阿霉素是一種廣譜、高效的蒽環(huán)類抗腫瘤藥物，主要通過(guò)嵌入DNA雙螺旋堿基并與拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ結(jié)合破壞DNA的3級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。盡管靶向藥物、免疫檢查點(diǎn)抑制劑等新型療法取得了巨大進(jìn)展，但以阿霉素為代表的蒽環(huán)類抗腫瘤藥物依然是當(dāng)前抗腫瘤治療的基石，在白血病、淋巴瘤、乳腺癌和結(jié)直腸癌等多種血液系統(tǒng)和實(shí)體腫瘤中仍是不可替代的組成部分。然而，阿霉素引起的骨髓細(xì)胞生成抑制、脫發(fā)和心臟毒性等不良反應(yīng)亦不可忽視，尤其是與藥物累積劑量有關(guān)的心臟毒性，常呈現(xiàn)進(jìn)展性和不可逆性改變，限制了其臨床使用。據(jù)報(bào)道，當(dāng)累積劑量400 mg/m2時(shí)，阿霉素引起的充血性心力衰竭（Congestive Heart Failure，CHF）發(fā)生率為5%，當(dāng)達(dá)到550和700 mg/m2時(shí)，CHF發(fā)生率可分別上升至26%和48%。有調(diào)查表明，通過(guò)阿霉素等抗腫瘤藥物治療后的患者由于心臟疾病所致的死亡率明顯增高，嚴(yán)重影響了患者的生存質(zhì)量和預(yù)后。目前，關(guān)于阿霉素心臟毒性的發(fā)生機(jī)制仍未完全闡明，現(xiàn)有的報(bào)道涉及氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬、鈣超載、鐵離子代謝紊亂和線粒體功能障礙等多個(gè)方面。與此同時(shí)，臨床上對(duì)于阿霉素心臟毒性的防治手段十分匱乏，主要是通過(guò)限制治療累積劑量、改變給藥方式、采用脂質(zhì)體劑型、使用心臟保護(hù)劑等。目前，唯一獲批用于蒽環(huán)類藥物心臟毒性的右丙亞胺，僅用于預(yù)防，且存在費(fèi)用昂貴、大劑量可造成骨髓抑制和腎損傷等問(wèn)題?？梢?jiàn)，以阿霉素為代表的蒽環(huán)類抗腫瘤藥物誘導(dǎo)的心臟毒性，仍然是腫瘤及心臟內(nèi)科等領(lǐng)域亟待解決的臨床問(wèn)題。建立合適的體內(nèi)、體外模型，對(duì)于研究阿霉素心臟毒性發(fā)生機(jī)制、開(kāi)發(fā)新的防治方案尤為重要。綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于阿霉素心臟毒性動(dòng)物模型和細(xì)胞模型的研究進(jìn)展，以期為相關(guān)研究提供參考。
阿霉素致心臟毒性的動(dòng)物模型
目前，阿霉素致心臟毒性動(dòng)物模型研究所涉及的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物以大鼠和小鼠為主，豬、犬、兔和斑馬魚(yú)等也有部分報(bào)道。從心臟毒性分類來(lái)看，以急性和慢性心臟毒性為主，尚缺乏關(guān)于遲發(fā)性心臟毒性的研究，這與所需時(shí)間、成本及阿霉素在小型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型長(zhǎng)期效應(yīng)的差異性等因素有關(guān)。
阿霉素致急性心臟毒性動(dòng)物模型
阿霉素急性心臟毒性動(dòng)物模型操作簡(jiǎn)便，造模周期短，已有的研究報(bào)道涉及多種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。其中，小鼠是其中運(yùn)用較多的動(dòng)物，通常采用單次注射7.5～30 mg/kg·bw阿霉素，以早期發(fā)生變化的心肌酶學(xué)結(jié)合心電圖、超聲心動(dòng)圖及心臟組織病理學(xué)等進(jìn)行評(píng)價(jià)。如，BALB/c小鼠單次腹腔注射7.5 mg/kg·bw阿霉素，5 d后觀察到小鼠出現(xiàn)心律不齊，T波平坦和ST段降低。C57BL/6小鼠單次腹腔注射10和15 mg/kg·bw阿霉素后，出現(xiàn)血清心肌酶水平升高，射血分?jǐn)?shù)（EF）和縮短分?jǐn)?shù)（FS）明顯降低，左心室舒張末期直徑（LVEDD）和左心室收縮末期直徑（LVESD）明顯升高等。昆明小鼠單次腹腔注射30 mg/kg·bw阿霉素后，出現(xiàn)明顯氧化應(yīng)激、血清心肌酶水平升高以及心肌細(xì)胞排列紊亂、斷裂、壞死等。大鼠單次腹腔注射15 mg/kg·bw阿霉素后，亦出現(xiàn)類似改變；單次腹腔注射20 mg/kg·bw阿霉素可致模型大鼠心臟組織MDA和NO含量增加。亦有部分研究采用在較短時(shí)間內(nèi)多次注射阿霉素的方式建立急性心臟毒性模型，研究發(fā)現(xiàn)C57BL/6J小鼠腹腔注射7.5 mg/kg·bw阿霉素，隔天注射2次，累積劑量15 mg/kg·bw后，可見(jiàn)心電圖PR間期、QT間期明顯延長(zhǎng)，EF明顯下降，血清心肌肌鈣蛋白I明顯升高以及心臟組織病理學(xué)改變。此外，亦有采用比格犬靜脈注射1.5 mg/kg·bw阿霉素，2周后出現(xiàn)心率明顯降低、ST段抬高、QT間期延長(zhǎng)，T波倒置和心律失常等。
