中醫(yī)藥治療膿毒癥心肌能量代謝障礙的研究進展*

劉迎慶,頊志兵

上海中醫(yī)藥大學附屬第七人民醫(yī)院,上海 200137

膿毒癥是指宿主對感染的免疫反應失調而引起的器官功能障礙[1]。膿毒癥病理發(fā)展累及心臟時出現膿毒癥心功能障礙(sepsis-induced myocardial dysfunction,SIMD),導致有效循環(huán)容量減少,嚴重影響患者預后[2]。目前,SIMD的定義及診斷標準尚未完全統一,其在膿毒癥患者中的患病率約為 10%～70%[3]。線粒體為心臟提供能量,具有調節(jié)鈣穩(wěn)態(tài)、激素代謝和體溫,產生活性氧和氮物質,傳導細胞信號,調節(jié)細胞凋亡等作用。心肌線粒體功能障礙可誘導氧化應激、細胞凋亡、異常自噬等[4],是引起心肌損傷的重要因素之一。線粒體能量代謝異常與膿毒癥誘導的器官功能障礙密切相關[5],對研究SIMD的病理機制具有重要意義。

1 心肌的正常能量代謝過程

生理狀態(tài)下,為心臟代謝直接提供能量的是腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)。線粒體是細胞內主要的供能細胞器,它主要通過氧化磷酸化合成ATP,其產生途徑來源于不同底物的代謝反應。心肌細胞可利用的能量底物包括葡萄糖、脂肪酸、酮體、乳酸、氨基酸等[6],代謝底物的選擇則取決于底物濃度、應激狀態(tài)等[7-8]。其中,約60%～90%的能量來源于脂肪酸β氧化,葡萄糖、乳酸氧化占比為10%～40%,氨基酸和酮體代謝產能極少[9]。作為心肌細胞最重要的兩大代謝途徑,葡萄糖與脂肪酸的代謝產能有相同的環(huán)節(jié)。葡萄糖在細胞質中經過糖酵解過程生成丙酮酸,丙酮酸在生成乙酰輔酶A的過程中進入線粒體,同時產生還原型輔酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH),乙酰輔酶A經過三羧酸循環(huán)釋放少量能量,生成NADH、蛋白結合性載體(flavine adenine dinucleotide,reduced,FADH2)兩種參與電子傳遞的重要物質。脂肪酸在細胞質中轉化為脂酰輔酶A,進入線粒體基質后通過β-氧化過程生成乙酰輔酶A,并在此過程中產生NADH、FADH2。

線粒體產生的能量主要來源于內膜上的呼吸鏈,NADH和FADH2是線粒體呼吸鏈的始動物質。線粒體內膜復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及輔酶Q、細胞色素等也參與NADH、FADH2兩條電子傳遞鏈。復合物Ⅰ-Ⅳ通過一系列偶聯反應傳遞電子,獲得泵入質子所需的能量。復合物Ⅴ又名F0F1-ATP酶,主要利用質子濃度梯度驅動合成ATP分子。NADH將電子傳遞給復合物Ⅰ,并泵出4個質子,產生少量能量,然后將兩個電子轉移給輔酶Q。FADH2將電子傳入復合物Ⅱ,同樣傳遞給輔酶Q。輔酶Q將攜帶的電子傳遞給復合物Ⅲ,部分電子循環(huán)使用,其余到達細胞色素C。復合物Ⅳ是電子鏈的終端,接受來自細胞色素C的電子。每次反應利用四個電子將一份氧氣轉化為兩分子水,并泵出4個質子。經過一系列質子的泵出,質子濃度梯度得以積累,ATP合酶得以啟動,大量的ATP得以產生。

2 膿毒癥對心肌能量代謝的影響

心臟是受膿毒癥影響較大的器官之一,流行病學顯示50%以上的膿毒癥患者會出現心功能不全,導致膿毒癥死亡率增加40%～70%[10]。膿毒癥心功能障礙的致病因素主要包括膿毒癥產生的心肌抑制因子(如細胞因子、補體級聯、病原體相關分子模式、內源性損傷相關分子模式等)、氧化應激、一氧化氮代謝改變、線粒體功能障礙、細胞內鈣運動異常、心肌細胞凋亡、自主神經失調等[3]。其中,能量代謝障礙是心肌細胞損傷的初始環(huán)節(jié),也是導致心功能障礙的重要因素之一[11],針對心肌能量代謝障礙的治療可一定程度上改善心功能[12]。

