脓毒症心功能障碍相关机制的研究进展*

陆 胜，沈 艳*，沈雁波*

(南通大学附属医院急诊医学科，南通 226001)

脓毒症是急诊科及重症医学科(Intensive Care Unit,ICU)常见的危重症，是机体对感染的失控反应引起的危及生命的器官功能障碍[1]，严重者可并发脓毒性休克和多脏器功能障碍。全球每年约有3 000万人新发脓毒症，且每年因此死亡约600 万人[2]。在ICU 收治的患者中，脓毒症占37.4%，进展至脓毒性休克者高达27.1%[3]。脓毒症是非心脏疾病入住ICU的主要病因，也是ICU 患者死亡的第二大原因。

目前临床上针对脓毒症的治疗措施主要为早期液体复苏、积极抗感染、免疫调节、营养支持及其他对症治疗。但严重脓毒症和脓毒性休克的病死率仍居高不下。脓毒症患者死因是脓毒症引起的器官功能障碍，其中心功能障碍居核心地位。在脓毒症中，全身各个脏器均可能受累，但心脏往往是最早也是最常受累的器官[4]。早在1951 年B.A.WAISBREN就对脓毒症合并的心功能障碍进行了描述，表现为血流动力学不稳定，影响重要脏器血供、加重器官功能障碍甚至导致器官衰竭。临床上有40%～60%的脓毒症患者伴有不同程度的心功能障碍。脓毒症合并心脏功能异常患者病死率可由20%～30%显著增高至50%～70%[5]。所以心功能障碍是导致脓毒症病情加重的主要因素。因此，早期识别脓毒症心功能障碍(sepsis-induced myocardial dysfunction,SIMD)并及时干预，可有效改善患者预后。本文旨在对SIMD 相关机制的研究进行综述。

1 SIMD 的临床表现

SIMD 分为左心和(或)右心收缩和(或)舒张功能障碍，是一种可逆的功能改变。SIMD 主要表现为心肌顺应性降低、心室扩张、心室充盈泵血功能减弱、对液体复苏和血管活性药物治疗反应效果欠佳等[6]。但其具体的诊断标准尚未达成共识。SIMD 的血流动力学变化分为两个阶段。第一阶段是高动力阶段，表现为高排低阻，特点是心输出量正常或轻度增高，血压正常或偏低。如果该阶段不进行积极的液体复苏和心肌保护，很快就会因心肌收缩力下降进入第二个阶段，即低动力阶段。低动力阶段表现为心输出量下降和顽固性低血压。

2 SIMD 的相关机制

造成SIMD 的原因多且较复杂，至今尚未完全阐明，目前主要有微循环障碍致心肌缺血缺氧、细菌及其代谢产物引起的免疫反应对心肌细胞的损伤作用、炎症介质对心肌细胞的损伤作用、线粒体结构功能障碍影响细胞代谢导致心肌损伤和心肌L 型钙通道受到抑制影响心肌收缩等。

2.1 微循环障碍致心肌缺血缺氧 1984 年M.M.PARKER 等在脓毒症患者中观察到的心肌功能障碍主要是由心肌缺血引起的。在脓毒症期间由于缺乏小动脉反应性、毛细血管反应性受损，与脓毒症相关的微血管反应性改变的特征在于灌注微血管密度的降低及微血管流动异质性的增加，这限制了在低氧刺激后可以“募集”的毛细血管数量，从而导致心肌缺血缺氧，对心肌造成损害。严重的脓毒症和脓毒性休克可以动态改变微循环，通过凝血酶沉积形成微血栓，炎性细胞迁移，白细胞黏附增加，血管通透性增加和间歇性减少甚至阻断血流导致心肌灌注减少，影响心肌细胞对氧气的摄取利用，使血液黏度增加及内皮功能受损，导致微循环障碍。此外，有些脓毒症患者出现心肌抑制但混合静脉血氧饱和度可升高，可能与组织氧气摄取不足引起动静脉分流有关。这种微循环效应可能与系统血流动力学效应无关，故在治疗过程中尽管全身血流动力学已恢复至目标范围，但微循环异常仍可能持续存在。

