阿霉素是一种抗肿瘤蒽环类药物，具有剂量依赖性和累积性心脏毒性。阿霉素的心脏毒性涉及多种机制，其中研究最多的机制是线粒体复合物I将阿霉素分子活化成更具反应性的半醌，导致氧化应激增加，进而引起心肌细胞的凋亡、坏死或自噬，并最终导致心脏毒性。本文从氧化应激、能量代谢和细胞损伤等方面综述了近年来阿霉素诱导心脏毒性的细胞和分子机制的研究进展。
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阿霉素（doxorubicin，阿霉素）是一种抗肿瘤的蒽环类抗生素，于1967年从链霉菌的菌落中分离出来，可用于多种癌症的治疗。然而，由于阿霉素严重的副作用，限制了其在临床上的应用。其中，最突出的是心脏毒性，可表现为急性，也可表现为治疗结束多年后出现的左室功能障碍、扩张型心肌病和心力衰竭[1]。虽然已经证明阿霉素心脏毒性与许多机制有关，但确切的机制尚不清楚。本文综述了阿霉素诱导心脏毒性进而导致心力衰竭的细胞和分子机制，阐明了其促使心脏毒性发生的基本分子机制。
在细胞水平上，阿霉素心脏毒性与心肌细胞的超微结构改变有关，即细胞质空泡化，包括T小管和肌浆网的扩张；肌原纤维紊乱；线粒体改变，包括肿胀和线粒体嵴消失；溶酶体数量增加；染色质和核仁的收缩以及颗粒和纤维成分的分离[2]。在分子水平上，阿霉素干扰细胞骨架和微管蛋白聚合，表现为α-肌动蛋白、肌球轻链和重链蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白Ⅰ、肌钙蛋白C和肌间线蛋白的表达降低[2]。阿霉素也会影响黏附蛋白（如基质金属蛋白酶MMP-2/MMP-9）的表达，导致细胞脱落[3]。这些效应大多都能在体外实验中被验证；阿霉素对H9c2心肌细胞的毒性包括线粒体去极化、线粒体破碎、结构紊乱、细胞骨架断裂[2]。
阿霉素治疗期间线粒体的损伤可能会导致心脏能量供应不足，进而导致心脏功能障碍。事实上，长期用阿霉素处理的大鼠心脏的三磷酸腺苷（ATP）或磷酸肌酸含量较低[4]。因此，调整能量代谢是支持心肌细胞生命功能所必要的。
在体内和体外阿霉素诱导的心脏毒性模型中，有人研究了阿霉素对心脏能量代谢的影响[5]。阿霉素对心脏能量代谢的影响体现在阿霉素不仅降低了线粒体产生ATP的能力，而且导致了CK同工酶[包括线粒体CK同工酶（MtCK）和AMPK]的早期特异性损伤。受损的MtCK导致线粒体和细胞质之间的能量通道和信号传导受损，并干扰线粒体的呼吸功能。AMPK（对阿霉素诱导的高度敏感损伤指标）的抑制阻断了线粒体对底物的摄入，抑制了脂肪酸的β氧化[5]。此外，受损的AMPK信号通路降低了细胞启动糖酵解的速率和摄取葡萄糖的能力[6]。
此外，在阿霉素心脏毒性期间观察到肉毒碱棕榈酰转移酶I（CPT I）的减少和其底物L-肉碱的消耗。由于阿霉素抑制长链脂肪酸β氧化，血清中总胆固醇、三酰甘油和低密度脂蛋白胆固醇增加[7]。在阿霉素诱导的心肌病中，长链脂肪酸的β氧化和葡萄糖利用均受损[7]。
有研究表明，阿霉素抑制产能相关酶的基因的表达。电子传递链中，某些关键酶如ADP/ATP转位酶和Rieske铁硫蛋白在阿霉素的作用下表达水平降低，进而造成心肌细胞ATP、AMP、ATP/AMP比值、磷酸肌酸和总腺苷核苷酸水平下降。低水平的ATP降低了心肌保护蛋白[热休克蛋白（HSP90）]与erEb2的亲和力[8]。
氧化应激是阿霉素诱导心脏毒性的主要机制之一。其主要机制为活性氧（ROS）和活性氮（RNS）与抗氧化剂之间的平衡失调[9]。高水平的ROS和RNS可能激活细胞毒性信号通路，导致DNA损伤、线粒体功能障碍、蛋白质合成的衰减以及细胞内钙稳态的失调[10]。从细胞的角度来看，位于线粒体、肌浆网和细胞质等细胞器中的几种酶[如黄嘌呤氧化酶，NADPH氧化酶（NOXs）、非耦联型一氧化氮合酶（NOSs）和过氧化物酶体]是ROS的来源[11]。
