放射性心肌纖維化及其發生機制

顧 靜 李海龍 劉 凱 金 戈 李應東 彭曉青 (甘肅中醫學院基礎課部，甘肅 蘭州 730020)

放射治療是通過電離輻射對被照射腫瘤組織產生的一系列生物效應來達到治療目的，是腫瘤治療中不可缺少的手段之一。然而，放射線治療腫瘤的同時，對人體的組織和器官也可產生不同程度的損傷〔1〕。在進行胸腹部腫瘤如:乳腺癌、肺癌、食管癌、賁門癌、縱隔淋巴瘤、胸腺瘤等惡性腫瘤的放射治療時，位于縱隔的心臟不可避免受到照射，而引起心包疾患、心肌纖維化、冠狀動脈病變及心臟傳導系統損傷等，統稱為放射性心臟損傷(RIHD)〔2〕。到90年代，當放射治療一些早期疾病引起的心臟毒副作用甚至超過其帶來的益處時，RIHD才得到了足夠的重視，然而，目前尚缺乏對RIHD的有效治療，其根本原因在于對RIHD的原因和發生機制尚未完全闡明。目前多數學者認為，RIHD的主要原因一方面是自由基炎性損傷，放射可以造成自由基的爆發，當這些自由基不能被及時清除時，就會造成DNA損傷，蛋白質、脂類、糖類以及復雜分子的改變，多次照射產生的自由基導致了炎癥細胞和組織損傷的積累;另一方面，放射損傷具有遲發效應，因為持久的功能障礙或支持間質的改變，被放射組織的愈合能力會相對減弱，與此相呼應，進一步的實質性細胞衰竭，并伴隨替代性纖維變性〔3〕，最終形成心肌纖維化改變。本文將對放射性心肌纖維化及其發生機制作一綜述。

1 放射性心肌纖維化

現普遍認為RIHD的病變可分為三型:滲出型、壞死型、纖維化型，三型的提出反映了RIHD的發生發展過程。在該過程中，纖維化是RIHD的終末階段也是放射遲發損傷的主要形式，如:①RIHD的病人可見心肌與心內膜纖維化，特別是在晚期，心肌有彌漫性纖維化斑和不規則形狀奇異的“放射性纖維細胞”出現，其意義和作用尚不清楚。心臟平均受照42 Gy后，平均隨訪36個月可有63%的患者發生心肌間質纖維化〔4〕;②放射導致的纖維化也可能導致動脈粥樣硬化，加劇冠心病;③RIHD中瓣膜異常也可能是由于鄰近瓣環的心肌纖維化引起，結果造成畸變與功能損傷;④放射損傷后，心臟節律的改變可能是由于局部缺血和纖維化影響了傳導系統;⑤RIHD時，血管通透性增加，大量漿液性纖維性液體外滲，形成滲出性心包炎，嚴重時可伴有心包填塞癥狀，Ling等〔5〕報道用心包切除術治療各種原因引起的縮窄性心包炎(其中由放射線引起的占13%)，大多數患者的癥狀得到緩解，5、10年生存率分別為78%、57%，但放射線誘發的縮窄性心包炎療效較其他原因引起的差(5、10年生存率分別為30%、61%)。

2 放射性心肌纖維化的機制

2.1 放射性心肌纖維化與細胞因子 放射引起的纖維化是一個多細胞相互作用的結果:由于照射后血管內皮細胞腫脹引起早期急性炎癥性病變，中性粒細胞浸潤，巨噬細胞和單核細胞的激活促進了一些細胞因子的釋放，如腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素(IL-1、IL-6、IL-8)、單核細胞趨化因子、血小板源性生長因子(PDGF)、轉化生長因子(TGF)-β等，另外還發現有一些原癌基因暫時性高表達(c-fos、c-myc、c-jun等)，這些細胞因子和原癌基因在心肌纖維化的形成中起重要作用〔6，7〕。

