孫忠廣 盧果 趙淋淋 鄭笑慈 劉文瀅 尚學(xué)東 徐昕
1上海體育學(xué)院運動康復(fù)系(上海 200438)
2國家體育總局運動醫(yī)學(xué)研究所(北京 100061)
癌癥是重大的公共衛(wèi)生問題[1]。阿霉素(Doxorubicin,DOX)是一種抗癌化療藥物,被列為“蒽環(huán)類抗生素”,在許多腫瘤性疾病(如造血系統(tǒng)惡性腫瘤,乳腺、卵巢、甲狀腺和骨骼的晚期實體瘤)的治療中起著關(guān)鍵作用,且療效顯著,已成為各種癌癥標(biāo)準(zhǔn)治療方案的一部分;但阿霉素治療后會出現(xiàn)一定的副作用,即劑量依賴性心肌損傷,長期使用會導(dǎo)致各種心肌病[2,3]。有研究顯示,心肌病會影響癌癥化療病人的治療效果,還會導(dǎo)致癌癥病人的死亡[4]。因此,如何緩解阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷,同時最大限度發(fā)揮其治療癌癥的益處,是目前亟待解決的問題。
本文回顧阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的機制和支持運動療效的現(xiàn)有證據(jù),為癌癥患者的康復(fù)提供新觀點、新靶點和新方法。
在Pubmed英文數(shù)據(jù)庫中,通過關(guān)鍵詞組合“Exercise AND Doxorubicin AND Heart”檢索英文文獻。在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中,選擇運動領(lǐng)域相關(guān)的核心期刊進行中文文獻檢索,檢索詞為“運動和阿霉素和心臟”。所有英文文獻和中文文獻的檢索日期均截止到2019年1月20日。文獻錄入標(biāo)準(zhǔn):(1)已在學(xué)術(shù)期刊上出版的全文或摘要;(2)有關(guān)運動治療阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的原創(chuàng)實驗性研究。
在Pubmed數(shù)據(jù)庫中共檢索到英文文獻 123篇,中國知網(wǎng)上未發(fā)現(xiàn)相關(guān)中文文獻。經(jīng)初步閱讀標(biāo)題和摘要后,篩除不符合錄入標(biāo)準(zhǔn)的文獻81篇,對符合錄入標(biāo)準(zhǔn)的42篇英文文獻進行全文閱讀篩查。經(jīng)全文閱讀篩查后,剔除6篇不符合錄入標(biāo)準(zhǔn)的文獻,共36篇文獻符合錄入標(biāo)準(zhǔn)。
阿霉素藥物治療的基本原理是損害癌細胞的有絲分裂和代謝過程,但同時,某些正常的細胞和組織也會受到化療的影響,導(dǎo)致各種輕度和嚴重的不良反應(yīng),包括惡心、嘔吐、骨髓抑制和心血管副作用,即低血壓、心動過速、心律失常和心力衰竭等[5]。
根據(jù)阿霉素注射的劑量可以分為急性心肌損傷(一次性注射劑量超過10 mg/kg體重)和慢性心肌損傷(多次注射,累計注射劑量20 mg/kg體重)[5]。目前阿霉素誘導(dǎo)心肌損傷有以下幾種機制:①阿霉素誘導(dǎo)心肌活性氧(reactive oxygen species,ROS)增加[10],ROS增加導(dǎo)致細胞蛋白水解系統(tǒng)的激活,加速肌絲細胞凋亡,關(guān)鍵途徑涉及腫瘤抑制蛋白p53的激活[6];②阿霉素通過下調(diào)GATA4蛋白的表達,抑制肌絲蛋白合成,誘導(dǎo)細胞凋亡[7];③阿霉素引起心肌細胞鈣穩(wěn)態(tài)的改變,刺激鈣離子的釋放和抑制肌質(zhì)網(wǎng)鈣離子的攝取,導(dǎo)致胞漿鈣超載,這種鈣過載可能導(dǎo)致促進凋亡因子細胞色素C的釋放[8];④阿霉素影響心肌的線粒體DNA結(jié)