脓毒症心肌损伤发病机制及治疗研究进展

黄颖 唐立丽 关于琳 张杰 李小悦

遵义医科大学第五附属（珠海）医院急诊科，重症医学科（广东 珠海 519100）

脓毒症（sepsis）是宿主对感染反应失控而导致的器官功能障碍，是急危重症患者主要死亡原因之一［1］。心脏是脓毒症最易受损的器官之一，脓毒症心肌损伤（sepsis-induced myocardial injury，SIMI）是由脓毒症引起的一种可逆的心肌功能障碍，表现为心脏增大、心室收缩和（或）舒张功能障碍、无心室收缩功能障碍的低灌注、射血分数降低等［2-3］。SIMI 与脓毒症患者预后不良直接相关，约60%的脓毒症患者合并心肌损伤，其病死率高达70% ～90%，是无SIMI 患者的4 倍［2，4］。SIMI 发病机制尚不清楚，主要包括过度炎症反应、线粒体损伤、细胞凋亡和细胞自噬等机制。临床目前缺乏针对SIMI 的有效治疗手段，深入探讨SIMI 的致病机制有助于靶向药物的研发［5］。现本文针对SIMI的发病机制及治疗的新近相关研究作一综述，旨在提高脓毒症心肌损伤患者的预后。

1 SIMI 发病机制

1.1 过度炎症反应 SIMI 与过度炎症反应密切相关，通过炎症信号通路过度释放的炎症介质被认为是脓毒症诱导的心肌损伤的关键因素。Toll 样受体（toll-like receptor，TLRs）可识别不同的病原体相关分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）和损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMPs），触发多种细胞内信号途径，包括NF-κB 和促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）的激活，导致炎症介质的表达介导心肌细胞过度炎症反应，NF-κB 信号通路也参与脓毒症诱导的心肌氧化损伤［6-8］。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）可上调TLR4 水平，激活TLR4/NF-κB 下游信号元件，促进肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）等炎症介质大量释放，导致心肌功能障碍。过度炎症反应可引起前列腺素水平升高，如血栓素和前列环素可能使冠状动脉自律性失调，导致循环和微血管功能障碍［5］。同时，脓毒症诱导MAPK/NF-κB 通路激活致使心肌细胞产生大量TNF，引起心肌细胞炎症损伤［9］。此外，LPS 可激活JAK2/STAT3 和TLR4/JNK等多条通路诱导炎症介质产生，抑制心肌功能、加重心肌损伤［10-11］。因此，减轻脓毒症的心肌炎症反应是改善SIMI 的策略之一。

1.2 线粒体损伤 心肌细胞中的线粒体损伤是SIMI 发生的关键环节［12］。脓毒症时心肌细胞线粒体钙超载、线粒体自噬失调以及线粒体动力学失衡加重心肌损伤。研究发现，TLRs 的激活刺激细胞因子进一步激活外泌体诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，iNOS 过度激活产生循环NO 可导致心血管内皮细胞受损、钙稳态失衡、线粒体损伤，导致心脏功能障碍［7］。脓毒症时可激活补体系统，上调C5a 与其受体发生反应，引起炎症反应和心肌细胞内钙超载［13］。线粒体钙超载触发线粒体渗透性转换孔隙（mitochondrial permeability transition pore，mPTP）开放，导致线粒体膜电位降低、呼吸功能降低、线粒体肿胀以及线粒体外膜破裂，诱发心肌细胞细胞凋亡和功能障碍［12］。研究［14-15］发现，脓毒症小鼠心肌细胞通过影响PKA 活性调节线粒体Na+/Ca2+交换器（Na+/Ca2+exchanger，NCLX）和P2X 嘌呤受体7（P2X purinoceptor 7，P2X7）受体激活Akt/GSK-3β通路导致心肌细胞线粒体钙超载，引起线粒体损伤。受损线粒体通过PINK1/Parkin 通路识别自噬蛋白，启动线粒体自噬，损伤线粒体蓄积并大量释放ROS、细胞色素C 等毒性物质，引起氧化应激，诱导心肌细胞产生过度炎症反应及程序性死亡［16］。氧化应激会干扰信号通路并导致线粒体超微结构损伤，导致线粒体钙和游离脂肪酸水平升高，引起线粒体损伤进而加重氧化应激、内质网应激、细胞质钙超载，加剧心肌细胞损伤［14］。脓毒症心肌细胞存在线粒体裂变亢进、融合抑制、生物合成下降等动力学失衡。动力相关蛋白1（Dynamin-related protein 1，Drp1）是线粒体裂变的媒介。脓毒症时，Drp1 激活介导Drp1/p53 相互作用和线粒体定位异常加重线粒体分裂、代谢异常和氧化应激，导致线粒体功能障碍；抑制Drp1/p53 介导的线粒体裂变，可减少氧化应激，改善细胞呼吸和ATP产生，维持线粒体动力学平衡并改善脓毒症小鼠心肌细胞收缩功能［17］。因此，改善脓毒症后的线粒体结构和功能破坏是治疗SIMI 的有效手段。

