慢性心力衰竭合并骨骼肌萎縮的機(jī)制研究進(jìn)展

陳喆，宿瑋潔，張美沙綜述 常宏審校

慢性心力衰竭(chronic heart failure，CHF)是各種心臟疾病發(fā)展的終末階段，目前全球心力衰竭患者數(shù)量接近2 600萬，造成了嚴(yán)重的醫(yī)療和社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]?！吨袊?guó)心血管病報(bào)告 2018》概要[2]中顯示，我國(guó)心力衰竭患者已達(dá)450萬，隨著年齡增長(zhǎng)，心力衰竭的患病率顯著上升。目前，雖然針對(duì)心力衰竭的發(fā)病機(jī)制、病理生理及防治均取得了顯著成效，但心力衰竭的整體預(yù)后仍較差，病死率和再住院率均較高。CHF患者不僅心功能受損，而且運(yùn)動(dòng)不耐受，容易出現(xiàn)疲勞、氣短和活動(dòng)受限，限制了其生活質(zhì)量的提高[3]?；顒?dòng)受限等臨床表現(xiàn)的出現(xiàn)，不僅是心臟功能的降低，多種因素造成的骨骼肌萎縮的影響同樣值得注意[4]。骨骼肌萎縮在CHF患者的早期階段就已經(jīng)出現(xiàn)[5]，疲乏、氣短等癥狀的出現(xiàn)可隨著骨骼肌萎縮的增加而加重。骨骼肌萎縮不僅限制CHF患者日常生活，還影響其生活質(zhì)量和預(yù)后，顯著增加其發(fā)病率和病死率[6-7]。所以，骨骼肌萎縮直接影響著心力衰竭的預(yù)后，在CHF的治療上不僅要改善心臟功能，防治骨骼肌萎縮和提高患者生活質(zhì)量也是亟待解決的難題。本文就慢性心力衰竭合并骨骼肌萎縮的結(jié)構(gòu)和代謝異常、相關(guān)的分子機(jī)制和治療進(jìn)行綜述。

1 慢性心力衰竭后骨骼肌的變化

慢性心力衰竭時(shí)，骨骼肌的形態(tài)和功能發(fā)生了改變。究其原因，是毛細(xì)血管密度降低，骨骼肌營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)異常，肌肉質(zhì)量降低，肌纖維類型改變和能量代謝能力異常所致[8]。具體表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面。

1.1 骨骼肌形態(tài)改變 慢性心力衰竭時(shí)骨骼肌出現(xiàn)萎縮是骨骼肌的特征性改變之一，19.5%的CHF患者合并肌肉萎縮[7]。磁共振檢查顯示，心力衰竭患者的腓腸肌出現(xiàn)變化，表現(xiàn)為體積降低，肌肉中水和脂質(zhì)的含量增加，提示肌肉中蛋白質(zhì)含量減少[9]。骨骼肌纖維包括Ⅰ型和Ⅱ型：Ⅰ型肌纖維由氧化代謝供能，收縮速度較慢, 肌力小, 有較強(qiáng)的抗疲勞能力，提供持續(xù)的運(yùn)動(dòng)能力；Ⅱ型肌纖維由糖酵解供能，是一種無氧供能，收縮速度較快, 肌力大, 但是容易疲勞[10]。在嚴(yán)重心力衰竭患者中，其骨骼肌纖維類型發(fā)生了轉(zhuǎn)變，Ⅰ型纖維比率下降，Ⅱ型纖維比率相對(duì)增加，這種纖維的轉(zhuǎn)變與運(yùn)動(dòng)能力密切相關(guān)，所以心力衰竭患者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不耐受。心力衰竭后，患者骨骼肌的毛細(xì)血管在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生了改變[11]：長(zhǎng)度、面積及表面積下降，肌纖維的數(shù)量也下降，同時(shí)血流動(dòng)力學(xué)改變，這些都導(dǎo)致其供氧量顯著減少，促使骨骼肌對(duì)運(yùn)動(dòng)不耐受，運(yùn)動(dòng)能力降低。

