蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性的研究進(jìn)展

凌亞豪，鄭敏，靳洪濤

(1 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心，北京 100021；2 龍華區(qū)人民醫(yī)院大浪社康中心，深圳 518109；3 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所新藥安全評(píng)價(jià)研究中心，北京 100050；4 北京協(xié)和建昊醫(yī)藥技術(shù)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100176)

1 前言

蒽環(huán)類(lèi)抗生素(圖1)是由鏈霉素菌屬產(chǎn)生的具有抗腫瘤活性的化學(xué)物質(zhì)。常見(jiàn)的蒽環(huán)類(lèi)抗生素主要包括阿霉素(adriamycin，ADM)、表阿霉素(epirubicin，EPI)、柔紅霉素(daunorubicin，DNR)、吡喃阿霉素(4'-0-tetrahydropyranyladriamycin，THP)、去甲氧柔紅霉素(idarubicin，IDA)、阿克拉霉素(aclacinomycin，ACM)和米托蒽醌(mitoxantrone，MIT)等。蒽環(huán)類(lèi)抗生素具有抗瘤譜廣、抗瘤作用強(qiáng)、療效高的特點(diǎn)，主要用于治療血液系統(tǒng)惡性腫瘤和實(shí)體腫瘤，如急性白血病、淋巴瘤、乳腺癌等，但容易引起骨髓抑制和心臟毒性等不良反應(yīng)。蒽環(huán)類(lèi)抗生素的心臟毒性反應(yīng)在早期表現(xiàn)不明顯，一般呈進(jìn)展性、不可逆性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致病人死亡。因此早期監(jiān)測(cè)和預(yù)防蒽環(huán)類(lèi)抗生素所致心臟毒性具有重要意義[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者與專家對(duì)蒽環(huán)類(lèi)抗生素心臟毒性的特點(diǎn)、臨床表現(xiàn)、機(jī)制和防治等問(wèn)題進(jìn)行研討[2-3]。為了進(jìn)一步規(guī)范蒽環(huán)類(lèi)抗生素的合理應(yīng)用，我國(guó)今年制定了最新的《中國(guó)蒽環(huán)類(lèi)藥物特性專家共識(shí)》[4]。目前關(guān)于蒽環(huán)類(lèi)抗生素心臟毒性的機(jī)制尚未完全闡明。本文主要綜述近年來(lái)蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性機(jī)制的研究進(jìn)展，為臨床防治蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性提供新的研究思路。

圖1 蒽環(huán)類(lèi)抗生素結(jié)構(gòu)式

2 蒽環(huán)類(lèi)抗生素心臟毒性的反應(yīng)分類(lèi)

蒽環(huán)類(lèi)抗生素所致心臟毒性具有劑量依賴性。按照蒽環(huán)類(lèi)抗生素導(dǎo)致的心臟毒性出現(xiàn)的時(shí)間不同，可以分為急性、慢性和遲發(fā)性3類(lèi)[4]。

急性心臟毒性在給藥后的幾小時(shí)或幾天內(nèi)發(fā)生，常表現(xiàn)為心臟傳導(dǎo)紊亂和心律失常，如心電圖的改變等，極少數(shù)病例表現(xiàn)為心包炎和急性左心衰，一般是可逆的。慢性心臟毒性在用藥后1年內(nèi)發(fā)生，表現(xiàn)為左心室功能障礙，最終可導(dǎo)致心衰，病情呈進(jìn)展性改變。遲發(fā)性心臟毒性在用藥后數(shù)年發(fā)生，可表現(xiàn)為心衰、心肌病及心律失常等，病程不可逆。

3 蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性的機(jī)制

3.1 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性的經(jīng)典發(fā)病機(jī)制[5]。蒽環(huán)類(lèi)抗生素具有親心肌特性，其蒽醌基團(tuán)在代謝過(guò)程中可循環(huán)生成大量活性氧類(lèi)(reactive oxygen species，ROS)和活性氮類(lèi)(reactive nitrogen species，RNS)，而ROS或RNS可以在線粒體、肌漿網(wǎng)狀細(xì)胞和細(xì)胞質(zhì)中引起氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化和心肌線粒體DNA的損傷等[6]。心肌細(xì)胞富含線粒體，是ROS或RNS產(chǎn)生的主要場(chǎng)所。蒽環(huán)類(lèi)抗生素進(jìn)入心肌組織后，降低了谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GSHPx)、過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等的含量，ROS或RNS由于不能被及時(shí)清除而導(dǎo)致過(guò)量累積，從而造成心臟內(nèi)能量代謝障礙，損傷心肌細(xì)胞[7-8]。Pereira等[9]研究表明阿霉素以高親和力結(jié)合線粒體磷脂心磷脂，抑制其功能并刺激ROS或RNS的生成，抑制氧化磷酸化從而導(dǎo)致線粒體DNA的損傷。Ca2+是維持心肌細(xì)胞興奮—收縮偶聯(lián)的重要物質(zhì)，氧化應(yīng)激也會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的升高，造成鈣超載，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞代謝功能障礙，加重?fù)p傷[10-11]。此外，蒽環(huán)類(lèi)抗生素還會(huì)干擾線粒體內(nèi)的鐵代謝途徑，導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)游離鐵的積累，加重心肌細(xì)胞的損傷[12]。

