心力衰竭生物标志物的最新研究进展

贾雪，王相阳，马晓慧，阿基业

(1.中国药科大学，江苏 南京 210009；2.天士力医药集团股份有限公司创新中药关键技术国家重点实验室，天津 300410)

心力衰竭(heart failure，HF)是冠心病、心肌梗死等心脏疾病的终末端，是一种复杂的临床综合征，表现为心脏供血或泵血功能的损害[1]。据估计，世界上约有3 800万名HF患者，而我国的HF患者数量就有400万，其致病率高达0.9%，并且随着老龄化的发展该疾病的患者数量还在快速增加，且其五年生存率仅为34%[2]，成为仅次于肿瘤的高致死性疾病，该疾病不仅加重了医院的住院负担更加重了家庭的经济负担[3-4]。有效的生物标志物可以帮助临床诊断和风险分层，使患者在有效的诊断信息中早治疗，降低因诊断而耽误的时间成本。本文将对与HF相关的生物标志物的国内外研究文献进行总结分析。

1 生物标志物的特征

在PubMed上搜索生物标志物一词发现，自2005年开始研究者们对生物标志物的兴趣急剧增加。近年来生物标志物逐渐用于肾损伤、心血管疾病、肺癌等疾病的临床诊断[5-8]。其在临床上的应用具有以下优点：生物标志物的测定样本主要是人体的血液，尿液，粪便，唾液等生物样本，检测样本易得并且对患者无创伤或者创伤较小；样品检测时间短，费用低，且其测定的结果具有较高的准确度和精密度；并且对于疾病的状态改变生物标志物可以做出稳定而可靠的改变；可以诊断疾病，监测疾病的进展状态，监测治疗的依从性以及可以作为药物治疗的预后指标等[9]。

根据2016年欧洲心脏病学会(ESC)、2017年美国心脏学会(ACC)以及2018年中国心力衰竭诊断和治疗指南，已经明确将B型利钠肽和N末端B型利钠肽原用作HF生物标志物，也指出反应心肌纤维化、炎症等的生物标志物如可溶性生长刺激表达基因2蛋白、半乳糖凝集素3等也有助于心衰患者的危险分层和预后评估，但是对其临床应用并未详细指出[10-12]。生物标志物在辅助HF疾病诊断方面具有独特的优势，本文将对HF相关生物标志物进行总结分析。

2 心力衰竭生物标志物研究总结

HF相关的生物标志物近年来研究较为广泛的有利钠肽、C反应蛋白、可溶性生长刺激表达基因2蛋白(sST2)、半乳糖凝集素3(Gal-3)、心肌肌钙蛋白(cTn)以及micro-RNA和能量代谢相关的生物标志物等。本文将对这些生物标志物进行总结分析。

2.1 利钠肽 利钠肽是一种因受左心室充盈压升高致心肌壁应力增大刺激而释放的一种内源性激素，对血流动力学以及体内神经激素有一定的影响效应，在过去的十年中利钠肽特别是B型利钠肽(BNP)和N末端B型利钠肽原(pro-BNP)已经成为HF患者诊断预后的有力生物标志物[13]。值得关注的是只有这两种生物标志物被录入ESC用于临床心力衰竭诊断[10]。

以往的研究已经证实了BNP和pro-BNP在急性心力衰竭患者评估中的作用[14]，以及BNP和pro-BNP作为HF疾病危险分层指标的作用[15]。最近的一项研究发现[16]BNP可以成为失代偿性心力衰竭患者诊断的一个重要补充。BNP水平对失代偿性心力衰竭具有较高的诊断价值(ROC=0.94，P<0.001)，最佳BNP鉴别阈值为307 pg·mL-1，灵敏度为100%，特异性为85%，阳性预测准确度为69%，阴性预测准确度为100%。该研究同时也证实BNP含量与左心室收缩功能呈显著的负相关，并且BNP含量与纽约心脏协会心力衰竭分类即心力衰竭的严重程度成正相关。Pro-BNP的诊断人群范围也在不断地探索研究中，最近的一项报告评估了pro-BNP在儿科人群心力衰竭中的效用，由于儿科人群和成年人在生理病理上的重大差异，临床数据无法共用。利用pro-BNP对114名心衰患者(0～24岁)进行诊断评估研究发现，其诊断心力衰竭的AUC面积是0.82(95%CI=0.75～0.88)，该研究证实了pro-BNP能够准确检测儿童和青少年心衰[17]。

