11.26全国心衰日 | 国际著名心衰专家详述芪苈强心多途径心脏保护机制

既往在急慢性心脏损伤和应激的多种实验模型中，已对芪苈强心的作用进行了大量研究，以探究芪苈强心胶囊通过何种机制发挥保护心脏的作用。Milton Packer教授在整理、总结大量基础研究数据后发现，芪苈强心胶囊可通过多种途径改善心功能。

1.营养过剩信号传导与营养剥夺信号传导对心脏的保护作用与心脏应激时间和严重程度密切相关

一般而言，环境和胞质营养物质的增加可增强PI3K-Akt-mTOR-HIF-1α-PGC-1α-NRF2的信号传导，从而优先促进心肌细胞的生长和复制，而神经调节蛋白-1（NRG-1）及其配体Erbb2受体络氨酸激酶2（Erbb2）可增强该效应。相反，环境和胞质营养物质的消耗可增强SIRT1-AMPK-PGC-1α的信号传导，从而优先促进心肌细胞的健康和存活。这两种途径均可发挥重要的心脏保护作用，具体取决于心脏应激的持续时间和严重程度，如图1和图2所示。 

在明显的急性应激期间，心脏保护作用依赖于PI3K-Akt-mTOR-HIF-1α-PGC-1α-NRF2途径的上调，该途径可改善自噬过度激活和自噬体的有害蓄积，并促进线粒体生物合成，增强抗氧化防御能力。然而，该信号传导长期持续存在，不利于人体健康。相反，对于SIRT1-AMPK-PGC-1α这一途径来说，在明显的急性应激期间，SIRT1和AMPK的上调可能会适得其反；但在慢性持续应激期间（如典型的心肌病情况），长时间的SIRT1-AMPK-PGC-1α信号传导对心肌细胞功能和活力会产生非常有利的影响。

上述细胞信号作用的强度和持续时间依赖性差异是PGC-1α及其下游效应因子NRF2的特别特征，可能与自噬的背景水平有关。对于NRF2信号传导，在自噬未被抑制的明显急性应激间期为适应性传导，但在自噬被抑制的慢性持续应激期间为适应不良性传导。同样，急性损伤后即刻观察到的低水平mTOR表达促进了PGC-1α介导的线粒体生物发生，而明显持续的mTOR上调则抑制了PGC-α介导的线粒体自噬。PGC-1α持续上调对慢性心脏损伤具有保护作用，而PGC-1α过度表达则会导致线粒体过度增殖从而引发心肌病。

图1. 营养过剩信号增强对明显急性应激引起的心脏损伤和对慢性持续应激引起的心肌病的不同影响

2.PGC-1α是营养过剩和营养剥夺信号传导的汇聚点，介导短期和长期应激期间对PPARα和PPARγ产生差异效应

PGC-1α代表了上述相互拮抗途径的汇聚点，在急性心脏应激的高能量需求下被mTOR激活，在心肌病的慢性应激下被SIRT1/AMPK激活，如图3。

在急性应激时，PGC-1α被Akt-mTOR激活，主要通过PPARγ进行信号传导，促进葡萄糖摄取（由戊糖磷酸途径介导的合成代谢）和胞质脂质蓄积，从而减轻过度自噬。PPARγ激动剂通过增强Akt-mTOR信号传导、增强线粒体生物发生和上调NRF2及其下游抗氧化作用而改善缺氧再灌注。然而，在慢性持续应激期间，mTOR和PPARγ激活促进了适应不良性肥大和心肌病的发展。

相反，在慢性持续应激期间，PGC-1α被SIRT1/AMPK激活，其信号主要通过PPARα增强胞质脂质清除、脂肪酸氧化和ATP生成，并促进线粒体健康和线粒体自噬。PPARα沉默可加剧适应不良性肥大和实验性心肌病，而PPARα激动可改善适应不良性肥大和实验性心肌病。然而，在急性压力超负荷应激期间，SIRT1和PPARα信号传导增强对人体有害。

