中医药治疗脓毒症心肌能量代谢障碍的研究进展*

刘迎庆,顼志兵

上海中医药大学附属第七人民医院,上海 200137

脓毒症是指宿主对感染的免疫反应失调而引起的器官功能障碍[1]。脓毒症病理发展累及心脏时出现脓毒症心功能障碍(sepsis-induced myocardial dysfunction,SIMD),导致有效循环容量减少,严重影响患者预后[2]。目前,SIMD的定义及诊断标准尚未完全统一,其在脓毒症患者中的患病率约为 10%～70%[3]。线粒体为心脏提供能量,具有调节钙稳态、激素代谢和体温,产生活性氧和氮物质,传导细胞信号,调节细胞凋亡等作用。心肌线粒体功能障碍可诱导氧化应激、细胞凋亡、异常自噬等[4],是引起心肌损伤的重要因素之一。线粒体能量代谢异常与脓毒症诱导的器官功能障碍密切相关[5],对研究SIMD的病理机制具有重要意义。

1 心肌的正常能量代谢过程

生理状态下,为心脏代谢直接提供能量的是腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)。线粒体是细胞内主要的供能细胞器,它主要通过氧化磷酸化合成ATP,其产生途径来源于不同底物的代谢反应。心肌细胞可利用的能量底物包括葡萄糖、脂肪酸、酮体、乳酸、氨基酸等[6],代谢底物的选择则取决于底物浓度、应激状态等[7-8]。其中,约60%～90%的能量来源于脂肪酸β氧化,葡萄糖、乳酸氧化占比为10%～40%,氨基酸和酮体代谢产能极少[9]。作为心肌细胞最重要的两大代谢途径,葡萄糖与脂肪酸的代谢产能有相同的环节。葡萄糖在细胞质中经过糖酵解过程生成丙酮酸,丙酮酸在生成乙酰辅酶A的过程中进入线粒体,同时产生还原型辅酶Ⅰ(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH),乙酰辅酶A经过三羧酸循环释放少量能量,生成NADH、蛋白结合性载体(flavine adenine dinucleotide,reduced,FADH2)两种参与电子传递的重要物质。脂肪酸在细胞质中转化为脂酰辅酶A,进入线粒体基质后通过β-氧化过程生成乙酰辅酶A,并在此过程中产生NADH、FADH2。

线粒体产生的能量主要来源于内膜上的呼吸链,NADH和FADH2是线粒体呼吸链的始动物质。线粒体内膜复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ及辅酶Q、细胞色素等也参与NADH、FADH2两条电子传递链。复合物Ⅰ-Ⅳ通过一系列偶联反应传递电子,获得泵入质子所需的能量。复合物Ⅴ又名F0F1-ATP酶,主要利用质子浓度梯度驱动合成ATP分子。NADH将电子传递给复合物Ⅰ,并泵出4个质子,产生少量能量,然后将两个电子转移给辅酶Q。FADH2将电子传入复合物Ⅱ,同样传递给辅酶Q。辅酶Q将携带的电子传递给复合物Ⅲ,部分电子循环使用,其余到达细胞色素C。复合物Ⅳ是电子链的终端,接受来自细胞色素C的电子。每次反应利用四个电子将一份氧气转化为两分子水,并泵出4个质子。经过一系列质子的泵出,质子浓度梯度得以积累,ATP合酶得以启动,大量的ATP得以产生。

2 脓毒症对心肌能量代谢的影响

心脏是受脓毒症影响较大的器官之一,流行病学显示50%以上的脓毒症患者会出现心功能不全,导致脓毒症死亡率增加40%～70%[10]。脓毒症心功能障碍的致病因素主要包括脓毒症产生的心肌抑制因子(如细胞因子、补体级联、病原体相关分子模式、内源性损伤相关分子模式等)、氧化应激、一氧化氮代谢改变、线粒体功能障碍、细胞内钙运动异常、心肌细胞凋亡、自主神经失调等[3]。其中,能量代谢障碍是心肌细胞损伤的初始环节,也是导致心功能障碍的重要因素之一[11],针对心肌能量代谢障碍的治疗可一定程度上改善心功能[12]。

