蒽环类药物引发心脏毒性的相关机制研究进展

李晓琪，王鑫，姜廷军，刘禹

(哈尔滨医科大学附属第四医院输血科，哈尔滨 150001)

癌症化疗的心脏不良反应对于癌症患者的负面影响可能超过肿瘤本身，治疗的有效性受到累积心脏毒性的限制[1]。临床上最常诱发心脏毒性的化疗药物是蒽环类药物，蒽环类药物常用于治疗实体瘤、乳腺癌、软组织肉瘤、淋巴瘤和白血病等多种癌症[2]。主要代表药物有阿霉素、表阿霉素和柔红霉素等。蒽环类药物引起的心脏毒性可分为3种类型：急性毒性(给药期间)、早期毒性(给药后几天或几个月)和晚期毒性(给药后数年)，通常表现为传导障碍或心律失常。尽管临床应用努力减轻蒽环类药物的心脏毒性，但其在化疗患者中的发生率仍居高不下。

既往认为，蒽环类药物的心脏毒性是通过活性氧和铁的代谢产生，以蛋白水解、坏死、凋亡和纤维化等组织病理生理学改变引起的心肌损伤为特征[3]。但近年研究表明，蒽环类药物可能有其他的损伤机制，如影响拓扑异构酶、Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)、免疫代谢和自噬等[4]。现通过综述并讨论蒽环类药物引发心脏毒性的机制，从不同角度认识蒽环类药物诱导的心脏毒性的复杂性，并为临床蒽环类药物应用提供依据。

1 氧化应激对蒽环类药物心脏毒性的影响

生理状态下，细胞在有氧条件中与活性氧如超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基，活性氮如一氧化氮、二氧化氮持续反应，而活性氧和活性氮的水平在细胞活动中起基础调节作用，轻微增加可以触发氧化还原信号，提高适应性抗氧化反应，从而起到保护作用。但高而持久的活性氧和活性氮水平会引起细胞损伤和内皮功能障碍，导致动脉粥样硬化和心脏损伤的发生[5]。心肌细胞的有限再生和终末分化使它们容易受到蒽环类药物的长期损伤。

1.1有毒自由基的产生 病理状态下，如心脏缺血再灌注损伤和应用蒽环类药物引发心脏毒性，会出现“氧化和亚硝酸盐损伤”的现象，总体上被称为“氧化代谢应激”。蒽环类药物的亲心肌特性使其进入心肌细胞后更容易停留，心肌细胞中富含线粒体，线粒体可以放大还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶的氧化作用，增加活性氧的产生，因此在心脏病理生理学中起到氧化还原中心的作用[6]。

在哺乳动物细胞中，内源性抗氧化酶系如谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等，是主要的内源性抗氧化“防线”，可清除活性氧，但是在蒽环类药物的毒性作用下，抗氧化酶含量减少。高而持久的活性氧和活性氮水平不但会导致肌节退化，线粒体及微粒体结构和功能改变，也会损坏蛋白质结构中一些特定的氨基酸残基，诱导其功能性失活，改变基因表达。同时，它们也可与DNA和染色质相互作用，导致DNA突变或双链断裂[5]。因此，在临床中有毒自由基可成为蒽环类药物治疗时心脏损伤的早期检测指标。

