李心瑤 陳俊 李灼

(南京醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院急診/重癥醫(yī)學科,江蘇 南京 210008)

2016年第三次膿毒癥與膿毒性休克定義的國際共識[1]將膿毒癥定義為宿主對感染的反應失調而導致威脅生命的器官功能障礙。當血液循環(huán)、細胞代謝出現嚴重異常時,膿毒癥將會進展為膿毒性休克,大幅度提高了死亡率。膿毒癥心肌病(septic cardiomyopathy,SCM)是嚴重膿毒癥和膿毒性休克常見的并發(fā)癥。SCM并沒有明確的定義,現階段將SCM描述為:(1)心室擴張伴心室順應性增加;(2)射血分數降低,心輸出量沒有變化;(3)對液體復蘇和兒茶酚胺的反應性差;(4)心室擴張及射血分數降低可在7～10 d內恢復;(5)排除急性冠脈綜合征作為病因[2]。在重癥醫(yī)療領域中SCM是一個嚴重的臨床問題,盡管近年來對SCM的認識有了很大提高,但其確切的發(fā)病機制尚未完全明了?，F綜述近期關于SCM發(fā)病機制的研究進展。

1 SCM的發(fā)病機制

1.1 損傷相關分子模式

心肌功能障礙是宿主對感染的反應失調,這種反應失調是由損傷相關分子模式(damage-associated molecular pattern,DAMP)和病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)共同驅動[3]。DAMP是內源性分子,當組織損傷后DAMP從細胞中釋放出來,可作為免疫系統的有效激活劑,啟動并延續(xù)非感染性炎癥反應,導致全身炎癥、器官損傷和死亡[4]。SCM中普遍認同的DAMP包括高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)、組蛋白、熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)、細胞外RNA和細胞游離DNA。

HMGB1是一種在所有哺乳動物細胞中表達的高度保守蛋白[5]。HMGB1可通過偶發(fā)性壞死或受調控的細胞死亡過程(如細胞壞死、細胞焦亡、鐵死亡或細胞凋亡)導致體細胞細胞質膜破壞從而被動釋放。此外,HMGB1也可通過細胞質囊泡主動釋放[4]。最新研究[6-8]表明,脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激心肌細胞后HMGB1表達增加,并且抑制HMGB1活性,可緩解自噬流受阻,減少心肌細胞凋亡。細胞外組蛋白作為內源性DAMP,可能以補體(C5a)依賴性的方式出現,膿毒癥通過釋放C5a引起補體激活,并與其受體(C5aR1和C5aR2)相互作用,導致心肌細胞中NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NOD-like receptor pyrin domain containing 3,NLRP3)炎癥小體和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的激活,以及細胞外組蛋白的出現。這些引起心肌細胞中心肌肌質網/內質網鈣ATP酶2(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase 2,SERCA2)、線粒體鈉鈣交換蛋白(Na+/Ca2+exchanger,NCLX)和鈉鉀ATP酶減少,活性氧(reactive oxygen species,ROS)、細胞內Ca2+累積以及細胞因子釋放,最終導致心肌細胞功能障礙[9]。HSP是維持細胞內穩(wěn)態(tài)的分子伴侶,對免疫反應具有強大的作用[10]。有研究[11]表明,HSP70通過改善線粒體功能障礙和抑制NLRP3炎癥小體介導的細胞焦亡來改善膿毒癥誘導的心肌功能障礙。同時,HSP70也可抑制自噬激活來減少心肌細胞凋亡[12]。除此之外,細胞外RNA及細胞游離DNA釋放到細胞外后可作為DAMP促進炎癥發(fā)展。

1.2 PAMP

LPS也稱為內毒素,是革蘭氏陰性菌外膜的主要成分。LPS在細菌細胞壁破壞后被釋放出來,并以細菌外膜囊泡的形式活躍分泌。LPS信號通路主要涉及LPS與特異性免疫細胞受體的相互作用。Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)家族用于識別細菌PAMP,以及細胞質部分用于細胞內信號傳導。LPS結合TLR4和髓樣分化蛋白2,即TLR4-髓樣分化蛋白2復合物,銜接蛋白隨后被招募到復合物的胞內區(qū)域,激活髓樣分化因子依賴性和非依賴性通路。白細胞介素(interleukin,IL)-1受體銜接蛋白和髓樣分化蛋白88銜接,激活核因子κB (nuclear factor-κB,NF-κB) 和MAPK,導致促炎細胞因子的產生。嚴重的細菌感染和血清中LPS的突然增加,使炎癥因子不受控制地釋放和免疫反應不適當地擴增,導致組織損傷、器官衰竭和死亡[13-14]。

