心力衰竭的生物标志物研究进展

项光俊 朱宁

心血管疾病的生物标志物研究一直在进行，但心力衰竭（heart failure，HF）的生物标志物在临床和实验室中能被应用的仍很少。就临床潜力而言，新型生物标志物的价值主要取决于其在HF患者治疗中的实用性[1]。此外，生物标志物与疾病结局一致性的程度，以及它对于已明确诊断工具的替代作用也决定了候选生物标志物的潜在临床价值[2]。新型生物标志物在临床应用前，必须评估其在检验HF进展风险、危险分层和对于治疗反应监测的能力[3]。除临床价值外，用于实验室诊断的理想概念生物标志物应该有更高的可靠性，更少的处理时间以及合理的成本。因此，在目前已知的HF生物标志物中，只有少数能满足上述条件，有临床和实验室应用的价值。

为了更好地研究目前HF生物标志物的进展，对最近几年提出的新型HF生物标志物进行了全面分析。根据Braunwald[4]的病理生理学分类，将生物标志物划分为不同类别，发现目前已经和即将使用的生物标志物至少反映了HF中存在的包括心肌牵张、心肌细胞损伤、心室重构、炎症、肾功能不全、神经体液活化和氧化应激7个病理生理过程。本文就HF相关的生物标志物研究进展作一综述。

1 心肌牵张相关的生物标志物

HF患者水钠潴留会导致血流动力学负荷绝对或相对增加。为了应对压力或容量超负荷的影响，心脏细胞产生利钠肽来改善心肌舒张。某些利钠肽已被充分验证并确立为HF诊断和预后的生物标志物。心钠素（atrial natriuretic peptide,ANP）和脑钠肽（B-type natriuretic peptide,BNP）就是利钠肽中的典型代表[5]。ANP和BNP具有许多生物学功能，例如尿钠排泄、利尿和血管舒张，它们的产生是慢性HF患者的代偿机制。欧洲心脏病学会指南（2016）建议对可疑或确诊的HF进行BNP及氨基端脑钠肽前体（n-terminal-pro-B-type natriuretic peptide,NT-proBNP）测定用于诊断和监测病情[6]。但肾功能、肺疾病、肥胖、年龄和性别等因素都可能影响血浆BNP和NT-proBNP水平[7]。BNP的半衰期较短，约为20 min，因为它在循环中被血浆内肽酶（主要是脑啡肽酶）降解。与BNP不同，NT-proBNP是通过肾脏代谢，因此其半衰期更长（60～120 min），其血浆水平比BNP高3～5倍。在欧洲心脏病学会指南（2016）和美国心脏协会指南（2013）中BNP和NT-proBNP都被推荐用于诊断HF（且达到最高证据水平），无论是对门诊呼吸困难患者还是住院急性失代偿性HF患者，可用于HF诊断、评估疾病严重程度以及预后的临床决策[6，8]。此外，对HF患者进行BNP或NT-proBNP连续评估对于指导HF的治疗更有意义[9]。

2 心肌细胞损伤相关的生物标志物

HF的典型病理生理过程是凋亡或坏死引起的心肌细胞死亡[10]。心肌细胞的凋亡和坏死可能是由于心脏灌注和氧供应减少或心肌壁压力增加所致，此外，循环神经激素水平升高、高肾上腺素能活动、炎症和氧化应激也可能起作用。因此，临床上已对HF患者心肌损伤有关生物标志物开展了广泛的研究。

2.1 心脏肌钙蛋白（cardiac troponins,cTns） cTns是参与骨骼肌和心肌收缩的调节蛋白。cTns包括心脏肌钙蛋白 I（cTnI）和心脏肌钙蛋白 T（cTnT），是慢性HF患者的预后生物标志物。在非急性冠状动脉综合征的HF患者血浆中检测到cTnI，提示心肌壁压力增加，心肌灌注和氧供应减少伴或不伴肾清除率降低，可能导致细胞凋亡和心肌坏死。血浆cTns水平与左心室射血分数密切相关。在非急性冠状动脉综合征的急性HF患者中，血浆cTnI水平高于cTnT，并且两者的血浆水平均与死亡率呈正相关[11]。欧洲心脏病学会指南认为cTnI用于诊断急性和慢性HF证据水平最高，并且多数研究指出cTns在HF患者预后中的重要性[8]。Brouwers等[12]研究结果表明血浆cTnT水平可预测HF患者的不良临床结局。此外，Grodin等[13]研究报道血浆cTnI水平是慢性HF患者死亡率的强力预测指标之一，结合BNP，预测结果更准确。在慢性HF患者中，仅以血浆cTns水平不足以指导疾病全程的诊治。因此，多生物标志物的方法被推荐用于慢性HF患者。