1.2铁代谢诱导氧化应激 游离铁在心肌中的累积是引发心脏毒性的一个重要病理因素。铁通过转铁蛋白受体被细胞内吞进入细胞质，或储存于铁蛋白。铁代谢与心肌病相关，包括心肌肥厚、糖尿病心肌病，以及蒽环类药物的心脏毒性[6]。在细胞代谢过程中，蒽环类药物会导致心肌细胞和组织中的铁蛋白重链表达增加，转铁蛋白受体表达降低，而转铁蛋白是唯一的已知铁转运蛋白[7]。铁代谢与氧化应激相关。铁离子可作为过氧化氢的电子供体参与芬顿反应产生羟自由基。蒽环类药物与铁可结合为蒽环类药物-铁络合物，该络合物不但螯合游离铁，而且可与带负电的细胞膜相互作用引起脂质过氧化[8]。值得注意的是，一些蒽环类药物和铁组合的毒性可能不是简单的累加作用。例如，存在两种不同的机制表明蒽环类药物-铁络合物可以诱导氧化应激。在还原系统中，蒽环类药物-Fe3+被还原为蒽环类药物-Fe2+，它可以与氧反应形成超氧阴离子，然后分解为过氧化氢或发生哈伯韦斯反应产生羟基。另外，蒽环类药物-Fe2+可以直接与过氧化氢反应生成羟基。在缺乏还原体系的情况下，蒽环类药物-Fe3+可以通过分子内氧化还原反应，与Fe2+形成络合物，从而还原其螯合的铁[9]。另外，Octavia等[10]提出蒽环类药物对铁代谢的影响是通过结合细胞内铁蛋白介导的蒽环类药物的代谢产物与铁-S基团形成复合体，即细胞质乌头酸酶/铁调节蛋白1，这种复合体可以增强转铁蛋白信使RNA的稳定性并抑制铁存储蛋白的翻译，同时铁调节蛋白1的减少导致游离铁增加，进而增加了自由基的生成。提示应关注游离铁在蒽环类药物的心脏毒性中的重要作用，建议通过降低铁含量来减轻蒽环类药物的心脏毒性。

1.3钙超载诱导氧化应激 Ca2+水平的变化与氧化应激的发生密切相关。蒽环类药物在线粒体电子传输链的复合体Ⅰ上进行氧化还原反应，释放的活性氧自由基使细胞内外电位差增加，导致Ca2+内流增多[11]。同时蒽环类药物使钙调节基因发生改变，如Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ可以被活性氧氧化激活,使Ca2+通过肌质网渗漏聚集于心肌细胞，形成钙超载[12]。Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶位点的雷诺丁受体2磷酸化增强与心律失常发生率更高有关[13]。另一方面，释放的活性氧自由基干扰氧化磷酸化并抑制ATP合成，导致心肌毒性[14]。研究表明，暴露于蒽环类药物的大鼠心肌细胞胞质Ca2+水平升高，导致激活的T淋巴细胞核因子依赖钙调神经磷酸酶的激活，进一步增强了Fas相关死亡结构域蛋白介导的心肌细胞凋亡[15]。这些研究提示，针对线粒体介导的细胞钙信号转导是心肌细胞调节的关键，靶向抑制细胞内Ca2+水平可能是治疗蒽环类药物介导的心脏毒性的一种方法。

1.4拓扑异构酶2诱导氧化应激 拓扑异构酶2是蒽环类药物诱导心脏毒性的重要介质。蒽环类药物结合DNA和拓扑异构酶2，形成三元拓扑异构酶2-蒽环类药物-DNA裂解复合物，从而诱发细胞凋亡[16]。另一方面，这种蒽环类药物通过激活p53及相应的细胞凋亡通路，引发心肌细胞凋亡[17]。拓扑异构酶2分为两种亚型：拓扑异构酶2α和拓扑异构酶2β。蒽环类药物心脏毒性的机制主要体现在拓扑异构酶2β上，拓扑异构酶2β存在于所有细胞中，DNA双链断裂和心肌细胞凋亡归因于对拓扑异构酶2β的抑制作用。Zhang等[18]证明了拓扑异构酶2β特异性缺失的小鼠可以免受依赖蒽环类药物心脏毒性的侵害。在拓扑异构酶2-DNA复合物存在的条件下，蒽环类药物减少了参与线粒体调控的关键基因的转录，进而抑制心肌细胞中的抗氧化酶系，使抗氧化酶水平降低，从而增加活性氧的产生。与野生型小鼠相比，拓扑异构酶2β缺失的小鼠暴露于蒽环类药物后活性氧水平显著降低[18]。这证实了由拓扑异构酶2和氧化应激诱导的心脏毒性的复杂性。临床上应用的一些具有心脏保护作用的铁螯合剂(如右旋氮杂环己烷)，作为拓扑异构酶2的催化抑制剂，其发挥的保护作用可能与拓扑异构酶2β的相互作用有关，通过阻止拓扑异构酶2-DNA复合物的形成来拮抗蒽环类药物引起的损伤。蒽环类药物诱导的心脏毒性模型中，缺乏拓扑异构酶2β活性的右旋氮杂环己烷没有心脏保护作用[19]。