1.3 線粒體功能障礙

心臟需大量的ATP來維持正常的收縮和舒張功能,95%的ATP來自于線粒體的氧化磷酸化[15-16],因此線粒體功能障礙導致的能量代謝衰竭可能參與SCM的發(fā)生發(fā)展(圖1)。

注:mPTP,線粒體膜通透性轉換孔;Drp1,線粒體動力相關蛋白1;Fis1,線粒體分裂蛋白1。圖1 線粒體功能障礙參與SCM的發(fā)病機制

1.3.1 線粒體超微結構的改變

線粒體膜通透性轉換孔是一種高電導通道,暫時開放(可逆)可使Ca2+及ROS轉運到細胞質中,持續(xù)性開放(不可逆)使線粒體內膜對離子和小分子溶質的滲透性突然增加,并允許代謝物質進入線粒體基質,這導致氧化磷酸化的解偶聯,ROS增加,ATP的生產效率降低[17-19]。最新研究[20-21]表明,通過抑制線粒體膜通透性轉換孔的開放和限制心臟組織鈣含量超載,可改善心肌結構和功能障礙。

1.3.2 氧化應激

ROS是正常生理過程產生的產物,線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ和Ⅲ生理性產生少量ROS,生理濃度下ROS在細胞信號傳導和維持組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[22-23]。單個線粒體產生的ROS會誘導其他線粒體產生更多的ROS,這種現象被稱為ROS誘導的ROS釋放現象,過量的ROS產生被稱為氧化應激[24]。膿毒癥可通過增加氧化應激和過量產生線粒體ROS(mtROS),導致線粒體功能障礙。過量的ROS會損傷細胞,并參與各種器官功能障礙。研究[22]表明,ROS會導致SCM中氧化磷酸化通路的特異性損傷(如線粒體呼吸鏈復合體Ⅰ、復合體Ⅳ和F0F1功能障礙),尤其是心肌細胞線粒體損傷。ROS可誘導NLRP3從細胞核向細胞質轉運,解離性硫氧還蛋白互作蛋白可直接與細胞質NLRP3相互作用,形成炎癥小體,引起心肌細胞損傷[25]。抑制ROS累積可阻斷NLRP3介導的心肌細胞凋亡和焦亡,改善心肌功能。目前研究[26]發(fā)現,藥物通過抑制mtROS的產生可改善LPS誘導的心肌功能障礙,為干預SCM提供了新的治療靶點。

1.3.3 鈣超載

在膿毒癥的早期階段,大量的Ca2+從心肌細胞外流入細胞質,導致細胞質中鈣超載,最終誘導線粒體鈣超載。鈣超載引起的線粒體損傷是膿毒癥心肌功能障礙的重要機制。NCLX介導的線粒體Ca2+外排受阻是線粒體鈣超載的重要因素[27]。最近研究[28]驗證了膿毒癥期間PINK1-PKA-NCLX軸在心肌細胞線粒體鈣超載中起重要作用。另外,SERCA2a負責Ca2+從細胞質轉運到肌質網來維持低的胞質鈣水平,膿毒癥中SERCA活性降低而導致胞質鈣水平升高,進而導致線粒體鈣超載[29-30]。有研究[31]表明,心肌細胞丙酮酸激酶M2直接與SERCA2a相互作用并調節(jié)其蛋白表達。丙酮酸激酶M2缺乏導致SERCA2a下調后鈣失衡、心肌細胞凋亡和心肌收縮障礙。通過限制鈣超載可減輕膿毒癥中心臟結構改變和功能障礙[32]。

1.3.4 線粒體動力學機制

線粒體動力學是指線粒體結構的動態(tài)變化,包括線粒體形態(tài)、線粒體在細胞內的分布以及它們沿著細胞骨架的運動。線粒體不斷分裂和融合,形成一個動態(tài)的線粒體網絡,適應代謝變化,保持細胞完整性,防止自噬[33]。在細胞中,線粒體分裂和融合之間存在高度調節(jié)的平衡,從而維持正常的線粒體功能。線粒體分裂是由線粒體動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1,Drp1)和線粒體分裂蛋白1調控[34]。在生理條件下,Drp1主要存在于細胞質中,但在激活后,Drp1被招募到線粒體表面寡聚化與相應受體結合,誘導線粒體分裂。盡管生理水平的分裂對于線粒體質量控制是必要的,但過度分裂會導致線粒體功能障礙和氧化應激增加。抑制Drp1和線粒體分裂蛋白1的相互作用可減少病理性線粒體分裂,促進ATP生成,并預防心肌功能障礙,提高膿毒癥小鼠的存活率[35]。Drp1介導的線粒體分裂可促進SCM的發(fā)生發(fā)展[36],同時,抑制Drp1活性可改善線粒體功能,從而減輕心肌抑制和心肌細胞死亡[37-38]。

