阿霉素的心肌毒性机制研究进展

郭依然（综述），张永健，苏素文（审校）

（河北医科大学基础医学院药理学教研室，河北省新药药理毒理重点实验室，教育部神经血管生物重点实验室，河北 石家庄050017）

阿霉素亦称多柔比星，是从一种真菌菌株中提取的有抗肿瘤作用的蒽环类抗生素，属周期非特异性抗肿瘤药物，能有效抑制DNA和RNA的合成，对各生长周期的肿瘤细胞均有杀灭作用。阿霉素和道诺霉素（又名柔红霉素）结构类似，后者最初发现于20世纪50年代，并在20世纪60年代成功治愈了急性白血病和淋巴瘤，但在1967年发现其可引发致命的心脏毒性。阿霉素是在道诺霉素结构基础上经改造而得，其作用机制和道诺霉素相似，特点是抗肿瘤作用更强且抗瘤谱广，因此广泛用于各种恶性肿瘤的治疗，但阿霉素仍存在剂量依赖性的心脏毒性，因而限制了其临床用量的增加。如何在不影响其抗肿瘤作用的前提下，抑制或减弱其心脏毒性成为研究者努力的方向。目前对阿霉素的心脏毒性机制了解尚不太清楚，除了经典的学说如自由基、钙超载及线粒体损伤等外，细胞自噬在阿霉素致心脏毒性中的作用越来越引起人们的关注。现就阿霉素心脏毒性表现、毒性发生机制和治疗措施方面的进展综述如下。

1 心脏毒性的临床表现

阿霉素的心脏毒性在临床随用药方式和用药量的不同可表现为急性毒性和慢性毒性。阿霉素的急性心脏毒性主要表现为用药初期各种各样的心律失常，多在静脉输注过程中或给药数小时后发生。在心电图上多表现为QRS低电压、Q-T间期延长、ST段改变等一过性心律失常［1-3］。这些心电图的改变为非特异性，停药后多能自行缓解。但有极少数患者可因急性左心衰竭和心律不齐而猝死，这可能是阿霉素延长动作电位时程［4］和增大L型钙电流［5］的结果。长期用药则会导致慢性心脏毒性，主要表现为充血性心力衰竭，其中QRS波低电压可作为阿霉素慢性心脏毒性的先兆表现［1-3］。多年的追踪观察发现，用阿霉素化疗过的儿童癌症患者，治疗后的1～15年中有57%的患者出现左心室功能异常［6］，说明阿霉素的慢性心脏毒性为渐进性、不可逆的慢性心肌病变。单次或多次给予阿霉素可使动物出现慢性心肌毒性，并进一步发展成为心力衰竭。阿霉素引起人的心电图改变可受年龄、身体素质及对药物敏感性的影响，主要表现为P-P间期缩短、S-T段压低、T波平坦或倒置及QRS波群的波幅降低等现象［7］。

2 毒性发生机制

关于阿霉素引起心脏毒性的机制目前尚不完全清楚，普遍认为是多因素共同作用的结果，如活性氧的生成、钙超载、线粒体损伤、凋亡和自噬等。这些因素之间相互联系、互为因果，形成恶性网络，共同促进心脏毒性的发展。其中自噬所致的功能失调在阿霉素所致的心肌毒性损伤中所起的作用越来越引起人们的重视［8］。

