脓毒性心肌病发病机制研究进展

Research Progress of Pathogenesis of Sepsis Cardiomyopathy

摘要: 脓毒症是人体对炎症反应失调引起机体系统或器官功能障碍，如果不能早期识别及时治疗，将导致休克、多器官功能衰竭，甚至死亡。具有高发病率、高病死率的特点，已成为急危重症患者死亡的第一大原因。脓毒性心肌病(sepsis cardio myopathy, SCM)是脓毒症引起的常见的并发症之一，导致可逆性的左心室收缩功能障碍，引起心输出量下降、休克、左心室扩张伴或不伴有右心衰竭，使脓毒症患者死亡率增加至70%~90%，是脓毒症患者主要死亡原因之一。目前，脓毒性心肌病的发病机制尚无统一阐述，但深入研究脓毒性心肌病的发病机制，发现其潜在的治疗靶点，可能会降低脓毒性心肌病患者的死亡率，为临床带来福音。脓毒性心肌病的发病机制多样且尚无统一阐述，本文将从氧化应激、线粒体自噬、钙稳态失衡、炎性细胞因子、一氧化氮、Toll样受体、免疫抑制等以上方面对脓毒性心肌病的发病机制进行综合论述。

Abstract: Sepsis is a syndrome that causes life threatening organ dysfunction due to the host’s disorder of re-sponse to infection. If it is not recognized early and treated in time, it will lead to shock, multiple organ failure, and even death. It has the characteristics of high morbidity and high mortality and has become the first cause of death in critically ill patients. sepsis cardiomyopathy (SCM) is one of the common complications caused by sepsis, which leads to reversible left ventricular systolic dys-function, resulting in decreased cardiac output, shock, left ventricular dilatation, with or without right heart failure, and increasing the mortality rate of patients with sepsis to 70%~90%. It is one of the main causes of death in patients with sepsis. At present, there is no unified explanation of the pathogenesis of sepsis cardiomyopathy, but in-depth study of the pathogenesis of sepsis cardiomy-opathy and the discovery of its potential therapeutic targets may reduce the mortality of patients with sepsis cardiomyopathy and bring good news to the clinic. The pathogenesis of sepsis cardio-myopathy is diverse and there is no unified explanation. This article will comprehensively discuss the pathogenesis of sepsis cardiomyopathy from the aspects of oxidative stress, mitophagy, calcium homeostasis imbalance, inflammatory cytokines, nitric oxide, Toll-like receptors, immunosuppres-sion, etc.

1. 引言

脓毒症被定义为“由于宿主对感染的反应失调而导致的危及生命的器官功能障碍”，是急危重症患者的常见严重并发症之一，是威胁人类身体健康的重要疾病，具有发病率高、死亡率高、治疗费用高的特点。每年全球有数百万人诊断为脓毒症，病死率达16.7%~33.3% [1] 。脓毒性心肌病(sepsis cardiomyopathy, SCM)也被称为脓毒性心功能障碍(sepsis induced myocardial dysfunction, SIMD)，是脓毒症中严重的并发症及主要死因之一，直接影响脓毒症患者的预后 [2] 。因此明确SCM的发病机制，对我们早期预防及治疗脓毒性心肌病，提高患者生存率有重大意义，但目前对SCM的发病机制无统一的阐述，本文将结合最新的国内外研究进展对脓毒性心肌病的发病机制进行综合阐述。

2. 脓毒性心肌病的定义和流行病学

目前SCM诊断缺乏特异性的“金标准”，临床上通过脓毒症患者出现心功能障碍或血流动力学的异常及结合心脏超声异常表现、心肌损伤标志物升高来诊断SCM [3] 。脓毒性心肌病的患病率从10%到70%不等 [4] [5] ，这一范围太大的原因是：(1) SCM的定义不明确；(2) 用于评估心肌性能技术的多样性，早期通常包括有创血流动力学监测，可以测量充盈压力、心输出量和混合静脉血氧饱和度作为观察心输出量的指标。无创成像应用更广泛，但提供的心输出量和器官灌注充足的信息较少；(3) 对脓毒症期间LVEF的单一测量并不能排除或诊断心功能障碍 [6] 。因而脓毒性心肌病的发病率主要取决于所用的定义及采用的监测方法。

