阿霉素的心肌毒性機制研究進展

郭依然（綜述），張永健，蘇素文（審校）

（河北醫科大學基礎醫學院藥理學教研室，河北省新藥藥理毒理重點實驗室，教育部神經血管生物重點實驗室，河北 石家莊050017）

阿霉素亦稱多柔比星，是從一種真菌菌株中提取的有抗腫瘤作用的蒽環類抗生素，屬周期非特異性抗腫瘤藥物，能有效抑制DNA和RNA的合成，對各生長周期的腫瘤細胞均有殺滅作用。阿霉素和道諾霉素（又名柔紅霉素）結構類似，后者最初發現于20世紀50年代，并在20世紀60年代成功治愈了急性白血病和淋巴瘤，但在1967年發現其可引發致命的心臟毒性。阿霉素是在道諾霉素結構基礎上經改造而得，其作用機制和道諾霉素相似，特點是抗腫瘤作用更強且抗瘤譜廣，因此廣泛用于各種惡性腫瘤的治療，但阿霉素仍存在劑量依賴性的心臟毒性，因而限制了其臨床用量的增加。如何在不影響其抗腫瘤作用的前提下，抑制或減弱其心臟毒性成為研究者努力的方向。目前對阿霉素的心臟毒性機制了解尚不太清楚，除了經典的學說如自由基、鈣超載及線粒體損傷等外，細胞自噬在阿霉素致心臟毒性中的作用越來越引起人們的關注。現就阿霉素心臟毒性表現、毒性發生機制和治療措施方面的進展綜述如下。

1 心臟毒性的臨床表現

阿霉素的心臟毒性在臨床隨用藥方式和用藥量的不同可表現為急性毒性和慢性毒性。阿霉素的急性心臟毒性主要表現為用藥初期各種各樣的心律失常，多在靜脈輸注過程中或給藥數小時后發生。在心電圖上多表現為QRS低電壓、Q-T間期延長、ST段改變等一過性心律失常［1-3］。這些心電圖的改變為非特異性，停藥后多能自行緩解。但有極少數患者可因急性左心衰竭和心律不齊而猝死，這可能是阿霉素延長動作電位時程［4］和增大L型鈣電流［5］的結果。長期用藥則會導致慢性心臟毒性，主要表現為充血性心力衰竭，其中QRS波低電壓可作為阿霉素慢性心臟毒性的先兆表現［1-3］。多年的追蹤觀察發現，用阿霉素化療過的兒童癌癥患者，治療后的1～15年中有57%的患者出現左心室功能異常［6］，說明阿霉素的慢性心臟毒性為漸進性、不可逆的慢性心肌病變。單次或多次給予阿霉素可使動物出現慢性心肌毒性，并進一步發展成為心力衰竭。阿霉素引起人的心電圖改變可受年齡、身體素質及對藥物敏感性的影響，主要表現為P-P間期縮短、S-T段壓低、T波平坦或倒置及QRS波群的波幅降低等現象［7］。

2 毒性發生機制

關于阿霉素引起心臟毒性的機制目前尚不完全清楚，普遍認為是多因素共同作用的結果，如活性氧的生成、鈣超載、線粒體損傷、凋亡和自噬等。這些因素之間相互聯系、互為因果，形成惡性網絡，共同促進心臟毒性的發展。其中自噬所致的功能失調在阿霉素所致的心肌毒性損傷中所起的作用越來越引起人們的重視［8］。