1.2 骨骼肌能量代謝異常 骨骼肌的能量代謝異常主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：糖、脂和蛋白質(zhì)代謝。糖代謝異常主要體現(xiàn)在胰島素抵抗和糖耐量異常，F(xiàn)ukushima等[12]研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭小鼠的骨骼肌中Akt磷酸化水平下降，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)的膜轉(zhuǎn)位水平也下降，造成肌肉對(duì)葡萄糖的攝取降低。心力衰竭時(shí)，骨骼肌由于氧化代謝能力降低，對(duì)于脂質(zhì)的氧化利用減少，造成脂質(zhì)大量沉積在骨骼肌。在對(duì)擴(kuò)張型心肌病導(dǎo)致心力衰竭患者的檢查中，發(fā)現(xiàn)患者骨骼肌中脂質(zhì)的含量是正常人的2倍多[13]。大量脂質(zhì)沉積會(huì)加重線粒體功能惡化，造成能量代謝障礙。心力衰竭時(shí)，骨骼肌蛋白質(zhì)代謝也出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為合成和降解失衡，合成的肌肉比降解的要少[14]。蛋白質(zhì)合成—分解代謝失衡是肌肉萎縮發(fā)生的重要機(jī)制之一[15]。體內(nèi)蛋白質(zhì)合成和分解通路的平衡對(duì)肌肉質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，若打破蛋白質(zhì)合成與分解通路之間的平衡，則會(huì)導(dǎo)致肌肉的增生或萎縮[16]。

2 慢性心力衰竭合并骨骼肌萎縮的分子機(jī)制

2.1 泛素蛋白酶體途徑 正常細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的代謝是一個(gè)持續(xù)降解和再合成動(dòng)態(tài)平衡的過程。泛素蛋白酶體途徑(ubiquitin-proteasome system，UPS)是細(xì)胞內(nèi)ATP依賴的蛋白質(zhì)選擇性降解的主要途徑，由泛素、泛素相關(guān)酶和蛋白酶體組成，能夠降解細(xì)胞內(nèi)大部分泛素化的蛋白質(zhì)[17]。而蛋白質(zhì)代謝異常如肌萎縮，可導(dǎo)致UPS過度活化，引起蛋白質(zhì)過度降解[18]，最終導(dǎo)致肌萎縮。