1.3 心肌细胞自噬 心肌细胞自噬异常是SIMI的主要致病机制［8］。自噬是细胞利用溶酶体降解自身受损、无用的大分子物质以及细胞器的自我消化过程，通过调节炎症反应和免疫功能、清除受损细胞器及维持细胞稳态在SIMI 中发挥保护作用。雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）是自噬的关键调节剂，参与自噬和细胞凋亡过程。在基础研究中，脓毒症小鼠mTOR复合物表达上升抑制心肌自噬，导致DAMPs 蓄积，加重心肌细胞过度炎症反应及心肌坏死［18-19］。AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是调控稳态的重要激酶。有研究［20-21］发现，SIMI 中自噬反应的机制可能与AMPK 激活或mTOR 抑制的ULk1 磷酸化促进自噬有关，是脓毒症小鼠心肌代偿性保护的重要节点。研究［22］表明，NAD+依赖酶沉默调节蛋白（recombinant sirtuin 6，SIRT6）过表达可激活自噬改善脓毒症心肌损伤。因此，靶向调控自噬相关信号通路有望逆转脓毒症心肌损伤。

1.4 心肌细胞凋亡 心肌细胞凋亡是SIMI 的重要因素。脓毒症期间半胱氨酸蛋白酶-3（caspase-3）、Bax 等促凋亡蛋白与Bcl-2 等抗凋亡蛋白之间的失衡是心肌细胞凋亡的直接因素［23］。脓毒症诱导的过度炎症反应、氧化应激及线粒体损伤可通过死亡受体介导的外源性途径及线粒体/细胞色素c 介导的内源性途径级联活化天冬氨酸特异性caspase-3直接降解细胞DNA 导致心肌细胞广泛凋亡［24］。脓毒症诱导促凋亡信号通路如TNF-α/Bax、JNK/Bax 高表达，Bax 介导线粒体通透性转换孔开放释放大量细胞色素c 触发Caspase 级联反应诱发心肌细胞凋亡［25-26］。脓毒症患者血浆中出现组蛋白和补体激活、C5a与期受体相互作用引起心肌损伤，其中细胞外组蛋白诱导TNF-α/Bax 促进心肌细胞凋亡，导致小鼠左心室舒张功能障碍［13，25］。Bax 同时抑制抗凋亡蛋白Bcl-2 表达，Bcl-2 可通过调控胞质钙稳态、促进还原反应、结合胞外信号ERK 调节激酶（extracellular signal-regulated kinase1/2，ERK1/2）及胞质Bax 等多重方式抑制细胞凋亡［27］。Bax 和Bcl-2的构比是启动细胞凋亡的“分子开关”。目前对SIMI 后细胞凋亡机制的研究主要集中在MAPK 和PI3K/AKT/mTOR 信号通路调控SIMI 心肌细胞凋亡，PI3K/AKT/mTOR 信号通路负调控SIMI 心肌细胞凋亡，因此抑制PI3K/AKT 通路激活可下调心肌细胞凋亡并减轻SIMI［28］。因此，阻断细胞凋亡途径可能是减轻SIMI 的关键靶点。

