǎn)生能量的代謝場所,當心肌細胞遭受膿毒癥時,產(chǎn)生的ROS及NO增加,會導致線粒體ATP生成減少。線粒體約占心肌細胞30%,當線粒體功能受損時,嚴重影響心肌功能和細胞代謝。因此,早期修復線粒體功能,可以改善膿毒癥心肌功能損傷。

1.2.4 氧化應激:膿毒癥激活多種炎性因子會刺激血管內(nèi)皮一氧化氮產(chǎn)物活性氮(RNS)成分和氧化應激產(chǎn)物ROS,在此過程不僅損傷血管內(nèi)皮,ROS和RNS還通過環(huán)腺苷酸/蛋白激酶A(cAMP/PKA)和環(huán)鳥苷酸/蛋白激酶G(cGMP/PKG)信號途徑損害線粒體代謝,破壞線粒體并促進其凋亡[18]。熱休克蛋白22(Hsp22) 過表達通過靶向心肌細胞中氧化應激緩解LPS誘導的心肌損傷[19];在脂多糖誘導的心肌損傷模型中,線粒體損傷產(chǎn)生過量的ROS,細胞內(nèi)的抗氧化能力減弱,加重線粒體的損傷,破壞線粒體結構。因此,減輕氧化應激可以改善膿毒癥的炎性反應和改善心肌細胞損傷。

1.2.5 心肌細胞鈣離子泵功能失調(diào):在膿毒癥早期,心肌細胞的Ca2+濃度增加,誘導細胞外Ca2+的內(nèi)流致心肌細胞鈣超載,進而導致mPTP開放,誘導線粒體DNA、細胞色素C釋放到細胞質(zhì),激活凋亡并加劇心肌細胞收縮障礙[20]。膿毒癥期間,存儲于肌漿網(wǎng)中的Ca2+ATP 酶(SERCA2)處于抑制狀態(tài),導致鈣離子再攝取受阻,也會導致心肌收縮功能下降[21]。鈣離子泵功能參與心肌收縮和舒張,其功能失調(diào)勢必引起心肌收縮和舒張功能異常。

1.2.6 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激:內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細胞功能中負責蛋白質(zhì)的加工和修飾。當機體處于膿毒癥狀態(tài)時,未折疊或錯折疊的蛋白質(zhì)積累,導致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可誘導細胞損傷或凋亡[22]。在動物模型的研究中,如褪黑素、肝X受體激動劑通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激緩解膿毒癥心肌功能障礙[23-24]。以上研究表明,膿毒癥炎性反應應激加重心肌細胞損傷,減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激可以改善SIMD。

1.2.7 心肌細胞凋亡:心肌細胞凋亡是導致膿毒癥心肌功能障礙的關鍵因素,凋亡蛋白酶活化導致DNA片段化,還直接誘導肌原纖維蛋白質(zhì)分解和降解[25]。在LPS誘導心肌細胞膿毒癥模型中,mPTP長時間開放導致細胞色素C釋放和細胞凋亡途徑激活[26]。有研究表明,減少心臟內(nèi)源性去甲腎上腺素或阻斷β1腎上腺素受體可以明顯減輕脂多糖誘導的小鼠心肌細胞凋亡[27]。 膿毒癥細胞的炎性損傷、氧化應激、線粒體的功能障礙、細胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失調(diào)等均致胞內(nèi)凋亡信號通路被激活,誘發(fā)細胞凋亡。

1.2.8 心臟微血管功能紊亂:機體處于膿毒癥狀態(tài)時,盡管冠狀動脈血流正常,微循環(huán)的內(nèi)皮功能在炎性反應中受累是普遍存在的,包括細胞黏附增加、屏障功能喪失、細胞凋亡和促凝作用[28]。在膿毒癥動物模型中,微循環(huán)血管反應性降低、白細胞黏附性增加和微血管異質(zhì)性已被報道。盡管敗血癥心肌功能障礙整體性、全局性心肌缺血并不明顯,但心臟微循環(huán)血流的局部缺血可能會觸發(fā)低灌流區(qū)的代償性代謝停滯,導致敗血癥患者心臟功能和能量異常[14]。

