膿毒癥心肌損傷發(fā)病機(jī)制及治療研究進(jìn)展

黃穎 唐立麗 關(guān)于琳 張杰 李小悅

遵義醫(yī)科大學(xué)第五附屬（珠海）醫(yī)院急診科，重癥醫(yī)學(xué)科（廣東 珠海 519100）

膿毒癥（sepsis）是宿主對感染反應(yīng)失控而導(dǎo)致的器官功能障礙，是急危重癥患者主要死亡原因之一［1］。心臟是膿毒癥最易受損的器官之一，膿毒癥心肌損傷（sepsis-induced myocardial injury，SIMI）是由膿毒癥引起的一種可逆的心肌功能障礙，表現(xiàn)為心臟增大、心室收縮和（或）舒張功能障礙、無心室收縮功能障礙的低灌注、射血分?jǐn)?shù)降低等［2-3］。SIMI 與膿毒癥患者預(yù)后不良直接相關(guān)，約60%的膿毒癥患者合并心肌損傷，其病死率高達(dá)70% ～90%，是無SIMI 患者的4 倍［2，4］。SIMI 發(fā)病機(jī)制尚不清楚，主要包括過度炎癥反應(yīng)、線粒體損傷、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞自噬等機(jī)制。臨床目前缺乏針對SIMI 的有效治療手段，深入探討SIMI 的致病機(jī)制有助于靶向藥物的研發(fā)［5］?，F(xiàn)本文針對SIMI的發(fā)病機(jī)制及治療的新近相關(guān)研究作一綜述，旨在提高膿毒癥心肌損傷患者的預(yù)后。

1 SIMI 發(fā)病機(jī)制

1.1 過度炎癥反應(yīng) SIMI 與過度炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，通過炎癥信號通路過度釋放的炎癥介質(zhì)被認(rèn)為是膿毒癥誘導(dǎo)的心肌損傷的關(guān)鍵因素。Toll 樣受體（toll-like receptor，TLRs）可識別不同的病原體相關(guān)分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）和損傷相關(guān)分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs），觸發(fā)多種細(xì)胞內(nèi)信號途徑，包括NF-κB 和促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）的激活，導(dǎo)致炎癥介質(zhì)的表達(dá)介導(dǎo)心肌細(xì)胞過度炎癥反應(yīng)，NF-κB 信號通路也參與膿毒癥誘導(dǎo)的心肌氧化損傷［6-8］。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）可上調(diào)TLR4 水平，激活TLR4/NF-κB 下游信號元件，促進(jìn)腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6）等炎癥介質(zhì)大量釋放，導(dǎo)致心肌功能障礙。過度炎癥反應(yīng)可引起前列腺素水平升高，如血栓素和前列環(huán)素可能使冠狀動脈自律性失調(diào)，導(dǎo)致循環(huán)和微血管功能障礙［5］。同時，膿毒癥誘導(dǎo)MAPK/NF-κB 通路激活致使心肌細(xì)胞產(chǎn)生大量TNF，引起心肌細(xì)胞炎癥損傷［9］。此外，LPS 可激活JAK2/STAT3 和TLR4/JNK等多條通路誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)產(chǎn)生，抑制心肌功能、加重心肌損傷［10-11］。因此，減輕膿毒癥的心肌炎癥反應(yīng)是改善SIMI 的策略之一。