2.1 氧化應激

2.1.1 活性氧與活性氮生理狀態(tài)下,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產生保持著動態(tài)平衡。ROS具有介導信號通路、維持多系統穩(wěn)態(tài)等作用[13],是線粒體氧化代謝的副產物,復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等線粒體酶是產生ROS的主要部位。過量ROS可直接損傷線粒體DNA[14],并通過激活PINK1、PARK2等促進線粒體自噬[15-16],ROS造成的組織缺氧也將導致線粒體呼吸功能降低。膿毒癥狀態(tài)下,病原體及炎癥因子刺激單核巨噬細胞產生大量ROS、活性氮,導致抗氧化系統崩潰[17]。一氧化氮可以抑制血小板聚集、調控血管活性、增強中性粒細胞及巨噬細胞的細胞毒性。高濃度一氧化氮使線粒體錳超氧化物歧化酶失活,亦可致復合物I活性降低,抑制呼吸鏈,加劇電子泄露,從而加重氧化應激損傷[18]。氧化應激的產物過氧亞硝酸鹽可使蛋白質變性、膜損傷、DNA損傷,對呼吸鏈及ATP合酶產生不可逆的抑制作用[19]。針對氧化應激的治療,抗氧化劑在膿毒癥動物模型和臨床試驗中有較好的效果,抑制誘導型一氧化氮合酶可減輕膿毒癥的組織損傷[20-21]。

2.1.2 脂質的氧化過量ROS導致脂質過氧化、蛋白質變性和核酸改變,造成細胞及線粒體結構破壞。脂質過氧化過程生成新的自由基,進一步加劇氧化損傷[22]。心磷脂(cardiolipin,CL)是一種僅存于線粒體膜系統的特異性磷脂,具有提高電子傳遞效率、增強ATP酶及復合物活性、調控膜通透性及穩(wěn)定膜結構等功能,極易被ROS氧化。此外,隨著CL的破壞,通過CL結合在內膜上的細胞色素C大量釋放[23],對呼吸鏈造成嚴重破壞的同時促進了細胞凋亡。心肌細胞表面的極低密度脂蛋白受體在心肌能量代謝、脂肪酸表達及線粒體膜穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[24]。ROS使炎癥因子和黏附因子表達增加,同時氧化極低密度脂蛋白使其含量明顯減少,從而導致能量代謝效率降低[25]。此外,氧化應激誘導線粒體DNA損傷,可進一步加劇線粒體功能障礙[26],引發(fā)心肌組織損傷,造成心功能障礙[27]。

2.2 自噬與凋亡膿毒癥狀態(tài)下內毒素、缺氧及氧自由基等可激活細胞凋亡的內在途徑,致使線粒體通透性轉換孔開放,引起線粒體跨膜電位喪失。線粒體膜的不穩(wěn)定性增加了細胞色素C的釋放,細胞色素C結合并激活凋亡蛋白酶激活因子-1和 pro-caspase-9形成凋亡小體。細胞毒性T細胞通過穿孔素顆粒酶途徑及FasL/FasR基因的相互作用誘導細胞凋亡。腫瘤壞死因子-α可以促進線粒體活性氧的產生,降低復合物Ⅰ的活性,抑制線粒體氧化磷酸化反應,增加凋亡相關因子細胞色素C氧化酶釋放。此外,凋亡因子caspase-3和caspase-9的激活進一步加劇了線粒體的破壞[28]。

2.3 鈣離子超載鈣離子發(fā)揮著參與細胞信號轉導、興奮-收縮偶聯、調節(jié)細胞功能及凋亡等作用。膿毒癥時,內毒素和細胞因子產生的協同作用常引起低鈣血癥[29]。另外,膿毒癥產生的ROS導致脂質過氧化,激活磷脂酶C,促進三酰甘油和三磷酸肌醇的生成,觸發(fā)鈣信號導致內質網Ca2+的釋放及Ca2+跨膜轉運失調,線粒體通透性轉換孔開放,從而抑制線粒體功能,加重能量代謝障礙。膿毒癥時,PINK1可作用于鈉鈣泵進而影響心肌細胞線粒體的鈣穩(wěn)態(tài)[30]。鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅳ同樣參與調節(jié)膿毒癥期間的線粒體穩(wěn)態(tài)及鈣平衡[31],氧化應激的增強導致線粒體功能障礙及鈣處理的中斷[32]。動物實驗表明膿毒癥模型的細胞存在線粒體結構破壞[33],影響呼吸鏈的完整性。