1.2.9 交感神經(jīng)過度激活與β腎上腺素受體下調(diào):機體處于嚴重感染時,交感神經(jīng)過度興奮導致心肌收縮能力下降;心動過速縮短了舒張期充盈時間,交感神經(jīng)興奮導致心室充盈不足;持續(xù)的交感神經(jīng)興奮抑制腎上腺素能G蛋白偶聯(lián)損害心肌收縮能力[29]。在動物模型中,血管內(nèi)皮和心肌細胞對兒茶酚胺的反應性都降低,β-腎上腺素能受體在膿毒癥中下調(diào),腺苷酸環(huán)化酶和蛋白激酶A依賴的下游信號通路調(diào)節(jié)鈣離子穩(wěn)態(tài)而導致心肌損傷[30]。

1.2.10 補體引發(fā)的心肌細胞損傷:膿毒癥時補體被過度激活,產(chǎn)生的補體C5a與其受體相互作用,導致細胞炎性因子風暴、中性粒細胞免疫功能異常、DIC等。補體C5a和胞外組蛋白誘導Ca2+調(diào)節(jié)蛋白和Na+—K+—ATP酶減少,導致胞內(nèi)Ca2+濃度異常,同時也激活NLRP3炎性小體,從而導致膿毒癥心肌病[31]。Kalbitz等[32]研究表明,膿毒癥血漿中出現(xiàn)C5a及其受體,在CLP大鼠中,通過阻斷C5a抗體可以預防大鼠心臟功能和心肌細胞收縮功能障礙,左心室內(nèi)壓明顯降低。提示針對C5a清除或C5a受體阻斷的干預措施可能是治療膿毒癥心肌功能障礙的一種創(chuàng)新性治療方法。

1.3 SIMD的病理改變 在SIMD患者的心肌組織病理學檢查中,表現(xiàn)為炎性細胞浸潤,心肌間質(zhì)見巨噬細胞、心肌纖維化、細胞內(nèi)脂肪堆積[33]。膿毒癥心肌功能障礙小鼠模型的心肌細胞電鏡查見線粒體水腫、線粒體嵴紊亂等結構破壞[34]。

2 SIMD的心肌細胞自噬

2.1 自噬概述 自噬是指細胞內(nèi)物質(zhì)或病原體被自噬體吞噬,然后與溶酶體融合而被降解的自然過程。自噬是一種進化上保守的周轉(zhuǎn)循環(huán)過程,對清除胞質(zhì)內(nèi)長壽命蛋白質(zhì)或功能失調(diào)的細胞器具有重要意義,并在此循環(huán)中提供能量和大分子前體參與生物能量及合成代謝。自噬被廣泛分為三類:巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬。自噬過程包括啟動、成核、延伸和形成雙膜自噬體,隨后自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體,從而降解和回收自噬體隔離的底物[35]。在自噬的誘導下自噬相關蛋白(ATG)募集到自噬前體組裝位點 (PAS),位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的接觸部位,杯形結構的吞噬泡分離膜成核,并伸長、膨脹,最后封閉成一個雙層囊泡,稱為自噬小體,從而將吞噬的胞內(nèi)物質(zhì)作為自噬貨物捕獲,自噬小體的外膜與溶酶體膜融合形成自噬溶酶體,及其貨物被自噬溶酶體降解[36]。

2.2 自噬在膿毒癥中的保護機制 自噬在膿毒癥中可能通過清除病原體、中和微生物毒素、調(diào)節(jié)細胞因子釋放、減少細胞凋亡等機制發(fā)揮保護作用[36]。膿毒癥時,可以通過多個作用靶點啟動自噬信號[37]。PMAP和DAMP與模式識別受體(PRR)結合、病原體通過TLR活化下游的炎性信號、G-菌的LPS經(jīng)P38信號通路等均可啟動自噬[38]。在高級生物中,哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mTORC1)、Unc-51樣自噬激活激酶1(Unc-51-like autophagy activating kinase 1,ULK1)復合物參與自噬的啟動,在膿毒癥感染應激條件下,降低mTORC1的磷酸化水平,進一步催化ULK1和自噬相關基因13(autophagy-related 13,ATG13)的磷酸化,從而啟動自噬[39]。自噬是宿主抵抗外界病原體和危險信號的關鍵防御機制,在誘導和調(diào)節(jié)自然免疫細胞炎性反應中發(fā)揮關鍵作用;然而,也有研究提示過度的自噬也可能對心肌細胞功能造成不利影響。