因此，PPARα和PPARγ在急性应激和慢性应激期间对PGC-1α信号传导的反应是对立的。慢性心脏应激导致PPARγ上调，而PPARα下调。Akt/mTOR和SIRT1/AMPK对PPARα和PPARγ产生的影响不同。mTOR激活会引起PPARγ上调但抑制PPARα，PPARα和PPARγ双重激动可抑制SIRT1。AMPK可通过PPARα的信号传导抑制心肌肥大，SIRT1与PPARα结合可促进其活性，与PPARγ结合可抑制其活性。

这些平衡相互作用可能是通过PGC-1α分支点介导的，因为PPARα和PPARγ相互竞争结合PGC-1α，如图3。PPARα和PPARγ均可与核转录因子类视黄醇X受体α（RXRα，由PGC-1α共激活）形成异二聚体。当PGC-1α在慢性应激期间被SIRT1和AMPK激活时，可促进脂肪酸摄取和氧化，并增强线粒体健康。PGC-1α缺陷小鼠表现为线粒体功能受损、适应不良性肥大、纤维化和心力衰竭加速，PPARα激动剂非诺贝特可改善心脏损伤（以SIRT1和PGC-1α依赖性方式）。相反，在急性应激期间，PGC-1α在转录因子阴阳1（YY1）的影响下协同激活RXRα和PPARγ的异二聚体，YY1是mTOR的靶点，也是线粒体生物发生和氧化功能的启动子。mTOR、PPARγ、RXRα和YY1（及其下游效应因子NRF2）的短期上调可抑制自噬体过度形成，并在急性缺血或压力超负荷时发挥心脏保护作用。然而，PGC-1α、RXRα和PPARγ的长期上调会导致线粒体氧化功能障碍、脂质蓄积、适应不良性肥大和心肌病，而PPARγ沉默可缓解实验性糖尿病性心肌病。mTOR和PPARγ还可上调NRF2，持续激活NRF2会产生过度还原应激，从而对心肌病产生不利影响。

对心肌病患者而言，PPARα/PPARγ信号传导平衡具有重要意义，如图3。在高血压、冠心病或心力衰竭患者中，心脏中PGC-1α、PPARα和下游效应因子的表达下调，但PPARγ的表达上调。一项大规模临床试验的结果表明，PPARα激动剂非诺贝特可恢复PPARα信号传导，并减少心力衰竭事件。然而，选择性PPARγ和双重PPARα/PPARγ激动剂均增加心力衰竭事件的风险，在另一项大规模试验中，巴多索隆长期激活NRF2（PPARγ的下游效应因子）增加了死亡或因心力衰竭住院的风险。综上所述，这些观察表明，PGC-1α/PPARα和PGC-1α/PPARγ信号传导的平衡在临床心肌病的病程中具有重要作用。

明显急性心脏损伤的原因通常有：缺氧-复氧损伤，暴露于血管紧张素II、异丙肾上腺素或心脏毒性药物，或重度主动脉缩窄。ATP突然耗竭后，低ATP感受器AMPK的过度上调会导致极度的自噬刺激和自噬所致的细胞死亡。自噬的发生并不是因为自噬通量和自身消化增强，而是自噬体过度蓄积的结果。自噬依赖于自噬基因Beclin 1与Na⁺-K⁺-ATP酶的相互作用，并受到强心苷的抑制。AMPK上调可促进Na⁺-K⁺-ATP酶的活性和自噬；相反，激活PI3K-Akt-mTOR途径可减弱自噬体过度蓄积及其对心脏的有害影响。

