自噬在脓毒症肌肉萎缩中的研究进展

林大卫 吴 进 蒋 鹏

江苏大学附属医院麻醉科，江苏镇江 212001

脓毒症是指宿主对感染的反应失调而导致危及生命的器官功能障碍。2016 年发布的脓毒症指南定义为其以器官功能障碍为核心[1]。全身炎症反应期可累及心脏、肺、肝、肾、胃肠、肌肉等多种脏器，以致后期发展为多器官功能障碍。肌肉功能障碍在脓毒症进程中占据着特殊地位。临床上多见四肢肌肉和呼吸肌无力，可导致患者长期卧床，相关并发症发生率明显增加，生活质量明显下降，总体预后极差[2]。脓毒症引起的呼吸肌萎缩使机械通气时间明显延长，脱机更加困难[3]，并增加停用后呼吸衰竭的复发概率[4]。自噬是指细胞的自食过程，利用溶酶体分解自身组分以维持胞内正常生理活动[5]。研究表明，自噬参与多种疾病的病理生理过程，在脓毒症的进程中也发挥重要作用[6]。本文就自噬对脓毒症肌肉萎缩的影响作一综述。

1 自噬

自噬是一个广泛存在于真核细胞内的自身保护机制，在各种应激条件下，如细胞应激、营养缺乏、微生物感染等启动，产生一种特异性的双层膜结构即自噬体，并将部分细胞质和细胞器包裹其中，再和溶酶体结合形成自噬溶酶体。膜内的组分最终被降解为核苷酸、氨基酸、游离脂肪酸等小分子并运送到细胞质中再利用，主要用于合成大分子物质或ATP，起着支持细胞生存和调控体内代谢平衡的作用。因此，自噬更是一种物质降解途径。研究发现，适当的自噬能够通过降解细胞内受损和有害物质从而保护细胞，但过度的自噬也会造成细胞程序性死亡[7]。因此对于细胞而言，自噬是一把双刃剑。

2 脓毒症肌肉萎缩的相关机制

脓毒症会诱导骨骼肌萎缩[8]。肌肉萎缩特征是肌纤维横截面积、肌核数、蛋白质含量、肌力降低及疲劳性增加和胰岛素抵抗[9]。脓毒症可从不同角度诱导骨骼肌萎缩。研究发现，肌肉质量的调节主要取决于蛋白质降解和合成的相对速率[10]。目前普遍认为脓毒症导致肌肉萎缩，肌肉蛋白质的过度降解占主导因素。Fischer 等[11]发现，给予蛋白酶体抑制剂可阻止脓毒症诱导的肌肉蛋白分解，缓解骨骼肌萎缩。脓毒症期存在严重的代谢紊乱，具体表现为糖、脂肪利用障碍，能量供应主要通过蛋白质降解[12]，机体处于强制高代谢状态，导致蛋白质分解大于合成的负氮平衡。而骨骼肌是人体内蛋白含量最高的部位，也是营养能量代谢最重要的器官，受脓毒症代谢异常的影响最严重。了解蛋白质降解机制，有助于研究发现对抗肌肉萎缩的策略。Doyle 等[13]研究发现，脓毒症涉及肌蛋白降解主要通过泛素蛋白酶体系统的激活和自噬通过Toll 样受体4 信号上调。Morel 等[14]在脓毒症动物模型的肌肉组织中观察到泛素蛋白酶复合体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）的激活。UPS 对降解底物具备高度选择性，不同于自噬溶酶体系统，它可以避开正常的蛋白质，并特异性识别和降解不需要的蛋白质。脓毒症期间UPS 对肌肉萎缩的不良影响小于自噬溶酶体降解途径。

脓毒症期间还存在蛋白质合成水平降低。mTOR通过磷酸化下游的S6K1 和真核起始因子eIF4E 的结合蛋白，促进蛋白质的合成[15]。Shi 等[16]研究发现，脓毒症大鼠萎缩的肌肉组织中，AMPK 明显上调，其抑制mTOR 及下游的S6K1。脓毒症期间，激素的失调[17]、全身炎症反应也参与肌肉萎缩的进程[18]。此外，大量受损和功能失调线粒体的聚集是脓毒症诱导肌肉功能障碍的重要特征。Protti 等[19]发现，脓毒症动物模型的骨骼肌中线粒体功能减退，并且肌纤维中聚集大量异常结构的线粒体。功能障碍的线粒体会产生更多的活性氧（reactive oxygen species，ROS），ROS 不仅可以损伤正常的线粒体，还可以直接损伤周围组织。考虑到骨骼肌功能活动需要巨大的能量支持，肌纤维中富含大量的网状线粒体，导致ROS 严重损伤骨骼肌。

