思 飛 張 玲 李 盼 馬 莉

1.蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730030；2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院急診ICU，甘肅蘭州 730030

膿毒癥是指由感染導(dǎo)致宿主免疫反應(yīng)失調(diào)的一種可引起器官功能障礙、甚至死亡的系統(tǒng)性疾病[1]。其核心為感染和器官功能障礙，膿毒性休克提示病情危重。一般膿毒癥患者的死亡率約為10%，而膿毒性休克患者的病死率則高達(dá)甚至超過(guò)40%[2]。在美國(guó)，每年有70 余萬(wàn)例膿毒癥患者，總死亡率接近30%，隨著美國(guó)人口的老齡化的進(jìn)程，預(yù)計(jì)膿毒癥的發(fā)病率和死亡率也會(huì)逐漸上升[3]。膿毒癥發(fā)生的過(guò)程中，某個(gè)器官功能衰竭常常會(huì)誘發(fā)其他器官功能障礙或衰竭，其中心功能不全是膿毒癥相關(guān)多器官功能衰竭的重要組成部分。全球每年膿毒癥患者超過(guò)數(shù)百萬(wàn)，且超過(guò)1/4 的患者死亡[4]。膿毒性心肌病具有多種不同的表現(xiàn)形式，主要包括收縮期或舒張期左心室和/或右心室功能障礙、心輸出量不足、供氧不足或原發(fā)性心肌細(xì)胞損傷。心功能衰竭會(huì)導(dǎo)致血流動(dòng)力學(xué)障礙進(jìn)而加重組織功能障礙、線粒體功能障礙和組織代謝紊亂。關(guān)于其發(fā)生發(fā)展機(jī)制的研究非常之多。線粒體的主要功能有為細(xì)胞生命活動(dòng)提供能量，生成活性氧參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+平衡，介導(dǎo)線粒體凋亡途徑等[5-6]。目前，有研究提示在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中線粒體起重要作用，甚至認(rèn)為起決定性作用[7-8]。近年來(lái)認(rèn)為線粒體在膿毒癥性心力衰竭中的作用機(jī)制為線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mPTP）異常開(kāi)放導(dǎo)致線粒體膜腫脹，通透性增加，膜電位崩潰，隨之導(dǎo)致代謝受損、能量生成障礙、活性氧（ROS）生成增加、線粒體釋放相關(guān)凋亡蛋白等[9-11]。因心肌細(xì)胞極大的耗能耗氧量，線粒體在心肌細(xì)胞中含量豐富，線粒體功能障礙的程度往往與膿毒癥的結(jié)局轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)。

1 膿毒癥誘導(dǎo)的心功能障礙機(jī)制概述

在膿毒性心肌病中，膿毒癥引起的炎性反應(yīng)失調(diào)與心功能障礙直接相關(guān)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的原始觀察對(duì)特定“心肌抑制因子”的研究[12-13]證實(shí)細(xì)胞因子[包括白細(xì)胞介素（IL）-1b、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、IL-6 和p38 絲裂原活化蛋白激酶途徑]、補(bǔ)體系統(tǒng)與一氧化氮調(diào)節(jié)失調(diào)、心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激、交感神經(jīng)高張與膿毒性心肌病發(fā)生的關(guān)系，且在細(xì)胞水平上，蛋白質(zhì)分解增加、線粒體損傷、一氧化氮失調(diào)、持續(xù)高兒茶酚胺的細(xì)胞毒性作用、β-腎上腺素能受體下調(diào)以及Ca2+失衡均會(huì)在膿毒癥期間誘發(fā)心功能障礙[14-16]。上述絕大多數(shù)機(jī)制最終可誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD），PCD 分為內(nèi)源性和外源性凋亡，自噬、壞死性凋亡等[17-18]。線粒體參與內(nèi)外源性凋亡途徑，而內(nèi)外源性凋亡途徑密切相關(guān)，因?yàn)樗劳鍪荏w誘導(dǎo)的外源性途徑的凋亡信號(hào)相對(duì)較弱，需要通過(guò)內(nèi)源性線粒體途徑的放大效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[19]。