1.芪苈强心在明显急性心脏损伤中的机制研究

既往研究证明，芪苈强心可减弱实验性多柔比星的心脏毒性，同时增强PI3K-Akt-mTOR信号传导，并抑制自噬过度激活和自噬体蓄积。在缺氧再灌注、急性缺血、异丙肾上腺素或过氧化氢诱导的心脏或心肌细胞损伤中，芪苈强心改善了不良的结构和功能变化、细胞凋亡和自噬体介导的细胞死亡，同时促进Akt和mTOR磷酸化并抑制AMPK磷酸化；PI3K、Akt或mTOR抑制或AMPK过度激活可消除该药物的心脏保护作用。芪苈强心可抑制高血糖诱导的新生大鼠心肌细胞凋亡，该作用源自PGC-1α、PPAR-γ和NRF2的表达增强，并在PPAR-γ拮抗作用下减弱。在实验室心肌梗死的边界区，芪苈强心可改善心肌细胞凋亡并诱导NRF2的表达；敲除NRF2可消除这种保护作用。

由中国科学院院士、中国复旦大学附属中山医院葛均波教授等人领衔开展的研究强调了在明显急性损伤期间，Akt/Mtor/HIF-1α/NRG-1/Erbb2信号传导的增强介导芪苈强心在心脏保护中的作用，如图4。在缺氧的心脏微血管内皮细胞中，芪苈强心降低氧化应激、线粒体功能障碍和细胞凋亡；以上获益伴随Akt/mTOR/HIF-1α/NRG-1信号传导上调和AMPK的下调，而HIF-1α、NRG-1和Akt沉默以及AMPK激活可消除上述作用。在急性主动脉缩窄时，芪苈强心可减弱细胞凋亡、抑制自噬体形成，并增强Erbb2信号传导，而Erbb2抑制可抵消以上作用。在暴露于血管紧张素II的心脏微血管内皮细胞中也观察到了类似反应；芪苈强心抑制了自噬体过度形成和细胞凋亡，而mTOR或Erbb2抑制可消除以上作用。在急性心肌梗死中，芪苈强心的心脏保护作用与葡萄糖摄取增强、边界区Akt、HIF-1α和NRG-1上调以及血管化生物标志物的表达增加相关；而HIF-1α抑制可抵消以上作用。

2.芪苈强心成分对明显急性心脏应激的影响

芪苈强心的某些成分可作用于PI3K-Akt-mTOR-HIF-1α信号传导。在缺氧再灌注或多柔比星所致的损伤中，芪苈强心中的黄芪甲苷可通过促进葡萄糖摄取和激活PI3K-Akt-mTOR-HIF-1α途径抑制细胞凋亡。同样，在压力超负荷和缺氧再灌注损伤中，芪苈强心中的丹参酮IIA和人参皂苷（Rb1和Rg1）可促进葡萄糖摄取，上调P13K-Akt-mTOR和HIF-1α信号传导，同时抑制剂自噬体蓄积和细胞死亡。丹参酮IIA通过mTOR促进NRF2的转录和稳定性，而NRF2沉默可减弱其抗凋亡作用。

此外，在人多能干细胞衍生的心肌细胞中，芪苈强心增加了Ca²⁺放电频率、幅度和持续时间，即促进了Ca²⁺释放。洋地黄和其他具有正性肌力作用的植物源性化合物也具有类似作用。芪苈强心的某些成分（如强心苷杠柳次苷和人参皂苷）可抑制剂NA⁺-K⁺-ATP酶。芪苈强心增强PI3K-Akt-mTOR信号传导的作用、抑制自噬体的过度形成，以及抑制急性压力超负荷后的损伤可能得益于对Na⁺-K⁺-ATP酶的抑制。当然，在现有医学文献中尚未描述芪苈强心对心脏Na⁺-K⁺-ATP酶的影响。

与急性损伤期间的适应性反应不同，在慢性持续心脏损伤中，PI3K-Akt-mTOR途径长期持续上调会导致心室重塑、适应不良性肥大、细胞凋亡、炎症和纤维化。营养剥夺信号传导（AMPK-SIRT1-PGC-1α）的抑制进一步促进了心肌病的演变和进展，进而抵消了其抑制细胞应激和促炎途径的作用。此外，AMPK、SIRT1和PGC-1α是线粒体健康的守护者——修复结构和功能、清除功能失调的细胞器（通过线粒体自噬），并促进健康线粒体的生物发生，从而促进脂肪酸氧化和ATP生成。

