膿毒癥心肌損傷發病機制及治療研究進展

黃穎 唐立麗 關于琳 張杰 李小悅

遵義醫科大學第五附屬（珠海）醫院急診科，重癥醫學科（廣東 珠海 519100）

膿毒癥（sepsis）是宿主對感染反應失控而導致的器官功能障礙，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、射血分數降低等［2-3］。SIMI 與膿毒癥患者預后不良直接相關，約60%的膿毒癥患者合并心肌損傷，其病死率高達70% ～90%，是無SIMI 患者的4 倍［2，4］。SIMI 發病機制尚不清楚，主要包括過度炎癥反應、線粒體損傷、細胞凋亡和細胞自噬等機制。臨床目前缺乏針對SIMI 的有效治療手段，深入探討SIMI 的致病機制有助于靶向藥物的研發［5］。現本文針對SIMI的發病機制及治療的新近相關研究作一綜述，旨在提高膿毒癥心肌損傷患者的預后。

1 SIMI 發病機制

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

1.2 線粒體損傷 心肌細胞中的線粒體損傷是SIMI 發生的關鍵環節［12］。膿毒癥時心肌細胞線粒體鈣超載、線粒體自噬失調以及線粒體動力學失衡加重心肌損傷。研究發現，TLRs 的激活刺激細胞因子進一步激活外泌體誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產生，iNOS 過度激活產生循環NO 可導致心血管內皮細胞受損、鈣穩態失衡、線粒體損傷，導致心臟功能障礙［7］。膿毒癥時可激活補體系統，上調C5a 與其受體發生反應，引起炎癥反應和心肌細胞內鈣超載［13］。線粒體鈣超載觸發線粒體滲透性轉換孔隙（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）開放，導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，誘發心肌細胞細胞凋亡和功能障礙［12］。研究［14-15］發現，膿毒癥小鼠心肌細胞通過影響PKA 活性調節線粒體Na+/Ca2+交換器（Na+/Ca2+exchanger，NCLX）和P2X 嘌呤受體7（P2X purinoceptor 7，P2X7）受體激活Akt/GSK-3β通路導致心肌細胞線粒體鈣超載，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、細胞色素C 等毒性物質，引起氧化應激，誘導心肌細胞產生過度炎癥反應及程序性死亡［16］。氧化應激會干擾信號通路并導致線粒體超微結構損傷，導致線粒體鈣和游離脂肪酸水平升高，引起線粒體損傷進而加重氧化應激、內質網應激、細胞質鈣超載，加劇心肌細胞損傷［14］。膿毒癥心肌細胞存在線粒體裂變亢進、融合抑制、生物合成下降等動力學失衡。動力相關蛋白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、代謝異常和氧化應激，導致線粒體功能障礙；抑制Drp1/p53 介導的線粒體裂變，可減少氧化應激，改善細胞呼吸和ATP產生，維持線粒體動力學平衡并改善膿毒癥小鼠心肌細胞收縮功能［17］。因此，改善膿毒癥后的線粒體結構和功能破壞是治療SIMI 的有效手段。

1.3 心肌細胞自噬 心肌細胞自噬異常是SIMI的主要致病機制［8］。自噬是細胞利用溶酶體降解自身受損、無用的大分子物質以及細胞器的自我消化過程，通過調節炎癥反應和免疫功能、清除受損細胞器及維持細胞穩態在SIMI 中發揮保護作用。雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）是自噬的關鍵調節劑，參與自噬和細胞凋亡過程。在基礎研究中，膿毒癥小鼠mTOR復合物表達上升抑制心肌自噬，導致DAMPs 蓄積，加重心肌細胞過度炎癥反應及心肌壞死［18-19］。AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是調控穩態的重要激酶。有研究［20-21］發現，SIMI 中自噬反應的機制可能與AMPK 激活或mTOR 抑制的ULk1 磷酸化促進自噬有關，是膿毒癥小鼠心肌代償性保護的重要節點。研究［22］表明，NAD+依賴酶沉默調節蛋白（recombinant sirtuin 6，SIRT6）過表達可激活自噬改善膿毒癥心肌損傷。因此，靶向調控自噬相關信號通路有望逆轉膿毒癥心肌損傷。