構(gòu)[9,10];⑤阿霉素改變肌球蛋白重鏈的比例,導(dǎo)致肌原纖維紊亂[20];⑥阿霉素改變心臟能量代謝變化,降低細胞內(nèi)三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的儲備,還降低了腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)蛋白水平及其堿性活化狀態(tài),導(dǎo)致AMPK下游靶點的抗乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACC)的磷酸化水平降低,進而導(dǎo)致脂肪酸氧化受損[6,11]。
心肌損傷的早期檢測對可逆的心肌損傷(2型相關(guān)的心臟功能障礙)或不可逆的心肌損傷(1型相關(guān)的心臟功能障礙)具有實質(zhì)性影響[12]。已有研究使用不同的心臟成像技術(shù)來測試心臟射血分數(shù),包括2D或3D超聲心動圖、組織多普勒成像和心臟核磁共振成像[13]。最常用的心臟監(jiān)測方法是通過2D超聲心動圖測量心臟射血分數(shù),如果在正常狀態(tài)下檢測出較低的心臟射血分數(shù)或者阿霉素治療期間心臟射血分數(shù)的無癥狀性降低,則表示存在心肌損傷。2D超聲心動圖檢測亞臨床心肌損傷的敏感性較差。心臟核磁共振成像可以評估心臟收縮期和舒張期功能,并支持心肌直接成像,但是其高成本和缺乏指標(biāo)的有效性限制了其日常使用[13]。同樣的,實時3D超聲心動圖似乎比常規(guī)2D超聲心動圖有優(yōu)勢,然而,由于成本的原因,其并沒有得到廣泛的應(yīng)用,并嚴重依賴于高質(zhì)量的圖像和操作人員的專業(yè)知識來實現(xiàn)上述卓越的功能[14]。因此敏感心臟成像技術(shù)需要納入未來的研究,如心肌代謝(如ATP/磷酸)配合心臟磁共振成像,循環(huán)生物標(biāo)志物與成像模式結(jié)合等,這些都可以作為心臟功能變化的早期檢測手段[15,16]。
目前許多心臟保護措施正在被積極研究,以用于治療或預(yù)防阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷,這些措施包括運動、高壓氧預(yù)處理、血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑、鈣通道阻滯劑和β受體阻滯劑等,其中運動是能夠明顯減弱阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的非藥物策略之一[17]。
有關(guān)運動緩解阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的研究中,大部分文獻都是動物實驗,研究了不同類型的運動對急性或慢性心肌損傷的影響,有關(guān)阿霉素使用之前運動干預(yù)的研究比較多,運動形式可以分為有氧運動(游泳、跑臺和自主轉(zhuǎn)輪)和抗阻運動等。還有少部分文獻進行了臨床癌癥患者的運動干預(yù)研究。我們對以上研究進行表格分類歸納,表1是阿霉素使用前運動對急性心肌損傷影響的動物研究,表2是阿霉素使用前運動對慢性心肌損傷影響的動物研究,表3是阿霉素使用期間或之后運動對心肌損傷影響的動物研究。
關(guān)于阿霉素使用前運動對急性心肌損傷影響的動物研究有20篇,如表1所示。大部分采用的跑臺運動;另外有7篇是短期運動(1~5天),有4篇是中期運動(2~3周),有9篇是長期運動(8~14周)。