2 蒽环类药物对心脏炎症及免疫代谢的影响

通常接受蒽环类药物治疗的患者容易引起全身多器官的炎症反应，蒽环类药物通过激活炎症介质的表达，促进白细胞趋化和补体激活，从而诱导心肌细胞损伤。同时氧化应激所产生的活性氧可以增加蒽环类药物依赖性炎症关键受体表达，如TLR[20]。TLR是一类参与天然免疫的跨膜非催化性蛋白质，有连接天然免疫和特异性免疫作用。TLR能够激活心脏固有免疫，触发稳态和修复反应，在内皮细胞、心肌细胞和平滑肌细胞中差异表达，其表达水平的变化可提示蒽环类药物介导的心脏炎症信号。

2.1蒽环类药物对TLR信号通路的影响

2.1.1TLR4 TLR4在心肌细胞表面表达，其与心力衰竭之间存在关联。TLR4激活可由多种配体(如热激蛋白和氧化型低密度脂蛋白)引起，可导致心脏发生炎症反应[21]。Riad等[22]对野生型和TLR4缺陷小鼠(TLR4-/-)分别应用蒽环类药物后，发现野生型小鼠肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)表达上调，原位末端转移酶标记技术检测结果显示，凋亡阳性细胞含量增加，心脏发生脂质过氧化，表明TLR4与凋亡、炎症、氧化应激相关；而TLR4-/-小鼠的左心室功能较好，凋亡、氧化应激和炎症反应减少。表明TLR4表达降低可减弱蒽环类药物诱发的心肌病，改善左心室功能，有望作为蒽环类药物心脏毒性的治疗靶点。

2.1.2TLR2 核因子κB是调节炎症过程的关键转录因子,而TLR2的刺激会导致心肌细胞中活性氧的产生、核因子κB的活化和核易位。动物实验证明，应用蒽环类药物后心肌组织中的TLR2和核因子κB过表达[23]。同时，蒽环类药物刺激促炎介质的产生，如白细胞介素(interleukin，IL)-6、IL-1β、TNF-α。这些炎症介质会导致扩张型心肌病、透壁心肌炎等病理改变[24]。在蒽环类药物诱发的心脏功能障碍中，TLR2的重要性尤为突出，TLR2通过刺激混合的免疫反应引起心脏慢性炎症和组织损伤。在蒽环类药物诱导心脏损伤过程中，高速泳动族蛋白1起重要作用,它是由活化的巨噬细胞和单核细胞分泌的一种细胞因子，对感染和坏死敏感；Ma等[25]建立了一个高速泳动族蛋白1和TLR2的正反馈通路，表明TLR2抑制了高速泳动族蛋白1的表达，因此高速泳动族蛋白1可能通过激活TLR2参与蒽环类药物诱导的心肌病。综上所述，TRL2可能作为保护蒽环类药物心脏毒性的作用靶点，同时高速泳动族蛋白1可能作为蒽环类药物心脏毒性的诊断及预后判断指标。

2.1.3TLR3 目前，关于TLR3的作用了解甚少。有研究表明，TLR3具有保护蒽环类药物诱导心脏毒性的作用。如蒽环类药物处理过的样本TLR3的信使RNA、蛋白质和血清TLR3的表达均明显下降，而TLR2表达量相反[26]。推测TLR2表达量增高或TLR3表达量降低的化疗患者可能会出现心脏功能障碍，但需进一步研究验证。