1.2 線粒體損傷 心肌細(xì)胞中的線粒體損傷是SIMI 發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［12］。膿毒癥時心肌細(xì)胞線粒體鈣超載、線粒體自噬失調(diào)以及線粒體動力學(xué)失衡加重心肌損傷。研究發(fā)現(xiàn)，TLRs 的激活刺激細(xì)胞因子進(jìn)一步激活外泌體誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生，iNOS 過度激活產(chǎn)生循環(huán)NO 可導(dǎo)致心血管內(nèi)皮細(xì)胞受損、鈣穩(wěn)態(tài)失衡、線粒體損傷，導(dǎo)致心臟功能障礙［7］。膿毒癥時可激活補(bǔ)體系統(tǒng)，上調(diào)C5a 與其受體發(fā)生反應(yīng)，引起炎癥反應(yīng)和心肌細(xì)胞內(nèi)鈣超載［13］。線粒體鈣超載觸發(fā)線粒體滲透性轉(zhuǎn)換孔隙（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放，導(dǎo)致線粒體膜電位降低、呼吸功能降低、線粒體腫脹以及線粒體外膜破裂，誘發(fā)心肌細(xì)胞細(xì)胞凋亡和功能障礙［12］。研究［14-15］發(fā)現(xiàn)，膿毒癥小鼠心肌細(xì)胞通過影響PKA 活性調(diào)節(jié)線粒體Na+/Ca2+交換器（Na+/Ca2+exchanger，NCLX）和P2X 嘌呤受體7（P2X purinoceptor 7，P2X7）受體激活A(yù)kt/GSK-3β通路導(dǎo)致心肌細(xì)胞線粒體鈣超載，引起線粒體損傷。受損線粒體通過PINK1/Parkin 通路識別自噬蛋白，啟動線粒體自噬，損傷線粒體蓄積并大量釋放ROS、細(xì)胞色素C 等毒性物質(zhì)，引起氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞產(chǎn)生過度炎癥反應(yīng)及程序性死亡［16］。氧化應(yīng)激會干擾信號通路并導(dǎo)致線粒體超微結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致線粒體鈣和游離脂肪酸水平升高，引起線粒體損傷進(jìn)而加重氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、細(xì)胞質(zhì)鈣超載，加劇心肌細(xì)胞損傷［14］。膿毒癥心肌細(xì)胞存在線粒體裂變亢進(jìn)、融合抑制、生物合成下降等動力學(xué)失衡。動力相關(guān)蛋白1（Dynamin-related protein 1，Drp1）是線粒體裂變的媒介。膿毒癥時，Drp1 激活介導(dǎo)Drp1/p53 相互作用和線粒體定位異常加重線粒體分裂、代謝異常和氧化應(yīng)激，導(dǎo)致線粒體功能障礙；抑制Drp1/p53 介導(dǎo)的線粒體裂變，可減少氧化應(yīng)激，改善細(xì)胞呼吸和ATP產(chǎn)生，維持線粒體動力學(xué)平衡并改善膿毒癥小鼠心肌細(xì)胞收縮功能［17］。因此，改善膿毒癥后的線粒體結(jié)構(gòu)和功能破壞是治療SIMI 的有效手段。

1.3 心肌細(xì)胞自噬 心肌細(xì)胞自噬異常是SIMI的主要致病機(jī)制［8］。自噬是細(xì)胞利用溶酶體降解自身受損、無用的大分子物質(zhì)以及細(xì)胞器的自我消化過程，通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和免疫功能、清除受損細(xì)胞器及維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)在SIMI 中發(fā)揮保護(hù)作用。雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）是自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，參與自噬和細(xì)胞凋亡過程。在基礎(chǔ)研究中，膿毒癥小鼠mTOR復(fù)合物表達(dá)上升抑制心肌自噬，導(dǎo)致DAMPs 蓄積，加重心肌細(xì)胞過度炎癥反應(yīng)及心肌壞死［18-19］。AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是調(diào)控穩(wěn)態(tài)的重要激酶。有研究［20-21］發(fā)現(xiàn)，SIMI 中自噬反應(yīng)的機(jī)制可能與AMPK 激活或mTOR 抑制的ULk1 磷酸化促進(jìn)自噬有關(guān)，是膿毒癥小鼠心肌代償性保護(hù)的重要節(jié)點(diǎn)。研究［22］表明，NAD+依賴酶沉默調(diào)節(jié)蛋白（recombinant sirtuin 6，SIRT6）過表達(dá)可激活自噬改善膿毒癥心肌損傷。因此，靶向調(diào)控自噬相關(guān)信號通路有望逆轉(zhuǎn)膿毒癥心肌損傷。