3. 脓毒性心肌病的特点

脓毒性心肌病最早由McLean等人于1967年描述，确定心力衰竭(HF)的标准是低心脏指数(CI) [7] 。随后，在1984年Parker等使用放射性核素血管造影将SCM定义为脓毒症和脓毒症休克引起的可逆性心肌抑制，左室射血分数(LVEF)降低 < 40%，舒张末期和收缩末期平均容积(EDV, ESV)增加，通常发生在脓毒症后2~3天内，在7~10天恢复 [8] 。随着研究和认识的深入，目前认为SCM不仅表现为左心功能障碍，而且还累及到右心功能障碍，因此脓毒性心肌病的特点表现为：(1) 心室扩张伴心室顺应性增加和充盈压力正常或降低，与心源性休克的心室压力升高不同；(2) 射血分数(EF)降低，但每搏输出量(SV)未减少；(3) 对液体复苏和儿茶酚胺的反应减弱；(4) 7~10天内可逆，心脏磁共振成像检查提示心肌水肿或代谢状态改变的变化，和缺血和坏死所见的不可逆性不同；(5) 排除急性冠脉综合征的病因 [9] 。临床表现为血流动力学不稳定或终末器官灌注不足，多脏器功衰竭，7~10天恢复正常不遗留明确心脏后遗症 [10] 。

4. 脓毒性心肌病的发病机制

4.1. 氧化应激和线粒体自噬

在脓毒症患者中，线粒体功能障碍影响心功能障碍的发生、发展且在预后中起着至关重要的作用，如线粒体的氧化应激、自噬等 [11] 。线粒体产生的氧化反应和亚硝化反应会损害心脏的收缩能力，导致心肌细胞的功能和结构破坏 [12] 。有动物试验研究显示，在脓毒症心功能障碍的大鼠中NO和超氧化物的生成增加，从而产生过氧亚硝酸盐，同时还发现脂质过氧化产物丙二醛水平增加。此外，活性氮和活性氧大量产生引起脂质过氧化和酪氨酸硝化反应，直接使心肌的收缩功能减低 [13] 。目前已有试验证实存在SCM的氧化应激机制的信号通路，如抑制NF-κB信号通路可以减轻脓毒症引起的心肌氧化损伤，另外蛋白激酶Cβ2信号的激活可加重SCM的氧化损伤 [14] 。线粒体自噬在维持心血管细胞内稳态方面起着重要作用 [15] 。大量线粒体自噬的研究表明，自噬的激活可以改善脓毒症所致的心功能障碍，但最近有研究提出了相反的观点：通过抑制自噬可改善脓毒症引起的心功能障碍，但更多研究观点倾向于激活自噬可以改善SCM的损伤。自噬相关的负调节通路有PI3K/Akt和mTOR、正调节通路有AMPK。一些学者认为脓毒症时细胞的损伤与激活PI3K/Akt/Bcl2信号通路，抑制LPS诱导的心肌细胞自噬有关 [16] 。但也有学者认为，激活PI3K/Akt信号通路，激活自噬，可以抑制SCM的发生发展 [17] 。Han等研究证实雷帕霉素可以改善心肌组织的病理损伤，减轻心功能障碍，增加LVEF，表明抑制mTOR通路可能通过激活自噬发挥保护心脏的作用，当脓毒症时，抑制自噬的机制与AMPK磷酸化水平有关用 [18] [19] 。目前研究表明，AMPK9的磷酸化激活自噬机制从而抵抗脓毒症时的心功能损伤 [20] [21] 。AMPK通过磷酸化丝氨酸317和丝氨酸777激活ULK1可能确保自噬发挥作用。ULK1参与了SCM中与自噬相关的PI3K/AK/mTOR和AMPK通路的激活和终止 [22] 。已证实SCM中自噬反应的机制可能与AMPK激活和mTOR1抑制的ULK1的磷酸化有 [23] 。

