迷走神经刺激在慢性心力衰竭炎症及凋亡机制中的应用研究进展
慢性心力衰竭（chronic heart failure，CHF）是一组症状和/或体征由心脏结构和/或功能异常引起的心脏临床综合征［1］。近年来，CHF的发生率和死亡率［2］呈现上升趋势。尽管药物治疗和设备治疗技术相对成熟，但对于CHF的预后和临床转归的疗效仍不够理想。迷走神经刺激（vagus nerve stimulation，VNS）是一种新型干预CHF的治疗方法，现已广泛应用于动物实验和临床试验研究，并且取得了一定的成果以及具备一定的安全性和有效性［3-8］。虽然VNS在慢性心力衰竭治疗上具有良好效应，但其治疗机制多年来仍未得到确证。因此，本文综述了心迷走神经的解剖、治疗的可能机制、VNS实用参数以及近年来有关VNS在CHF炎症和凋亡机制中的应用和最新临床进展，为后续VNS在CHF的应用提供一定的参考。
1 心迷走神经的解剖及功能
1.1 解剖
迷走神经起源于延髓的迷走神经背核和疑核［9］，心迷走神经自这两个核心发出。心迷走神经经过颈部下行进入胸腔，经过下腔静脉和肺静脉，以及左心房下部的交界处，这个交界处是心迷走神经的神经节。此外，在房室沟的脂肪垫中也存在着心迷走神经的神经节。神经节后纤维由此发出，穿过房室沟，在心内膜下分布广泛，管理着心脏神经节的活动，从而控制心率和压力反射调节［10］。
1.2 功能
在健康人群中，心迷走神经与心交感神经相互依存、相互拮抗，维持稳定的动态平衡，保障心脏的正常运行。但在病理情况下，心交感神经过度激活，心迷走神经过度抑制，导致迷走-交感神经的动态平衡被打破，进而加重心肌纤维化，甚至出现不可逆的心室重构，最终导致心功能失代偿，引发心力衰竭。迷走神经的功能包括对一氧化碳的调控，从而影响心功能及心肌收缩力［11］；VNS可以增加乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）的释放，减少氧化应激［3］，恢复心脏自主神经平衡，抑制炎症反应，减少心肌细胞损伤［4］。因此，治疗CHF可以通过抑制心交感神经的激活，兴奋心迷走神经来实现。
2 VNS治疗CHF的可能机制
随着研究的深入，有关VNS治疗CHF的可能机制相继提出，且有着一定动物实验或临床研究的支持，以下是研究中广泛认可的机制。
2.1 改善自主神经失衡
VNS的重要机制之一是改善自主神经失衡。相关研究证实，VNS可以调节自主神经状态的不平衡，从而缓解CHF症状并改善预后［5-8］。此外，VNS还可以解除心迷走神经抑制，防止心交感神经过度激活，并延缓心脏重构，从而减少危及生命的快速心律失常的风险。研究表明，在VNS应用于CHF的治疗中，去甲肾上腺素水平显著下降，证明了心迷走神经可以拮抗心交感神经，改善心脏自主神经的失衡［12］。
2.2 抑制炎症反应
炎症在CHF的发展中扮演着重要的角色。研究证实，VNS可以抑制炎症反应，具有抑制巨噬细胞活化和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）合成的潜力［13］。STAVRAKIS等［14］的研究发现，低水平的经皮VNS（low-level vagus nerve stimulation，LL-VNS）能够抑制人体的炎症反应，并且CHF患者经VNS治疗后，显著降低了心肌中的炎性因子，包括TNF-α和白介素（interleukin，IL）8等。
2.3 对一氧化氮（nitric oxide，NO）的调节
VNS通过调节NO释放来影响心脏功能。NO由内皮细胞一氧化氮合酶产生，能促进心肌舒张，调节心肌收缩力并促进冠状动脉灌注，且在调节细胞生长、程序性细胞死亡、血管舒张和抗血栓中起着重要作用［15］。ALLEN等［16］发现低电压和高频VNS可以显著改变左心室中NO的释放，从而调节心肌收缩力，降低心肌耗氧量，对心肌起到保护作用。
2.4 对心率的控制
迷走神经在心率控制中也具有重要作用。流行的理论是，通过一定的VNS降低心率，从而抑制交感神经兴奋和促炎细胞因子形成，且促进NO的形成和间隙连接蛋白在心肌内表达［17］。此外，VNS通过降低心率、延长心室舒张期的充盈时间和减少心肌耗氧量来影响心脏功能。
3 VNS治疗CHF的相关研究
3.1 VNS参数的设定
VNS是侵入性神经刺激方法，其装置由一个脉冲发生器、缠绕在迷走神经周围的螺旋状电极和一根连接导线组成。为获得良好的疗效，其常规放置于左侧迷走神经的颈部，并在此前的研究也得到证实［18］。刺激参数设置包括：传递电流、脉冲传递持续时间、脉冲间歇时间等，制造商对参数的建议是刺激强度为1.5 mA、信号频率为30 Hz、脉冲宽度为250 μs、间歇时间为12 s［19］。而在最近的一项研究中，HARCOURT-BROWN等［20］对VNS的设置进行了系统的研究，发现缓慢增加电流强度（每1~3周增加0.25 mA），刺激频率由30 Hz调整为20 Hz，不仅能获得到良好治疗效果，且有利于减少不良反应发生，但该研究并未对VNS的刺激时间进行探讨。