2 膿毒癥心肌細(xì)胞凋亡的線粒體機(jī)制

2.1 mPTP 的開(kāi)放與線粒體氧化/亞硝化應(yīng)激

相關(guān)研究顯示[20]，線粒體是ROS 產(chǎn)生的主要來(lái)源之一，TNF-α 通過(guò)結(jié)合細(xì)胞膜表面的TNF 受體1（TNFR-1），經(jīng)膜受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活鞘磷脂酶。鞘磷脂經(jīng)鞘磷脂酶分解生成神經(jīng)酰胺和磷酸膽堿，在神經(jīng)酰胺的作用下mPTP 異常開(kāi)放。外部或病理原因?qū)е耺PTP 異常開(kāi)放時(shí)，細(xì)胞中ROS、活性氮（RNS）和丙二醛（MDA）大量產(chǎn)生。此外，神經(jīng)酰胺還可通過(guò)抑制線粒體能量生成，進(jìn)一步加速ROS 的產(chǎn)生。有研究顯示[21]，膿毒癥早期線粒體出現(xiàn)氧化/亞硝化應(yīng)激，大量ROS、RNS 的產(chǎn)生與釋放造成線粒體損害。大量ROS、無(wú)機(jī)磷酸鹽、RNS 可能導(dǎo)致mPTP 上結(jié)構(gòu)蛋白構(gòu)象改變，mPTP 病理性開(kāi)放，線粒體通透性增加，激活下游途徑，導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡[22]。目前，mPTP 開(kāi)放被認(rèn)為是細(xì)胞損傷后凋亡或壞死的共同通路[23]。所以，ROS 的產(chǎn)生和mPTP 的開(kāi)放是相互促進(jìn)的惡性循環(huán)。

2.2 線粒體損傷與半胱天冬酶（caspase）家族的激活

TNF-α 介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡部分是通過(guò)死亡結(jié)構(gòu)域（外源性途徑）實(shí)現(xiàn)的。caspase-8 作為caspase 家族凋亡的啟動(dòng)分子，先進(jìn)行前體自我激活，再切割、活化下游效應(yīng)分子caspase-3，隨后活化的caspase-3 切割底物，誘導(dǎo)凋亡[24]，故caspase-3 被稱作是凋亡的執(zhí)行者。此外，NF-κB 和c-Jun 氨基端激酶（JNK）等也可通過(guò)外源性途徑調(diào)節(jié)凋亡。

在TNF-α 等炎性因子、線粒體氧化應(yīng)激、DNA 損傷等情況下，線粒體通透性變化，釋放細(xì)胞色素C（Cyt C），激活caspase 蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，這是經(jīng)典的內(nèi)源性凋亡途徑（線粒體途徑）中最關(guān)鍵的步驟之一[25]。研究顯示[26]，mPTP 抑制劑環(huán)孢菌素A 促進(jìn)釋放凋亡誘導(dǎo)線粒體Cyt C、抑制caspase 家族活化和肝細(xì)胞凋亡。Cyt C 屬于核基因編碼的水溶性蛋白，是細(xì)胞凋亡最主要的調(diào)節(jié)因子，是線粒體呼吸鏈中復(fù)合物Ⅲ和Ⅳ的主要構(gòu)成部分，可傳導(dǎo)和擴(kuò)大凋亡信號(hào)[27]。細(xì)胞凋亡不僅抑制線粒體呼吸鏈氧化磷酸化產(chǎn)能過(guò)程，而且可激活由mPTP 調(diào)控及Cyt C 控制的線粒體凋亡途。Cyt C 可以在ATP/dATP 存在下與蛋白酶活化因子結(jié)合形成多聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而激活另一凋亡的啟動(dòng)分子caspase-9，caspase-9 收到信號(hào)后便以自剪和接合的方式自我激活。caspase-9 不具備降解細(xì)胞功能蛋白的能力，通過(guò)caspase 級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活下游無(wú)法自我激活的casepase-3；同樣，細(xì)胞凋亡的外源性途徑介導(dǎo)激活啟動(dòng)分子caspase-8，繼而激活下游caspase-3；被激活的caspase-3 則作為內(nèi)外源性凋亡的最后共同通路，執(zhí)行凋亡，直接破壞受損心肌細(xì)胞中許多重要的結(jié)構(gòu)和功能蛋白，進(jìn)一步將其降解為凋亡小體，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡[28]。細(xì)胞凋亡初期，caspase-3 還可與線粒體形成正反饋環(huán)，相互促進(jìn)放大凋亡信號(hào)，最終導(dǎo)致mPTP 持續(xù)不可逆開(kāi)放。