2.1 阿霉素可造成心肌組織的氧化應激損傷 氧化應激是指機體在遭受各種有害刺激時，體內高活性分子如活性自由基產生過多、氧化系統和抗氧化系統失衡、大量活性自由基不斷聚積，從而導致細胞核DNA、蛋白及脂質的損害反應，并引發各種疾病［9］。活性氧是體內一類來源于氧的自由基和非自由基分子，包括超氧陰離子、過氧化氫和羥基自由基等。阿霉素醌基在還原型輔酶Ⅱ依賴性還原酶、細胞色素P450等一系列酶的作用下產生的超氧陰離子經歧化酶歧化生成氧和過氧化氫，而過氧化氫被認為是介導心肌毒性的主要介質［10］。此外，再次生成的醌基可經酶的作用進入下一個阿霉素衍生的醌-半醌氧化還原循環中，不斷產生活性氧，進一步與脂肪、蛋白質和核酸相互作用，導致脂肪過氧化、含硫氫的肽類消耗和DNA損傷，引起組織損傷。在阿霉素所致的慢性心力衰竭模型中［11］，大鼠心肌丙二醛的含量逐漸增多，超氧化物歧化酶活性逐漸下降，提示其氧化應激的作用加強。相關性分析表明，心功能下降與氧化應激關系密切，隨著氧化應激的加重，心功能受損也越嚴重，最終導致心力衰竭的發生。阿霉素在超氧化物和核拼接變體還原型輔酶Ⅱ氧化酶的作用下產生的自由基可致細胞質內核糖體蛋白113a（Rp113a）小分子 RNA（snoRNA）的快速堆積，其中主要表現為box C／D snoRNA的積累。box C／D snoRNA可導致細胞RNA的結構改變，使細胞的氧化應激反應增強，細胞膜結構改變，誘發細胞的死亡［12］。由于細胞質內核糖體蛋白113a小分子RNA可參與核糖體核糖核酸（rRNA）的合成和修飾，故其快速積累也可致核損傷。

ROCK是小GTP酶Rho A下游肌動蛋白細胞骨架的中央調控器，ROCK包括2個亞型，分別為ROCK1和ROCK2，雖然這2個亞型的編碼基因不同，但是卻有著65%的氨基酸序列相同，使這2個亞型高度同源。ROCK1在阿霉素所致的細胞損傷中起到了抗氧化作用。對小鼠胚胎成纖維細胞的研究表明，阿霉素能使該細胞的應力纖維分解，從而導致細胞黏附受損和細胞凋亡，ROCK1在此過程中扮演重要的角色。缺乏ROCK1的（但不缺ROCK2）小鼠胚胎成纖維細胞不僅表現出比抗氧化劑更大的保護作用，而且大大增加抗氧化劑對抗阿霉素引起的細胞毒性（包括凋亡和細胞分離）的保護作用。阿霉素主要通過ROS非依賴性和ROCK1依賴性通路誘導肌動蛋白細胞骨架改變、細胞凋亡蛋白酶的激活，最終導致細胞壞死。敲除ROCK1通過抑制還原型輔酶Ⅱ氧化酶的激活降低阿霉素導致的氧化應激產物的生成。雖然抗氧化治療或降低ROCK1的表達對阿霉素引起的心肌細胞毒性都有明顯的保護作用，但在小鼠胚胎成纖維細胞中，敲除ROCK1所顯示的抗細胞凋亡效果比抗氧化劑要強［13］。因此，ROCK在氧化應激反應中的作用有待進一步探討。

對阿霉素致心肌細胞ROS增加致心肌損害的分子機制研究發現，過多的ROS可激活細胞外調節蛋白激酶1／2（extracellular regulated protein kinases 1／2，ERK1／2）［14］。細胞外調節蛋白激酶1／2是 Ras通路中重要的信號分子，其激活需要Ras、Raf和PKC等蛋白的參與。細胞外調節蛋白激酶1／2通過磷酸化反應可調節Jun、EIk2l、c2Myc和Max等轉錄因子的活性，促進某些基因的轉錄與表達，引起細胞的增殖與分化，在心肌細胞上表現為肥厚增生。

2.2 阿霉素可造成心肌細胞的鈣超載 鈣離子是心肌興奮-收縮偶聯的重要因子，同時也是細胞內最普遍而重要的信號轉導分子。目前認為，細胞內鈣離子濃度的升高來自細胞內貯庫鈣離子釋放和細胞外鈣離子內流兩大方面。而鈣超載是細胞內鈣濃度異常性升高、鈣分布紊亂的現象。研究發現，阿霉素致心肌損傷的發生和其致胞漿鈣超載有關，后者可明顯影響心肌細胞的收縮及舒張功能［15］。阿霉素中毒早期細胞內鈣離子升高主要和肌漿網的鈣釋放增加有關，也與其可抑制肌漿網對鈣離子的攝取［16］和經鈉鈣交換體促進外鈣內流［4］有關。晚期可能與其非特異性損傷心肌細胞膜，鈣離子經非特異性通道內流引起的鈣超載有關［15］。此外，高濃度阿霉素所致的負性肌力作用，還和其使鈣傳導蛋白的鈣敏感性降低有關。

