2020脓毒症致心肌损伤模型的研究进展
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脓毒症是机体对感染的反应失调而引起器官功能障碍的一种致命综合 征。脓毒症所致心功能不全是脓毒症患者死亡率上升的主要原因之一，脓 毒症导致心肌损伤(sepsis-induced myocardial injury，SIMI)是脓毒症 主要表现之一，其发病机制复杂且不明确，临床上亦无统一的诊断标准和 特异性疗法。因此，建立 SIMI 模型来研究发病机制并开发治疗药物显得 格外重要。目前，已经建立了多种 SIMI 的模型，在体动物模型研究已经 相对成熟；近年来，离体细胞模型，如原代剥离心肌、心肌细胞系、人多 潜能干细胞 来源的 心肌细胞 (cardiomyocytes derived from human pluripotent stem cells，hPSC-CMs)，也逐渐受到大家的关注。本文将 对 SIMI 的机制、模型及其特点进行综述，为优化和选择 SIMI 模型提供参 考依据。 1 SIM毒症致心功能不全是一种危及生命的并发症，也被称为脓毒症心肌病， 可以表现为心肌损伤、心功能障碍等，其发病机制尚不明确。目前，脓毒 症致心肌损伤的动物模型已经相对成熟，而随着多种心肌细胞株的建立， 研究者也构建出多种细胞模型用于该疾病的研究。本文将对脓毒症致心肌 损伤的机制，动物及细胞模型的研究进展予以综述，为优化和选择实验模 型提供参考依据。
白喉毒素是一种多肽外毒素，通过受体介导的内吞作用侵入细胞，抑 制延伸因子 2 的活性，并导致 DNA 断裂和细胞溶解[9]。中国学者给小白 鼠尾静脉注射白喉毒素，建立了白喉毒素诱导的心肌损伤模型，但此动物 模型生存期仅约 3 d[10]。Männ 等[11]向 CD11c.DTR 转基因小鼠腹腔注 射白喉毒素，发现小鼠心脏组织大量炎性浸润及心肌细胞溶解破坏，4～5 d 内发生爆发性心肌炎及致命性心律失常。因此，白喉毒素所致的小鼠心 肌损伤多为急性重症病变，实验动物生存时间短，故很大程度上限制其使 用。 3 SIMI 细胞模型
1.1 炎性损伤 脓毒症时，机体通过内源性与外源性的炎症反应造成心肌损伤。脂多
糖 (lipopolysaccharide ， LPS) 可 以 与 心 肌 细 胞 表 达 的 Toll 样 受 体 4(Toll-like receptor 4，TLR 4)结合，导致心肌细胞产生多种促炎因子， 如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素 1β (interleukin-1β，IL-1β)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)等。同时，机体免疫系统产生的大量炎性细胞因子，通 过血液系统到达心脏，内源与外源两方面造成心肌过度炎性损伤[1](图 1)。
心肌细胞凋亡在 SIMI 中发挥着重要作用。脓毒症时心肌细胞由于 ROS、细胞因子等激活 caspase9 依赖的内源性凋亡通路，同时 TNF-α与 相应受体结合激活 caspase8 依赖的外源性凋亡通路，导致心肌细胞凋亡 增多，而针对凋亡的干预可缓解脓毒症心肌损伤[4]。 1.4 钙循环紊乱
Ca2＋是兴奋收缩偶联的重要离子，心肌细胞 Ca2＋活动受肌浆网斯 里 兰 卡 碱 受 体 (ryanodine receptor ， RYR) 、 肌 浆 网 钙 离 子 ATP 酶 2a(sarcoplasmic reticulum Ca2＋ ATPase，SERCA2a)和细胞膜 L 型钙 通道(L-type calcium channel，LTCC)及 Na＋/Ca2＋交换的调节。脓毒 症中，由于 LTCC 过度的 Ca2＋内流以及 Na＋/Ca2＋交换的抑制，可观 察到心肌细胞钙循环紊乱，细胞处于钙超载的状态[5]。研究也表明，钙通 道阻滞剂能改善脓毒症预后[6] 。 2 SIMI 动物模型
