罗畅，蔡春泉

脓毒症性心肌病的发病机制研究进展

罗畅，蔡春泉

天津医科大学研究生院天津市儿童医院，天津 300400

脓毒症性心肌病（SIC）是由感染引起机体免疫反应紊乱而造成心脏收缩功能障碍，使器官以及全身组织灌注不足，进而出现缺血缺氧从而引起的可逆性的心肌抑制性损伤。SIC是脓毒症的并发症之一，表现为左心室扩张以及左室射血分数的降低，是影响脓毒症患者最终预后的关键。SIC的发病机制尚不十分明确，主要包括线粒体能量代谢障碍、线粒体功能障碍、心肌抑制因子对心肌细胞的损害、NO合成失衡、Toll样受体（Toll-likereceptors，TLRs）介导的炎症反应对心肌细胞的损害等，这些机制共同影响着疾病的发生与发展。

脓毒症并发症；心肌病；脓毒症性心肌病；心肌损伤；线粒体；Toll样受体

脓毒症在临床上是重症医学科所要面对的主要疾病，脓毒症的主要发病机理为宿主感染病原体后引发免疫反应，从而导致危及生命的全身器官功能障碍的疾病［1］。中国疾病控制中心基于人群的脓毒症流行病学监测结果提示［2］，脓毒症相关死亡占12.6%，即每年约有100万人死于脓毒症，故脓毒症的发病率、病死率高。脓毒症可以并发多种器官功能障碍，其中脓毒症引起的可逆性心肌抑制病变，即脓毒症性心肌病（Sepsis-induced cardiomyopathy，SIC）。SIC是由感染引起机体免疫反应紊乱而造成心脏收缩功能障碍，使器官以及全身组织灌注不足，进而出现缺血缺氧从而引起的可逆性的心肌抑制性损伤。SIC与脓毒症的病死率密切相关，同时SIC被认为是致使儿童脓毒症患者预后不良的重要标志［3］，所以对SIC的研究显得尤为重要。随着医学诊断技术的不断发展，脓毒症性心肌病的特性逐渐明确，表现为左心室扩张以及左室射血分数的降低，而患者若能度过病程极期，心功能在7～10 d后一般可恢复正常［4］。到目前为止SIC的发病机制尚不十分明确，学者进行了大量研究，主要包括线粒体能量代谢障碍、线粒体功能障碍、心肌抑制因子对心肌细胞的损害、NO合成失衡、Toll样受体（Toll-likereceptors，TLRs）介导的炎症反应所致心肌损伤等，这些机制彼此独立又相互影响，共同影响着疾病的发生与发展。现将SIC的发病机制研究进展综述如下。

1 心肌细胞线粒体能量代谢障碍

心肌细胞收缩所需的能量主要由线粒体提供，葡萄糖和脂肪酸氧化磷酸化产生三磷酸腺苷（ATP）为心肌收缩提供了所需的能量。线粒体能量代谢障碍是指脓毒症发生时心肌细胞内线粒体无法正常进行糖及脂肪酸代谢，致使心肌细胞收缩功能下降，导致SIC发生。

1.1糖代谢障碍吴大勇等［5］研究发现，脓毒症发生时血乳酸升高，这充分表明了炎症发生时患者体内的糖代谢出现了异常。在氧供充足的环境中，丙酮酸可以由异二聚体、丙酮酸载体蛋白复合物转运进线粒体，将其转换成乙酰辅助酶A（CoA）和CO2，这个过程受到丙酮酸脱氢酶复合物（pyruvate dehydrogenase complex，PDC）的调控，PDC具有连接糖酵解和限制有氧呼吸的作用。ZHU等［6］研究表明，PDC的活性在脓毒症发病的过程中下降。PDC之所以失活是由于磷酸肌醇依赖性蛋白激酶（phosphoinositide dependent protein kinase，PDK）将其磷酸化所致。PDK受抑制PDC活性的转录因子如糖皮质激素受体（GR）、缺氧诱导因子1（HIF-1a）以及过氧化物酶体增殖物活受体（PPAR-a）的调控。此外，调节丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、受体相互作用蛋白激酶等其他参与坏死凋亡的激酶在其中的作用也很重要［7-8］。而当PDC失活后，PDC复合物可以通过去磷酸化磷酸酶恢复到活性状态，这一点也符合SIC可逆性的特点。另外，PDC需要一种辅助因子，硫胺素（又名维生素B1），这种分子在脓毒症样本中会减少［9］，这可能是因为PDC与α-酮戊二酸脱氢酶复合物脱羧、利用CoA加成底物会消耗更多硫胺素，这反向证明了脓毒症患者在疾病发生时糖代谢异常的状态，同时也说明了脓毒症会使患者处于高代谢状态，会消耗更多得能量。

