脓毒症心肌损伤发病机制的研究进展

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脓毒症心肌损伤发病机制的研究进展

作者：耿丽娟李素玮张永利万献尧

文章来源：中华内科杂志,,54(01)

脓毒症是由感染引起的全身炎症反应综合征，发病率和病死率极高，随病情进展可导致感染性休克和多器官功能障碍综合征(MODS)，而心肌损伤则是脓毒症重要并发症[1]。脓毒症早期即存在心肌损伤，包括心肌收缩和舒张功能障碍、射血分数降低[2]及心肌细胞超微结构的改变[3]。其发病机制复杂多样，涉及循环心肌抑制因素(如细菌毒素、细胞因子及补体系统等)、心肌自身因素(如线粒体损伤、氧化应激、细胞凋亡、一氧化氮产生及钙稳态失衡)及自主神经失调等方面。现就脓毒症心肌损伤的细胞/分子机制的相关研究综述如下。

一、循环心肌抑制因素脓毒症动物模型研究显示，血清中存在许多可引起心肌抑制的物质，包括细菌毒素、细胞因子、Toll样受体(TLR)、补体系统、巨噬细胞移动抑制因子(MIF)等，它们相互作用、共同参与脓毒症心肌损伤的发病过程。

1细菌毒素尤其是革兰阴性(G-)菌胞壁脂多糖入血后刺激单核-巨噬细胞、中性粒细胞、淋巴细胞等多种免疫细胞，激活机体免疫应答，释放多种心肌抑制因子如TNF、IL-1、IL-6、一氧化氮(NO)、活性氧自由基(ROS)等一系列炎性因子。这些炎性因子可直接或间接造成心肌损伤，引起心肌细胞凋亡、心肌舒缩功能抑制。但目前尚无研究证实使用抗脂多糖抗体可使G-菌所致脓毒症患者受益[4]，提示脂多糖仅是参与心肌损伤的因素之一。

2细胞因子脓毒症时机体可产生大量细胞因子，其中TNFα和IL-1β是早期炎症反应的主要介质，可通过不同方式导致心肌损伤。研究发现，脓毒症诱导TNFα和IL-1β水平增高与心肌收缩功能障碍、钙稳态失衡有关。这是因为TNFα和IL-1β等炎性因子可引起心肌细胞收缩期肌浆网Ca2＋浓度降低，L型钙通道Ca2＋峰值降低，导致心肌收缩功能障碍。IL-1β和TNFα可协同诱导一氧化氮合酶(NOS)及其代谢产物的生成引起心肌抑制[5]。

IL-6也是重要的细胞因子，参与急性期脓毒症心肌的损伤。Pathan等[6]发现，脑膜炎球菌性脓毒症患者血中单核细胞IL-6表达增加与心功能改变程度相一致。最近国外报道，免疫负调节在维持免疫稳态中扮演关键角色(如抗炎因子IL-10等)，其作用随着脓毒症严重程度的增加而增强。此外，大量的负性免疫调节分子如热休克蛋白、锌指蛋白A20及清道夫受体也参与其中[7]。

3TLR是炎症信号转导的门户蛋白，在免疫应答及免疫调节中起重要作用，心脏中至少有两种受体参与TLR信号转导。脂多糖的刺激使TLR4将信号导入胞内，激活NF-κB移位至细胞核，启动促炎因子的高表达，释放TNFα和IL-1β等炎性因子，削弱心脏收缩功能[8]。TLR2信号在脓毒症心肌损伤中扮演重要角色，Zou等[9]在盲肠结扎穿孔术脓毒症小鼠模型中发现，TLR2表达缺失的小鼠心肌和血清中促炎因子表达显著降低，心脏炎症反应减轻，生存率较高。

Andrade等[10]在B型链球菌脓毒症小鼠模型的研究中也得到同样证实，且发现TLR2信号还可触发抗炎因子(如IL-10)产生，通过下调中性粒细胞上趋化因子受体2(CXCR2)的表达，阻止中性粒细胞迁移至感染组织，继而影响病原菌有效清除。上述研究结果表明，TLR在脓毒症心肌损伤中起着不可忽视的作用。因此，从理论上讲针对TLR信号途径的靶向治疗对严重脓毒症和脓毒症心肌损伤是有益的，但目前的临床研究结果令人沮丧[11,12]。

