熊琴梅，洪葵

心力衰竭分子治疗机制探讨

熊琴梅，洪葵

过去的 20 余年中，由于人们对心力衰竭（心衰）发病的细胞分子机制的理解，并相应制订出了有效的治疗方法，从而使心衰逐渐转变成一种慢性病。但是，心衰尤其是慢性心衰仍然是心源性死亡的主要原因。随着全球老龄化进程，心衰患病率持续增长，从而耗费了巨大的人力和物力。近年来，随着对心衰进程中神经体液调节、心肌能量代谢、细胞钙循环和心肌细胞凋亡等内在机制认识的深入，针对心衰病程各环节中所涉及的分子治疗研究相继展开。探索针对细胞和整个器官水平发病机制的新疗法来遏制或扭转这种疾病的严重后果显得尤为重要。本文就心力衰竭的分子治疗机制研究进展进行综述。

1 分子靶向治疗

1.1 神经体液调节与分子阻断剂

心衰是由于各种病因导致心脏无法提供足够血液来满足机体组织需求的一种临床综合征。大约有一半的患者表现为收缩性心衰，即收缩障碍和心脏扩大；另一半表现为舒张性心衰，即收缩功能正常或轻度降低，但心室充盈不良致使心肌呈现肥厚性改变。随着心功能的下降，机体通过增强对交感神经系统（肾上腺素和去甲肾上腺素）的刺激和对神经内分泌（血管紧张素 II，内皮素和利钠肽）的刺激代偿，增加心脏收缩频率和强度以维持心输出量。目前用于改善心衰患者症状及提高存活率的主要药物包括 β 受体阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂、血管紧张素 II 受体拮抗剂以及醛固酮合成抑制剂。经过 10 多年来大量的临床试验表明，β 受体阻滞剂已成为心衰治疗的常规用药。其生物学机制在于扭转 β 受体的下调，并能通过 G 蛋白和 G 蛋白偶联受体激酶 2 增加信号转导，以及纠正兴奋收缩偶联蛋白生成过程中的异常。另外，Noma 等[1]通过体内及离体实验发现，β-arrestin 是 β 肾上腺素受体与表皮生长因子（EGFR）信号转导时的关键调节剂。研究进一步发现通过活化 β1受体来诱发 EGFR 的转录激活，能起到保护心脏的作用。这些结果表明，激活 β-arrestin 介导的细胞保护途径的新型β 受体阻滞剂有可能增强心衰治疗效果。

内皮素和各种致炎细胞因子均能促进心衰的病理生理改变。然而，由于这些分子信号传导复杂，针对它们的分子阻断剂疗效也不确切。阻断某些信号分子能改善心脏血流动力学，但不能降低生存率和心脏重塑进程，对心衰的治疗并无帮助[2]。有些因子的阻断剂被证实无益于改善心衰症状，甚至可能恶化临床预后。

利钠肽包括心钠肽和脑钠肽，作为心衰病程中生成的重要心源性激素，已被证实具有保护心脏的作用。近年研究显示，调控利钠肽的药物似乎很有前景，但其对心衰的疗效仍然存在争议[3]。

1.2 心肌能量代谢与分子调控

心脏组织的能量主要来自循环游离脂肪酸，其次来自葡萄糖。心衰时，心脏 ATP 合成和利用受限，其原因可能为线粒体功能异常，或者能量底物发生了改变（即葡萄糖利用增加）。转录活化因子 PGC1 家族是线粒体生物功能的关键调节剂，其中 PGC1α 具有提高氧化磷酸化水平作用，以满足心脏应对生理刺激（即生长发育或运动）时的能源需求。心肌肥厚和心衰的小鼠模型研究表明，增强 PGC1α 的活性将有助于使心脏能量代谢正常化，从而纠正心衰病程进展[4]。最新一项旨在研究 P53 及其转录靶基因 TIGAR（TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator） 在心肌能量代谢过程中作用机制的实验发现，敲除 P53 或 TIGAR基因的小鼠心肌细胞通过提高果糖- 2，6 二磷酸水平来增加糖酵解，减少凋亡细胞数目，证实了 P53 和 TIGAR 能抑制缺氧心肌细胞的糖酵解而成为细胞能量代谢的关键调节剂[5]。