2.2蒽环类药物导致免疫代谢调节紊乱 蒽环类药物诱导的免疫反应和炎症反应间存在相互作用，并通过调节关键酶(环加氧酶和脂氧合酶)引起心脏损伤[27]。蒽环类药物通过一些不可逆的方式使心脏功能失调、免疫受损，从而破坏心脏清除炎症介质的稳态。人细胞色素P4502J2与蒽环类药物诱导的心脏毒性相关。如阿霉素的代谢产物与人细胞色素P4502J2结合，会抑制花生四烯酸的代谢，损伤心肌细胞[28]。

3 蒽环类药物对心肌细胞死亡的影响

3.1诱发心肌细胞凋亡 细胞凋亡是一种稳定调节的细胞程序性死亡，蒽环类药物处理后的细胞胱天蛋白酶3蛋白被异常激活，细胞凋亡明显增多。可能原因为蒽环类药物通过线粒体依赖性内源途径上调促凋亡蛋白B细胞淋巴瘤/白血病-2相关X蛋白，促进细胞色素C释放，从而激活胱天蛋白酶9，进一步激活胱天蛋白酶3，引发细胞凋亡[29]。同时，死亡受体激活Fas相关死亡结构域蛋白，从而激活胱天蛋白酶8，进一步激活胱天蛋白酶3继而诱发细胞凋亡。另外，胞外信号调节激酶1/2和促分裂原活化的蛋白激酶通过还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸/活性氧系统参与信号级联调节，导致核因子κB活化，致使心肌细胞死亡[30]。值得注意的是，儿童时期应用蒽环类药物治疗的患者，晚年心脏发生严重并发症的风险较高，蒽环类药物促进心肌细胞凋亡是这种不良反应的重要机制[31]。

3.2诱发心肌细胞自噬 自噬是一种细胞分解代谢和完成细胞器更新的高度保守的过程，在生理和病理过程中均起作用。自噬的主要功能是在受到刺激后维持细胞稳态，去除受损的细胞器、细胞内病原体和错误折叠的蛋白质[32]。自噬在蒽环类药物依赖的心脏毒性中具有双重作用。病理条件下，如心肌缺血状态时，增强自噬对心脏具有保护作用[33]。另有研究表明，蒽环类药物可诱导自噬，如通过增加自噬微管相关蛋白1轻链3-II的表达来增加自噬[34]。一些自噬相关蛋白基因，如自噬相关基因(autophagy-related gene,Atg)4、Atg5、Atg12、B细胞淋巴瘤/白血病-2相关死亡启动子在蒽环类药物治疗过程中表达上调[35]。相反，蒽环类药物也会导致自噬通路失调，使自噬过程无法完成[36]，蒽环类药物自噬相关蛋白抑制AMP活化的蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白和unc-51样激酶1途径，降低细胞内AMP/ATP比例，减少自噬[37]。

基于目前研究，蒽环类药物对心肌细胞自噬的影响尚不明确。主要原因是多数研究难以对自噬通量做出系统准确的分析，而且模型的不同(急性大剂量与慢性小剂量)也会影响自噬在不同阶段的过程。在应用蒽环类药物治疗前激活自噬，可以明显抑制心脏损伤，这可能成为一种预防心脏毒性的策略，通过进一步研究有望为临床化疗提供心脏保护。