各机制之间的级联反应和相互作用导致SIMI。自噬在早期被激活，细胞凋亡在晚期被激活，自噬与凋亡之间存在相互负调控关系［8］。细胞凋亡是炎症的触发因素，细胞凋亡和炎症反应信号通路之间存在级联反应。自噬是抗炎的关键，一些自噬相关信号通路的激活可以保护细胞免受炎症反应的影响；然而自噬在心肌细胞应激的早期被炎症反应激活，可能加剧心肌组织损伤。炎症和氧化应激之间通过共同信号通路NF-κB 相互促进作用。SIMI 时机体通常处于氧化应激状态。脓毒症中发生的氧化应激与线粒体损伤密切相关，线粒体损伤引起ROS 的过度产生，氧化应激加重线粒体损伤。此外，心肌细胞凋亡受氧化应激、细胞凋亡和炎症反应的影响，是一种包含炎症反应的细胞死亡，其本质是炎症，由GSDMD 介导激活NLRP3炎症小体，通过胱天蛋白酶、ROS 和NF-κB 信号通路介导脓毒症中心肌细胞凋亡［8，29］。因此，通过介导心肌细胞凋亡的信号通路也为治疗SIMI 提供新的研究方向。

2 SIMI 的治疗

由于SIMI 发病机制的不确定性，目前尚无有效的治疗方法。应对SIMI 的策略是控制原发性疾病，防止继发性SIMI 的发生。目前治疗脓毒症休克的准则是SIMI 治疗的基石，临床治疗包括液体复苏、抗感染、血管活性药物、β-受体阻滞剂及器官支持疗法等［30］，但病死率仍居高不下，且SIMI尚无特定的治疗方法，因此针对SIMI 的发病机制研发靶向药物，旨在提高SIMI 患者的抢救成功率。

2.1 减轻过度炎症反应 干预炎症信号通路、减轻过度炎症反应可有效控制SIMI 的发生发展。研究发现，黄芪多糖可减少心肌细胞炎症反应，下调TLR4/NF-κB 通路活性，维持心肌细胞活力，改善脓毒症所致心脏功能障碍［31］。黄连素也可通过抑制脓毒症诱导的TLR4/NF-κB 信号通路激活和降低炎症因子的表达水平，减轻脓毒症大鼠的心肌损伤，增强心肌收缩和舒张功能，以缓解SIMI［32］。Zerumin A（ZA）是姜黄根茎的潜在成分之一，具有多种药理活性。在基础实验中，ZA 可通过MAPK和NF-κBp65 信号通路抑制LPS 诱导iNOS 和NO 释放，减少炎症因子过度表达，降低氧化应激，减弱心肌细胞的炎症反应［9］。氯沙坦通过NF-κB 和MAPK 信号通路调节减少炎症细胞对心肌的浸润，维持心肌细胞的线粒体动力学平衡，减少炎症反应、氧化应激和心肌细胞凋亡［33］。此外，褪黑激素可下调JAK2/STAT3 通路活性、TAK-242 可抑制TLR4/JNK 通路减少TNF-α 表达抑制心脏炎症反应减轻SIMI，有效控制SIMI 的发生发展［10-11］。因此，可认为抑制炎症炎症介质和调节炎症信号是治疗SIMI 的关键。

2.2 改善线粒体功能 改善脓毒症后的线粒体结构和功能破坏可明显缓解SIMI。在动物实验研究发现，人参皂苷可作用于P2X7 受体激活Akt/GSK-3β 通路稳定线粒体内Ca2+水平，抑制LPS 诱导的心肌细胞凋亡、ROS 水平和线粒体损伤，改善脓毒症所致线粒体功能障碍和心脏损伤，延长小鼠的生存时长［15］。葛根素可通过PINK1/Parkin 通路改善心肌细胞线粒体自噬，有效清除损伤线粒体，维持心肌细胞稳态［34］。左西孟丹是一种可用于治疗SIMI 的药物，是钙离子增敏剂可以直接与肌钙蛋白结合，增加心肌收缩力，但对心率和心肌耗氧量无明显影响。在动物实验证明，左西孟丹可直接靶向PINK-1-Parkin 介导调节小鼠心脏线粒体自噬，减少线粒体分裂，激活线粒体自噬，抑制炎症反应和氧化应激，保护小鼠的心脏功能［16］。在一项30 例严重脓毒症心肌损伤患者的观察性研究中，与多巴胺相比，左西孟旦在改善严重脓毒症心肌损伤患者的心脏功能、减少心肌损伤和减少机械通气时间方面更为有效［35］。鸢尾素通过JNKLATS2 信号通路抑制Drp 1 相关的线粒体分裂，维持线粒体功能，减轻线粒体氧化应激、心肌细胞死亡和心肌功能障碍［36］。总的来说，可通过线粒体靶向治疗，以改善SIMI 的发生，但其疗效仍需临床试验进一步验证。