4.2. 钙稳态失衡

线粒体是心肌细胞重要的钙库，机体正常的情况下，摄取大量的Ca²⁺缓解心肌细胞胞质内高钙。脓毒症对心肌收缩功能的不利影响主要是由于线粒体功能障碍导致钙稳态失衡有关。有研究发现在SCM中心肌舒张期Ca²⁺的排出受损，导致Ca²⁺超负荷，进而影响其收缩期和舒张期功能 [13] 。心脏中储存和准备释放的Ca²⁺的量由肌浆网Ca²⁺-ATP酶(SERCA2)调节。抑制ERCA2会损害心肌舒张松弛，也是Ca²⁺重新摄取到肌浆网受阻的次要原因。在多种微生物脓毒症的小鼠研究模型中也描述了脓毒症后的SERCA2抑制，并且与射血分数下降和心功能不全有关 [24] 。MPTP (线粒体膜通透性转化孔)存在于线粒体内膜，线粒体内膜通常是不透气的，但脓毒症中的钙超载会导致MPTP的通透性增加，对于心肌细胞而言，MPTP开放可导致Caspase蛋白的激活，促进细胞凋亡，从而导致心肌细胞收缩功能障碍 [25] 。研究发现，抑制烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2稳定了细胞内钙稳态失衡及线粒体功能，也在脓毒症引起的心功能障碍中起到了保护作用 [26] 。以上说明钙稳态的失衡参与了脓毒性心肌病的发生发展。

4.3. 炎性细胞因子

在脓毒症时，大量的心肌抑制因子释放，造成炎症因子风暴，使脓毒症患者心功能受损，加速了死亡的进程。其中炎性细胞因子在脓毒症心肌病发病机制中起主要作用 [27] 。Liwei Ji 等在LPS诱导的脓毒症小鼠实验中发现，脓毒症引起较强的心肌炎症反应，巨噬细胞聚集，炎性细胞因子如肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素β (IL-1β)和白细胞介素6 (IL-6)的表达上调，继而使心肌细胞受损，造成心功能障碍 [28] 。在Zhu H等的研究中发现，THC (四氢姜黄素)可显著减轻脓毒症小鼠的炎症反应，通过上调丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶1，阻断c-jun氨基末端激酶和细胞外信号调节蛋白激酶的磷酸化，从而抑制细胞因子的释放，包括TNF-α、IL-1、IL-6，最终保护了脓毒症小鼠的心功能 [29] [30] 。已经证实这些细胞因子参与了脓毒症的病理生理过程，且对心肌抑制有作用。

4.4. 一氧化氮

NO是在一氧化氮合酶的参与下将L-精氨酸氧化生成的。脓毒症的发生与心肌中一氧化氮合酶的表达有关系 [31] 。一氧化氮合酶的进一步表达促进了NO的生成增加，导致心功能障碍。在人体内，中性粒细胞表达诱导性的一氧化氮合酶(iNOS)。细菌感染导致TLRs激活，导致炎症因子升高，炎症因子过度刺激中性粒细胞，导致iNOS的表达升高，从而增加一氧化氮的分泌。实验表明，由iNOS产生的一氧化氮会损害心脏功能，例如会降低心肌对钙离子的反应性、线粒体功能障碍。一项研究表明，褪黑素(iNOS抑制剂)可以防止脓毒症后线粒体内稳态的破坏，恢复ATP的生成，并提高脓毒症患者的存活率。这一证据支持线粒体内稳态和NO增加在SCM发病机制中起作用的假说。

4.5. Toll样受体(Toll-Like Receptor, TLRs)

TLRs是细胞膜表面的跨膜糖蛋白，通过识别不同病原体的相关分子模式(pathogeny associate molecule pattern, PAMP)，激活NF-κB信号通路，引起机体炎症反应，也是介导天然免疫反应的首要受体，也可识别大量不同病原体相关分子模式并快速激发机体免疫应答 [32] 。已经有研究证实TLR4和TLR2在脓毒症导致的心脏功能异常中发挥关键作用，TLR是识别病原体和产生持续性全身炎症瀑布效应的中间环节，通过抑制TLR的功能，可以调控脓毒症心功能障碍发病过程中的促炎反应，缓解其发病的严重程度。单核细胞和巨噬细胞膜上Toll样受体(尤其是TLR4)的激活会导致细胞因子如TNF-α、IL-6、IL-8和IL-1β的产生，这些细胞因子直接影响心肌细胞的收缩能力，且在脓毒症初期造成瀑布式级联反应。在Saiyang X等的研究中发现TLR7的激活通过促进cAMP-PKA-PLN通路来保护脓毒症诱导的心功能不全，我们发现TLR7可能是一个新的治疗靶点，以阻断脓毒症心肌病和支持脓毒症期间的收缩功能 [11] 。