2.2 C反应蛋白(C-reactive protein，CRP) C反应蛋白 (CRP) 刺激单核细胞产生炎症因子，被认为是炎症的典型标志物，在心血管疾病中炎症物质研究也最为广泛。CRP的连续测定可以作为心血管危险分层的有用工具。CRP本身可以通过多种促动脉粥样硬化，促炎症等增加心血管疾病的负担。高敏感C反应蛋白(Hs-CRP)在心力衰竭中起着重要作用，无论是在正常人群中还是在冠心病的高危人群中，Hs-CRP浓度都是心力衰竭的不良结果的有力预测因子[18-19]。

Patrícia等[20]对收治的439名急性心力衰竭患者的Hs-CRP浓度进行连续测定并监测患者情况，发现急性心力衰竭患者发作期的Hs-CRP 浓度的动态变化与射血分数保留型心力衰竭(HFpEF)患者的长期死亡率有关。Hs-CRP的浓度下降40%，HFpEF患者的死亡风险降低44%。研究也表明，CRP浓度与稳定型心绞痛患者患心力衰竭的风险相关。一项对稳定型心绞痛患者的调研中发现，心肌梗死患者接受治疗后，进行为期4.8年的随访，发现Hs-CRP是预测心力衰竭患病率的独立因子[21]。

但是CRP的浓度也会受到心力衰竭以外其他伴随炎症发生疾病的影响，CRP在很大程度上是作为心力衰竭患者临床治疗指导的辅助参数，而不是作为疾病诊断基础的预先参数。

2.3 可溶性生长刺激表达基因2蛋白(sST2) ST2是IL-1基因家族的一员，具有膜结合型(ST2L)和可溶性型(sST2)两种形式，IL-33是ST2L和sST2的功能配体，ST2L与该配体结合可产生抗心肌肥厚，抗纤维化和抗凋亡作用，而sST2与该配体结合可以阻断这种作用[22]。有研究报道随着sST2含量的增加，心衰严重程度可能会成比例增加，但是这种增加并非普遍存在的，因此sST2不太适合作为心力衰竭诊断的指标[23]，但是在急性和慢性心力衰竭中sST2的不良事件预测作用已经被证明。Huang等[24]对2014年至2015年期间入院的164名HF患者进行评估发现，sST2以及pro-BNP都可以作为HF一年不良事件评估的标志物(OR=4.384，95%CI=1.661～11.570 vs OR=3.451，95%CI =1.254～9.497)，并且pro-BNP以及sST2的含量超过1054.50 pg·mL-1和117.80 pg·mL-1一年不良事件发生的频率也会增高。Gaggin等[25]在151名心衰患者进行连续10个月的随访研究中对sST2、pro-BNP以及GDF15进行测定，发现只有sST2浓度具有较大的变化，相比其他生物标记物sST2对于预测HF的不良事件具有更高的灵敏度。

2.4 半乳糖凝集素3(Gal-3) Gal-3是一种29～35 kDa长度的半乳糖凝集素，它的N末端结构域由串联重复的短氨基酸片段组成，并且与单一的C末端结构域相连接。Gal-3是半乳糖凝集素家族中唯一具有此结构的成员。C末端结构域是凝集素活性所必需的，而N末端结构域是Gal-3(半乳糖凝集素)完全生物活性所必需的[26]。研究表明Gal-3在炎症、组织修复以及纤维化以及心室重构中扮演着重要角色[27-28]，在早期的一项研究中发现将Gal-3注入大鼠的心包膜中，会引起心肌细胞的纤维化，并导致心功能不全[29]。一项近期的研究在心衰大鼠中将Gal-3与巨噬细胞共定位，发现Gal-3上调与巨噬细胞活化相关，而巨噬细胞浸入、活化又与炎症相关[27]。

Gal-3在心脏组织中有少量表达，然而在心肌损伤的情况下，Gal-3的浓度迅速增加导致心肌纤维化，可以为HF患者提供短期或者长期独立预后信息[30]。Mir等[31]根据115名急性心力衰竭患者探索Gal-3、pro-BNP以及肌钙蛋白Ⅰ在30 d全因死亡率以及1年死亡率中的价值，研究发现Gal-3有助于预测急性心力衰竭患者入院后的30 d全因死亡率，Gal-3对短期死亡率的预测具有重要作用。另一项研究证实了Gal-3对长期死亡率的作用，该研究对入院的251例呼吸困难为主要症状的急诊患者进行心衰诊断，筛选出137例急性心衰患者。并对患者的Gal-3含量进行测定，研究发现其预测心衰患者的一年全因死亡率的AUC为0.70(95%Cl=0.67～0.82)[32]。

