放射性心肌纤维化及其发生机制

顾 静 李海龙 刘 凯 金 戈 李应东 彭晓青 (甘肃中医学院基础课部，甘肃 兰州 730020)

放射治疗是通过电离辐射对被照射肿瘤组织产生的一系列生物效应来达到治疗目的，是肿瘤治疗中不可缺少的手段之一。然而，放射线治疗肿瘤的同时，对人体的组织和器官也可产生不同程度的损伤〔1〕。在进行胸腹部肿瘤如:乳腺癌、肺癌、食管癌、贲门癌、纵隔淋巴瘤、胸腺瘤等恶性肿瘤的放射治疗时，位于纵隔的心脏不可避免受到照射，而引起心包疾患、心肌纤维化、冠状动脉病变及心脏传导系统损伤等，统称为放射性心脏损伤(RIHD)〔2〕。到90年代，当放射治疗一些早期疾病引起的心脏毒副作用甚至超过其带来的益处时，RIHD才得到了足够的重视，然而，目前尚缺乏对RIHD的有效治疗，其根本原因在于对RIHD的原因和发生机制尚未完全阐明。目前多数学者认为，RIHD的主要原因一方面是自由基炎性损伤，放射可以造成自由基的爆发，当这些自由基不能被及时清除时，就会造成DNA损伤，蛋白质、脂类、糖类以及复杂分子的改变，多次照射产生的自由基导致了炎症细胞和组织损伤的积累;另一方面，放射损伤具有迟发效应，因为持久的功能障碍或支持间质的改变，被放射组织的愈合能力会相对减弱，与此相呼应，进一步的实质性细胞衰竭，并伴随替代性纤维变性〔3〕，最终形成心肌纤维化改变。本文将对放射性心肌纤维化及其发生机制作一综述。

1 放射性心肌纤维化

现普遍认为RIHD的病变可分为三型:渗出型、坏死型、纤维化型，三型的提出反映了RIHD的发生发展过程。在该过程中，纤维化是RIHD的终末阶段也是放射迟发损伤的主要形式，如:①RIHD的病人可见心肌与心内膜纤维化，特别是在晚期，心肌有弥漫性纤维化斑和不规则形状奇异的“放射性纤维细胞”出现，其意义和作用尚不清楚。心脏平均受照42 Gy后，平均随访36个月可有63%的患者发生心肌间质纤维化〔4〕;②放射导致的纤维化也可能导致动脉粥样硬化，加剧冠心病;③RIHD中瓣膜异常也可能是由于邻近瓣环的心肌纤维化引起，结果造成畸变与功能损伤;④放射损伤后，心脏节律的改变可能是由于局部缺血和纤维化影响了传导系统;⑤RIHD时，血管通透性增加，大量浆液性纤维性液体外渗，形成渗出性心包炎，严重时可伴有心包填塞症状，Ling等〔5〕报道用心包切除术治疗各种原因引起的缩窄性心包炎(其中由放射线引起的占13%)，大多数患者的症状得到缓解，5、10年生存率分别为78%、57%，但放射线诱发的缩窄性心包炎疗效较其他原因引起的差(5、10年生存率分别为30%、61%)。

2 放射性心肌纤维化的机制

2.1 放射性心肌纤维化与细胞因子 放射引起的纤维化是一个多细胞相互作用的结果:由于照射后血管内皮细胞肿胀引起早期急性炎症性病变，中性粒细胞浸润，巨噬细胞和单核细胞的激活促进了一些细胞因子的释放，如肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素(IL-1、IL-6、IL-8)、单核细胞趋化因子、血小板源性生长因子(PDGF)、转化生长因子(TGF)-β等，另外还发现有一些原癌基因暂时性高表达(c-fos、c-myc、c-jun等)，这些细胞因子和原癌基因在心肌纤维化的形成中起重要作用〔6，7〕。

2.2 放射性心肌纤维化与血管病变 放射致血管损害是心肌纤维化的基本病因。早期，内皮细胞增殖和小动脉变性、血管内膜胶原沉积可导致管壁增厚和管腔狭窄，其结果是毛细血管和心肌细胞比例较照射前显著降低，心肌血供减少，导致心肌缺血、纤维化〔8，9〕;Michael〔10〕也认为在损伤的初期，心肌毛细血管内皮细胞发生进行性损伤、肿胀、坏死，毛细血管壁破裂，血栓形成，最后消失;在中期达高峰，晚期可见毛细血管数目明显少于肌细胞数目。此时内皮细胞可以进行一定程度的代偿更新，但仍难以重建受损伤的毛细血管网，微循环不足造成缺血最终形成纤维化。

