阿霉素诱导心脏毒性的发病机制与防治

王青伟，丁荣晶

北京大学人民医院，北京 100044

阿霉素(adriamycin, ADR)，也称为多柔比星(doxorubicin, DOX)，属于蒽环类抗肿瘤药物。该药自20世纪60年代后期开始用于临床治疗肿瘤，其抗瘤谱广，疗效显著，被认为是治疗实体瘤和血液系统恶性肿瘤最有效的药物之一[1]。DOX属于周期非特异性药物，对各种生长周期的肿瘤细胞都有杀灭作用，其机理主要是通过嵌入DNA并与拓扑异构酶II相互作用，从而阻断DNA复制、RNA转录和蛋白质合成[2-4]。然而，DOX对心肌的毒性作用大大限制了这一高效抗肿瘤药物的临床应用。

1973年Lefrak等[5]首次报道了DOX的心脏毒性，认为它比DOX引起的骨髓抑制作用、消化道和肾脏毒性等更为危险。DOX引起的心脏毒性按发病时间可分为：急性，在给药后的几小时或几天内发生；慢性，发生在暴露后1年内；迟发性，在化疗后数年发生[6-8]，其作用严重程度不一，范围从一过性心功能障碍到充血性心力衰竭[1,7,9]。研究发现，DOX导致心力衰竭发展的最大决定因素之一是其累积剂量。当DOX累积剂量达到400 mg/m2时，心功能不全的发生率为3%～5%；当累积剂量达到550 mg/m2时，心功能不全的发生率增至7%～26%；当累积剂量达到700 mg/m2时，心功能不全的发生率高达18%～48%[7,10-12]。

目前关于DOX致心脏毒性的确切机制还不太清楚，其研究主要集中在细胞核、溶酶体以及线粒体事件上，包括氧化应激、细胞凋亡、细胞焦亡、铁死亡、钙超载和自噬失调等[13-18]。此外，临床上发现DOX导致的心脏损害往往是进展性与不可逆性的，因此需要早期监测和提前预防心脏毒性的发生以及积极治疗DOX诱导的心力衰竭[19-20]。本文就DOX诱导的心脏毒性的发病机制及其防治的进展情况进行汇总，旨在为进一步研究和临床治疗决策提供参考。

1 阿霉素诱导心脏毒性的发病机制

1.1 氧化应激

氧化应激(oxidative stress)是由体内氧化和抗氧化对损伤反应的不平衡引起的[21]。诱导自由基产生往往被认为是DOX引起心脏毒性的主要机制。虽然DOX杀死快速分裂癌细胞的主要机制与DNA损伤有关，但DOX在心肌细胞中表现出的毒性与其代谢引起的自由基形成有关。具体而言，DOX被线粒体呼吸链复合体I中的NAD(P)H氧化酶或一氧化氮合酶(NOS)还原成半醌自由基，可与氧分子反应形成超氧自由基[22]。随后，氧化还原循环导致过氧化氢和羟 自由基的产生[23]。另外，氧化应激也可以通过诱导NOS表达，导致一氧化氮和过氧化亚硝酸盐的形成[24-25]。这种机制与心脏中包括肌原纤维肌酸激酶在内的关键酶的硝化和失活有关[26]。此外，阿霉素-铁复合物的形成会催化芬顿反应(Fenton reaction)，即Fe2+催化过氧化氢转化为羟自由基，从而导致活性氧的产生[27]。有研究表明，只有在DOX浓度非常高的情况下才会观测到DOX对肿瘤细胞的氧化损伤，而心肌细胞高度依赖氧化底物代谢，可能对DOX引起的氧化应激更敏感[9]。此外，DOX还会显著降低内源性抗氧化剂如谷胱甘肽和过氧化氢酶的水平，导致氧化还原失衡并扩大氧化应激反应[28]。在DOX诱导的氧化应激过程中，由任何一种机制形成的自由基都会继续破坏多种细胞成分，包括脂质、核酸和蛋白质，导致膜脂质过氧化、线粒体功能障碍等，继而激活细胞毒性信号通路，引起心肌组织受损。

1.2 细胞凋亡

细胞凋亡(apoptosis)又称为程序性细胞死亡，指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。研究表明，DOX诱发的氧化应激可通过外在(Fas-FasL)和内在凋亡途径直接引发心肌细胞凋亡，并导致严重的心脏功能障碍[25,29]。其中，线粒体依赖的内在通路在DOX诱导的心脏毒性中起着关键作用。该通路通过多种机制激活，包括上调p53导致Bax等促凋亡蛋白上调，下调GATA4导致抗凋亡蛋白Bcl-XL的表达降低等，进而促进线粒体释放细胞色素c，激活Caspasase 9并进一步激活Caspase 3[30-31]。Caspase的活性也可受DOX影响，已有研究证明Caspase 3的激活和细胞凋亡与体内DOX给药有关[32]。在DOX治疗过程中，氧化还原反应的不平衡状态也会影响内质网钙稳态和蛋白质折叠，导致心肌内质网应激，最终也可导致心肌细胞凋亡[21,33]。当内质网应激持续或严重时，有三个凋亡信号通路被激活，包括Caspase 12、c-JNK和C/EBP同源蛋白(CHOP)通路[21,34-35]。此外，DOX还可以通过不直接涉及ROS产生和氧化应激的机制诱导心肌细胞凋亡，其中一个触发因素就是DNA损伤。DOX嵌入DNA中并与拓扑异构酶IIβ(TOPIIβ)结合，抑制DNA和RNA的合成并导致心肌细胞凋亡或死亡[9]。低于触发心肌细胞死亡所需水平的DNA损伤还可能会通过DNA突变的积累导致累积的心脏毒性[36]。

