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2024非心脏手术中循环心肌肌钙蛋白升高的病理生理学机制全世界每年进行超过3亿例的外科手术，而20%-40%的患者可在非心脏手术后出现循环心肌肌钙蛋白(cardiactroponin,cTn)的升高。cTn升高与非心脏手术后并发症及死亡率的增加有关。然而，越来越多的证据表明术后CTn升高不一定是由心肌缺血所引起其潜在的机制尚不清楚。2023年12月底，BJA杂志刊发了来自瑞士日内瓦大学医院麻醉科的一篇综述，旨在探讨围手术期可能导致非心脏手术后循环CTn急性升高的具体机制，从而将有助于实施个体化的围手术期心脏保护策略。刖音围手术期死亡是全球第三大死亡原因，其中大部分死亡是由术后并发症引起的。非心脏手术后的心肌损伤与死亡率过高密切相关。cTn浓度高于正常参考上限(UPPerreferencelimit,URL)第99百分位可确定为心肌损伤。在缺乏明确的缺血标准的情况下，通过连续测量cTn浓度的增加可以识别急性心肌损伤。最初是为了规范急性冠脉综合征患者的诊断和风险分层而提出了这些概念，但其并不能反映围手术期事件的复杂性。本综述的目的是探讨围手术期可能导致非心脏手术后循环cTn急性升高的具体机制。正文1围手术期肌钙蛋白升高的局限性对于围手术期CTn的病理阈值，目前尚无一致的定义。最近的一荟萃分析汇总了139项研究（530867名患者）的数据，报告了6%-73%的非心脏手术后患者CTn有一定程度的升高，发生率差异取决于研究人群、肌钙蛋白测定方法或使用的截断值。2023年欧洲麻醉和重症医学会关于围手术期心脏生物标志物使用的指南强调，CTn浓度升高（术前、术后或两者）与不良结局风险术后非心脏并发症增加有关。然而，不同设计的研究选择在不同时间点、使用不同的测量工具进行测量，其证据质量亦不同。尚缺乏在同一队列中慢性、急性和慢性急性加重CTn升高的直接比较。最近的两项前瞻性研究显示，在术前CTn已升高基础上急性升高的患者比CTn慢性升高但围手术期无进一步急性升高的患者有更高的死亡和心脏事件风险。详细了解CTn释放的细胞机制对于了解急性、慢性或慢性急性加重的CTn升高是否存在不同的机制，以及具体到围手术期的管理策略是至关重要的。2明显良性情况下的肌钙蛋白升高循环CTn的急性升高并不总是损伤的信号，可出现在健康人群中。例如，一由24名健康活泼的儿童（平均年龄10.7±1.6岁）组成的足球队进行非竞争性足球比赛，在静息状态下，没有一名儿童的CTn值超过检测URL第99百分位，但在比赛后3小时,17/21（71%）的儿童cTn值超过了急性心肌损伤阈值。另一项研究中，27/95（28%）的年轻健康受试者在接受较小的择期骨科手术后CTn较术前急性增加20%,但并无术后并发症。这些数据表明，CTn的急性变化可能是反映应激的生理反应的一部分，而不是致病和死亡的病理过程。3心肌肌钙蛋白测定的分析特征:我们测量的是什么？心肌肌钙蛋白I(CTm)和T(CTnT)是调节心肌细胞收缩和舒张的细胞内蛋白。CTnI是一种约29kDa的蛋白,可抑制肌动球蛋白ATP酶的活性，而CTnT是一种约37kDa的蛋白，可与原肌球蛋白结合,帮助稳定收缩装置。CTnI和CTnT由不同的基因编码,具有特定的心脏亚型，与它们的骨骼肌对应物仅具有40-60%的同源性所以是心肌损伤敏感的生物标志物。CTn的检测通常通过免疫分析进行，其中抗体与CTn结构上的特定表位(氨基酸序列)结合，并通过酶联反应产生可定量的信号。目前的高灵敏度(highsensitivity,hs)检测显示出大幅改善的分析性能，导致较低的99%URL和高精确度。离体心肌细胞的实验显示，估计仅40mg心肌的坏死即可达到hscTn检测的参考上限的第99百分位，而这一数量太小，无法通过无创成像技术检测到。参考上限的第99百分位因不同检测方法而不同，并受种族、年龄、性别和合并症的影响。