膿毒癥心肌病的發(fā)病機(jī)制研究進(jìn)展

李心瑤 陳俊 李灼

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院急診/重癥醫(yī)學(xué)科,江蘇 南京 210008)

2016年第三次膿毒癥與膿毒性休克定義的國(guó)際共識(shí)[1]將膿毒癥定義為宿主對(duì)感染的反應(yīng)失調(diào)而導(dǎo)致威脅生命的器官功能障礙。當(dāng)血液循環(huán)、細(xì)胞代謝出現(xiàn)嚴(yán)重異常時(shí),膿毒癥將會(huì)進(jìn)展為膿毒性休克,大幅度提高了死亡率。膿毒癥心肌病(septic cardiomyopathy,SCM)是嚴(yán)重膿毒癥和膿毒性休克常見(jiàn)的并發(fā)癥。SCM并沒(méi)有明確的定義,現(xiàn)階段將SCM描述為:(1)心室擴(kuò)張伴心室順應(yīng)性增加;(2)射血分?jǐn)?shù)降低,心輸出量沒(méi)有變化;(3)對(duì)液體復(fù)蘇和兒茶酚胺的反應(yīng)性差;(4)心室擴(kuò)張及射血分?jǐn)?shù)降低可在7～10 d內(nèi)恢復(fù);(5)排除急性冠脈綜合征作為病因[2]。在重癥醫(yī)療領(lǐng)域中SCM是一個(gè)嚴(yán)重的臨床問(wèn)題,盡管近年來(lái)對(duì)SCM的認(rèn)識(shí)有了很大提高,但其確切的發(fā)病機(jī)制尚未完全明了。現(xiàn)綜述近期關(guān)于SCM發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展。

1 SCM的發(fā)病機(jī)制

1.1 損傷相關(guān)分子模式

心肌功能障礙是宿主對(duì)感染的反應(yīng)失調(diào),這種反應(yīng)失調(diào)是由損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular pattern,DAMP)和病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)共同驅(qū)動(dòng)[3]。DAMP是內(nèi)源性分子,當(dāng)組織損傷后DAMP從細(xì)胞中釋放出來(lái),可作為免疫系統(tǒng)的有效激活劑,啟動(dòng)并延續(xù)非感染性炎癥反應(yīng),導(dǎo)致全身炎癥、器官損傷和死亡[4]。SCM中普遍認(rèn)同的DAMP包括高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)、組蛋白、熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)、細(xì)胞外RNA和細(xì)胞游離DNA。

HMGB1是一種在所有哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表達(dá)的高度保守蛋白[5]。HMGB1可通過(guò)偶發(fā)性壞死或受調(diào)控的細(xì)胞死亡過(guò)程(如細(xì)胞壞死、細(xì)胞焦亡、鐵死亡或細(xì)胞凋亡)導(dǎo)致體細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)膜破壞從而被動(dòng)釋放。此外,HMGB1也可通過(guò)細(xì)胞質(zhì)囊泡主動(dòng)釋放[4]。最新研究[6-8]表明,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激心肌細(xì)胞后HMGB1表達(dá)增加,并且抑制HMGB1活性,可緩解自噬流受阻,減少心肌細(xì)胞凋亡。細(xì)胞外組蛋白作為內(nèi)源性DAMP,可能以補(bǔ)體(C5a)依賴(lài)性的方式出現(xiàn),膿毒癥通過(guò)釋放C5a引起補(bǔ)體激活,并與其受體(C5aR1和C5aR2)相互作用,導(dǎo)致心肌細(xì)胞中NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor pyrin domain containing 3,NLRP3)炎癥小體和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的激活,以及細(xì)胞外組蛋白的出現(xiàn)。這些引起心肌細(xì)胞中心肌肌質(zhì)網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣ATP酶2(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2,SERCA2)、線粒體鈉鈣交換蛋白(Na+/Ca2+exchanger,NCLX)和鈉鉀ATP酶減少,活性氧(reactive oxygen species,ROS)、細(xì)胞內(nèi)Ca2+累積以及細(xì)胞因子釋放,最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞功能障礙[9]。HSP是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的分子伴侶,對(duì)免疫反應(yīng)具有強(qiáng)大的作用[10]。有研究[11]表明,HSP70通過(guò)改善線粒體功能障礙和抑制NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的細(xì)胞焦亡來(lái)改善膿毒癥誘導(dǎo)的心肌功能障礙。同時(shí),HSP70也可抑制自噬激活來(lái)減少心肌細(xì)胞凋亡[12]。除此之外,細(xì)胞外RNA及細(xì)胞游離DNA釋放到細(xì)胞外后可作為DAMP促進(jìn)炎癥發(fā)展。