ATP 存储异常是心衰患者心脏能源代谢失调的另一因素。磷酸肌酸是心脏存储能量的重要方式，它在肌酸激酶作用下将其磷酸基转移到 ADP 分子中生成肌酸和 ATP 以满足心脏的高能源需求。Phillips 等[6]通过建立过表达心肌肌酸转运体的小鼠模型，从心脏能量代谢角度观察肌酸的影响及其潜在的分子机制，发现心肌肌酸水平升高可致糖酵解能力下降，导致心肌进行性肥大和心衰的产生。

心肌毛细血管密度是心脏能源供应的又一重要影响因素。当小鼠因心脏特异性的信号蛋白 Akt（protein kinase B，PKB）生产过剩时，血管生成无法赶上心肌细胞增殖速度，从而引起心肌肥厚病理变化[7]。转录因子 GATA4 在血管生成时有重要作用，已有研究发现敲除心脏 GATA4 基因能导致心功能障碍、房室扩张和促进细胞凋亡等一系列病理过程[8]。Heineke 等[9]进一步研究证明激活 GATA4 有助于维持心肌肥厚和营养供应（毛细血管密度）之间的平衡来达到保护心脏的目的。另外，压力超负荷时高表达的缺氧诱导因子 1α（HIF1α）是刺激血管生成的关键分子。Sano 等[10]在肿瘤抑制蛋白 P53 的研究中发现，P53 表达上调可抑制HIF1α 的活性，导致心脏扩张，促进心衰的发生。上述研究结果均提示，调控这类分子的靶向治疗，研发促血管生成的分子靶向制剂，将为心衰的治疗开辟新的途径。

1.3 细胞钙循环与分子修复

钙离子信号通路是心衰发生发展的中心环节。驱动肌肉周期性收缩的兴奋收缩偶联与胞浆 Ca2+浓度的调节有关。虽有证据说明 Ca2+的操控作用，但是其改善心功能的确切机制仍不清楚。Ca2+经兰尼碱受体 2 型（RYR2）通道从肌质网释放，随后通过 Ca2+摄取泵（SERCA2a）重新摄取进入肌质网或由 Na2+/Ca2+交换通道移出细胞。SERCA2a的活性由磷蛋白调节。未磷酸化的磷蛋白抑制它的活性，减少肌质网 Ca2+摄取；而磷酸化时这种抑制作用消失，Ca2+摄取增加。肌质网内 Ca2+浓度下降，导致心肌收缩力减弱，促进心衰的发生。目前以这些信号分子为靶标，探索心衰治疗措施的研究日益增多。Mi 等[11]实验证实，以腺病毒为载体，输注编码 SERCA2a 的基因使其过表达、敲除编码磷蛋白的基因或者大量生成磷酸化磷蛋白，均能改善心功能及抑制各种心衰动物模型的心脏重构。Xin 等[12]从细胞凋亡角度研究同样发现，输注 SERCA2a 基因后能通过抑制未折叠蛋白反应（UPR）信号通路的活性，干预内质网应激，从而显著减少缺血心肌细胞调亡，延缓心衰的进程。现已有大量有关 SERCA2a 基因输注对心衰的疗效的临床试验正在进行中，并取得一定的疗效。另外，Pathak 等[13]通过给心衰动物模型输注编码磷酸酶抑制剂 I-1 的基因来治疗心衰也获得成功。这些结果均为心力衰竭的分子靶向治疗提供了新思路。