因此,各研究CTn的正常值和高值亦出现差异。临床可用的检测中使用的抗体大多选自CTn分子中的中心区域，具有心脏特异性，并在循环中稳定存在(耐蛋白酶解)。4循环心肌肌钙蛋白以独特的分子形式存在"经典/自发性急性心肌梗死(acutemyocardialinfarction,AMI)后,缺血后数小时内循环中即可检测到cTn循环CTn包括多种分子形式。缺血/再灌注后早期检测到的最常见形式为CTnT-I或T-I-C大的共价复合物,其次为游离的完整蛋白、大的CTn片段和小的CTn片段(图1a)。研究表明，大量cTn在从心肌释放之前发生酶解，并产生片段。在无急性冠状动脉事件的情况下,慢性肾衰竭患者的循环CTn浓度慢性升高（称为慢性心肌损伤），其血液中仅检测到18kDa的小CTnT片段（图1b）。健康的马拉松运动员CTnT浓度也可升高，仅由小的大小为14-18kDa的片段组成。这些研究尚未探索与CTn释放相关的具体分子事件，但他们认为，在无缺血的情况下，循环中只有小的CTn片段。相反，在缺血时（如自发性AMI）z可在心肌细胞外检测到CTn的复合物和完整分子。市售的方法可检测所有形式的cTn,只要它们含有由试验抗体检测的表位（图1c）。国际临床化学联合会（IntematiOnalFederationOfCIinicaIChemistry,IFCC）承认，商用的检测方法无法区分不同的分子形式,无法检测片段的大小及确定片段与梗死面积之间的关系。因此在用于鉴别cTn升高的病因方面受到限制。在最近的一项研究中，Airaksinen和他的同事提出了用三种不同的抗cTn抗体的时间分辨免疫分析法,用长中心形式（包括完整和轻微分解的CTnT）和总CTnT池之间的比值表示。这种新的检测方法被用于测量一小批慢性肾衰竭、非ST段抬高型心肌梗死（NSTEMI）和ST段抬高型心肌梗死（STEMI）患者的稳态CTn浓度。新的生物标志物能够区分肾衰竭和NSTEMI,尽管与市售hs-cTnT测定的cTn浓度没有差异。在延迟到急诊科就诊的NSTEMl或STEMI患者中,长中心形式与总"cTnT的比值更小这表明这种新的生物标志物可能能够捕捉缺血后的cTn片段。图1循环心肌肌钙蛋白（CTrI）的分子形式5细胞外肌钙蛋白在炎症和信号传导中的作用循环中CTn的存在使通常封闭的抗原暴露于免疫系统，从而触发免疫反应。约10%的AMI后患者循环中存在抗cTnl的自身抗体。在高达60%的炎症性心肌病患者中发现了心脏特异性自身抗体。在临床前模型中，针对CTnI或其他心脏抗原的自身抗体被发现可穿透心肌,并具有直接致病作用，可诱导心肌炎症、凋亡、纤维化和心力衰竭。AMI后抗CTnI抗体的存在与功能恢复不足和左室射血分数降低有关。细胞外CTn也可能具有直接的信号传导作用。在大鼠左冠状动脉结扎前静脉注射CTnI会增加梗死面积，机制可能是通过促进内皮的炎症反应。这些实验数据表明，细胞外CTn衍生肽将心肌细胞应激信号传递给其他器官。6肌钙蛋白释放中涉及的分子事件6.1 细胞死亡途径在死亡的心肌细胞中，细胞膜完整性的丧失导致循环CTn的出现。目前，细胞死亡的机制有10多条不同的相互关联的信号转导通路，可分为意外和调节性细胞死亡。细胞死亡的共同终点是不可逆的质膜通透性增加或完全碎裂。长期缺血后的坏死表现为心肌细胞肿胀、质膜破裂、CTn及其它可触发免疫应答的细胞内成分的释放。在较短时间的缺血后是否发生坏死性细胞死亡是值得商榷的。多个研究显示，短暂实验性缺血可导致循环CTn升高，但没有心肌坏死的免疫组化证据，形态学征象也明显不存在。外源性凋亡是一种受调控的细胞死亡形式，由细胞外微环境的失衡引发，caspase-8扩散,并由caspase-3.-6和-7促进。围术期表达的促炎细胞因子TNF-a与表面死亡受体的结合会引发细胞凋亡。在免疫细胞或周围细胞对凋亡小体的吞噬和降解能够清除碎片之前，膜完整性得到保持,从而限制了坏死过程中与细胞内成分大规模释放相关的炎性反应。