運動可以增加心肌抗氧化酶,抑制心肌氧化應(yīng)激,保護心臟免受ROS的損傷。如阿霉素使用前的短期和長期跑臺運動可以導(dǎo)致心臟保護標(biāo)記物谷胱甘肽(glutathione,GSH)、熱休克蛋白 70(heat shock protein 70,HSP70)、HSP60、HSP72和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)顯著增加,還可導(dǎo)致心臟損傷標(biāo)記物丙二醛(malonaldehyde,MDA)、肌酸激酶和肌酸磷酸激酶減少[18,21,22,25,37,38]。母體進行的運動也可以通過增加抗氧化酶調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激增加新生鼠心臟對阿霉素毒性的抗性[34]。
運動通過改變心臟肌球蛋白重鏈(myosin heavy chain,MHC)同種型分布來保護心臟。早期鍛煉可以降低阿霉素誘導(dǎo)的慢性心肌損傷,且這種保護機制和α-MHC同種型的上調(diào)以及MHC亞型分布的保存相關(guān)[20,23]。另外,抗阻運動也可以產(chǎn)生類似的保護作用[35]。
運動訓(xùn)練通過血管平滑肌松弛保護心臟,心肌收縮協(xié)調(diào)性增加,增強心肌收縮力,提高左室射血分數(shù),改善心臟自主神經(jīng)功能。如14周的自主轉(zhuǎn)輪運動可以減弱與阿霉素使用相關(guān)的血管平滑肌功能障礙,還能維持血管平滑肌在阿霉素使用后的收縮和舒張反應(yīng)[29]。
運動通過維持心臟細胞中的鈣離子穩(wěn)態(tài)來保護心臟。肌漿網(wǎng)(SR)Ca2+-ATP酶 2a(Serca2a)在調(diào)節(jié)心臟功能方面扮演著重要角色[39]。阿霉素使用之前的短期運動可以抵消急性心肌損傷和左心室不良重塑,其機制與維持心肌細胞中的鈣離子穩(wěn)態(tài)以及Serca2a的表達增加有關(guān)[33,40]。
運動訓(xùn)練通過減少心肌阿霉素的積累來保護心臟。中期和長期的運動預(yù)處理都可以減少心肌中阿霉素的積累,這種減少與保留的心臟功能相關(guān),表明運動對DOX誘導(dǎo)的損傷的心臟保護作用可能部分是由于心肌阿霉素積累的減少[27,28,36]。
運動訓(xùn)練可以降低阿霉素誘導(dǎo)自噬/溶酶體信號的傳導(dǎo)。阿霉素使用之前的運動可以抑制阿霉素誘導(dǎo)的心臟中自噬信號/基因表達的增加,抑制自噬/溶解系統(tǒng)通路的激活,從而抵抗阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷[30,41]。
運動訓(xùn)練可以調(diào)節(jié)心臟能量代謝,調(diào)節(jié)AMPK在心臟組織中的活性。2個月的跑臺運動可以改善心臟局部功能和運動容量,AMPK-mTOR信號傳導(dǎo)在其中起著重要作用[32]。另外,有氧運動可以增加總AMPK活性以及AMPKα同種型和心肌中AMPK的下游靶標(biāo)(ACC;glucose transport-4,GLUT4),減少脂質(zhì)過氧化反應(yīng),最終改善心肌能量紊亂[42]。
運動訓(xùn)練的有益適應(yīng)與線粒體相關(guān)機制的調(diào)節(jié)有關(guān),即控制以及重建心臟線粒體網(wǎng)絡(luò)的能力。在阿霉素治療過程之前和期間進行的運動會抑制心臟線粒體的細胞凋亡信號傳導(dǎo),并調(diào)節(jié)心臟中線粒體動力學(xué)和自噬的改變[43]。急性運動也可以保護心臟線粒體功能障礙,保持線粒體磷酸化能力,減弱阿霉素誘導(dǎo)的對線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore,MPTP)開放的耐受性[24]。