目前临床上可用于监测微循环的方法有生物标志物、显微内镜技术、组织氧合和基于二氧化碳分压的评估技术[7]。但没有一种方法能监测所有与微循环相关的功能。近年来，氧分压与近红外光谱相结合能更好地评估和量化微循环[8]。

微循环灌注图像分析发现，微循环灌注减少与脓毒症患者死亡率明显相关，且灌注血管比例是患者死亡最强的预测因子[9]。M.J.MASSEY 等[10]发现总血管密度、灌注血管密度和De Backer 评分与死亡率密切相关。微循环变化与SIMD 的预后有明确相关性，在早期复苏阶段，通过积极补液纠正微循环障碍可以提高患者生存率[11]。

2.2 免疫反应对心肌细胞的损伤作用 细菌及其代谢产物会诱导宿主发生免疫反应。适度的免疫反应对于内环境的稳定和恢复至关重要，但反应过度则引起心肌细胞损伤及心脏传导系统损害，诱发心律失常。免疫反应越强烈，细胞损伤程度就越大，引起心功能障碍的风险就越高。

细菌表达的病原相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)最初是通过Toll 样受体(Toll-like receptors,TLR)和其他先天免疫受体激活脓毒症的炎症反应。心肌细胞可表达TLRs，因此能直接对PAMPs 做出反应，也能对组织损伤引起的内源性损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs)做出反应。单核细胞和巨噬细胞上TLRs 的激活导致炎症细胞因子水平升高，促进心肌内免疫反应激活，从而造成心肌细胞损伤。研究[12]发现在脓毒症小鼠模型中敲除心肌细胞上的TLR4 后，小鼠的心肌功能得到明显改善。TLRs信号可通过细胞内核因子κB(nuclear factor-κB,NFκB)和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPKs) 等多种信号通路进行传递来增加炎症因子和干扰素诱导基因的产生，它们的调节可影响SIMD[13]。

此外，补体C5a 激活心脏中的MAPKs 和蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)，而p38 MAPK 抑制剂降低了MAPKs 和PKB 的活性，同时它也能减少SIMD发生的风险[14]。他汀类药物可通过抑制p38MAPK 和NF-κB 信号传导，从而减轻SIMD[15]。白细胞介素(interleukin,IL)-18 通过磷脂和Akt 磷酸化参与SIMD[16]。心肌细胞还可直接释放炎性细胞因子并表达细胞黏附分子如细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1)，在趋化细胞因子作用下将白细胞从冠状动脉微血管迁移到心肌细胞中，然后心肌细胞中的白细胞与ICAM-1 结合，改变心肌细胞肌动蛋白细胞骨架，影响心肌细胞去极化和肌浆钙释放的协调性，从而导致心肌收缩力下降[14,17]。先天性免疫受体一氧化碳释放因子-3 可激活NLRP3 炎性小体，导致IL-1β 成熟并释放信号，从而改善SIMD[18]。因此，免疫调节治疗有望成为脓毒症的新型治疗方案，但其效果有待证实。

2.3 炎症介质对心肌细胞的损伤作用 以往研究[19]观察到脓毒症性休克患者的血清抑制了离体大鼠心肌细胞的收缩性，表明炎症介质具有心肌抑制作用。脓毒症时单核巨噬细胞、淋巴细胞和血管内皮细胞产生的炎症介质如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、IL-1、IL-6 和IL-8 等会造成心肌损伤，引起短暂或致命的心肌功能障碍。