1.4 心肌細胞凋亡 心肌細胞凋亡是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胞凋亡的直接因素［23］。膿毒癥誘導的過度炎癥反應、氧化應激及線粒體損傷可通過死亡受體介導的外源性途徑及線粒體/細胞色素c 介導的內源性途徑級聯活化天冬氨酸特異性caspase-3直接降解細胞DNA 導致心肌細胞廣泛凋亡［24］。膿毒癥誘導促凋亡信號通路如TNF-α/Bax、JNK/Bax 高表達，Bax 介導線粒體通透性轉換孔開放釋放大量細胞色素c 觸發Caspase 級聯反應誘發心肌細胞凋亡［25-26］。膿毒癥患者血漿中出現組蛋白和補體激活、C5a與期受體相互作用引起心肌損傷，其中細胞外組蛋白誘導TNF-α/Bax 促進心肌細胞凋亡，導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，Bcl-2 可通過調控胞質鈣穩態、促進還原反應、結合胞外信號ERK 調節激酶（extracellular signal-regulated kinase1/2，ERK1/2）及胞質Bax 等多重方式抑制細胞凋亡［27］。Bax 和Bcl-2的構比是啟動細胞凋亡的“分子開關”。目前對SIMI 后細胞凋亡機制的研究主要集中在MAPK 和PI3K/AKT/mTOR 信號通路調控SIMI 心肌細胞凋亡，PI3K/AKT/mTOR 信號通路負調控SIMI 心肌細胞凋亡，因此抑制PI3K/AKT 通路激活可下調心肌細胞凋亡并減輕SIMI［28］。因此，阻斷細胞凋亡途徑可能是減輕SIMI 的關鍵靶點。

各機制之間的級聯反應和相互作用導致SIMI。自噬在早期被激活，細胞凋亡在晚期被激活，自噬與凋亡之間存在相互負調控關系［8］。細胞凋亡是炎癥的觸發因素，細胞凋亡和炎癥反應信號通路之間存在級聯反應。自噬是抗炎的關鍵，一些自噬相關信號通路的激活可以保護細胞免受炎癥反應的影響；然而自噬在心肌細胞應激的早期被炎癥反應激活，可能加劇心肌組織損傷。炎癥和氧化應激之間通過共同信號通路NF-κB 相互促進作用。SIMI 時機體通常處于氧化應激狀態。膿毒癥中發生的氧化應激與線粒體損傷密切相關，線粒體損傷引起ROS 的過度產生，氧化應激加重線粒體損傷。此外，心肌細胞凋亡受氧化應激、細胞凋亡和炎癥反應的影響，是一種包含炎癥反應的細胞死亡，其本質是炎癥，由GSDMD 介導激活NLRP3炎癥小體，通過胱天蛋白酶、ROS 和NF-κB 信號通路介導膿毒癥中心肌細胞凋亡［8，29］。因此，通過介導心肌細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 發病機制的不確定性，目前尚無有效的治療方法。應對SIMI 的策略是控制原發性疾病，防止繼發性SIMI 的發生。目前治療膿毒癥休克的準則是SIMI 治療的基石，臨床治療包括液體復蘇、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 的發病機制研發靶向藥物，旨在提高SIMI 患者的搶救成功率。