2.1 氧化应激

2.1.1 活性氧与活性氮生理状态下,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生保持着动态平衡。ROS具有介导信号通路、维持多系统稳态等作用[13],是线粒体氧化代谢的副产物,复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等线粒体酶是产生ROS的主要部位。过量ROS可直接损伤线粒体DNA[14],并通过激活PINK1、PARK2等促进线粒体自噬[15-16],ROS造成的组织缺氧也将导致线粒体呼吸功能降低。脓毒症状态下,病原体及炎症因子刺激单核巨噬细胞产生大量ROS、活性氮,导致抗氧化系统崩溃[17]。一氧化氮可以抑制血小板聚集、调控血管活性、增强中性粒细胞及巨噬细胞的细胞毒性。高浓度一氧化氮使线粒体锰超氧化物歧化酶失活,亦可致复合物I活性降低,抑制呼吸链,加剧电子泄露,从而加重氧化应激损伤[18]。氧化应激的产物过氧亚硝酸盐可使蛋白质变性、膜损伤、DNA损伤,对呼吸链及ATP合酶产生不可逆的抑制作用[19]。针对氧化应激的治疗,抗氧化剂在脓毒症动物模型和临床试验中有较好的效果,抑制诱导型一氧化氮合酶可减轻脓毒症的组织损伤[20-21]。

2.1.2 脂质的氧化过量ROS导致脂质过氧化、蛋白质变性和核酸改变,造成细胞及线粒体结构破坏。脂质过氧化过程生成新的自由基,进一步加剧氧化损伤[22]。心磷脂(cardiolipin,CL)是一种仅存于线粒体膜系统的特异性磷脂,具有提高电子传递效率、增强ATP酶及复合物活性、调控膜通透性及稳定膜结构等功能,极易被ROS氧化。此外,随着CL的破坏,通过CL结合在内膜上的细胞色素C大量释放[23],对呼吸链造成严重破坏的同时促进了细胞凋亡。心肌细胞表面的极低密度脂蛋白受体在心肌能量代谢、脂肪酸表达及线粒体膜稳态中发挥重要作用[24]。ROS使炎症因子和黏附因子表达增加,同时氧化极低密度脂蛋白使其含量明显减少,从而导致能量代谢效率降低[25]。此外,氧化应激诱导线粒体DNA损伤,可进一步加剧线粒体功能障碍[26],引发心肌组织损伤,造成心功能障碍[27]。

2.2 自噬与凋亡脓毒症状态下内毒素、缺氧及氧自由基等可激活细胞凋亡的内在途径,致使线粒体通透性转换孔开放,引起线粒体跨膜电位丧失。线粒体膜的不稳定性增加了细胞色素C的释放,细胞色素C结合并激活凋亡蛋白酶激活因子-1和 pro-caspase-9形成凋亡小体。细胞毒性T细胞通过穿孔素颗粒酶途径及FasL/FasR基因的相互作用诱导细胞凋亡。肿瘤坏死因子-α可以促进线粒体活性氧的产生,降低复合物Ⅰ的活性,抑制线粒体氧化磷酸化反应,增加凋亡相关因子细胞色素C氧化酶释放。此外,凋亡因子caspase-3和caspase-9的激活进一步加剧了线粒体的破坏[28]。

