膿毒癥心肌病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

于濤，馮瑛，張麗麗，董道磊，管甲亮，徐文華

(1.青島大學(xué)附屬醫(yī)院急診科，山東 青島 266000； 2.青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院國際合作與交流處，山東 青島 266555；3.海軍第九七一醫(yī)院心內(nèi)科，山東 青島 266071； 4.青島大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山東 青島 266073)

膿毒癥是急診常見的危重癥之一，常伴有心肌損傷的發(fā)生，可引起嚴(yán)重的心律失常、心功能不全、心源性休克等并發(fā)癥。膿毒癥伴有的心肌損傷定義為膿毒癥心肌病。有資料顯示，膿毒癥合并心肌損傷的患者往往預(yù)后較差且病死率較高[1]，但目前國內(nèi)尚無大樣本關(guān)于膿毒癥心肌病的流行病學(xué)資料。膿毒癥心肌病是膿毒癥患者出現(xiàn)的一種非缺血性心肌功能障礙，主要表現(xiàn)為：①左心室擴(kuò)張，充盈壓力正常或降低；②心室收縮能力降低；③右心室功能障礙或左心室(收縮或舒張)功能障礙，對容積輸注的反應(yīng)降低[1]。膿毒癥心肌病的病理表現(xiàn)為：①心肌間質(zhì)出現(xiàn)以多形核細(xì)胞和單核/巨噬細(xì)胞為主的炎癥細(xì)胞浸潤；②心肌間質(zhì)水腫，間質(zhì)膠原含量增加；③心肌細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)空泡化，線粒體受損，收縮裝置被破壞[2]。膿毒癥心肌病的發(fā)生發(fā)展是機(jī)體免疫系統(tǒng)與心血管系統(tǒng)相互作用的過程，是包括心肌細(xì)胞基因表達(dá)及調(diào)控改變、分子蛋白相互作用、新陳代謝和細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化在內(nèi)的統(tǒng)一過程[1]。現(xiàn)就膿毒癥心肌病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展予以綜述。

1 病原體相關(guān)分子模式與損傷相關(guān)分子模式

1.1病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMPs) 脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)是一種經(jīng)典的模式識別分子，既是革蘭陰性菌外膜的重要結(jié)構(gòu)成分，也存在于革蘭陽性菌的肽聚糖中。在健康志愿者中，應(yīng)用LPS可導(dǎo)致其左心室射血分?jǐn)?shù)降低和左心室舒張末期容積增加，表明LPS是膿毒癥心血管功能障礙的關(guān)鍵驅(qū)動因素，而LPS的這一作用與Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)的激活有關(guān)[2]。TLR4的胞質(zhì)部分又稱為Toll/白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1受體結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)將LPS介導(dǎo)的信號通過多種蛋白傳遞至細(xì)胞內(nèi)，并激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和c-Jun氨基端激酶/p38信號通路，釋放下游的腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α、IL-6、IL-8和IL-1β等炎癥因子，在膿毒癥初期放大炎癥級聯(lián)反應(yīng)[3]。

有學(xué)者在LPS致膿毒癥動物模型中發(fā)現(xiàn)，抑制TLR4激活可改善心功能，降低病死率[3]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，在基因敲除TLR4、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體和胱天蛋白酶(caspase)1的膿毒癥模型中，促炎細(xì)胞因子水平降低，但心功能卻無顯著改善[4]。以上研究表明，膿毒癥相關(guān)的心肌功能障礙不僅僅由TLR介導(dǎo)。除LPS外，病原微生物的細(xì)胞壁成分(脂蛋白等)也可被其他模式識別受體識別，導(dǎo)致心肌細(xì)胞炎癥和心肌功能障礙[5]。

1.2損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs) DAMPs是指機(jī)體自身細(xì)胞在應(yīng)激反應(yīng)中釋放的內(nèi)源性分子。目前研究較多的DAMPs主要包括細(xì)胞外組蛋白、硫酸肝素片段、高遷移率族蛋白B1(high mobility group box 1 protein，HMGB1)、細(xì)胞外RNA、線粒體源性DAMPs等。