一般来说，线粒体是产生ROS的主要细胞器。线粒体内产生ROS的酶可以通过C环中醌基的单电子还原将阿霉素转化为半醌。这种半醌容易与生成氧的超氧阴离子（O2·-）发生反应，通过超氧岐化酶将其转化为相对稳定、毒性较低的过氧化氢（H2O2），或者在氧化还原的一系列反应中进一步生成其他ROS和RNS。危险的是，H2O2和O2·−在铁催化的Haber-Weiss反应中有可能产生高度不稳定性的和有毒的羟基自由基（OH·）[12]。阿霉素对位于线粒体内膜（IMM）上的心磷脂具有很高的亲和力。心磷脂是呼吸链酶如细胞色素c氧化酶和NADH细胞色素c氧化还原酶活性所必需的。药物-脂质复合物的形成导致氧化磷酸化的抑制，因此心磷脂不再能够充当线粒体酶的辅因子。其中较高浓度的阿霉素化合物破坏电子传递链，从而产生更多的ROS[13]。
阿霉素毒性的一个特有的方面是线粒体钙负荷能力的丧失。研究表明，钙负荷能力的丧失是由于线粒体渗透性转变（MPT）孔的诱导增加，这可能会诱导细胞死亡。氧化应激、钙超载或不可逆线粒体去极化导致MPT开放，致使IMM通透性增加。线粒体通透性转换孔开放导致线粒体渗透性肿胀和结构损伤[14]。阿霉素还通过与环状基因组形成聚合物来破坏线粒体DNA（mtDNA），从而扰乱线粒体的合成过程。mtDNA的氧化会导致呼吸链的缺陷，从而无法对高能量需求作出反应，导致更多的电子泄漏到分子氧中，进而增加ROS的产生。
NOS是ROS的另一个主要来源。阿霉素能够使内皮NOS（eNOS）表达增加，干扰NO的产生，促进超氧化物的形成[15]。ROS与NO反应生成RNS，促进氧化剂的生成，生成更多的超氧阴离子。eNOS在阿霉素引起的氧化应激中的关键作用在对eNOS敲除小鼠进行的研究中得到证实，该小鼠在阿霉素处理后，ROS水平降低并且心肌功能保持良好。相反，心肌细胞特异性过表达eNOS加重了阿霉素对心脏的不利影响[16]。
阿霉素促进来源于Nox的ROS积累。Nox2和Nox4是在心脏中表达的主要亚型。在病理刺激下，NADPH作为电子供体，Nox2和Nox4将氧还原为超氧阴离子和过氧化氢，从而增强氧化应激。有证据表明，Nox2产生的ROS在氧化还原诱导的毒性中都起着关键作用[17]。
心肌细胞中表达的Top2-β也是阿霉素的靶标[18]。最近的研究表明，特异性缺失Top2-β的心肌细胞主要通过干扰有缺陷的线粒体和ROS的形成来保护心脏免受阿霉素损伤[19]。根据Top2-β的假说，阿霉素和Top2-β之间的相互作用是心脏毒性的起始事件，进一步造成了ROS的积累。无论是起始还是下游事件，氧化应激在阿霉素心脏毒性的发病机制中都起着重要作用。
在心肌梗死和再灌注等病理条件下，细胞凋亡与坏死同时发生。氧化应激通过电压依赖性阴离子通道（VDAC）释放细胞色素c（Cyt c），激活线粒体中的caspase-3导致心肌细胞凋亡。细胞质中的Cyt c一旦释放，就与衔接蛋白、凋亡蛋白酶激活剂蛋白-1（Apaf-1）和caspase-9形成凋亡小体复合物，从而激活caspase-3，进而导致细胞凋亡[20]。相关研究表明，线粒体诱导的凋亡通路也被激活，表现为Bax/Bcl-2 mRNA表达比上调，Bax和caspase-3蛋白表达增加，TUNEL阳性核明显升高[21]。