1.4 心肌細(xì)胞凋亡 心肌細(xì)胞凋亡是SIMI 的重要因素。膿毒癥期間半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）、Bax 等促凋亡蛋白與Bcl-2 等抗凋亡蛋白之間的失衡是心肌細(xì)胞凋亡的直接因素［23］。膿毒癥誘導(dǎo)的過度炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及線粒體損傷可通過死亡受體介導(dǎo)的外源性途徑及線粒體/細(xì)胞色素c 介導(dǎo)的內(nèi)源性途徑級聯(lián)活化天冬氨酸特異性caspase-3直接降解細(xì)胞DNA 導(dǎo)致心肌細(xì)胞廣泛凋亡［24］。膿毒癥誘導(dǎo)促凋亡信號通路如TNF-α/Bax、JNK/Bax 高表達(dá)，Bax 介導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放釋放大量細(xì)胞色素c 觸發(fā)Caspase 級聯(lián)反應(yīng)誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡［25-26］。膿毒癥患者血漿中出現(xiàn)組蛋白和補(bǔ)體激活、C5a與期受體相互作用引起心肌損傷，其中細(xì)胞外組蛋白誘導(dǎo)TNF-α/Bax 促進(jìn)心肌細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致小鼠左心室舒張功能障礙［13，25］。Bax 同時抑制抗凋亡蛋白Bcl-2 表達(dá)，Bcl-2 可通過調(diào)控胞質(zhì)鈣穩(wěn)態(tài)、促進(jìn)還原反應(yīng)、結(jié)合胞外信號ERK 調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase1/2，ERK1/2）及胞質(zhì)Bax 等多重方式抑制細(xì)胞凋亡［27］。Bax 和Bcl-2的構(gòu)比是啟動細(xì)胞凋亡的“分子開關(guān)”。目前對SIMI 后細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究主要集中在MAPK 和PI3K/AKT/mTOR 信號通路調(diào)控SIMI 心肌細(xì)胞凋亡，PI3K/AKT/mTOR 信號通路負(fù)調(diào)控SIMI 心肌細(xì)胞凋亡，因此抑制PI3K/AKT 通路激活可下調(diào)心肌細(xì)胞凋亡并減輕SIMI［28］。因此，阻斷細(xì)胞凋亡途徑可能是減輕SIMI 的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

各機(jī)制之間的級聯(lián)反應(yīng)和相互作用導(dǎo)致SIMI。自噬在早期被激活，細(xì)胞凋亡在晚期被激活，自噬與凋亡之間存在相互負(fù)調(diào)控關(guān)系［8］。細(xì)胞凋亡是炎癥的觸發(fā)因素，細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)信號通路之間存在級聯(lián)反應(yīng)。自噬是抗炎的關(guān)鍵，一些自噬相關(guān)信號通路的激活可以保護(hù)細(xì)胞免受炎癥反應(yīng)的影響；然而自噬在心肌細(xì)胞應(yīng)激的早期被炎癥反應(yīng)激活，可能加劇心肌組織損傷。炎癥和氧化應(yīng)激之間通過共同信號通路NF-κB 相互促進(jìn)作用。SIMI 時機(jī)體通常處于氧化應(yīng)激狀態(tài)。膿毒癥中發(fā)生的氧化應(yīng)激與線粒體損傷密切相關(guān)，線粒體損傷引起ROS 的過度產(chǎn)生，氧化應(yīng)激加重線粒體損傷。此外，心肌細(xì)胞凋亡受氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)的影響，是一種包含炎癥反應(yīng)的細(xì)胞死亡，其本質(zhì)是炎癥，由GSDMD 介導(dǎo)激活NLRP3炎癥小體，通過胱天蛋白酶、ROS 和NF-κB 信號通路介導(dǎo)膿毒癥中心肌細(xì)胞凋亡［8，29］。因此，通過介導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的信號通路也為治療SIMI 提供新的研究方向。

2 SIMI 的治療

由于SIMI 發(fā)病機(jī)制的不確定性，目前尚無有效的治療方法。應(yīng)對SIMI 的策略是控制原發(fā)性疾病，防止繼發(fā)性SIMI 的發(fā)生。目前治療膿毒癥休克的準(zhǔn)則是SIMI 治療的基石，臨床治療包括液體復(fù)蘇、抗感染、血管活性藥物、β-受體阻滯劑及器官支持療法等［30］，但病死率仍居高不下，且SIMI尚無特定的治療方法，因此針對SIMI 的發(fā)病機(jī)制研發(fā)靶向藥物，旨在提高SIMI 患者的搶救成功率。

