放射性心肌纖維化及其發(fā)生機(jī)制

顧 靜 李海龍 劉 凱 金 戈 李應(yīng)東 彭曉青 (甘肅中醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)課部，甘肅 蘭州 730020)

放射治療是通過電離輻射對被照射腫瘤組織產(chǎn)生的一系列生物效應(yīng)來達(dá)到治療目的，是腫瘤治療中不可缺少的手段之一。然而，放射線治療腫瘤的同時，對人體的組織和器官也可產(chǎn)生不同程度的損傷〔1〕。在進(jìn)行胸腹部腫瘤如:乳腺癌、肺癌、食管癌、賁門癌、縱隔淋巴瘤、胸腺瘤等惡性腫瘤的放射治療時，位于縱隔的心臟不可避免受到照射，而引起心包疾患、心肌纖維化、冠狀動脈病變及心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)損傷等，統(tǒng)稱為放射性心臟損傷(RIHD)〔2〕。到90年代，當(dāng)放射治療一些早期疾病引起的心臟毒副作用甚至超過其帶來的益處時，RIHD才得到了足夠的重視，然而，目前尚缺乏對RIHD的有效治療，其根本原因在于對RIHD的原因和發(fā)生機(jī)制尚未完全闡明。目前多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，RIHD的主要原因一方面是自由基炎性損傷，放射可以造成自由基的爆發(fā)，當(dāng)這些自由基不能被及時清除時，就會造成DNA損傷，蛋白質(zhì)、脂類、糖類以及復(fù)雜分子的改變，多次照射產(chǎn)生的自由基導(dǎo)致了炎癥細(xì)胞和組織損傷的積累;另一方面，放射損傷具有遲發(fā)效應(yīng)，因?yàn)槌志玫墓δ苷系K或支持間質(zhì)的改變，被放射組織的愈合能力會相對減弱，與此相呼應(yīng)，進(jìn)一步的實(shí)質(zhì)性細(xì)胞衰竭，并伴隨替代性纖維變性〔3〕，最終形成心肌纖維化改變。本文將對放射性心肌纖維化及其發(fā)生機(jī)制作一綜述。

1 放射性心肌纖維化

現(xiàn)普遍認(rèn)為RIHD的病變可分為三型:滲出型、壞死型、纖維化型，三型的提出反映了RIHD的發(fā)生發(fā)展過程。在該過程中，纖維化是RIHD的終末階段也是放射遲發(fā)損傷的主要形式，如:①RIHD的病人可見心肌與心內(nèi)膜纖維化，特別是在晚期，心肌有彌漫性纖維化斑和不規(guī)則形狀奇異的“放射性纖維細(xì)胞”出現(xiàn)，其意義和作用尚不清楚。心臟平均受照42 Gy后，平均隨訪36個月可有63%的患者發(fā)生心肌間質(zhì)纖維化〔4〕;②放射導(dǎo)致的纖維化也可能導(dǎo)致動脈粥樣硬化，加劇冠心病;③RIHD中瓣膜異常也可能是由于鄰近瓣環(huán)的心肌纖維化引起，結(jié)果造成畸變與功能損傷;④放射損傷后，心臟節(jié)律的改變可能是由于局部缺血和纖維化影響了傳導(dǎo)系統(tǒng);⑤RIHD時，血管通透性增加，大量漿液性纖維性液體外滲，形成滲出性心包炎，嚴(yán)重時可伴有心包填塞癥狀，Ling等〔5〕報道用心包切除術(shù)治療各種原因引起的縮窄性心包炎(其中由放射線引起的占13%)，大多數(shù)患者的癥狀得到緩解，5、10年生存率分別為78%、57%，但放射線誘發(fā)的縮窄性心包炎療效較其他原因引起的差(5、10年生存率分別為30%、61%)。

2 放射性心肌纖維化的機(jī)制

2.1 放射性心肌纖維化與細(xì)胞因子 放射引起的纖維化是一個多細(xì)胞相互作用的結(jié)果:由于照射后血管內(nèi)皮細(xì)胞腫脹引起早期急性炎癥性病變，中性粒細(xì)胞浸潤，巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞的激活促進(jìn)了一些細(xì)胞因子的釋放，如腫瘤壞死因子(TNF)、白細(xì)胞介素(IL-1、IL-6、IL-8)、單核細(xì)胞趨化因子、血小板源性生長因子(PDGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β等，另外還發(fā)現(xiàn)有一些原癌基因暫時性高表達(dá)(c-fos、c-myc、c-jun等)，這些細(xì)胞因子和原癌基因在心肌纖維化的形成中起重要作用〔6，7〕。