2.2 心脏脂肪酸结合蛋白（h-fatty acid binding protein,H-FABP） H-FABP是由126～137个氨基酸组成的小细胞内脂质结合蛋白，分子量约为15～20 kD。由于HFABP在心肌细胞中的含量很高，因此在心脏损伤后20 min之内即可快速检测到H-FABP。3～4 h后血浆水平达到峰值，并在18～30 h内回落到正常范围。HFABP可能是慢性HF风险评估的有用工具。Sun等[14]报道慢性HF的儿童血浆H-FABP水平升高，并与疾病严重程度有关。Niizeki等[15]的研究结果表明，入院时BNP和H-FABP联合检测可能有助于慢性HF患者心源性死亡和非致命性心脏事件的危险分层。Cabiati等[16]的研究表明，在机械性循环支持的终末期HF患者中，高血浆H-FABP水平表明存在更严重的心肌损伤，与患者预后不良相关。

2.3 谷胱甘肽S转移酶P1（glutathione s-transferase p1,GSTP1） GSTP1代表了谷胱甘肽S-转移酶超家族中最普遍的哺乳动物同工酶，它们在排毒和抗氧化应激中具有重要作用[17]。HF的复杂病理生理过程使JNK和p38信号通路的激活增加，这可能导致心肌细胞凋亡增加。GSTP1表达的增加说明了慢性HF患者存在对氧化应激或促炎性刺激的细胞反应[18]。因此，GSTP1作为潜在的生物标志物，在监测慢性HF患者的心功能方面受到了广泛关注。Andrukhova等[19]研究发现GSTP1可能与终末期HF相关。尽管HF患者血清GSTP1和proBNP均会升高，但与proBNP相比，血清GSTP1具有更好的诊断效能。此外，在HF患者的左心室功能预测中，proBNP的特异性低于GSTP1[20]。

3 心室重构相关的生物标志物

心室重构导致的收缩和舒张功能障碍在HF进展中起到了关键的作用。心肌细胞纤维化使心肌整体收缩力下降，纤维化加重使心室顺应性下降，心室重构更加明显，心肌收缩不能发挥有效的射血效应，形成恶性循环，导致HF走向不可逆转的终末阶段。现已发现多种生物标志物有助于HF及心室重构的诊断、治疗及预后判断。

3.1 半乳糖凝集素（galectin,Gal）-3 Gal-3是嵌合型Gal家族的成员，包含碳水化合物识别结合的结构域，能够特异性结合β-半乳糖苷。Gal-3参与细胞黏附、活化、增殖、凋亡以及迁移[20]，在急性和慢性炎症以及组织纤维蛋白生成中有潜在作用[21]。动物研究表明，Gal-3在组织纤维化和心室重构中发挥关键作用[22]。考虑到Gal-3在心脏重构中的作用，它可能参与HF发生和发展的重要过程，近年来开始将其作为HF的生物标志物[23]。Rehman等[24]的研究表明NT-proBNP在HF诊断中具有更好的生物标志物效能，而Gal-3在预测急性或急性失代偿性HF患者60 d内死亡率方面优于NT-proBNP。

3.2 可溶性抑制致瘤性2（soluble isoform of suppression of tumorigenicity 2,sST2） 在过去的几年中，sST2作为一种新型的HF生物标志物引起了人们的关注，该标志物代表了炎症、纤维化和心脏压力[25]。位于2号染色体上的抑制致瘤性2（suppression of tumorigenicity 2,ST2）基因编码两种ST2蛋白的亚型：膜结合受体形式的ST2和sST2。膜结合受体形式的ST2属于IL-1受体家族，参与由IL-33信号介导的重要免疫调节作用。IL-33的分泌主要是由于由心脏成纤维细胞和心肌细胞的机械应变所导致，接着影响下游信号传导途径的激活，从而防止了心肌肥大。作为IL-33“诱饵受体”的血浆sST2水平升高，可以减轻IL-33的这种心脏保护作用[26]。在各种癌症和炎症，包括HF在内的疾病中，血浆sST2水平均显著升高。值得注意的是，血浆sST2水平不受年龄、肾功能或BMI的影响，与其他生物标志物（尤其是利钠肽）相比具有优势[27]。基于众多研究表明sST2与HF的严重程度和不良结局相关，该生物标志物已被纳入美国心脏协会指南（2013）中，用于对急性和慢性HF患者进行额外的风险分层[28]。未来有望通过监测血浆sST2水平来指导HF的治疗。

4 炎症相关的生物标志物

在HF进程中，慢性炎症代表渐进性的心脏抑制机制之一，与疾病的发病机制、进展、严重程度和预后密切相关。生长分化因子（growth differentiation factor，GDF）15是转化生长因子β超家族成员，作为应激反应性细胞因子，通常被认为与心脏代谢风险相关。在慢性HF中，血浆GDF-15水平升高与HF严重程度、神经激素激活、炎症、心肌细胞损伤以及肾功能不全的其他生物标志物（BNP、cTns、CRP）有关[29]。此外，Tromp等[30]研究表明GDF-15可作为左心室射血分数保留的HF患者的生物标志物。无论是否存在冠心病或其他确定的危险因素，在轻中度至重度左心室舒张功能不全的HF患者中，血浆GDF-15水平均升高与左心室射血分数正常保留的HF相关。