細(xì)胞外組蛋白是一種常見的DAMP，膿毒癥患者血清組蛋白水平升高，且組蛋白水平與肌鈣蛋白T水平、補(bǔ)體5a(complement 5a，C5a)介導(dǎo)的左心室功能障礙以及心律失常均顯著相關(guān)[6]。細(xì)胞外組蛋白通過與TLR、補(bǔ)體和細(xì)胞膜磷脂的相互作用，驅(qū)動免疫激活并產(chǎn)生細(xì)胞毒性，從而降低線粒體膜電位和ATP水平，促進(jìn)細(xì)胞凋亡的發(fā)展，導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙、器官衰竭[7]。硫酸肝素片段是一種高效的DAMP，膿毒性休克患者血清中的硫酸肝素片段可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞炎癥反應(yīng)和心肌線粒體功能障礙，去除血清中的硫酸乙酰肝素片段可顯著減少膿毒性休克患者心肌細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，恢復(fù)線粒體功能[8]。HMGB1是一種細(xì)胞核源性DAMP，可通過TLR4和活性氧類 (reactive oxygen species，ROS)介導(dǎo)肌質(zhì)網(wǎng)的鈣離子(Ca2+)釋放，從而導(dǎo)致肌質(zhì)網(wǎng)中Ca2+水平和心肌收縮力降低，增強(qiáng)氧化應(yīng)激并損害心臟興奮-收縮偶聯(lián)，導(dǎo)致心肌功能障礙[9]。此外，細(xì)胞外RNA也屬于DAMPs，是指細(xì)胞外環(huán)境中存在的幾種類型的RNA，包括微RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、小干擾RNA和長鏈非編碼RNA。膿毒癥和膿毒性休克中的組織損傷和細(xì)胞死亡會導(dǎo)致組織完整性喪失，并釋放DNA片段和細(xì)胞外RNA進(jìn)入循環(huán)，細(xì)胞外RNA可通過激活凝血因子Ⅻ，進(jìn)而激活凝血系統(tǒng)，也可通過激活TLR3導(dǎo)致心肌細(xì)胞中TNF的形成，而TNF與TNF受體結(jié)合可誘導(dǎo)促凋亡和促炎癥反應(yīng)，介導(dǎo)心肌損傷[10]。線粒體損傷后，線粒體膜和基質(zhì)內(nèi)蛋白分子(細(xì)胞色素C、N-甲酰蛋白、ATP和心磷脂)漏出，這些蛋白分子可作為DAMPs發(fā)揮作用，是炎癥的調(diào)節(jié)因子或促進(jìn)劑，在細(xì)胞內(nèi)炎癥級聯(lián)反應(yīng)、細(xì)胞凋亡中起關(guān)鍵作用[11]。

2 細(xì)胞因子介導(dǎo)損傷

PAMPs和DAMPs可觸發(fā)巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和T細(xì)胞激活導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴。細(xì)胞因子和受體結(jié)合后可觸發(fā)機(jī)體系統(tǒng)中大量信號分子抑制或活化，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的復(fù)雜化[12]。如IL-1β、IL-6和TNF-α可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞凋亡延遲并延長其在血液中的停留時間，而大量處于不同成熟階段的中性粒細(xì)胞可加重炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激以及非特異性的組織破壞，引起血管內(nèi)皮損傷，導(dǎo)致心肌功能障礙[13]；TNF-α和IL-6可通過抑制心肌細(xì)胞膜Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)，降解關(guān)鍵收縮蛋白，影響線粒體功能，導(dǎo)致膿毒癥心肌功能障礙[14]；誘導(dǎo)型一氧化氮合酶表達(dá)增加，可導(dǎo)致一氧化氮合成增加，從而改變心肌前后負(fù)荷，下調(diào)β腎上腺素能受體，降低心肌細(xì)胞肌絲對Ca2+的反應(yīng)，加重線粒體功能障礙[15]。NLRP3炎癥小體是一種多蛋白復(fù)合物，其可識別PAMPs或DAMPs并招募和激活caspase-1，介導(dǎo)促炎細(xì)胞因子(包括IL-1β和IL-18)的成熟和分泌，同時還可誘導(dǎo)caspase-1依賴的細(xì)胞凋亡；與野生型小鼠相比，NLRP3基因敲除的膿毒癥小鼠心肌功能障礙顯著減輕，同時IL-1β和IL-6水平顯著降低，表明阻斷NLRP3介導(dǎo)的信號通路對膿毒癥小鼠有保護(hù)作用[16]。