總體而言，大型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物心臟物理尺寸及心率與人類更接近，在復(fù)制阿霉素急性心臟毒性模型當(dāng)中具有自身優(yōu)勢(shì)，但飼養(yǎng)及安置成本高，限制了應(yīng)用；小鼠因與人類基因高度相似，體積小、操作與飼養(yǎng)方便，運(yùn)用最為廣泛，尤其以C57BL/6小鼠最為多見(jiàn)，前期比較阿霉素誘導(dǎo)不同品系小鼠心臟毒性模型的研究結(jié)果也提示該品系是最理想的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物選擇。
阿霉素致慢性心臟毒性動(dòng)物模型
阿霉素誘導(dǎo)的慢性心臟毒性主要通過(guò)小劑量多次注射阿霉素達(dá)到一定累積劑量建立模型，常采用大鼠和小鼠。大鼠單次給藥劑量1～6 mg/kg·bw，累積劑量多在6～35 mg/kg·bw，如Wistar大鼠單次注射2 mg/kg·bw阿霉素，每周3次，連續(xù)2周，累積劑量達(dá)到12 mg/kg·bw后，可出現(xiàn)EF和FS明顯降低；SD大鼠單次腹腔注射3 mg/kg·bw阿霉素，每周1次，連續(xù)6周，累積劑量達(dá)到18 mg/kg·bw后，除了血清心功能標(biāo)志物肌酸激酶同工酶（CK-MB）和LDH明顯升高，進(jìn)一步出現(xiàn)心臟組織炎癥浸潤(rùn)、嗜酸性變性、肌纖維壞死、空泡和間質(zhì)性水腫等組織病理學(xué)改變。小鼠慢性心臟毒性模型的單次給藥劑量1.5～10 mg/kg·bw，累積劑量多在7.5～42 mg/kg·bw，C57BL6小鼠依然是運(yùn)用較多的品系，可出現(xiàn)心臟LVEF、LVFS、EF、FS、左室每搏輸出量（SV）和CO明顯降低，組織病理學(xué)可觀察到小鼠心臟纖維化。此外，也有部分研究采用新西蘭兔和比格犬等作為模型動(dòng)物，如新西蘭兔單次腹腔注射1.5 mg/kg·bw阿霉素，每周1次，連續(xù)5周，累積劑量達(dá)到7.5 mg/kg·bw后，心電圖顯示QT間期延長(zhǎng)、心率下降，血清腦利鈉肽（BNP）明顯升高，組織學(xué)上觀察到心臟肌原纖維紊亂、線粒體腫和心肌纖維化。
總體上看，慢性心臟毒性模型常以能夠反映心臟形態(tài)和功能的超聲心動(dòng)圖作為主要檢測(cè)指標(biāo)，心電圖、心肌酶學(xué)及心臟組織病理學(xué)亦常被用于綜合評(píng)價(jià)。這類模型動(dòng)物的心臟損傷程度與阿霉素累積劑量常呈現(xiàn)正相關(guān)性，相較急性模型，能夠更好地模擬臨床中腫瘤患者的給藥方案，更具臨床代表性。
阿霉素致心臟毒性的體外細(xì)胞模型
心肌細(xì)胞系具有易獲得、可傳代、相對(duì)穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，適合連續(xù)、大批量開(kāi)展研究，被廣泛用于阿霉素致心臟毒性體外模型的研究，涉及H9c2大鼠胚胎心肌細(xì)胞、HL-1小鼠心肌細(xì)胞、AC16人心肌細(xì)胞等。H9c2細(xì)胞最早于1976年由Kimes和Brand從大鼠胚胎的心室組織獲得，同時(shí)具有骨骼肌和心肌特性，在形態(tài)學(xué)、電流生理學(xué)、生物化學(xué)方面與人心肌細(xì)胞具有相似性；阿霉素處理后，可致細(xì)胞活力明顯降低、ROS明顯增加、線粒體膜電位明顯降低等。HL-1心肌細(xì)胞是從AT-1小鼠心房心肌細(xì)胞腫瘤譜系中獲得的細(xì)胞株，具有收縮能力，并保留了心肌生化和電生理特性；阿霉素干預(yù)后，可出現(xiàn)細(xì)胞活力降低，細(xì)胞凋亡、活性氧及炎癥因子增多等。AC16心肌細(xì)胞是在人心室心肌細(xì)胞與SV40轉(zhuǎn)化的人成纖維細(xì)胞融合獲得，保留了原代心肌細(xì)胞的核DNA和線粒體DNA，阿霉素干預(yù)后亦可致ROS水平及細(xì)胞凋亡數(shù)量明顯升高等。相較而言，AC16細(xì)胞系來(lái)自人類心肌，更接近人類心肌細(xì)胞特性，但穩(wěn)定性更差，培養(yǎng)和維持條件更加復(fù)雜、成本更高，而前兩種細(xì)胞系雖然受到物種和有限心肌特性的限制，但具有易獲取、穩(wěn)定性更好的優(yōu)勢(shì)，研究應(yīng)用更為廣泛。
