心力衰竭的生物標志物研究進展

項光俊 朱寧

心血管疾病的生物標志物研究一直在進行，但心力衰竭（heart failure，HF）的生物標志物在臨床和實驗室中能被應用的仍很少。就臨床潛力而言，新型生物標志物的價值主要取決于其在HF患者治療中的實用性[1]。此外，生物標志物與疾病結局一致性的程度，以及它對于已明確診斷工具的替代作用也決定了候選生物標志物的潛在臨床價值[2]。新型生物標志物在臨床應用前，必須評估其在檢驗HF進展風險、危險分層和對于治療反應監測的能力[3]。除臨床價值外，用于實驗室診斷的理想概念生物標志物應該有更高的可靠性，更少的處理時間以及合理的成本。因此，在目前已知的HF生物標志物中，只有少數能滿足上述條件，有臨床和實驗室應用的價值。

為了更好地研究目前HF生物標志物的進展，對最近幾年提出的新型HF生物標志物進行了全面分析。根據Braunwald[4]的病理生理學分類，將生物標志物劃分為不同類別，發現目前已經和即將使用的生物標志物至少反映了HF中存在的包括心肌牽張、心肌細胞損傷、心室重構、炎癥、腎功能不全、神經體液活化和氧化應激7個病理生理過程。本文就HF相關的生物標志物研究進展作一綜述。

1 心肌牽張相關的生物標志物

HF患者水鈉潴留會導致血流動力學負荷絕對或相對增加。為了應對壓力或容量超負荷的影響，心臟細胞產生利鈉肽來改善心肌舒張。某些利鈉肽已被充分驗證并確立為HF診斷和預后的生物標志物。心鈉素（atrial natriuretic peptide,ANP）和腦鈉肽（B-type natriuretic peptide,BNP）就是利鈉肽中的典型代表[5]。ANP和BNP具有許多生物學功能，例如尿鈉排泄、利尿和血管舒張，它們的產生是慢性HF患者的代償機制。歐洲心臟病學會指南（2016）建議對可疑或確診的HF進行BNP及氨基端腦鈉肽前體（n-terminal-pro-B-type natriuretic peptide,NT-proBNP）測定用于診斷和監測病情[6]。但腎功能、肺疾病、肥胖、年齡和性別等因素都可能影響血漿BNP和NT-proBNP水平[7]。BNP的半衰期較短，約為20 min，因為它在循環中被血漿內肽酶（主要是腦啡肽酶）降解。與BNP不同，NT-proBNP是通過腎臟代謝，因此其半衰期更長（60～120 min），其血漿水平比BNP高3～5倍。在歐洲心臟病學會指南（2016）和美國心臟協會指南（2013）中BNP和NT-proBNP都被推薦用于診斷HF（且達到最高證據水平），無論是對門診呼吸困難患者還是住院急性失代償性HF患者，可用于HF診斷、評估疾病嚴重程度以及預后的臨床決策[6，8]。此外，對HF患者進行BNP或NT-proBNP連續評估對于指導HF的治療更有意義[9]。

2 心肌細胞損傷相關的生物標志物

HF的典型病理生理過程是凋亡或壞死引起的心肌細胞死亡[10]。心肌細胞的凋亡和壞死可能是由于心臟灌注和氧供應減少或心肌壁壓力增加所致，此外，循環神經激素水平升高、高腎上腺素能活動、炎癥和氧化應激也可能起作用。因此，臨床上已對HF患者心肌損傷有關生物標志物開展了廣泛的研究。

2.1 心臟肌鈣蛋白（cardiac troponins,cTns） cTns是參與骨骼肌和心肌收縮的調節蛋白。cTns包括心臟肌鈣蛋白 I（cTnI）和心臟肌鈣蛋白 T（cTnT），是慢性HF患者的預后生物標志物。在非急性冠狀動脈綜合征的HF患者血漿中檢測到cTnI，提示心肌壁壓力增加，心肌灌注和氧供應減少伴或不伴腎清除率降低，可能導致細胞凋亡和心肌壞死。血漿cTns水平與左心室射血分數密切相關。在非急性冠狀動脈綜合征的急性HF患者中，血漿cTnI水平高于cTnT，并且兩者的血漿水平均與死亡率呈正相關[11]。歐洲心臟病學會指南認為cTnI用于診斷急性和慢性HF證據水平最高，并且多數研究指出cTns在HF患者預后中的重要性[8]。Brouwers等[12]研究結果表明血漿cTnT水平可預測HF患者的不良臨床結局。此外，Grodin等[13]研究報道血漿cTnI水平是慢性HF患者死亡率的強力預測指標之一，結合BNP，預測結果更準確。在慢性HF患者中，僅以血漿cTns水平不足以指導疾病全程的診治。因此，多生物標志物的方法被推薦用于慢性HF患者。