1.2 PAMP

LPS也稱(chēng)為內(nèi)毒素,是革蘭氏陰性菌外膜的主要成分。LPS在細(xì)菌細(xì)胞壁破壞后被釋放出來(lái),并以細(xì)菌外膜囊泡的形式活躍分泌。LPS信號(hào)通路主要涉及LPS與特異性免疫細(xì)胞受體的相互作用。Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)家族用于識(shí)別細(xì)菌PAMP,以及細(xì)胞質(zhì)部分用于細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)。LPS結(jié)合TLR4和髓樣分化蛋白2,即TLR4-髓樣分化蛋白2復(fù)合物,銜接蛋白隨后被招募到復(fù)合物的胞內(nèi)區(qū)域,激活髓樣分化因子依賴(lài)性和非依賴(lài)性通路。白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1受體銜接蛋白和髓樣分化蛋白88銜接,激活核因子κB (nuclear factor-κB,NF-κB) 和MAPK,導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。嚴(yán)重的細(xì)菌感染和血清中LPS的突然增加,使炎癥因子不受控制地釋放和免疫反應(yīng)不適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)增,導(dǎo)致組織損傷、器官衰竭和死亡[13-14]。

1.3 線粒體功能障礙

心臟需大量的ATP來(lái)維持正常的收縮和舒張功能,95%的ATP來(lái)自于線粒體的氧化磷酸化[15-16],因此線粒體功能障礙導(dǎo)致的能量代謝衰竭可能參與SCM的發(fā)生發(fā)展(圖1)。

注:mPTP,線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔;Drp1,線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白1;Fis1,線粒體分裂蛋白1。圖1 線粒體功能障礙參與SCM的發(fā)病機(jī)制

1.3.1 線粒體超微結(jié)構(gòu)的改變

線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔是一種高電導(dǎo)通道,暫時(shí)開(kāi)放(可逆)可使Ca2+及ROS轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中,持續(xù)性開(kāi)放(不可逆)使線粒體內(nèi)膜對(duì)離子和小分子溶質(zhì)的滲透性突然增加,并允許代謝物質(zhì)進(jìn)入線粒體基質(zhì),這導(dǎo)致氧化磷酸化的解偶聯(lián),ROS增加,ATP的生產(chǎn)效率降低[17-19]。最新研究[20-21]表明,通過(guò)抑制線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔的開(kāi)放和限制心臟組織鈣含量超載,可改善心肌結(jié)構(gòu)和功能障礙。

1.3.2 氧化應(yīng)激

ROS是正常生理過(guò)程產(chǎn)生的產(chǎn)物,線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ和Ⅲ生理性產(chǎn)生少量ROS,生理濃度下ROS在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和維持組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[22-23]。單個(gè)線粒體產(chǎn)生的ROS會(huì)誘導(dǎo)其他線粒體產(chǎn)生更多的ROS,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為ROS誘導(dǎo)的ROS釋放現(xiàn)象,過(guò)量的ROS產(chǎn)生被稱(chēng)為氧化應(yīng)激[24]。膿毒癥可通過(guò)增加氧化應(yīng)激和過(guò)量產(chǎn)生線粒體ROS(mtROS),導(dǎo)致線粒體功能障礙。過(guò)量的ROS會(huì)損傷細(xì)胞,并參與各種器官功能障礙。研究[22]表明,ROS會(huì)導(dǎo)致SCM中氧化磷酸化通路的特異性損傷(如線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅰ、復(fù)合體Ⅳ和F0F1功能障礙),尤其是心肌細(xì)胞線粒體損傷。ROS可誘導(dǎo)NLRP3從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),解離性硫氧還蛋白互作蛋白可直接與細(xì)胞質(zhì)NLRP3相互作用,形成炎癥小體,引起心肌細(xì)胞損傷[25]。抑制ROS累積可阻斷NLRP3介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡和焦亡,改善心肌功能。目前研究[26]發(fā)現(xiàn),藥物通過(guò)抑制mtROS的產(chǎn)生可改善LPS誘導(dǎo)的心肌功能障礙,為干預(yù)SCM提供了新的治療靶點(diǎn)。