2.3 阿霉素致心肌細胞凋亡 細胞凋亡又稱程序性細胞死亡或細胞自殺，是受基因調控、細胞主動參與的生理性死亡過程。心肌線粒體Bcl-2家族高表達可抑制細胞凋亡，而Bas可激活胱天蛋白酶3引起細胞凋亡［17］。多 聚 ADP核糖合成 酶 （Poly［ADP-ribose］polymerase 2，PARP）是 DNA 修復酶，能對DNA進行修補，是細胞凋亡核心成員胱天蛋白酶的切割底物。因此，它在DNA損傷修復與細胞凋亡中發揮著重要作用［18］。阿霉素所致的心肌損傷中，Bas、裂解型的PARP和胱天蛋白酶3的表達均增加，而Bcl-2的表達降低，提示阿霉素的心臟毒性作用與細胞凋亡密切關系［15，18］。近年來對小分子核糖核酸（miRNA）的研究發現，miRNA是一類具有調控功能的非編碼RNA，在心血管疾病和惡性腫瘤中發揮強有力的監管作用，在阿霉素誘導的各種心臟毒性模型中均有小分子核糖核酸的改變，主要表現為miR-30家族的下調［19］。GATA-6是心臟的一個高表達轉錄因子，GATA-6可下調miR-30的表達，參與阿霉素所致的細胞凋亡。

2.4 阿霉素致心肌細胞線粒體損傷 線粒體在心肌細胞的能量代謝中起重要作用，是調節細胞內鈣離子濃度的主要細胞器之一。阿霉素在機體內可代謝成半醌自由基，后者可直接損傷心肌細胞線粒體，造成心臟毒性。心肌線粒體損傷是阿霉素心臟毒性發生的早期重要標志，且阿霉素可以使心肌細胞線粒體膜通透性升高，釋放細胞色素C和胱天蛋白酶3，導致細胞凋亡［20］。阿霉素造成心臟功能下降的原因主要是心肌細胞線粒體超微結構的改變，使心肌細胞產生功能障礙。阿霉素不僅可使心肌細胞線粒體出現少量空泡，使其腫脹、畸形，還可使線粒體膜電位顯著下降，抑制線粒體細胞色素C氧化酶活性，DNA斷裂程度顯著增加［21］。

2.5 阿霉素對心肌細胞自噬作用的影響 自噬指細胞將受損的蛋白質以及損傷的細胞器運輸到溶酶體進行降解的過程，其特征是胞質中出現自噬體，是細胞在應激情況下維持內環境相對穩定和細胞存活的重要機制。近年來的研究發現，自噬介導心血管疾病、生長發育及腫瘤的發生發展。生理條件下，自噬可清除受損或多余的蛋白質和細胞器，是保持細胞功能最優化和維持細胞內環境穩定的一種自我保護措施。在病理條件下也可誘導細胞死亡。因此，自噬對細胞的作用具有兩面性，其在心肌細胞生理和病理生理反應中的作用日益受到重視。一些研究報道，阿霉素可以直接或間接的調節自噬的必要基因（如Atg12、Atg5、Beclin1和Bcl-2）表達，進而抑制 GATA4和 （或）S6K1的 表 達 而 誘 導 自 噬［19，22］。關于阿霉素在心肌毒性的發生發展過程中自噬的作用，目前的報道很不一致［22］。一些研究發現阿霉素在大鼠模型中可增強自噬，而一些研究則認為在小鼠模型中可降低自噬。因此，阿霉素誘導的自噬應答反應可能具有種屬差異性和劑量依賴性。同時，這些研究也提示，調節阿霉素誘導的自噬反應具有心臟保護作用。但目前這方面的研究尚較少。此外，阿霉素可抑制心肌細胞的蛋白降解而導致多泛素化蛋白和自噬小體的積累，因此阿霉素毒性刺激的應答首先激活細胞自噬，隨后細胞在高劑量和長期阿霉素的作用下發生凋亡和壞死。