3 中醫(yī)藥對心肌能量代謝的影響

目前,中醫(yī)學者對于膿毒癥的病因病機有不同見解。王今達等[34]將膿毒癥分為毒熱證、瘀血證、急性虛證三大證型;曹書華等[35]提出“四證四法”,即在以上三大證型的基礎上加入腑氣不通證;劉清泉等[36]認為其基本病機是正虛毒損、脈絡瘀滯。另有學者認為“瘀”是膿毒癥的始動因素,“瘀”所致的瘀毒內蘊、因瘀致虛、瘀久化熱是膿毒癥的重要環(huán)節(jié),故活血化瘀法應貫穿于治療始終。綜合各家理論,膿毒癥的病理因素主要包括毒、熱、瘀、虛、腑氣不通等[37],因此清熱、解毒、補虛等治法可應用于膿毒癥的不同階段。

石玉君[38]觀察膿毒癥心肌損傷的證素證型發(fā)現,實證證素包括痰證、熱證與血瘀證,虛證證素包括氣虛證、陰虛證與陽虛證,證型以氣虛血瘀痰阻證、痰熱阻閉證、陰虛熱結血瘀證及陽虛痰濕內阻證為主。心肌線粒體能量代謝與心陽關系密切[39],臨床上心肌的能量代謝治療與溫補心陽具有共通之處。中醫(yī)學中的“氣”與線粒體功能存在諸多相似之處,益氣法可以改善心肌的能量代謝障礙[40]。結合膿毒癥的基本病機和膿毒癥心肌損傷的特點,溫補類、清熱解毒類及活血化瘀類中藥對于心肌能量代謝障礙有良好的干預作用。

3.1 溫補類中藥膿毒癥心肌能量代謝障礙與陽虛、氣虛關系最為密切,溫補類中藥在相應證型的應用能顯著改善心肌能量代謝異常狀態(tài)。參附注射液具有保護心肌細胞線粒體的作用,可通過上調膿毒癥小鼠抗凋亡蛋白Bcl-2表達,下調凋亡蛋白Bid、caspase-9和凋亡片段t-Bid的表達從而發(fā)揮改善心肌細胞線粒體結構、抑制線粒體凋亡的作用[41]。四逆湯可以提高心肌細胞的抗氧化能力并促進呼吸代謝,其機制可能與減輕細胞內ROS和脂質過氧化物[42]、增加甲狀腺TSH、T3、T4的分泌[43]從而促進細胞代謝和呼吸作用有關。四逆湯可能通過下調凋亡因子caspase-9、caspase-3,減少細胞色素C釋放從而發(fā)揮抗凋亡作用[44]。具有溫通功效的當歸四逆湯可通過保護線粒體呼吸鏈及維持膜電位從而改善能量代謝障礙。當歸四逆湯可下調轉導系統的RhoA/ROCK通路蛋白表達,抑制ROS和炎性因子,升高線粒體膜電位,減弱線粒體分裂,保護呼吸鏈[45]。參附益心顆粒是以溫陽益氣為主要功效的中成藥,可抑制人線粒體解偶聯蛋白2的過表達[46],從而抑制線粒體膜電位降低,維持ATP的產生效率,增加大鼠心肌ATP含量[47],降低心肌細胞凋亡率[48]。同時,參附益心顆粒可上調心肌細胞的線粒體DNA相關基因NADH脫氫酶亞基1(NADH dehydrogenase subunit l,ND-1)、NADH脫氫酶亞基2(ND-2)、環(huán)氧化酶(cyclooxygenase,COX)的表達,其中ND-1、ND-2編碼NADH脫氫酶的亞單位,COX直接參與呼吸鏈,共同作用于ATP的產生過程[49]。參附益心顆粒也可提高穩(wěn)定線粒體DNA結構的Tfam基因及高能磷酸鹽代謝關鍵酶CK、ANT蛋白表達[50],并調節(jié)葡萄糖和脂肪酸兩大代謝底物的利用率,使之達到最優(yōu)平衡,增加心肌供能[51]。生脈飲可調節(jié)心肌細胞的線粒體功能,因Beclin-1被調控凋亡的酶caspase-3剪切后產生的C-端碎片可放大線粒體凋亡,生脈飲可能通過抑制caspase-3對Beclin-1的裂解,促進膿毒性心肌病心肌線粒體自噬,從而保護心肌線粒體[52]。以溫陽利水為主要功效的加味真武湯可降低膜脂過氧化指標丙二醛及一氧化氮含量,提高抗氧化酶谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)水平,減輕心肌氧化應激損傷[53]以及膿毒癥過氧化狀態(tài)對呼吸鏈的破壞。