3.2 線粒體損傷

心肌細(xì)胞的線粒體主要提供能量，維持著細(xì)胞內(nèi)鈣和氧化還原反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)，因此線粒體損傷會(huì)影響心肌細(xì)胞的正常功能。Kavazis等[13]研究表明，在急性阿霉素治療后，肌膜下線粒體會(huì)積累更多的阿霉素，而肌原纖維間線粒體更容易受到細(xì)胞凋亡和自噬反應(yīng)的影響。Ferreira等[14]研究表明阿霉素破壞了心臟線粒體的生物合成過(guò)程，表現(xiàn)為線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)水平下降，細(xì)胞核和線粒體基因組編碼的多個(gè)線粒體基因轉(zhuǎn)錄水平改變。蛋白質(zhì)印跡分析表明，與對(duì)照相比，在經(jīng)阿霉素處理大鼠的心臟線粒體部分中出現(xiàn)差異蛋白質(zhì)乙酰化作用，線粒體功能障礙和表觀遺傳改變之間存在相互作用。最近有研究表明[15]，濃度依賴性的阿霉素可誘導(dǎo)細(xì)胞毒作用和線粒體毒性效應(yīng)，包括線粒體超氧化物的積聚，線粒體膜電位的降低和線粒體DNA復(fù)制數(shù)量的減少以及線粒體超微結(jié)構(gòu)的改變。

3.3 拓?fù)洚悩?gòu)酶

蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性機(jī)制與心肌細(xì)胞中的拓?fù)洚悩?gòu)酶2(topoisomerase 2，Top2)存在密切關(guān)系[16]。Top2有Top2α和Top2β兩個(gè)亞型。其中Top2α存在于快速分裂的細(xì)胞中，如腫瘤細(xì)胞。蒽環(huán)類(lèi)抗生素與Top2α結(jié)合可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。而Top2β是存在于人的心肌細(xì)胞中，蒽環(huán)類(lèi)抗生素與Top2β結(jié)合形成的復(fù)合物可以引起DNA雙鏈斷裂和轉(zhuǎn)錄組修飾，導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡[17-18]。除了細(xì)胞核的Top2以外，心肌細(xì)胞還表達(dá)3種線粒體拓?fù)洚悩?gòu)酶，分別是Top2β、Top3α和Top1mt。其中Top1mt是唯一的可選擇性地控制線粒體DNA(mtDNA)穩(wěn)態(tài)的特定線粒體亞型，而蒽環(huán)類(lèi)抗生素可以顯著破壞Top1mt[19-20]。研究表明Top1mt對(duì)于耐受線粒體的DNA損傷非常重要，而缺乏這種酶的小鼠對(duì)阿霉素心臟毒性的易感性更高[20]。

3.4 MicroRNA(miRNA)

MicroRNA(miRNA) 是一類(lèi)由內(nèi)源基因編碼的長(zhǎng)度約為22個(gè)核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，主要調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后水平。miRNA是心血管發(fā)育和疾病的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子，其中miRNA指導(dǎo)下游靶標(biāo)的表達(dá)控制著再生、修復(fù)和病理性重塑的過(guò)程[21]。蒽環(huán)類(lèi)抗生素誘導(dǎo)心臟損傷后，心肌細(xì)胞可表達(dá)不同水平的miRNA。例如，miR-140-5p在蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性中起著重要的調(diào)節(jié)作用，通過(guò)靶向核紅細(xì)胞因子2相關(guān)因子2(nuclear erythroid factor 2-related factor 2，Nrf2)和沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶2(silent information regulator factor 2-related enzyme 2，Sirt2)調(diào)節(jié)心肌氧化應(yīng)激，從而降低心臟毒性[22-23]。miR-499可能促使心律失常和心肌肥厚而對(duì)心臟產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷[24]。蒽環(huán)類(lèi)抗生素可導(dǎo)致miR-523-3p的上調(diào)，損傷心肌細(xì)胞的線粒體，加快心肌細(xì)胞的凋亡[25]。miR-320a的過(guò)表達(dá)增加了體外細(xì)胞凋亡，并加重了小鼠心臟中的血管異常和心臟功能障礙[26]。另有研究表明，miR-30e、miR-208和miR-21改善蒽環(huán)類(lèi)抗生素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡，而miR-140和miR-146a則進(jìn)一步增強(qiáng)蒽環(huán)類(lèi)抗生素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡[27-31]。