修复肌质网 Ca2+释放不足的潜在分子治疗也在研发之中。有研究发现，由蛋白激酶 A（PKA）磷酸化的 RYR2引起通道稳定蛋白（calstabin2，又称 FKBP1B）的解离能增加肌质网的 Ca2+渗漏，导致心律失常产生。而 β 受体阻滞剂的干预能逆转 RYR2 被 PKA 过度磷酸化，防止这种 Ca2+渗漏，最终改善心功能[14-16]。然而，其他研究小组提出，由钙离子/钙调素依赖性蛋白激酶 II（calcium/calmodulin-dependent protein kinase II，CAMKII）磷酸化的RYR2 对于肌质网 Ca2+经 RYR2 渗漏尤为重要，而且刺激 β 受体能通过 CAMKII 磷酸化途径而非 PKA 途径增加 Ca2+渗漏[17]。因此，给予 钙离子/钙调素依赖性蛋白激酶 CAMKII 小分子抑制剂或者 FKBP1B-RYR2 复合物的稳定剂可能是改善心律失常和心脏病理重构的新举措。

1.4 凋亡或坏死心肌与分子替代

心衰时，细胞存活和细胞凋亡或坏死途径间的失衡导致心肌细胞数目减少。细胞凋亡可以通过多个途径启动，包括那些由活性氧、血管紧张素 II、交感神经刺激或者细胞因子触发的细胞信号途径。抗凋亡的促存活途径主要包括JKA（janus激酶）-STAT 信号途径和 PI（3）K-Akt 信号途径（后者与 Akt 的转录有关）。通过提高 Akt 活性或阻断半胱天冬酶（一种针对细胞凋亡的钙依赖型半胱氨酸蛋白酶）活性来抑制细胞凋亡，这对治疗很有意义。Nakayama等[18]研究发现，心肌坏死时，细胞内钙浓度增加引起的线粒体损伤，以及由 L 型 Ca2+通道进入的 Ca2+增多通过激活环孢菌素 D（又称 PPID）途径使线粒体通透性增加，均能促进心衰的发生发展过程。由此可见，抑制 PPID 活性是减少正常心肌细胞损伤的一种有效治疗方法。

细胞自噬是真核细胞中一种高度保守的降解过程，它能引起细胞程序性死亡，是正常心肌细胞减少的另一机制。当细胞因能量供应不足处于饥饿状态时，便激发了自吞噬过程。在肥厚和衰竭的心脏中可以观察到细胞自吞噬，但是它的作用好坏仍存在争议。有证据表明，由压力超负荷引起的小鼠心脏重塑能通过沉默编码 beclin1（自噬体形成所需的一种蛋白）基因来改善，而 beclin1 生产过多时加剧心脏病理性重塑的进程。相比之下，另一项研究发现缺乏自噬所需的 ATG5 蛋白的小鼠更易患扩张型心肌病，而且具有心脏特异性 ATG5 基因缺失的小鼠比野生型小鼠在压力负荷加重时更易罹患心肌肥厚[19-20]。

基于对心肌细胞凋亡或坏死的分子机制的认识，探索促进心肌再生的治疗方法尤为重要。建立梗死心脏模型，试图恢复梗死心肌瘢痕区的细胞活性的实验和研究难度很大。最近的研究表明，细胞治疗机制并不是一种简单的心肌细胞置换，而是通过输注内源性细胞产生的旁分泌效应使心肌细胞再生，从而达到治疗目的[21]。因此，能产生这种旁分泌效应的分子将有一定治疗意义。

2 心脏辅助器械治疗和生物分子的关联

近 10年里，心衰治疗的亮点是应用植入起搏器来实现心脏机械再同步。这种疗法适用于因室内传导延迟而导致室壁运动不协调以及收缩效率低下的患者。通过同步刺激左右心室，恢复左室协调收缩及心脏供能，从而改善临床症状和降低病死率。然而，至今心脏再同步临床治疗的患者大约有百分之三十没有受益，其中的原因及潜在的分子治疗机制尚需要进一步探索。基础实验发现心脏再同步治疗（CRT）能全面改善由 Akt-BAD （抗细胞坏死的 bcl-2 拮抗剂）介导的细胞存活，扭转应激活化酶在收缩不协调的心室壁的活化区域；使心衰患者脑钠肽（BNP）信使 RNA 水平降低，α-MHC 和 β-MHC 水平增加；可逆转整个心脏的凋亡状况和局部激酶的活性[22-23]。Aiba 等[24]采用射频消融方法建立犬左束支阻滞模型，观察心衰时心脏再同步治疗对心肌电生理特性的影响，发现 CRT 在一定程度上能修复心脏非同步收缩导致的离子通道异常，可能对室性心律失常具有抑制作用，从而改善心功能，增加运动耐量。最新一项有关心肌线粒体蛋白组学研究，通过对比心脏再同步治疗组与非治疗组的 ATP 生成及能量调节机制，发现 CRT 治疗组能通过调节丙酮酸代谢改善心肌能量代谢，证实双心室起搏可通过改善线粒体功能使心衰患者获益[25]。由此可见，通过蛋白组学研究全面认识心脏再同步治疗分子机制中的关键蛋白，将为心衰的治疗提供潜在的新靶标。

