脓毒症心肌病的研究进展

陈发超，徐银川

(浙江大学医学院附属第二医院心血管内科，浙江 杭州)

0 引言

目前脓毒症3.0 标准定[1]脓毒症为针对感染的宿主反应失调引起的致命性器官功能障碍，其诊断标准为：感染 +序贯性器官功能衰竭评价(sequentialorganfailureassessment，SOFA)≥2 分。根据普查显示，全球每年约1900 万脓毒症患者，死亡率约32.6%。脓毒症的死亡率估计为10%，而脓毒症休克患者死亡率则高达40%以上，幸存者中约16%的患者会出现认知功能障碍。脓毒症休克成年患者中约25%-50%出现心肌损伤或心功能障碍，脓毒症心肌病被认为是脓毒症患者预后不良的重要标志之一，脓毒症心肌病的存在会减低器官的血液供应，加剧组织缺血缺氧，出现代谢功能障碍，引起其他器官的功能障碍或衰竭，是导致多器官功能障碍的重要因素之一，增加了脓毒症患者的治疗复杂性。因此，对脓毒症心肌病的早期识别及积极治疗是提高患者生存及预后的必要手段。

1 脓毒症心肌病的定义及临床特征

脓毒症心肌病在20 世纪80 年代被首先描述[2]，它被定义为脓毒症期间发生的伴有心室扩张的急性左室射血分数(leftventricu larejectionfraction，LVEF)。脓毒症期间患者心肌收缩力的下降和肺血管阻力的增加往往会引起右心室(rightventricular，RV)功能障碍，通常与左心室(leftventricular，LV)功能障碍同时发生，RV功能障碍的特征是RV 扩张或射血分数下降[3]。严重脓毒症休克患者会出现舒张功能障碍，影响心室舒张期的充盈。目前，尚未有脓毒症心肌病的明确定义，我们宽广地定义脓毒症心肌病为脓毒症患者发生的与心肌缺血无关的心功能障碍综合征[4]。它的特点可以总结为：(1)收缩功能障碍，包括心室收缩力的受损以及射血分数下降，尽管脓毒症休克患者会应用肾上腺素能药物(去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺)，仍然能观察到LVEF 的下降，这也往往提示着患者心肌功能障碍的严重性；(2)舒张功能障碍，包括心室扩大和心室舒张障碍；(3)心功能障碍是可逆的，患者的心功能往往能在7-14 天内得到恢复。

2 脓毒症心肌损伤的发病机制

2.1 病原相关分子模式和Toll 样受体

病原相关分子模式是指模式识别受体识别结合的配体受体，主要是指微生物、病原体的表面某些共有的高度保守的分子结构，如革兰阴性杆菌的脂多糖、革兰阳性杆菌的寡肽糖以及真菌的酵母多糖等。模式识别受体是一类主要表达于天然免疫细胞表面非克隆性分布、可识别一种或多种病原相关分子模式的识别分子，从而激活宿主天然免疫防御，抵抗微生物或病原体入侵[5]。Toll 样受体(Toll-like receptors，TLRs)是在免疫细胞和心肌细胞等细胞中表达的一种模式识别受体[6]，在先天免疫和获得性免疫中起着重要的作用。微生物和病原体进入宿主后，TLRs 通过识别脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)等病原相关分子模式而激活，引起转录因子核因子κB 的激活，导致多种炎症介质的释放，如细胞因子、抗菌肽、趋化因子等[7]。研究表明，健康志愿者注射内毒素会引起左室射血分数会的下降，左室舒张末容积的增加，这提示内毒素是脓毒症患者心功能障碍的关键因素，而内毒素的作用与先前描述的TLR4 激活相关[8]。在LPS 诱导的脓毒症小鼠模型中，干扰LPS 引导的TLR4 激活(删除TLR 信号通路中的关键接头分子髓样分化因子88)显著降低了全身炎症反应并减少心肌细胞释放的促炎因子(如TNF-α、白介素-6 等)，可以改善脓毒症小鼠的预后及心肌病[9]。同样地，通过盲肠结扎穿孔术的重症脓毒症小鼠模型中，TLR4 基因敲除的小鼠心功能以及预后生存情况都得到了改善[10]。但在一项3 期的临床试验中，重症脓毒症患者通过依立托仑(一种人工合成的强效LPS 特异性拮抗剂，可以拮抗LPS与细胞表面的髓化因子2-TLR4 受体结合)阻断TLR4 的激活并不能显著改善脓毒症患者预后情况[11]。病原体中的其他成分也会被模式识别受体识别，引起TLR4 的激活，而单一阻断LPS 与TLR4 受体结合的效果并不理想。同时，脓毒症引起的心功能障碍并不是由TLR4 单一介导的。在盲肠结扎穿孔的脓毒症小鼠模型研究中，TLR2、TLR3、TLR9 促进了心脏炎症的形成并导致心功能障碍[12-14]。