2.2 放射性心肌纖維化與血管病變 放射致血管損害是心肌纖維化的基本病因。早期，內皮細胞增殖和小動脈變性、血管內膜膠原沉積可導致管壁增厚和管腔狹窄，其結果是毛細血管和心肌細胞比例較照射前顯著降低，心肌血供減少，導致心肌缺血、纖維化〔8，9〕;Michael〔10〕也認為在損傷的初期，心肌毛細血管內皮細胞發生進行性損傷、腫脹、壞死，毛細血管壁破裂，血栓形成，最后消失;在中期達高峰，晚期可見毛細血管數目明顯少于肌細胞數目。此時內皮細胞可以進行一定程度的代償更新，但仍難以重建受損傷的毛細血管網，微循環不足造成缺血最終形成纖維化。

2.3 放射性心肌纖維化與心肌成纖維細胞 放射性纖維化實際上是一個由外而內的漸進性纖維化過程，是心肌膠原合成與降解失衡的結果，主要表現在:心肌成纖維細胞(CFs)的增多，CFs占心臟容積的25%和心臟細胞總數的70%，是心肌纖維化的主要效應細胞〔11〕。CFs分泌的膠原在正常情況下能維持心臟的幾何構型，羥脯氨酸濃度的變化可代表膠原水平的變化，反映心肌纖維化的程度〔12〕。CFs還可合成和分泌TGF-β1，通過與TGF-β1型受體結合，刺激受照射組織的上皮增生、CFs增生、膠原沉積和纖維組織形成，參與心肌纖維化的過程〔13〕。體內實驗證明，TGF-β1與腎臟、肝臟、肺臟等重要臟器受照射后出現的纖維化有密切關系〔14，15〕，體外實驗也發現 TGF-β1能誘導成纖維細胞的增生并促進其分裂成熟〔16〕。因此TGF-β1被認為是目前在纖維化過程中起關鍵作用的細胞因子之一，從實驗結果來看，在放射性損傷早期，TGF-β1 mRNA的表達較組織學的變化更明顯，因而能較早提示組織纖維化的發生。陳偉等〔17〕對瘢痕的研究亦發現，TGF-β1的兩種受體在增殖期的瘢痕中表達增強，這可能與增殖期成纖維細胞快速增殖，細胞外基質大量分泌有關。因此，在照射初期使用下調TGF-β1表達的藥物，有可能抑制纖維化的起始階段;而在照射后持續使用這類藥物，還有可能減緩甚至逆轉纖維化的不斷形成。

2.4 心肌纖維化中放射所致的氧化應激與內質網應激、線粒體及鈣穩態的關系 自由基和活性氧(ROS)是電離輻射對生物系統作用的重要產物，氧化應激在輻射效應的發生機制中起重要作用。ROS包括過氧化氫(H2O2)、羥自由基(OH·)、超氧陰離子(O2·-)。MnSOD是有氧代謝細胞內重要的抗氧化酶，MnSOD在胞質中翻譯后轉位到線粒體，在線粒體中催化超氧陰離子(O2·-)轉變為H2O2，有研究報道，輻射可引起CFs中SOD活性下降，羥脯氨酸含量增加〔18〕。

氧化應激的作用目標一是內質網的蛋白質折疊和鈣儲存，二是線粒體，早期電子顯微鏡觀察結果顯示放射損傷中線粒體Ⅳ級致空泡變、肌漿網明顯擴張(Ⅲ、Ⅳ級改變)〔19〕。有報道心肌細胞放射損傷可致線粒體結構破壞，功能受損，能量代謝障礙〔20〕。