2.2 放射性心肌纖維化與血管病變 放射致血管損害是心肌纖維化的基本病因。早期，內(nèi)皮細(xì)胞增殖和小動脈變性、血管內(nèi)膜膠原沉積可導(dǎo)致管壁增厚和管腔狹窄，其結(jié)果是毛細(xì)血管和心肌細(xì)胞比例較照射前顯著降低，心肌血供減少，導(dǎo)致心肌缺血、纖維化〔8，9〕;Michael〔10〕也認(rèn)為在損傷的初期，心肌毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生進(jìn)行性損傷、腫脹、壞死，毛細(xì)血管壁破裂，血栓形成，最后消失;在中期達(dá)高峰，晚期可見毛細(xì)血管數(shù)目明顯少于肌細(xì)胞數(shù)目。此時內(nèi)皮細(xì)胞可以進(jìn)行一定程度的代償更新，但仍難以重建受損傷的毛細(xì)血管網(wǎng)，微循環(huán)不足造成缺血最終形成纖維化。

2.3 放射性心肌纖維化與心肌成纖維細(xì)胞 放射性纖維化實(shí)際上是一個由外而內(nèi)的漸進(jìn)性纖維化過程，是心肌膠原合成與降解失衡的結(jié)果，主要表現(xiàn)在:心肌成纖維細(xì)胞(CFs)的增多，CFs占心臟容積的25%和心臟細(xì)胞總數(shù)的70%，是心肌纖維化的主要效應(yīng)細(xì)胞〔11〕。CFs分泌的膠原在正常情況下能維持心臟的幾何構(gòu)型，羥脯氨酸濃度的變化可代表膠原水平的變化，反映心肌纖維化的程度〔12〕。CFs還可合成和分泌TGF-β1，通過與TGF-β1型受體結(jié)合，刺激受照射組織的上皮增生、CFs增生、膠原沉積和纖維組織形成，參與心肌纖維化的過程〔13〕。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，TGF-β1與腎臟、肝臟、肺臟等重要臟器受照射后出現(xiàn)的纖維化有密切關(guān)系〔14，15〕，體外實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn) TGF-β1能誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞的增生并促進(jìn)其分裂成熟〔16〕。因此TGF-β1被認(rèn)為是目前在纖維化過程中起關(guān)鍵作用的細(xì)胞因子之一，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在放射性損傷早期，TGF-β1 mRNA的表達(dá)較組織學(xué)的變化更明顯，因而能較早提示組織纖維化的發(fā)生。陳偉等〔17〕對瘢痕的研究亦發(fā)現(xiàn)，TGF-β1的兩種受體在增殖期的瘢痕中表達(dá)增強(qiáng)，這可能與增殖期成纖維細(xì)胞快速增殖，細(xì)胞外基質(zhì)大量分泌有關(guān)。因此，在照射初期使用下調(diào)TGF-β1表達(dá)的藥物，有可能抑制纖維化的起始階段;而在照射后持續(xù)使用這類藥物，還有可能減緩甚至逆轉(zhuǎn)纖維化的不斷形成。

2.4 心肌纖維化中放射所致的氧化應(yīng)激與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體及鈣穩(wěn)態(tài)的關(guān)系 自由基和活性氧(ROS)是電離輻射對生物系統(tǒng)作用的重要產(chǎn)物，氧化應(yīng)激在輻射效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制中起重要作用。ROS包括過氧化氫(H2O2)、羥自由基(OH·)、超氧陰離子(O2·-)。MnSOD是有氧代謝細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化酶，MnSOD在胞質(zhì)中翻譯后轉(zhuǎn)位到線粒體，在線粒體中催化超氧陰離子(O2·-)轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2，有研究報道，輻射可引起CFs中SOD活性下降，羥脯氨酸含量增加〔18〕。

氧化應(yīng)激的作用目標(biāo)一是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)折疊和鈣儲存，二是線粒體，早期電子顯微鏡觀察結(jié)果顯示放射損傷中線粒體Ⅳ級致空泡變、肌漿網(wǎng)明顯擴(kuò)張(Ⅲ、Ⅳ級改變)〔19〕。有報道心肌細(xì)胞放射損傷可致線粒體結(jié)構(gòu)破壞，功能受損，能量代謝障礙〔20〕。