2.5 Micro-RNA Micro-RNAs (miRNAs)是一组小的非编码RNA，用来调节转录和转录后阶段基因的表达[33]。由于这些小分子参与了很多重要的生理病理过程中，研究者们对miRNAs越来越感兴趣。这些miRNAs参与了人类的造血干细胞分化、神经形成、胚胎分化、血管再生、单核细胞的形成以及免疫细胞的形成和分化等[34-35]。此外，它们在免疫、炎症以及心血管系统的重要性已经被证实[36-39]。miRNAs能够作为心血管疾病的生物标志物是因为它们参与了与心血管疾病相关的生理病理过程并且它们在血液和尿液中具有稳定性[40]。

研究报道miR-24在急性心肌梗死期的减少与心肌纤维化的增强有关，这种现象主要发生在心肌梗死区和心肌细胞坏死区。并且在心肌梗死小鼠心脏的不同区域miR-24与Ⅰ型胶原、纤维蛋白原以及TGF-β的含量呈负相关[41]。在对HF进行炎症研究时，研究者对miR-146a和miR-486特别感兴趣，它们被认为是炎症网络的一个组成部分。在该网络中NF-κB发挥关键作用，NF-κB增加促炎因子IL-1、IL-6、TNF-α和TNF-γ的浓度，这些细胞因子又会反过来增加NF-κB的浓度而形成一个正反馈调节。NF-κB也能增加miR-146a和miR-486的浓度，这些miRNAs又能抑制IL-1、TNF-α这些促炎因子的受体，而发挥抗炎作用。一项临床检验发现心力衰竭患者与对照组相比miR-146a和miR-486血浆浓度有升高的趋势，这也说明在心力衰竭阶段机体自身也具有抗炎调节作用[42]。

曾晓聪等[43]对心力衰竭患者治疗前后的射血分数值，6 min步行距离，pro-BNP含量以及miR-182的含量进行测定发现心衰组的射血分数值和6 min步行距离显著低于正常组，而pro-BNP和miR-182的含量显著高于对照组，治疗4个月后心衰组的射血分数值和6 min步行距离显著升高，pro-BNP和miR-182的含量显著降低。并且血浆miR-182含量与射血分数值以及6 min步行距离值呈负相关(P<0.05)，此项研究证实miR-182的含量可以用来反应疾病的严重情况。

2.6 心肌肌钙蛋白(cTn) 心肌肌钙蛋白(cTn)在心肌损伤后含量急剧上升，心力衰竭患者心肌细胞损伤和cTn升高的生理病理基础尚不完全清楚，可能与心内膜缺血，神经激素激活，炎症细胞因子释放、氧化应激等相关，这些机制的最终结果导致心肌细胞坏死，凋亡，以及肌钙蛋白降解并从活细胞释放[44]。《2018版中国心力衰竭指南诊断和治疗指南》明确指出推荐心衰患者入院时进行检测cTn含量，用于心力衰竭患者的病因诊断和预后评估[12]。

研究证明伴随cTn含量升高的急性心力衰竭患者具有较高的死亡率，cTn用于急性心力衰竭患者预后评估具有重要价值[45]。一项对4 705名急性心力衰竭患者的回顾性分析研究中发现这批患者中48.4% 的患者cTn水平升高，这些患者的一年死亡率也较高(HR=1.61，95%Cl=0.87～1.19)[46]。

Thawabi等[47]对入院的363名射血分数保留型失代偿心力衰竭患者进行同步cTn 含量测定，并将cTn水平升高的患者与cTn水平正常的患者进行比较发现cTn水平升高与30 d、1年、2年死亡率相关。在射血分数保留型失代偿心力衰竭患者临床治疗期间，cTn是一个独立的死亡率预测因子。

2.7 基质金属蛋白酶(MMPs) 在心肌梗死发展为心力衰竭时，心脏结构的重塑是导致疾病恶化的一个重要原因，而细胞外基质(ECM)的稳态失调是心脏结构重塑的标志[48]。基质金属蛋白酶(MMPs)通过逆向调节细胞外基质的失衡来调节心肌结构的重塑，MMPs是心脏重塑的关键调节因子，是心力衰竭患者死亡率和不良预后的独立预测因子[49]。