2.3 钙离子超载钙离子发挥着参与细胞信号转导、兴奋-收缩偶联、调节细胞功能及凋亡等作用。脓毒症时,内毒素和细胞因子产生的协同作用常引起低钙血症[29]。另外,脓毒症产生的ROS导致脂质过氧化,激活磷脂酶C,促进三酰甘油和三磷酸肌醇的生成,触发钙信号导致内质网Ca2+的释放及Ca2+跨膜转运失调,线粒体通透性转换孔开放,从而抑制线粒体功能,加重能量代谢障碍。脓毒症时,PINK1可作用于钠钙泵进而影响心肌细胞线粒体的钙稳态[30]。钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅳ同样参与调节脓毒症期间的线粒体稳态及钙平衡[31],氧化应激的增强导致线粒体功能障碍及钙处理的中断[32]。动物实验表明脓毒症模型的细胞存在线粒体结构破坏[33],影响呼吸链的完整性。

3 中医药对心肌能量代谢的影响

目前,中医学者对于脓毒症的病因病机有不同见解。王今达等[34]将脓毒症分为毒热证、瘀血证、急性虚证三大证型;曹书华等[35]提出“四证四法”,即在以上三大证型的基础上加入腑气不通证;刘清泉等[36]认为其基本病机是正虚毒损、脉络瘀滞。另有学者认为“瘀”是脓毒症的始动因素,“瘀”所致的瘀毒内蕴、因瘀致虚、瘀久化热是脓毒症的重要环节,故活血化瘀法应贯穿于治疗始终。综合各家理论,脓毒症的病理因素主要包括毒、热、瘀、虚、腑气不通等[37],因此清热、解毒、补虚等治法可应用于脓毒症的不同阶段。

石玉君[38]观察脓毒症心肌损伤的证素证型发现,实证证素包括痰证、热证与血瘀证,虚证证素包括气虚证、阴虚证与阳虚证,证型以气虚血瘀痰阻证、痰热阻闭证、阴虚热结血瘀证及阳虚痰湿内阻证为主。心肌线粒体能量代谢与心阳关系密切[39],临床上心肌的能量代谢治疗与温补心阳具有共通之处。中医学中的“气”与线粒体功能存在诸多相似之处,益气法可以改善心肌的能量代谢障碍[40]。结合脓毒症的基本病机和脓毒症心肌损伤的特点,温补类、清热解毒类及活血化瘀类中药对于心肌能量代谢障碍有良好的干预作用。

3.1 温补类中药脓毒症心肌能量代谢障碍与阳虚、气虚关系最为密切,温补类中药在相应证型的应用能显著改善心肌能量代谢异常状态。参附注射液具有保护心肌细胞线粒体的作用,可通过上调脓毒症小鼠抗凋亡蛋白Bcl-2表达,下调凋亡蛋白Bid、caspase-9和凋亡片段t-Bid的表达从而发挥改善心肌细胞线粒体结构、抑制线粒体凋亡的作用[41]。四逆汤可以提高心肌细胞的抗氧化能力并促进呼吸代谢,其机制可能与减轻细胞内ROS和脂质过氧化物[42]、增加甲状腺TSH、T3、T4的分泌[43]从而促进细胞代谢和呼吸作用有关。四逆汤可能通过下调凋亡因子caspase-9、caspase-3,减少细胞色素C释放从而发挥抗凋亡作用[44]。具有温通功效的当归四逆汤可通过保护线粒体呼吸链及维持膜电位从而改善能量代谢障碍。当归四逆汤可下调转导系统的RhoA/ROCK通路蛋白表达,抑制ROS和炎性因子,升高线粒体膜电位,减弱线粒体分裂,保护呼吸链[45]。参附益心颗粒是以温阳益气为主要功效的中成药,可抑制人线粒体解偶联蛋白2的过表达[46],从而抑制线粒体膜电位降低,维持ATP的产生效率,增加大鼠心肌ATP含量[47],降低心肌细胞凋亡率[48]。同时,参附益心颗粒可上调心肌细胞的线粒体DNA相关基因NADH脱氢酶亚基1(NADH dehydrogenase subunit l,ND-1)、NADH脱氢酶亚基2(ND-2)、环氧化酶(cyclooxygenase,COX)的表达,其中ND-1、ND-2编码NADH脱氢酶的亚单位,COX直接参与呼吸链,共同作用于ATP的产生过程[49]。参附益心颗粒也可提高稳定线粒体DNA结构的Tfam基因及高能磷酸盐代谢关键酶CK、ANT蛋白表达[50],并调节葡萄糖和脂肪酸两大代谢底物的利用率,使之达到最优平衡,增加心肌供能[51]。生脉饮可调节心肌细胞的线粒体功能,因Beclin-1被调控凋亡的酶caspase-3剪切后产生的C-端碎片可放大线粒体凋亡,生脉饮可能通过抑制caspase-3对Beclin-1的裂解,促进脓毒性心肌病心肌线粒体自噬,从而保护心肌线粒体[52]。以温阳利水为主要功效的加味真武汤可降低膜脂过氧化指标丙二醛及一氧化氮含量,提高抗氧化酶谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)水平,减轻心肌氧化应激损伤[53]以及脓毒症过氧化状态对呼吸链的破坏。