1.3 细胞焦亡

细胞焦亡(pyroptosis)是一种由炎症介导的程序性细胞死亡，表现为细胞肿胀膨大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。非感染性组织(如心脏)中的细胞焦亡可能是通过无菌炎症的损伤相关分子模式(damageassociated molecular patterns, DAMPs)引发的，通过激活TLR4受体启动，导致NLRP3炎性小体形成。这种反应会诱导Caspase 1级联反应的激活，并引起下游促炎细胞因子IL-1β和IL-18等的分泌[16,37-38]。研究表明，在DOX诱导的心脏毒性中，除了细胞焦亡标志物(Caspase 1、IL-1β和IL-18)升高外，还发现TNF-α和促炎M1巨噬细胞的升高，以及IL-10和抗炎M2巨噬细胞的降低[16]。此外，DOX还可以通过激活线粒体中的Bnip3，进而诱导Caspase 3的激活，并最终引发gasdermin E (GSDME)依赖性细胞焦亡[31,39]。其他心脏细胞类型(如内皮细胞和血管平滑肌细胞)中细胞焦亡的存在还需要进一步研究。

1.4 铁死亡

铁死亡(ferroptosis)是一种铁依赖性的细胞程序性死亡方式[40]。心肌中含有丰富的血红素用以合成肌红蛋白、细胞色素等，其中血红素加氧酶-1(Hmox1)是铁卟啉化合物血红素分解代谢过程中的限速酶，可将血红素分解为一氧化碳、胆绿素和Fe2+。研究表明，DOX通过激活Nrf2导致Hmox1上调，进而诱导血红素降解并在心肌细胞中释放游离铁[15]。DOX也可上调转铁蛋白受体(TfR)，导致更多的铁进入细胞[31]。而DOX导致线粒体功能障碍后，铁未能及时用于血红素和铁硫簇的合成或储存于线粒体铁蛋白(FtMt)中，也可导致线粒体内铁过载[31,41]。最终心肌细胞内铁蓄积导致细胞膜特别是线粒体膜发生脂质过氧化，心肌细胞发生铁死亡。DOX本身是Fe3+的螯合剂，甚至可以在没有游离Fe3+的情况下，直接从铁蛋白中提取Fe3+，形成DOX-Fe3+复合物，并且游离Fe2+和Fe3+可能不是DOX处理下DOX-Fe复合物形成和脂质过氧化物产生所必需的[42-43]。DOX-Fe3+以氧浓度依赖的方式被还原为DOXFe2+复合物，然后产生羟基自由基，进而导致脂质过氧化物的产生。此外，DOX还导致谷胱甘肽过氧化物酶4(GPx4)降低，以致脂质过氧化物的清除能力降低，也会进一步加剧脂质过氧化物的聚集[17]。

1.5 自噬

自噬(autophagy)在维持细胞稳态和细胞对各种应激的适应性保护中起着至关重要的作用[44]。自噬可以分为大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬，其中大自噬被认为是自噬的主要类型，通常将其简称为“自噬”[45]。心肌细胞中有两种主要的线粒体自噬通路，PINK1/Parkin通路和不依赖Parkin的Bnip3/NIX通路[46]。近年来，关于DOX对自噬的影响及其在心脏毒性中的作用的报道相互矛盾。多项研究表明，DOX会损害溶酶体酸化和功能，从而抑制心肌细胞中的自噬通量[44,47]。相反，一些研究还表明自噬水平增加，会触发DOX诱导的有害影响和细胞死亡[48]。大多数研究认为，DOX上调心脏自噬并促进DOX诱导的心脏毒性的发生。但也有研究报道，长期抑制自噬可能会导致病理后果[49]。此外，研究表明，心脏对DOX的自噬反应似乎不仅取决于所使用的心脏毒性模型的类型，而且还取决于DOX处理的浓度和持续时间[18]。有趣的是，DOX诱导的自噬反应可能是物种特异性的，因为DOX处理已显示在大鼠模型中刺激自噬，但在小鼠模型中抑制自噬[50]。

