放射治療引起的心臟微血管損傷作用機制研究進展*

夏夢佳 綜述,劉 賽,朱海濤,曹雄鋒 審校

(江蘇大學附屬醫院影像科,江蘇 鎮江 212001)

美國癌癥協會統計報告顯示,2023年美國胸部惡性腫瘤,如肺癌、乳腺癌和食管癌,新發病例數預計達56萬例,新增死亡病例數預計達19萬例,占所有腫瘤發病率和死亡率之首[1]。因此,胸部惡性腫瘤仍是嚴重影響人類健康的公共問題。放射治療(放療)是50%以上胸部惡性腫瘤患者的一線治療手段[2]。盡管放療有效地降低了腫瘤負荷,但其不可避免地損傷了鄰近正常組織,嚴重降低了患者5年生存率和生活質量。放射性心臟毒性(RICT)包括心包疾病、心肌病、冠狀動脈相關疾病等。近年來,RICT發生率及相關死亡率持續升高,已經引起全球的廣泛關注[3-4]。然而,RICT的發病機制及病理生理基礎仍不是十分明確。放療引起的心臟微血管損傷被認為是促進RICT發生發展的關鍵因素之一[5-6]。因此,本文主要對放療引起的心臟微血管損傷發病機理、診斷監測及預防研究進行系統回顧,旨在為RICT臨床個性化診療策略的制定提供參考依據。

1 放療引起的心臟微血管損傷與放療相關心臟毒性

心臟微血管是血液與心臟組織進行物質交換的主要場所,為心臟組織結構提供氧氣和各種營養物質。心臟微血管僅由單層內皮細胞組成,對輻射極為敏感[7]。放療對心臟微血管損傷呈時間和劑量依賴性。研究顯示,心臟微血管密度在放療后40周會顯著降低[8],進而可能出現心臟組織缺血和缺氧,導致RICT的發生和發展。放療引起的心臟微血管損傷具有時間節律性,上午6:00-12:00時心肌組織和內皮更易受到輻射損傷,損傷后可導致心肌缺血、急性心肌梗死等心血管不良事件,其原因可能是該時間段內交感神經興奮性增強使心肌需氧量增加及縮/舒血管物質[內皮素-1/一氧化氮(NO)]比例升高,從而導致心肌供血不足[9-10]。此外,該時間段內血小板聚集、纖維蛋白原和纖溶酶原激活物抑制劑-1水平增加,可導致血液黏滯度增加,繼而引起血流阻力升高,進一步加重心肌缺血[11]。此外,DAKUP等[12]研究發現,晝夜節律紊亂的小鼠更易發生RICT。因此,選擇合理的放療時間,并維持正常的晝夜節律可能會延緩RICT的發生。

與放療引起的心臟微血管損傷相關心臟疾病主要包括以下類型:(1)心包疾病。急性滲出性心包炎被認為是最早、最常見的RICT,其發生機制與微血管內皮細胞損傷和淋巴管狹窄閉塞相關[13-14]。(2)心肌病。放射性損傷相關心肌病主要表現為心肌纖維化,后者具有發病隱匿、病程不可逆等特點[14]。輻射通過損傷微血管內皮引發抗纖溶-凝血級聯反應,導致血液凝固和微血管閉塞,并通過促進炎癥細胞的募集和增殖激活成纖維細胞為肌成纖維細胞,促進心肌纖維化[5]。除此以外,微血管損傷還可通過上調缺氧誘導因子-1α表達,刺激各種促纖維化介質生成[15]。(3)冠狀動脈相關疾病。放射性冠狀動脈相關疾病常見于胸部放療后長期生存患者。在放療數月后即可出現活性氧(ROS)介導的冠狀動脈微血管損傷,表現為亞臨床的冠狀動脈血流儲備減少;在放療數年甚至數十年之后可出現冠狀動脈大血管和微血管纖維化,導致管腔進行性狹窄,表現為相應動脈供血區域血流減少,二者相互作用并最終導致心肌缺血[16-17]。(4)心臟傳導系統異常。放射性心臟傳導系統異常主要表現為房室傳導阻滯、房室結節律性心動過緩和病態竇房結綜合征等,其中70%可在放療結束半年后恢復[18]。微血管的輻射損傷可通過引起心肌細胞傳導異常或破壞竇房結、房室結等關鍵結構,導致心臟傳導系統異常[15]。