此外，膿毒癥還可引起補(bǔ)體系統(tǒng)激活并產(chǎn)生大量C5a，C5a與其受體相互作用可導(dǎo)致細(xì)胞因子風(fēng)暴、淋巴細(xì)胞凋亡以及固有免疫功能紊亂。有研究指出，C5a可促進(jìn)中性粒細(xì)胞呼吸爆發(fā)，形成中性粒細(xì)胞胞外陷阱[17]。心肌細(xì)胞受到C5a刺激后可釋放促炎細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF)，同時C5a誘導(dǎo)心肌細(xì)胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受磷蛋白過度磷酸化，導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+水平持續(xù)升高、Ca2+瞬態(tài)振幅降低，進(jìn)而導(dǎo)致心肌收縮和舒張功能受損[18]。阻斷C5a介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可緩解膿毒癥小鼠的心肌功能障礙，提高存活率[19]。然而，以促炎細(xì)胞因子作為特異性靶點(diǎn)的抗體治療在臨床試驗中效果并不顯著[20]，表明膿毒癥心肌病的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，也提示促炎細(xì)胞因子可能只是膿毒癥心肌病發(fā)生發(fā)展的使動因素。

3 氧化應(yīng)激損傷

細(xì)胞內(nèi)過度激活的氧化應(yīng)激在膿毒癥心肌病中扮演重要角色，大量ROS代謝產(chǎn)物通過誘導(dǎo)心肌細(xì)胞損傷以及心肌微循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能紊亂，導(dǎo)致心肌細(xì)胞死亡。

3.1ROS 自由基是一類不穩(wěn)定的具有強(qiáng)氧化性的分子，在生物系統(tǒng)中形成的含氧自由基分子及其前體統(tǒng)稱為ROS，包括超氧陰離子、過氧化氫和羥基自由基，也包括一氧化氮與氧自由基形成的過氧亞硝酸鹽。細(xì)胞內(nèi)有多種可產(chǎn)生ROS的酶，其中還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶可通過還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸依賴的單電子還原將體內(nèi)氧分子還原為超氧陰離子，是體內(nèi)唯一可直接產(chǎn)生ROS的酶。還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶催化產(chǎn)生的ROS是中性粒細(xì)胞呼吸爆發(fā)以及非吞噬細(xì)胞氧化應(yīng)激過程中ROS的主要來源[21]。過量的ROS可導(dǎo)致NF-κB激活，進(jìn)而促進(jìn)蛋白水解泛素-蛋白酶體途徑的激活，同時破壞DNA完整性，損害離子通道的活性[8]。值得注意的是，初始的氧化應(yīng)激失控可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)線粒體損傷，自由基通過對生物大分子(如線粒體DNA或線粒體內(nèi)膜心磷脂)的氧化修飾損害線粒體結(jié)構(gòu)和生物合成，并直接抑制線粒體氧化磷酸化，從而導(dǎo)致ATP的產(chǎn)生減少[21]。線粒體受損可導(dǎo)致ROS生成進(jìn)一步增加(ROS誘導(dǎo)的ROS釋放)，并通過多種途徑觸發(fā)凋亡和(或)自噬事件，促進(jìn)膿毒癥心肌細(xì)胞損傷的發(fā)展[8]。