2.2 损伤相关分子模式(damage-associatedmolecularpatterns，DAMPs)

损伤相关分子模式(DAMPs)是指组织或细胞受到损伤、缺氧、应激等因素刺激后释放到细胞间隙或血液循环中的一类物质，可通过TLRs、RIG-1 样受体或NOD 样受体等模式识别受体调节自身免疫或免疫耐受。脓毒症导致的相关组织损伤及器官功能障碍(如脓毒症心肌病)常继发于宿主对感染的过度反应，尽管脂多糖是循环中心肌重要的抑制因子，但不是只有革兰阴性杆菌所致的脓毒症能引起患者心肌功能障碍[15]。在近几十年，内源性配体/介质(属于DAMPs)已被认为是引起组织和细胞损伤的致病因子，与病原相关分子模式相反，DAMPs 来源于宿主本身[16]。内皮糖被是覆盖在血管内皮的一层含有多种成分的糖蛋白及蛋白多糖，具有血管的选择性通透屏障、限制白细胞、红细胞、血小板与内皮细胞接触、参与力的传导以及血管保护的功能。在脓毒症发生发展过程中，内皮糖被是在炎症过程中首先受累的位置之一，脱落酶的分泌和激活会导致内皮糖被的降解，释放出降解产物，如硫酸乙酰肝素。肝素酶在炎症、创伤愈合、肿瘤转移和血管生成等多种病理过程中，通过降解内皮糖被中的硫酸乙酰肝素而改变内皮糖被的结构。当促炎细胞因子和活性氧将65-kDa 的肝素酶裂解为50-kDa 的活性形式后，肝素酶降解内皮糖被释放出硫酸乙酰肝素碎片，硫酸乙酰肝素就是一种高效的DAMPs[17]。目前已有研究表明脓毒症休克患者血清中硫酸乙酰肝素碎片可引起心肌细胞的炎症反应并导致心肌细胞线粒体功能障碍。而人工合成的抗菌肽19-2.5 可以阻断脓毒症休克患者血清中硫酸乙酰肝素作用来减轻心肌的炎症反应，线粒体功能也得到了恢复[18,19]。除了硫酸乙酰肝素碎片以外，细胞外的组蛋白也是DAMPs 中的一种，其通过结合TLR2 和TLR4 降低线粒体膜电位和细胞中的ATP 水平[20,21]。Alhamdi 等人发现脓毒症患者血清组蛋白水平升高并与心肌肌钙蛋白T 存在相关性，尤其是与左心室功能障碍和心律失常相关[22]。中性粒细胞通过补体C5a 的激活，中性粒细胞胞外可能缺陷而导致组蛋白释放到血清里。高迁移率族蛋白(highmobilitygroupprotein B1，HMGB1)也是心肌细胞在LPS 诱导下释放的一种DAMPs，HMGB1 与TLR4 的结合以及心肌细胞内的活性氧水平升高引起了心功能障碍。研究表明，HMGB1 通过TLR4和活性氧的作用引起钙离子从肌浆网内释放，导致肌浆网内钙离子减少从而引起肌肉收缩力下降[23]。

2.3 心肌抑制因子及细胞因子

在过去的几十年里，Parrillo 等人的研究24 将脓毒症休克患者的血清去培养大鼠的心肌细胞，结果显示大鼠心肌细胞缩短程度及频率均下降，这种可逆的心肌抑制可能是由循环中的心肌抑制因子引起。心肌抑制因子可能包括肿瘤坏死因子-α(tumornecrosisfactor-α，TNF-α)、白介素1(interleukin-1，IL-1)、IL-2、补体C5a 等，它们同时也是细胞因子。TNF-α 是可以阻断β 肾上腺素对心脏的正性肌力作用，达到抑制心肌的作用，TNF-α 同时也是炎症反应早期重要的促炎细胞因子，研究者认为肿瘤坏死因子TNF-α 导致了脓毒症休克相关的心功能障碍[25,26]。TNF-α 诱导了二级细胞因子的表达，如白介素-6(interleukin-6，IL-6)和IL-10 等，它们在脓毒症啮齿动物血浆中显著升高[27]。研究结果表明，当给予兔子TNF-α 刺激时会导致兔子的LV 功能下降，但这一结果与TNF-α 的使用剂量相关联[28]。Conrad 等人[29]研究证实进行TNF 抗体治疗可以改善脓毒症休克患者的左心室心功能，而丙泊酚通过抑制TNF-α 的产生从而减轻脓毒症小鼠的心肌抑制[30]。补体C5a 是具有潜在作用的心肌抑制因子，在一项脓毒症的大鼠模型中，通过单克隆抗体去阻断补体C5a 的作用，可以发现心肌抑制的发生率下降了[31]。白介素1(interleukin-1，IL-1)是由活化的巨噬细胞产生，IL-1 可以诱导一氧化氮合酶(nitricoxidesynthase，NOS)的生成而引起心肌收缩功能被抑制，而研究表明IL-1 受体拮抗剂能够改善脓毒症患者的心功能及预后[32]。由于白介素1 和TNF-α 半衰期短，只能引起脓毒症患者早期的心肌抑制，心肌抑制的持续归因于白介素1 和TNF-α 介导的心肌中过量一氧化氮(nitricoxide，NO)的合成。