2.3 干預自噬在SIMD中的治療效果

2.3.1 自噬與炎性反應:炎性小體的激活會導致自噬的誘導,而自噬則抑制炎性小體的活動[40]。自噬作為細胞自主防御的一種方式可以直接消除細胞內(nèi)微生物,這一過程稱之為異體吞噬[41]; Park等[42]的研究表明,從膿毒癥幸存患者中分離出的中性粒細胞自噬誘導增加,自噬誘導引發(fā)中性粒細胞胞外陷阱(NETs)形成,NETs通過細胞外染色體骨架形成物理屏障和支架來容納微生物并增強抗菌劑的協(xié)同作用,減少對宿主組織的損傷。然而,過度的自噬也會導致巨噬細胞的程序性細胞死亡[43];當自噬與炎性反應不相適應時也會導致細胞內(nèi)物質(zhì)過量被降解,進一步加劇炎性反應。以上研究表明,當炎性反應明顯而自噬不足時,采取干預措施增強自噬水平可改善膿毒癥的炎性反應。

2.3.2 自噬與心肌抑制因子:目前已知的心肌抑制因子有IL-1、IL-6、TNF-α、胞外組蛋白、HMGB1等。Giegerich等[44]研究表明,增強自噬可以在 TLR4 信號通路中減輕膿毒癥期間的過度炎性反應和IL-1β的釋放。Nakahira等[45]研究表明,自噬可以抑制巨噬細胞和樹突細胞由Toll樣受體誘導的IL-1、IL-6、IL-18的分泌。Zhao等[46]研究證實,激活的自噬降低了TNF-α、HMGB1、IL-6的表達,減輕了膿毒癥的細胞因子過度釋放和肺損傷。因此,增強自噬可抑制炎性反應從而減輕心肌抑制因子釋放,改善膿毒癥炎性反應和減輕心肌損傷。

2.3.3 自噬與線粒體損傷:膿毒癥導致線粒體損傷,加重心肌炎性反應和心臟功能障礙[47]。自噬可以降解功能失調(diào)的線粒體,維持正常線粒體數(shù)量和功能[48]。目前對PTEN誘導假定激酶1(PINK1)和Parkin線粒體自噬途徑最為清楚。有研究表明,美洲大蠊提取物(XML)經(jīng)PINK1/Parkin途徑介導的線粒體自噬作用減輕LPS誘導的心肌細胞炎性損傷及炎性因子表達。趙品等[49]研究表明,不同劑量的脂多糖誘導的膿毒癥小鼠心肌細胞線粒體LC3-II/LC3-I、PINK1/Parkin自噬相關蛋白表達不同;LPS作用后6 h檢測心肌線粒體PINK1/Parkin蛋白水平明顯升高,而LC3蛋白明顯升高見于LPS作用后12 h,進一步證明,膿毒癥早期就存在線粒體自噬。另外,處于膿毒癥的早期,機體可上調(diào)線粒體自噬水平以清除受損的線粒體來保護心肌,但隨著膿毒癥病情加重,這種保護性代償性機制減弱。

2.3.4 自噬與氧化應激:膿毒癥機體產(chǎn)生ROS可以啟動自噬。Li等[50]研究表明,芹菜素調(diào)節(jié)氧化應激增強自噬可減輕LPS誘導的心肌炎性反應心臟損傷、心肌細胞死亡。Jiang等[51]研究發(fā)現(xiàn),鳶尾素通過Fundc1依賴性線粒體自噬減輕感染性心肌病細胞模型中的氧化應激,緩解了線粒體功能障礙和細胞凋亡。然而另有研究表明,在LPS誘導的心肌細胞損傷模型中,瑞芬太尼通過部分抑制自噬來保護H9C2心肌細胞免受LPS誘導的氧化應激損傷。

2.3.5 自噬與鈣離子泵功能失調(diào):當心肌細胞鈣離子泵功能異常如出現(xiàn)鈣超載可激活線粒體自噬[52]。Ahumada-Castro等[53]的研究表明,在鈣離子轉(zhuǎn)運受到抑制后,線粒體相關膜(MAM)激活依賴于Beclin-1的自噬信號通路。而Fedeli等[54]研究發(fā)現(xiàn),在家族性阿爾茨海默病中早老素2突變體通過改變鈣離子穩(wěn)態(tài)破壞自噬,因此,鈣離子泵的功能與自噬相互干擾。

2.3.6 自噬與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激:在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激條件下,受損的線粒體和促炎因子可導致心肌細胞的炎性反應,而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激觸發(fā)的自噬可以通過降解受損的線粒體和炎性反應相關蛋白來抑制炎性反應,這也可以進一步抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激[55]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在應激狀態(tài)下,自噬可將錯誤折疊蛋白質(zhì)清除[56]。因此,自噬參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激保護心肌細胞,維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。