2.3 放射性心肌纤维化与心肌成纤维细胞 放射性纤维化实际上是一个由外而内的渐进性纤维化过程，是心肌胶原合成与降解失衡的结果，主要表现在:心肌成纤维细胞(CFs)的增多，CFs占心脏容积的25%和心脏细胞总数的70%，是心肌纤维化的主要效应细胞〔11〕。CFs分泌的胶原在正常情况下能维持心脏的几何构型，羟脯氨酸浓度的变化可代表胶原水平的变化，反映心肌纤维化的程度〔12〕。CFs还可合成和分泌TGF-β1，通过与TGF-β1型受体结合，刺激受照射组织的上皮增生、CFs增生、胶原沉积和纤维组织形成，参与心肌纤维化的过程〔13〕。体内实验证明，TGF-β1与肾脏、肝脏、肺脏等重要脏器受照射后出现的纤维化有密切关系〔14，15〕，体外实验也发现 TGF-β1能诱导成纤维细胞的增生并促进其分裂成熟〔16〕。因此TGF-β1被认为是目前在纤维化过程中起关键作用的细胞因子之一，从实验结果来看，在放射性损伤早期，TGF-β1 mRNA的表达较组织学的变化更明显，因而能较早提示组织纤维化的发生。陈伟等〔17〕对瘢痕的研究亦发现，TGF-β1的两种受体在增殖期的瘢痕中表达增强，这可能与增殖期成纤维细胞快速增殖，细胞外基质大量分泌有关。因此，在照射初期使用下调TGF-β1表达的药物，有可能抑制纤维化的起始阶段;而在照射后持续使用这类药物，还有可能减缓甚至逆转纤维化的不断形成。

2.4 心肌纤维化中放射所致的氧化应激与内质网应激、线粒体及钙稳态的关系 自由基和活性氧(ROS)是电离辐射对生物系统作用的重要产物，氧化应激在辐射效应的发生机制中起重要作用。ROS包括过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH·)、超氧阴离子(O2·-)。MnSOD是有氧代谢细胞内重要的抗氧化酶，MnSOD在胞质中翻译后转位到线粒体，在线粒体中催化超氧阴离子(O2·-)转变为H2O2，有研究报道，辐射可引起CFs中SOD活性下降，羟脯氨酸含量增加〔18〕。

氧化应激的作用目标一是内质网的蛋白质折叠和钙储存，二是线粒体，早期电子显微镜观察结果显示放射损伤中线粒体Ⅳ级致空泡变、肌浆网明显扩张(Ⅲ、Ⅳ级改变)〔19〕。有报道心肌细胞放射损伤可致线粒体结构破坏，功能受损，能量代谢障碍〔20〕。

2.4.1 ROS对内质网应激的影响

2.4.1.1 ROS导致内质网蛋白折叠错误 放疗辐射中产生的大量ROS是引起内质网中未折叠蛋白质应答(UPR)诱发内质网应激(ERS)的重要原因之一〔21〕。ROS能使内质网腔内蛋白质被氧化修饰并滞留于内质网腔内，同时，ROS通过诱导内质网折叠酶或分子伴侣的功能异常引起未折叠蛋白积累〔22〕，内质网分子伴侣GRP78则从PERK上解离而改为与非折叠蛋白结合，失去GRP78的PERK则发生磷酸化。内质网内的蛋白质如GRP78/BiP的形成，蛋白二硫异构酶/PDI及钙网蛋白都具有促进蛋白质的折叠、二硫键的形成以及蛋白糖基化的功能〔23〕，这些酶功能的维持需要游离的巯基，氧化应激也攻击这一基团，从而抑制蛋白的正确折叠。总之，放疗辐射中产生的ROS促进内质网UPR，进而引起ERS。

2.4.1.2 ROS抑制Ca2+-ATPase Lewen等〔24〕在小鼠缺血缺氧细胞模型中证实有ROS的产生，内质网钙泵对氧化损伤也敏感，氧化损伤抑制了Ca2+-ATPase的活性，而Ca2+-ATPase是一个已知的ERS的启动因子，因此推测放射时ROS通过抑制Ca2+-ATPase而影响内质网 Ca2+的贮存，从而引起细胞ERS〔25〕。