1.2脂肪酸代谢障碍脂肪酸代谢可以提供线粒体能量的70%，心肌细胞对脂肪酸的利用主要通过脂肪酸转运蛋白（FATP）、脂肪结合蛋白3（FABP3）以及脂肪酸转位酶（FAT/CD36）［10］。FAT/CD36是处于细胞膜上的一种单链糖蛋白；FATP是一种多功能载体蛋白，这二者负责跨膜转运长链脂肪酸；而FABP3是一种多源小分子，参与心肌细胞内长链脂肪酸的能量代谢［11］。在分子水平上，心肌细胞的能量代谢主要受到核受体家族在转录水平的调节，张昊等［12］的研究证明，脓毒症小鼠在代谢活性和器官功能得到恢复后，线粒体功能标志物PGC-1α、Tfam和NRF-1上调，考虑这与线粒体保护、更少的心肌功能障碍和给予脂多糖后的生存率提高有关。FAT/CD36启动子上则包含过氧化物酶体增殖物激活受体PPAR反应元件（PPRE），PPARs与配体相结合后，再与视黄醇类受体（RXR）相结合，经PGC-1α与PPRE上调后调整转录目标基因，对脂肪酸代谢相关基因产生一定的影响［13］。有研究［14］表明，产生更多PPARγ的转基因小鼠和用PPARγ激动剂罗格列酮处理的野生型小鼠均显示出PGC-1a水平的升高，这充分说明PPARs参与了对脂肪酸代谢的调控，此机制影响线粒体能量的产生。但关于脂肪酸代谢的分子机制临床研究较少，因此应当注意相关影响脂肪酸代谢的通路在调节上是否存在表型差异的问题。

2 心肌细胞线粒体功能障碍

国内外许多学者研究［15-16］发现，脓毒症造成的心功能损害主要为心肌线粒体功能的损伤，这种损伤表现为线粒体结构的变化，而造成该现象的分子机制可能与脓毒症发生时由于氧化应激反应活化产生过量活性氧损害线粒体内膜及线粒体自噬在疾病条件下出现紊乱相关［17］。

2.1氧化应激反应过度氧化应激反应是指由于氧化和抗氧化过程的不平衡而导致体内活性氧（reactive oxygen species，ROS）过量产生的生物学过程。近年来，氧化应激反应与炎症的密切关系日益受到人们的重视。在正常情况下，细胞内氧自由基浓度维持在较低水平，当机体受到刺激或损伤时，炎症对线粒体产生作用，ROS明显增加。2019年吕卓超等［18］研究发现，当ROS大量生成会损害组织细胞功能，并且它对细胞膜的损害作用加剧，还可引起多种疾病发生和发展。丙二醛作为脂质氧化所产生的物质，可用以评估机体氧化损害的程度［19］。黄爱容等［20］通过实验评估丙二醛水平发现，ROS过度生成的小鼠心肌功能明显下降。细胞内的ROS主要通过抗氧化酶、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）等抗氧化酶去除，它们通过清除氧自由基维持正常生理活动。随着研究深入，发现某些组织或器官的功能异常与机体内多种抗氧化酶活性下降有关。SOD分为三种亚型：Cu/ZnSOD、FeSOD、MnSOD。MnSOD的含量在心脏中占总SOD的70%，在心肌细胞中占90%。线粒体中MnSOD的表达调节氧化磷酸化过程中氧负离子的产生，因此，在ROS生成中起着至关重要的作用。YANG等［21］的实验表明，在脓毒症诱导下发生的心肌代谢功能障碍中硫氧还蛋白互作蛋白（thioredoxin-interactingprotein，TXNIP）通过NLRP3激活内质网破坏性应激过程是必不可少的。这项研究还表明，心肌细胞在脓毒症过程中通过活性氧依赖性细胞色素C释放途径诱导凋亡。细胞色素C存在于线粒体膜上，通常依赖与心磷脂的结合。然而，当缺血再灌注引起心肌损伤时，ROS可介导胞内活性氧和脂质过氧化产物对线粒体内膜及肌浆网的损害作用，从而导致细胞死亡。这是因为在脓毒症情况下，ROS破坏细胞色素C与心磷脂的结合，并释放到细胞质中，在细胞质中激活半胱氨酸蛋白酶caspase级联反应，诱导心肌细胞的凋亡，这是一个不容忽视的过程。