3 自噬与脓毒症肌肉萎缩的关系

自噬是维持体内能量代谢平衡的重要机制，尤其是在代谢活跃的骨骼肌中起到重要作用[20]。自噬更是一种重要的分解代谢途径，与脓毒症诱导的肌肉萎缩密切相关[21]。研究表明，脓毒症期间，自噬在不同器官中发挥着不同利害影响。它更倾向于保护肺部、心脏、肾脏和大脑，以及损伤骨骼肌。但目前自噬对脓毒症肌肉萎缩产生的利弊仍然存在争议。

3.1 自噬可能促进脓毒症肌肉萎缩

脓毒症导致的肌肉萎缩，肌肉蛋白质的过度降解占主导因素。自噬溶酶体途径是机体的重要降解途径之一。Kishtia 等[22]发现，通过构建多种脓毒症模型，早期可以观察到运动肌肉萎缩，至少持续两周，并且在萎缩的肌肉组织中观察到自噬水平明显升高，具体表现为LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ、Beclin-1 明显上调，p62 明显下调，表明脓毒症会诱导骨骼肌自噬。脓毒症期间，运动肌比膈肌更易出现肌萎缩的情况[23]。Stana 等[24]采用盲肠结扎穿孔（cecal ligation and puncture，CLP）构建脓毒症动物模型，发现不同肌肉组织的自噬水平存在差异；其认为运动肌萎缩程度大于膈肌的原因在于运动肌与膈肌由不同比例的快肌纤维、慢肌纤维组成，而快慢肌纤维ROS 水平不同，导致激活的自噬水平高低不同。因此，自噬介导的肌蛋白降解程度存在差异。表明脓毒症肌萎缩程度与自噬水平密切相关。自噬还参与其他降解途径，如非经典钙蛋白酶calpain 6可以通过激活mTOR 信号通路抑制自噬，从而延缓肌肉萎缩[25]。因此，可以采取干预自噬的手段，达到抗肌萎缩的治疗目的。脓毒症期间，机体通过Toll 样受体4信号上调自噬水平。Ono 等[26]发现，外源性给予Toll 样受体4 信号传导的特异性抑制剂TAK-242，可缓解小鼠脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）诱导的骨骼肌萎缩。Cao 等[27]发现，低温可以抑制AMPK 自噬信号，通过下调自噬水平缓解LPS 诱导的骨骼肌萎缩。此外，肾素-血管紧张素系统（renin-angiotensin system，RAS）在调节骨骼肌功能中发挥重要作用。研究表明，经典RAS 轴中血管紧张素Ⅱ促进骨骼肌萎缩[28]。非经典RAS 轴的主要受体为MAS 受体，Cisternas 等[29]发现，Ang（1-7）与MAS 受体结合后，可对抗血管紧张素Ⅱ诱导的肌萎缩。这是通过抑制自噬信号通路实现的，研究者采用注射LPS 构建脓毒症模型，发现Ang（1-7）可以缓解骨骼肌萎缩，并证明Ang（1-7）通过激活MAS 受体下调自噬水平[30]。综上，脓毒症期间活跃的自噬过度降解肌蛋白，可促进肌肉萎缩。