因此，LI等［21］对CHF大鼠进行短时间的VNS治疗（3~7 d）后发现，相较于对照组，VNS组的左心室射血分数（left ventricular ejection fraction，LVEF）、左心室舒张末期容积（left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）与左心室收缩末期容积（left ventricular end-systolic volume，LVESV）等指标得到明显改善，且心肌细胞的排列紊乱程度也得到一定改善，证实VNS有一定改善心肌重塑的功能。而在一项长时间（18个月）VNS治疗CHF的研究中，接受不同时间（6、18个月）VNS治疗的患者与对照组相比，LVEF、LVEDV与LVESV等指标同样得到改善，心肌纤维化程度及心肌重塑也得到了一定的改善；而两治疗组虽然因刺激时间延长，心功能指标及纤维化程度有所改善，但治疗疗效并未因时间的延长表现出显著的差异［22］。同样，在关于通过左颈VNS或右颈VNS治疗慢性心力衰竭患者（Autonomic Regulation Therapy via Left or Right Cervical Vagus Nerve Stimulation in Patients with Chronic Heart Failure，ANTHEM-HF）的研究中也得到相应的证实［6］。总之，VNS对心脏功能及心肌重塑有改善作用，且其治疗效果因刺激时间和刺激参数的不同而不同。但VNS刺激时间和刺激参数的设定仍是一个难题，还需要更多的临床研究验证。
3.2 VNS在CHF炎症机制中的研究
对VNS在CHF治疗中的应用进行大量研究后，随着研究的深入，VNS治疗CHF的部分机制已被揭示，尤其是在炎症机制中取得了重大突破。
2019年，ZHOU等［23］纳入了48只Dahl盐敏感（DS）大鼠并分组：LS（low salt，0.3% NaCl低盐饮食）对照组（n=12）、HS（high salt，4% NaCl高盐饮食）组（n=36）。其中HS组又分为LL-VNS组（n=18）和假刺激组（n=18）。在模型建立完成并进行短时间（4周）VNS治疗后，LS组的左心室炎性细胞浸润程度明显低于HS组，且LL-VNS组的LV炎性细胞浸润较HS组显著减少。在基因表达层面，发现IL-11、IL-18和IL-23a、分泌型磷蛋白1、骨桥蛋白在假刺激组中上调，而在LL-VNS组中下调。并且这些基因的表达与超声心动图左心室测量值（周向应变）以及收缩压之间呈正相关关系。因此，有理由认为LL-VNS通过抑制心肌促炎和促纤维化基因的表达来防止左心室功能恶化。然而，在这项研究中，尚不能确定左心室肥厚消退与炎症和纤维化减少对舒张功能障碍的影响有多大。此外，之前的研究已经表明，干扰素γ可以调节心肌肥厚而不依赖血压调节，因此，在不影响左心室肥厚的情况下，舒张功能障碍能够得到改善。这些研究共同提示左心室炎症的改善可能导致舒张功能的增强。因此，进一步探索VNS在CHF治疗的炎症机制对舒张功能障碍的改善是有必要的。
为进一步探讨炎症机制，赵利等［24］进行了有关比格犬的动物实验，分为假手术组、CHF组和LL-VNS组，在完成CHF模型建立并进行LL-VNS治疗后，发现LL-VNS组犬的N末端脑钠肽前体（N-terminal pro-B-type natriuretic peptide，NT-proBNP）、C-反应蛋白（C-reaction protein，CRP）和TNF-α水平均显著低于CHF组，而且心肌组织表现出心肌细胞排列更为整齐有序，总体上纤维增生和炎症细胞浸润也较少。此外，STAVRAKIS等［14］进行了一项临床研究，纳入52例CHF患者并进行随机分组，VNS组在接受为期3个月的治疗后，发现尽管左房室瓣流入多普勒速度与舒张早期左房室瓣环的速度之间无明显差异，但手术组在TNF-α和IL-8水平方面明显改善，有效改善了患者的整体炎症水平。总之，VNS能够降低炎性因子水平，并对心肌组织的炎症浸润和炎症后增生具有一定改善作用，有助于抑制CHF的进一步恶化，为CHF患者长期治疗的临床结局提供了基础。