Sirtuin是生物體中一類依賴于NAD＋酶的組蛋白去乙酰化酶。沉默信息調節因子2相關酶1（silentulator informationreg-1，SIRT1）是近年來研究最多的Sirtuin蛋白，也是藥物設計的熱門靶標。SIRT1在心臟中高表達，并通過對組蛋白和非組蛋白的去乙酰化調節多種轉錄因子如P53、PARP、PGC-1的活性而調節細胞凋亡、炎癥和應激反應等多種生理功能，對阿霉素誘導的心肌細胞損傷有明顯的保護作用［23］，有可能成為治療阿霉素心肌病的一個新靶標。

3 藥物治療

由于阿霉素的心臟毒性作用嚴重限制了其在臨床上的應用，因此，如何聯合用藥以保證其抗腫瘤作用又能避免其心臟的不良反應成為近年來的研究熱點。右丙亞胺是乙二胺四乙酸的衍生物，屬于螯合劑類心臟保護劑，其心臟保護機制主要是該藥可以迅速、完全的結合高價鐵離子、亞鐵離子，減少心肌鐵自由基的形成，抑制應激反應，從而發揮心肌保護作用。研究發現，右丙亞胺對急性白血病兒童應用蒽環類藥物制劑所致的心臟毒性的發生有一定的防護作用，并且對已經形成的損害有一定的修復作用［24］。此外，一些中藥如綠茶提取物［25］、藏紅花的提取物［26］等對阿霉素所致的心肌損傷亦有明顯的對抗作用。草藥配方B307［27］可以通過抑制氧化應激，對阿霉素所致的心肌損傷提供保護作用。黃酮類化合物能通過降低阿霉素醇的生成，從而降低阿霉素所致的心肌毒性［28］。白藜蘆醇作為一種多酚類化合物，是心腦血管疾病的預防劑，實驗證明白藜蘆醇能恢復阿霉素引起的心肌細胞自噬的調節異常，同時其可增強血紅素加氧酶的表達，對阿霉素誘導的心肌細胞凋亡有明顯的對抗作用［29］。

隨著基因工程技術的發展，表皮生長因子受體家族中的ErbB2受體酪氨酸激酶在心臟疾病發生發展中的作用逐漸引起人們的重視。實驗證據表明，ErbB2可能在防御癌癥上有抗氧化的調節作用。心肌細胞用抗ErbB2抗體處理可通過ROS和線粒體依賴機制促進細胞死亡，而采用ErbB2siRNA基因干擾技術均發現其對于阿霉素引起的細胞死亡和氧化應激有明顯的保護作用［30］。人類誘導多能干細胞和移植的骨髓間充質干細胞可通過減少ROS和心肌細胞凋亡，對抗阿霉素所致的新生大鼠心肌細胞損傷［31］，但目前尚無相關的臨床研究。由于ROS可誘導脂質過氧化，導致細胞內毒性醛類代謝物如乙醛、丙二醛和4-羥基壬烯酸的生成增加，這些醛類可以和細胞內的生物大分子如蛋白結合形成醛-蛋白加合物，導致修飾蛋白的正常生物功能喪失和細胞損傷。而醛脫氫酶則可使有毒的醛類脫氫增強其水溶性，使其毒性減弱或消失。因此，激活醛脫氫酶2的活性有望減輕阿霉素所致的氧化應激損傷。Alda-1作為乙醛脫氫酶的激活劑，有望成為治療阿霉素毒性的一種新型治療制劑［32］。

綜上所述，阿霉素可通過氧化應激、鈣超載、心肌細胞凋亡、線粒體損傷以及細胞自噬等多種機制導致心肌毒性，并引發心功能障礙。而阿霉素在代謝過程中所產生的多種自由基致細胞內鈣超載，進而引發線粒體損傷和細胞凋亡可能是其主要機制，并且該機制已被大家所熟知。隨著近年來對細胞自噬的認識，其在阿霉素致心肌損傷中的作用也越來越引起人們的關注。但是，阿霉素引起的鈣超載和其對細胞自噬影響的確切分子機制尚不太清楚。因此，弄清阿霉素心肌細胞毒性的主要機制，可為尋找并開發心肌保護藥物提供思路，并能更好地指導臨床用藥。

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