在衰竭的心脏中，心肌细胞的代谢底物从长链脂肪酸转变为葡萄糖。葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）成为主要异构体，而胰岛素调节的葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）则受到抑制。细胞内葡萄糖水平升高导致合成代谢（通过磷酸戊糖途径和己糖胺生物合成途径），但在高压常氧条件下，以上途径的激活会促进氧化应激、适应不良性肥大、炎症和细胞器功能障碍。线粒体功能障碍导致的长链脂肪酸氧化受损也会促进有毒脂质中间产物在细胞内蓄积。如果可通过药理学方法促进线粒体脂肪酸氧化，例如，通过上调PGC-1α和形成PPARα-RXRα异二聚体，则可减轻糖毒性和脂毒性。后一种机制似乎是许多中药发挥心脏保护作用的基础。

1.芪苈强心在慢性持续性心脏损伤中作用的描述性报告

芪苈强心的作用已在多种慢性心脏损伤模型中进行了研究，损伤特征是心室重塑和收缩功能障碍，并伴有氧化应激、细胞凋亡、炎症和纤维化。在实验性心肌梗死、主动脉缩窄、多柔比星损伤、心房起搏时间延长和链脲佐菌素诱导的糖尿病心肌病以及自发性高血压大鼠中，芪苈强心可减轻心室重塑程度并防止收缩功能的下降，以上变化源自细胞凋亡减少、促炎和促纤维化途径减弱以及自噬通量增强。芪苈强心可阻止血管紧张素II介导的心脏成纤维细胞分化，抑制去氧肾上腺素诱导的新生大鼠心室肌细胞肥大，并逆转糖尿病大鼠的主动脉内皮功能障碍；在射血分数保留的实验性心力衰竭中，芪苈强心通过降低促炎和促纤维化生物标志物的表达减轻射血分数保留的实验性心衰心肌肥大。其疗效与沙库巴曲缬沙坦的疗效相当，同时，芪苈强心并未使血压或左心室充盈压产生具有临床意义的变化。

2.芪苈强心介导PGC-1α信号传导上调、促进线粒体自噬和生物发生以及营养代谢正常化

大量研究评估了PGC-1α、PPARα和PPARγ在介导芪苈强心在慢性心肌病中的影响，如图4。在异丙肾上腺素诱导的慢性损伤中，芪苈强心可抑制细胞凋亡、重塑和纤维化，同时上调PGC-1α和PPARγ，但对PI3K-Akt-mTOR信号传导无影响。在心肌梗死后重塑中，芪苈强心可恢复心脏结构和功能，抑制细胞凋亡和纤维化；以上获益伴随着PPARα和PPARγ的上调以及对葡萄糖和脂肪酸代谢至关重要的基因表达的上调。在自发性高血压大鼠和链脲佐菌素诱导的糖尿病心肌病中，芪苈强心可减轻心室功能障碍、心肌肥大、细胞凋亡、纤维化和线粒体异常；以上获益伴随着AMPK磷酸化的增强，PGC-1α、PPARα和PPARγ以及营养物质氧化酶的上调。三项报告的结果表明，T0070907（通常被视为PPARγ抑制剂）可抵消芪苈强心的作用。但是，T0070907是PPARγ的反向激动剂，因此，它会中断基础PPARγ活性，从而导致心脏更易受损，与阻断芪苈强心相关作用无关。预计完全的PPARγ激动剂不会发挥心脏保护作用。

PGC-1α的关键机制作用得到了多项实验研究的支持。在野百合碱诱导的肺动脉高压中，芪苈强心改善了右心室肥大和纤维化，同时促进了PGC-1α表达和线粒体自噬，芪苈强心还上调了梗死后心室功能障碍中的线粒体自噬。将H9C2心肌细胞暴露于芪苈强心会增加 PGC-1α的表达并促进线粒体生物发生，而抑制通过PGC-1α的信号传导则会抵消这些作用。芪苈强心可减轻去氧肾上腺素诱导的新生大鼠心室肌细胞肥大，同时促进PGC-1α的表达；而PGC-1α沉默可抵消芪苈强心的抗肥大作用。