3.2抗氧化系統(tǒng) 在心肌細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)中，血紅素加氧酶-1、超氧化物歧化酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶等多個關(guān)鍵基因的表達(dá)主要受核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2，Nrf2)、Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(kelch-like ECH-associated protein 1，KEAP1)以及抗氧化反應(yīng)元件的調(diào)控[22]。在非應(yīng)激條件下，KEAP1可通過蛋白酶體降解Nrf2，從而對Nrf2產(chǎn)生抑制作用，使Nrf2保持在較低的細(xì)胞濃度；膿毒癥時，ROS氧化修飾KEAP1中的活性半胱氨酸殘基，導(dǎo)致KEAP1的構(gòu)象變化和失活，Nrf2降解減少；同時，膿毒癥可誘導(dǎo)Nrf2信使RNA和Nrf2蛋白質(zhì)產(chǎn)生增加，導(dǎo)致蛋白激酶C和其他激酶(如磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B)將Nrf2蛋白內(nèi)保守位點(diǎn)絲氨酸40磷酸化，進(jìn)而介導(dǎo)磷酸化絲氨酸40-Nrf2核易位，并通過與抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合誘導(dǎo)下游基因的轉(zhuǎn)錄，抑制促炎基因的激活，恢復(fù)氧化還原穩(wěn)態(tài)，抑制過度炎癥反應(yīng)，抗細(xì)胞凋亡[23]。有文獻(xiàn)報道，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性在膿毒癥早期(4～8 h內(nèi))顯著降低，并在24 h內(nèi)保持較低水平，說明Nrf2反應(yīng)性代償增加并不能逆轉(zhuǎn)膿毒癥介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷，而外源性應(yīng)用藥理學(xué)制劑進(jìn)一步激活Nrf2信號通路，則可顯著抑制氧化應(yīng)激，減輕線粒體損傷，從而防止細(xì)胞凋亡，顯著減輕心肌損傷[24]。

4 心肌細(xì)胞能量代謝障礙

4.1細(xì)胞代謝重整 在膿毒癥和內(nèi)毒素血癥中均存在細(xì)胞代謝重整現(xiàn)象，即細(xì)胞代謝從氧化磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒跆墙徒?，TLR和炎癥細(xì)胞因子均參與了代謝重整過程[25]。雖然心肌細(xì)胞糖酵解代償性增加，但仍不能代償心肌能量的損耗，而且糖酵解代謝增加可進(jìn)一步放大炎癥反應(yīng)，加重多菌性膿毒癥患者的心功能不全，同時還可通過增加血管內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子的表達(dá)促進(jìn)炎癥細(xì)胞在心肌中浸潤；糖酵解產(chǎn)生大量乳酸，乳酸可通過TLR介導(dǎo)的NF-κB信號和炎癥小體增強(qiáng)炎癥反應(yīng)，同時還可促進(jìn)HMGB1乙?；约盎罨木奘杉?xì)胞釋放炎癥因子[26]。

4.2沉默信息調(diào)節(jié)因子(silent information regulator，SIRT) SIRT是一種保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依賴的組蛋白去乙?；福鳛橐环N能量感受器，SIRT與衰老、炎癥、凋亡和自噬等多種細(xì)胞內(nèi)信號有關(guān)，是膿毒癥期間細(xì)胞免疫代謝的重要調(diào)節(jié)因子[27]。研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥小鼠心肌細(xì)胞內(nèi)SIRT1的表達(dá)水平由炎癥急性期的抑制到適應(yīng)期的逐漸升高，最終在存活小鼠的穩(wěn)態(tài)中達(dá)到正常水平；炎癥急性期SIRT1的抑制是多因素共同參與的，其中輔助因子NAD起關(guān)鍵作用，隨著NAD在適應(yīng)期的積累，SIRT1的活性和表達(dá)均增加[28]。在膿毒癥進(jìn)展期，SIRT1過表達(dá)且其表達(dá)水平與器官功能障礙、免疫功能紊亂相關(guān)；在膿毒癥早期應(yīng)用藥理學(xué)抑制SIRT1表達(dá)可導(dǎo)致膿毒癥小鼠心功能惡化，但在膿毒癥發(fā)生后18～24 h抑制SIRT1表達(dá)則可改善膿毒癥小鼠的生存率[29]。SIRT3主要定位于心肌細(xì)胞線粒體內(nèi)，其可通過激活錳超氧化物歧化酶和各種能量代謝酶降低ROS水平，增加線粒體ATP再生。有研究指出，膿毒癥心肌細(xì)胞內(nèi)NAD耗竭可導(dǎo)致SIRT3活性受損，減緩線粒體底物(特別是長鏈脂肪酸)的氧化，增加ATP合成酶亞基ATP5A1乙?；瑢?dǎo)致ATP合成酶活性被破壞，進(jìn)而阻礙ATP合成，而外源性補(bǔ)充NAD前體可減輕LPS處理的小鼠的心肌功能障礙[30]。

