左西孟旦在脓毒性心肌病动物模型中的作用机制

蒋晓芳　宋云林　程玺　王于强　通耀威

[关键词] 脓毒症;心肌抑制;脓毒性心肌病模型;左西孟旦

[中图分类号] R43          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-9701（2021）18-0188-05

Research progress of levosimendan on animal model of septic cardiomyopathy

JIANG Xiaofang1   SONG Yunlin2   CHENG Xi1   WANG Yuqiang1   TONG Yaowei1

1.Xinjiang Medical University， Urumqi   830011， China; 2.Intensive Care Unit，The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University，Urumqi   830011，China

[Abstract] Sepsis is the maladjustment of the host response to infection，which leads to life-threatening organ dysfunction. Sepsis often occurs on the basis of clinical acute and critical diseases such as burns，infections and multiple injuries，and it is also one of the important reasons leading to multiple organ dysfunction syndrome （MODS）[2]. Sepsis-induced myocardial dysfunction （SIMD） is one of the common complications of severe sepsis and septic shock [3].It is an important factor leading to multiple organ dysfunction and increased mortality in sepsis.Levosimendan is the first calcium sensitizer approved for the treatment of severe cardiac failure，which has been widely used in the treatment of patients with coronary heart disease and cardiac failure and has also been used in sepsis. Animal experiments show that levosimendan can improve cardiac function，reduce peripheral vascular resistance，dilate pulmonary artery and improve gastrointestinal function in septic animals. Because the decrease of myofilament calcium sensitivity has been repeatedly confirmed in experimental septic cardiomyopathy，it is speculated that calcium sensitizers may also improve myocardial dysfunction caused by sepsis.However，the role of calcium sensitizer in septic cardiomyopathy has not been thoroughly researched. Therefore，the research progress of levosimendan on cardiac function mechanism of septic cardiomyopathy animal model was reviewed in this paper.

[Key words] Sepsis;Myocardial inhibition;Septic cardiomyopathy model;Levosimendan

脓毒症被定义为感染引起的宿主反应失调导致的危及生命的器官功能障碍[1-8]，脓毒性休克是脓毒症时全身循环和代谢异常出现的最严重情况，具有高病死率。19世纪60年代，人们已经发现脓毒症早期就可出现心肌的损伤，大量研究表明，在脓毒性休克期间存在心肌损伤及心肌抑制，表现为左、右心室射血分数（LVEF/RVEF）下降及舒张功能减退，脓毒性休克合并心脏功能损伤后病死率会明显增加[9]。流行病学调查显示，脓毒症患者中有40%并发心肌损伤，而入住ICU的脓毒症休克患者中约有60%具有心肌损伤的临床表现，并且脓毒症心肌损伤的患者死亡率可达70%～90%[10]。心脏仅是心血管系统中的一部分，但它要不断适应外周血流动力学的变化，因此，很难区分，是脓毒症直接导致心肌损伤，或在脓毒症中心脏不断适应前负荷、后负荷以及神经体液活动等的变化而间接导致心肌损伤。只有深入了解脓毒症心肌抑制的发病机制，才可能精确地进行临床治疗，从而降低脓毒症心肌抑制的发病率和死亡率。目前脓毒症心肌损伤的机制大多考虑可能与血流动力学异常、基因、分子、代谢以及心肌自身结構改变有关[11]，针对脓毒症心肌损伤的治疗方面，除了适当管理感染外，关注血流动力学稳定是脓毒性心肌病患者的首要步骤，建议通过监测液体反应参数指导快速有效的液体治疗，以纠正血容量不足，作为脓毒症治疗的基石[12]。低心输出量的脓毒症患者在优化液体治疗后，建议使用正性肌力药物。从目前的指南来看[13]，去甲肾上腺素是首选，而多巴酚丁胺和多巴胺仅用于高度选择的患者。使用多巴胺与更多不良事件相关。左西孟旦是一种钙增敏药物，可使肌钙蛋白C对钙敏感，并在收缩过程中增强钙对肌丝的作用。与多巴酚丁胺和多巴胺不同，左西孟旦不刺激β-肾上腺素能受体，引起不良反应。研究表明[14]，左西孟旦可以通过冷却循环细胞的氧化爆发和抑制活性氧的释放来保护脓毒症心脏功能。然而，最近的一项随机临床试验显示[15]，成人脓毒症患者加用左西孟旦与较低的死亡率无关，它降低了成功脱离机械通气的概率，增加了室上性快速性心律失常的风险。关于左西孟旦在不同临床研究中可得出相互矛盾的结果，针对左西孟旦运用脓毒症心肌损伤动物模型研究其机制也变得尤为重要。