泛素蛋白連接酶(E3)是UPS的關(guān)鍵酶，其中肌肉環(huán)指蛋白-1(muscle ring-finger protein-1, MuRF-1)和肌肉萎縮相關(guān)的F-box蛋白(muscle atrophy F-box, MAFbx/atrogin-1)轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)UPS，泛素—蛋白酶體系統(tǒng)中蛋白質(zhì)的泛素化是通過特異的泛素蛋白連接酶E3對(duì)蛋白質(zhì)底物的準(zhǔn)確選擇來調(diào)節(jié)[19-20]。研究表明，MuRF1位于肌節(jié)，可降解粗肌絲中含有肌球蛋白結(jié)構(gòu)域的其他蛋白質(zhì)，如肌球蛋白輕鏈和肌球蛋白結(jié)合蛋白C，從而造成肌肉萎縮[21]；MAFbx可能通過下調(diào)蛋白質(zhì)起始因子eIF3-f 的表達(dá)抑制蛋白質(zhì)合成，從而導(dǎo)致肌肉萎縮[22]。在慢性心力衰竭小鼠模型中，泛素蛋白酶體通路在CHF所致骨骼肌萎縮中起重要作用[23]。研究發(fā)現(xiàn)，MAFbx(即atrogin-1)和 MuRF-1是調(diào)控骨骼肌蛋白質(zhì)降解中心途徑的2個(gè)特異性關(guān)鍵酶[20,24]。MuRF-1和MAFbx是涉及p38 MAPK/FoxO信號(hào)的下游部分[25]。在去神經(jīng)支配、懸掛固定、高劑量地塞米松或炎性細(xì)胞因子處理導(dǎo)致的肌肉萎縮模型中均可見 MuRF-1和MAFbx轉(zhuǎn)錄增加，抑制小鼠肌肉中MuRF-1和MAFbx的表達(dá)，則可減少肌肉降解[24,26]。張聰聰?shù)萚23]研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭小鼠中，AKT/FoxOs轉(zhuǎn)錄因子激活，骨骼肌的泛素—蛋白酶體通路被激活，MAFbx和 MuRF-1 2種泛素連接酶的表達(dá)增加，引起骨骼肌的蛋白質(zhì)泛素化增加，發(fā)生骨骼肌萎縮。由此可見，UPS在骨骼肌萎縮中占有重要地位，該通路的活化能夠誘導(dǎo)骨骼肌萎縮的發(fā)生。MuRF-1和MAFbx作為骨骼肌萎縮的關(guān)鍵酶，是潛在的治療干預(yù)靶點(diǎn)，對(duì)兩者的調(diào)控可能成為臨床上防治骨骼肌萎縮的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 肌肉生長(zhǎng)抑制素 肌肉生長(zhǎng)抑制素簡(jiǎn)稱肌抑素，又稱生長(zhǎng)分化因子8(GDF-8)，是骨骼肌大量再生過程中的負(fù)性肌肉生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子[27]，通過神經(jīng)—體液系統(tǒng)調(diào)節(jié)骨骼肌的數(shù)量和大小。肌抑素在骨骼肌中表達(dá)最多，在快速肌纖維(糖酵解供能)中表達(dá)高于緩慢肌纖維(氧化代謝供能)[28]。研究發(fā)現(xiàn)，心力衰竭患者肌肉中生長(zhǎng)抑制素mRNA表達(dá)顯著增加[29]。Breitbart等[30]采用心肌細(xì)胞特異性缺失肌抑素(MSTN-CKO)構(gòu)建小鼠模型，該模型心肌選擇性缺乏肌抑素mRNA，但骨骼肌中能檢測(cè)到肌抑素mRNA及其前體蛋白。野生型小鼠和MSTN-CKO小鼠在2個(gè)月大時(shí)血清中活性肌抑素水平相當(dāng)。2周壓力超負(fù)荷刺激后，野生型小鼠血清肌抑素水平升高約3倍，而MSTN-CKO小鼠血清肌抑素水平無明顯升高。這些數(shù)據(jù)表明，在病理負(fù)荷的情況下，心臟釋放肌抑素進(jìn)入循環(huán)，產(chǎn)生高水平的血清肌抑素。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，野生型小鼠血清肌抑素水平升高與骨骼肌萎縮有關(guān)，表現(xiàn)為股四頭肌、腓腸肌和比目魚肌均出現(xiàn)肌肉質(zhì)量下降。而在MSTN-CKO小鼠中，沒有觀察到骨骼肌質(zhì)量的下降(即沒有萎縮)。該研究表明，心臟肌抑素在壓力過載所致小鼠心力衰竭時(shí)引起的肌肉萎縮中起著重要作用。Heineke 等[31]研究顯示，心力衰竭小鼠中血清肌抑素明顯增加，同時(shí)小鼠伴有肌肉萎縮，而在心肌細(xì)胞中敲除肌抑素的小鼠未出現(xiàn)肌肉萎縮。Yoshida等[32]發(fā)現(xiàn)肌抑素能抑制Akt磷酸化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成減少，蛋白質(zhì)降解增加，從而引起骨骼肌萎縮、纖維化，進(jìn)一步加重心力衰竭的癥狀。這些研究提示，心力衰竭患者中高水平的肌抑素很可能是適應(yīng)性不良?jí)毫ω?fù)荷導(dǎo)致的，治療性的抑制血清肌抑素水平可能會(huì)使肌肉質(zhì)量和力量改善，甚至可能會(huì)改善心臟功能。