Buralli等[50]对134名收缩功能障碍的心力衰竭患者进行超声心动(射血分数为28%±9%)和多普勒检查，同时进行MMP-3以及MMP-9血浆含量的测定，并将全因死亡率作为实验的终点。在进行(24±14)个月的随访期间，有32名患者死亡，将多普勒结果，超声心动结果以及MMP-3、MMP-9测定结果与该实验的结果进行单因素Cox回归分析，发现二尖瓣左室舒张早期血流速度(E)/ 舒张期二尖瓣环的运动(e) 即E/e(P=0.017)，MMP3、MMP-9(hr=1.01，P=0.027)都是收缩功能障碍心力衰竭患者全因死亡率的单变量预测因子。在MMP-2对心力衰竭患者进行预后评估价值的研究中，172名入选患者，67%是HF患者(其中64%为射血分数保留型心力衰竭，36%为射血分数降低型心力衰竭)，对患者进行超声心动检查以及MMP-2含量的测定，并进行(中位数为34.5月)随访，死亡率为9.9%，发现心力衰竭患者不良心血管事件的概率高于非心衰患者组，并且MMP-2含量与心肌舒张功能障碍相关。研究结果表明超声心动结果与血浆BNP、TnI、MMP-2的联合运用对患者评估的预后效果与住院诊断中统计的预后结果相一致[51]。

2.8 能量代谢相关生物标志物 关于HF能量代谢的失调已有广泛报导[52-54]，并且该生物标志物检测方法的灵敏性，处理样品的通用性以及完备的结果分析数据库这些都使得该生物标志物在疾病诊断和预后信息提供方面具有独特的优势[55-56]。

研究表明健康心脏在静息状态下脂肪酸为主要的燃料底物，脂肪酸β氧化产生的ATP占ATP总量的60%～90%，由糖酵解途径产生的丙酮酸是第二主要燃料底物，其产生的ATP量占总量的10%～40%，氨基酸和酮氧化也可产生部分ATP用于心肌能量消耗。HF发生时，心脏代谢发生紊乱，心脏的底物利用发生改变[57]。在对HF的临床样本研究中发现长链脂肪酸转运至线粒体进行β氧化的载体肉碱棕榈酰胺转移酶Ⅰ、Ⅱ在体内堆积，脂肪酸进行β氧化受阻。能量底物的利用由脂肪酸转化为葡萄糖，氧化方式由β氧化转换为糖酵解[58]。 另一项研究中，对183名HF患者和51名正常患者的血浆进行代谢差异物分析发现，在HF患者组中支链氨基酸以及C3、C5肉碱水平较高，研究用另一组HF患者218名，健康志愿者63名对该结果做了验证[59]。

通过对HF患者紊乱的代谢物的分析，有助于帮助临床对HF的诊断分层以及预后评估。Wang等[60]对1 288名受试者进行血浆代谢组学研究其中包括129名正常对照者、1 159名HF患者，研究发现组氨酸(histidine)、鸟氨酸(ornithine)、苯丙氨酸(phenylalanine)的含量异常变化显著区别与正常对照组，并且利用logistic回归模型将三者组成HOP氨基酸版块可以成功区分HF患者等级。Du等[61]通过分析血浆β-羟丁酸、丙酮和琥珀酸与心肌能量消耗之间的关系，提供预测HF患者的死亡率的信息。

不同的生物标志物具有其独特的作用优势，下表将对上述的HF生物标志物进行临床应用总结，见表1。

表1 心力衰竭生物标志物的临床应用总结

3 结语

HF的生理病理机制是复杂的，可由多种生物因素驱动该疾病的发展，包括纤维化、炎症、氧化应激、心肌细胞损伤等。尽管心衰指南只将BNP和pro-BNP列入疾病诊断的生物标志物行列，但是C反应蛋白、sST2、Gal-3、cTn等生物标志物的运用可以为心力衰竭病因的诊断提供更丰富的信息，使医生对患者的诊治更加准确高效。

多种生物标志物的联合使用将是未来的发展趋势。一方面尽管有时多个生物标志物的作用相同，但是联合使用增加疾病诊断的准确性和价值。另一方面多个生物标志物的联合使用也可以提供互补的预后信息，有助于改善患者的危险分层情况。