慢性心力衰竭合并骨骼肌萎缩的机制研究进展

陈喆，宿玮洁，张美沙综述 常宏审校

慢性心力衰竭(chronic heart failure，CHF)是各种心脏疾病发展的终末阶段，目前全球心力衰竭患者数量接近2 600万，造成了严重的医疗和社会经济负担[1]。《中国心血管病报告 2018》概要[2]中显示，我国心力衰竭患者已达450万，随着年龄增长，心力衰竭的患病率显著上升。目前，虽然针对心力衰竭的发病机制、病理生理及防治均取得了显著成效，但心力衰竭的整体预后仍较差，病死率和再住院率均较高。CHF患者不仅心功能受损，而且运动不耐受，容易出现疲劳、气短和活动受限，限制了其生活质量的提高[3]。活动受限等临床表现的出现，不仅是心脏功能的降低，多种因素造成的骨骼肌萎缩的影响同样值得注意[4]。骨骼肌萎缩在CHF患者的早期阶段就已经出现[5]，疲乏、气短等症状的出现可随着骨骼肌萎缩的增加而加重。骨骼肌萎缩不仅限制CHF患者日常生活，还影响其生活质量和预后，显著增加其发病率和病死率[6-7]。所以，骨骼肌萎缩直接影响着心力衰竭的预后，在CHF的治疗上不仅要改善心脏功能，防治骨骼肌萎缩和提高患者生活质量也是亟待解决的难题。本文就慢性心力衰竭合并骨骼肌萎缩的结构和代谢异常、相关的分子机制和治疗进行综述。

1 慢性心力衰竭后骨骼肌的变化

慢性心力衰竭时，骨骼肌的形态和功能发生了改变。究其原因，是毛细血管密度降低，骨骼肌营养供应异常，肌肉质量降低，肌纤维类型改变和能量代谢能力异常所致[8]。具体表现为以下两个方面。

1.1 骨骼肌形态改变 慢性心力衰竭时骨骼肌出现萎缩是骨骼肌的特征性改变之一，19.5%的CHF患者合并肌肉萎缩[7]。磁共振检查显示，心力衰竭患者的腓肠肌出现变化，表现为体积降低，肌肉中水和脂质的含量增加，提示肌肉中蛋白质含量减少[9]。骨骼肌纤维包括Ⅰ型和Ⅱ型：Ⅰ型肌纤维由氧化代谢供能，收缩速度较慢, 肌力小, 有较强的抗疲劳能力，提供持续的运动能力；Ⅱ型肌纤维由糖酵解供能，是一种无氧供能，收缩速度较快, 肌力大, 但是容易疲劳[10]。在严重心力衰竭患者中，其骨骼肌纤维类型发生了转变，Ⅰ型纤维比率下降，Ⅱ型纤维比率相对增加，这种纤维的转变与运动能力密切相关，所以心力衰竭患者出现运动不耐受。心力衰竭后，患者骨骼肌的毛细血管在结构和功能上发生了改变[11]：长度、面积及表面积下降，肌纤维的数量也下降，同时血流动力学改变，这些都导致其供氧量显著减少，促使骨骼肌对运动不耐受，运动能力降低。

1.2 骨骼肌能量代谢异常 骨骼肌的能量代谢异常主要表现在3个方面：糖、脂和蛋白质代谢。糖代谢异常主要体现在胰岛素抵抗和糖耐量异常，Fukushima等[12]研究发现，心力衰竭小鼠的骨骼肌中Akt磷酸化水平下降，葡萄糖转运蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)的膜转位水平也下降，造成肌肉对葡萄糖的摄取降低。心力衰竭时，骨骼肌由于氧化代谢能力降低，对于脂质的氧化利用减少，造成脂质大量沉积在骨骼肌。在对扩张型心肌病导致心力衰竭患者的检查中，发现患者骨骼肌中脂质的含量是正常人的2倍多[13]。大量脂质沉积会加重线粒体功能恶化，造成能量代谢障碍。心力衰竭时，骨骼肌蛋白质代谢也出现异常，表现为合成和降解失衡，合成的肌肉比降解的要少[14]。蛋白质合成—分解代谢失衡是肌肉萎缩发生的重要机制之一[15]。体内蛋白质合成和分解通路的平衡对肌肉质量有着至关重要的影响，若打破蛋白质合成与分解通路之间的平衡，则会导致肌肉的增生或萎缩[16]。