4.3AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK) AMPK對細(xì)胞能量平衡、代謝穩(wěn)態(tài)、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和心肌細(xì)胞存活均具有強(qiáng)大的調(diào)節(jié)作用，與膿毒癥心肌病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。通過感知細(xì)胞外信號或局部自分泌-旁分泌因子觸發(fā)的AMP/ATP或ADP/ATP比值變化，AMPK能夠迅速將細(xì)胞切換到分解代謝方式，并關(guān)閉耗能過程，以協(xié)調(diào)細(xì)胞能量與代謝平衡；AMPK激活后可降低NF-κB的轉(zhuǎn)錄活性，并可有效抑制LPS誘導(dǎo)的促炎細(xì)胞因子的表達(dá)、升高抗炎細(xì)胞因子水平，這也可能是膿毒癥后期炎癥反應(yīng)紊亂失調(diào)的原因之一[31]。研究表明，抑制AMPK介導(dǎo)的Bcl-2蛋白甲基化和過度自噬，可減輕炎癥反應(yīng)、抑制細(xì)胞凋亡、恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)，改善心肌收縮能力[32]。也有文獻(xiàn)報道，在膿毒癥心肌細(xì)胞內(nèi)AMPK處于被抑制的狀態(tài)，過表達(dá)SIRT3可增加AMPK活性、改善線粒體的生物發(fā)生、維持線粒體功能，減少膿毒癥相關(guān)心肌細(xì)胞損傷[33]。

4.4解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP) UCP位于線粒體內(nèi)膜，質(zhì)子通過UCP返回線粒體基質(zhì)，導(dǎo)致生物氧化和ATP生成解偶聯(lián)。心肌線粒體中的UCP主要為UCP2，UCP2通過參與炎癥和氧化應(yīng)激的調(diào)節(jié)、線粒體膜電位的維持以及能量的產(chǎn)生，進(jìn)而參與膿毒癥的發(fā)生發(fā)展；在膿毒癥心肌細(xì)胞中，UCP2信使RNA和UCP2蛋白水平均升高，且UCP2水平升高與ATP生成減少相關(guān)，而UCP2基因敲除可進(jìn)一步激活自噬，改善心功能，減輕LPS損傷；在LPS誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠中，UCP2基因敲除可阻止心肌組織細(xì)胞內(nèi)ATP水平進(jìn)一步降低，同時提高線粒體膜電位[34]。UCP2反應(yīng)性增加可能是對線粒體氧化應(yīng)激的初始保護(hù)性反應(yīng)，這一過程由過氧化物酶體增殖物激活受體介導(dǎo)[35]，目的在于阻止ROS的產(chǎn)生，而氧化磷酸化解偶聯(lián)也可導(dǎo)致ATP生成減少，最終導(dǎo)致線粒體損傷和細(xì)胞損害。

在能量產(chǎn)生受損的情況下，心肌細(xì)胞可通過減少能量消耗、降低代謝活性適應(yīng)這種病理狀態(tài)，而心肌細(xì)胞代謝水平降低可能是一種防止細(xì)胞死亡的保護(hù)機(jī)制[35]，類似于短暫缺血發(fā)作所觸發(fā)的心臟冬眠狀態(tài)，即在膿毒癥心肌病的病理過程中，心肌抑制不僅是心肌受損的表現(xiàn)，也可能是通過減少能量消耗的方式起到保護(hù)作用[36]。