溫補類單藥中,附子、烏頭的主要活性成分烏頭堿在膿毒癥環(huán)境下可激活具有抗氧化、抗炎作用的Nrf2/ARE和NRF1信號通路,同時保護線粒體生物發(fā)生,以減輕膿毒性心臟損傷[54]。人參二醇組皂苷通過上調DUSP1、ATP5A1、PGC-1α蛋白,下調PFKM蛋白表達從而對抗氧化應激、促進線粒體發(fā)生,發(fā)揮改善膿毒癥心肌能量代謝障礙的作用[55]。黃芪總提物通過影響脂肪酸代謝中的關鍵酶如中鏈酰基輔酶A脫氫酶、長鏈輔酶A脫氫酶,調整心肌細胞的儲能能力以及底物應用比例從而改善能量代謝障礙[56]。五味子素A可通過維持線粒體膜電位、抑制氧化應激和細胞凋亡等保護線粒體功能[57]。

3.2 清熱解毒類中藥作為膿毒癥最常用的治法之一,清熱解毒法在不同階段和證候中均具有重要作用。醒腦靜注射液[58]可改善膿毒癥大鼠的心肌線粒體結構,降低氧化應激及相應產物丙二醛、iNOS 的水平,改善心肌線粒體復合物Ⅰ、Ⅲ及Ⅳ活性,保護呼吸鏈功能。黃連解毒湯聯合常規(guī)治療可提高膿毒癥患者血清SOD的濃度與活性,降低自由基水平[59],減輕氧化應激造成的心肌損傷。

虎杖苷是中藥虎杖的提取物,可通過改善心磷脂合成酶1的表達以促進CL合成,維持膜系統及電子鏈的穩(wěn)定,減輕線粒體損傷[60]。鴉膽子苦醇可以抑制細胞色素C的釋放保護呼吸鏈,抑制凋亡,從而顯著改善大鼠肝線粒體損傷。另外,鴉膽子苦醇預處理的HepG2細胞中線粒體ROS生成顯著減少,呼吸功能障礙得到改善[61]。積雪草酸可顯著抑制線粒體ROS及丙二醛的產生,增加大鼠肝組織中SOD、過氧化氫酶活性和谷胱甘肽水平[62],通過抗氧化、保護呼吸鏈、促進代謝等改善肝細胞線粒體的能量代謝障礙。

3.3 活血化瘀類中藥“瘀”貫穿膿毒癥的病理過程,在辨證基礎上可應用于各個階段?；钛鲱愔兴幘哂锌寡趸⒁种频蛲?、調節(jié)酶活性等作用,對改善能量代謝障礙具有良好效果。血必凈注射液是治療膿毒癥的常用中藥制劑,由丹參、赤芍、紅花、當歸、川芎等組成。實驗研究表明,血必凈能夠降低大鼠心肌細胞ROS表達、改善鈣離子超載,調整炎癥相關信號通路[63]。其中,活性氧的降低對線粒體有一定的保護作用,鈣離子超載的減輕對線粒體膜通透性的破壞有一定的改善作用,從而多維度地降低膿毒癥對線粒體內環(huán)境及電子鏈代謝的影響,改善膿毒癥的心肌損傷[64]。丹參飲可通過升高心肌細胞中抗凋亡因子Bcl-2、降低凋亡因子caspase-3、細胞色素-C,從而抑制心肌細胞凋亡,提高心肌的能量代謝水平[65]。丹紅注射液可通過抑制下游絲氨酸/蘇氨酸激酶和ERK1/2蛋白表達[66],下調JAK2和STAT3蛋白表達,抑制促炎因子IL-6釋放和促進抗炎因子IL-10釋放[67],從而改善灌注不足或缺氧狀態(tài)下的線粒體能量代謝障礙。