TNF-α 可调节T 细胞产生各种炎症因子，进而促进炎症反应的发生。J.E.PARRILLO 等[20]研究表明，输注小鼠单克隆抗TNF-α 抗体可改善脓毒性休克患者24 h 内的左心室功能，表明了TNF-α 与心肌抑制之间的关系。但TNF-α 引起的心功能不全的机制尚未明确，可能涉及到钙稳态的改变和一氧化氮(nitric oxide,NO)的产生。IL-1 在SIMD 中发挥重要作用，它可与TNF-α 产生协同作用，对心脏产生负性肌力作用从而影响心肌收缩功能[21]。TNF-α 和IL-1 并不总是处于高水平，甚至可能在脓毒症患者中检测不到。IL-6 主要由内皮细胞、成纤维细胞和单核-巨噬细胞在全身炎症反应期间合成，但也与应激、组织损伤、创伤、脑死亡和其他情况有关。在严重感染早期，IL-6 表达增加可引发急性期蛋白质释放，并与脓毒症的严重程度相关。有研究[22]认为它可以预测脓毒症发病后28 d 的生存率。N.PATHAN等[23]使用体外基因表达谱分析表明IL-6 具有负性肌力作用，是引起脑膜炎球菌脓毒性休克儿童心肌抑制最可能的因素。近期研究[24]表明微小核糖核酸-494-3P 的表达减少促进了大鼠心肌细胞中TNF-α和IL-6 的合成和释放，从而诱导大鼠心肌细胞损伤。

此外，高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein,HMGB1)作为脓毒症的晚期炎症介质，是DAMPs 之一，也是脓毒性心肌病的触发因素之一，已被证明可显著影响脓毒症的预后，对心脏有直接抑制作用[25]。血中HMGB1 水平升高可引起心肌细胞内钙离子浓度及心肌收缩力下降，导致左心室射血分数降低[26]。SIMD 会减少全身器官血液灌注，进一步增加DAMPs 的释放，加速全身器官的炎症反应，导致多脏器功能衰竭(multiple organ failure,MOF)。正如C.ZHANG 等[27]研究发现，HMGB1 诱导的心功能障碍的机制中，其中一种就是HMGB1-TLR4 相互作用导致细胞内活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平升高，增强了氧化应激和2 型利阿诺定受体中Ca2+/钙调素依赖蛋白激酶Ⅱ活化磷酸化，从而引起心肌抑制。有研究[28]报道了HMGB1 抗体对SIMD 的治疗效果，为脓毒症治疗提供了新的导向。

因此，积极的治疗减少脓毒症诱导的炎症介质及其随后诱导的心功能障碍，可改善脓毒症MOF，并降低死亡率。

2.4 线粒体结构损伤和功能障碍 线粒体是一种存在于大多数细胞中的由内膜和外膜包被形成的细胞器，参与细胞的多种基本功能，包括ATP 合成、细胞内钙稳态调节、体温调节、ROS 及部分激素的生成。同时，线粒体还参与触发细胞凋亡和自噬[29]。由于心肌细胞富含线粒体，因此线粒体功能障碍的程度与SIMD 的预后密切相关。脓毒症诱导的线粒体损伤后，PAMPs 和DAMPs 激活，进一步加重心肌炎症反应并引起心肌细胞线粒体肿胀、嵴消失、空泡形成、内部囊泡破坏、膜电位下降等结构改变，导致心肌功能障碍[30]。

脓毒症线粒体功能障碍最重要的机制是组织缺氧抑制电子链传递和氧化磷酸化，ATP 合成减少，NO 及ROS 产生增加，从而促进细胞凋亡和脓毒症诱导的激素变化(如肾上腺激素)影响线粒体功能。NO 通过降低肌原纤维对钙的反应，使血管平滑肌舒张来改变心脏前后负荷及心肌灌注、下调β 受体使激素水平发生变化，影响线粒体氧化还原功能，从而加重SIMD。ROS 可导致线粒体超微结构的变化。也可通过对大分子(如线粒体DNA)的氧化修饰损害线粒体的生物合成[31]。解耦联蛋白介导的线粒体质子漏增加可导致质子电化学梯度异常、线粒体膜电位减低、ATP 生成减少，从而也对心功能产生抑制作用。