2.4 一氧化氮(nitricoxide，NO)异常

目前已经从心肌细胞中鉴定出三种一氧化氮合酶的亚型，如神经元型NOS，诱导型NOS，内皮型NOS。在生理条件下神经元型NOS 和内皮型NOS 均能持续产生少量的NO，起到维持全身血管舒张和调节心脏前后负荷的作用。而诱导型NOS 需在细胞因子的介导下表达，但可产生大量的NO28，从而引起外周血管的过度扩张、心肌收缩力受损。内皮型NOS 在内皮细胞、心内膜细胞及心肌细胞中合成表达，Bougaki 等人[33]在脓毒症小鼠模型中发现内皮型NOS 基因敲除的脓毒症小鼠出现更严重全身炎症反应和心肌功能障碍，提示NOS 的激活减少了炎症因子的产生并能保护心肌功能。而诱导型NOS 表达的增多在脓毒症心功能异常中起着重要的作用，在脓毒症患者中诱导型NOS 激活导致NO 的合成增加，NO 与超氧自由基所形成的过氧亚硝基能抑制心肌功能、改变心脏前后负荷、β-肾上腺能受体的下调、抑制I 型钙离子通道功能，NO 还能减弱心肌细胞中线粒体电子传递链复合体的活性，导致线粒体功能障碍，进一步加重了心肌细胞的能量代谢异常[34]。

2.5 线粒体功能障碍

心脏是高度依赖丰富的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)来维持其收缩和舒张的器官之一，而线粒体功能障碍往往会引起严重的心肌损伤。ATP 主要存在线粒体中，主要被肌球蛋白的ATP 酶催化分级用来维持心肌的收缩功能，小部分可以用来维持细胞电解质的稳态。线粒体损伤会引起ATP 产生的减少，如果ATP 持续低水平，则细胞凋亡的通路会被激活[35]。虽然只有小部分心肌细胞发生凋亡，但凋亡通路的激活可能导致心肌功能障碍。然而，细胞的死亡并不是脓毒症所致心功能障碍主要原因。当ATP 的产出减少时，细胞可以通过糖酵解代偿增强ATP[36]，尽管这并不足以提供功能正常的线粒体所产生的ATP。在这种情况下，细胞会通过减少新陈代谢来适应，这可能是一种对防止细胞死亡的保护机制，类似于短暂缺血时心脏触发冬眠状态37。脓毒症心肌病相关的线粒体功能障碍包括以下几个方面：线粒体结构的改变(包括肿胀、内囊泡的形成、基质的丢失以及嵴的缺失或中断)[35]、线粒体DNA 的破坏[38]、线粒体通透性的增加、细胞色素C氧化酶活性被抑制[39]。线粒体的生物合成可以描述为线粒体的生长和分裂，已有研究表明线粒体的生物合成可以改善脓毒症的预后而抑制线粒体的生物合成会预后变差[40]。过氧化物酶增殖活化受体γ(peroxisomeproliferator-activatedreceptorγ，PPARγ)辅助活化因子(coactivator，PGC)-1α 是线粒体生物合成的调控因子，LPS 的注射导致了PGC-1αmRNA 以及PPARγ 等水平快速的下调，引起心肌能量代谢异常和心功能的下降[41]。并且，PGC-1α 可以通过调节线粒体脂肪酸的氧化控制线粒体中活性氧的产生[37]。线粒体自噬是机体为了较少受损的线粒体释放更多的有害物质，维护剩余线粒体的功能，而通过自噬去清除受损的线粒体，线粒体自噬功能的下降会导致受损线粒体的清除障碍，对心肌造成不利影响。Piquereau 等人研究发现自噬能够改善脓毒症小鼠的线粒体障碍和心脏收缩功能[42]。