2 慢性心力衰竭合并骨骼肌萎缩的分子机制

2.1 泛素蛋白酶体途径 正常细胞内蛋白质的代谢是一个持续降解和再合成动态平衡的过程。泛素蛋白酶体途径(ubiquitin-proteasome system，UPS)是细胞内ATP依赖的蛋白质选择性降解的主要途径，由泛素、泛素相关酶和蛋白酶体组成，能够降解细胞内大部分泛素化的蛋白质[17]。而蛋白质代谢异常如肌萎缩，可导致UPS过度活化，引起蛋白质过度降解[18]，最终导致肌萎缩。

泛素蛋白连接酶(E3)是UPS的关键酶，其中肌肉环指蛋白-1(muscle ring-finger protein-1, MuRF-1)和肌肉萎缩相关的F-box蛋白(muscle atrophy F-box, MAFbx/atrogin-1)转录启动UPS，泛素—蛋白酶体系统中蛋白质的泛素化是通过特异的泛素蛋白连接酶E3对蛋白质底物的准确选择来调节[19-20]。研究表明，MuRF1位于肌节，可降解粗肌丝中含有肌球蛋白结构域的其他蛋白质，如肌球蛋白轻链和肌球蛋白结合蛋白C，从而造成肌肉萎缩[21]；MAFbx可能通过下调蛋白质起始因子eIF3-f 的表达抑制蛋白质合成，从而导致肌肉萎缩[22]。在慢性心力衰竭小鼠模型中，泛素蛋白酶体通路在CHF所致骨骼肌萎缩中起重要作用[23]。研究发现，MAFbx(即atrogin-1)和 MuRF-1是调控骨骼肌蛋白质降解中心途径的2个特异性关键酶[20,24]。MuRF-1和MAFbx是涉及p38 MAPK/FoxO信号的下游部分[25]。在去神经支配、悬挂固定、高剂量地塞米松或炎性细胞因子处理导致的肌肉萎缩模型中均可见 MuRF-1和MAFbx转录增加，抑制小鼠肌肉中MuRF-1和MAFbx的表达，则可减少肌肉降解[24,26]。张聪聪等[23]研究发现，心力衰竭小鼠中，AKT/FoxOs转录因子激活，骨骼肌的泛素—蛋白酶体通路被激活，MAFbx和 MuRF-1 2种泛素连接酶的表达增加，引起骨骼肌的蛋白质泛素化增加，发生骨骼肌萎缩。由此可见，UPS在骨骼肌萎缩中占有重要地位，该通路的活化能够诱导骨骼肌萎缩的发生。MuRF-1和MAFbx作为骨骼肌萎缩的关键酶，是潜在的治疗干预靶点，对两者的调控可能成为临床上防治骨骼肌萎缩的关键点。

2.2 肌肉生长抑制素 肌肉生长抑制素简称肌抑素，又称生长分化因子8(GDF-8)，是骨骼肌大量再生过程中的负性肌肉生长调节因子[27]，通过神经—体液系统调节骨骼肌的数量和大小。肌抑素在骨骼肌中表达最多，在快速肌纤维(糖酵解供能)中表达高于缓慢肌纤维(氧化代谢供能)[28]。研究发现，心力衰竭患者肌肉中生长抑制素mRNA表达显著增加[29]。Breitbart等[30]采用心肌细胞特异性缺失肌抑素(MSTN-CKO)构建小鼠模型，该模型心肌选择性缺乏肌抑素mRNA，但骨骼肌中能检测到肌抑素mRNA及其前体蛋白。野生型小鼠和MSTN-CKO小鼠在2个月大时血清中活性肌抑素水平相当。2周压力超负荷刺激后，野生型小鼠血清肌抑素水平升高约3倍，而MSTN-CKO小鼠血清肌抑素水平无明显升高。这些数据表明，在病理负荷的情况下，心脏释放肌抑素进入循环，产生高水平的血清肌抑素。该团队还发现，野生型小鼠血清肌抑素水平升高与骨骼肌萎缩有关，表现为股四头肌、腓肠肌和比目鱼肌均出现肌肉质量下降。而在MSTN-CKO小鼠中，没有观察到骨骼肌质量的下降(即没有萎缩)。该研究表明，心脏肌抑素在压力过载所致小鼠心力衰竭时引起的肌肉萎缩中起着重要作用。Heineke 等[31]研究显示，心力衰竭小鼠中血清肌抑素明显增加，同时小鼠伴有肌肉萎缩，而在心肌细胞中敲除肌抑素的小鼠未出现肌肉萎缩。Yoshida等[32]发现肌抑素能抑制Akt磷酸化，导致蛋白质合成减少，蛋白质降解增加，从而引起骨骼肌萎缩、纤维化，进一步加重心力衰竭的症状。这些研究提示，心力衰竭患者中高水平的肌抑素很可能是适应性不良压力负荷导致的，治疗性的抑制血清肌抑素水平可能会使肌肉质量和力量改善，甚至可能会改善心脏功能。