2.1 減輕過度炎癥反應 干預炎癥信號通路、減輕過度炎癥反應可有效控制SIMI 的發生發展。研究發現，黃芪多糖可減少心肌細胞炎癥反應，下調TLR4/NF-κB 通路活性，維持心肌細胞活力，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的TLR4/NF-κB 信號通路激活和降低炎癥因子的表達水平，減輕膿毒癥大鼠的心肌損傷，增強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。在基礎實驗中，ZA 可通過MAPK和NF-κBp65 信號通路抑制LPS 誘導iNOS 和NO 釋放，減少炎癥因子過度表達，降低氧化應激，減弱心肌細胞的炎癥反應［9］。氯沙坦通過NF-κB 和MAPK 信號通路調節減少炎癥細胞對心肌的浸潤，維持心肌細胞的線粒體動力學平衡，減少炎癥反應、氧化應激和心肌細胞凋亡［33］。此外，褪黑激素可下調JAK2/STAT3 通路活性、TAK-242 可抑制TLR4/JNK 通路減少TNF-α 表達抑制心臟炎癥反應減輕SIMI，有效控制SIMI 的發生發展［10-11］。因此，可認為抑制炎癥炎癥介質和調節炎癥信號是治療SIMI 的關鍵。

2.2 改善線粒體功能 改善膿毒癥后的線粒體結構和功能破壞可明顯緩解SIMI。在動物實驗研究發現，人參皂苷可作用于P2X7 受體激活Akt/GSK-3β 通路穩定線粒體內Ca2+水平，抑制LPS 誘導的心肌細胞凋亡、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 通路改善心肌細胞線粒體自噬，有效清除損傷線粒體，維持心肌細胞穩態［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。在動物實驗證明，左西孟丹可直接靶向PINK-1-Parkin 介導調節小鼠心臟線粒體自噬，減少線粒體分裂，激活線粒體自噬，抑制炎癥反應和氧化應激，保護小鼠的心臟功能［16］。在一項30 例嚴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 相關的線粒體分裂，維持線粒體功能，減輕線粒體氧化應激、心肌細胞死亡和心肌功能障礙［36］。總的來說，可通過線粒體靶向治療，以改善SIMI 的發生，但其療效仍需臨床試驗進一步驗證。

2.3 調控心肌細胞自噬 調控心肌細胞自噬、維持心肌細胞穩態可顯著減輕SIMI 心臟功能障礙。研究顯示，辣椒素通過激活AMPK 和unc-51 樣自噬活化激酶1（unc-51 like autophagy-activating kinase 1，ULK1）抑制mTOR 增強自噬，維持線粒體功能、改善氧化應激和炎癥反應和緩解心臟功能障礙［21］。丙戊酸可促進心肌細胞PTEN 表達和抑制AKT/mTOR 通路增強心肌細胞自噬減輕膿毒癥大鼠心肌細胞氧化應激、線粒體損傷和過度炎癥反應，改善心肌損傷［37］。褪黑素可激活AMPK 介導的自噬途徑，減輕膿毒癥小鼠心肌細胞過度炎癥反應、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 的磷酸化增強自噬，穩定線粒體膜電位，減輕線粒體損傷、炎癥反應和氧化應激，抑制心臟細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SIRT6 或抑制自噬緩解膿毒癥誘導的心肌損傷，抑制心肌細胞凋亡，對膿毒癥心肌細胞具有保護作用［22］。將來或許通過靶向調控心肌細胞自噬來維持心肌細胞穩態，可為SIMI 的治療提供新篇章。

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

3 展望

SIMI 與膿毒癥患者不良預后密切相關。目前對SIMI 發病機制和治療方法的研究取得了一定進展。過度炎癥反應、線粒體損傷、細胞自噬和細胞凋亡等機制均參與SIMI 的發生和發展，SIMI 涉及的發病機制及介導各個機制的信號通路之間相互交錯、關聯，基于SIMI 發病機制的治療策略可能是改善膿毒癥預后的有效措施，也將成為今后的研究熱點。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制來改善SIMI，但許多藥物研究仍處于基礎研究階段，需要大量從SIMI 發病機制到治療靶點的基礎研究再回歸臨床的證實，為SIMI 找到更多的靶點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.