脓毒症心肌病发病机制研究进展

丁宣尹,雷 迁

(1.成都医学院,四川 成都 610500;2.四川省医学科学院·四川省人民医院,四川 成都 610072)

脓毒症是创伤、感染、休克等临床危急重症的常见严重并发症,是因机体对感染的反应失调而引起的危及生命的器官功能障碍的综合征[1],其90天病死率可达35.5%[2],而脓毒症心肌病(sepsis-induced cardiomyopathy, SIC)是继发于脓毒症的严重心脏并发症,是引起脓毒症患者死亡的重要原因之一,研究显示,脓毒症合并心肌病患者的死亡率高达80%左右[3]。目前SIC的发病机制尚不明确,现就SIC发病机制研究进展进行综述。

1 异常的钙信号

1.1 Ca2+在心脏舒缩中的作用Ca2+是细胞内重要的第二信使,细胞许多的功能都依赖于细胞内外Ca2+的浓度差维持,如果细胞内外的浓度差破坏,则细胞功能会受到损伤,甚至细胞死亡。Ca2+是心肌细胞舒张收缩的主要触发因子,兴奋刺激引起动作电位,动作电位引起细胞膜上的L-型钙通道开放,发动Ca2+的流动,细胞外的Ca2+内流,激活肌质网上的RyR受体,肌质网中的Ca2+大量释放[4],Ca2+与肌钙蛋白C复合物相互结合,促使原肌球蛋白构象发生改变,暴露出肌球蛋白上的横桥结合位点,促进肌动蛋白释放并与肌球蛋白结合,产生肌丝滑动,导致心肌纤维收缩[5]。然后心肌细胞膜上的钠钙交换体将胞质Ca2+泵到胞外、肌质网膜上的钙泵等将胞质中的Ca2+泵入肌质网[4],进而胞质钙离子浓度下降,心肌纤维舒张。

1.2 钙稳态失衡目前有较多研究指出SIC是由于心肌钙稳态失衡所引起。通过腹膜腔注射细菌脂多糖或盲肠结扎和穿孔两种方式造模的脓毒症实验动物分离的心肌细胞总是表现出收缩幅度降低,考虑心肌收缩力降低主要是细胞内瞬变钙上升幅度降低引起的,心肌舒张功能障碍主要是肌浆网钙泵受到抑制引起的[6]。脓毒症引起L型钙通道减少,Ca2+内流减少,同时内质网上的兰尼定受体减少及活性降低,进一步导致细胞内Ca2+浓度下降,心肌细胞收缩力下降。Hobai等[7]将大鼠的心肌细胞暴露于脂多糖(LPS)及肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)等细胞因子中1 min后,发现L-型钙通道的钙离子内流减少,心肌收缩力降低。并在进一步的研究中[8]发现在脓毒症动物模型中,心肌内质网Ca2+-ATP酶和Na+-Ca2+泵表达减少且活性降低,胞质内钙离子失稳态,导致心肌舒张功能受损。另有研究[9]表明脓毒症时,毒素作用导致肌浆网大量的钙离子泄露,以致大量钙离子通过细胞膜进入细胞,导致细胞内钙超载,激活钙依赖性蛋白引起心肌细胞死亡,细胞内钙超载还可引起线粒体膜通透性改变,导致线粒体肿胀、凋亡等。研究指出,脓毒症患者的免疫细胞内钙离子增多,介导炎症因子释放,炎症反应加重,血管通透性增加、渗漏增加,导致心肌损伤、功能障碍[10]。细胞内钙超载是引起细胞功能障碍的重要原因,明确维持心肌细胞钙稳态的机制是治疗脓毒症心肌功能障碍的重要节点。

2 线粒体功能障碍

线粒体功能障碍主要表现为细胞内氧传递和利用障碍[11],可以导致细胞器能量利用失调引起心肌细胞缺氧、降低细胞的应激能力[12]。同时脓毒症也可以破坏线粒体膜的完整性,降低抗氧化能力,增强氧化应激反应,加速心肌细胞凋亡[13]。有研究表明[14],在SIC的动物模型的心肌细胞中可以看到肿胀的线粒体、线粒体膜的完整性缺失、电子密度降低、线粒体基质的凝聚、基质内形成囊泡、线粒体嵴的缩短、缺失、破坏等现象。Zhu等[10]研究发现了脓毒症是通过酪氨酸信号通路导致心脏线粒体损伤、功能障碍,增加氧化应激导致心肌损伤。国外有报道将美洲大蠊的提取物用于改善脂多糖诱导的脓毒症动物模型的心肌损伤程度,同时检测到炎症因子及心肌损伤标志物的表达减少,该研究指出是通过pink1/parkin通路来调控线粒体的吞噬进而引起前述的一系列变化[15]。由此可以考虑pink1/parkin通路可能是SIC的发病机制之一,为SIC的治疗提供了一条新方向。同时,线粒体钙超载可引起结构和功能受损,ATP合成减少,进而影响Ca2+-ATP酶的功能,导致细胞内Ca2+再摄取和排出受阻,由此引发细胞内钙超载和线粒体损伤的恶性循环。线粒体发生功能障碍导致心肌舒张收缩功能障碍,针对线粒体功能障碍的治疗可能是SIC治疗的一种可行方案。