5 線粒體損害

膿毒癥存在組織低灌注現(xiàn)象，但低血壓/低灌注并不是心肌功能障礙發(fā)生的關(guān)鍵機(jī)制。膿毒癥期間，冠狀動脈-冠狀竇氧含量差值減小，提示心肌存在氧利用障礙；在膿毒癥晚期，組織氧張力增加，導(dǎo)致細(xì)胞氧利用障礙，即出現(xiàn)細(xì)胞病理性缺氧[37]。細(xì)胞病理性缺氧主要是由線粒體功能障礙和結(jié)構(gòu)損傷引起。

5.1線粒體功能障礙和結(jié)構(gòu)損傷 線粒體功能障礙主要表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)氧分子利用和氧分子傳遞障礙，可定義為氧消耗率、呼吸調(diào)節(jié)比率、線粒體內(nèi)膜電位以及ADP/氧比值降低，伴或不伴有超氧陰離子和過氧化氫生產(chǎn)速率的提高。線粒體功能障礙可導(dǎo)致細(xì)胞器能量利用失調(diào)[34]、細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)能力降低，且與感染性休克中心肌收縮功能障礙有關(guān)，而預(yù)防氧化磷酸化障礙可預(yù)防膿毒癥小鼠模型中的心功能不全[38]。在膿毒癥動物模型的心肌細(xì)胞中可觀察到線粒體腫脹、線粒體膜的完整性降低、電子密度降低、線粒體基質(zhì)凝聚、基質(zhì)內(nèi)囊泡形成以及線粒體嵴縮短、丟失和破壞等現(xiàn)象[2]，且這種結(jié)構(gòu)的改變可持續(xù)24 h。但值得注意的是，在線粒體結(jié)構(gòu)損傷前即可出現(xiàn)功能受損，而隨著線粒體結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常，其功能卻并未改善[39]。

5.2線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)異常 線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)是線粒體功能調(diào)節(jié)的核心，決定了線粒體的質(zhì)量和數(shù)量，其主要作用是調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)、功能的動態(tài)平衡與細(xì)胞生理活動相適應(yīng)。線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)主要包括線粒體生物合成、線粒體分裂/融合與線粒體自噬，而線粒體分裂/融合與線粒體自噬又可被合稱為線粒體動力學(xué)[40]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)可調(diào)節(jié)肝糖異生、機(jī)體產(chǎn)熱和脂肪酸氧化，也是線粒體生物合成和自噬的關(guān)鍵調(diào)控基因，與AMPK關(guān)系密切[41]。在膿毒癥動物模型中，PGC-1α的早期激活可能是對應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的保護(hù)反應(yīng)，膿毒癥心肌病晚期模型動物的PGC-1α表達(dá)減少，可導(dǎo)致線粒體功能障礙和線粒體凋亡，應(yīng)用PGC-1α基因過表達(dá)技術(shù)提高心肌細(xì)胞內(nèi)PGC-1α水平可顯著減輕心肌細(xì)胞線粒體損傷[42]。

5.2.1線粒體分裂/融合失平衡 線粒體分裂是由動力蛋白相關(guān)蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)與線粒體分裂蛋白1(mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)is1)和線粒體分裂因子等線粒體適配器相互作用調(diào)節(jié)[43]。Drp1主要存在于胞質(zhì)中，Drp1激活后被招募到線粒體表面寡聚化并與相應(yīng)受體結(jié)合，介導(dǎo)線粒體分裂。線粒體分裂需要足夠的F-肌動蛋白形成線粒體周圍的收縮環(huán)，從而消耗大部分可用的F-肌動蛋白，導(dǎo)致細(xì)胞骨架降解。在膿毒癥細(xì)胞模型和膿毒癥動物模型中，由Drp1/Fis1通路介導(dǎo)的線粒體碎裂和F-肌動蛋白降解均增加，同時心肌細(xì)胞收縮功能顯著降低，而抑制Drp1/Fis1相互作用可減輕線粒體病理分裂，改善線粒體功能障礙和細(xì)胞能量供應(yīng)，主要表現(xiàn)為線粒體氧化應(yīng)激減輕、線粒體膜電位得以維持和線粒體促凋亡因子滲漏減少，最終導(dǎo)致線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡被阻斷，從而改善膿毒癥小鼠的心功能、提高其生存率[44]。SRV2(suppressor of ras val-2)是一種促分裂蛋白，研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥心肌細(xì)胞中的SRV2上調(diào)可促進(jìn)Drp1寡聚與線粒體的相互作用，影響線粒體形態(tài)并激活線粒體分裂，導(dǎo)致線粒體損傷、心肌細(xì)胞能量代謝失調(diào)、心肌細(xì)胞功能障礙甚至死亡[45]。