此外，线粒体自噬也在线粒体功能障碍的发展中起作用。通过将受损的线粒体选择性地包裹在自噬体中，并与溶酶体结合分解线粒体。在脂多糖注射造成的小鼠脓毒症模型中可观察到心肌细胞中线粒体数量减少，抗胸腺细胞免疫球蛋白3、5、7，自噬微管相关蛋白轻链3-Ⅱ和p62 的蛋白水平增加，提示线粒体自噬增加[32-33]。线粒体功能障碍在引起细胞损伤、死亡之前就可通过自噬作用被清除，也可抑制细胞凋亡维持细胞存活，或者在凋亡过程有缺陷时作为一种备用机制[34]。

近期有研究[35]将引起线粒体功能障碍的这些机制作为脓毒症治疗的潜在靶点。如通过使用抗氧化剂如α-硫辛酸、维生素E 和三苯基保护脓毒症心肌中线粒体膜免受氧化损伤，从而改善心肌线粒体的氧化功能，并改善脓毒症患者的心脏功能[36-37]。

2.5 心肌钙稳态失调引起心肌功能障碍 Ca2+通过L 型钙通道进入心肌细胞，激活利阿诺定Ca2+敏感受体，使Ca2+从肌浆网释放，激活肌丝蛋白，从而引起心肌收缩。肌浆网上的Ca2+-ATP 酶随后将胞质Ca2+转运回肌浆网，心肌细胞进入舒张期。该过程受到肌浆网膜上膜磷蛋白(phospholamban,PLB)的严格控制。PLB 和Ca2+-ATP 酶的相互作用在调节心脏收缩力和舒张中起主要作用。因此，钙稳态对心肌正常的收缩、舒张功能至关重要。然而，脓毒症时心肌细胞受到多种因素损害，导致肌浆网渗漏和(或)细胞膜内流增加，引起体内钙稳态失衡，从而出现心肌细胞功能障碍。

研究[38]发现脓毒症的豚鼠心肌细胞中出现了心肌钙电流异常，同时伴心肌L 型钙通道减少，表明心肌肌丝对钙的反应降低与脓毒症患者心肌收缩力受损和收缩功能下降有关，心肌Ca2+跨肌浆网膜的转运在心脏收缩过程中起着核心作用。同时，在家兔脓毒症模型中发现心肌肌丝钙敏感性降低与心肌细胞长度增加和心室扩张有关[39]。此外，脓毒症时，触发钙释放的RyR 密度在肌浆网上降低，与Ca2+释放受损有关[40]。PLB 磷酸化可导致Ca2+跨肌浆网转运减少，因此大大削弱Ca2+-ATP 酶功能，引起心肌收缩功能降低。

目前临床上已将钙离子增敏剂左西孟旦作为治疗SIMD 的辅助用药。左西孟旦通过改变肌钙蛋白C 的构型来增加心肌细胞对Ca2+的敏感性，从而增加心肌细胞的收缩性、心输出量和心脏指数，同时不增加细胞内钙浓度，不会引起氧需求的显著变化[41]。

2.6 其他 脓毒性休克时血管活性药物的应用可导致继发性心肌损害[42]；脓毒症时β-肾上腺素能受体自主调节异常及受体后通路受抑制，导致自主神经系统对心血管调节失控引起心功能障碍[43]等。

综上所述，SIMD 是引起脓毒症高死亡率的重要原因，表现为左心和(或)右心收缩和(或)舒张功能障碍，既可以单独发生也可以合并存在。SIMD 发病机制主要涉及血流动力学、免疫反应、炎性因子、线粒体结构和功能改变、心肌钙稳态失调等多个方面。因此，SIMD 没有特效的治疗方法，需进一步研究特定有效的诊疗策略，便于临床早期识别并积极干预，最终降低病死率、改善远期预后。