2.4.2 ROS和线粒体 由于内质网和线粒体较接近，能互相影响各自的功能，线粒体中产生ROS，可能使得内质网膜上的脂质超氧化，并破坏内质网的蛋白。而内质网产生的少量活性氧以及内质网腔内钙释放入胞浆中，可引起线粒体的膜电位降低，抑制呼吸链，加速产生超氧化物，触发线粒体膜上的MPTP孔开放，引起瀑布样级联反应，产生大量活性氧，活性氧进一步启动钙从内质网钙池释放，导致线粒体内钙积聚，这反过来又增加了活性氧的产生，放大氧化应激及钙负载，触发恶性循环。由此推测，放射产生的ROS把ERS与线粒体功能变化紧密的联系起来，其反应机制涉及UPR、钙离子的平衡以及氧化应激等机制，当然尚有一些未知的细节有待进一步研究。

2.4.3 钙超载与TGF-β1 最近有学者应用焦锑酸钾分子探针技术对心肌细胞内钙分布研究表明，放射性心肌损伤的早期改变是膜通透性增大，后者将导致细胞内环境改变，进而诱导细胞水肿、线粒体肿胀，膜损伤还将引起膜的离子泵异常，使细胞内钙超载，进而导致心肌损伤〔26〕。

内质网是细胞内钙储存的主要场所，内质网主要通过其膜上的蓝尼叮受体(RyR)和1，4，5-三磷酸肌醇受体通道(IP3R)，将钙离子释放入胞。再通过其膜上的钙泵(SERCA)将钙离子从胞质中摄入到内质网腔中，从而维持细胞内钙稳态平衡。放射时氧化应激致ERS，Ca2+从内质网腔释放到胞质中，胞质中的 Ca2+水平增高，激活细胞质中的需钙蛋白酶(calpain)〔27，28〕，该酶大小亚单位自体降解后开始降解底物〔29〕。Gressner等〔30〕的研究发现，TGF-β可能是calpain的作用底物，前述放射致纤维化时，CFs数量增多，其合成和分泌的TGF-β增多，因此我们产生这样的疑问:钙稳态失衡和TGF-β有何关系?放射性心脏纤维化的产生是否与这条信号通路有关系?这有待进一步的研究。

3 小结与展望

RIHD的主要危害是心肌纤维化。辐射通过改变SOD活性，产生大量的ROS，导致RES、线粒体功能改变而引起钙失衡，进而改变TGF-β的数量和活性，影响CFs的增殖活动，最终造成心肌纤维化，这是放射致心肌纤维化的可能途径，其具体机制有待探索。随着这些机制的深入研究必将为防治RIHD提供新思路和靶点，比如放疗前后只要清除或下调ROS和TGF-β，或者调解内质网和线粒体的活动，稳定钙离子水平则有可能有效保护心脏，提高放疗对恶性肿瘤的总体有效率。

1 黄志松，杨燕琼.心脏放射性损伤的心电图改变特点〔J〕.临床心电图杂志，2001;10(2):104.

2 顾文栋，冯 炎.放射线诱发心脏损伤的病理学机制〔J〕.中华放射肿瘤学杂志，2004;13:110-2.

3 Denham JW，Hauer-Jensen M.The radiotherapeutic injury-a complex'wound'〔J〕.Radiother Oncol，2002;63:129-45.

4 Veinot JP，Edwards WD.Pathology of radiation-induced heart disease:a surgical and autopsy study of 27 cases〔J〕.Hum Pathol，1996;27:766-73.

5 Ling LH，Oh JK，Schaff HV，et al.Constrictive pericarditis in the modern era:evolving clinical spectrum and impact on outcome after pericardiectomy〔J〕.Circulation，1999;100:1380-6.

6 Rodemann HP，Bamberg M.Cellular basis of radiation-induced fibrosis〔J〕.Radiother Oncol，1995;35:83-90.

7 Gyenes G.Radiation-induced ischemic heart disease in breast cancer〔J〕.Acta Oncol，1998;37:241-6.

8 Quarmby S，Kumar P，Kumar S.Radiation-induced normal tissue injury:role of adhesive moleculars in leukocyte-endotholial cell interactions〔J〕.Int Cancer，1999;82:385-95.