2.4.1 ROS對內質網應激的影響

2.4.1.1 ROS導致內質網蛋白折疊錯誤 放療輻射中產生的大量ROS是引起內質網中未折疊蛋白質應答(UPR)誘發內質網應激(ERS)的重要原因之一〔21〕。ROS能使內質網腔內蛋白質被氧化修飾并滯留于內質網腔內，同時，ROS通過誘導內質網折疊酶或分子伴侶的功能異常引起未折疊蛋白積累〔22〕，內質網分子伴侶GRP78則從PERK上解離而改為與非折疊蛋白結合，失去GRP78的PERK則發生磷酸化。內質網內的蛋白質如GRP78/BiP的形成，蛋白二硫異構酶/PDI及鈣網蛋白都具有促進蛋白質的折疊、二硫鍵的形成以及蛋白糖基化的功能〔23〕，這些酶功能的維持需要游離的巰基，氧化應激也攻擊這一基團，從而抑制蛋白的正確折疊。總之，放療輻射中產生的ROS促進內質網UPR，進而引起ERS。

2.4.1.2 ROS抑制Ca2+-ATPase Lewen等〔24〕在小鼠缺血缺氧細胞模型中證實有ROS的產生，內質網鈣泵對氧化損傷也敏感，氧化損傷抑制了Ca2+-ATPase的活性，而Ca2+-ATPase是一個已知的ERS的啟動因子，因此推測放射時ROS通過抑制Ca2+-ATPase而影響內質網 Ca2+的貯存，從而引起細胞ERS〔25〕。

2.4.2 ROS和線粒體 由于內質網和線粒體較接近，能互相影響各自的功能，線粒體中產生ROS，可能使得內質網膜上的脂質超氧化，并破壞內質網的蛋白。而內質網產生的少量活性氧以及內質網腔內鈣釋放入胞漿中，可引起線粒體的膜電位降低，抑制呼吸鏈，加速產生超氧化物，觸發線粒體膜上的MPTP孔開放，引起瀑布樣級聯反應，產生大量活性氧，活性氧進一步啟動鈣從內質網鈣池釋放，導致線粒體內鈣積聚，這反過來又增加了活性氧的產生，放大氧化應激及鈣負載，觸發惡性循環。由此推測，放射產生的ROS把ERS與線粒體功能變化緊密的聯系起來，其反應機制涉及UPR、鈣離子的平衡以及氧化應激等機制，當然尚有一些未知的細節有待進一步研究。

2.4.3 鈣超載與TGF-β1 最近有學者應用焦銻酸鉀分子探針技術對心肌細胞內鈣分布研究表明，放射性心肌損傷的早期改變是膜通透性增大，后者將導致細胞內環境改變，進而誘導細胞水腫、線粒體腫脹，膜損傷還將引起膜的離子泵異常，使細胞內鈣超載，進而導致心肌損傷〔26〕。

內質網是細胞內鈣儲存的主要場所，內質網主要通過其膜上的藍尼叮受體(RyR)和1，4，5-三磷酸肌醇受體通道(IP3R)，將鈣離子釋放入胞。再通過其膜上的鈣泵(SERCA)將鈣離子從胞質中攝入到內質網腔中，從而維持細胞內鈣穩態平衡。放射時氧化應激致ERS，Ca2+從內質網腔釋放到胞質中，胞質中的 Ca2+水平增高，激活細胞質中的需鈣蛋白酶(calpain)〔27，28〕，該酶大小亞單位自體降解后開始降解底物〔29〕。Gressner等〔30〕的研究發現，TGF-β可能是calpain的作用底物，前述放射致纖維化時，CFs數量增多，其合成和分泌的TGF-β增多，因此我們產生這樣的疑問:鈣穩態失衡和TGF-β有何關系?放射性心臟纖維化的產生是否與這條信號通路有關系?這有待進一步的研究。

3 小結與展望

RIHD的主要危害是心肌纖維化。輻射通過改變SOD活性，產生大量的ROS，導致RES、線粒體功能改變而引起鈣失衡，進而改變TGF-β的數量和活性，影響CFs的增殖活動，最終造成心肌纖維化，這是放射致心肌纖維化的可能途徑，其具體機制有待探索。隨著這些機制的深入研究必將為防治RIHD提供新思路和靶點，比如放療前后只要清除或下調ROS和TGF-β，或者調解內質網和線粒體的活動，穩定鈣離子水平則有可能有效保護心臟，提高放療對惡性腫瘤的總體有效率。

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