2.2 心臟脂肪酸結合蛋白（h-fatty acid binding protein,H-FABP） H-FABP是由126～137個氨基酸組成的小細胞內脂質結合蛋白，分子量約為15～20 kD。由于HFABP在心肌細胞中的含量很高，因此在心臟損傷后20 min之內即可快速檢測到H-FABP。3～4 h后血漿水平達到峰值，并在18～30 h內回落到正常范圍。HFABP可能是慢性HF風險評估的有用工具。Sun等[14]報道慢性HF的兒童血漿H-FABP水平升高，并與疾病嚴重程度有關。Niizeki等[15]的研究結果表明，入院時BNP和H-FABP聯合檢測可能有助于慢性HF患者心源性死亡和非致命性心臟事件的危險分層。Cabiati等[16]的研究表明，在機械性循環支持的終末期HF患者中，高血漿H-FABP水平表明存在更嚴重的心肌損傷，與患者預后不良相關。

2.3 谷胱甘肽S轉移酶P1（glutathione s-transferase p1,GSTP1） GSTP1代表了谷胱甘肽S-轉移酶超家族中最普遍的哺乳動物同工酶，它們在排毒和抗氧化應激中具有重要作用[17]。HF的復雜病理生理過程使JNK和p38信號通路的激活增加，這可能導致心肌細胞凋亡增加。GSTP1表達的增加說明了慢性HF患者存在對氧化應激或促炎性刺激的細胞反應[18]。因此，GSTP1作為潛在的生物標志物，在監測慢性HF患者的心功能方面受到了廣泛關注。Andrukhova等[19]研究發現GSTP1可能與終末期HF相關。盡管HF患者血清GSTP1和proBNP均會升高，但與proBNP相比，血清GSTP1具有更好的診斷效能。此外，在HF患者的左心室功能預測中，proBNP的特異性低于GSTP1[20]。

3 心室重構相關的生物標志物

心室重構導致的收縮和舒張功能障礙在HF進展中起到了關鍵的作用。心肌細胞纖維化使心肌整體收縮力下降，纖維化加重使心室順應性下降，心室重構更加明顯，心肌收縮不能發揮有效的射血效應，形成惡性循環，導致HF走向不可逆轉的終末階段?，F已發現多種生物標志物有助于HF及心室重構的診斷、治療及預后判斷。

3.1 半乳糖凝集素（galectin,Gal）-3 Gal-3是嵌合型Gal家族的成員，包含碳水化合物識別結合的結構域，能夠特異性結合β-半乳糖苷。Gal-3參與細胞黏附、活化、增殖、凋亡以及遷移[20]，在急性和慢性炎癥以及組織纖維蛋白生成中有潛在作用[21]。動物研究表明，Gal-3在組織纖維化和心室重構中發揮關鍵作用[22]?？紤]到Gal-3在心臟重構中的作用，它可能參與HF發生和發展的重要過程，近年來開始將其作為HF的生物標志物[23]。Rehman等[24]的研究表明NT-proBNP在HF診斷中具有更好的生物標志物效能，而Gal-3在預測急性或急性失代償性HF患者60 d內死亡率方面優于NT-proBNP。

3.2 可溶性抑制致瘤性2（soluble isoform of suppression of tumorigenicity 2,sST2） 在過去的幾年中，sST2作為一種新型的HF生物標志物引起了人們的關注，該標志物代表了炎癥、纖維化和心臟壓力[25]。位于2號染色體上的抑制致瘤性2（suppression of tumorigenicity 2,ST2）基因編碼兩種ST2蛋白的亞型：膜結合受體形式的ST2和sST2。膜結合受體形式的ST2屬于IL-1受體家族，參與由IL-33信號介導的重要免疫調節作用。IL-33的分泌主要是由于由心臟成纖維細胞和心肌細胞的機械應變所導致，接著影響下游信號傳導途徑的激活，從而防止了心肌肥大。作為IL-33“誘餌受體”的血漿sST2水平升高，可以減輕IL-33的這種心臟保護作用[26]。在各種癌癥和炎癥，包括HF在內的疾病中，血漿sST2水平均顯著升高。值得注意的是，血漿sST2水平不受年齡、腎功能或BMI的影響，與其他生物標志物（尤其是利鈉肽）相比具有優勢[27]?；诒姸嘌芯勘砻鱯ST2與HF的嚴重程度和不良結局相關，該生物標志物已被納入美國心臟協會指南（2013）中，用于對急性和慢性HF患者進行額外的風險分層[28]。未來有望通過監測血漿sST2水平來指導HF的治療。

4 炎癥相關的生物標志物

在HF進程中，慢性炎癥代表漸進性的心臟抑制機制之一，與疾病的發病機制、進展、嚴重程度和預后密切相關。生長分化因子（growth differentiation factor，GDF）15是轉化生長因子β超家族成員，作為應激反應性細胞因子，通常被認為與心臟代謝風險相關。在慢性HF中，血漿GDF-15水平升高與HF嚴重程度、神經激素激活、炎癥、心肌細胞損傷以及腎功能不全的其他生物標志物（BNP、cTns、CRP）有關[29]。此外，Tromp等[30]研究表明GDF-15可作為左心室射血分數保留的HF患者的生物標志物。無論是否存在冠心病或其他確定的危險因素，在輕中度至重度左心室舒張功能不全的HF患者中，血漿GDF-15水平均升高與左心室射血分數正常保留的HF相關。