紅花作為活血化瘀藥,其主要成分紅花黃色素可降低毛細血管通透性、擴張冠狀動脈、提高心肌耐缺氧能力,降低氧化應激對心臟的影響,并通過抑制乳酸脫氫酶和ROS的釋放來減少缺血/再灌注損傷[68]。紅花具有良好的抗氧化能力,可以發(fā)揮保護呼吸鏈的作用。紅花抗氧化的主要活性物質為胡蘿卜素[69],其所含的酚類和類黃酮含量與抗氧化能力、自由基清除能力有關[70]。牡丹皮可顯著提高SOD和谷胱甘肽過氧化物酶的活性,降低丙二醛含量,提高抗氧化能力[71]。牡丹皮還可調節(jié)脂質和葡萄糖代謝[72],如葡萄糖的生物發(fā)生與攝取以及脂肪酸的 β-氧化比例,調整底物結構,優(yōu)化能量代謝效率。具有“活血不留瘀,祛瘀不傷正”特點的中藥三七是活血佳品,廣泛應用于心腦血管疾病的防治。三七總皂苷是三七的主要有效成分之一,可通過抑制凋亡蛋白caspase-3活性從而減少線粒體凋亡。當線粒體受損時,它可通過抑制乳酸脫氫酶漏出、提高三磷酸腺苷酶的活性改善心肌細胞的能量代謝[73]。中藥丹參所含的丹參酮ⅡA、隱丹參酮可抑制線粒體轉換孔開放、減少細胞色素C易位,從而減輕線粒體凋亡。此外,丹參可通過調節(jié)線粒體酶的活性從而改善能量代謝,例如丹參多酚酸可增強呼吸酶Ⅰ-Ⅳ的活性,丹酚酸A可增強抗氧化酶活性,減少線粒體ROS產生,提高ATP的產生效率[74]。

4 討論

膿毒癥心肌功能障礙是膿毒癥發(fā)生發(fā)展中嚴重的并發(fā)癥之一,目前對于膿毒癥心肌功能障礙的研究逐漸深入,其中心肌能量代謝障礙是膿毒癥性心肌病的重要病因之一。能量代謝障礙主要的病理因素包括膿毒癥引起的線粒體氧化應激、鈣穩(wěn)態(tài)失調、自噬與凋亡等。目前對于各病理因素的研究尚未完善與透徹,更深層次的通路、分子信號等機制值得深入研究,或可針對病理機制探索更為精準的治療途徑,以期達到更好的療效。

從中醫(yī)角度而言,膿毒癥的病理因素主要包括“毒、熱、瘀、虛、腑氣不通”,故清熱、解毒、補虛在膿毒癥不同階段均有應用。而膿毒癥性心肌病所致的心肌線粒體能量代謝與心陽關系密切,因此在辨證論治的基礎上,治療中以溫補類藥物的應用為主,根據不同分型及階段佐以清熱、活血療法。針對膿毒癥心肌能量代謝障礙,中醫(yī)藥具有多靶點,多重調節(jié)的作用,針對膿毒癥心肌能量代謝障礙的治療可通過氧化應激的減輕、線粒體膜電位的維持、凋亡的抑制、保護線粒體結構、調節(jié)呼吸酶活性及激素分泌、調整底物代謝比例等方面改善心肌細胞能量代謝,值得深入研究。此外,整體觀是中醫(yī)重要的理論基礎之一,對于中醫(yī)藥治療膿毒癥心肌功能障礙的研究,除了對于單味中藥或方劑有效成分的研究,還可以從整體觀的角度出發(fā),對膿毒癥心肌功能障礙的證型規(guī)律進一步總結,歸納各證候相應的治法,以期達到更好的療效。