因此，要使细胞凋亡本身导致CTn在循环中渗漏，还必须有一个额外的机制。一种假设是，凋亡转变为坏死，坏死的分子途径与凋亡共存，从而导致肌膜破裂和对CTn通透性的增加（继发性坏死）。另一种是，半胱氨酸蛋白酶的激活会导致其他蛋白酶的激活，进而降解细胞内的CTn,产生可以穿过细胞膜的小片段。在某些条件下，凋亡小体也可能在清除之前分解并排出其成分。6.2 非细胞死亡途径细胞内肽穿过完整磷脂膜的能力取决于多种因素，包括肽的大小、形状和亲脂性,但在分子量超过1kDa时会急剧下降。对于循环中CTnI（29kDa）和CTnT（37kDa）的临床检验，在心肌细胞水平上可能发生下列至少一种情况:细胞内蛋白水解,产生1kDa的CTn片段,其可以容易地穿过完整的膜；（2）在没有细胞死亡的情况下，肌膜的通透性增加；（3）通过特定通道或细胞外囊泡的形成向细胞外进行可控的分泌。6.2.1 蛋白水解蛋白酶可将蛋白质水解成较小的肽。钙蛋白酶是一个钙依赖性半胱氨酸蛋白酶家族,在生理条件、实验性缺血再灌注损伤、机械压力，和快速起搏条件下降解CTn（图2）。小分子CTn的降解产物能够穿过肌膜并在循环中被检测到。尽管炎症可以强烈激活钙蛋白酶的活性，但围术期炎症是否增加CTn水解尚不清楚。Inflammation Rapid pacing Mechanical stresscTn fragments图2心肌肌钙蛋白（CTn）的细胞内蛋白水解6.2.2 连接蛋白缝隙连接通道由两个连接蛋白（跨膜蛋白家族）组成的半通道对接形成。连接蛋白43（Cx43）是心脏中最丰富的形式。生理状态下，Cx43半通道处于关闭状态，而缝隙连接通道大多处于开放状态。在缺血急性期，C×43半通道非控制性的开放通过允许ATP的排出、细胞内钙、钠离子的变化以及最终的细胞肿胀和质膜破裂而参与缺血再灌注损伤的产生和进展（图3）。缺血后，Cx43表达减少并从闰盘重新分布到侧膜，可导致缺血后的心律失常。细胞因子（如：TNF-a）改变离体心肌细胞Cx43的表达和膜定位。在股骨骨折的小鼠和猪中，循环CTn的存在与心室肌细胞C×43定位的变化有关，但其分子联系尚不清楚。在缺血再灌注情况下，C×43的表达、分布和活性的改变可能会导致非心脏手术后心肌细胞的损伤。在细胞膜完整的情况下，心肌细胞侧膜上的活化Cx43半通道可为小CTn片段离开心肌细胞提供直接通道。图3连接蛋白43细胞外囊泡(extracellularvesicleszEVs)是由脂质双分子层包围的、含有多种细胞内物质的结构。EVS包括三种亚型:外泌体(50-20Onm)、微囊泡(100-100onm)和凋亡小体(IoO-5000nm)0心肌细胞以含有线粒体和肌节碎片的EVs形式分泌细胞内物质(图4)。在体内儿茶酚胺增多和心肌梗死后，EVs数量增加。尽管这些研究未对EVs的CTn含量进行详细检查,但表明CTn可以通过一种无肌膜损伤的协调转运机制离开心肌细胞。图4细胞外囊泡7心肌缺血触发围手术期心肌肌钙蛋白的释放7.1 未控制的冠心病和1型心肌梗死心肌缺血尚没有统一的定义，但通常是指由于心肌氧供(灌注)和需求失衡而导致的心脏供血不足的病理状态。尽管冠脉疾病史是术后心肌梗死的危险因素，但60%-80%术后CTn升高的患者术前无冠状动脉疾病史。急性心肌缺血的临床标准是根据第四版心肌梗死定义，是诊断心肌梗死所必需的（如胸痛、新的缺血性心电图改变或与缺血性病因一致的新发存活心肌丢失的影像学证据），但仅在20-30%的术后CTn升高的患者中出现。80%-90%的围术期心肌损伤患者并没有缺血症状，仅14%的术后心肌梗死患者存在胸痛，约1/3的患者没有明确提示缺血的心电图改变。1型心肌梗死仅见于15%-25%的术后心肌梗死患者。在OPTIMUS研究中,93%的围术期心肌梗死患者出现心肌梗死溶栓试验（TlMI）血流分级3级（即心外膜冠脉血流未受限），仅13%的梗死患者发现病变血栓。