温补类单药中,附子、乌头的主要活性成分乌头碱在脓毒症环境下可激活具有抗氧化、抗炎作用的Nrf2/ARE和NRF1信号通路,同时保护线粒体生物发生,以减轻脓毒性心脏损伤[54]。人参二醇组皂苷通过上调DUSP1、ATP5A1、PGC-1α蛋白,下调PFKM蛋白表达从而对抗氧化应激、促进线粒体发生,发挥改善脓毒症心肌能量代谢障碍的作用[55]。黄芪总提物通过影响脂肪酸代谢中的关键酶如中链酰基辅酶A脱氢酶、长链辅酶A脱氢酶,调整心肌细胞的储能能力以及底物应用比例从而改善能量代谢障碍[56]。五味子素A可通过维持线粒体膜电位、抑制氧化应激和细胞凋亡等保护线粒体功能[57]。

3.2 清热解毒类中药作为脓毒症最常用的治法之一,清热解毒法在不同阶段和证候中均具有重要作用。醒脑静注射液[58]可改善脓毒症大鼠的心肌线粒体结构,降低氧化应激及相应产物丙二醛、iNOS 的水平,改善心肌线粒体复合物Ⅰ、Ⅲ及Ⅳ活性,保护呼吸链功能。黄连解毒汤联合常规治疗可提高脓毒症患者血清SOD的浓度与活性,降低自由基水平[59],减轻氧化应激造成的心肌损伤。

虎杖苷是中药虎杖的提取物,可通过改善心磷脂合成酶1的表达以促进CL合成,维持膜系统及电子链的稳定,减轻线粒体损伤[60]。鸦胆子苦醇可以抑制细胞色素C的释放保护呼吸链,抑制凋亡,从而显著改善大鼠肝线粒体损伤。另外,鸦胆子苦醇预处理的HepG2细胞中线粒体ROS生成显著减少,呼吸功能障碍得到改善[61]。积雪草酸可显著抑制线粒体ROS及丙二醛的产生,增加大鼠肝组织中SOD、过氧化氢酶活性和谷胱甘肽水平[62],通过抗氧化、保护呼吸链、促进代谢等改善肝细胞线粒体的能量代谢障碍。

3.3 活血化瘀类中药“瘀”贯穿脓毒症的病理过程,在辨证基础上可应用于各个阶段。活血化瘀类中药具有抗氧化、抑制凋亡、调节酶活性等作用,对改善能量代谢障碍具有良好效果。血必净注射液是治疗脓毒症的常用中药制剂,由丹参、赤芍、红花、当归、川芎等组成。实验研究表明,血必净能够降低大鼠心肌细胞ROS表达、改善钙离子超载,调整炎症相关信号通路[63]。其中,活性氧的降低对线粒体有一定的保护作用,钙离子超载的减轻对线粒体膜通透性的破坏有一定的改善作用,从而多维度地降低脓毒症对线粒体内环境及电子链代谢的影响,改善脓毒症的心肌损伤[64]。丹参饮可通过升高心肌细胞中抗凋亡因子Bcl-2、降低凋亡因子caspase-3、细胞色素-C,从而抑制心肌细胞凋亡,提高心肌的能量代谢水平[65]。丹红注射液可通过抑制下游丝氨酸/苏氨酸激酶和ERK1/2蛋白表达[66],下调JAK2和STAT3蛋白表达,抑制促炎因子IL-6释放和促进抗炎因子IL-10释放[67],从而改善灌注不足或缺氧状态下的线粒体能量代谢障碍。