另一种重要的辅助治疗装置是植入式复律除颤器（ICD），因其能降低高危患者恶性心律失常的发生率及死亡率而逐渐广泛应用于临床。但是，虽然医生能确定高危患者，却很难预测谁真正需要 ICD 治疗。鉴于设备复杂且成本高，选择合适的预测方法显得尤为重要。目前，研究人员正努力通过电生理、分子和基因组分析来实现这一目标。

虽然完全植入性人工心脏还有漫长的研究道路，但新近上市的左心室辅助装置（LVAD）设备在心衰治疗中具有一定的前景。最近一项临床实验通过记录患者的动态心电图，对比分析心率变异性参数发现，植入 LVAD 能纠正心脏自律性紊乱，增加心衰患者显著下降的心率变异性，是终末期心衰的有效治疗措施[26]。研究患者接受 LVAD 治疗前后的心肌细胞，发现这种疗法能显著改善钙循环、肾上腺素反应以及分子形态重构。这些研究为人类心衰的分子和细胞可塑性提供了新见解，并提出 LVAD 治疗可能导致真正的心脏复苏。从将植入 LVAD 与 β2受体激动剂联合治疗的临床试验得来的数据也可以看出，实现这种复苏指日可待[27]。然而，Ogletree 等[28]的研究显示，植入 LVAD 疗法对肌质网钙循环异常的修复作用具有时间依赖性，长时间的 LVAD辅助支持治疗会加重钙循环障碍，这一结果引导我们对卸载LVAD 装置的最佳时间进行深入研究。另外一种治疗设想，在心脏某个特定时间窗（不应期）给予高频电脉冲刺激（10 Hz），使心脏功能得到改善而不引起心脏收缩，因此被称为非兴奋性心脏收缩治疗[29]。该设想的可行性及具体分子机制有待于进一步探索。

3 前景

至今，基于细胞、分子、基因水平对心衰发病机制的研究和心衰的治疗已经取得了飞速进展。然而，其患病率和死亡率仍然居高不下，给患者造成身心痛苦的同时，也给家庭和社会带来巨大的经济负担。可见，心衰作为各种心血管疾病的终末阶段，已成为研究人员亟待攻克的一道难题。目前，心衰治疗已经进入植入微处理器（如电子产品）时期，微型工程感受器技术的进步将有可能扩展这些器械的潜力，为疗效的最优化提供新的途径。通过大量基础及临床研究，基于细胞和基因的治疗手段正向我们展示其广阔的应用前景，其进展令人兴奋。细胞治疗有可能挽救心肌细胞损伤甚至促使心肌细胞再生。基因疗法能纠正甚至逆转那些异常分子。未来心衰的治疗策略将逐步朝着针对潜在致病分子的靶向治疗这一方向发展，有望使心衰患者最大程度上获益。人们正期待着这个靶向分子治疗时代早日到来。

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10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2011.02.009

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2007CB512002）；国家自然科学基金（30760076）；江西省科技支撑重点项目（2007BS02346）

330006 南昌大学第二附属医院心内科（熊琴梅）；330006 南昌大学第二附属医院心内科/江西省医学遗传和基因治疗研究所（洪葵）

洪葵，Email：hongkui88@163.com

2011-01-06

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