2.2线粒体自噬功能紊乱线粒体的功能失调也与自噬有关。自噬（autophagy）是细胞中的一个重要代谢过程，调节控制了特异细胞的清除过程，并且维持了体内调节机制的平衡。自噬过程通过自噬结构形成，继之以自噬体或自噬内涵体与溶酶体相结合，然后将底物送至溶酶体，最终降解为大分子的产物并释放到细胞质中。自噬又分为选择性自噬与非选择性自噬。选择性自噬是一种特异性的将失误或未能折叠的蛋白质和多余或畸形的细胞器分解的过程。而非选择性自噬则是由双层膜的吞噬体组成的无差别的包覆细胞质产生自噬体，通过转运到溶酶体降解为代谢基本底物的过程。在饥饿等消耗性刺激下，非选择性自噬可以保持营养供应，是正常的生理过程。据2021年王佳兴等［22］研究证实，自噬能够改善脓毒症小鼠的线粒体功能。而在疾病条件下，自噬的作用却不尽相同［23］，原因可能是不同种类的细胞在面对同样的条件时，自噬的作用和发生方式存在差异。近年来，对于线粒体自噬的研究逐渐增多，已有研究［24］表明，线粒体自噬与SIK2调节mTOR通路有关，这个过程在脑缺血再灌注过程中发挥作用，可以改善神经元损伤，促进能量代谢。这或许是日后研究脓毒症心肌病发病机制的又一新方向。

3 心肌抑制因子对心肌细胞的损害

当人体受到各种病原体感染后，会导致一系列免疫反应，通过内源性配体激活机体单核巨噬系统，通过内源性配体、趋化性、激活和免疫细胞浸润，激活身体的单核细胞巨噬系统（中性粒细胞、巨噬细胞等）增加核转录因子（nuclear factor-κB，NF-κB）的活性，并促进细胞因子以及补体的合成与释放（如IL-6、IL-1、TNF-α以及C5a），同时会发生凝血功能的异常，造成心肌细胞的直接损伤和心肌组织灌注不足［25］。目前有研究［26-27］表明，IL-6释放可以抑制心肌细胞的收缩，而在去除IL-6之后，心肌抑制作用得以恢复。另有研究［28］发现，氧化应激和炎症因子IL-1及TNF-α与脓毒症有关，而使用药物减少SOD，减少炎症因子的释放，结果使心肌细胞得到保护。此外，IL-1受体拮抗剂的使用还可以改善脓毒症病人的心脏机能和预后。然而由于IL-1和TNF-α的半衰期较短，它们所引起的心肌抑制只发生在脓毒症的早期阶段，但是IL-1和TNF-α介导心肌中过量NO的合成维持了这一效果，造成了瀑布式的炎症因子风暴。此外，有人在临床研究中发现社区获得性肺炎的感染患者血中C5a浓度升高，表明C5a在炎症的发生中起显著影响，但也可能存在时效性。通过对C5a的中和作用，可以减少血粒细胞的集落刺激因子浓度，表明C5a是具有潜在作用的抑制因子［29］，这在脓毒症发生时同样适用。