線粒體融合受視神經(jīng)萎縮相關(guān)蛋白1和線粒體融合蛋白的調(diào)控。但由于線粒體融合蛋白在線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的復(fù)雜作用，其在心肌細(xì)胞功能障礙中的作用仍存在爭議[46]。目前尚無針對線粒體融合蛋白的相關(guān)線粒體融合對心肌細(xì)胞功能影響的研究。

5.2.2線粒體特異性自噬過度激活 自噬是維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵，對膿毒癥所致的心肌功能障礙有保護(hù)作用。自噬被激活后可改善膿毒癥心肌病患者心肌細(xì)胞收縮功能，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)的維持，進(jìn)而改善膿毒癥導(dǎo)致的心功能抑制[47]；自噬功能缺陷則會加重膿毒癥心肌損害[48]。

線粒體自噬可阻斷線粒體損傷介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，并維持胞內(nèi)線粒體數(shù)量和質(zhì)量穩(wěn)定，從而減少受損線粒體的數(shù)量，調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡的進(jìn)展[49]。哺乳動物Ste20樣激酶1(mammalian Sterile 20-like kinase 1，Mst1)作為線粒體自噬的上游介質(zhì)，是線粒體分裂/融合與線粒體自噬相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵信號分子[45]。LPS與TLR(TLR1、TLR2和TLR4)結(jié)合可激活Mst1，而Mst1上調(diào)可增加Drp1表達(dá)，激活線粒體分裂途徑，抑制線粒體自噬途徑，這種由LPS誘導(dǎo)的線粒體分裂被認(rèn)為是膿毒癥心肌病的發(fā)病機(jī)制之一[44]。研究表明，抑制Mst1可增強(qiáng)Parkin相關(guān)的線粒體自噬，減輕膿毒癥介導(dǎo)的心肌損傷[45]；敲除Mst1基因可通過增強(qiáng)線粒體自噬改善線粒體性能、增加心肌細(xì)胞活力[44-45]。

6 Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡

Ca2+失調(diào)也是膿毒癥心肌病重要的發(fā)病機(jī)制之一。Ca2+是心肌細(xì)胞內(nèi)重要的第二信使，在膿毒癥心肌病中參與了氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、線粒體損傷、細(xì)胞自噬甚至凋亡等信號通路的傳導(dǎo)；Ca2+也是心肌細(xì)胞收縮舒張的主要觸發(fā)因子，Ca2+與肌鈣蛋白C復(fù)合物相互作用，導(dǎo)致肌鈣蛋白Ⅰ的構(gòu)象發(fā)生變化，促進(jìn)肌動蛋白釋放并與肌球蛋白結(jié)合，進(jìn)而導(dǎo)致心肌纖維收縮[50]。