1 左西孟旦可提高脓毒性心肌病动物模型的心室收缩功能

脓毒症患者收缩功能受损，在人类、脓毒症动物、动物脓毒症模型离体心脏或乳头肌离体实验以及使用LPS处理动物组织的体外实验中，一致发现LV收缩功能降低与脓毒性休克相关[16]。2001年左西孟旦第一次用于治疗脓毒性休克心肌抑制动物模型[17]，这项前瞻性实验研究观察了左西孟旦预处理对脓毒性休克猪的影响，将14只猪静脉注射内毒素复制脓毒性休克模型，6只于注射内毒素前给予左西孟旦预处理[10 min内注射首剂负荷剂量为200 μg/kg，后维持剂量为200 μg/（kg·h）]，结果显示，给予左西孟旦预处理后动物出现全身血管扩张，外周血管阻力指数（SVRI）降低37%，血压下降22%，同时心率增快，心排血指数（CI）也有增加趋势;30 min后所有动物注射内毒素[30 min内由2.5 μg/（kg·h）逐渐增加至20 μg/（kg·h）]，结果发现，脓毒性休克模型动物使用左西孟旦预处理后，心输出量（CO）和心血管系统氧输送明显改善。后续的实验也得出类似结论，认为左西孟旦可提高脓毒性休克模型的心室收缩功能，从而改善心功能及血流动力学。通过证明左西孟旦在离体心脏中的正性肌力作用，实验也解释了在猪体内研究中，左西孟旦在降低全身血管阻力和血压时增加心脏指数的报道，钙增敏剂左西孟旦可显著改善脓毒性心肌病的心肌收缩力[18]。然而，由于左西孟旦对内毒素和正常心脏心肌功能的改善程度相似，它并不能特异性地消除内毒素诱发的心肌功能障碍[19]，由于左西孟旦的作用方式，即增加肌丝钙敏感性，解决了内毒素诱发的心肌功能障碍的潜在机制[20]。

2 左西孟旦能改善脓毒性心肌病动物模型心脏舒张功能

在一项使用内毒素注射家兔（人类脓毒症心脏功能异常的动物模型）描述心脏异常并检查药物治疗对心脏收缩和舒张功能的影响的研究中[21];研究使用了内毒素处理的家兔，这是一种公认的模拟人类败血症心脏功能异常的动物模型。结果显示左西孟旦是一种用于治疗左右急性心室衰竭的药物，通过促进钙与肌钙蛋白C的结合（仅当细胞内钙水平处于峰值水平时），显著改善肌丝的钙反应性。由于负荷显著影响心肌舒张，压力和容积之间的相互关系反映了心室舒张功能，通过使用压力-容积描记获得了这些变量的敏感指标。钙增敏剂左西孟旦可改善脓毒症动物的心脏收缩和舒张功能，但cAMP依赖性正性肌力药物米力农和多巴酚丁胺仅改善收缩功能[22]。

3 左西孟旦可降低脓毒性心肌病动物模型肺动脉高压

在猪模型中验证左西孟旦能够减轻内毒素引起的肺动脉高压和改善心肌功能的假设[23]，结果提示左西孟旦不能减弱内毒素诱导的肺动脉高压或心功能不全，在这项急性猪内毒素血症符合方案液体复苏的研究中，左西孟旦没有减弱肺动脉高压，也没有阻止左右心室每搏功的下降。但Anders Oldner等研究左西孟旦对脓毒症猪模型的作用一文中，左西孟旦（LEVO）预处理可预防内毒素诱导的全身低灌注和肺动脉高压。有研究指出，左西孟旦观察到的获益可能是由于药物对肺血管系统的影响和RV收缩力的改善，或者是继发于LV功能的改善，从而减少肺充血。另一项研究指出[25]，在失代偿性左心衰竭患者中，左西孟旦可使心输出量（CO）和每搏输出量（SV）呈剂量依赖性显著增加，同时肺动脉压（PAP）、肺血管阻力（PVR）和肺毛细血管楔压（PCWP）降低。由于左西孟旦可能具有正性肌力和血管扩张的双重作用，也在肺循环中，因此该药物可能潜在增加右心室收缩力和降低右心室后负荷，表明左西孟旦可能是治疗与肺动脉高压相关的重度右心衰竭的一种选择。另一研究指出左西孟旦是一种肺血管抑制剂的假说[26]，通过抑制磷酸二酯酶、三磷酸腺苷（ATP）依赖性钾通道或两者介导。还研究了当用血栓素A2类似物U-46619将肺叶动脉压升高到高稳定水平时，在控制肺血流量和恒定左心房压的条件下，猫肺血管床對钙增敏剂左西孟旦的反应。在张力增加的情况下，左西孟旦引起剂量相关的肺叶动脉压降低，而不改变体循环动脉压和左心房压。给予血管选择性非磺酰脲类ATP敏感性K通道阻断药物U-37883A后，对左西孟旦的反应显著减弱，但不完全。这些数据显示，左西孟旦在猫的肺血管床中具有明显的血管扩张活性。