相比細(xì)胞系，原代心肌細(xì)胞直接從心臟組織中分離，能更好地反映真實(shí)的生理和生物學(xué)特性，新生和成年嚙齒類動(dòng)物心室肌細(xì)胞均有應(yīng)用報(bào)道，0.5～3 μmol/L阿霉素干預(yù)后可致細(xì)胞收縮功能障礙、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白水平表達(dá)升高、細(xì)胞凋亡和活性氧水平明顯增加等。盡管如此，原代心肌細(xì)胞更難獲得和培養(yǎng)，且壽命有限，從不同個(gè)體或不同時(shí)間采集的原代細(xì)胞可能存在較大的變異性，這影響著模型的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。此外，人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）是通過(guò)將成體細(xì)胞重新編程為多能干細(xì)胞，并誘導(dǎo)分化成心肌細(xì)胞而獲得，擁有人類心肌細(xì)胞生化和分子生物學(xué)特性的特點(diǎn)，近年亦逐漸被用于復(fù)制體外模型，0.5 μmol/L阿霉素干預(yù)hiPSC-CM 24 h后，可出現(xiàn)細(xì)胞活力和線粒體耗氧率降低、細(xì)胞凋亡增多等改變；但該細(xì)胞培養(yǎng)成本高，在體外分化過(guò)程可能無(wú)法完全達(dá)到成熟心肌細(xì)胞狀態(tài)，亦可能產(chǎn)生異質(zhì)性進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性和可靠性，尚需進(jìn)一步優(yōu)化。
總結(jié)
以阿霉素為代表的蒽環(huán)類藥物在臨床應(yīng)用廣泛，然而其誘導(dǎo)的劑量依賴性心臟毒性仍是當(dāng)前面臨的臨床難題，研究阿霉素心臟毒性的發(fā)生機(jī)制以及新型防治藥物至關(guān)重要，建立恰當(dāng)?shù)乃幚韺W(xué)研究模型則顯得尤為重要。目前的動(dòng)物模型研究多集中在阿霉素誘導(dǎo)的急、慢性心臟毒性，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物多選擇大鼠和小鼠，其中C57BL/6小鼠是應(yīng)用最多的品系。相對(duì)急性模型，通過(guò)小劑量多次給藥建立的阿霉素慢性心臟毒性模型應(yīng)用更為廣泛，一方面是由于急性心臟毒性模型存在小鼠死亡率高、成模率低的問(wèn)題，另一方面是臨床中阿霉素引起的心臟毒性多以慢性毒性為主，多次給藥的造模方式能更好地模擬臨床中腫瘤患者的給藥方案，更具臨床代表性。在細(xì)胞模型方面，體外培養(yǎng)的心肌細(xì)胞雖然無(wú)法模擬體內(nèi)組織中的復(fù)雜相互作用和微環(huán)境，但也因此不受神經(jīng)及體液因素影響，可重復(fù)性更強(qiáng)，加之成本低、實(shí)驗(yàn)周期短，適合連續(xù)、大批量開(kāi)展研究。從目前的研究看，以H9c2、HL-1心肌細(xì)胞系為主的體外模型為從細(xì)胞和分子水平研究阿霉素心臟毒性發(fā)生機(jī)制及防治藥物提供了重要的方法。然而，細(xì)胞模型由于離開(kāi)了在體的內(nèi)環(huán)境，缺乏了諸如神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)等的調(diào)控，往往不能完全反映藥物在體內(nèi)的真實(shí)情況。綜上，阿霉素心臟毒性的病理機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，多因素、多環(huán)節(jié)的共同參與對(duì)研究其模型病理機(jī)制帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。因此，進(jìn)一步深入開(kāi)展阿霉素心臟毒性藥理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯?，?yōu)化模型復(fù)制方法和評(píng)價(jià)值得更多關(guān)注。
Source: 毒理學(xué)雜志. 2024，38 （01），阿霉素致心臟毒性模型的研究進(jìn)展，DOI: 10.16421/j.cnki.1002-3127.2024.01.004
17312606166