2.3.7 自噬與心肌細胞凋亡:細胞凋亡加重心肌功能障礙。Sung等[57]的研究表明,中性粒細胞明膠酶相關脂質(zhì)運載蛋白 (NGAL)抑制自噬加劇了心肌缺血并誘導的心臟細胞凋亡,則足以證明促進自噬可以緩解細胞凋亡。McCormick等[58]研究表明,小鼠發(fā)生心肌梗死時,釋放細胞色素C介導細胞凋亡,此時自噬被激活并參與清除細胞色素C,減少心肌細胞凋亡并保護細胞功能。而 Tian等[59]研究表明,瞬時受體電位經(jīng)典通道(TRPC1)可促進脂多糖觸發(fā)的細胞內(nèi)Ca2+釋放,進而激活鈣蛋白酶以調(diào)節(jié)心肌細胞凋亡和自噬,導致內(nèi)毒素誘導的小鼠心功能不全。自噬除了對心肌具有保護性作用外,也可導致心肌細胞凋亡,病理狀態(tài)下過度的凋亡將促進心肌病、心力衰竭進展。

2.3.8 自噬與微血管功能:膿毒癥感染時微血管的內(nèi)皮細胞損傷,導致微血管功能紊亂。高路等[60]研究表明,溶酶體組織蛋白酶B增加自噬保護缺氧誘導的心臟微血管內(nèi)皮細胞損傷。王勇等[61]研究表明,去腎交感神經(jīng)可以增強血管內(nèi)皮細胞自噬水平,抑制NLRP3炎性小體的活化,減輕炎性反應和改善血管內(nèi)皮功能。體外研究發(fā)現(xiàn) β 腎上腺素能刺激,促進細胞凋亡,誘導心臟肥大和心力衰竭。Nagoor-Meeran等[62]研究發(fā)現(xiàn),使用α-bisabolol(一種膳食倍半萜醇)在異丙腎上腺素誘導的心肌梗死大鼠模型中改善自噬通量和大鼠心肌組織病理損傷、溶酶體功能障礙。由此說明,自噬對過度的β腎上腺素刺激有保護作用。

2.3.9 自噬與補體系統(tǒng):補體成分可引起血管擴張、毛細血管通透性增加以及血管平滑肌收縮等。Nguyen等[63]研究表明,C3a和C5a受體抑制了依賴線粒體的自噬,發(fā)現(xiàn)來自敲除C3a受體和C5a受體基因小鼠的供者樹突狀細胞在受體小鼠中介導移植物抗宿主病的能力減弱,此過程是促進自噬降低移植物抗宿主病的免疫炎性反應。然而,在另一項研究中描述了C5a受體的相反結果,該結果表明C5a可以誘導并增強而不是抑制肺泡巨噬細胞的自噬,損傷前給予中和抗C5a抗體可改善肺損傷病理結果[64]。雖然膿毒癥心肌病中補體與自噬的研究甚少,但自噬與補體成分的相互聯(lián)系不容忽視。

3 SIMD的治療困境

針對SIMD的治療目前暫無相關指南推薦的特效方法。早期識別膿毒癥、規(guī)范診治膿毒癥是防治SIMD的最好辦法。在清除感染病灶的基礎上給予積極有效的抗感染治療是基石,液體容量復蘇、血管活性藥物的使用、改善心功能是穩(wěn)定循環(huán)灌注關鍵,如病情仍進行性加重則給予體外膜肺(ECMO)等器官保護策略,目標是增加心輸出量滿足機體的最低需求。雖然研究不斷深入,指南不斷更新,但SIMD的病死率改善不明顯。近年來多項基礎研究表明自噬參與在膿毒癥及其膿毒癥所致的多臟器功能障礙的病理生理過程,增強自噬在膿毒癥心肌功能障礙治療中的價值受到研究者的廣泛關注,但轉(zhuǎn)化為臨床治療方案還需進一步驗證[4]。

4 小結與展望

膿毒癥是臨床上最常見的死亡原因之一,心臟是常見的累及臟器,SIMD增加膿毒癥的死亡風險。深入了解膿毒癥心肌功能障礙的發(fā)病機制,有助于為臨床醫(yī)療工作者提高診治SIMD的能力。自噬在SIMD綜合治療中展現(xiàn)出積極有效的一面,基于目前所認識的發(fā)病機制,提出了各種潛在有效的治療方法,但目前主要集中在離體細胞或動物膿毒癥模型層面的研究,這有望成為未來臨床研究的新方向。