2.3 胰岛素样生长因子-1 胰岛素样生长因子-1(IGF-1)是一种合成代谢生长因子，可以刺激蛋白合成和卫星细胞增殖，同时抑制蛋白降解，并参与诸多病理生理过程。该物质还在骨骼肌中合成，并以自分泌和旁分泌的方式刺激特定的信号通路从而调节肌肉生长，对于骨骼肌的生长具有重要作用。Chen等[33]研究老年肌少症患者发现，采用抗阻训练的患者血清IGF-1浓度显著高于对照组，表明IGF-1在改善骨骼肌方面有重要作用。另外，IGF-1能够抑制E3泛素蛋白连接酶Atrogin-1和MuRF-1的表达，防止骨骼肌出现萎缩[34-35]。Yoshida等[32]发现，IGF-1与IGF-1受体(IGF-1R)结合，之后通过刺激胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)和磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)，使得至少2条信号通路被激活：RAS-Raf-MEK-ERK通路和PI3K-Akt通路。这2条信号通路对肌肉细胞的增生起到相反的作用，并且PI3K-Akt通路能抑制分化型肌管RAS-Raf-MEK-ERK信号的转导。PI3K-Akt通路在骨骼肌中占有重要地位[36]。IGF-1可以启动PI3K/Akt信号通路，这是肌蛋白合成和分解的关键点，IGF-1/PI3K/Akt信号通路的激活能从多个环节促进蛋白合成，抑制蛋白降解，防止肌肉萎缩[37]。重度心力衰竭患者使用心室辅助装置可以增加其骨骼肌中IGF-1的表达，增加肌纤维的横截面积，表明IGF-1在骨骼肌萎缩的改善中发挥重要作用[38]。

2.4 血管紧张素Ⅱ 血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)是肾素—血管紧张素系统(renin angiotensin system，RAS)的主要效应分子，对中枢神经系统、肾上腺、血管和肾脏等具有多种生理调节作用，包括血压调节和水盐代谢平衡调节。此外，RAS在心血管疾病的发病过程中起着重要作用，尤其是在心力衰竭中发挥着不可替代的作用。

慢性心力衰竭患者体内血管紧张素Ⅱ水平升高，并且发生骨骼肌质量下降，体质量减轻[32]。实验研究证明，输注Ang Ⅱ可导致蛋白质分解增加和IGF-1信号传导减少，这是由于骨骼肌IGF-1信号的传导是骨骼肌中蛋白质合成的主要代谢途径[39]。研究发现，Ang Ⅱ可以增强UPS活性，促进蛋白降解[40]。动物实验证明[41]，Ang Ⅱ的注射可以增加MuRF-1表达，增强UPS活性，加速蛋白水解，并且可以激活天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)。Caspas-3不仅是调亡的关键执行者之一，也是一个加速肌肉蛋白降解的起始步骤，降解具有复杂结构的肌原纤维，进而加速UPS的激活，促进蛋白降解，最终导致肌萎缩[42]。其他研究发现，AngⅡ还能引起炎性因子如TNF-α的升高，进而激活FOXO1，刺激MuRF-1和Atrogin-1的转录，激活UPS，引起蛋白降解，骨骼肌萎缩[39,43]。AKT作为一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶的协同作用下，胞浆内的AKT与磷脂酰肌醇2 磷酸(PIP2)和磷脂酰肌醇3磷酸(PIP3)相结合，使得AKT转位到质膜，从而促进Ser473和Thr308 2个位点的磷酸化。而Ser473和/或Thr308位点的磷酸化则是AKT激活的必要条件，活化后的AKT促使转录因子 FOXO1磷酸化，后者从细胞核移到细胞质，被泛素蛋白酶体降解，从而其转录调节活性受到抑制[23]。FOXO1可以调节Atrogin-1和MuRF-1，而AKT能使 FOXO1失活，从而抑制骨骼肌萎缩。当骨骼肌发生萎缩时，PI3K/Akt信号通路下调，FOXO1重新回到细胞核，上调Atrogin-1和MuRF-1的表达，从而加重肌肉萎缩[44]。