芪苈强心还促进了心肌细胞营养代谢的变化，这与PGC-1α上调后的变化密切相关。在培养的H9c2心肌细胞、梗死后和压力超负荷引起的心室重塑以及自发性高血压大鼠中，芪苈强心抑制了葡萄糖转运蛋白1 (GLUT1) 的表达，同时增强了葡萄糖转运蛋白4 (GLUT4) 的表达。葡萄糖转运蛋白表达的正常化源自PGC-1α和AMPK的上调以及心脏长链脂肪酸摄取和氧化的恢复。以上作用是PGC-1α和PPARα信号传导增强的特征。

3.芪苈强心成分对SIRT1-AMPK-1α-PPARα信号途径的影响

在慢性心脏损伤和心力衰竭中，芪苈强心的某些成分可引起SIRT1/AMPK/PGC-1α途径和自噬通量上调，并调节PPARα/PPARγ信号传导。中药中含有丰富的SIRT1、PGC-1α和RXRα激活剂，如图4。

已有研究证明，黄芪甲苷可预防异丙肾上腺素诱导的心肌肥大、脂多糖诱导的心肌细胞功能障碍和凋亡、链脲佐菌素诱导的糖尿病心肌病、以及血管紧张素II诱导的线粒体功能障碍，以上作用伴有PGC-1α和PPARα表达以及ATP生成的增加。在由腹主动脉缩窄引起的小鼠慢性心力衰竭中，黄芪甲苷保护了心室功能，并促进了脂肪酸氧化，同时增加了PPARα的表达。

丹参酮IIA已用于治疗心力衰竭患者，在实验模型中，丹参酮IIA减轻了多柔比星心脏毒性，减缓了压力超负荷诱导的心力衰竭的发展，保护了心功能，并最大限度地减少了心肌梗死后心力衰竭的氧化应激和细胞凋亡。丹参酮IIA预防心肌病的作用源自AMPK磷酸化增加、mTOR磷酸化减少和自噬通量增强，而mTOR激活可减弱该作用。丹参酮IIA还可以改善新生大鼠心肌细胞中的糖尿病心肌病和棕榈酸诱导的内质网应激；以上作用源自SIRT1上调，并因SIRT1抑制而减弱。在缺血性心肌中，新隐丹参酮通过直接与RXRα结合来上调RXRα和PPARα，进而促进线粒体生物发生、脂肪酸氧化和ATP生成。

芪苈强心中的人参皂苷对实验性慢性心力衰竭具有良好作用，主要通过SIRT1、AMPK和PGC-1α信号传导发挥作用。在压力超负荷心力衰竭模型和渗透压应激的H9C2心肌细胞中，人参皂苷Rb3可减轻心室重塑和纤维化，并发挥抗凋亡作用，以上作用源自PGC-1α、PPARα和RXRα的上调以及对脂肪酸氧化关键酶的恢复。人参皂苷Rb3可直接与RXRα结合，而与PPARα抑制剂联用时会抵消其细胞获益。人参皂苷Rg3可增强PPARα信号传导，减少氧化应激，促进线粒体自噬并缓解实验性心力衰竭。人参皂苷Rg1也具有类似作用，可缓解链脲佐菌素诱导的糖尿病心脏的肥大、氧化应激和促炎信号传导，同时上调AMPK和PGC-1α。在心肌梗死后心力衰竭中，人参皂苷Rg1减轻了左心室扩张和纤维化，并促进了线粒体自噬，而在过氧化氢处理的心肌细胞中，SIRT1抑制抵消了人参皂苷Rg1对线粒体自噬的增强作用。在异丙肾上腺素诱导的心力衰竭中，人参皂苷Rb1和人参皂苷Re可改善心脏损伤和纤维化，同时上调PPARα，并改善线粒体功能和脂肪酸氧化。