2.6 钙离子调控异常

在生理条件下，钙离子通过L 型钙通道进入心肌细胞，从而引起肌浆网中钙离子释放到胞质中。胞质中钙离子与抑制性肌钙蛋白结合后消除了抑制性肌钙蛋白对肌动蛋白/肌球蛋白的抑制作用，使钙离子与肌动蛋白/肌球蛋白结合，从而导致了心肌细胞的收缩[43]。大量的钙离子主要储存在肌浆网中，其释放受到肌浆网中的钙离子-ATP 酶(SERCA2)的调控。脓毒症小鼠模型中发现SERCA2 的抑制导致了舒张功能受损，继发性地阻止钙离子再摄取到肌浆网中，引起了射血分数的下降，导致心功能障碍[44]。

3 脓毒症心肌病的诊断

3.1 生物标记物

B 型 脑 钠 肽(brain natriuretic peptide，BNP)、心 肌 肌 钙 蛋白(cardiac troponin，cTn)等传统的心肌损伤标记物对脓毒症患者心脏功能障碍及预后均具有一定的预测价值[45,46]，但也有研究证明BNP、cTn 与脓毒症的严重程度呈显著相关性(无论心功能损伤与否)[47-49]，缺乏对心脏功能障碍的特异性。近年来，研究提示一些新型的生物标记物，如心型脂肪酸结合蛋白、妊娠相关血浆蛋白A 等能够预测脓毒症患者心脏功能障碍及死亡率[50,51]，但其预测价值并不理想。

3.2 超声心动图

进行床边超声心动图能提供脓毒症患者心功能障碍的最先证据[52]，超声心动图应变测量可能是辨别脓毒症患者心脏功能障碍的一种灵敏方法，可以监测重要心肌中复杂的组织变形[53]，但目前还没有足够的临床证据。

4 脓毒症心肌病患者的治疗

控制脓毒症的发生发展可有效改善患者的心脏功能障碍，在充分使用抗生素后，早期的液体复苏是治疗脓毒症的基石。毛细血管渗漏和静脉血管扩张导致脓毒症患者有效血容量的减少，从而导致心室前负荷的减少，而液体复苏能够改善心室前负荷。液体复苏应首选晶体，必要时可以加入胶体，胶体的类型可以考虑人白蛋白和明胶溶液。为了防止液体负荷，液体复苏的目的是达到一个可接受的心输出量的增加，以增加氧气输送到组织，而不会造成过度的组织水肿，损害组织的氧气提取能力，因此液体复苏需要在血流动力学指标的监测下进行。被动抬腿试验可以在床边进行，可以便捷地评估机械通气患者的容量反应性[54]。有研究认为中心静脉压超过12mmHg 将会提高患者的死亡率，当组织氧输送在中心静脉压小于8mmHg 或者更低时更合适，较低水平的中心静脉压与患者的死亡率下降相关联[55]。

去甲肾上腺素具有α 和β 肾上腺素能作用，尽管有足够的容量复苏，目前的指南仍推荐去甲肾上腺素的使用，是治疗脓毒症休克患者正性肌力和血管活性类的首选药物[56]。指南建议只有当危重症患者发生快速心律失常和心动过缓的风险较低时，才使用多巴胺，而不是去甲肾上腺素。Rui 等人一项对心源性休克随机对照试验患者的荟萃分析中[57]，去甲肾上腺素治疗的患者相比多巴胺治疗的患者拥有更低28 天死亡率、心律失常发生率以及胃肠道反应。

血管加压素通过V1 受体使血管和内脏平滑肌收缩从而产生加压的作用，可以作为儿茶酚胺类药物的辅助用药，以维持难治性休克患者的血压。多巴酚丁胺也是一线的正性肌力药物，但考虑到其可能导致严重心律失常等不良反应，需根据患者的病情及心功能情况使用[56]，经过容量复苏和血管活性药物后仍不能改善患者持续低灌注时，推荐使用多巴酚丁胺。但患者不能耐受多巴酚丁胺的治疗时，应考虑更换其他血管活性药物。多巴酚丁胺可以增强患者的心肌收缩力，虽然心血管指标得到了改善，但目前没有明确的证据表明多巴酚丁胺的使用可以改善患者的预后，并且脓毒症心肌病的多巴酚丁胺的最佳治疗剂量仍需在随机对照试验中明确。在此之前，高达20mg /kg/min 的多巴酚丁胺使用量可能是合理的。研究表明，相比肾上腺素，多巴酚丁胺和去甲肾上腺素联合使用对患者28 天死亡率没有改善[58]。

