钙平衡失调在脓毒症心肌损伤中的作用

朱颖　严静

[关键词] 脓毒症；钙平衡；L型钙通道；心肌损伤

中图分类号：R5422 文献标识码：A 文章编号：1009_816X（2014）02_0149_03

doi：103969/jissn1009_816x20140224

脓毒症（sepsis）是感染引起的全身炎症反应综合症。多器官功能衰竭是脓毒症最常见也是最严重的并发症，并发多器官功能衰竭的患者死亡率高达20%～60%；在脓毒症患者中有近60%在进入ICU后表现出左心室收缩或舒张功能异常，尤其是严重脓毒症和脓毒症休克患者。而合并心功能不全的患者，其死亡率可由20%增高到70%～90%[1]。脓毒症成为ICU患者最常见的死因。脓毒症心肌损伤主要包括心肌功能障碍和结构损伤，是由多种因素共同作用的结果。近十年的研究主要集中在细菌内毒素、细胞因子、炎症介质、NO、ROS等[2]。目前，越来越多的证据表明，脓毒症中心肌细胞钙平衡的失调是心肌舒缩功能障碍的直接影响因素[2，3]。心肌细胞内钙平衡的调节主要依赖于细胞膜L型钙通道、肌浆网钙通道及钙泵的结构和功能稳定。应用Ionoptix细胞动缘探测系统、共聚焦显微镜及Ca2+荧光探针示踪技术，可以更清楚的在细胞水平测量多种循环炎症因子及多条信号通路对心肌细胞内游离Ca2+浓度和心肌细胞收缩变化幅度的影响，以反映心肌细胞收缩和舒张功能的变化。

1 Ca2+在心肌细胞舒缩中的作用

在心肌细胞中，离子钙是诱发心肌动作电位，引起心肌细胞收缩的关键因素，该过程被称为兴奋-收缩耦联（ECC）。在ECC过程中，心肌细胞的兴奋引起胞膜上的电压依赖L_型钙通道开放，钙离子内流，通过以钙释钙的方式引起心肌细胞内肌浆网膜上的钙离子释放通道（RyRs）开放，导致胞浆内钙离子瞬时性升高，此过程即为钙瞬变。此后钙离子通过与肌钙蛋白结合引起心肌细胞收缩。其中引起心肌动作电位的钙离子约10%来源于细胞外，90%来源于肌浆网腔。

在心肌细胞舒张时，一方面肌浆网上Ca2+_ATP酶（SERCA）将细胞内的游离钙转移到肌浆网中储存，另一方面在心肌细胞膜上Na+/K+_ATP酶的作用下，Na+被泵出细胞外，随后又通过Na+_Ca2+交换的方式将细胞内的钙转移到细胞外[4]。在这两种方式的作用下，心肌细胞内钙离子的浓度降低，并与肌钙蛋白解离，心肌细胞舒张。此外，部分钙离子可以先与细胞内钙调蛋白（CM）结合，并且在钙调蛋白激酶（CMK）的作用下，重新被肌浆网所摄取[3]。

2 脓毒症中钙离子失衡的表现

21 钙通道失衡：内毒素和细胞因子可以通过抑制L型钙通道内钙离子的内流影响心肌细胞收缩。在离体细胞实验中，运用钙离子荧光探针，可以观察到肿瘤坏死因子_α（TNF_α）刺激下的心肌细胞收缩期肌浆网钙离子浓度降低14%，L型钙通道钙离子峰值降低11%，心肌细胞收缩功能障碍[5]。这是因为TNF_α、白介素_1β（IL_1β）等炎症因子可引起肌浆网钙离子的渗漏，导致钙瞬变减弱[6]。

肌浆网受体在对钙离子的调控上具有非常重要的作用。在脓毒症中，可以观察到肌浆网上RyRs密度的减少从而减弱了以钙释钙的作用。盲肠结扎造模大鼠在术后2～10h血流动力学上表现为高动力期，16h后则进入低动力期。Cohen等发现，在脓毒症24h后心肌细胞RyRs的密度减少，同时乳头肌的收缩功能减弱；在脓毒症4h时，则未发现上述改变[7]。

22 钙敏感性降低：钙敏感性降低也是心功能障碍的重要影响因素。心肌肌丝对钙离子的敏感性降低将导致心肌收缩的初长度增加、心室的密度增加，因而影响了心肌细胞Frank_starling作用的发挥；钙离子敏感性的降低可能是由于炎症因子，如IL_1β下调蛋白激酶C（PKC）及Rho激酶的表达所致[8]。在临床上，心肌肌丝对钙离子的敏感性降低则直接可以表现为脓毒症患者心肌收缩功能降低，且对强心药物及血管活性药物的反应性也降低。

23 肌浆网Ca2+_ATP酶活性降低：SERCA2在调控钙离子的释放和储存中起主要作用。受磷蛋白（PBL）为肌浆网内膜上一种蛋白，是SERCA2的内源性抑制剂，在其磷酸化时可以减弱对SERCA2的抑制，增加SERCA2对钙离子的敏感性，同时不影响钙离子的最大摄取速率，该机制被认为是心肌细胞收缩和舒张最重要的动态调节方式之一[9]。脓毒症发生时，低灌注的情况下，细胞缺血缺氧，一方面直接影响了ATP的产生，SERCA2活性降低，同时伴有PBL磷酸化的减少，最终导致肌浆网摄取游离钙的功能受损。另一方面，细胞内酸性代谢产物堆积，Na+_H+交换增加，随之引起Na+_Ca2+交换增加。两者共同作用，造成细胞内钙超载[3]。