4补体系统是机体重要的防御体系之一，同时也是参与炎症反应的一种介质。在脓症过程中补体不适当激活或过度激活后，产生过多的补体激活物，引发免疫病理反应，造成心肌损伤，其中以过敏毒素C5a活性最强。Atefi等[13]在盲肠结扎穿孔术脓毒症模型中发现，C5a与C5aR结合可上调心肌表面TNFα、IL-6等受体表达，介导炎症反应；还观察到心肌细胞表面C5aR表达增加，则心肌功能下降[13,14]，而使用C5抑制剂[14]可阻止C5aR产生，减轻心脏炎症反应，改善心功能。

由此推断，C5a和C5aR相互作用与脓毒症心肌损伤有关。另外，C5a还可增强中性粒细胞的趋化性、颗粒酶释放、ROS的产生及心肌抑制因子合成，诱发炎症扩大以至失控，造成心肌损伤[7]。也有报道认为，补体因子B[15]在严重脓毒症心肌损伤中起重要作用。正常情况下，补体因子B由巨噬细胞、心肌细胞激活TLR信号合成和释放。在脓毒症早期，心脏中依赖补体C3片段的补体因子B水平增高，可诱导细胞因子生成增多、氧自由基增加，加重局部/全身性感染，导致心肌细胞损伤。

5MIF是一种多效性促炎因子，近年来被认为是感染性休克心肌抑制因子之一。Chagnon等[16]的研究发现，应用抗MIF抗体或MIF抑制剂可使脂多糖引起的低左心室射血分数及低左室舒张末期容积增加，从而逆转脂多糖诱导的心功能障碍。MIF抑制剂可通过下调脂多糖诱导IL-1β和IL-6mRNA表达，减少细胞因子如IL-1β和IL-6的产生。MIF抑制剂还可增加心脏中Bcl-2/Bax凋亡与抗凋亡基因表达蛋白，抑制脓毒症时线粒体损伤细胞色素C的释放，减少细胞凋亡蛋白酶的产生，抑制下游心肌细胞的凋亡。

正常巨噬细胞表面的TLR4表达受MIF调控，在肺炎克雷伯杆菌脓毒症模型中发现，MIF缺失的巨噬细胞TLR4表达下调，NF-κB和TNF产生减少，进而极大削弱该类细胞对G-菌的杀伤作用，降低宿主抗感染能力，增加其病死率[17]。提示，MIF可作为晚期炎性细胞因子参与脓毒症小鼠的发病过程，但具体发病机制有待进一步研究。

二、线粒体损伤、氧化应激、细胞凋亡目前，在脓毒症研究中心肌线粒体损伤、细胞凋亡是脓毒症心肌损伤最重要的进展之一。

1线粒体损伤线粒体是心肌能量代谢的主要场所，其内膜的完整性是合成ATP的关键所在。脓毒症时，心肌线粒体呼吸功能紊乱，呼吸链中一个或多个膜蛋白复合体活性降低，使氧化磷酸化受损，ATP合成减少，诱发心功能障碍。心肌能量代谢障碍使得细胞色素氧化酶无力将氧原子还原为H2O，产生ROS。过多ROS不仅可以直接攻击线粒体，破坏膜的完整性，还通过钙超载使线粒体发生不可逆性损害，最终引起心肌收缩力下降，心脏功能失调[18,19]。

另外，细胞色素C的变化可直接影响线粒体氧化磷酸化过程，同时可将促凋亡因子释放到胞质中，参与心肌细胞凋亡[18,20]。研究还发现，线粒体通透转换孔(mPTPs)开放可促进线粒体自噬。心肌细胞自噬常作为再生存机制之一，但过量或持续自噬则破坏细胞基本结构，导致细胞死亡和心肌功能受损[18]。尽管如此，mPTPs的开放和自噬在人类脓毒症中还未得到证实。

Piquereau等[21]的研究发现，早期脓毒症线粒体功能障碍可通过启动受损细胞器某些基因(如PARK2、BNIP3L和BNIP3)编码的蛋白参与线粒体自噬机制，选择性清除细胞器，促进受损线粒体和心肌功能一定程度的恢复；还发现PARK2在依赖线粒体自噬的蛋白缺失后，也可通过其他途径参与线粒体的修复。曾有一些报道认为，线粒体功能障碍可能反映了心肌冬眠状态[22]，认为心肌冬眠与心肌收缩性降低、心肌细胞葡萄糖摄取增加、葡萄糖转运水平增高及糖原增多有关。推测心肌冬眠、心肌凋亡可能是疾病的两种不同状态，了解其发病机制，可进行极早的临床干预。

