心力衰竭相关膈肌功能障碍的潜在机制和治疗策略

刘祖林， 刘 蓉

随着老龄化的来临，心力衰竭(heart failure， HF)已成为一个亟待解决却又难以处置的公共卫生问题[1]。吸气功能受损出现的呼吸困难和劳累型疲劳是HF的主要症状，限制患者的生存状态，膈肌是主要的吸气肌之一，其功能障碍是HF患者的一个显著特征[2]，称为心力衰竭相关的膈肌功能障碍(heart failure associated diaphragm dysfunction, HFaDD)[3]。研究表明, HFaDD可能和膈肌重塑、细胞特异性功能障碍和膈肌萎缩等有关，临床也缺乏针对性的治疗措施。现就HFaDD潜在机制及治疗策略进行综述，以期提高临床对HFaDD的认识，为其治疗提供参考和借鉴。

1 HF相关的膈肌功能障碍的潜在机制

1.1 膈肌重塑

1.1.1 膈肌兴奋-收缩耦联的重塑 兴奋-收缩耦联的结构和功能完整是膈肌功能正常的基础，是指肌膜上的动作电位触发机械收缩的中介过程。有研究[4]发现，HF大鼠模型中膈肌神经肌肉连接处扩张和烟碱乙酰胆碱受体胚胎型亚基的表达增强，在膈肌神经肌肉连接处引起的变化表现为神经变性和去神经支配[5]。HF的发展可能会加速去神经支配及相关神经营养因子的丧失，继而引发膈肌无力，导致吸气肌功能指标如最大吸气压和跨横膈膜压力的减低。最大吸气压和跨横隔膜压力主要反映膈肌等长收缩。当HF时膈肌等长肌力下降20%～40%[6]。扩张性和缺血性的HF动物模型中均观察到最大的强直性收缩中等长收缩力的下降，与HF类型无关，等张收缩特性也会因HF而受损。峰值功率输出是速度和等张收缩力缩短的产物，可以评价膈肌收缩障碍程度(如HF小鼠膈肌峰值功率下20%～50%，最大缩短速度可降低20%～30%)[7]。因此, 体外电刺激膈肌等长和等张收缩特性的损伤是HF破坏膈肌兴奋-收缩耦合的强有力证据。HF时，膈肌兴奋-收缩耦联重塑常表现为去神经支配和神经肌肉连接异常，神经营养因子减少，是膈肌功能障碍重要原因[8]。

1.1.2 伸缩装置重塑 HF导致膈肌组织蛋白和肌球蛋白重链(myosin heavy chain, MHC)的比例损失,肌联蛋白的缺失导致肌丝晶格间距变宽，肌节不稳定，有可能降低钙敏感性和膈肌最大收缩力[9]。HF导致膈肌中肌凝蛋白在体外运动试验中滑动速度减慢20%，可能是由于肌凝蛋白ATP酶活性的降低[10]。HF动物肌球蛋白重链Ⅰ型和Ⅱa型纤维增加，同时肌球蛋白重链Ⅱb型纤维减少[11]。有研究[12]报道了在接受心脏移植或放置左心室辅助装置的严重HF患者中，Ⅰ型纤维增加(P<0.0001)，Ⅱb型纤维下降(P<0.001)，充分表明在HF发生、发展中肌凝蛋白轻链、原肌凝蛋白和肌钙蛋白(C、I和T)亚型出现从快到慢的转变。膈肌伸缩装置重塑有可能导致膈肌纤维缩短、速度更慢，从而使峰值功率更低。

1.2 膈肌细胞特异性功能障碍

1.2.1 肿瘤坏死因子-α(tumor mecrosis factor-α, TNF-α)和白细胞介素-6(interleukin-6, IL-6) 在HF患者中，TNF-α和IL-6被认为是导致HF膈肌异常的假定循环因子，通过动物体内注射TNF-α、体外暴露TNF-α或心脏特异性过表达，TNF-α均可导致膈肌收缩功能损失15%～20%[13]，膈肌收缩力降低，而膈肌厚度无明显变化，可能是由于心肌特异性TNF-α过表达[14]。在大鼠模型[15]中观察到，IL-6水平增高，其膈肌收缩力虽无明显减低，但膈肌中Ⅰ型、Ⅱa型、Ⅱb型纤维萎缩。TNF-α和IL-6表达水平是HF有关的膈肌无力和萎缩的触发因素。