24 钙超载：钙超载在脓毒症心肌细胞代谢紊乱中起着非常重要的作用。当钙超载发生时，大量钙离子涌入细胞并主要聚集在线粒体内，造成线粒体呼吸功能障碍，氧自由基产生增加，线粒体及心肌细胞的脂质过氧化损伤。同时激活钙蛋白酶、钙依赖性磷脂酶、钙依赖性核苷酸内切酶等多种消化酶，导致心肌细胞凋亡[10]。

3 脓毒症常用治疗药物对钙平衡的影响

31 强心治疗药物：严重脓毒症患者常伴有双心室收缩功能受损，强心药物在严重脓毒症患者中的使用率约为15%[11]。临床上在选择正性肌力强心药物来改善脓毒症患者心功能时，在考虑药物的强心效果的同时，也应注意药物对心肌细胞内钙平衡的影响。目前临床上应用的传统强心药物，如洋地黄类药物、磷酸二酯酶抑制剂、多巴酚丁胺等，不管开始是通过什么途径，其最终共同通路都会增加心肌细胞内钙浓度，因此这些药物在使用一定时间后，都会进一步加重脓毒症心肌细胞内的钙超载。

32 血管活性药物：儿茶酚胺类药物可以通过激活β受体使心肌细胞收缩增强。其作用机制为β1受体激活后引起蛋白激酶A（PKA）磷酸化，继而L型钙通道开放增加，钙离子内流增强[12]。但脓毒症中长时间使用儿茶酚胺类药物可能会造成心肌细胞内钙超载，从而引起心肌细胞凋亡。近来有观点提出了儿茶酚胺类药物毒性及肾上腺高应力对脓毒症心肌损伤的影响，主要表现为脓毒症性心肌病及心肌抑顿[13]。实验证明β1肾上腺素受体途径既可以通过cAMP/PKA途径增加心肌细胞的收缩力，也能通过Ca2+/CMK途径引起心肌细胞凋亡[12]。另一方面，研究发现β2受体可以通过IP3_PKB途径抑制心肌细胞凋亡信号[14]，β2受体信号在钙离子依赖性细胞坏死中亦能起到保护作用，但其保护作用的机制似乎与抑制钙离子内流无关[15]。endprint

33 β受体阻滞剂：虽然β受体阻滞剂具有负性肌力的作用，但由于β受体激动剂会引起钙超载导致心肌细胞损伤，理论上β受体阻滞剂应同时具有抑制钙超载、保护心肌的作用。实验表明，选择性的β1受体阻滞剂可以通过阻断β1受体减少钙离子的内流，从而起到抑制钙离子依赖性凋亡信号通路的作用；脓毒症大鼠给予β受体阻滞剂后，心肌的氧供得到改善，同时TNF_α的释放减少[16]。在临床实验中，对于血流动力学稳定的脓毒症患者，持续给予艾司洛尔后，患者心率减缓20%的同时器官的氧供和血供无明显减少[17]。因此，β受体阻滞剂在治疗脓毒症心肌损伤方面有着广阔的应用前景。然而，由于其同时具有负性肌力作用，在治疗的适应证及时机、剂量的把握等方面仍有待多动物及临床实验提供客观依据。

4 调节钙离子相关药物在脓毒症中的应用前景

41 钙通道阻断剂：Dantrolene是一种能够解除心肌兴奋-收缩耦联的药物，它主要通过抑制肌浆网RyRs，减少钙离子的释放。脓毒症大鼠在予Dantrolene后，心肌细胞中钙离子的浓度下降，钙蛋白酶的表达减少，同时心肌细胞的蛋白水解作用被抑制[18]。Hassoun等实验证明，用LPS处理的大鼠心肌细胞后，Dantrolene组心肌细胞内钙浓度显著降低，说明了Dantrolene在抑制肌浆网中钙离子渗漏方面的作用[19]。维拉帕米能够选择性抑制血管平滑肌细胞上的钙通道及心肌细胞的慢钙通道。在CLP大鼠中，予Dantrolene或维拉帕米处理组的生存率为50%，对照组（生理盐水组）的大鼠生存率仅为10%[20]。由此说明了钙通道阻滞剂维拉帕米同样能够通过调节钙离子的平衡影响脓毒症大鼠的心功能。

42 钙离子增敏剂：左西孟坦是目前已用于临床的钙离子增敏剂，它通过与心肌肌钙蛋白C结合，增加心脏肌钙蛋白C对钙离子的敏感性，以增加心肌的收缩力，同时不增加心肌细胞内钙离子的浓度。Damien Barraud等研究比较了左西孟坦、多巴酚丁胺和米力农对LPS造模家兔心脏收缩和舒张功能的影响。发现三者均能提高LPS造模家兔心肌的收缩功能，但只有左西孟坦能同时改善心肌的舒张功能[21]。但在Chew等在实验中，左西孟旦与去甲肾上腺素连用治疗感染性休克动物时，并未达到想象中的效果，不但心功能与对照组相比无明显改善，反而发现实验组高乳酸、代谢性酸中毒的情况更严重[22]。虽然左西孟坦具有改善心肌收缩和舒张功能的作用，但在应用时仍需权衡其对电解质及内环境的影响。

钙离子在心肌细胞收缩和舒张中起着重要作用。在脓毒症中钙离子变化的诱因、钙通道上、下游信号途径、Ca2+_ATP酶的抑制因素等有待进一步研究。钙通道阻滞剂和钙离子增敏剂在脓毒症心肌抑制和心肌损伤的治疗中有很大的应用潜力。但是在脓毒症休克治疗中尚需权衡这两种药物对血压、心率及细胞内环境的影响。此外目前的研究仍集中在细胞及动物水平，随着研究的深入，期待有更多临床研究证明其在脓毒症心肌损伤中的治疗作用。

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