术后心房颤动发病机制的研究进展

廖 杰 杜以梅

1. 四川省医学科学院/四川省人民医院心内科，四川 成都 610072；2. 华中科技大学同济医学院附属协和医院心内科，湖北 武汉 430022

术后心房颤动（postoperative atrial fibrillation，POAF）为外科手术（常见于心脏瓣膜手术、心脏旁路移植术等）后一段时间内新发的心房颤动（atrial fibrillation，AF），其具体流行病学信息及疾病特征详见参考文献［1］。普遍认为，POAF是一种常见的继发性AF，可导致血流动力学不稳定及增加中风风险，从而增加患者住院时间和费用。但是，POAF作为一种自限性疾病，其远期预后往往没有受到足够重视。近期的队列研究却敲响了警钟，心脏瓣膜手术后发生POAF的患者仍然存在远期血栓栓塞风险，且与非瓣膜AF患者相似［2］；然而，此风险在进行心脏旁路移植术后罹患POAF的患者中较低［3］。拟进行心脏手术的患者常常合并高龄、高血压病、糖尿病和结构性心脏病等危险因素，这些术前因素促进并维持POAF的发生。然而，手术及其相关效应是POAF发病的直接原因。鉴于术前已存在的致AF因素已被广泛认识，本文将着重从手术及术后效应入手，结合本课题组近期的研究成果，对POAF的发病机制进行综述。

1 POAF与炎症

大量研究提示，炎症在AF发病过程中起重要的作用［4］。对于发生POAF的患者而言，手术本身就是全身炎症的重要来源；加之不可避免的心肌和心包损伤造成了术后心肌炎和心包炎。术后患者血浆炎症因子（IL-2、IL-6、CRP等）水平和白细胞（中性粒细胞、单核细胞等）数量通常增加，而且术后炎症因子释放和白细胞计数的时间轨迹与POAF高发时间段相吻合［1］。

相比于血浆炎症因子水平，心房组织炎症对于POAF的发作可能发挥更重要的作用。由于POAF患者心房标本获取困难，常常通过构建一些动物模型以进行POAF的机制研究。目前动物模型制作过程通常为：选取大动物（羊、狗）或小动物（大鼠、小鼠），对其实施心房或心包切开术，随后通常在心房表面涂抹无菌性滑石粉，引发无菌性心包炎（sterile pericarditis，SP）［5］。心房传导异质性和房颤诱发率等指标于SP术后显著增加，术后第3天尤为明显，符合临床中POAF的发病规律，此时获得的标本可以提供直接导致POAF的机制信息。本团队及其他学者均发现，在术后第3天SP模型动物的心房组织中，IL-1β、IL-6、IL-17A、TGF-β、TNF-α等促炎因子mRNA水平显著增加，同时心房组织存在大量的炎性细胞（中性粒细胞等）浸润［6-8］。此外，研究显示，心包积液和积血常见于心脏术后，与POAF发病高度相关，且外科引流可显著降低POAF发病率［9］，其中，心包积液和积血可在心包腔形成一种炎性环境，是POAF发病的重要机制。

在一系列临床研究和动物实验中，皮质类固醇、他汀类药物、秋水仙碱、多不饱和脂肪酸等的围手术期使用直接或间接产生抗炎作用，进而达到治疗或预防POAF的效果［10］。这些证据充分说明，炎症是POAF发病的一个非常重要的原因，其中心房炎症是POAF发病的中心环节（图1）。

图1 心房炎症是术后心房颤动发病的中心环节

2 POAF的发病机制

2.1 炎症与电重构

POAF作为一种继发性AF，表现为以电重构为病理生理基础的电活动紊乱。本团队制备SP大鼠模型，术后3天分离单个心房肌细胞，利用膜片钳技术发现，心房肌细胞动作电位时程（action potential duration，APD）显著延长，并伴有瞬时外向钾电流（Ito）、持续外向钾电流（Iss）及L型钙电流（ICa，L）均显著降低，而钠电流（INa）和内向整流钾电流（IK1）未发生变化，表明SP术后发生心房离子通道重构，而外向钾电流减少可能是APD延长的主要原因［11］。此外，游离心脏行Langendoff灌流，利用光学标测技术采集心房表面AP信号，发现APD也显著延长，且其在心房表面的分布异质性增加，而心房触发和折返以及房颤易感性等也明显增加［11，12］。已知心脏有效不应期（ERP）缩短和/或传导速度（CV）减慢可稳定折返，是心律失常发生的重要发病机制。既往在SP模型狗的POAF研究中发现，心房ERP缩短并且CV减慢［7，13］，免疫组化显示心房缝隙链接蛋白表达下调且分布异常［14］。然而，SP大鼠的心房ERP和CV并未发生变化［11］，这可能是种属差异及测量方法不同导致的。