红花作为活血化瘀药,其主要成分红花黄色素可降低毛细血管通透性、扩张冠状动脉、提高心肌耐缺氧能力,降低氧化应激对心脏的影响,并通过抑制乳酸脱氢酶和ROS的释放来减少缺血/再灌注损伤[68]。红花具有良好的抗氧化能力,可以发挥保护呼吸链的作用。红花抗氧化的主要活性物质为胡萝卜素[69],其所含的酚类和类黄酮含量与抗氧化能力、自由基清除能力有关[70]。牡丹皮可显著提高SOD和谷胱甘肽过氧化物酶的活性,降低丙二醛含量,提高抗氧化能力[71]。牡丹皮还可调节脂质和葡萄糖代谢[72],如葡萄糖的生物发生与摄取以及脂肪酸的 β-氧化比例,调整底物结构,优化能量代谢效率。具有“活血不留瘀,祛瘀不伤正”特点的中药三七是活血佳品,广泛应用于心脑血管疾病的防治。三七总皂苷是三七的主要有效成分之一,可通过抑制凋亡蛋白caspase-3活性从而减少线粒体凋亡。当线粒体受损时,它可通过抑制乳酸脱氢酶漏出、提高三磷酸腺苷酶的活性改善心肌细胞的能量代谢[73]。中药丹参所含的丹参酮ⅡA、隐丹参酮可抑制线粒体转换孔开放、减少细胞色素C易位,从而减轻线粒体凋亡。此外,丹参可通过调节线粒体酶的活性从而改善能量代谢,例如丹参多酚酸可增强呼吸酶Ⅰ-Ⅳ的活性,丹酚酸A可增强抗氧化酶活性,减少线粒体ROS产生,提高ATP的产生效率[74]。

4 讨论

脓毒症心肌功能障碍是脓毒症发生发展中严重的并发症之一,目前对于脓毒症心肌功能障碍的研究逐渐深入,其中心肌能量代谢障碍是脓毒症性心肌病的重要病因之一。能量代谢障碍主要的病理因素包括脓毒症引起的线粒体氧化应激、钙稳态失调、自噬与凋亡等。目前对于各病理因素的研究尚未完善与透彻,更深层次的通路、分子信号等机制值得深入研究,或可针对病理机制探索更为精准的治疗途径,以期达到更好的疗效。

从中医角度而言,脓毒症的病理因素主要包括“毒、热、瘀、虚、腑气不通”,故清热、解毒、补虚在脓毒症不同阶段均有应用。而脓毒症性心肌病所致的心肌线粒体能量代谢与心阳关系密切,因此在辨证论治的基础上,治疗中以温补类药物的应用为主,根据不同分型及阶段佐以清热、活血疗法。针对脓毒症心肌能量代谢障碍,中医药具有多靶点,多重调节的作用,针对脓毒症心肌能量代谢障碍的治疗可通过氧化应激的减轻、线粒体膜电位的维持、凋亡的抑制、保护线粒体结构、调节呼吸酶活性及激素分泌、调整底物代谢比例等方面改善心肌细胞能量代谢,值得深入研究。此外,整体观是中医重要的理论基础之一,对于中医药治疗脓毒症心肌功能障碍的研究,除了对于单味中药或方剂有效成分的研究,还可以从整体观的角度出发,对脓毒症心肌功能障碍的证型规律进一步总结,归纳各证候相应的治法,以期达到更好的疗效。