2.3 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(IGF-1)是一種合成代謝生長(zhǎng)因子，可以刺激蛋白合成和衛(wèi)星細(xì)胞增殖，同時(shí)抑制蛋白降解，并參與諸多病理生理過程。該物質(zhì)還在骨骼肌中合成，并以自分泌和旁分泌的方式刺激特定的信號(hào)通路從而調(diào)節(jié)肌肉生長(zhǎng)，對(duì)于骨骼肌的生長(zhǎng)具有重要作用。Chen等[33]研究老年肌少癥患者發(fā)現(xiàn)，采用抗阻訓(xùn)練的患者血清IGF-1濃度顯著高于對(duì)照組，表明IGF-1在改善骨骼肌方面有重要作用。另外，IGF-1能夠抑制E3泛素蛋白連接酶Atrogin-1和MuRF-1的表達(dá)，防止骨骼肌出現(xiàn)萎縮[34-35]。Yoshida等[32]發(fā)現(xiàn)，IGF-1與IGF-1受體(IGF-1R)結(jié)合，之后通過刺激胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1,IRS1)和磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)，使得至少2條信號(hào)通路被激活：RAS-Raf-MEK-ERK通路和PI3K-Akt通路。這2條信號(hào)通路對(duì)肌肉細(xì)胞的增生起到相反的作用，并且PI3K-Akt通路能抑制分化型肌管RAS-Raf-MEK-ERK信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。PI3K-Akt通路在骨骼肌中占有重要地位[36]。IGF-1可以啟動(dòng)PI3K/Akt信號(hào)通路，這是肌蛋白合成和分解的關(guān)鍵點(diǎn)，IGF-1/PI3K/Akt信號(hào)通路的激活能從多個(gè)環(huán)節(jié)促進(jìn)蛋白合成，抑制蛋白降解，防止肌肉萎縮[37]。重度心力衰竭患者使用心室輔助裝置可以增加其骨骼肌中IGF-1的表達(dá)，增加肌纖維的橫截面積，表明IGF-1在骨骼肌萎縮的改善中發(fā)揮重要作用[38]。

2.4 血管緊張素Ⅱ 血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)是腎素—血管緊張素系統(tǒng)(renin angiotensin system，RAS)的主要效應(yīng)分子，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、腎上腺、血管和腎臟等具有多種生理調(diào)節(jié)作用，包括血壓調(diào)節(jié)和水鹽代謝平衡調(diào)節(jié)。此外，RAS在心血管疾病的發(fā)病過程中起著重要作用，尤其是在心力衰竭中發(fā)揮著不可替代的作用。

慢性心力衰竭患者體內(nèi)血管緊張素Ⅱ水平升高，并且發(fā)生骨骼肌質(zhì)量下降，體質(zhì)量減輕[32]。實(shí)驗(yàn)研究證明，輸注Ang Ⅱ可導(dǎo)致蛋白質(zhì)分解增加和IGF-1信號(hào)傳導(dǎo)減少，這是由于骨骼肌IGF-1信號(hào)的傳導(dǎo)是骨骼肌中蛋白質(zhì)合成的主要代謝途徑[39]。研究發(fā)現(xiàn)，Ang Ⅱ可以增強(qiáng)UPS活性，促進(jìn)蛋白降解[40]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明[41]，Ang Ⅱ的注射可以增加MuRF-1表達(dá)，增強(qiáng)UPS活性，加速蛋白水解，并且可以激活天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)。Caspas-3不僅是調(diào)亡的關(guān)鍵執(zhí)行者之一，也是一個(gè)加速肌肉蛋白降解的起始步驟，降解具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的肌原纖維，進(jìn)而加速UPS的激活，促進(jìn)蛋白降解，最終導(dǎo)致肌萎縮[42]。其他研究發(fā)現(xiàn)，AngⅡ還能引起炎性因子如TNF-α的升高，進(jìn)而激活FOXO1，刺激MuRF-1和Atrogin-1的轉(zhuǎn)錄，激活UPS，引起蛋白降解，骨骼肌萎縮[39,43]。AKT作為一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在磷脂酰肌醇依賴的蛋白激酶的協(xié)同作用下，胞漿內(nèi)的AKT與磷脂酰肌醇2 磷酸(PIP2)和磷脂酰肌醇3磷酸(PIP3)相結(jié)合，使得AKT轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜，從而促進(jìn)Ser473和Thr308 2個(gè)位點(diǎn)的磷酸化。而Ser473和/或Thr308位點(diǎn)的磷酸化則是AKT激活的必要條件，活化后的AKT促使轉(zhuǎn)錄因子 FOXO1磷酸化，后者從細(xì)胞核移到細(xì)胞質(zhì)，被泛素蛋白酶體降解，從而其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)活性受到抑制[23]。FOXO1可以調(diào)節(jié)Atrogin-1和MuRF-1，而AKT能使 FOXO1失活，從而抑制骨骼肌萎縮。當(dāng)骨骼肌發(fā)生萎縮時(shí)，PI3K/Akt信號(hào)通路下調(diào)，F(xiàn)OXO1重新回到細(xì)胞核，上調(diào)Atrogin-1和MuRF-1的表達(dá)，從而加重肌肉萎縮[44]。