在实验性感染性休克中，左西孟旦已被证明可舒张异常的肺血管床[27]。这种血管舒张发生在张力增加的情况下，可部分由三磷酸腺苷钾通道介导。只有当肺血管床处于可逆性血管收缩状态时，肺血管扩张作用才可能变得明显。在之前的研究中，左西孟旦可以逆转短暂但严重的近端PA收缩后持续存在的肺血管收缩。尽管持续性肺动脉高压的确切机制尚不清楚，但左西孟旦完全逆转表明其是由功能因素所致，而不是由不必要的残余PA收缩所致。目前的结果显示，尽管存在一些机械性阻塞，左西孟旦能够显著降低栓塞诱导的肺血管阻力和弹性的增加。这与大多数其他血管扩张剂相反。另一方面，左西孟旦可改善RV收缩力。这一结果与之前报道的左西孟旦改善动物和人右心室收缩力一致。

4 左西孟旦可通过脓毒性心肌病动物模型ATP敏感性钾（K+ATP）通道强效扩张血管

左西孟旦是一种通过ATP敏感性钾（K+ATP）通道的强效血管扩张剂，CI的总体改善可能部分归因于后负荷的降低，观察到SVRI的显著降低。认为K+ATP通道参与内毒素和感染性休克中观察到的血管舒张反应[28]。开放该通道可使血管平滑肌超极化，减少Ca2+进入，从而诱导舒张，随后舒张血管。细胞内酸中毒和乳酸可激活K+ATP通道，两者均可能存在于内毒素或感染性休克中。LEVO的有益作用也见于肺循环，可降低内毒素诱导的肺动脉高压[29]。具有血管舒张特性的药物可能与肺循环中血管张力的调节相互作用，这在LEVO病例中可能特别重要，因为缺氧性肺血管收缩（即肺缺氧区域肺血管收缩，促进血流至更好通气区域）主要由K+ATP通道抑制介导。左西孟旦治疗猪脓毒症可减弱肺动脉高压、血管对血管收缩剂的低反应性和内脏低灌注。

5 左西孟旦可增加脓毒性心肌病动物模型全身性和肠氧输送（DO2）并预防脓毒症休克的黏膜内酸中毒

低动力实验性内毒素性休克的初步报告显示[30]，左西孟旦可改善全身和肠道的氧转运。此外，最近的临床研究表明[31]，左西孟旦可改善多巴酚丁胺治疗无效的心功能不全脓毒症患者的全身血流动力学和局部灌注。左西孟旦对脓毒症有有益的作用，因为左西孟旦可以通过增加全身和肠道氧气输送而避免动脉内二氧化碳压差（ΔPCO2）升高，而不会引起乳酸的低血压或升高。内毒素血症的另一个重要后果是黏膜内酸中毒。脓毒症中ΔPCO2增加的机制存在争议[32]。在一些实验模型中，黏膜内酸中毒反映了低血流量和组织缺氧。另一方面，VanderMeer等发现尽管内毒素血症猪保留了血流和组织PO2，但仍发生了粘膜内酸中毒，这一现象归因于细胞病变性缺氧。Vallet等和Dubin等表明[33]，低灌注是静脉和组织高碳酸血症发生的关键因素，通过这种方式，血流量增加可预防绵羊内毒素血症中的粘膜内酸中毒。此外，Tugtekin等表明内毒素血症猪中ΔPCO2增加与绒毛微循环减少相关[34]。但研究也存在一些重要的局限性。该模型是导致低动力状态的短期内毒素输注。长期内毒素输注可能会产生与人类感染性休克更充分相似的不同血液动力学特征。此外，内毒素后长期给予左西孟旦和多巴酚丁胺可能产生不同的结果。模型和给药时间均不能充分接近人类感染性休克。最后，小样本量可能掩盖组间的一些差异。肠道低灌注可能诱导黏膜酸中毒伴肠道屏障通透性增加，随后内毒素和细菌易位至门静脉循环和淋巴组织。易位是一种可能维持和加重败血症的现象，被认为是通过诱导炎症介质和活性氧簇发生多器官衰竭的主要成分。与内毒素血症对照组相比，LEVO-治疗组的内脏灌注显著改善。此外，内毒素输注后，观察到计算的pHi（即肠黏膜酸中毒）明显降低。pHi已被提倡作为重症患者肠道低灌注的敏感标志物，并与死亡率相关。张力测定主要反映肠绒毛的顶端部分，即肠道最易受损的区域。结果可能反映了LEVO引起的肠壁内血流的不利分布。Schwarte等研究[5]，左西孟旦可增加门脉血流和减轻肠粘膜内酸中毒。与未接受治疗的脓毒症组相比，接受左西孟旦治疗的脓毒症动物在t=1 h和t=5 h时显示出显著更高的全身血流量。