2.1 阿霉素可造成心肌组织的氧化应激损伤 氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子如活性自由基产生过多、氧化系统和抗氧化系统失衡、大量活性自由基不断聚积，从而导致细胞核DNA、蛋白及脂质的损害反应，并引发各种疾病［9］。活性氧是体内一类来源于氧的自由基和非自由基分子，包括超氧阴离子、过氧化氢和羟基自由基等。阿霉素醌基在还原型辅酶Ⅱ依赖性还原酶、细胞色素P450等一系列酶的作用下产生的超氧阴离子经歧化酶歧化生成氧和过氧化氢，而过氧化氢被认为是介导心肌毒性的主要介质［10］。此外，再次生成的醌基可经酶的作用进入下一个阿霉素衍生的醌-半醌氧化还原循环中，不断产生活性氧，进一步与脂肪、蛋白质和核酸相互作用，导致脂肪过氧化、含硫氢的肽类消耗和DNA损伤，引起组织损伤。在阿霉素所致的慢性心力衰竭模型中［11］，大鼠心肌丙二醛的含量逐渐增多，超氧化物歧化酶活性逐渐下降，提示其氧化应激的作用加强。相关性分析表明，心功能下降与氧化应激关系密切，随着氧化应激的加重，心功能受损也越严重，最终导致心力衰竭的发生。阿霉素在超氧化物和核拼接变体还原型辅酶Ⅱ氧化酶的作用下产生的自由基可致细胞质内核糖体蛋白113a（Rp113a）小分子 RNA（snoRNA）的快速堆积，其中主要表现为box C／D snoRNA的积累。box C／D snoRNA可导致细胞RNA的结构改变，使细胞的氧化应激反应增强，细胞膜结构改变，诱发细胞的死亡［12］。由于细胞质内核糖体蛋白113a小分子RNA可参与核糖体核糖核酸（rRNA）的合成和修饰，故其快速积累也可致核损伤。

ROCK是小GTP酶Rho A下游肌动蛋白细胞骨架的中央调控器，ROCK包括2个亚型，分别为ROCK1和ROCK2，虽然这2个亚型的编码基因不同，但是却有着65%的氨基酸序列相同，使这2个亚型高度同源。ROCK1在阿霉素所致的细胞损伤中起到了抗氧化作用。对小鼠胚胎成纤维细胞的研究表明，阿霉素能使该细胞的应力纤维分解，从而导致细胞黏附受损和细胞凋亡，ROCK1在此过程中扮演重要的角色。缺乏ROCK1的（但不缺ROCK2）小鼠胚胎成纤维细胞不仅表现出比抗氧化剂更大的保护作用，而且大大增加抗氧化剂对抗阿霉素引起的细胞毒性（包括凋亡和细胞分离）的保护作用。阿霉素主要通过ROS非依赖性和ROCK1依赖性通路诱导肌动蛋白细胞骨架改变、细胞凋亡蛋白酶的激活，最终导致细胞坏死。敲除ROCK1通过抑制还原型辅酶Ⅱ氧化酶的激活降低阿霉素导致的氧化应激产物的生成。虽然抗氧化治疗或降低ROCK1的表达对阿霉素引起的心肌细胞毒性都有明显的保护作用，但在小鼠胚胎成纤维细胞中，敲除ROCK1所显示的抗细胞凋亡效果比抗氧化剂要强［13］。因此，ROCK在氧化应激反应中的作用有待进一步探讨。

对阿霉素致心肌细胞ROS增加致心肌损害的分子机制研究发现，过多的ROS可激活细胞外调节蛋白激酶1／2（extracellular regulated protein kinases 1／2，ERK1／2）［14］。细胞外调节蛋白激酶1／2是 Ras通路中重要的信号分子，其激活需要Ras、Raf和PKC等蛋白的参与。细胞外调节蛋白激酶1／2通过磷酸化反应可调节Jun、EIk2l、c2Myc和Max等转录因子的活性，促进某些基因的转录与表达，引起细胞的增殖与分化，在心肌细胞上表现为肥厚增生。

2.2 阿霉素可造成心肌细胞的钙超载 钙离子是心肌兴奋-收缩偶联的重要因子，同时也是细胞内最普遍而重要的信号转导分子。目前认为，细胞内钙离子浓度的升高来自细胞内贮库钙离子释放和细胞外钙离子内流两大方面。而钙超载是细胞内钙浓度异常性升高、钙分布紊乱的现象。研究发现，阿霉素致心肌损伤的发生和其致胞浆钙超载有关，后者可明显影响心肌细胞的收缩及舒张功能［15］。阿霉素中毒早期细胞内钙离子升高主要和肌浆网的钙释放增加有关，也与其可抑制肌浆网对钙离子的摄取［16］和经钠钙交换体促进外钙内流［4］有关。晚期可能与其非特异性损伤心肌细胞膜，钙离子经非特异性通道内流引起的钙超载有关［15］。此外，高浓度阿霉素所致的负性肌力作用，还和其使钙传导蛋白的钙敏感性降低有关。