恶性心律失常的发生与心脏交替（alternan）高度相关［15］。Alternan随着每一次心搏/脉冲刺激，可表现为以下3方面：（1）APD交替即APD发生长-短-长-短周期性变化，亦称为复极交替；（2）钙交替，为钙瞬变幅值发生高-低-高-低周期性变化；（3）T波交替，是复极交替在心电图上的表现形式，表现为T波的幅值和形状发生周期性变化。APD交替使心脏各区域的复极离散度显著增加，进而导致传导阻滞，最终常常形成龙卷风样传导模式，这些均是以折返为基础的心律失常的发病条件［16］。本团队给予高频电刺激，观察了SP大鼠心房电交替，发现相比于Sham大鼠，SP大鼠心房表面发生APD交替的刺激频率阈值提前，同步记录的ECG也容易出现心房T波交替，此外，SP大鼠还更容易出现不和谐的交替，有趣的是，也观察到APD交替最明显的区域，尤其是不和谐交替区域，即是AF发作时触发和折返活动的起始位点［11-12］。这些结果提示，Alternan可能是POAF发病的重要机制。

总之，在SP模型中，炎症促进了心房电重构，但是心房炎症如何参与心房电重构尚未见报道。然而，Monnerat等［17］发现，运用IL-1β孵育大鼠心室肌细胞24 h，使其APD显著延长，伴随着Ito的下调；Mitrokhin等［18］发现，使用IL-6对大鼠心脏进行灌流35 min，心房APD明显延长。以上二者均使心律失常易感性增加，直接揭示了炎症因子与电重构之间的因果关系。因此，与将APD缩短作为AF的发病机制的观点不同［19］，SP模型心房炎症因子的汇聚可能是其APD延长的直接原因。

2.2 炎症与钙稳态失衡

钙循环过程的精确调控是心脏维持正常电活动和兴奋收缩耦联的必要条件。心肌细胞膜电位去极化激活L型Ca2+通道，Ca2+内流触发SR膜上的雷诺丁受体（ryanodine receptor，RyR），使SR内储存的Ca2+大量释放，胞内Ca2+浓度（［Ca2+］i）瞬时升高；随后胞内大部分Ca2+通过SR膜上的肌浆网钙离子ATP酶（sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase，SERCA）回收至SR，少量的Ca2+经钠钙交换（Na+/Ca2+exchanger，NCX）排至胞外，［Ca2+］i随之降低。这种［Ca2+］i渐次循环变化，称为钙瞬变（Ca2+transient，CaT）［20］。钙循环主要包括Ca2+释放，Ca2+回收和Ca2+储存，在一次CaT过程中三者有序发生，共同维持心肌细胞的钙稳态。当钙稳态发生异常时，就会产生心律失常［20］。

通过运用钙离子荧光探针Rhod-2 AM对SP模型大鼠心房CaT进行标测，本团队发现，其CaT的达峰时间（time to peak）显著延长，提示RyR功能减弱；以及钙瞬变时程（Ca2+transient duration，CaD）显著延长，提示SERCA和NCX功能异常。尽管这些钙循环相关蛋白的功能受到损伤，但是SR膜上的RyR和SERCA维持着SR Ca2+释放与Ca2+回收之间的病理性钙稳态。在心率不快或脉冲刺激频率不高的情况下，心房的钙循环过程得以维继。然而，当心率加快或脉冲刺激频率变高时，SR内外的钙稳态难以维持，心房表面出现钙交替，甚至出现时空不和谐的钙交替。这种由心房钙稳态失衡诱导的钙交替，是SP模型对POAF易感性增加的重要原因［21］。此外，SP模型大鼠心房的钙稳态失衡，还可能通过诱发延迟后除极（delayed afterdepolarization，DAD），进而启动POAF，这需要后期的细胞实验加以证实。