運動訓(xùn)練通過抑制心肌中凋亡和萎縮蛋白的表達來緩解心肌損傷。跑臺運動能抑制阿霉素誘導(dǎo)的凋亡因子活性的增加,從而保護心功能[31,41]。短期運動可以防止阿霉素誘導(dǎo)的心肌中叉頭轉(zhuǎn)錄因子1(FoxO1)和肌肉環(huán)指蛋白1(Muscle ring finger protein 1,MuRF-1)的增加,還增加過氧化物酶體增殖物受體γ共活化因子-1α(PGC-1α),導(dǎo)致FoxO靶基因的表達降低。
表1 阿霉素使用前運動對急性心肌損傷影響的動物研究
目前有4篇關(guān)于運動防治阿霉素誘導(dǎo)的慢性心肌損傷的動物研究,如表2所示。其中Hydock等[45]發(fā)現(xiàn)注射阿霉素后,轉(zhuǎn)輪組大鼠的心臟相比安靜組含有更高水平的α-MHC亞型,并且阿霉素注射顯著降低轉(zhuǎn)輪組大鼠的自主轉(zhuǎn)輪距離,這可能是一種心臟保護反應(yīng)。Marquesaleixo等[47]發(fā)現(xiàn)心臟線粒體的可塑性和適應(yīng)能力可能是運動誘發(fā)的心臟保護機制,長期有氧運動使心肌細胞線粒體膜及線粒體呼吸鏈逸出形成的活性氧減少,MPTP開放的耐受性降低,使心肌線粒體DNA免受損傷,保護心肌線粒體的功能結(jié)構(gòu)。Chicco等[44]發(fā)現(xiàn)低強度運動緩解了阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷,與降低了凋亡信號通路的活性有關(guān),也與谷胱甘肽過氧化物酶的增加有關(guān)。Matsuura等[59]發(fā)現(xiàn)6周跑臺運動降低了阿霉素引起的動物死亡率,恢復(fù)了血管平滑肌的松弛特性,其機制可能至少部分是由于恢復(fù)了血管平滑肌松弛的特性,從而減少了周圍血管的阻力和對心臟的壓力。
表2 阿霉素使用前運動對慢性心肌損傷影響的動物研究
目前大部分研究都是運動對阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的的防治研究,阿霉素使用期間和之后的運動干預(yù)研究還較少。目前只有3項研究考察了阿霉素使用期間和之后運動的影響,如表3所示。其中Hydock等[46]發(fā)現(xiàn)在阿霉素給藥期間和之后的轉(zhuǎn)輪運動通過保持最大二尖瓣和主動脈血流速度來防止阿霉素誘導(dǎo)的心臟毒性,與MHC亞型表達變化有關(guān)。Dolinsky等[40]研究發(fā)現(xiàn)阿霉素可以引起不良的左心室重塑,阿霉素注射之后的運動可以部分減弱不良的左心室重塑,其機制和運動訓(xùn)練增加線粒體電子傳遞鏈復(fù)合物以及線粒體融合蛋白1和2有關(guān),還與Serca2、過氧化物歧化酶的增加有關(guān)。Marquesaleixo等[60]發(fā)現(xiàn)在阿霉素治療過程之前和期間進行的有氧運動改善線粒體生物能量適應(yīng)性,其機制可能與部分抑制線粒體氧化應(yīng)激和損傷有關(guān),如線粒體鏈復(fù)合物1和2升高,對心臟具有保護作用的Sirt3含量升高。
上述研究表明,阿霉素使用前和使用后,運動都可以緩解慢性或急性心肌損傷,我們總結(jié)了以下作用機制,如圖1所示:運動訓(xùn)練增加了心肌抗氧化酶保護心臟免受ROS的損傷作用;改變MHC同種型分布的變化;使血管平滑肌松弛;維持心臟細胞中的鈣離子穩(wěn)定;減少心肌阿霉素積累;降低阿霉素誘導(dǎo)的自噬/溶酶體信號的傳導(dǎo);調(diào)節(jié)心肌能量代謝;改善線粒體功能障礙、抑制心肌中萎縮蛋白的表達和抑制凋亡因子的活性。
表3 阿霉素使用期間或之后運動對心肌損傷影響的動物研究
圖1 運動緩解阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷機制圖