2.3 调控心肌细胞自噬 调控心肌细胞自噬、维持心肌细胞稳态可显著减轻SIMI 心脏功能障碍。研究显示，辣椒素通过激活AMPK 和unc-51 样自噬活化激酶1（unc-51 like autophagy-activating kinase 1，ULK1）抑制mTOR 增强自噬，维持线粒体功能、改善氧化应激和炎症反应和缓解心脏功能障碍［21］。丙戊酸可促进心肌细胞PTEN 表达和抑制AKT/mTOR 通路增强心肌细胞自噬减轻脓毒症大鼠心肌细胞氧化应激、线粒体损伤和过度炎症反应，改善心肌损伤［37］。褪黑素可激活AMPK 介导的自噬途径，减轻脓毒症小鼠心肌细胞过度炎症反应、线粒体损伤并改善心脏功能［38］。木犀草素通过降低脓毒症心脏组织中AMPK 的磷酸化增强自噬，稳定线粒体膜电位，减轻线粒体损伤、炎症反应和氧化应激，抑制心脏细胞凋亡并减轻心肌损伤［39］。白藜芦醇苷具有抗氧化和抗炎的特性可通过下调SIRT6 或抑制自噬缓解脓毒症诱导的心肌损伤，抑制心肌细胞凋亡，对脓毒症心肌细胞具有保护作用［22］。将来或许通过靶向调控心肌细胞自噬来维持心肌细胞稳态，可为SIMI 的治疗提供新篇章。

2.4 抑制心肌细胞凋亡 抑制心肌细胞凋亡可逆转SIMI 的心肌抑制。MAPK 和PI3K/AKT/mTOR 信号通路的激活是脓毒症心肌细胞广泛凋亡的关键。研究显示，虾青素抑制MAPK 和PI3K/AKT 通路活性，下调Bax/Bcl-2 表达水平抑制心肌细胞凋亡，显著减轻脓毒症小鼠心肌组织过度炎症反应和心肌坏死［28］。黄芪甲苷Ⅳ通过降低NOX4 和Caspase-3 的蛋白水平，改善CLP 诱导的心肌功能障碍和心肌细胞凋亡［26］。在动物模型研究中，组蛋白中和剂可降低心肌细胞外组蛋白和Bax 蛋白水平，改善SIMI 并降低小鼠心肌细胞凋亡［25］。鸢尾素可通过阻断TLR4 和NLRP3 炎症体信号来抑制炎症、心肌细胞凋亡和细胞焦亡，以减轻脓毒症小鼠模型的心肌功能障碍［29］。综上，细胞凋亡通路的激活是SIMI 的发生发展中不可缺少的一环，通过靶向调控心肌细胞凋亡通路，可为治疗SIMI提供新方向。

3 展望

SIMI 与脓毒症患者不良预后密切相关。目前对SIMI 发病机制和治疗方法的研究取得了一定进展。过度炎症反应、线粒体损伤、细胞自噬和细胞凋亡等机制均参与SIMI 的发生和发展，SIMI 涉及的发病机制及介导各个机制的信号通路之间相互交错、关联，基于SIMI 发病机制的治疗策略可能是改善脓毒症预后的有效措施，也将成为今后的研究热点。治疗SIMI 的药物包括中药、西药，可通过作用于不同的信号通路及机制来改善SIMI，但许多药物研究仍处于基础研究阶段，需要大量从SIMI 发病机制到治疗靶点的基础研究再回归临床的证实，为SIMI 找到更多的靶点和药物治疗策略提供临床参考价值。

【Author contributions】HUANG Ying consulted relevant references and wrote the article.TANG Lili and GUAN Yulin revised the article.ZHANG Jie and LI Xiaoyue reviewed the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.