早期研究提示，IL-6与POAF的发生密切相关。而本团队近期的一项研究探讨了IL-6在POAF发病中的机制［12］，发现与SP手术作用相似，IL-6也有明显的致心房钙稳态失衡的作用，主要表现为心房CaD延长以及钙交替易感性增加，而westernblot也发现RyR2 （Ser2808和Ser2814）的磷酸化水平增加，而PLB （Thr17）的磷酸化和SEACA活性则显著降低。给予IL-6抗体治疗则显著缓解SP大鼠的钙稳态失调，并降低AF易感性。提示IL-6介导的钙稳态失衡可作为POAF的防治靶点［12］。

需要注意的是，大量细胞实验也证实，炎症因子可导致心肌钙稳态失衡。Fernández-Sada等［22］发现，代谢综合征模型大鼠的血浆炎症因子（IL-1β、TGF-α和IL-6等）显著增加；运用该模型的血浆刺激正常心室肌细胞，可使其收缩功能及钙循环过程受损（对异丙肾上腺素的反应减弱，表现为CaT幅值降低、CaD延长、自发钙释放事件增多），提示炎症因子诱导的钙稳态失衡可能促进了与肥胖相关的恶性心律失常、心源性猝死。另外，El Khoury等［23］发现，乳大鼠心室肌细胞暴露于高浓度的IL-1β 24 h，使其ICa，L减小。De Jesus等［24］发现，动脉粥样硬化模型小鼠发生心肌梗死后，与野生小鼠相比IL-1β显著升高，而IL-1β抑制剂（阿那白滞素）的使用可改善异常的钙循环过程，缓解APD交替和钙交替，从而使其自发性及诱导性心律失常发生率降低。

综上所述，SP模型心房的钙稳态失衡可能是炎症反应的结果。Heijman等［25］对POAF的发病机制进行了研究，在患者进行心脏外科手术的过程中获取心房标本，紧接着随访这些患者POAF的发病情况。他们发现，NLRP3炎症小体活化和钙稳态失衡构成了POAF的发病基础。其中，NLRP3炎症小体活化，刺激心房肌细胞释放IL-1β；IL-1β急性刺激心房肌细胞，不但促进NLRP3炎症小体的活化，而且通过CaMKII途径使RyR高度磷酸化，加重钙稳态失衡，诱发DAD，促进POAF发作。尽管标本不是在AF高发时获取，这些结果也足以说明，心房炎症通过引起钙循环异常，促进POAF的发病。

2.3 炎症与心房纤维化

心房纤维化是AF发病并逐渐进展为持续性AF的主要驱动因素。本团队的前期研究发现，SP模型心房存在明显的纤维化，并且心房炎症可加快纤维化进程。其中，IL-6促进心房成纤维细胞STAT3磷酸化和miR-21表达［26］，进一步加重心房炎症和纤维化，IL-6的致纤维化作用也在一种POAF动物模型（模拟非体外循环冠状动脉搭桥手术过程）中得到了验证［27］，这说明IL-6参与了POAF的发病过程；IL-17A单克隆抗体通过中和心房分泌过多的IL-17A，降低IL-1β、IL-6和TGF-β等炎性因子的表达，减少I型胶原蛋白、III型胶原蛋白和α-SMA的分泌，上调基质金属蛋白酶2/9（MMP2/9）的含量，继而逆转了心房纤维化和房颤诱发率［6］。秋水仙碱通过抑制心房纤维细胞中IL-1β/IL-6分泌轴及相关的炎症反应和纤维化水平，缓解POAF的发病［28］。TRPV4的过度活化可促进TGF-β诱导心房纤维细胞分化，进而加重纤维化；激活TRPV4亦可直接通过活化P38、Akt和STAT3等炎症信号通路，参与心房纤维细胞分化［11］。综上所述，炎症因子可通过促进心房炎症及与之相关的纤维化，进而参与POAF的发病。

2.4 炎症与氧化应激

在AF的发病过程中，活性氧（ROS）及活性氮（RNS）产生增多，其作用靶点包括氧化还原敏感性蛋白（CaMKII、KV1.5、L型钙通道等），而这些蛋白经氧化还原修饰后，直接参与AF进展过程中的电重构和钙稳态失衡［29-30］。在体外细胞AF模型中，在HL-1（心房肌细胞来源的细胞系）中过表达血红素氧合酶-1（heme oxygenase-1，HO-1），可缓解快速起搏引起的氧化应激、心肌损伤和ICa，L下调；HO-1在心房纤维细胞中的过表达，可减轻TGF-β诱导的胶原蛋白合成增加。因此，HO-1作为一种抗氧化酶，可能发挥对抗AF发生发展的作用［31］。McCauley等［32］在肥胖小鼠模型中发现，心房存在强烈的氧化应激反应，主要表现为线粒体ROS产生增多和NOX2表达增加；而抗氧化剂（MitoTEMPO）可改善该模型心房肌细胞INa、ICa，L、超快速延迟整流钾电流（IKur）和APD的异常变化，逆转心房纤维化，进而缓解了房颤易感性。此外，在依鲁替尼诱导的房颤模型中，同样存在心房NOX2、NOX4、p22-phox等ROS相关蛋白增加，提示氧化应激反应增强；NOX抑制剂（apocynin）不仅减轻心房纤维化，还通过减少ox-CaMKII和p-CaMKII的表达而缓解RyR的活化，改善钙稳态失衡，进而达到治疗房颤的效果［33］。因此，氧化应激参与了各种原因引起AF的病理生理过程。