4.6. 免疫抑制

免疫抑制通常与脓毒症期间心室功能障碍的发病机制有关，在此期间如果免疫系统能及时清除病原体，机体就能迅速恢复免疫平衡。如果不能及时清除病原体，免疫稳态将会失衡，造成SCM患者的死亡，越来越多的研究发现脓毒症患者及脓毒症所造成的并发症患者的死亡与免疫抑制和炎症的过度激活有关 [33] 。如中性粒细胞弹性酶(Neutrophil Elastase, NE)，高表达髓系细胞触发受体2 (triggering receptor expressed on myeloid cells-2, TREM2)的参与。中性粒细胞作为固有免疫的细胞之一，机体免疫系统的第一道防线，有消化、吞噬、杀菌作用。当机体被病原体感染后，通过释放NE杀死病原体，但是NE的大量释放会损伤周围的正常组织，导致相应的器官功能障碍。中性粒细胞弹性蛋白酶抑制剂(Neutrophil Elastase inhibitor, NEI)抑制NE的活性，减轻炎症反应，减轻脓毒症症状 [34] 。有动物实验研究发现脓毒症动物的心脏、肝脏、肺中有大量的中性粒细胞浸润，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性降低，可经过抗炎物质的处理后，中性粒细胞浸润明显减少，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性升高，降低了脓毒症动物各个脏器的炎性损伤。有研究发现在COVID-19流行期间，COVID-19患者循环系统中的中性粒细胞胞外诱捕网的水平升高，说明中性粒细胞也已经被激活。治疗发现NEI通过抑制NE的趋化作用，减轻中性粒细胞的浸润，进而减轻炎症反应。NEI在治疗脓毒症中及脓毒症的新冠肺炎患者中发挥了极大作用 。那么NE在SCM中也可能是损伤的主要原因，NEI是否在心功能障碍的患者中起到像在肺中一样的保护作用呢？需要我们深入研究还有最新研究发现在心脏损伤过程中，心脏巨噬细胞(CRMs)在清除坏死细胞和碎片、促进血管生成、限制炎症和组织重塑等方面发挥着重要作用 [35] [36] 。有研究团队发现，在盲肠结扎穿孔诱导的SCM小鼠动物模型中，通过单细胞转录组学发现了一群心脏常驻巨噬细胞亚群，其高表达髓系细胞触发受体2 (triggering receptor expressed on myeloid cells-2, TREM2)，与SCM的病程密切相关。研究结果显示TREM2基因敲除或TREM2hi巨噬细胞缺失，导致脓毒症心脏功能障碍加剧；心包腔内移植TREM2hi亚型巨噬细胞可保护脓毒症造成的心功能障碍。该研究发现了脓毒症心功能障碍恢复的关键是免疫细胞亚群——以TREM2高表达为特征的心脏常驻巨噬细胞为著，表明了免疫细胞亚群在脓毒症心功能障碍中的作用和机制，为基于TREM2hi巨噬细胞的脓毒症心肌病治疗提供了新的方向 [37] 。

5. 结论

综上所述，以上对SCM的发病机制从线粒体功能障碍、心肌抑制物、免疫机制方面分别所包括的氧化应激、线粒体自噬、钙稳态失衡、心肌细胞因子、一氧化氮、Toll样受体、中立性细胞释放出的胞外诱捕网、以及TREM2方面进行了综述。SCM复杂的发病机制对SCM的诊治是一个严峻的挑战，在没有明确发病机制时，早期对SCM进展的控制极为重要，有必要继续探索和完善SCM的发病机制。有研究发现NEI可减轻线粒体功能障碍和抑制炎症因子释放所导致的脓毒症，在ARDS患者及最新的新型冠状病毒性肺炎的救治中发挥了重要作用，目前来说对NEI在SCM中的研究是一种最新的治疗研究方向，具有很大的前景，可防止SCM的发生及降低其死亡率。

基金项目

青海省2022年基础研究计划项目(2022-ZJ-754)。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。