2 放療引起的心臟微血管損傷形式及機制

2.1放療引起的心臟微血管損傷形式 血管放療損傷往往是由于內皮細胞在輻射后處于過度氧化應激狀態,最終發生衰老、凋亡、壞死和鐵死亡等。其中,心臟微血管內皮細胞放療損傷主要表現為衰老和凋亡。射線可呈能量依賴性地直接對內皮細胞DNA造成破壞,也可通過電離胞內水分子產生ROS間接損傷DNA,后者被認為是放療引起微血管損傷的主要原因[19]。DNA損傷后可激活p53-p21信號通路,導致內皮細胞發生G1期阻滯,修復損傷的DNA[20-21]。若修復不當則會導致內皮細胞衰老或凋亡[22]。此外,輻射誘導內皮細胞、心肌細胞、成纖維細胞等發生衰老后,可通過旁分泌衰老相關分泌表型或細胞間直接通訊誘導微血管內皮細胞發生衰老[23]。

2.2放療引起的心臟微血管損傷機制 放療損傷內皮細胞主要依賴于胞內過度生成的ROS[24]。若不能及時清除過量的ROS,將導致DNA損傷、炎性反應、NO生物利用度降低和細胞器功能障礙等一系列不良后果。

2.2.1ROS誘導內皮細胞炎性反應 一般認為,大于2 Gy的輻射具有促炎作用[25],其機制可能為:ROS通過激活腫瘤壞死因子和白介素(IL)-1等上游刺激物激活核因子-κB(NF-κB),而后者又可通過促進環氧合酶-2和5-乳過氧化物酶的表達促進ROS生成,二者形成了一個正反饋通路[24]。此外,DNA損傷和損傷相關分子模式的釋放也可能在NF-κB的激活中發揮一定作用[25]。激活的NF-κB可促進黏附分子[e-選擇素、p-選擇素、細胞間黏附分子(ICAM)-1、血管細胞黏附分子(VCAM)-1、血小板內皮細胞黏附分子-1等]和細胞因子(IL-6、IL-8等)分泌增加,并促進血栓形成標志物上調[13,24]。黏附分子的增加可促進白細胞與內皮細胞黏附,后者是形成動脈粥樣硬化病變的關鍵[15,25]。促炎細胞因子的增加不僅可以介導炎性反應,也可以促進內皮細胞和成纖維細胞增殖,導致膠原沉積增加和血管壁增厚及管腔狹窄,使心肌缺血進一步加劇[14]。

小于2 Gy的輻射具有一定的抗炎作用[25]。ECKERT等[26]研究發現,0.1～0.5 Gy的輻射對誘導抗炎作用最為有效,并推測其可能與低劑量輻射誘導的炎癥刺激了內皮細胞中抗氧化因子mRNA表達,繼而降低ROS水平、黏附分子(e-選擇素、ICAM-1和VCAM-1)水平,并與隨后的白細胞與內皮細胞黏附有關。然而,單次低劑量放療雖然減少了正常組織的損傷,但也同樣降低了對腫瘤的殺傷效果,不利于疾病控制。因此,臨床需要慎重選擇合適的放療劑量,在最大限度抑制腫瘤的同時,減少對正常組織的損傷。

2.2.2ROS降低NO生物利用度 AZIMZADEH等[27]研究發現,ROS可通過降低NO生物利用度而造成微血管內皮細胞損傷,其機制可能為:(1)NO清除增加。內皮細胞暴露于輻射后,NO迅速與超氧自由基結合,形成具有血管毒性的過氧亞硝酸鹽[25]。過氧亞硝酸鹽可使蛋白質酪氨酸殘基亞硝基化并損害內皮細胞蛋白質功能,從而影響微血管網絡的結構和功能[22]。(2)NO生成減少。輻射導致的氧化應激通過降低四氫生物嘌呤水平使內皮型一氧化氮合酶(eNOS)發生解偶聯,解偶聯的結果是eNOS不再生成NO,而是生成eNOS依賴的超氧化物,從而放大了氧化應激[25]。NO是體內強大的血管舒張因子,其生物利用度降低將導致微血管內皮舒張功能障礙,而內皮損傷后激活的凝血級聯反應和血管收縮會進一步加重血栓形成,使組織缺氧加劇,并最終促進心血管疾病的發生發展[13]。

