试用材料学理论解心肌复原和心肌缓解关联之惑

李海嵘，陈关良，方小丽，蔡兴赳，许荣丽，林慕如

(海南省人民医院心血管内科，海南省临床医学研究院心血管病研究所，海南 海口 570311)

21世纪以来，心力衰竭治疗领域取得了显著的进步，但至今心力衰竭患者预后相较于肿瘤并未取得大幅度的改善[1-2]。心脏逆重构的发现给传统以纠正神经—体液异常激活为主的心力衰竭治疗策略提供了全新的思路，有望改善目前心力衰竭治疗现状[3-4]。已经有许多关于逆向重构的各种可能病理生理机制研究，基本认同逆重构现象根据预后可分为心肌复原和心肌缓解[5-6]，但仍不清楚各部分病理生理机制在整体上是如何相互协调以推动心脏结构和功能恢复，尤其是心肌复原和心肌缓解之间的关联给研究者带来巨大的困惑：两个概念均描述心力衰竭在治疗后，心脏结构和功能恢复正常或趋近于正常，二者的区别在于预后是否有心力衰竭事件复发，这二者是同一种生物学过程的不同阶段，还是两种截然不同的生物学现象，仍不得而知。且目前通过患者预后结局来回顾性判断心肌复原和心肌缓解的办法严重滞后于临床治疗，不利于在疾病早期开展前瞻性研究。为此，笔者尝试从一个新的角度出发，借鉴材料学相关理论，提出假说论述二者关联，希望能够开拓思路，解决目前临床遇到的困惑。

1 材料学之弹性变形和心肌复原

在材料学理论中，材料在一定程度的外力作用下产生变形，当外力去除后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形的重要特征是其可逆性，即受力作用后产生变形，卸除载荷后，变形消失，为非永久性变形[7]。心肌复原描述的是治疗后与心脏重构相关的分子、细胞、心肌和心室几何变化的正常化，预后不发生心力衰竭事件。表现形式是心脏结构由原来心脏“变形”扩大，功能减退，在移除血液动力学过载后心脏大小、功能恢复正常，等同正常心脏。据此可以看出，弹性变形和心肌复原存在共通之处：去除“应力”时，“材料”恢复到其原始状态。本质上是在一定范围内去除“应力”，一个是构成材料的原子恢复正常状态，另一个是逆重构相关的分子、细胞、心肌恢复正常状态。材料弹性变形的“承受外力极限”是可通过数学模型推导的，而心肌复原的代偿范围是未知的，既然二者有平行的共通之处，在临床上就存在以材料学弹性变形数学模型推导解释心肌复原的代偿范围的可能性。

2 材料学之塑性变形和心肌缓解

如果在施加应力期间材料的机械性质不可逆地改变，使得当去除应力时，物体将仅返回其原始状态的一部分，这被称为塑性变形。心肌缓解描述的是治疗后与心脏重构相关的分子、细胞、心肌和心室几何变化的趋近正常化，在正常或异常血流动力学情况下可再次发生心力衰竭事件。表现形式是心脏结构由原来心脏“变形”扩大，功能减退，移除血液动力学过载后心脏大小、功能恢复仅是趋近正常，但只是外在形式视同正常，内在已经发生不可逆性改变。塑性变形和心肌缓解也存在共通之处：去除“应力”时“材料”仅能恢复到其原始状态的一部分。本质上是在超出一定范围内去除“应力”，一个是构成材料的原子间位错通过滑移、攀移或孪生的方式发生的永久性变形，另一个是心脏重构相关的部分分子、细胞、心肌发生了不可逆的损伤。由此可见，弹性变形和心肌复原以及塑性变形和心肌缓解之间均存在平行关系。

弹性变形和塑性变形是同一材料在不同应力下的应变关系，而当应力达到某一值，材料将不会自行恢复原状，此一应力值，称为弹性限度，用kg/cm2[帕]表示。若材料所承受的应力小于弹性限度，则可以自行恢复原状。因此，笔者认为，心肌复原和心肌缓解属于同一种生物学过程的不同阶段，二者之间也存在“弹性限度”，姑且称之为“重构限度”，心肌受到的损伤小于重构限度则发生心肌复原，超过这一限度发生心肌缓解。那心肌复原和心肌缓解之间的“重构限度”是什么?又该如何表述呢?