目前，SIMI 动物模型的研究与应用已经相对成熟。制备 SIMI 的动物 模型主要有三种方法：宿主屏障破坏，毒素注射和病原体注射。 2.1 宿主屏障破坏模型
盲肠结扎穿孔术(cecal ligation and puncture，CLP)即通过人为的盲 肠结扎和穿刺诱发多菌性腹膜炎，动物会出现典型脓毒症症状。在此脓毒
脓毒症是一种系统性的疾病，涉及机体复杂的免疫网络，目前在细胞 水平上，难以构建脓毒症模型，只能复制脓毒症某一阶段的发展过程。LPS
是目前普遍被认可的脓毒症细胞模型诱导剂，在构建 SIMI 细胞模型时得 到广泛应用。 3.1 原代心肌细胞模型
Hobai 等[12]发现成年大鼠心室肌细胞(ARVM)长时间暴露于 LPS，会 通过影响 Ca2＋循环来抑制心肌细胞的收缩。同样，也有研究表明 LPS 可 以通过激活 PKA 通路来诱导新生大鼠原代心室肌细胞(NRCM)的凋亡 [13]，提示原代心肌细胞是 SIMI 潜在的细胞模型。此后，Yang 等[14]利 用此模型研究发现 SO2 对 LPS 诱导的心肌损伤具有保护作用，为寻找 SIMI 的治疗方法提供参考依据。 3.2 心肌细胞系模型 3.2.1 大鼠心室 H9c2 细胞株
图1 SIMI 的主要机制 1.2 线粒体损伤
线粒体稳态对于心肌细胞功能维持尤为重要，而脓毒症发生时心肌细 胞中线粒体分裂、融合失衡及线粒体氧化磷酸化受损，ATP 合成减少[2]。
另有研究发现，LPS 可诱导心肌细胞线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，诱导肌浆网应激和细胞凋亡，致使心脏功能下降[3]。 1.3 细胞凋亡
症模型基础上，通过超声、血液学检测等方法，筛选出心肌损伤的动物， 用于 SIMI 研究。 2.2 毒血症模型 2.2.1 LPS 注射
LPS 是 G-菌细胞壁的主要成分。研究显示，LPS 可以激活心肌细胞炎 症通路，导致氧化应激和细胞凋亡，进而造成心肌损伤[3,7]。研究发现腹 腔注射 LPS 后，小鼠心肌组织中炎性细胞浸润，促炎细胞因子 TNF-α、IL-1 β和 IL-6 的表达升高，心脏收缩功能障碍[8]。使用药物抑制炎症相关通路， 可改善 LPS 所致的心肌损伤和心肌功能障碍[7]。 2.2.2 外毒素注射
白喉毒素是一种多肽外毒素，通过受体介导的内吞作用侵入细胞，抑 制延伸因子 2 的活性，并导致 DNA 断裂和细胞溶解[9]。中国学者给小白 鼠尾静脉注射白喉毒素，建立了白喉毒素诱导的心肌损伤模型，但此动物 模型生存期仅约 3 d[10]。Männ 等[11]向 CD11c.DTR 转基因小鼠腹腔注 射白喉毒素，发现小鼠心脏组织大量炎性浸润及心肌细胞溶解破坏，4～5 d 内发生爆发性心肌炎及致命性心律失常。因此，白喉毒素所致的小鼠心 肌损伤多为急性重症病变，实验动物生存时间短，故很大程度上限制其使 用。 3 SIMI 细胞模型
1.1 炎性损伤 脓毒症时，机体通过内源性与外源性的炎症反应造成心肌损伤。脂多
糖 (lipopolysaccharide ， LPS) 可 以 与 心 肌 细 胞 表 达 的 Toll 样 受 体 4(Toll-like receptor 4，TLR 4)结合，导致心肌细胞产生多种促炎因子， 如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白细胞介素 1β (interleukin-1β，IL-1β)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)等。同时，机体免疫系统产生的大量炎性细胞因子，通 过血液系统到达心脏，内源与外源两方面造成心肌过度炎性损伤[1](图 1)。