2.2.3ROS引起細胞器功能障礙 ROS可通過引起線粒體功能障礙造成微血管內皮細胞損傷。BASELET等[28]研究發現,輻射可通過損傷冠狀動脈內皮細胞的線粒體DNA而導致線粒體功能障礙,從而使細胞難以應對氧化應激而發生凋亡。由于微血管內皮細胞線粒體DNA既無組蛋白保護又缺乏DNA損傷修復系統,極易遭受過量ROS的不可逆破壞,導致線粒體膜電位降低和線粒體電子傳遞鏈功能障礙,進而產生更多胞內ROS,形成惡性循環[19,24]。ROS也可通過促進內質網鈣池中的Ca2+釋放,引起線粒體鈣超載,導致氧化應激和線粒體通透性轉換孔開放,并最終導致細胞凋亡[14,29]。除此以外,輻射損傷的線粒體還可能引起鄰近線粒體發生旁觀者效應,使損傷進一步加劇[14]。

3 放療引起的心臟微血管損傷的防護和監測

放療過程中預防不良心血管事件和監測放療后心血管安全性是減少胸部腫瘤患者治療相關心血管源性死亡的關鍵。盡管三維適形放療、調強適形放療和立體定向放療等技術的發展顯著提高了放療的靶向性,且大幅降低了鄰近正常組織接受的照射劑量,但仍然無法避免RICT的發生發展。目前,RICT相關機制的研究尚處于起步階段,其針對性預防措施仍需要進一步探索。早期診斷對治療方案的調整十分關鍵,因此選擇具有較高靈敏度和特異度的監測手段尤為重要。

3.1潛在防護措施 LI等[29]研究發現,組氨酸三聯體核苷酸結合蛋白2(HINT2)過表達可通過抑制線粒體鈣單向轉運體來抑制Ca2+流入,繼而維持線粒體功能,并抑制線粒體依賴的細胞凋亡。此外,HINT2過表達可通過抑制ICAM-1和VCAM-1以抑制無菌炎癥。盡管該研究是在缺血再灌注損傷背景下進行的,但由于輻射通過促進內質網中Ca2+釋放而導致鈣超載,故推測HINT2在輻射損傷背景下同樣可以挽救損傷的內皮細胞。

RAMADAN等[30]研究發現,Cx43半通道阻滯劑TAT-Gap19可以通過顯著降低輻射導致的內皮細胞氧化應激和炎性反應來減輕內皮細胞損傷和抑制過早衰老。半通道是實現旁觀者效應的關鍵因素之一,其不可控制的開放可導致細胞內Ca2+水平增加、細胞內三磷酸腺苷耗竭并促進ROS進入細胞[31]。提示阻斷半通道對保護鄰近組織免受輻射損害有一定效果。

3.2監測手段 RICT的監測手段主要包括心臟生物標志物[利鈉肽和心肌肌鈣蛋白(cTn)]和影像學檢查(超聲心動圖和磁共振成像),有心律失常風險的患者也可選擇進行心電圖監測[32]。

利鈉肽包括B型利鈉肽和氨基末端B型利鈉肽前體,其可以無創地反映心室充盈壓和左室舒張末壓[33]。cTn包括cTnT和cTnI,是心臟的結構性蛋白,對心臟損害具有高度靈敏性和特異性。除利鈉肽和cTn外,心肌酶及部分炎性因子和新的心臟生物標志物(如髓過氧化物酶、半乳糖凝集素-3和MicroRNA等)也可在RICT的監測中發揮一定作用[34]。對于無癥狀RICT患者,經胸超聲心動圖包括三維左室射血分數和整體縱向應變(GLS),是評估心功能不全的首選方法;對于左室射血分數偏低患者,采用GLS確定是否存在無癥狀心肌損害尤為重要[32]。當經胸超聲心動圖圖像質量不佳時,可考慮添加造影劑或使用磁共振成像等方法來監測左心室大小和功能[35]。多門電路探測掃描和單光子發射計算機斷層掃描等方法一般不作為心臟的一線成像手段[35]。

4 小結與展望

盡管放療技術的進步顯著降低了心臟輻射劑量,但放療后心血管不良反應仍嚴重影響著胸部惡性腫瘤患者生存質量。由于RICT潛伏期長,臨床上亟需制定出早期診斷和有效防治的策略。由于心臟組織微血管網絡豐富且對輻射耐受性較差,微血管損傷在RICT發生發展中發揮重要作用,探究其損傷機制或許可以成為RICT防治的一個重要突破口。目前對于放療引起的心臟微血管損傷機制的研究大多基于動物實驗,臨床數據的獲取應是未來研究的主要方向。目前的研究多集中于氧化應激、DNA損傷、線粒體功能障礙、炎性反應,而表觀遺傳調控、蛋白翻譯后修飾和代謝產物變化等同樣值得深入研究。此外,低劑量輻射的長期效應也應成為未來研究重點。