2.1 減輕過度炎癥反應(yīng) 干預(yù)炎癥信號通路、減輕過度炎癥反應(yīng)可有效控制SIMI 的發(fā)生發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，黃芪多糖可減少心肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)，下調(diào)TLR4/NF-κB 通路活性，維持心肌細(xì)胞活力，改善膿毒癥所致心臟功能障礙［31］。黃連素也可通過抑制膿毒癥誘導(dǎo)的TLR4/NF-κB 信號通路激活和降低炎癥因子的表達(dá)水平，減輕膿毒癥大鼠的心肌損傷，增強(qiáng)心肌收縮和舒張功能，以緩解SIMI［32］。Zerumin A（ZA）是姜黃根莖的潛在成分之一，具有多種藥理活性。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，ZA 可通過MAPK和NF-κBp65 信號通路抑制LPS 誘導(dǎo)iNOS 和NO 釋放，減少炎癥因子過度表達(dá)，降低氧化應(yīng)激，減弱心肌細(xì)胞的炎癥反應(yīng)［9］。氯沙坦通過NF-κB 和MAPK 信號通路調(diào)節(jié)減少炎癥細(xì)胞對心肌的浸潤，維持心肌細(xì)胞的線粒體動力學(xué)平衡，減少炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和心肌細(xì)胞凋亡［33］。此外，褪黑激素可下調(diào)JAK2/STAT3 通路活性、TAK-242 可抑制TLR4/JNK 通路減少TNF-α 表達(dá)抑制心臟炎癥反應(yīng)減輕SIMI，有效控制SIMI 的發(fā)生發(fā)展［10-11］。因此，可認(rèn)為抑制炎癥炎癥介質(zhì)和調(diào)節(jié)炎癥信號是治療SIMI 的關(guān)鍵。

2.2 改善線粒體功能 改善膿毒癥后的線粒體結(jié)構(gòu)和功能破壞可明顯緩解SIMI。在動物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷可作用于P2X7 受體激活A(yù)kt/GSK-3β 通路穩(wěn)定線粒體內(nèi)Ca2+水平，抑制LPS 誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡、ROS 水平和線粒體損傷，改善膿毒癥所致線粒體功能障礙和心臟損傷，延長小鼠的生存時長［15］。葛根素可通過PINK1/Parkin 通路改善心肌細(xì)胞線粒體自噬，有效清除損傷線粒體，維持心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)［34］。左西孟丹是一種可用于治療SIMI 的藥物，是鈣離子增敏劑可以直接與肌鈣蛋白結(jié)合，增加心肌收縮力，但對心率和心肌耗氧量無明顯影響。在動物實(shí)驗(yàn)證明，左西孟丹可直接靶向PINK-1-Parkin 介導(dǎo)調(diào)節(jié)小鼠心臟線粒體自噬，減少線粒體分裂，激活線粒體自噬，抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，保護(hù)小鼠的心臟功能［16］。在一項(xiàng)30 例嚴(yán)重膿毒癥心肌損傷患者的觀察性研究中，與多巴胺相比，左西孟旦在改善嚴(yán)重膿毒癥心肌損傷患者的心臟功能、減少心肌損傷和減少機(jī)械通氣時間方面更為有效［35］。鳶尾素通過JNKLATS2 信號通路抑制Drp 1 相關(guān)的線粒體分裂，維持線粒體功能，減輕線粒體氧化應(yīng)激、心肌細(xì)胞死亡和心肌功能障礙［36］?？偟膩碚f，可通過線粒體靶向治療，以改善SIMI 的發(fā)生，但其療效仍需臨床試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 調(diào)控心肌細(xì)胞自噬 調(diào)控心肌細(xì)胞自噬、維持心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)可顯著減輕SIMI 心臟功能障礙。研究顯示，辣椒素通過激活A(yù)MPK 和unc-51 樣自噬活化激酶1（unc-51 like autophagy-activating kinase 1，ULK1）抑制mTOR 增強(qiáng)自噬，維持線粒體功能、改善氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)和緩解心臟功能障礙［21］。丙戊酸可促進(jìn)心肌細(xì)胞PTEN 表達(dá)和抑制AKT/mTOR 通路增強(qiáng)心肌細(xì)胞自噬減輕膿毒癥大鼠心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激、線粒體損傷和過度炎癥反應(yīng)，改善心肌損傷［37］。褪黑素可激活A(yù)MPK 介導(dǎo)的自噬途徑，減輕膿毒癥小鼠心肌細(xì)胞過度炎癥反應(yīng)、線粒體損傷并改善心臟功能［38］。木犀草素通過降低膿毒癥心臟組織中AMPK 的磷酸化增強(qiáng)自噬，穩(wěn)定線粒體膜電位，減輕線粒體損傷、炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，抑制心臟細(xì)胞凋亡并減輕心肌損傷［39］。白藜蘆醇苷具有抗氧化和抗炎的特性可通過下調(diào)SIRT6 或抑制自噬緩解膿毒癥誘導(dǎo)的心肌損傷，抑制心肌細(xì)胞凋亡，對膿毒癥心肌細(xì)胞具有保護(hù)作用［22］。將來或許通過靶向調(diào)控心肌細(xì)胞自噬來維持心肌細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，可為SIMI 的治療提供新篇章。