近40%的梗死患者无冠状动脉粥样硬化的证据。尽管尚未在CTn升高但不符合梗死标准的患者队列中系统地进行冠状动脉造影,但阻塞性冠脉疾病（即心外膜冠状动脉存在50%的狭窄）在围术期心肌损伤的病理生理中起主要作用的可能不大。7.2 围手术期血流动力学另一种假说认为，术后CTn升高是由于在无急性冠脉闭塞的情况下，氧供需失衡导致的整体心肌缺血。几项观察性研究显示心肌损伤与可导致心肌氧供需不匹配的事件有关，包括低血压、贫血、心动过速和高血压。7.2.1 低血压低血压引起心肌缺血的主要机制是通过降低冠脉灌注压，使其低于冠脉肌源性压力-流量自身调节的水平（图5）。冠脉自身调节通过改变微血管阻力，确保冠脉在广泛的驱动压力范围内维持血液流动，从而保持保证心肌灌注。在动物实验中，当灌注压降至60mmHg以下时，冠脉血流量减少。正常左心室舒张压为IommHg,舒张压低于70mmHg理论上将导致压力依赖性的心肌氧输送减少，从而导致心肌缺血的风险。研究显示,冠脉自身调节曲线的下拐点（即冠脉血流显著降低时的压力值）会随多种条件而变化。清醒犬（无全身麻醉对自主神经系统的影响）似乎更能抵抗压力的变化,因为只有在灌注压力降至40mmHg以下时,冠脉血流才会减少。心动过速或主动脉缩窄导致心脏做功增加，使拐点向右上方移动，这意味着当心肌耗氧量增加时，冠脉血流可在高灌注压下减少。然而，要使冠脉血流减少导致心肌缺血，心肌耗氧量必须保持在相对较高的程度以发生所谓的氧不匹配。实验显示,由于心肌灌注-收缩匹配，局部心内膜下血流与收缩力之间呈近似线，性关系，收缩力随着氧供的减少而降低并保持在低水平。此外，低血压时左心室后负荷较低，心肌耗氧量可减少。因此/氐血压本身不太可能导致缺血。最近两项RCT研究支持这一结论，但其未能证明减少围术期低血压暴露会导致较少的心肌损伤。图5围术期低血压状态下的代偿机制及心肌供氧与耗氧的关系在犬的实验中，外源性冠脉狭窄合并强烈、长时间的起搏诱发心动过速（150次min,持续4h）,可导致心内膜下心肌坏死和冠脉血流量减少；而短时间（1小时）不会导致坏死。另一犬模型中，外源性冠脉狭窄时，起搏诱导的心动过速可导致冠脉血流量减少、远端冠脉血管阻力增加和心内膜下血流量减少。然而，在无冠脉狭窄的情况下，类似程度的心动过速并未导致心肌缺血，而是导致冠脉血流量增加、冠脉阻力降低以及所有心肌层的冠脉血流量均匀增加。因此，实验证据似乎并不支持心动过速本身（即无冠状动脉狭窄）引起缺血的概念。在一项针对19名稳定型心绞痛患者的临床研究中，心房起搏可导致CTn升高，而与心肌缺血的发生无关（通过冠状窦乳酸盐浓度评估）。该研究表明在没有阻塞性冠状动脉疾病和心肌缺血的生化证据的情况下，循环中可以存在CTnoCTn的释放是在长期或严重低血压、心动过速或两者都存在下，代偿机制（包括灌注-收缩匹配）的失代偿，甚至在冠脉血流受限的情况下也是如此。8围术期心肌肌钙蛋白释放的系宛区动因素8.1 炎症手术导致直接的组织损伤和细胞内成分释放到循环中，包括引发炎症反应的危险相关分子模式（dangerassociatedmolecularpatterns,DAMPs）o免疫细胞表面的toll样受体（TLR）等模式识别受体识别DAMPs并触发一系列细胞内信号通路，导致细胞因子的产生，进一步放大免疫反应，刺激白细胞迁移和活化。在两研究中，反映全身炎症的术前中性粒细胞/淋巴细胞比值与术后心肌梗死和非心脏手术后MACE的风险增加相关。术前presepsin,C反应蛋白，和炎性细胞因子升高也与术后心脏事件或术后早期心肌梗死的风险增加有关。围术期炎症可能对心肌细胞有直接的损伤作用，从而导致CTn释放。心肌细胞暴露于脓毒症血清或细胞因子会导致CTn和其他收缩蛋白、线粒体和细胞膜的结构损伤。离体心肌细胞暴露于TNF-a会导致细胞凋亡。用DAMPs培养心肌细胞会导致CTn释放并降低细胞活力。