1.3.3 鈣超載

在膿毒癥的早期階段,大量的Ca2+從心肌細(xì)胞外流入細(xì)胞質(zhì),導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中鈣超載,最終誘導(dǎo)線粒體鈣超載。鈣超載引起的線粒體損傷是膿毒癥心肌功能障礙的重要機(jī)制。NCLX介導(dǎo)的線粒體Ca2+外排受阻是線粒體鈣超載的重要因素[27]。最近研究[28]驗(yàn)證了膿毒癥期間PINK1-PKA-NCLX軸在心肌細(xì)胞線粒體鈣超載中起重要作用。另外,SERCA2a負(fù)責(zé)Ca2+從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到肌質(zhì)網(wǎng)來(lái)維持低的胞質(zhì)鈣水平,膿毒癥中SERCA活性降低而導(dǎo)致胞質(zhì)鈣水平升高,進(jìn)而導(dǎo)致線粒體鈣超載[29-30]。有研究[31]表明,心肌細(xì)胞丙酮酸激酶M2直接與SERCA2a相互作用并調(diào)節(jié)其蛋白表達(dá)。丙酮酸激酶M2缺乏導(dǎo)致SERCA2a下調(diào)后鈣失衡、心肌細(xì)胞凋亡和心肌收縮障礙。通過(guò)限制鈣超載可減輕膿毒癥中心臟結(jié)構(gòu)改變和功能障礙[32]。

1.3.4 線粒體動(dòng)力學(xué)機(jī)制

線粒體動(dòng)力學(xué)是指線粒體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,包括線粒體形態(tài)、線粒體在細(xì)胞內(nèi)的分布以及它們沿著細(xì)胞骨架的運(yùn)動(dòng)。線粒體不斷分裂和融合,形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的線粒體網(wǎng)絡(luò),適應(yīng)代謝變化,保持細(xì)胞完整性,防止自噬[33]。在細(xì)胞中,線粒體分裂和融合之間存在高度調(diào)節(jié)的平衡,從而維持正常的線粒體功能。線粒體分裂是由線粒體動(dòng)力相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)和線粒體分裂蛋白1調(diào)控[34]。在生理?xiàng)l件下,Drp1主要存在于細(xì)胞質(zhì)中,但在激活后,Drp1被招募到線粒體表面寡聚化與相應(yīng)受體結(jié)合,誘導(dǎo)線粒體分裂。盡管生理水平的分裂對(duì)于線粒體質(zhì)量控制是必要的,但過(guò)度分裂會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激增加。抑制Drp1和線粒體分裂蛋白1的相互作用可減少病理性線粒體分裂,促進(jìn)ATP生成,并預(yù)防心肌功能障礙,提高膿毒癥小鼠的存活率[35]。Drp1介導(dǎo)的線粒體分裂可促進(jìn)SCM的發(fā)生發(fā)展[36],同時(shí),抑制Drp1活性可改善線粒體功能,從而減輕心肌抑制和心肌細(xì)胞死亡[37-38]。

線粒體融合由線粒體融合蛋白1/2和視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1介導(dǎo)。目前尚無(wú)線粒體融合相關(guān)蛋白參與SCM發(fā)病機(jī)制的研究。

1.4 鐵死亡

鐵死亡是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種特殊細(xì)胞死亡形式,涉及正常生理及多種病理過(guò)程。形態(tài)學(xué)方面,鐵死亡表現(xiàn)為線粒體體積減小、內(nèi)外膜密度增加和線粒體嵴減少或消失,但細(xì)胞膜保持完整,細(xì)胞核大小正常,染色質(zhì)無(wú)濃度變化;生物化學(xué)方面,細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(glutathione,GSH)耗竭,谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)活性降低,脂質(zhì)過(guò)氧化物不能被GPX4催化的還原反應(yīng)代謝,Fe2+通過(guò)芬頓反應(yīng)氧化脂質(zhì),產(chǎn)生大量ROS,促進(jìn)鐵死亡。胱氨酸/谷氨酸反轉(zhuǎn)運(yùn)體是一種氨基酸反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,是由兩個(gè)亞基SLC7A11和SLC3A2組成的異源二聚體,參與GSH的合成[39]。