1.2.2 鞘磷脂酶(sphingomyelinase, SMase) 鞘磷脂在细胞信号通路中起第二信使的作用，SMase可水解鞘磷脂产生神经酰胺及磷酸胆碱，是鞘磷脂信号转导的重要组成部分。HF导致SMase中性亚型活性增加20%，引起横膈膜神经酰胺的积累[16]。中性SMase和神经酰胺是膈肌收缩力异常的介质。通过体外暴露于SMase或神经酰胺模拟HF时膈肌状态，发现通过破坏收缩器功能，可降低膈肌收缩幅度、钙敏感性和抗疲劳能力[16]。通过由还原型辅酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotied phosphate, NADPH)氧化酶和线粒体的活性氧(ROS)，以及钙蛋白酶(Calpain)的激活，介导SMase刺激引起膈肌无力，继而导致氧化还原失衡，蛋白质氧化，引发膈膜萎缩，从而损害膈肌收缩功能[17-18]。

1.2.3 线粒体的ROS HF提高了膈肌线粒体内ROS的释放，膈膜中ROS的主要来源是NADPH氧化酶和线粒体, NADPH氧化酶2(Nox2)亚基的mRNA和蛋白水平升高，而Nox2亚基p47phoxis的磷酸化是NADPH氧化酶激活和ROS生成的关键步骤[19-20]。线粒体靶向抗氧化剂可阻断膈肌线粒体ROS，使HF中的膈肌收缩幅度正常化，是HF中膈肌功能障碍信号通路的重要组成部分[21]。线粒体过氧化氢酶过表达，影响膈肌收缩功能障碍，可能是通过诱导ROS释放，引起肌丝和兴奋-收缩耦联蛋白对ROS敏感[22]，从而降低膈肌收缩幅度、钙敏感性和抗疲劳，出现膈肌细胞特异性功能障碍[23-25]。

1.3 膈肌萎缩

1.3.1 血管紧张素Ⅱ (AngⅡ) 和儿茶酚胺诱导的过度通气 膈肌萎缩可因细胞变性、蛋白质降解增强或蛋白质合成受损而发生。雄性CD-1小鼠实验主动脉缩窄引起压力过载诱导的HF模型显示，膈肌无力的主要原因是肌肉质量的减少，而不是内在肌细胞力量产生减少。膈肌萎缩可能与膈膜中参与内质网未折叠蛋白反应的信号分子[血红素加氧酶1(HO-1)、蛋白激酶R样内质网激酶(Perk)、X框结合蛋白1(XBp1)和XBp1剪接变异表达]增加而导致的内质网应激有关。Perk的下游靶点，真核翻译起始因子2α(EIF2α)，在被Perk激活后，磷酸化的情况下抑制膈肌蛋白质翻译的起始。此外，通过EIF2α脱磷酸化，促进蛋白质合成的内质网应激蛋白(C/EBP homologous protein, CHOP)的表达也显著减少。AngⅡ和儿茶酚胺通过功能上的相互依赖机制来调节通气驱动，诱导中枢神经系统介导的呼吸动力增加，Perk等表达增加，影响Ca2+处理，导致内质网应激，激活下游靶点EIF2α过度磷酸化，从而限制膈肌蛋白翻译。因此，膈肌萎缩是Perk表达增加和EIF2α磷酸化诱导的蛋白合成受损的结果。通气驱动的中枢神经激素(AngⅡ和儿茶酚胺)长期激活而不解除时，会抑制蛋白质合成，导致膈肌萎缩和无力[26]。

1.3.2 AngⅡ-Nox2-ROS诱导的氧化应激导致膈肌萎缩 在小鼠体内输注AngⅡ会导致膈肌萎缩[27]。AngⅡ介导的肌肉 ROS 生成增加，部分归因于血管紧张素Ⅱ-1型受体(AT1R)介导的Nox2活性增加和线粒体ROS产生升高[28]。研究[29]表明, ROS是膈肌萎缩和收缩功能障碍的病因之一。AngⅡ输注4周后，缺乏Nox2表达的小鼠没有骨骼肌萎缩，而注入AngⅡ的野生型小鼠表现出膈肌萎缩，表明用血管紧张素转换酶抑制剂阻断肾素-血管紧张素系统可以防止HF动物膈肌萎缩，可能存在AngⅡ诱导的不依赖于ROS激活而导致膈肌萎缩的机制[30]。

1.3.3 泛素-蛋白酶体蛋白水解途径的激活途径激活 横膈膜萎缩和肌原纤维蛋白降解需要蛋白水解途径的激活。上述所有途径(细胞因子、AngⅡ、SMase、ROS及Calpain的激活)都激活了肌肉中的蛋白水解信号[31]。HF患者膈肌内钙稳态失衡，引起细胞内钙浓度升高，Calpain活性增加,原纤维蛋白会被Calpain切割和移除，泛素-蛋白酶水解途径激活，膈肌纤维分解，抑制蛋白酶体会钝化膈膜MHC降解和膈肌收缩幅度降低[32]。这些研究表明, Calpain激活及泛素-蛋白酶体途径的激活是HF膈肌萎缩的重要原因。