在离体心肌细胞中刺激TLRs可增加NF-KB的表达和细胞因子的产生并导致收缩力下降。这些研究支持以下假设:非心脏组织损伤和全身性炎症可在无免疫细胞浸润和独立于缺血的情况下，通过DAMPs或细胞因子的直接作用，直接诱导心肌细胞损伤。然而，炎症反应在术后恢复和预防感染中起重要作用，炎症途径的非特异性治疗存在风险，不可能惠及所有患者。8.2 升高的前负荷和舒张期室壁应力心力衰竭患者的观察性研究表明，充盈压升高（前负荷的一种标志）与非缺血性CTn的释放相关。在围手术期液体治疗是前负荷的主要决定因素。一项单中心回顾性研究中，术中液体正平衡量2L与心血管并发症的复合结局相关。研究显示，在无缺氧情况下，物理机械拉伸可致心肌损伤。经受高张力的离体乳头肌存在结构损伤（肌节长度和细胞数量减少）和凋亡性心肌细胞死亡。与正常前负荷（WmmHg）下的心脏相比,高前负荷下（25mmHg）的离体心脏具有更高的碎裂心肌CTnI浓度,表明存在心肌内CTn的降解。8.3 升高的后负荷和收缩期室壁应力主动脉、肺动脉收缩压分别是左、右心室后负荷的主要决定因素。在VISION研究的二次分析中,术中最大收缩压16OmmHg与术后心肌缺血和心肌梗死有关。肺栓塞可导致肺动脉高压和右心室后负荷增加。在一项前瞻性队列研究中，术后发生心肌梗死的患者中肺栓塞的发生率为33%,而未发生心梗的患者肺栓塞的发生率为20%后负荷是心肌耗氧量的关键决定因素。因此，高后负荷可通过需求量性缺血诱导CTn释放。此外，肺栓塞与低氧血症和全身性低血压有关，这会导致心肌氧供减少。后负荷可通过一种与缺血无关的机械应力机制导致CTn释放。动物研究中，静脉输注去氧肾上腺素60分钟，后负荷和前负荷升高，但心肌血流未显示缺血迹象。但在停止去氧肾上腺素输注的30min内循环CTnI浓度增加了20倍，并在24h内保持升高。8.4 围手术期儿茶酚胺暴露循环儿茶酚胺浓度会在围手术期增加，部分是由于外源性给药。研究显示，术后发生心肌梗死的患者术后血浆肾上腺素和去甲肾上腺素浓度更高。儿茶酚胺通过作用于全身血管和心脏的肾上腺素能受体，增加心肌耗氧量,导致围手术期心肌缺血。然而，在实验犬中，将循环儿茶酚胺升高至手术患者中报告的浓度，会降低冠脉阻力，增加冠脉血流量，从而促进冠脉灌注-收缩匹配。儿茶酚胺也直接刺激血小板聚集,从而可能导致冠脉（微）血栓形成和心肌缺血。最后，儿茶酚胺通过介导细胞内钙超载和氧化应激导致肌原纤维损伤、线粒体和肌浆肿胀，发挥直接心脏毒性作用。围手术期循环microRNA的变化提示儿茶酚胺在心肌损伤中的作用。据生物信息学分析显示，与肾上腺素能应激和钙信号传导相关的microRNA通路可在术后激活，表明术后心肌损伤是在缺乏可以减轻钙超载和生物损伤的心脏保护机制的情况下发生的。8.5 副交感神经功能障碍自主神经系统是机体应对损伤和应激反应的重要组成部分。副交感神经功能失调是高龄和慢性心血管合并症的一个关键特征。心脏自主神经功能障碍在非心脏手术后心肌损伤高风险人群中很常见。在18名训练有素的运动员中,运动诱导的CTnI和肌酸激酶升高与心率变异性衍生的副交感神经应激标志物相关。一研究显示，术前心肺运动试验（心脏迷走神经功能障碍的标志物）量化的心率恢复情况与术后心肌损伤风险有关。此外，术后心肌损伤的患者在术后24小时心脏迷走神经活性下降。从机制上讲，心脏自主神经功能障碍可通过影响冠状动脉微血管张力、与压力反射功能障碍相关的全身血流动力学衰竭、心率升高、调节炎症和免疫系统导致术后心肌损伤。结论围手术期多种事件可引发心肌损伤。循环CTn并不总是提示心肌细胞死亡。目前仍未明确分子事件与非心脏手术后循环CTn之间的因果关系。尽管目前的检测方法对心肌损伤具有高度特异性，但无法区分CTn释放的不同细胞机制。使用对不同分子形式具有选择性的生物标志物对CTn升高进行基于病理学的分类可能有助于阐明围手术期心肌损伤的病因，并有助于促进个性化的围手术期心脏保护。