2.3 阿霉素致心肌细胞凋亡 细胞凋亡又称程序性细胞死亡或细胞自杀，是受基因调控、细胞主动参与的生理性死亡过程。心肌线粒体Bcl-2家族高表达可抑制细胞凋亡，而Bas可激活胱天蛋白酶3引起细胞凋亡［17］。多 聚 ADP核糖合成 酶 （Poly［ADP-ribose］polymerase 2，PARP）是 DNA 修复酶，能对DNA进行修补，是细胞凋亡核心成员胱天蛋白酶的切割底物。因此，它在DNA损伤修复与细胞凋亡中发挥着重要作用［18］。阿霉素所致的心肌损伤中，Bas、裂解型的PARP和胱天蛋白酶3的表达均增加，而Bcl-2的表达降低，提示阿霉素的心脏毒性作用与细胞凋亡密切关系［15，18］。近年来对小分子核糖核酸（miRNA）的研究发现，miRNA是一类具有调控功能的非编码RNA，在心血管疾病和恶性肿瘤中发挥强有力的监管作用，在阿霉素诱导的各种心脏毒性模型中均有小分子核糖核酸的改变，主要表现为miR-30家族的下调［19］。GATA-6是心脏的一个高表达转录因子，GATA-6可下调miR-30的表达，参与阿霉素所致的细胞凋亡。

2.4 阿霉素致心肌细胞线粒体损伤 线粒体在心肌细胞的能量代谢中起重要作用，是调节细胞内钙离子浓度的主要细胞器之一。阿霉素在机体内可代谢成半醌自由基，后者可直接损伤心肌细胞线粒体，造成心脏毒性。心肌线粒体损伤是阿霉素心脏毒性发生的早期重要标志，且阿霉素可以使心肌细胞线粒体膜通透性升高，释放细胞色素C和胱天蛋白酶3，导致细胞凋亡［20］。阿霉素造成心脏功能下降的原因主要是心肌细胞线粒体超微结构的改变，使心肌细胞产生功能障碍。阿霉素不仅可使心肌细胞线粒体出现少量空泡，使其肿胀、畸形，还可使线粒体膜电位显著下降，抑制线粒体细胞色素C氧化酶活性，DNA断裂程度显著增加［21］。

2.5 阿霉素对心肌细胞自噬作用的影响 自噬指细胞将受损的蛋白质以及损伤的细胞器运输到溶酶体进行降解的过程，其特征是胞质中出现自噬体，是细胞在应激情况下维持内环境相对稳定和细胞存活的重要机制。近年来的研究发现，自噬介导心血管疾病、生长发育及肿瘤的发生发展。生理条件下，自噬可清除受损或多余的蛋白质和细胞器，是保持细胞功能最优化和维持细胞内环境稳定的一种自我保护措施。在病理条件下也可诱导细胞死亡。因此，自噬对细胞的作用具有两面性，其在心肌细胞生理和病理生理反应中的作用日益受到重视。一些研究报道，阿霉素可以直接或间接的调节自噬的必要基因（如Atg12、Atg5、Beclin1和Bcl-2）表达，进而抑制 GATA4和 （或）S6K1的 表 达 而 诱 导 自 噬［19，22］。关于阿霉素在心肌毒性的发生发展过程中自噬的作用，目前的报道很不一致［22］。一些研究发现阿霉素在大鼠模型中可增强自噬，而一些研究则认为在小鼠模型中可降低自噬。因此，阿霉素诱导的自噬应答反应可能具有种属差异性和剂量依赖性。同时，这些研究也提示，调节阿霉素诱导的自噬反应具有心脏保护作用。但目前这方面的研究尚较少。此外，阿霉素可抑制心肌细胞的蛋白降解而导致多泛素化蛋白和自噬小体的积累，因此阿霉素毒性刺激的应答首先激活细胞自噬，随后细胞在高剂量和长期阿霉素的作用下发生凋亡和坏死。