3.5 相關(guān)的信號(hào)通路

Zhu等[32]研究表明阿霉素在大鼠心肌細(xì)胞H9c2細(xì)胞中通過(guò)核轉(zhuǎn)錄因子kappa-B(nuclear transcription factor kappa-B，NF-κB)上調(diào)miR-34a-5p。MiR-34a-5p通過(guò)靶向沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent mating type information regulation 2 homolog 1，Sirt1)增加p66shc基因的表達(dá)，導(dǎo)致B淋巴細(xì)胞瘤-2基因相關(guān)X蛋白(B-cell lymphoma-2 associated X protein, Bax)和活化的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(caspase-3)增加，B淋巴細(xì)胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)減少(Bcl-2也是miR-34a-5p的直接靶標(biāo))，并促進(jìn)阿霉素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡。此外，Sirt1的強(qiáng)制表達(dá)減輕了阿霉素誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞凋亡，抑制了p66shc、Bax、活化的caspase-3和miR-34a-5p的水平，以及增強(qiáng)Bcl-2的表達(dá)。因此，miR-34a-5p通過(guò)靶向Sirt1促進(jìn)心肌細(xì)胞的凋亡，而miR-34a-5p/Sirt1/p66shc通路的激活可促進(jìn)阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性。

Huang等[33]研究表明阿霉素可通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的凋亡，進(jìn)而對(duì)心臟產(chǎn)生損傷作用。阿霉素在線粒體產(chǎn)生的活性氧類(lèi)(reactive oxygen species，ROS)下激活了下游的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular signal-regulated protein kinases 1 and 2，ERK1/2)并下調(diào)熱休克因子2(heat shock factor 2，HSF2)的類(lèi)泛素化，這增強(qiáng)了HSF2的核轉(zhuǎn)位和在血管緊張素II-1型受體(angiotensin II receptor type 1，AT1R)啟動(dòng)子區(qū)域上對(duì)熱休克元件(heat shock element，HSE)的DNA結(jié)合能力，導(dǎo)致AT1R上調(diào)。AT1R轉(zhuǎn)移到了作用于下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的質(zhì)膜，從而促進(jìn)細(xì)胞凋亡的進(jìn)展。

此外，蒽環(huán)類(lèi)抗生素還可以通過(guò)其它一些信號(hào)通路對(duì)心臟產(chǎn)生毒性作用。例如，抑制心肌細(xì)胞的神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白生長(zhǎng)因子1(neuregulin-1，NRG-1)/ErbB信號(hào)通路(neuregulin/ErbB survival signaling)[34]；心肌營(yíng)養(yǎng)素-1/白血病抑制因子/gp130通路(the CT-1/LIF/gp130 survival pathway)[35]、β腎上腺素能受體/磷脂酰肌醇激酶/蛋白激酶通路(Gβγ-PI3K-Akt pathway)[36]、腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)信號(hào)通路[37]等。

3.6 其它

除了上述機(jī)制外，還有Toll樣受體學(xué)說(shuō)(toll-like receptors，TLRs)，Toll樣受體是參與非特異性免疫的一類(lèi)重要蛋白質(zhì)分子，當(dāng)細(xì)胞受到損傷時(shí)，它可以啟動(dòng)固有免疫反應(yīng)[38]。研究表明Toll樣受體參與了蒽環(huán)類(lèi)抗生素介導(dǎo)的細(xì)胞應(yīng)激與損傷，高遷移率族蛋白B1(high mobility group box1，HMGB1)或其受體TLR2的藥理學(xué)抑制可以預(yù)防蒽環(huán)類(lèi)抗生素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡、心臟纖維化和炎癥[39-40]。細(xì)胞自噬失調(diào)、基因表達(dá)等研究表明與蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性作用機(jī)制相關(guān)[41-42]。

4 小結(jié)和展望

蒽環(huán)類(lèi)抗生素是臨床上重要的抗腫瘤化療藥物，但會(huì)產(chǎn)生心臟毒性等不良反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅患者的生命，導(dǎo)致其在臨床上的使用受到了一定的限制。深入研究蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性的臨床表現(xiàn)、發(fā)病機(jī)制對(duì)于合理、安全使用蒽環(huán)類(lèi)抗生素具有重要的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[43]。目前我國(guó)對(duì)于蒽環(huán)類(lèi)抗生素的心臟毒性已經(jīng)有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。在使用蒽環(huán)類(lèi)抗生素前，應(yīng)全面充分評(píng)估心臟毒性的風(fēng)險(xiǎn)，制定相關(guān)的治療策略，從而盡量獲取最佳的治療效果，提高患者的生存率[44]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于蒽環(huán)類(lèi)抗生素所致心臟毒性機(jī)制的研究不斷深入開(kāi)展，但尚未完全闡明。本文主要從氧化應(yīng)激、線粒體損傷、拓?fù)洚悩?gòu)酶、MicroRNA、相關(guān)的信號(hào)通路和Toll樣受體學(xué)說(shuō)等方面，對(duì)蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性機(jī)制進(jìn)行綜述。目前臨床上預(yù)防和治療蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性的有效藥物不多。未來(lái)仍需進(jìn)一步的研究去闡明蒽環(huán)類(lèi)抗生素致心臟毒性的發(fā)病機(jī)制，為有效的臨床防治和藥物研發(fā)提供參考。