2.5 炎性细胞因子 研究发现，慢性心力衰竭患者中，促炎性细胞因子在血循环中浓度持续升高[45]，其中起主要作用的是白介素类和肿瘤坏死因子。TNF-α、TGF-β和IL-1、IL-12、IL-8、IL-18等是心脏应激后最常见的促炎细胞因子。当发生慢性心力衰竭时，心脏通过免疫系统来启动损伤组织的修复机制[46]。随着自身免疫的参与，心力衰竭后促炎细胞因子储备显著增加[47]。TNF-α可使 NF-κB 抑制物IKB磷酸化而降解，从而激活NF-κB，使之能够迅速进入细胞核，启动转录因子FOXO，进而导致MuRF-1表达，并引起肌肉蛋白的降解[48-49]。

其他如睾酮和乙酰化赖氨酸在骨骼肌萎缩中也发挥作用。睾酮能影响肌肉质量和功能，CHF患者体内的睾酮水平显著下降，低睾酮水平与CHF患者的活动能力降低密切相关，而且睾酮通过抑制泛素连接酶中的Atrogin-1和MuRF-1来维持肌肉质量，防止骨骼肌萎缩[50-52]。Tsuda等[53]发现，乙酰化赖氨酸可以增强骨骼肌线粒体的乙酰化，进而影响线粒体β氧化，降低患者的运动能力。

3 治疗

长期以来，人们对于CHF的治疗重在改善心功能，对骨骼肌病变后的肌少症造成的危害重视不足，使得CHF患者的生活质量得不到相应改善。目前，针对肌少症的研究主要集中在营养、药物和运动医学3个领域，体育锻炼、血管紧张素转换酶抑制剂和必需氨基酸等也成为治疗CHF合并肌少症的主要方法[54-56]。但是药物对CHF患者合并肌少症的治疗作用仍没有完全被认可，同时CHF患者可能难以掌控运动训练的强度和时间。而其他一些治疗方法，包括肌肉生长抑素抑制剂、UPS抑制剂、重组生长激素、睾酮等，虽有一定改善骨骼肌萎缩的作用，但均为实验研究或是小样本研究，不能证明其临床有效性[57]。这些现象的存在势必促使寻求有效的治疗药物来防治肌少症，提高CHF患者的生活质量和生存率。中医在CHF合并骨骼肌问题的治疗上占有重要地位，临床研究提示，八珍汤联合曲美他嗪在治疗CHF合并肌少症方面效果良好，表现为改善患者的心功能、提升肌肉质量及肌肉力量[58]。彭杰等[59]通过动物实验研究发现，温肾活血方通过降低MAFbx和MuRF-1 mRNA表达，降低骨骼肌细胞凋亡来提高大鼠心力衰竭后的运动耐量。

4 小结

慢性心力衰竭患者不仅面临心功能的异常，还伴随着骨骼肌的病变，而骨骼肌的病变严重影响了慢性心力衰竭患者的生活质量提高和病情进展。目前，慢性心力衰竭合并骨骼肌萎缩的机制尚未完全明确，临床尚未足够重视肌萎缩在心力衰竭发展中的作用。同时，针对心力衰竭合并肌萎缩的治疗仍存在不足，缺少高质量的临床试验明确药物的有效性。有待国内外学者继续深入研究心力衰竭合并骨骼肌萎缩的发病机制，进行有效治疗药物的探索，为患者的临床治疗提供依据。