心肌细胞凋亡在 SIMI 中发挥着重要作用。脓毒症时心肌细胞由于 ROS、细胞因子等激活 caspase9 依赖的内源性凋亡通路，同时 TNF-α与 相应受体结合激活 caspase8 依赖的外源性凋亡通路，导致心肌细胞凋亡 增多，而针对凋亡的干预可缓解脓毒症心肌损伤[4]。 1.4 钙循环紊乱
Ca2＋是兴奋收缩偶联的重要离子，心肌细胞 Ca2＋活动受肌浆网斯 里 兰 卡 碱 受 体 (ryanodine receptor ， RYR) 、 肌 浆 网 钙 离 子 ATP 酶 2a(sarcoplasmic reticulum Ca2＋ ATPase，SERCA2a)和细胞膜 L 型钙 通道(L-type calcium channel，LTCC)及 Na＋/Ca2＋交换的调节。脓毒 症中，由于 LTCC 过度的 Ca2＋内流以及 Na＋/Ca2＋交换的抑制，可观 察到心肌细胞钙循环紊乱，细胞处于钙超载的状态[5]。研究也表明，钙通 道阻滞剂能改善脓毒症预后[6] 。 2 SIMI 动物模型
目前，SIMI 动物模型的研究与应用已经相对成熟。制备 SIMI 的动物 模型主要有三种方法：宿主屏障破坏，毒素注射和病原体注射。 2.1 宿主屏障破坏模型
盲肠结扎穿孔术(cecal ligation and puncture，CLP)即通过人为的盲 肠结扎和穿刺诱发多菌性腹膜炎，动物会出现典型脓毒症症状。在此脓毒
脓毒症是一种系统性的疾病，涉及机体复杂的免疫网络，目前在细胞 水平上，难以构建脓毒症模型，只能复制脓毒症某一阶段的发展过程。LPS
是目前普遍被认可的脓毒症细胞模型诱导剂，在构建 SIMI 细胞模型时得 到广泛应用。 3.1 原代心肌细胞模型
Hobai 等[12]发现成年大鼠心室肌细胞(ARVM)长时间暴露于 LPS，会 通过影响 Ca2＋循环来抑制心肌细胞的收缩。同样，也有研究表明 LPS 可 以通过激活 PKA 通路来诱导新生大鼠原代心室肌细胞(NRCM)的凋亡 [13]，提示原代心肌细胞是 SIMI 潜在的细胞模型。此后，Yang 等[14]利 用此模型研究发现 SO2 对 LPS 诱导的心肌损伤具有保护作用，为寻找 SIMI 的治疗方法提供参考依据。 3.2 心肌细胞系模型 3.2.1 大鼠心室 H9c2 细胞株
图1 SIMI 的主要机制 1.2 线粒体损伤
线粒体稳态对于心肌细胞功能维持尤为重要，而脓毒症发生时心肌细 胞中线粒体分裂、融合失衡及线粒体氧化磷酸化受损，ATP 合成减少[2]。
另有研究发现，LPS 可诱导心肌细胞线粒体活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成，诱导肌浆网应激和细胞凋亡，致使心脏功能下降[3]。 1.3 细胞凋亡
症模型基础上，通过超声、血液学检测等方法，筛选出心肌损伤的动物， 用于 SIMI 研究。 2.2 毒血症模型 2.2.1 LPS 注射
LPS 是 G-菌细胞壁的主要成分。研究显示，LPS 可以激活心肌细胞炎 症通路，导致氧化应激和细胞凋亡，进而造成心肌损伤[3,7]。研究发现腹 腔注射 LPS 后，小鼠心肌组织中炎性细胞浸润，促炎细胞因子 TNF-α、IL-1 β和 IL-6 的表达升高，心脏收缩功能障碍[8]。使用药物抑制炎症相关通路， 可改善 LPS 所致的心肌损伤和心肌功能障碍[7]。 2.2.2 外毒素注射