線粒體融合由線粒體融合蛋白1/2和視神經萎縮相關蛋白1介導。目前尚無線粒體融合相關蛋白參與SCM發(fā)病機制的研究。

1.4 鐵死亡

鐵死亡是近年來發(fā)現的一種特殊細胞死亡形式,涉及正常生理及多種病理過程。形態(tài)學方面,鐵死亡表現為線粒體體積減小、內外膜密度增加和線粒體嵴減少或消失,但細胞膜保持完整,細胞核大小正常,染色質無濃度變化;生物化學方面,細胞內谷胱甘肽(glutathione,GSH)耗竭,谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4,GPX4)活性降低,脂質過氧化物不能被GPX4催化的還原反應代謝,Fe2+通過芬頓反應氧化脂質,產生大量ROS,促進鐵死亡。胱氨酸/谷氨酸反轉運體是一種氨基酸反轉運蛋白,是由兩個亞基SLC7A11和SLC3A2組成的異源二聚體,參與GSH的合成[39]。

目前研究[40]表明,LPS增加了細胞核受體共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4 ,NCOA4)的表達,NCOA4可直接與鐵蛋白相互作用,并以噬鐵蛋白依賴的方式降解鐵蛋白,從而釋放出大量的游離鐵,進而導致mtROS的產生和鐵死亡。抑制鐵死亡可減輕線粒體損傷,提高膿毒癥小鼠的心臟功能和存活率。膿毒癥中GSH活性、GPX4活性以及SLC7A11蛋白表達水平顯著降低,導致鐵死亡誘導的氧化應激和脂質過氧化。而硫氫化鈉可通過提高GSH水平減輕心肌氧化應激和脂質過氧化來保護膿毒性心肌損傷[41]。白藜蘆醇通過上調Sirt1/Nrf2途徑減少SCM鐵死亡來改善心肌功能障礙[42]。LPS增加了p53和鐵蛋白的表達,但降低了GPX4和SLC7A11的水平?？缒さ鞍?3與之作用相反,并且通過抑制鐵死亡來防止SCM[43]。鐵死亡抑制劑1是鐵死亡的特異性抑制劑,通過抑制TLR4/NF-κB信號通路改善心肌功能障礙[44]。環(huán)維黃楊星D(cyclovirobuxine D,CVB-D)可通過抑制氧化應激、鐵過載、脂質過氧化和Ca2+內流來減少膿毒癥誘導的心肌細胞鐵死亡。在機制上,CVB-D通過IL-6/STAT3/鐵調素軸促進鐵轉運蛋白介導的細胞內鐵釋放來抑制鐵死亡。此外,CVB-D被證明通過激活心肌細胞中的Nrf2/SLC7A11/GPX4軸來抑制鐵死亡[45]。

1.5 細胞焦亡

在細胞和分子水平上,細胞焦亡是SCM的重要病理生理學機制。細胞焦亡的經典形式是由炎癥小體激活的胱天蛋白酶(caspase)家族和Gasdermin蛋白家族Gasdermin D蛋白介導。NLRP3是啟動免疫反應和炎癥小體形成的重要介質,促進促炎細胞因子(如caspase-1、IL-1β以及IL-18)的成熟和分泌,并引發(fā)焦亡。在膿毒癥中,焦亡可導致細胞膜破裂,釋放多種炎癥因子。研究發(fā)現,TLR4激活STING-IRF3途徑,通過敲低STING有效抑制LPS誘導后心肌中NLRP3的表達,而與心肌細胞焦亡相關的caspase-1、IL-1β和IL-18等炎癥因子的蛋白水平也降低。然而,LPS誘導的ROS釋放促進NLRP3向細胞質轉移,并導致硫氧還蛋白互作蛋白與炎癥小體結合,啟動焦亡途徑,導致心肌細胞死亡?？傮w而言,細胞焦亡參與SCM的發(fā)生發(fā)展,通過靶向焦亡機制或上游靶向因子調節(jié)劑以直接或間接的方法抑制細胞焦亡會對心肌細胞產生保護作用[25,46-47]。

2 總結

目前SCM的發(fā)病機制暫不明確,但可見SCM是由多方面因素導致的疾病,微生物毒素通過多種途徑誘導心肌損傷,線粒體功能障礙在SCM的發(fā)生發(fā)展中起重要作用,通過氧化應激、Ca2+失衡等方面加重心肌細胞損傷。除此之外,鐵死亡作為近年來新發(fā)現的細胞死亡形式受到廣泛關注,其中的機制尚需更多的深入研究闡述。這些機制的闡明有助于發(fā)現SCM新的干預靶點,改善膿毒癥患者的預后。