膿毒癥時肌絲對Ca2+的反應(yīng)降低，這可能是磷酸化肌鈣蛋白Ⅰ增加所致，內(nèi)毒素和細(xì)胞因子(如IL-1β)可能會促進(jìn)細(xì)胞膜鈣通道構(gòu)象結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致Ca2+內(nèi)流減少，同時內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蘭尼堿受體濃度降低并受到氧化應(yīng)激的損害，導(dǎo)致蘭尼堿受體的構(gòu)象變化和開放概率改變，促進(jìn)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡[51]。儲存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中可用于胞質(zhì)釋放的Ca2+的數(shù)量通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng) Ca2+-ATP酶進(jìn)行調(diào)節(jié)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶是心臟中關(guān)鍵的Ca2+調(diào)節(jié)蛋白。在膿毒癥動物模型中，心肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATP酶和鈉/鈣交換器的表達(dá)減少且活性降低，導(dǎo)致心肌舒張功能受損[15]。在心肌細(xì)胞中，位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受磷蛋白在Ca2+穩(wěn)態(tài)和心功能調(diào)節(jié)中起重要作用，膿毒癥時，C5a與心肌細(xì)胞C5受體結(jié)合，誘導(dǎo)受磷蛋白磷酸化，導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+水平持續(xù)升高、Ca2+瞬態(tài)振幅降低，進(jìn)而導(dǎo)致心肌舒張功能受損[18]。

7 細(xì)胞凋亡

既往研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥心肌病存活患者的左心室射血分?jǐn)?shù)和左心室舒張末期容積指數(shù)均可在7～10 d內(nèi)恢復(fù)正常[35-36]。然而，有研究指出，在膿毒癥心肌受損的過程中，不僅存在心臟功能性異常，還存在心肌結(jié)構(gòu)紊亂和器質(zhì)性損害，且心肌結(jié)構(gòu)性改變的程度與膿毒癥心肌病患者的病死率密切相關(guān)[52]。膿毒癥時，心肌細(xì)胞的炎癥損傷、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、能量代謝異常以及細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)紊亂等均可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被激活，引發(fā)細(xì)胞凋亡[53-54]。

在LPS處理的心肌細(xì)胞中，線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換孔長時間開放以及膿毒癥時氧化應(yīng)激引起的線粒體脂質(zhì)心磷脂過氧化，均可導(dǎo)致細(xì)胞色素C釋放和細(xì)胞凋亡途徑激活[55]。與未經(jīng)LPS處理的心肌細(xì)胞相比，經(jīng)LPS處理的心肌細(xì)胞中的caspase-9和Bcl-2相關(guān)X蛋白水平均顯著升高，同時線粒體抗凋亡因子水平降低[53]。應(yīng)用環(huán)孢素A或過表達(dá)Bcl-2抑制膿毒癥大鼠心肌固有的凋亡途徑，可預(yù)防膿毒癥心肌功能障礙，而使用非特異性caspase抑制劑治療膿毒癥大鼠不僅可降低caspase活性、抑制核凋亡，還可糾正膿毒癥大鼠的心肌功能障礙[37]。

8 小 結(jié)

目前針對膿毒癥心肌病尚無特異性治療方法，因此膿毒癥心肌病患者的治療管理仍基于控制潛在的感染過程和維持血流動力學(xué)穩(wěn)定。膿毒癥心肌病發(fā)病始于病原微生物入侵宿主激發(fā)固有免疫反應(yīng)。微生物毒素以及炎癥因子風(fēng)暴和免疫損傷通過介導(dǎo)心肌細(xì)胞損傷引發(fā)氧化應(yīng)激，從而放大炎癥反應(yīng)，進(jìn)一步加重細(xì)胞損傷。線粒體損傷在膿毒癥心肌病的病情進(jìn)展中起主要作用，而能量代謝紊亂和Ca2+穩(wěn)態(tài)失衡可加重細(xì)胞損傷，導(dǎo)致膿毒癥心肌病的發(fā)展復(fù)雜化，同時誘導(dǎo)細(xì)胞自噬和凋亡失衡。未來，關(guān)于膿毒癥心肌病發(fā)病機(jī)制的研究應(yīng)集中于氧化應(yīng)激、免疫損傷與組織修復(fù)、能量代謝平衡等方面，而對于膿毒癥心肌病的治療應(yīng)著重于免疫調(diào)節(jié)治療，以為膿毒癥患者的治療提供新思路。