Sirtuin是生物体中一类依赖于NAD＋酶的组蛋白去乙酰化酶。沉默信息调节因子2相关酶1（silentulator informationreg-1，SIRT1）是近年来研究最多的Sirtuin蛋白，也是药物设计的热门靶标。SIRT1在心脏中高表达，并通过对组蛋白和非组蛋白的去乙酰化调节多种转录因子如P53、PARP、PGC-1的活性而调节细胞凋亡、炎症和应激反应等多种生理功能，对阿霉素诱导的心肌细胞损伤有明显的保护作用［23］，有可能成为治疗阿霉素心肌病的一个新靶标。

3 药物治疗

由于阿霉素的心脏毒性作用严重限制了其在临床上的应用，因此，如何联合用药以保证其抗肿瘤作用又能避免其心脏的不良反应成为近年来的研究热点。右丙亚胺是乙二胺四乙酸的衍生物，属于螯合剂类心脏保护剂，其心脏保护机制主要是该药可以迅速、完全的结合高价铁离子、亚铁离子，减少心肌铁自由基的形成，抑制应激反应，从而发挥心肌保护作用。研究发现，右丙亚胺对急性白血病儿童应用蒽环类药物制剂所致的心脏毒性的发生有一定的防护作用，并且对已经形成的损害有一定的修复作用［24］。此外，一些中药如绿茶提取物［25］、藏红花的提取物［26］等对阿霉素所致的心肌损伤亦有明显的对抗作用。草药配方B307［27］可以通过抑制氧化应激，对阿霉素所致的心肌损伤提供保护作用。黄酮类化合物能通过降低阿霉素醇的生成，从而降低阿霉素所致的心肌毒性［28］。白藜芦醇作为一种多酚类化合物，是心脑血管疾病的预防剂，实验证明白藜芦醇能恢复阿霉素引起的心肌细胞自噬的调节异常，同时其可增强血红素加氧酶的表达，对阿霉素诱导的心肌细胞凋亡有明显的对抗作用［29］。

随着基因工程技术的发展，表皮生长因子受体家族中的ErbB2受体酪氨酸激酶在心脏疾病发生发展中的作用逐渐引起人们的重视。实验证据表明，ErbB2可能在防御癌症上有抗氧化的调节作用。心肌细胞用抗ErbB2抗体处理可通过ROS和线粒体依赖机制促进细胞死亡，而采用ErbB2siRNA基因干扰技术均发现其对于阿霉素引起的细胞死亡和氧化应激有明显的保护作用［30］。人类诱导多能干细胞和移植的骨髓间充质干细胞可通过减少ROS和心肌细胞凋亡，对抗阿霉素所致的新生大鼠心肌细胞损伤［31］，但目前尚无相关的临床研究。由于ROS可诱导脂质过氧化，导致细胞内毒性醛类代谢物如乙醛、丙二醛和4-羟基壬烯酸的生成增加，这些醛类可以和细胞内的生物大分子如蛋白结合形成醛-蛋白加合物，导致修饰蛋白的正常生物功能丧失和细胞损伤。而醛脱氢酶则可使有毒的醛类脱氢增强其水溶性，使其毒性减弱或消失。因此，激活醛脱氢酶2的活性有望减轻阿霉素所致的氧化应激损伤。Alda-1作为乙醛脱氢酶的激活剂，有望成为治疗阿霉素毒性的一种新型治疗制剂［32］。

综上所述，阿霉素可通过氧化应激、钙超载、心肌细胞凋亡、线粒体损伤以及细胞自噬等多种机制导致心肌毒性，并引发心功能障碍。而阿霉素在代谢过程中所产生的多种自由基致细胞内钙超载，进而引发线粒体损伤和细胞凋亡可能是其主要机制，并且该机制已被大家所熟知。随着近年来对细胞自噬的认识，其在阿霉素致心肌损伤中的作用也越来越引起人们的关注。但是，阿霉素引起的钙超载和其对细胞自噬影响的确切分子机制尚不太清楚。因此，弄清阿霉素心肌细胞毒性的主要机制，可为寻找并开发心肌保护药物提供思路，并能更好地指导临床用药。

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