除動物研究外,也有一些關(guān)于運動防治阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的臨床研究。其中阿霉素治療前的運動干預(yù)可以預(yù)防阿霉素治療過程中誘導(dǎo)的心肌損傷。有研究發(fā)現(xiàn)每次阿霉素治療前24小時進行的運動訓(xùn)練對臨床心臟損傷的標(biāo)志物沒有影響,但對乳腺癌患者的血流動力學(xué)、肌肉骨骼癥狀、情緒和體重具有積極的全身作用,可以減輕乳腺癌患者的癥狀[48]。在阿霉素治療之前24小時進行的跑步運動對心臟提供了保護作用,包括減弱氨基末端腦鈉尿肽(NT-proBNP)的釋放和增加收縮功能[49]。
也有臨床研究表明阿霉素治療過程中的運動干預(yù)能緩解阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷。心血管事件是非轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者過早發(fā)病和死亡的主要原因,乳腺癌患者經(jīng)常運動可以降低死亡率[50]。有研究對2973名患有非轉(zhuǎn)移性乳腺癌的女性進行了6年的跟蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)其心血管事件的發(fā)生率隨著活動水平的增加而降低,遵循癌癥運動指南并且運動代謝當(dāng)量(metabolic equivalent,MET)≥9 MET/小時/周的心血管事件相比每周運動<9 MET/小時/周的人減少了23%[51]。有研究對20名接受阿霉素治療的早期乳腺癌婦女進行有氧運動干預(yù),發(fā)現(xiàn)有氧運動可以改善癌癥的副作用和患者的心肺能力[52]。中等強度運動不僅可以維持,而且可以顯著改善接受化療的女性的有氧運動能力和肌肉力量[53]。重要的是,在女性癌癥患者接受化療期間,包括高強度有氧間歇訓(xùn)練在內(nèi)的監(jiān)督式有氧訓(xùn)練計劃是安全的(且耐受性相對較好)[54]。
阿霉素藥物治療的兒童癌癥患者也存在心肌病的風(fēng)險,有研究評估了兒童癌癥患者在12周運動干預(yù)前后的身體組成、力量和心肺適應(yīng)性,發(fā)現(xiàn)運動訓(xùn)練也可以提高兒童癌癥患者的運動能力[55]。
上述證據(jù)支持運動是預(yù)防或治療DOX誘導(dǎo)的心臟損傷的有效策略。應(yīng)該鼓勵乳腺癌、兒童癌癥等患者定期運動,因為運動已證實可以改善癌癥相關(guān)的疲勞、心肺能力、身體健康和生活質(zhì)量[56]。
雖然運動可以緩解阿霉素藥物導(dǎo)致的心肌損傷,但也要考慮運動是否會影響阿霉素藥物化療的效果。在動物研究中,Parry等[57]發(fā)現(xiàn)阿霉素治療后的耐力運動對阿霉素抗腫瘤功效沒有影響,且運動可以保持心臟功能,并減少心室中阿霉素積聚,其機制與上調(diào)心室中多藥耐藥蛋白( multidrug resistance protein,MRP)的表達有關(guān)。臨床研究也表明適當(dāng)?shù)捏w育活動是減少乳腺癌幸存者死亡和乳腺癌事件的重要干預(yù)措施,并且不會降低阿霉素的抗腫瘤功效[58]。目前的動物研究和臨床研究結(jié)果均表明運動在緩解阿霉素導(dǎo)致的心肌損傷的同時,不會影響阿霉素藥物化療的效果。今后應(yīng)通過更多的臨床研究來驗證,如其他的運動方案或者不同癌癥患者。