左西孟旦是钙离子增敏剂，通过直接与肌钙蛋白相结合，在不进一步影响心肌舒张的情况使心肌收缩力增加，已被建议作为脓毒症心肌功能障碍的治疗方案。但最近的一项516 名脓毒症患者的随机对照试验结果提示，脓毒症休克患者左西孟旦的使用并不能降低其死亡率和改善器官功能衰竭[59]。另外，输注葡萄糖-胰岛素-钾液体可替代β 肾上腺能药物，可在短时间内改善脓毒症心脏功能障碍患者的血流动力学[60]，但缺乏对预后的证据。

β 受体阻滞剂可以减慢脓毒症患者的心率，改善其心肌耗氧量。艾司洛尔通过滴定法将患者的心率控制于80-94 次/分之间时，患者的28 天死亡率下降了31.1%(P＜0.01)[61]。Kawaguchi 等人的研究显示β3 受体阻滞剂可以通过抑制诱导型NOS 和改善心脏代谢从而降低脓毒症所致心功能障碍患者的死亡率[62]。Lee 等人[63]对14 对照试验进行了分析，结果显示所有的试验均提示β受体阻滞剂能够改善脓毒症患者的心率，而对患者的血压没有产生的影响，同时有4 项临床试验表明了β 受体阻滞剂显著改善了患者的预后，虽然研究人群相对偏少。

近年来，随着人们对脓毒症心肌病发病机制的深入，逐渐提出了许多治疗脓毒症心肌病的新方法，但目前大多数治疗仍处于动物实验阶段，需要更多的临床研究去验证。Conrad 等发现，TNF-α 拮抗剂可改善脓毒症患者的左心功能[29]。Lukas 等[64]发现人工合成的抗菌肽可以改善心肌细胞线粒体功能障碍。脑源性神经营养因子是在神经系统宽泛表达的生长因子，近年来的研究发现脑源性神经营养因子能够在心肌细胞中表达，补充脑源性神经营养因子改善了脓毒症大鼠的心功能[65]。Joseph 等人发现NADPH 氧化酶2 被抑制后可以改善钙离子的调控和线粒体功能障碍，从而改善脓毒症心肌病[66]。Kokkinaki 等发现人工合成的硫代葡萄糖苷可以改善脓毒症小鼠心肌细胞的线粒体功能[67]。

5 脓毒症心肌病预后

一项60 名重症脓毒症和脓毒症休克患者的观察下队列研究显示，右心室功能障碍可能与患者较差的预后相关，特别是严重的右心室功能障碍68。最近的一项脓毒症和脓毒症休克患者的回顾性队列研究发现，满足入组标准中约48%重症脓毒症和脓毒症休克患者存在左心室功能障碍，但相比未发生左心室功能障碍的患者长期和短期死亡率无明显差异[69]。一项对262 名脓毒症患者的大型研究发现，脓毒症的舒张功能障碍是患者死亡重要的预测因素[70]。

另外，在一项对115 名脓毒症或脓毒症休克患者的研究中，患者在入院时分别测量了LVEF 和左心室整体纵向应变(globallongitudinalstrain，GLS)，结果显示GLS 与患者的死亡率相关，而LVEF 与死亡率无相关性[71]。最近的一项系统性综述和荟萃分析(8 个研究，794 名患者)表明，更糟的GLS 与脓毒症患者的高死亡率相关，但LVEF 并未与死亡率显著相关[72]。

大多数研究表明，脓毒症患者心功能障碍的恢复是迅速的，但提供支持这一假设的数据较少。在对脓毒症休克患者的一项研究中[73]，46%的患者存在左室功能障碍，34%的患者在住院期间死亡，随访2 周后，所有存活的患者EF 均得到了恢复。

6 总结

脓毒症心肌病的特点可以总结为：(1)心室收缩力的受损以及射血分数下降；(2)心室扩大和心室舒张障碍；(3)可逆的心功能障碍。目前对于脓毒症心肌病的诊断主要依靠超声心动图，心室应变的评估能够提高对脓毒症心肌病的诊断准确性。另外，生物标记物的使用也能为脓毒症心肌病的诊断提供一定的帮助。目前针对脓毒症心肌病暂无特效性治疗，首要的是控制原发病，改善脓毒症，早期给予液体复苏并给予正性肌力药物和血管活性药物(首选去甲肾上腺素)，β 受体阻滞剂能够减少患者心肌耗氧量，一些针对脓毒症心肌病发病机制的药物大多数仍处于动物实验阶段。目前，进行脓毒症心肌长期预后评估、提高其诊断率及特异性治疗的实验和临床研究是迫切需要的。