文献报道，氧化应激与POAF的关系密切，如Anderson等［34］发现，心房中单胺氧化酶的活性与POAF的发生显著相关。Reilly等［35］报道，在发生POAF患者的心房标本中，NADPH氧化酶活性增加，伴随着NOX2和p22phox表达增多；而在持续性AF患者中，一氧化氮合酶活性和线粒体氧化酶活性增加；阿托伐他汀通过降低NOX2-NADPH氧化酶活力，对POAF产生预防效果，但是因为不影响一氧化氮合酶活性而对持续性AF无效，对于此差异作者考虑，NADPH氧化酶活性在心脏术后罹患POAF的患者中的变化是一过性的。

在POAF的机制研究中，炎症与氧化应激的相互关系尚未直接阐明。但近期的细胞实验提供了证据，TNF-α引起心房肌细胞自发性钙释放增加，可能会促进急性炎症相关AF的发生，其潜在机制是，TNF-α诱导ROS产生，使CaMKII氧化和RyR磷酸化；二硫代苏糖醇，作为一种ROS抑制剂，则逆转了TNF-α诱导的钙调控紊乱［36］。Rudolph等［37］在动物AF模型及AF患者中发现，心房髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）聚集及与之相关的纤维化，参与了AF的致病过程。本团队发现，MPO在SP模型心房中亦显著增加，而且MPO作为一种炎症产物，与氧化应激密切相关。因此，心房炎症可能通过加重氧化应激促发POAF，但需要更多的研究加以证实。

2.5 炎症与自主神经激活

心脏交感激活，通常表现为心率加快、兴奋性和自主节律性增加，在AF的发生和维持中发挥关键作用［38］。文献表明，心脏手术后的交感激活参与了POAF的发病。而且，血浆中儿茶酚胺增多是POAF发病的独立危险因素［39］。β受体阻滞剂的围手术期使用，通过抑制手术诱导的交感激活，能有效降低POAF发病率。近期Michael等［40］发现，在一种犬的POAF模型中，通过对犬的心脏神经节丛注射纳米钙，诱导神经元凋亡而破坏自主神经功能，进而对抗术后交感兴奋，最终抑制了POAF发作。

在发生POAF的患者中，发生交感激活的同时，伴有迷走神经张力异常。Stavrakis等［41］发现，对接受心脏手术的患者进行低水平迷走神经刺激，显著降低POAF发生率，亦降低术后血浆TNF-α和IL-6水平。Andreas等［42］也发现低水平经皮耳大神经刺激，也能达到治疗POAF的效果，但是CRP和IL-6在神经刺激后并没有变化。因此，迷走神经刺激可改善与POAF高度相关的术后炎症反应，这一观点尚有争议。

至今，手术引起的心房炎症反应与自主神经激活之间是否存在关联，尚未明确。尽管手术引起的交感激活与心脏术后患者的新发AF密切相关，但是术后交感兴奋通常是一过性的，这对POAF患者的远期不良预后可能影响甚微。

3 结语和展望

POAF常常带来不良后果，可能导致血流动力学不稳定及增加中风风险，尤其远期血栓栓塞风险仍然较大。因此，不能简单地将POAF视为一种自限性疾病。其中，手术损伤导致的心房炎症及心包炎，以及与其相关的电重构、钙稳态失衡、纤维化和/或氧化应激，可能在POAF发作及远期AF复发的整个过程中发挥关键性作用。为了改善近期及远期预后，术前预防性抗炎治疗是一种有效的手段，甚至有必要延长术后治疗时间。因此，选用副作用较小的药物，如他汀类药物，既能达到抗炎效果而改善POAF的预后，又能防治心血管疾病。

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