4 心肌细胞NO合成失衡

NO的产生在SIC中起着不可忽视的作用，它参与了心脏损伤时血管通透性增加，炎症反应和心肌能量代谢障碍等病理生理过程，同时还与心力衰竭、急性心肌梗塞以及心律失常等并发症有关。因此，NO通常来说是心血管系统的疾病发生以及发展的一个值得注意的因素。心肌细胞中的一氧化氮合酶（Nitric Oxide Synthase，NOS）可分为神经元型NOS、诱导型NOS和内皮型NOS三种亚型。神经元型和内皮型NOS都能连续地产生NO，但是数量很少，少量而稳定的NO能使血管保持舒张状态，从而调节心脏的前后负荷，能够维持心血管系统的稳定性，在SIC中可以保护心肌细胞，并且在杀灭微生物方面发挥积极作用。有学者［30］发现，通过大剂量应用维生素C可以抑制ROS的产生及NOS活化，从而降低脓毒症大鼠心肌收缩障碍。另一项研究［31］发现，联合使用β2肾上腺素能受体拮抗药和NOS抑制剂可以有效逆转LPS诱导的心肌抑制，这是因为增加心肌内皮型NOS产生的NO使内毒素诱导的ROS生成减少，从而增加了心肌肌质网的Ca2 +负荷，提高了肌丝对Ca2 +的敏感性，从而维持了心肌收缩力。但NO的作用却是两面性的，诱导型NOS会在细胞因子的介导下产生出大量的NO，该酶催化一系列复杂的反应，其中包括氧化还原反应。它们与超氧自由基相结合，产生过氧亚硝基，使外部血管过分扩张，心脏前、后负荷发生剧烈的变化，还会抑制I型钙离子通道的功能，并且降低心肌细胞线粒体电子传递链复合体的活性，影响线粒体功能，最终影响心肌细胞的收缩。在脓毒症休克患者的血液中发现了高浓度的亚硝酸盐和硝酸盐，这表明高浓度的NO会影响脓毒症患者的预后。这与NO同氧负离子结合，不可逆转地抑制有氧呼吸，从而影响线粒体ATP的产生，导致心肌收缩功能障碍有关。目前有研究人员发现，它的分子机理可能是过多的NO激活鸟苷酸环化酶，将鸟苷三磷酸转化成环磷酸鸟苷（cGMP）。cGMP作为第二信使，它能使多种蛋白激酶、离子通道和磷酸二酯酶活化［32］。研究表明，这种信号通路的过度表达会显著增加与脓毒症相关的心肌细胞功能障碍，降低外周血管反应性，并增加死亡率。由此可知，脓毒症心肌病的发生应当与神经元型和内皮型的NOS减少，诱导型NOS生成增多有关。

5 TLRs介导的炎症反应对心肌细胞的损害

病原体的外表通常情况下都有一些相同的分子结构，并具有高度的保守性，例如革兰阴性杆菌的脂多糖、革兰阳性杆菌的寡肽糖等。而人体先天性免疫细胞表面，可以表达一些非克隆分布的、可用来辨认这些病原表面分子结构的识别分子。TLRs就是这样一类在免疫细胞和心肌细胞中表达的免疫识别分子［33］，它们在外细胞膜和细胞的胞质细胞器中都有差异表达。在接触病原结构后，可以激活患者体内的固有免疫反应，以防止微生物或感染的发生。TLR1、TLR2、TLR4、TLR6主要在外细胞膜表达，而TLR3、TLR7、TLR8、TLR9则主要分布在溶酶体、吞噬体、吞噬溶酶体和内溶酶体这些细胞器膜上，被认为在细胞因子风暴的产生中具有关键作用，他们通过微生物相关分子模式（MAMP）、损伤相关分子模式（DAMP）发挥作用。识别MAMP和DAMP后，TLR激活下游信号通路，释放促炎介质，如细胞因子、趋化因子、干扰素和ROS，这些介质可引起急性炎症，以控制病原体并修复损伤。体外研究［34］显示，当脂多糖存在时，实验细胞中肌钙蛋白Ⅰ的表达显著增加，而在额外的ATP或黑细胞素的存在下，肌钙蛋白Ⅰ的释放是进一步增加的，这表明心肌细胞中存在一种TLRs，可介导P2X7依赖的nlrp3炎症小体导致肌钙蛋白I释放，表明TLR信号传导参与了脓毒症期间的心脏氧化还原信号传导以及钙处理和能量代谢。值得注意的是，TLR2和TLR4两者较为特殊，它们也存在于细胞内，在细菌性脓毒症期间诱导促炎免疫反应，但是对于脓毒症条件下对心肌细胞产生的作用目前仍有矛盾［35］，有待进一步验证。

综上所述，脓毒症心肌病的发病机制复杂，现有的研究以及学说众多，主要围绕着线粒体能量代谢异常、线粒体功能障碍、一氧化氮合成失衡、心肌抑制因子释放以及Toll样受体介导的炎症激活等几个方面，这些机制彼此独立又相互影响，共同影响着疾病的发生与发展。目前认为在感染、创伤等因素引起脓毒症时，可直接激活机体先天性免疫反应，进而引起炎症和心肌抑制因子的释放，致使机体产生氧化应激反应，而后致使体内出现持续性的细胞因子风暴、线粒体功能损伤和能量代谢异常，最终影响到心肌功能。虽然对该病发生机制的研究已取得了进展，但是在一些细节方面仍然有待更深入的研究，比如对其机制的研究更多停留在细胞分子水平，或更多基于动物实验验证，而临床研究受限于经济或伦理因素相对较少，这将是我们未来共同努力的方向。

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10.3969/j.issn.1002-266X.2022.33.022

R542.2

A

1002-266X（2022）33-0088-05

蔡春泉（E-mail： tjpns@126.com）

（2022-06-26）