2.4.1 ROS對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的影響

2.4.1.1 ROS導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白折疊錯誤 放療輻射中產(chǎn)生的大量ROS是引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊蛋白質(zhì)應(yīng)答(UPR)誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)的重要原因之一〔21〕。ROS能使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)蛋白質(zhì)被氧化修飾并滯留于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，同時，ROS通過誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊酶或分子伴侶的功能異常引起未折疊蛋白積累〔22〕，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶GRP78則從PERK上解離而改為與非折疊蛋白結(jié)合，失去GRP78的PERK則發(fā)生磷酸化。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的蛋白質(zhì)如GRP78/BiP的形成，蛋白二硫異構(gòu)酶/PDI及鈣網(wǎng)蛋白都具有促進(jìn)蛋白質(zhì)的折疊、二硫鍵的形成以及蛋白糖基化的功能〔23〕，這些酶功能的維持需要游離的巰基，氧化應(yīng)激也攻擊這一基團(tuán)，從而抑制蛋白的正確折疊。總之，放療輻射中產(chǎn)生的ROS促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)UPR，進(jìn)而引起ERS。

2.4.1.2 ROS抑制Ca2+-ATPase Lewen等〔24〕在小鼠缺血缺氧細(xì)胞模型中證實(shí)有ROS的產(chǎn)生，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵對氧化損傷也敏感，氧化損傷抑制了Ca2+-ATPase的活性，而Ca2+-ATPase是一個已知的ERS的啟動因子，因此推測放射時ROS通過抑制Ca2+-ATPase而影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng) Ca2+的貯存，從而引起細(xì)胞ERS〔25〕。

2.4.2 ROS和線粒體 由于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體較接近，能互相影響各自的功能，線粒體中產(chǎn)生ROS，可能使得內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的脂質(zhì)超氧化，并破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白。而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生的少量活性氧以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)鈣釋放入胞漿中，可引起線粒體的膜電位降低，抑制呼吸鏈，加速產(chǎn)生超氧化物，觸發(fā)線粒體膜上的MPTP孔開放，引起瀑布樣級聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生大量活性氧，活性氧進(jìn)一步啟動鈣從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣池釋放，導(dǎo)致線粒體內(nèi)鈣積聚，這反過來又增加了活性氧的產(chǎn)生，放大氧化應(yīng)激及鈣負(fù)載，觸發(fā)惡性循環(huán)。由此推測，放射產(chǎn)生的ROS把ERS與線粒體功能變化緊密的聯(lián)系起來，其反應(yīng)機(jī)制涉及UPR、鈣離子的平衡以及氧化應(yīng)激等機(jī)制，當(dāng)然尚有一些未知的細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步研究。

2.4.3 鈣超載與TGF-β1 最近有學(xué)者應(yīng)用焦銻酸鉀分子探針技術(shù)對心肌細(xì)胞內(nèi)鈣分布研究表明，放射性心肌損傷的早期改變是膜通透性增大，后者將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)環(huán)境改變，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞水腫、線粒體腫脹，膜損傷還將引起膜的離子泵異常，使細(xì)胞內(nèi)鈣超載，進(jìn)而導(dǎo)致心肌損傷〔26〕。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)鈣儲存的主要場所，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)主要通過其膜上的藍(lán)尼叮受體(RyR)和1，4，5-三磷酸肌醇受體通道(IP3R)，將鈣離子釋放入胞。再通過其膜上的鈣泵(SERCA)將鈣離子從胞質(zhì)中攝入到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，從而維持細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)平衡。放射時氧化應(yīng)激致ERS，Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔釋放到胞質(zhì)中，胞質(zhì)中的 Ca2+水平增高，激活細(xì)胞質(zhì)中的需鈣蛋白酶(calpain)〔27，28〕，該酶大小亞單位自體降解后開始降解底物〔29〕。Gressner等〔30〕的研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β可能是calpain的作用底物，前述放射致纖維化時，CFs數(shù)量增多，其合成和分泌的TGF-β增多，因此我們產(chǎn)生這樣的疑問:鈣穩(wěn)態(tài)失衡和TGF-β有何關(guān)系?放射性心臟纖維化的產(chǎn)生是否與這條信號通路有關(guān)系?這有待進(jìn)一步的研究。

3 小結(jié)與展望

RIHD的主要危害是心肌纖維化。輻射通過改變SOD活性，產(chǎn)生大量的ROS，導(dǎo)致RES、線粒體功能改變而引起鈣失衡，進(jìn)而改變TGF-β的數(shù)量和活性，影響CFs的增殖活動，最終造成心肌纖維化，這是放射致心肌纖維化的可能途徑，其具體機(jī)制有待探索。隨著這些機(jī)制的深入研究必將為防治RIHD提供新思路和靶點(diǎn)，比如放療前后只要清除或下調(diào)ROS和TGF-β，或者調(diào)解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體的活動，穩(wěn)定鈣離子水平則有可能有效保護(hù)心臟，提高放療對惡性腫瘤的總體有效率。

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