5 肾功能不全相关的生物标志物

由于急性或慢性HF患者的肾功能可能会明显下降，因此已发现一些新的肾脏生物标志物，以此来帮助HF患者的早期诊断以及监测和预后评估[31-32]。中性粒细胞明胶酶相关的脂蛋白（neutrophil gelatinaseassociated lipocalin,NGAL），也称为 lipocalin-2（LCN-2），属于lipocalin蛋白家族。许多研究表明NGAL具有早期识别急性肾脏疾病的作用[33]。肾功能下降在急慢性HF患者中发病率和死亡率均显著增加，因此NGAL也被认为是HF的生物标志物[34]。NGAL也被认为在HF发病机制中发挥作用。中性粒细胞的活化和NGAL释放参与了HF过程中炎症反应的发展[35]。终末期HF患者血清NGAL水平与HF严重程度和放置心室辅助装置（VAD）后血流动力学改善相关[36]。

6 神经体液活化相关的生物标志物

HF的标志之一是神经体液活化。作为自主神经系统的一部分，交感神经系统以及作为副平衡的副交感神经系统在维持心血管稳态中起着关键作用。交感神经系统和其他神经体液因子的活化代表了一种代偿机制，该机制甚至在临床症状出现之前就已激活。通过这种机制，衰竭的心脏尚能维持对周围组织的足够灌注。另一方面，交感神经系统和肾素-血管紧张素-醛固酮系统过度活化，以及副交感神经系统的活性降低，NO信号调节异常和炎性细胞因子释放，进一步促进了HF的发生、发展[37]。

肾上腺髓质素（adrenomedullin,ADM）属于降钙素基因相关肽超家族[38]。Iring等[39]研究显示内皮细胞能活跃地合成并分泌ADM，这种具有有效血管舒张作用的肽与NO和内皮素一起被认为是血管内皮的分泌产物。HF患者ADM水平升高与疾病严重程度相关[39]。ADM水平升高也与左心室射血分数降低、肺动脉压升高和舒张功能障碍密切相关[40]。但是ADM在血浆中的半衰期短且不稳定，它的临床应用受到限制。因此，开发出了更稳定的分析物，即中间区域片段的肾上腺髓质素（mid-regional fragment of pro-adrenomedullin adrenomedullin,MR-proADM）。Pourafkari等[41]研究显示MR-proADM用于急性HF患者具有评估预后的价值。此外，MR-proADM可能是急性失代偿性和慢性HF患者不良预后的独立预测指标[34，42]。尽管MR-pro-ADM作为一种生物标志物在HF检测和心血管死亡的预测中具有极好的灵敏度，但由于它在各种疾病中表现为广泛升高，其特异度较差。

7 氧化应激相关的生物标志物

氧化应激在HF的病理生理过程中具有重要作用。慢性HF中的氧化应激被认为是循环神经激素和炎症因子增加、血流动力学异常以及氧供应减少的结果。另一方面，慢性HF患者氧化还原平衡的紊乱可能通过对重要细胞分子的氧化损伤或通过影响参与细胞存活和死亡的细胞信号转导而进一步损害心脏功能。硫氧还蛋白（thioredoxin,Trx）1在维持各种细胞的氧化还原平衡中起着至关重要的作用。多项动物模型研究表明，心脏中的Trx1抑制病理性心肌肥大[43]。此外，Trx1对于离子通道的修复至关重要，并能增加心肌收缩力、血管生成和改善线粒体功能。有研究表明HF患者的血浆Trx1水平明显升高，这与疾病的严重程度和氧化应激程度相关[44]。Otaki等[45]的研究也证实了Trx1预测慢性HF患者预后的作用。由于Trx1在心脏肥大中的病理生理意义，该蛋白对于慢性HF患者的早期识别以及预测预后作用需要进一步研究。

8 总结

由于多种原因的限制，传统的评估和管理HF的方法可能具有局限性。近年来，能够对HF患者进行准确风险分层并提供有关HF患者监测和预后评估的生物标志物的数量增多。功能基因、蛋白质、代谢组学以及生物信息学方面的进展有助于揭示哪些生物标志物可能对HF的诊断、预后和监测提供有益的信息。在众多HF生物标志物中，BNP家族已经成为诊断和排除HF的金标准，并被广泛应用于临床，但其仍有局限性。对判断HF严重程度及预后有参考价值的生物标志物包括 cTns、H-FABPs、NGAL、ADM、Trx1等。今后的发展方向必然是建立多项生物标志物联合检测体系和进行前瞻性的随访研究，识别出能够独立预测疾病转归的标志物，同时将这些标志物应用于疗效评估和靶向治疗，以便对HF患者精准治疗以及降低HF的死亡率及再入院风险。