3 材料学之弹性限度和“重构限度”

弹性限度反映了弹性变形过渡到塑性变形取决于原子间结合力这一本质现象。原子处于平衡位置时，其原子间距为r，势能U处于最低位置，相互作用力为0，这是最稳定的状态。当原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去除后，原子都会回到其原来的位置，所产生的变形便会消失，材料形态恢复原始状态，超出原子受力范围，就不能回复原来位置，材料形态发生不可逆变化，发生的永久性变形。弹性限度本质是力学现象。但人体内逆重构的变化就更为复杂了，目前研究显示与逆重构相关的变化有：心肌细胞外在形态改变和内在生物学变化(包括胚胎基因表达改变、β1-肾上腺素能受体下调、兴奋-收缩藕联机制改变、细胞骨架蛋白的改变等)[8-9]，心肌细胞外成分也发生了许多重要的变化，包括细胞外基质的体积和组成的变化，以及微血管密度的变化(微血管生成增加)等[10]。如果能够明确其中具体哪一个机制是影响心肌复原和心肌缓解的始动因素，那么这一机制的外在表现形式就是最合理的“重构限度”，并据此可以得出“重构限度”具体数值，超出“重构限度”的人群发生心肌缓解，反之发生心肌复原。但恰恰是 “始动因素”认识的缺失才造成了目前心力衰竭逆重构研究和临床的困惑。对此，基于客观事物的可分性和统一性的一对哲学范畴：部分只是整体的一个环节，离开整体的要素只是特定的他物而不称其为部分，没有整体就无所谓部分。所以笔者建议跳出思维桎梏，不再一味纠缠于探寻具体逆重构“始动因素”病理生理机制这一部分环节，而从寻找一个外在整体形式观察指标描述“重构限度”。

逆重构通常表述为心肌内心肌细胞成分和非细胞成分发生有益的变化，代表了心肌细胞和非细胞成分各部分组成之间一系列综合生物学变化的总和，外在的整体表现形式是解剖学上表现为左室容积和质量趋近于正常，同时左室舒张末容积和压力缩小，以及左心室结构和组织的改变，伴随着左室舒张末期压力—容积关系向正常的转变[3]。逆重构这一特点符合客观事物部分和整体的关系。同时，弹性变形和心肌复原以及塑性变形和心肌缓解之间均存在平行关系，并且心肌本质上可以视作多糖、蛋白质、类脂等构成的高聚物材料，其力学性质理论上应符合材料学理论，故笔者建议借鉴材料学理论中弹性限度表述“kg/cm2”(即单位面积内受力大小)，用“左室舒张末期压力/左室舒张末期容积(mmHg/mL)”，即单位容积内压力大小，表述“重构限度”。心力衰竭患者心肌重构在“重构限度”内，经治疗后发生心肌复原，超出“重构限度”，则发生心肌恢复。这并非主观臆想，相关研究已经证实左室舒张末期压力、左室舒张末期容积均与心力衰竭逆重构相关[4，11]。值得注意的是，这一描述可能仅适用于非缺血性心力衰竭逆重构，因为缺血性心力衰竭往往伴随心肌细胞成分和非细胞成分由于损伤而断裂，往往不能发生心肌复原(这一点恰恰对应的是材料学上的脆性变形概念，属永久性变形)。这也和目前研究观察相符，文献中大多数心肌复原的临床实例发生在短暂损伤(如病毒感染、炎症，毒性损伤[12])，而不是更长时间的持续和/或永久性损伤(如心肌梗死、遗传异常)[13]。

4 结语

综上所述，逆重构是目前心力衰竭治疗领域新的热点，作为一个新的研究方向，存在许多需要研究探索的地方，其中心肌复原和心肌缓解之间的关联给研究者带来巨大的困惑。为此，笔者尝试从一个新的角度出发，提出“重构限度”假说论述二者关联，假说提出符合经典“三段论”演绎推理：①大前提。心肌本质上可以视作多糖、蛋白质、类脂等构成的高聚物材料；②小前提。弹性变形和心肌复原以及塑性变形和心肌缓解之间均存在平行关系；③结论。心肌力学性质描述应符合材料学理论。这一假说具有可验证性：选择部分非缺血性心力衰竭患者，观察一定时间内“重构限度”指标与病程中发生心力衰竭心肌复原和心肌缓解的相关性，验证二者相关性后，根据ROC曲线分析“重构限度”预测心肌复原和心肌缓解的效力，如有统计学意义，随后尚需进一步行前瞻性研究“重构限度”判断更大人群的心肌复原和心肌缓解的准确性以证明该假说。

这一假说提出，有助于研究者对心肌复原和心肌缓解起点至终点期间的病理生理机制开展研究，对比二者的异同从而找出病理生理机制上的“始动因素”，预测心力衰竭患者预后，研发药物作用新靶点。最后，作为医务工作者，对于材料学理论理解存在一定局限性，假说存在不成熟之处，例如是否通过高聚物材料学理论阐述更为合理，等等。有待进一步同材料学和数学领域专家深入探讨，甚至是作为一门专门的交叉学科深入研究后才能得出。