9 Com BW，Trock BJ，Coodman RL.Irradiation-related ischemic heart disease〔J〕.J Clin Oncol，1990;8:741-50.

10 Michael A.Cardiovascular sequelae of therapeutic thoracic radiation〔J〕.Prog Cardiovasc Dis，1991;33(5):299.

11 Brilla CG.Renin-angiotensin-aldosterone system and myocardial fibrosis〔J〕.Cardiovasc Res，2000;47(1):1.

12 Mukherjee D，Sen S.Collagen phenotypes during development and regression of myocardial hypertrophy in spontaneously hypertensive rats〔J〕.Circ Res，1990;67(6):1474-80.

13 Bujak M，Frangogiannis NG.The role of TGF-beta signaling in myocardial infarction and cardiac remodeling〔J〕.Cardiovasc Res，2007;74(2):184.

14 Mori H，Yoshioka H，Mori K，et al.Radiation-induced liver injury showing low intensity on T2-weighted images noted in Budd-Chiari syndrome〔J〕.Radiat Med，2002;20(2):69-76.

15 De Jaeger KD，Seppenwoolde Y，Kampinga HH，et al.Significance of plasma transforming growth factor levels in radiotherapy for non-small cell lung cancer〔J〕.Int J Radiat Oncol Biol Phys，2004;58(5):1378-87.

16 Huang Y，Wongamorntham S，Kasting J，et al.Renin increases mesanial cell transforming growth factor-betal and matrix proteins through receptor-mediated，angiotensin II-independent mechanisms〔J〕.Kidney Int，2006;69(1):105-13.

17 陈 伟，付小兵，葛世丽.增生性疤痕形成和成熟过程中TGF-β1、TGF-β3及其受体的基因表达变化〔J〕.中华整形外科杂志，2004;20(4):308-10.

18 刘 野，李应东.当归红芪超滤膜提取物含药血清对辐射心肌成纤维细胞SOD和羟脯氨酸的影响〔J〕.甘肃中医学院学报，2010;27(3):1-3.

19 李 瑛，高春玲，王瑞芝，等.辅酶Q10对大鼠心肌放射效应影响的研究〔J〕.中华放射肿瘤学杂志，1998;7(4):260.

20 Cilliers GD，Harper IS，Lochner A.Radiation-induced changes in the ultrastructure and mechanical function of the rat hear〔tJ〕.Radiother Oncol，1989;16(4):311-26.

21 Malhotra JD，Miao HZ，Zhang KZ，et al.Antioxidants reduce endoplasmic reticulum stress and improve protein secretion〔J〕.PNAS，2008;105(47):18525-30.

22 Takeshi Hayashi，Atsushi Saito，Shuzo Okuno.Oxidative damage to the endoplasmic reticulum is implicated in ischemic neuronal cell death〔J〕.J Cereb Blood Flow Metab，2003;23:1117-28.

23 Rabek JP，Boylston WH，Papaconstantinou J.Carbonylation of erchaperone proteins in aged mouse liver〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2003;305:566-72.

24 Lewen A，Matz P，Chan PH.Free radical pathways in CNS injury〔J〕.J Neurotrauma，2000;17:871-90.

25 Viner RI，Huhmer AF，Bigelow DJ，et al.The oxidative inactivation of sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase by peroxynitrite〔J〕.Free Radic Res，1996;24:243-59.

26 刘尔东.放射性心肌损伤心肌细胞内钙分布的改变及丹参的影响〔J〕.中华放射肿瘤学杂志，1993;2(2):109.

27 Azuma M，Shearer TR.The role of calcium activated protease calpain in experimental retinal pathology〔J〕.Surv Ophthalmol 2008;53:150-63.

28 Boehning D，Patterson RL，Sedaghat L，et al.Cytochrome c binds to inositol(1，4，5)trisphosphate receptors，amplifying calcium dependent apoptosis〔J〕.Nat Cell Biol，2003;5:1051-61.

29 Mehendale HM，Limaye PB.Calpain:a death protein that mediates progression of liver injury〔J〕.Trends Pharmacol Sci，2005;26:232-6.

30 Gressner OA，Lahme B，Siluschek M，et al.Activation of TGF-beta within cultured hepatocytes and in liver injury leads to intracrine signaling with expression of connective tissue growth factor〔J〕.J Cell Mol Med，2008;12:2717-30.