3.2 自噬可能抑制脓毒症肌肉萎缩

研究表明，激活的自噬可以延缓脓毒症导致的肌肉萎缩。Qiu 等[31]认为功能失调的细胞器和有毒蛋白质可促进肌肉萎缩，而活化的自噬溶酶体系统可以将其及时清除，阻止有害物质的积累。因此，抑制自噬会加重肌肉萎缩。比如，脓毒症代谢紊乱的一个重要原因是线粒体损伤。受损线粒体会产生ROS，ROS 继续破坏正常的细胞器包括线粒体，从而产生新的ROS，形成恶性循环。并且蓄积的ROS 也可直接损伤肌纤维。Wu 等[32]通过调控线粒体质量的平衡，脓毒症多器官衰竭得到改善。综上，对线粒体质量的调节可以作为减缓脓毒症肌肉萎缩的潜在靶点。而选择性自噬中的线粒体自噬，可以被ROS 信号通路激活，通过特异性地包裹并降解有害的线粒体，降低ROS 对正常线粒体的侵蚀，起到一定抑制脓毒症高代谢状态的作用[33]。Parkin 是一条非常重要的线粒体自噬的调节通路，其促使CLP 模型中Parkin 的过表达，上调的线粒体自噬通过改善线粒体质量和数量，缓解脓毒症引起的骨骼肌萎缩[34]。

线粒体是能量代谢的重要组成部分，而下丘脑是能量代谢的重要调节中心[35]。Cheng 等[36]发现，下丘脑神经肽的表达在脓毒症高代谢调节中发挥了关键作用。脑内自噬在合适的水平下可以维持脑细胞所需的ATP 生成和蛋白质合成水平，在营养缺乏期间保护神经元[37]。而脓毒症代谢紊乱可打破这一平衡。Cao 等[38]通过激活与下丘脑自噬相关的通路AMPK，发现自噬激活后可改善脓毒症的高代谢水平，进而预防肌肉萎缩。综上，脓毒症期间，可通过激活自噬，发挥特异性清除有害物质的作用，减缓肌肉萎缩。

3.3 利弊争议的可能原因

关于目前自噬对脓毒症肌肉萎缩产生的利弊的争议，一方面，可能是因为脓毒症处于不同时期其蛋白质代谢机制的不同。Crowell 等[39]采用CLP 模型，发现脓毒症急性期前24 h 存在自噬明显上调，24 h 后自噬逐渐下调。下调的原因可能是需要删除受损细胞器和有害的蛋白质减少。假设此时加强自噬，则可以更多地清除细胞内的废物及有毒线粒体等，促进能量循环从而缓解肌肉萎缩。在脓毒症恢复期，随着mTOR 的活性上调同时抑制自噬，肌蛋白合成增加；另一方面，还可能与自噬活跃程度有关。机体中不同组织的基础自噬水平存在差异，骨骼肌中的自噬特别活跃。这可能与骨骼肌本身特征有关，骨骼肌作为人体最要的营养代谢器官，相比其他组织，肌纤维蛋白质合成和降解途径都十分活跃，自噬又是蛋白质降解途径之一。并且，与其他组织比较，骨骼肌在应激状态下的自噬动力学同样存在差异。大多数组织在应激下经历短暂的自噬，这个过程只持续几个小时；相反，骨骼肌中活化的自噬可持续数天[40]。而且，认为自噬抑制脓毒症肌萎缩的观点涉及的研究中，大都是建模时间短暂的研究。综上，短期内加强自噬可以通过清除有害物质，改善肌肉萎缩。然而，脓毒症期间骨骼肌长期处于高自噬水平，肌蛋白大量水解促进肌肉萎缩实际上占据最主要的原因。Hernandez-García 等[41]发现，在猪脓毒症模型中，通过外源性给予氨基酸可以拮抗骨骼肌系统中自噬溶酶体的激活，从而减缓肌蛋白的过度降解。因此，认为自噬对脓毒症诱导的肌肉萎缩起到有害的作用。

4 总结与展望

脓毒症患者常合并骨骼肌萎缩，是影响患者生存质量和高住院率、高死亡率的重要原因。骨骼肌的萎缩与蛋白质的代谢密切相关。探讨脓毒症骨骼肌萎缩机制对积极干预患者的预后具有很大的临床意义。脓毒症导致自噬过度激活，过度降解肌蛋白引起肌肉萎缩。因此，可以通过探究各种手段干预自噬，达到延缓肌肉萎缩的目的。有病例报道发现，行针刺治疗的脓毒症患者肌肉萎缩速度明显小于未行针刺的脓毒症患者[42]。吴梦佳等[43]发现，针刺可影响失神经大鼠骨骼肌自噬相关基因表达。推测病例报道中针刺可能通过抑制自噬，缓解ICU 患者肌肉萎缩。综上，深入探究自噬相关的机制，可为治疗脓毒症肌肉萎缩提供新的思路和方法。