5 腎功能不全相關的生物標志物

由于急性或慢性HF患者的腎功能可能會明顯下降，因此已發現一些新的腎臟生物標志物，以此來幫助HF患者的早期診斷以及監測和預后評估[31-32]。中性粒細胞明膠酶相關的脂蛋白（neutrophil gelatinaseassociated lipocalin,NGAL），也稱為 lipocalin-2（LCN-2），屬于lipocalin蛋白家族。許多研究表明NGAL具有早期識別急性腎臟疾病的作用[33]。腎功能下降在急慢性HF患者中發病率和死亡率均顯著增加，因此NGAL也被認為是HF的生物標志物[34]。NGAL也被認為在HF發病機制中發揮作用。中性粒細胞的活化和NGAL釋放參與了HF過程中炎癥反應的發展[35]。終末期HF患者血清NGAL水平與HF嚴重程度和放置心室輔助裝置（VAD）后血流動力學改善相關[36]。

6 神經體液活化相關的生物標志物

HF的標志之一是神經體液活化。作為自主神經系統的一部分，交感神經系統以及作為副平衡的副交感神經系統在維持心血管穩態中起著關鍵作用。交感神經系統和其他神經體液因子的活化代表了一種代償機制，該機制甚至在臨床癥狀出現之前就已激活。通過這種機制，衰竭的心臟尚能維持對周圍組織的足夠灌注。另一方面，交感神經系統和腎素-血管緊張素-醛固酮系統過度活化，以及副交感神經系統的活性降低，NO信號調節異常和炎性細胞因子釋放，進一步促進了HF的發生、發展[37]。

腎上腺髓質素（adrenomedullin,ADM）屬于降鈣素基因相關肽超家族[38]。Iring等[39]研究顯示內皮細胞能活躍地合成并分泌ADM，這種具有有效血管舒張作用的肽與NO和內皮素一起被認為是血管內皮的分泌產物。HF患者ADM水平升高與疾病嚴重程度相關[39]。ADM水平升高也與左心室射血分數降低、肺動脈壓升高和舒張功能障礙密切相關[40]。但是ADM在血漿中的半衰期短且不穩定，它的臨床應用受到限制。因此，開發出了更穩定的分析物，即中間區域片段的腎上腺髓質素（mid-regional fragment of pro-adrenomedullin adrenomedullin,MR-proADM）。Pourafkari等[41]研究顯示MR-proADM用于急性HF患者具有評估預后的價值。此外，MR-proADM可能是急性失代償性和慢性HF患者不良預后的獨立預測指標[34，42]。盡管MR-pro-ADM作為一種生物標志物在HF檢測和心血管死亡的預測中具有極好的靈敏度，但由于它在各種疾病中表現為廣泛升高，其特異度較差。

7 氧化應激相關的生物標志物

氧化應激在HF的病理生理過程中具有重要作用。慢性HF中的氧化應激被認為是循環神經激素和炎癥因子增加、血流動力學異常以及氧供應減少的結果。另一方面，慢性HF患者氧化還原平衡的紊亂可能通過對重要細胞分子的氧化損傷或通過影響參與細胞存活和死亡的細胞信號轉導而進一步損害心臟功能。硫氧還蛋白（thioredoxin,Trx）1在維持各種細胞的氧化還原平衡中起著至關重要的作用。多項動物模型研究表明，心臟中的Trx1抑制病理性心肌肥大[43]。此外，Trx1對于離子通道的修復至關重要，并能增加心肌收縮力、血管生成和改善線粒體功能。有研究表明HF患者的血漿Trx1水平明顯升高，這與疾病的嚴重程度和氧化應激程度相關[44]。Otaki等[45]的研究也證實了Trx1預測慢性HF患者預后的作用。由于Trx1在心臟肥大中的病理生理意義，該蛋白對于慢性HF患者的早期識別以及預測預后作用需要進一步研究。

8 總結

由于多種原因的限制，傳統的評估和管理HF的方法可能具有局限性。近年來，能夠對HF患者進行準確風險分層并提供有關HF患者監測和預后評估的生物標志物的數量增多。功能基因、蛋白質、代謝組學以及生物信息學方面的進展有助于揭示哪些生物標志物可能對HF的診斷、預后和監測提供有益的信息。在眾多HF生物標志物中，BNP家族已經成為診斷和排除HF的金標準，并被廣泛應用于臨床，但其仍有局限性。對判斷HF嚴重程度及預后有參考價值的生物標志物包括 cTns、H-FABPs、NGAL、ADM、Trx1等。今后的發展方向必然是建立多項生物標志物聯合檢測體系和進行前瞻性的隨訪研究，識別出能夠獨立預測疾病轉歸的標志物，同時將這些標志物應用于療效評估和靶向治療，以便對HF患者精準治療以及降低HF的死亡率及再入院風險。