此外，阿霉素通过增强p53介导细胞凋亡，降低GATA-4的表达水平和p300的降解[22]。在阿霉素心脏毒性中，氧化应激依赖性热休克因子（如HSF-1）被激活，HSF-1进一步激活HSP25，导致促凋亡蛋白产生增加[23]。此外，阿霉素诱导线粒体产生ROS释放，激活ERK介导的HSF2核易位和血管紧张素ⅡⅠ型受体（AT1R）上调，而AT1R在细胞凋亡中起着重要的作用[24]。在阿霉素处理条件下，神经酰胺的积累通过改变线粒体L-肉碱通路或容积敏感性氯离子通道的信号来促进心肌细胞的凋亡。有研究表明，阿霉素还可以增强心肌细胞中死亡受体（DR）[如肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）、fas细胞表面死亡受体（Fas）、DR4和DR5]的表达，这种高表达可以导致凋亡[25]。
虽然阿霉素相关的坏死的完整机制尚不清楚，但线粒体功能障碍、线粒体DNA损伤和ATP水平的改变均与坏死有关。Li等[26]的体内研究表明，腹腔注射25 mg/kg阿霉素可导致12周龄C57BL/6雄性野生型小鼠的心肌细胞坏死。有研究表明，即使在停止治疗后，使用阿霉素治疗的儿童的心肌肌钙蛋白水平也会升高，这表明心脏损伤和不可逆转的心肌细胞坏死[27]。
阿霉素诱导的细胞变化，如氧化应激、损伤的细胞器积累，以及线粒体产生ATP能力的显著降低，将会引发自噬[28]。自噬在心功能障碍的治疗和进展中起着双重作用。在生理条件下，自噬正常表达以维持细胞的正常功能。同时，自噬失调是有害的。在缺血预处理等情况下，通过持续表达LC3-Ⅱ和Beclin-1可以增强自噬[29]，而在肥大的病理情况下，过度诱导自噬是有害的，可导致自噬性细胞死亡[30]。
近年来，利用各种体内外模型，广泛探讨了自噬对阿霉素诱导的心脏毒性的有益作用。大量研究表明，阿霉素上调了心脏自噬，并参与了阿霉素诱导的心脏毒性的发病机制，而有研究支持阿霉素通过抑制自噬诱导心脏毒性的观点。Xu等[31]研究表明阿霉素激活Beclin-1并增强新生大鼠心室心肌细胞（NRCs）的自噬。此外，Wang等[32]通过增加AMPK磷酸化和抑制mTOR，证实阿霉素可以增强自噬。与此相反，有研究表明，阿霉素抑制自噬，表现为AMPK磷酸化和ULK1（也称为Atg1）去磷酸化的降低[33]。有人证实阿霉素抑制LC-3的表达，与H9c2大鼠心肌成肌细胞中核孔蛋白p62的显著增加有关[34]。这些相互矛盾的发现在很大程度上可以归因于所使用的动物模型的类型以及所使用的实验条件。
最近的研究表明，阿霉素通过抑制溶酶体形成和功能来抑制自噬通量。Bartlett等[35]证明阿霉素降低了转录因子EB（TFEB）的表达，TFEB调控与自噬溶酶体形成相关基因的表达，TFEB在心肌细胞中的表达降低导致细胞死亡。其他研究表明剂量诱导的LC3-Ⅱ的早期上调是由抑制自噬通量引起的；此外，阿霉素可以促进自噬体的形成和防止溶酶体酸化[36]。无论确切的机制如何，由阿霉素引起的自噬通量受损都会促使ROS和蛋白毒性增加。
因此，通过对阿霉素心肌病的研究进行比较，我们可以得出结论，阿霉素心肌病既存在自噬的增强作用，也存在自噬的抑制作用。无论是自噬增强还是减弱都有可能减轻阿霉素心肌病。
阿霉素能有效治疗多种癌症，但其严重的副作用限制了其在临床上的应用。阿霉素诱导的心脏毒性机制是复杂的、多因素的，主要由氧化应激决定，这种氧化应激是由氧化剂和抗氧化剂之间的不平衡导致的。氧化应激进一步造成细胞超微结构和能量代谢的改变。尽管阿霉素诱导的心脏毒性涉及到不同的细胞和分子机制，但其最终的结局是细胞死亡，如凋亡、坏死和自噬。此外，动物模型的选择事关实验结果。许多旨在了解阿霉素毒性机制的动物研究的一个关键问题是，在绝大多数研究中都是选择健康的动物，而不是选择带有肿瘤的动物模型。
总之，还有许多研究工作要做，以进一步了解阿霉素诱导的心脏毒性的发病机制，并探索新的治疗策略以减少患者心脏毒性的发生。
所有作者均声明不存在利益冲突