目前研究[40]表明,LPS增加了細(xì)胞核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4 ,NCOA4)的表達(dá),NCOA4可直接與鐵蛋白相互作用,并以噬鐵蛋白依賴(lài)的方式降解鐵蛋白,從而釋放出大量的游離鐵,進(jìn)而導(dǎo)致mtROS的產(chǎn)生和鐵死亡。抑制鐵死亡可減輕線粒體損傷,提高膿毒癥小鼠的心臟功能和存活率。膿毒癥中GSH活性、GPX4活性以及SLC7A11蛋白表達(dá)水平顯著降低,導(dǎo)致鐵死亡誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化。而硫氫化鈉可通過(guò)提高GSH水平減輕心肌氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化來(lái)保護(hù)膿毒性心肌損傷[41]。白藜蘆醇通過(guò)上調(diào)Sirt1/Nrf2途徑減少SCM鐵死亡來(lái)改善心肌功能障礙[42]。LPS增加了p53和鐵蛋白的表達(dá),但降低了GPX4和SLC7A11的水平。跨膜蛋白43與之作用相反,并且通過(guò)抑制鐵死亡來(lái)防止SCM[43]。鐵死亡抑制劑1是鐵死亡的特異性抑制劑,通過(guò)抑制TLR4/NF-κB信號(hào)通路改善心肌功能障礙[44]。環(huán)維黃楊星D(cyclovirobuxine D,CVB-D)可通過(guò)抑制氧化應(yīng)激、鐵過(guò)載、脂質(zhì)過(guò)氧化和Ca2+內(nèi)流來(lái)減少膿毒癥誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞鐵死亡。在機(jī)制上,CVB-D通過(guò)IL-6/STAT3/鐵調(diào)素軸促進(jìn)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)鐵釋放來(lái)抑制鐵死亡。此外,CVB-D被證明通過(guò)激活心肌細(xì)胞中的Nrf2/SLC7A11/GPX4軸來(lái)抑制鐵死亡[45]。

1.5 細(xì)胞焦亡

在細(xì)胞和分子水平上,細(xì)胞焦亡是SCM的重要病理生理學(xué)機(jī)制。細(xì)胞焦亡的經(jīng)典形式是由炎癥小體激活的胱天蛋白酶(caspase)家族和Gasdermin蛋白家族Gasdermin D蛋白介導(dǎo)。NLRP3是啟動(dòng)免疫反應(yīng)和炎癥小體形成的重要介質(zhì),促進(jìn)促炎細(xì)胞因子(如caspase-1、IL-1β以及IL-18)的成熟和分泌,并引發(fā)焦亡。在膿毒癥中,焦亡可導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂,釋放多種炎癥因子。研究發(fā)現(xiàn),TLR4激活STING-IRF3途徑,通過(guò)敲低STING有效抑制LPS誘導(dǎo)后心肌中NLRP3的表達(dá),而與心肌細(xì)胞焦亡相關(guān)的caspase-1、IL-1β和IL-18等炎癥因子的蛋白水平也降低。然而,LPS誘導(dǎo)的ROS釋放促進(jìn)NLRP3向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移,并導(dǎo)致硫氧還蛋白互作蛋白與炎癥小體結(jié)合,啟動(dòng)焦亡途徑,導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡。總體而言,細(xì)胞焦亡參與SCM的發(fā)生發(fā)展,通過(guò)靶向焦亡機(jī)制或上游靶向因子調(diào)節(jié)劑以直接或間接的方法抑制細(xì)胞焦亡會(huì)對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用[25,46-47]。

2 總結(jié)

目前SCM的發(fā)病機(jī)制暫不明確,但可見(jiàn)SCM是由多方面因素導(dǎo)致的疾病,微生物毒素通過(guò)多種途徑誘導(dǎo)心肌損傷,線粒體功能障礙在SCM的發(fā)生發(fā)展中起重要作用,通過(guò)氧化應(yīng)激、Ca2+失衡等方面加重心肌細(xì)胞損傷。除此之外,鐵死亡作為近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞死亡形式受到廣泛關(guān)注,其中的機(jī)制尚需更多的深入研究闡述。這些機(jī)制的闡明有助于發(fā)現(xiàn)SCM新的干預(yù)靶點(diǎn),改善膿毒癥患者的預(yù)后。