2氧化应激损伤生理条件下，细胞内存在抗氧化系统，与活性氧等氧化系统趋于动态平衡，但在炎症反应、缺血性损伤等的刺激下，ROS过度生成，超过抗氧化能力，增加心肌氧化应激，对线粒体功能和能量的产生造成不可逆的氧化损伤，表现为心肌细胞线粒体内蛋白质、细胞膜、DNA功能及结构发生改变，最终导致心肌细胞凋亡。此外，线粒体中ROS可调节细胞信号转导通路，可通过降解IκBα激活NF-κB从胞质转至胞核中，进而调控炎性介质(如TNFα、Caspase-3)的表达，降低心肌收缩功能[3,23]。

研究证实，应用抗氧化剂可抑制NF-κB途径，下调炎性因子表达，改善心肌功能[24]。还发现，应用钙蛋白酶抑制剂[25]作用于IκBα/NF-κB途径，使IκBα蛋白降解受抑，NF-κB不被激活，达到上述效果。提示，ROS在脓毒症心肌损伤中扮演重要角色，细胞信号转导途径可作为治疗靶点，但具体作用机制及其他信号通路的关系仍需进一步研究证实。

3细胞凋亡细胞凋亡是极其复杂的过程，而线粒体膜通透性转换则是细胞凋亡的临界点。当发生脓毒症时可启动天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase)-8、-9介导的线粒体凋亡途径，使mPTPs广泛而持久开放，导致线粒体肿胀、外膜破裂，其内膜内容物细胞色素C、凋亡因子等移至胞质中，诱导心肌细胞凋亡[18,19,20]。也有报道，丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶/糖原合成酶激酶3β(Akt/GSK3β)途径参与细胞凋亡调控[26]。

其机制源于脓毒症小鼠心肌细胞出现Akt/GSK3β高表达，使细胞内Ca2＋释放入胞质减少，影响心肌收缩功能，还可使ROS生成增多，激活JNK(c-Jun氨基末端激酶)、p38等细胞外通路，引起凋亡因子BAX/Bcl-2比值增高，caspase-3释放增多，诱导凋亡瀑布。提示Akt/GSK3β、JNK、p38可能作为细胞凋亡的上游级联，或通过旁路调控心肌细胞产生凋亡。

三、NONO参与脓毒症心肌损伤的整个病生理过程，其机制极其复杂。NOS是生成NO的关键酶，有神经元型、诱导型、内皮型三种同工酶。严重脓毒症时，诱导型NOS表达增加使NO产生增多，干扰心肌细胞钙离子代谢，使肌浆网钙离子超载及肌丝对钙离子敏感性增加，进而影响心肌收缩功能[27,28]。Araújo等[29]提出相反观点，认为盲肠结扎穿孔术脓毒症小鼠模型中NO产生增多可能与内皮型NOS上调有关，并非诱导型NOS。此外，NO代谢产物活性氮和ROS直接对心肌细胞产生毒性作用。体外研究发现，给予NOS抑制剂和鸟苷酸环化酶抑制剂(如N-甲基-L精氨酸和亚甲蓝)可改善心肌功能[30]。

四、心肌细胞钙稳态失衡心肌兴奋-收缩耦联的关键在于胞质内钙离子浓度的变化，脓毒症可影响心肌L型钙通道，使调控心肌Ca2＋释放通道ryanodine受体(RYR)减少，释放入胞质的Ca2＋浓度降低，影响肌钙蛋白C与Ca2＋结合，无法启动心肌收缩功能；心肌舒张期肌浆网膜上的钙-ATP酶数量减少及活性降低，不能将Ca2＋回收至肌浆网，使胞质Ca2＋过高，导致心肌舒张功能受限[31]。

此外，胞质内过高的Ca2＋还可激活钙依赖性酶类，引起心肌细胞膜通透性增大，DNA裂解，最终导致心肌功能障碍。脓毒症时钙离子敏感性降低，基质金属蛋白酶被激活，进而影响心肌的收缩。肌浆网膜上的钙-ATP酶及其调节蛋白受肌浆网受磷蛋白的精密调控，脓毒症后期心功能障碍时心肌受磷蛋白磷酸化水平缺失，使得钙-ATP酶活性降低，舒张功能下降[5]。上述提及的脂多糖、细胞因子、NO等均可通过不同途径干扰心肌细胞钙离子的代谢，进而影响心肌细胞的功能。

五、肾素-血管紧张素系统(RAS)的改变近年来RAS在脓毒症心肌损伤中也备受







































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