3 心肌细胞炎症损伤

3.1 细胞因子脓毒症患者约半数合并有不同程度的心肌损伤,常伴随着心肌的收缩舒张功能障碍。有研究报道[16],在脓毒症动物模型中多个器官的中性粒细胞浸润增加,过氧化氢酶以及超氧化物歧化酶活性是降低的。也有报道[17,18]指出,在脓毒症患者中,检测到肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素1β(IL-1β)、IL-6、白细胞介素8(IL-8)等炎症因子表达增加,介导炎症反应,导致心肌损伤及心肌功能障碍。

3.2 Toll样受体TOll样受体失调在SIC的发生发展过程中可能发挥作用[19],特别是Toll样受体4(TLR4)通过复杂的信号通路引起NF-κB激活,从而引起活化的巨噬细胞释放炎症因子、及TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、β-干扰素等的表达,增强炎症反应[20]。有研究[21]显示,敲除Toll样受体3(TLR-3)、TLR-4基因,脓毒症动物模型心脏功能得到保护。TOII样受体促进高迁移率族蛋白B1(HMGB1)乙酰化[22],HMGB1通过TLR4和细胞活性氧(ROS)介导肌质网释放钙离子,以致心肌细胞内钙离子释放增加,进一步引起肌浆网钙离子渗漏,肌浆网钙离子含量下降,影响心肌兴奋收缩偶联,心肌收缩力下降。HMGB1引起细胞内ROS增多,增强氧化应激反应,引起心肌功能障碍[23]。

另有研究[24]发现除了Toll样受体外还有其他物质介导了SIC的发生发展,内皮素-1也可激活NF-kB,促进TNF-α、IL-1、IL-6等炎症因子的表达,加重心肌炎症损伤。目前大部分研究认为TLR4/JNK信号通路参与了SIC的发病过程[25],同时有研究认为PI3K/AKT、MAPK等信号通路也是SIC的发病机制[26,27]。

4 血流动力学改变

脓毒症患者通常存在血流动力学的改变,炎症因子以及钙离子稳态失调导致毛细血管通透性增加,以及毛细血管扩张,血管张力下降,导致血管容量降低,出现全身性的低血压[28]。低血压引起冠状动脉灌注压降低,冠脉灌注不足引起心肌细胞缺血,合并心动过速时,舒张期缩短,冠脉灌注期缩短,易导致心肌缺血。有研究[29]报道,脓毒症时内毒素作用,导致全身静脉系统血容量增多,静脉血瘀滞,回心血量减少,前负荷降低,以致心脏功能受到影响。心肌血流变化可能导致心肌灌注不足、缺血、坏死,进而影响心肌舒张收缩功能[30]。目前临床上常采取对脓毒症患者实行积极补液治疗,纠正循环血容量不足,改善心肌灌注。

5 氧化应激

SIC心肌细胞中氧化应激反应过度激活,细胞产生的活性氧物质(ROS)导致心肌细胞的凋亡和死亡[31]。

5.1 ROS的产生细胞利用氧气后产生的含氧活性物质称为ROS,包括超氧化物、过氧化氢、羟基自由基、过氧基、烷氧基、过氧亚硝酸盐和臭氧等[32]。ROS是不同还原状态的氧分子和氧与氢、氮形成的化合物。氧被还原成超氧化物,然后被超氧化物歧化酶歧化为过氧化氢[33]。研究表明心肌细胞中ROS有多种不同来源,包括线粒体和NAD(P)H氧化酶可以还原氧分子,产生超氧阴离子。其中NAD(P)H氧化酶是主要的ROS来源[34],但在急性缺氧时,线粒体可能是产生ROS的主要来源[35]。

5.2 大量ROS引发细胞功能障碍ROS与细胞的氧化还原状态和离子通道功能有关,细胞内过量的ROS可以激活NF-kB,同时诱导ROS释放,导致细胞内ROS堆积,引发细胞凋亡、死亡[36]。ROS可以通过cAMP/PKA信号途径引起线粒体凋亡过程被破坏,代谢途径受影响,血管内皮受损伤[37]。炎症反应、氧化应激均会产生大量的ROS,细胞膜和肌质网膜通透性增加,Ca2+内流和释放增加,细胞内大量的Ca2+堆积,导致细胞功能障碍[31]。脓毒症通过减少心肌细胞ATP、产生大量ROS,使心肌细胞的离子转运蛋白和离子通道失活,从而导致心肌收缩功能障碍。由此可以认为,防治氧化应激反应有利于改善脓毒症患者的心肌功能。

综上所述,SIC的发病机制复杂多样,据目前相关研究指出,异常的钙信号、线粒体功能障碍、心肌细胞的炎症损伤、氧化应激、能量代谢异常等均可导致细胞内凋亡信号转导通路被激活,引发细胞凋亡,心肌细胞损伤,导致心肌功能障碍,心肌功能障碍与脓毒症患者不良预后有关,也是脓毒症患者死亡的重要原因之一。目前关于SIC的发病机制尚不明确,诸多研究指出细胞内钙超载和线粒体损伤是导致脓毒症心肌功能损伤的主要原因,ROS通路的影响也值得重点关注。期待更多的实验研究进一步明确SIC的发病机制,为SIC患者提供可靠的治疗方案,改善患者预后。