1.6 线粒体损伤

线粒体是心肌细胞的动力源，其主要功能是通过氧化磷酸化合成 ATP，线粒体可产生心肌细胞利用的90%以上的ATP[25]。在DOX诱导的心脏毒性过程中，线粒体是最广泛和渐进性损伤的亚细胞器。心磷脂是线粒体内膜的重要组成部分，是一种富含多不饱和脂肪酸的磷脂，与DOX具有高亲和力[36]。DOX通过与心磷脂结合或者与线粒体DNA相互作用，进入线粒体并抑制呼吸链，从而导致能量代谢异常、ROS生成增加和细胞凋亡[21,25]。此外，DOX还引起线粒体通透性转变(MPT)的剂量依赖性诱导，这是一种由于MPT孔(mPTP)的“开放”，线粒体失去了发展和维持跨内膜电化学梯度能力的现象[51]。而阻滞线粒体膜转换孔的开放，可防止DOX引起的线粒体功能障碍和收缩功能受损[52]。

1.7 钙超载

Ca2+在维持心肌细胞兴奋-收缩耦联中起重要作用，钙稳态对维持心肌细胞正常的形态和功能是不可或缺的。研究表明，DOX通过破坏心肌细胞膜结构的完整，影响其通透性，诱发细胞外Ca2+的内流[21]。DOX还可通过降低肌浆网Ca2+-ATP酶(SERCA2a) mRNA的表达水平来抑制Ca2+-ATP酶泵，导致肌浆网对Ca2+的重回收延迟，或直接激活肌浆网膜上的雷诺丁受体(ryanodine receptor, RyR)/钙释放通道，导致Ca2+处理异常[25]。DOX也被证明可以抑制肌膜中的钠-钙交换通道[53]，并增加L型钙通道的活性[54]。最终细胞内Ca2+浓度不可控制地持续增加，高于生理水平必然导致维持细胞结构和功能的重要大分子难以控制的破坏，并引起心脏收缩和舒张功能障碍。

1.8 其他

DOX对肌节蛋白稳定性的直接影响会破坏肌节维持，从而导致心肌功能障碍。肌节的蛋白质，包括a-肌动蛋白、肌钙蛋白I和肌球蛋白轻链2，对心肌细胞结构的完整性和功能有着重要作用[55]。据报道，这些肌节蛋白在心肌细胞的表达被DOX显著下调[55]。研究表明，DOX还可以通过线粒体自噬失调和增加氧化应激来诱导心肌细胞衰老[56]。此外，内皮素-1(endothelin-1,ET-1)、神经酰胺的累积等也被报道与DOX诱导的心脏毒性有关[36,57]。

2 阿霉素诱导心脏毒性的防治

在DOX诱导的心脏毒性尚未发生时，提倡使用DOX时采用一些预防策略，主要包括DOX血药浓度管理、生物标志物及早期影像学检查的发现以及调节药物剂量、采用持续输注或脂质体封装给药方式等[9,36]。也可在使用DOX治疗恶性肿瘤的同时联合使用一些心脏保护性药物。其中，右雷佐生是一种被广泛批准的用于蒽环类药物引起心脏毒性的心脏保护剂，它可以与游离铁螯合，减少DOX-Fe3+复合物诱导的自由基生成，从而减低心脏毒性，但右雷佐生对肿瘤患者远期生存率的影响尚存在争议[9,21,25]。

研究表明，卡维地洛可以通过减少自由基释放和心肌细胞凋亡来防止DOX引起的心脏毒性，表现出非β-受体阻滞剂的功能[21]。此外，Omega 3脂肪酸、他汀类药物、辅酶Q10以及一些天然产品或中药，如白藜芦醇等也被报道可降低DOX引起的心脏氧化应激的发生，从而减轻DOX诱导的心脏毒性[21]。其他一些营养物质，如维生素A和类胡萝卜素、维生素C、维生素E等，造血细胞因子，如促红细胞生成素(EPO)和血小板生成素(TPO)，以及内皮素-1受体拮抗剂(波生坦)等也被证明具有心脏保护作用[7,36,57]。

最后，对于DOX诱导心脏毒性的最严重方式——心力衰竭，目前临床上使用基于收缩性心力衰竭的常规标准治疗方式，包括血管紧张素转换酶抑制剂(ACEI)、血管紧张素受体拮抗剂(ARB)和β受体拮抗剂等药物的应用[7]。但一旦发展为心力衰竭，唯一被认为最成功的治疗选择是心脏移植。尽管付出了很多努力，但在DOX诱导的心脏毒性治疗方面，现有研究证据仍然缺乏。目前对于心脏监测、预防性心脏治疗或选择性治疗来逆转DOX诱导的心脏毒性的治疗标准尚未达成共识，还需要更多的研究数据来提供证据支持[12,25,58]。

3 总结与展望

DOX可治疗多种肿瘤疾病，但心脏毒性限制了其在临床的广泛应用。所有这些研究结果表明，DOX诱导的心脏毒性的发病机制是一个复杂的过程，这些因素之间相互联系互为因果，形成恶性循环，共同促进心脏毒性的发展。而对DOX诱导的心脏毒性的防治措施，目前常规应用证据不足，未来还需要进一步探索。总之，DOX诱导的心脏毒性的具体机制尚未明确，未来仍需进一步探讨和验证这些基本机制，并着力于探讨心肌病变过程中各种机制间的相互作用，制定有效的治疗策略以对抗DOX诱导的心脏毒性，从而为DOX致心脏毒性的防治提供更广泛的思路和实验室依据。