6 左西孟旦作为脓毒性心肌病动物模型钙增敏剂发挥作用

在脓毒症患者中观察到的严重心肌抑制主要与心肌细胞功能的内在改变有关，而不是循环药物的直接心脏抑制作用。脓毒症心肌细胞功能的内在改变与细胞内钙浓度的变化无关，而是与几种动物种属肌丝对钙反应的降低有关，虽然钙敏剂左西孟旦能显著改善内毒素和假手术动物的左室收缩力，但它不能特异性地消除内毒素引起的心肌功能障礙。因此，钙敏感性降低在内毒素诱发的心肌病中不发挥主要作用，或者其病理机制的位置与左西孟旦的作用位点不同。左西孟旦钙致敏剂在内毒素暴露和正常心脏中均可显著提高心肌收缩力和活力，且呈浓度依赖性，但左西孟旦钙致敏似乎并不能特异性地消除内毒素诱发的左室功能障碍。内毒素诱发的心肌功能障碍是由钙瞬变降低还是肌丝对钙的反应性降低所致仍存在争议。假设如果内毒素诱导的钙敏感性降低是其机制，则在内毒素预处理的心脏中，左西孟旦给药后收缩力的增加程度应大于假心脏。然而，缺乏这种作用并不能完全排除内毒素后肌丝对钙的反应性下降，因为导致钙敏感性下降的亚细胞缺陷可能与Ca2+与肌钙蛋白C结合无关，因此与左西孟旦的作用位点不同。内毒素处理豚鼠的心肌功能障碍是由钙瞬变降低引起的和细胞内钙超载。

综上所述，脓毒性休克在临床上病死率高，与传统的正性心肌力药物比较，左西孟旦在改善血流动力学、增加心肌收缩力的同时不增加心肌耗氧量，且不引起致命性心律失常等，多项研究证实了左西孟旦的疗效及益处，表现为改善心功能、血流动力学、微循环、组织氧代谢及内脏功能等。但也有研究表明其对脓毒性休克无益，甚至有不良影响。尽管内毒素损害心肌细胞收缩功能的能力是一个公认的事实，但由于LPS对血流动力学的多种作用，以及所用动物模型的固有局限性，使其体内研究变得困难。我们目前的数据表明，在通常的急性鼠内毒素血症模型中，心脏血流动力学异常完全是由于LV负荷条件的严重改变，而不是由于内毒素的直接负性肌力特性。在这种情况下，将负荷依赖性收缩力指数解释为收缩失败的指标可能在很大程度上具有误导性。多年来，许多研究小组一直试图建立与人类败血症具有适当相似性的动物模型，如用内毒素（LPS）或外毒素（脂磷壁酸）激发和腹腔或静脉给予活生物体。Wichterman于1980年提出了CLP模型;此后，许多动物种属被用于通过CLP诱导败血症，包括大鼠、小鼠、绵羊和犬。到目前为止，这种脓毒症模型被认为是最现实的条件，在实验和临床情况之间建立了平行关系。这种损伤是一种临床相关且可接受的急性腹膜炎模型，已被用于研究对感染的全身反应，与肠穿孔和多种微生物急性腹膜炎的临床情况非常相似。此外，在小动物（如小鼠和大鼠）中，该模型可通过简单的外科手术诱导，无需生长和定量细菌或制备接种物。CLP模型大大有助于我们理解脓毒症的许多病理生理学和免疫学特征，并被认为是脓毒症的金标准模型。然而，它并不能重现临床情况的整个复杂性。临床前动物实验可能过于简单，因为动物通常年轻，没有共病。相反，脓毒症患者年龄往往较大，有潜在的共病，两者都是脓毒症易感性和结局的强预测因素。此外，动物模型中未给予抗生素和支持治疗。目前大多数关于左西孟旦治疗脓毒性休克都是小样本的随机试验，仍然需要进行大样本、随机、双盲设计的研究以支持其实际治疗效果，以作出更加客观的评价。

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