2.5 炎性細(xì)胞因子 研究發(fā)現(xiàn)，慢性心力衰竭患者中，促炎性細(xì)胞因子在血循環(huán)中濃度持續(xù)升高[45]，其中起主要作用的是白介素類和腫瘤壞死因子。TNF-α、TGF-β和IL-1、IL-12、IL-8、IL-18等是心臟應(yīng)激后最常見的促炎細(xì)胞因子。當(dāng)發(fā)生慢性心力衰竭時(shí)，心臟通過免疫系統(tǒng)來啟動(dòng)損傷組織的修復(fù)機(jī)制[46]。隨著自身免疫的參與，心力衰竭后促炎細(xì)胞因子儲(chǔ)備顯著增加[47]。TNF-α可使 NF-κB 抑制物IKB磷酸化而降解，從而激活NF-κB，使之能夠迅速進(jìn)入細(xì)胞核，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄因子FOXO，進(jìn)而導(dǎo)致MuRF-1表達(dá)，并引起肌肉蛋白的降解[48-49]。

其他如睪酮和乙?；嚢彼嵩诠趋兰∥s中也發(fā)揮作用。睪酮能影響肌肉質(zhì)量和功能，CHF患者體內(nèi)的睪酮水平顯著下降，低睪酮水平與CHF患者的活動(dòng)能力降低密切相關(guān)，而且睪酮通過抑制泛素連接酶中的Atrogin-1和MuRF-1來維持肌肉質(zhì)量，防止骨骼肌萎縮[50-52]。Tsuda等[53]發(fā)現(xiàn)，乙?；嚢彼峥梢栽鰪?qiáng)骨骼肌線粒體的乙酰化，進(jìn)而影響線粒體β氧化，降低患者的運(yùn)動(dòng)能力。

3 治療

長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于CHF的治療重在改善心功能，對(duì)骨骼肌病變后的肌少癥造成的危害重視不足，使得CHF患者的生活質(zhì)量得不到相應(yīng)改善。目前，針對(duì)肌少癥的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)、藥物和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)3個(gè)領(lǐng)域，體育鍛煉、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑和必需氨基酸等也成為治療CHF合并肌少癥的主要方法[54-56]。但是藥物對(duì)CHF患者合并肌少癥的治療作用仍沒有完全被認(rèn)可，同時(shí)CHF患者可能難以掌控運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的強(qiáng)度和時(shí)間。而其他一些治療方法，包括肌肉生長(zhǎng)抑素抑制劑、UPS抑制劑、重組生長(zhǎng)激素、睪酮等，雖有一定改善骨骼肌萎縮的作用，但均為實(shí)驗(yàn)研究或是小樣本研究，不能證明其臨床有效性[57]。這些現(xiàn)象的存在勢(shì)必促使尋求有效的治療藥物來防治肌少癥，提高CHF患者的生活質(zhì)量和生存率。中醫(yī)在CHF合并骨骼肌問題的治療上占有重要地位，臨床研究提示，八珍湯聯(lián)合曲美他嗪在治療CHF合并肌少癥方面效果良好，表現(xiàn)為改善患者的心功能、提升肌肉質(zhì)量及肌肉力量[58]。彭杰等[59]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，溫腎活血方通過降低MAFbx和MuRF-1 mRNA表達(dá)，降低骨骼肌細(xì)胞凋亡來提高大鼠心力衰竭后的運(yùn)動(dòng)耐量。

4 小結(jié)

慢性心力衰竭患者不僅面臨心功能的異常，還伴隨著骨骼肌的病變，而骨骼肌的病變嚴(yán)重影響了慢性心力衰竭患者的生活質(zhì)量提高和病情進(jìn)展。目前，慢性心力衰竭合并骨骼肌萎縮的機(jī)制尚未完全明確，臨床尚未足夠重視肌萎縮在心力衰竭發(fā)展中的作用。同時(shí)，針對(duì)心力衰竭合并肌萎縮的治療仍存在不足，缺少高質(zhì)量的臨床試驗(yàn)明確藥物的有效性。有待國(guó)內(nèi)外學(xué)者繼續(xù)深入研究心力衰竭合并骨骼肌萎縮的發(fā)病機(jī)制，進(jìn)行有效治療藥物的探索，為患者的臨床治療提供依據(jù)。