目前,防治阿霉素誘發(fā)的心臟損傷的最合適和有效的運動處方是未知的,因此對不同運動處方的比較分析是有意義的。如有研究發(fā)現(xiàn)短期有氧運動可以緩解阿霉素誘導(dǎo)的心臟功能障礙,這種短期的運動干預(yù)比較有吸引力,因為時間比較短,比較容易執(zhí)行。也有研究發(fā)現(xiàn)長時間的有氧運動也能緩解阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷,但與短期有氧運動相比效果如何尚不清楚。另外,有氧運動或者無氧運動方式的相關(guān)研究均表明其可以防止阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷,包括跑步、轉(zhuǎn)輪、游泳和爬梯,但這些運動方式的防治效果是否有差異還需要進一步研究。我們最終的目標(biāo)是將運動與癌癥治療結(jié)合在一起,并尋找適合癌癥患者的最佳運動方式,因此未來的研究還應(yīng)著重于確定運動保護心臟損傷的最佳運動強度和時間,以及比較不同運動形式的保護效果。
關(guān)于運動防治阿霉素引起的心臟損傷的研究主要集中在動物研究,臨床相關(guān)研究相對較少。根據(jù)動物研究的結(jié)果,我們總結(jié)了運動防治心肌損傷的機制(圖1),包括有氧運動抑制氧化應(yīng)激、調(diào)節(jié)能量代謝等,但這些機制是否也可適用于人類,需要更多的臨床研究確認。另外,由于大部分研究使用的嚙齒類動物模型,故運動方法僅限于跑步、轉(zhuǎn)輪、游泳和爬梯。但在臨床研究中,大部分是跑步運動,還有一部分間歇有氧運動,均能有效降低癌癥患者的心血管事件。跑臺運動方式對于動物模型和癌癥患者均適用;癌癥患者無法進行轉(zhuǎn)輪運動,但是癌癥患者的間歇運動可能與轉(zhuǎn)輪運動有一定的相似之處,如可以根據(jù)自身情況調(diào)整運動強度,在較低的強度和較高的強度中切換。另外,癌癥患者心肺能力比較差,容易疲勞,不太適合進行游泳和爬梯等大強度運動。因此我們要根據(jù)癌癥患者的身體情況和個人喜好選擇適當(dāng)?shù)倪\動方式。
動物研究表明阿霉素使用前長時間的有氧運動可以緩解阿霉素帶來的心肌損傷。但我們需要考慮到臨床癌癥患者的現(xiàn)實情況,癌癥患者從確診到開始使用藥物化療的時間很短,不足以進行長時間運動;另外,癌癥患者不止化療一次,周期比較長,還要考慮到后續(xù)化療過程和化療之后造成的心肌損傷。因此,還需要進行更多的阿霉素治療期間或治療后的運動干預(yù)研究。
盡管運動對心臟保護益處得到很好的驗證,但運動中仍然存在一定的風(fēng)險,尤其是長時間較大強度的運動,強度較小的運動可以很大程度上降低風(fēng)險。不管疾病狀況和運動效果如何,重要的是要考慮運動的安全性。如在癌癥患者中,我們要考慮患者的心血管風(fēng)險因素(如年齡、高血壓、血脂異常)和生理狀態(tài)(如疲勞、運動耐受性),癌癥患者可能病情太重,無法堅持規(guī)定的運動劑量,甚至?xí)霈F(xiàn)不良的運動反應(yīng),可能會減弱運動的益處。另外,因為兒童癌癥幸存者和成年癌癥幸存者在相對壽命、阿霉素使用量、心肌損傷程度和運動耐受性方面也不同,今后應(yīng)分開研究兒童和成人癌癥幸存者的運動效果。
本文概述了阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的性質(zhì)和機制,并列出支持運動緩解阿霉素誘導(dǎo)的急性或慢性心肌損傷的動物研究和臨床研究證據(jù),提出運動治療阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷的保護機制,包括增加了心肌抗氧化酶、改變MHC同種型分布的變化、使血管平滑肌松弛、維持心臟細胞中的鈣處理、減少心肌阿霉素積累、降低阿霉素誘導(dǎo)的自噬/溶酶體信號的傳導(dǎo)、調(diào)節(jié)心肌能量代謝、改善線粒體功能障礙、抑制心肌中萎縮蛋白的表達和抑制凋亡因子的活性。今后應(yīng)該著重于確定運動保護心臟損傷的最佳運動強度和時間,比較不同運動形式的保護效果;進行更多的臨床研究;進行更多的阿霉素治療期間或治療后的運動干預(yù)研究;注重癌癥患者運動的安全性。