2 HFaDD治疗

2.1HFaDD的非药物治疗 心力衰竭患者常合并一些严重影响代谢的基础性疾病，在严重甲状腺功能减退、甲状腺功能亢进、低磷血症和高血糖可严重影响膈肌的功能，纠正这些基础疾病十分必要[33]。运动通过对抗由ROS引起的胰岛素敏感性降低，使葡萄糖摄取增加，膈肌纤维类型改变和改善线粒体功能障碍，产生适当的蛋白质降解和蛋白质合成；耐力训练可防止氧化应激和泛素-蛋白酶体系统过度活动，并逆转HF中膈肌萎缩[34]。HF患者经过一定的耐力训练后，夜间呼吸困难情况改善，呼吸功能均得到改善[35]。膈神经刺激已经广泛应用于高度脊髓损伤和肌萎缩侧索硬化晚期患者肌收缩，可有效防止膈肌萎缩，还可以用来缓解呼吸机诱导的膈肌功能障碍。膈肌起搏是一项通过电刺激膈肌达到消除膈肌疲劳，增强收缩力的治疗手段，是HF患者膈肌无力的潜在治疗手段。

2.2HFaDD的药物治疗

2.2.1 抗氧化治疗 维生素E等抗氧化剂通过减轻氧化应激，来改善膈肌萎缩和收缩功能障碍。抗氧化剂还可能调节蛋白水解相关基因的表达。给动物高剂量的维生素E可以降低半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)和Calpain等[36]几种蛋白酶的表达。用新型线粒体靶向抗氧化剂(SS-31)处理动物，通过对抗氧化应激和防止蛋白酶激活，可防止大鼠膈膜肌肉萎缩[32]。上述治疗还需要更多的随机对照实验进一步评估抗氧化剂对HFaDD的疗效。

2.2.2 钙致敏药物(左西孟旦) 左西孟旦是一种用于治疗急性和晚期HF新的钙致敏药物，通过其与心脏肌钙蛋白C的钙依赖性相互作用促进肌细胞收缩力，具有抗氧化和抗炎特性，可逆转膈肌疲劳[37],而心率、心肌耗氧无明显影响。左西孟旦通过降低氧化应激，增强膈膜肌纤维的收缩力[38]。

2.2.3 坎地沙坦及酒石酸美托洛尔 在HF时，增加的儿茶酚胺激活RAAS，AngⅡ是RAAS的关键介质和儿茶酚胺产生的部分调节剂，并通过中枢神经系统的AT1R和血管紧张素Ⅱ-2型受体(AT2R)介导，导致过度通气，诱发膈肌无力。动物模型中，坎地沙坦和酒石酸美托洛尔使HF小鼠通气水平正常化，而其他血管紧张素受体拮抗剂(ARB)和β-受体阻滞剂则不具有同样的药效，这是因为HF时通气过度驱动的呼吸刺激是通过血脑屏障内的受体介导[2]。能够穿越血脑屏障的AngⅡ(坎地沙坦)和β-ADR阻滞剂(酒石酸美托洛尔)有效地恢复呼吸驱动和缓解膈肌无力，而不依赖于心功能的改善,进而发挥改善过度通气的作用[39]。坎地沙坦和酒石酸美托洛尔可用于治疗HFaDD，临床仍需更多的循证医学的证据来进一步评估。

膈肌重塑、膈肌细胞特异性功能障碍及膈肌萎缩都是HFaDD的原因。HFaDD相关的分子机制包括TNF-α及IL-6介导的SMase激活、ROS过载可导致膈肌细胞特异性功能障碍，AngⅡ和儿茶酚胺诱导过度通气及AngⅡ-Nox2-ROS诱导的膈肌萎缩，泛素-蛋白酶体蛋白水解途径的激活途径。耐力训练、膈神经刺激及膈肌起搏等是非药物疗法已经被用于HFaDD的治疗。目前对于HFaDD的药物治疗仍处于动物实验研究及初步临床试验阶段，维生素E等抗氧化剂、钙致敏药物(左西孟旦)、坎地沙坦及酒石酸美托洛尔等基于不同机制的均可改善膈肌功能。改善膈肌功能障碍有望成为HF呼吸困难治疗新的靶点。