2.3 Bax/Bcl-2 的表達(dá)與細(xì)胞凋亡

TNF-α 作為凋亡的啟動(dòng)介質(zhì)，通過(guò)激活線粒體膜上Bax 促凋亡蛋白家族，導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡[29]。Chopra 等[30]發(fā)現(xiàn)，在膿毒癥發(fā)生的后期（第3、7 天），炎性因子、心肌損傷標(biāo)志物的升高以及心功能障礙的發(fā)生與TNFR 相關(guān)的死亡結(jié)構(gòu)域有關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)caspase-3 被激活、Bax/Bcl-2 比值升高、Cyt C 釋放增加，心肌細(xì)胞凋亡指數(shù)進(jìn)行性增加。細(xì)胞凋亡過(guò)程中，外源性途徑主要由TNFR 相關(guān)的死亡結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)，Bcl-2 家族主要介導(dǎo)內(nèi)源性途徑，而caspase-3 的激活則是心肌細(xì)胞內(nèi)外源性凋亡途徑最后的共同通路。這些凋亡相關(guān)蛋白在mPTP 的開(kāi)放中也起重要作用，促凋亡蛋白Bax 作為Bcl-2 家族蛋白的關(guān)鍵成員之一，直接調(diào)控mPTP 的開(kāi)放，Bax 高表達(dá)引起mPTP 開(kāi)放，而抗凋亡蛋白Bcl-2 抑制其開(kāi)放[31]。Bcl-2 家族對(duì)mPTP 開(kāi)放的調(diào)控機(jī)制最終導(dǎo)致粒體膜通透性改變。在接收到凋亡信號(hào)后，其家族促凋亡蛋白成員經(jīng)過(guò)磷酸化、裂解等一系列蛋白質(zhì)修飾、加工及相互作用，改變細(xì)胞內(nèi)定位，易位至線粒體外膜后轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w或多聚體活性分子，與mPTP 相互作用后最終使線粒體膜通透性增大，激發(fā)下游Cyt C 釋放，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。所以，Bax、Bcl-2 的表達(dá)及Bax/Bcl-2 調(diào)控mPTP的開(kāi)放，誘導(dǎo)細(xì)胞的程序性死亡。

2.4 mPTP 開(kāi)放后不依賴Caspase 的細(xì)胞凋亡機(jī)制

異常開(kāi)放的mPTP 也會(huì)促進(jìn)線粒體自噬及線粒體膜兩側(cè)質(zhì)子電化學(xué)梯度變化?；钚匝跫易宓倪^(guò)量產(chǎn)生可直接損傷線粒體的相關(guān)蛋白，抑制線粒體呼吸，mPTP 的異常開(kāi)放使線粒體中Cl-濃度增加，細(xì)胞內(nèi)Ca2+過(guò)載明顯，導(dǎo)致線粒體膜電位崩潰，無(wú)法維持氧化磷酸化及ATP 產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化磷酸化解偶聯(lián)、能量生成障礙。細(xì)胞損傷的時(shí)間和mPTP 的開(kāi)放程度決定了細(xì)胞凋亡的模式。mPTP 異常打開(kāi)后，不依賴caspase的細(xì)胞凋亡與線粒體跨膜電位消失、線粒體外膜破裂、呼吸鏈ATP 合成受阻以及細(xì)胞能量耗盡有關(guān)。

3 總結(jié)與展望

心臟是膿毒癥發(fā)生發(fā)展過(guò)程中最易受累的器官，而心功能障礙后血流動(dòng)力學(xué)的紊亂是多臟器功能衰竭的啟動(dòng)環(huán)節(jié)。膿毒癥時(shí)心肌細(xì)胞線粒體功能障礙是導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡的重要原因，而心肌細(xì)胞凋亡勢(shì)必誘發(fā)心功能障礙。線粒體損傷后mPTP 的異常開(kāi)放，膜電位崩潰、氧化磷酸化解偶聯(lián)、活性氧家族的產(chǎn)生及凋亡蛋白的釋放，各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響、相互促進(jìn)、錯(cuò)綜復(fù)雜，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡，進(jìn)而造成膿毒癥心功能障礙。因此，對(duì)于膿毒癥心肌細(xì)胞凋亡的線粒體機(jī)制，亟待更多、更深入層次的研究，而對(duì)于膿毒癥心功能障礙的治療也需要進(jìn)一步多層次、多靶點(diǎn)的探索。