3.3诱发心肌细胞焦亡 焦亡是程序性细胞死亡的一种独特形式，这种信号通路主要由胱天蛋白酶1调节[38]。细胞受到炎症刺激释放IL-1、IL-18，依次激活焦磷酸化的炎症小体传感器，如核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体，其是细胞内的多种蛋白复合物，在心血管疾病的发病机制中起关键作用[39]。它还可以通过识别非微生物危险信号来激活胱天蛋白酶1并诱导其自动切割和活化，活化的胱天蛋白酶1可以促进IL-1β和其他细胞因子的成熟，引发心血管疾病的无菌性炎症。有证据表明，蒽环类药物处理过的心肌细胞样本中IL-1β水平升高，这是由于蒽环类药物强烈刺激了核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3的表达[40]。此外，过量释放的IL-1β还会刺激其他炎性细胞因子和趋化因子产生。Meng等[41]证明，蒽环类药物可通过增加核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3/胱天蛋白酶1的活性促进心肌细胞焦亡，导致心脏功能障碍，而使用核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3抑制剂可以阻止蒽环类药物带来的这种心脏损伤。因此，揭示蒽环类药物对心肌细胞焦亡的影响及机制，可以为化疗时的心脏保护提供新思路。

4 蒽环类药物依赖的心脏毒性与细胞非编码RNA

最近有研究表明，微RNA(microRNA，miRNA/miR)与蒽环类药物诱导的心脏毒性相关，蒽环类药物处理过的心肌细胞中出现一定水平的miRNA表达异常[42]。Li等[43]的动物实验表明，蒽环类药物处理的小鼠心肌细胞中miR-451表达水平显著增加，抑制miR-451后心脏功能明显改善。另有研究表明，蒽环类药物使miR-208a表达增加，通过抑制miR-208a的表达可以降低转录因子GATA结合蛋白4和B细胞淋巴瘤/白血病-2相关X蛋白的表达，从而减弱细胞凋亡。蒽环类药物可使miR-30家族表达下调，miR-30e过表达可以减少细胞凋亡和活性氧的产生[44]。此外，miR-133a、miR-138、miR-21通过抑制胱天蛋白酶9表达，miR-125b通过抑制胱天蛋白酶3表达，miR7a/b通过抑制多腺苷二磷酸核糖聚合酶表达来减少心肌细胞凋亡的发生；而应用蒽环类药物后的心肌细胞中，miR-29b、miR-499、miR-208b、miR-216b、miR-215和miR-532-3p的表达会上调[45]。

miRNA和长链非编码RNA在细胞损伤过程中相互作用。在应用蒽环类药物治疗对骨肉瘤患者预后影响的调查中，学者发现，与低表达长链非编码RNA CTA的患者相比，高表达长链非编码RNA CTA的患者预后较好。长链非编码RNA CTA与骨肉瘤患者心脏组织中miR-210的表达呈负相关，被蒽环类药物激活的长链非编码RNA CTA通过竞争性结合miR-210促进骨肉瘤细胞凋亡，同时抑制细胞自噬[46]。另外一种细胞毒性机制是蒽环类药物降低了DNA中RNA聚合酶Ⅲ的水平，进而抑制非编码长链RNA nc886的转录，使具有促凋亡作用的蛋白激酶R因不能与nc886结合而被异常激活,导致细胞凋亡[47]。细胞非编码RNA在化疗心脏损伤中发挥重要作用，提示可通过生物信息学工具分析筛选与蒽环类药物相关的非编码RNA，并通过定量聚合酶链反应进一步验证。

5 小 结

虽然蒽环类药物毒性与严重心功能损伤相关，但其仍是血液和实体肿瘤最有效的处方药物。蒽环类药物会诱发氧化应激和炎症反应导致肌节退化、线粒体肿胀、肌质网的液泡降解以及最终心肌细胞死亡，使心肌受到累积的不可逆损伤，降低心脏适应能力，限制了蒽环类药物的临床应用。到目前为止，尚无有效的预防或治疗方法来避免蒽环类药物的心脏毒性，临床医师只能采取限制使用或使用毒性较小的蒽环类药物。因此，深入了解蒽环类药物相关的损伤机制(包括分子学和遗传学)，改进药物以减少心脏毒性，开发早期损伤标志物以预测或早期发现心肌损伤具有重要意义。