目前，关于黄芪甲苷、丹参酮IIA和人参皂苷对心脏PPARγ的影响知之甚少。然而，在未受刺激的脂肪细胞中，人参皂苷Rb1和Re可抑制炎症信号传导，促进脂联素的释放，同时增加PGC-1α和PPARγ的表达；PPARγ拮抗剂可抵消以上作用。同时，在经过罗格列酮预刺激的脂肪细胞中，人参皂苷Rg3可通过AMPK信号通路发挥PPARγ拮抗剂的作用。综上所述，这些观察结果表明，人参皂苷可能作为部分PPARγ激动剂发挥作用，即在PPARγ表达较低时刺激PPARγ，而在PPARγ激活时抑制PPARγ。许多中药可发挥部分PPARγ激动剂作用，黄芪甲苷和丹参酮IIA可在不同的实验环境下发挥PPARγ激动剂或PPARγ拮抗剂作用，这是部分激动剂的典型特征。重要的是，当PPARγ上调时（如慢性心力衰竭），部分PPARγ激动剂主要作为PPARγ拮抗剂来发挥作用，从而干扰完全PPARγ激动剂的心脏毒性。芪苈强心作为部分PPARγ激动剂的可能性仍有待探索。

杠柳次苷是一种类似洋地黄的强心苷，可抑制Na⁺-K⁺-ATP酶，但有关其在心力衰竭模型中作用的信息有限。不过，值得注意的是，已有研究证明，多种强心苷可通过AMPK依赖性机制刺激自噬。目前尚无研究探讨杠柳次苷对PPARα和PPARγ信号传导的影响，但强心苷可增加离体心肌细胞和糖尿病相关心肌病中的PPARδ信号传导和脂肪酸代谢相关酶的表达。

许多中药的关键成分是具有二萜 (C-20) 或三萜 (C-30) 结构的异戊二烯低聚物，通过营养过剩和营养剥夺途径的信号传导发挥心血管作用。芪苈强心是一种富含二萜和三萜的中成药，据QUEST试验报告显示，在心衰标准药物治疗基础上加用芪苈强心胶囊，可降低心血管死亡或因心力衰竭住院的复合风险22%（P<0.001）。

由于化学结构相似性，二萜和三萜会影响特定的紧密重叠且进化保守的细胞途径，这些途径在植物中用于细胞保护，有可能在心肌细胞中发挥类似作用。在慢性心脏损伤中，芪苈强心可改善氧化应激、适应不良性肥大、细胞凋亡以及促炎和促纤维化途径，同时增强线粒体健康和线粒体自噬，从而促进健康的葡萄糖和脂肪酸代谢以及ATP生成。芪苈强心可通过SIRT1/AMPK/PGC-1α/RXRα上调营养剥夺信号传导来实现以上作用，而SIRT1、PGC-1α或RXRα沉默会抵消芪苈强心在持续心脏应激期间的有利作用。因此，芪苈强心的研究结果加强了我们对SIRT1/AMPK/PGC-1α/RXRα途径在实验性和临床心肌病发展中重要作用的理解。

需要指出的是，芪苈强心中涉及的营养剥夺途径（即SIRT1/AMPK/PGC1α信号传导）也与SGLT2抑制剂的作用机制有关（图4），这种抑制剂同样来源于植物。芪苈强心和SGLT2抑制剂均可改善葡萄糖和脂肪酸氧化，减少氧化应激，抑制促炎和促纤维化信号传导，并增强线粒体健康和线粒体自噬。

QUEST试验中报告的获益程度和模式与SGLT2抑制剂治疗射血分数降低的心力衰竭患者的获益相似。芪苈强心和SGLT2抑制剂之间的潜在相互作用尚未经实验评估，而且SGLT2抑制剂的使用率非常低，因此也无法在QUEST试验中进行研究。鉴于两者很可能在机制上存在重叠，需要进一步的实验和临床研究来确定两者之间的相互作用。

参考文献： Milton Packer. Qiliqiangxin: a Multifaceted Holistic Treatment for Heart Failure or a Pharmacological Probe for the Identification of Cardioprotective Mechanisms? European Journal of Heart Failure. 2023 Oct 25.