2.4 抑制心肌細(xì)胞凋亡 抑制心肌細(xì)胞凋亡可逆轉(zhuǎn)SIMI 的心肌抑制。MAPK 和PI3K/AKT/mTOR 信號通路的激活是膿毒癥心肌細(xì)胞廣泛凋亡的關(guān)鍵。研究顯示，蝦青素抑制MAPK 和PI3K/AKT 通路活性，下調(diào)Bax/Bcl-2 表達(dá)水平抑制心肌細(xì)胞凋亡，顯著減輕膿毒癥小鼠心肌組織過度炎癥反應(yīng)和心肌壞死［28］。黃芪甲苷Ⅳ通過降低NOX4 和Caspase-3 的蛋白水平，改善CLP 誘導(dǎo)的心肌功能障礙和心肌細(xì)胞凋亡［26］。在動物模型研究中，組蛋白中和劑可降低心肌細(xì)胞外組蛋白和Bax 蛋白水平，改善SIMI 并降低小鼠心肌細(xì)胞凋亡［25］。鳶尾素可通過阻斷TLR4 和NLRP3 炎癥體信號來抑制炎癥、心肌細(xì)胞凋亡和細(xì)胞焦亡，以減輕膿毒癥小鼠模型的心肌功能障礙［29］。綜上，細(xì)胞凋亡通路的激活是SIMI 的發(fā)生發(fā)展中不可缺少的一環(huán)，通過靶向調(diào)控心肌細(xì)胞凋亡通路，可為治療SIMI提供新方向。

3 展望

SIMI 與膿毒癥患者不良預(yù)后密切相關(guān)。目前對SIMI 發(fā)病機(jī)制和治療方法的研究取得了一定進(jìn)展。過度炎癥反應(yīng)、線粒體損傷、細(xì)胞自噬和細(xì)胞凋亡等機(jī)制均參與SIMI 的發(fā)生和發(fā)展，SIMI 涉及的發(fā)病機(jī)制及介導(dǎo)各個機(jī)制的信號通路之間相互交錯、關(guān)聯(lián)，基于SIMI 發(fā)病機(jī)制的治療策略可能是改善膿毒癥預(yù)后的有效措施，也將成為今后的研究熱點(diǎn)。治療SIMI 的藥物包括中藥、西藥，可通過作用于不同的信號通路及機(jī)制來改善SIMI，但許多藥物研究仍處于基礎(chǔ)研究階段，需要大量從SIMI 發(fā)病機(jī)制到治療靶點(diǎn)的基礎(chǔ)研究再回歸臨床的證實(shí)，為SIMI 找到更多的靶點(diǎn)和藥物治療策略提供臨床參考價值。

【Author contributions】HUANG Ying consulted relevant references and wrote the article.TANG Lili and GUAN Yulin revised the article.ZHANG Jie and LI Xiaoyue reviewed the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.