除了以上有关VNS治疗CHF的炎症机制外，有研究表明CHF晚期的关键特征之一是心肌葡萄糖摄取和利用的破坏［25］。这与脂肪酸转运蛋白肉碱棕榈酰转移酶（carnitine palmitoyl transferase，CPT）1-α和葡萄糖转运蛋白（glucose transporter，GLUT）4的下调以及丙酮酸脱氢酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）4的上调相关。于是在2020年，LUO等［26］通过在大鼠左前降支冠状动脉（left anterior descending coronary artery，LAD）结扎来制备心肌梗死（myocardial infarction，MI）模型，研究结果发现，与假刺激组相比，VNS成功减轻了心脏引发的典型炎症过程，并减少了细胞凋亡。同时，伴随着VNS的治疗，心肌中磷酸化蛋白激酶水平的升高，P53和P16水平的降低，以及P65-核因子κB核转位的降低。另外，VNS还显著增加了与心肌收缩相关的心肌肌节结构基因表达，如α-肌动蛋白、肌［内］-质网Ca2+ ATPase2、心脏肌钙蛋白T和原肌球蛋白1，并改善了心肌的肌节组织。此外，在VNS治疗下，心脏中的CPT1-α和GLUT4水平降低，PDK4表达增加，并进一步发现，新的信号通路苏氨酸激酶（namely protein kinase，AKT）/转录因子FOXO 3A/血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factors，VEGF），该通路的激活增加了主要组织相容性复合物α表达、肌节组织化和腺嘌呤核苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）产生，表明该通路可能促进了受损心脏中心肌细胞表型和能量代谢的改善，最终改善心脏的心肌肌节结构和心功能，同时优化心肌细胞的肌节组织和能量代谢，减轻心肌炎症浸润程度，从而阻止心脏代偿性肥厚向失代偿性心力衰竭转变。该研究提供了一种新颖且有前景的临床策略，并说明了VNS改善心肌细胞表型是伴随代谢过程的优化［26］。
此后，SUN等［27］设计了一个特殊且具有重要意义的实用系统，即基于摩擦电纳米发电技术的闭环自供电LL-VNS系统，选择雄性SD大鼠随机分成4组：对照组、假手术组、模型组和治疗组（LL-VNS组）。此后，通过LL-VNS混合纳米发电机的闭环自供电低水平VNS系统进行治疗4周（刺激强度为5~15 La），研究结果显示，治疗组较模型组的胶原体积分数明显降低，连接蛋白43（connexin 43，Cx43）、细胞淋巴瘤2（B cell lymphoma 2，Bcl-2）基因的表达水平明显增加和Bax蛋白表达、Cx43偏侧划水平显著减弱。此外，通过测定心肌组织中TNF-α和IL-6的含量，发现治疗组的动脉血中炎性分子减少。表明LL-VNS改善了心肌纤维化，抑制了心房肌细胞的凋亡通过，并可以减少炎性因子的浸润，防止心肌细胞的进一步损伤。而且LL-VNS的刺激强度远低于VNS，这意味着治疗对器官的影响更小，导致的不良反应更少。总之，基于纳米发生器的闭环LL-VNS具有良好的抗心律失常和抗炎特性，并且能较好地提高刺激治疗的靶向性。未来，该系统将有助于推动家庭健康监护的发展，降低临床治疗成本，同时也为VNS应用于心脏炎症和凋亡研究提供了新思路与方向。
综上所述，VNS可以通过减少炎性因子的释放来改善心肌的功能，并减轻炎症对其造成的影响。近年来的研究在VNS治疗CHF的炎症机制方面取得了重要发现，并提出了实用的应用系统。因此，有必要对这一机制进行深入研究。
3.3 VNS在CHF凋亡机制中的研究
研究表明，炎症与凋亡在CHF发病机制中相互依存。近年来，VNS除了在CHF炎症机制研究中取得了一定突破外，在凋亡机制研究中也有了重要发现。
XUAN等［28］将58只雄性Wistar大鼠随机分为假手术组（SO-SS组）、假刺激组（CHF-SS组）以及刺激组（CHF-VNS组），并持续治疗3周，结果显示，CHF-SS组中非编码RNA205（MicroRNA205，MIR-205）的表达水平显著升高，而CHF-VNS组中显著降低，且MIR-205表达水平能够反应CHF的心肌凋亡水平。表明VNS治疗可能通过降低MIR-205表达水平改善心肌的凋亡，延缓CHF进程并改善预后。
除对MIR-205研究外，有研究表明，心肌细胞凋亡的调控中有意义的基因为Bcl-2与Bcl-2相关X蛋白（Bcl-2-associated X protein，Bax）。Bcl-2通过减少机体氧自由基的生成和降低细胞内Ca2+的流入来抑制细胞凋亡；而Bax通过抑制Bcl-2的表达，增加细胞内Ca2+的流入而诱导细胞凋亡［29-32］。因此，Bcl-2/Bax的比值常用来指示细胞凋亡程度。BEAUMONT等［33］对18只豚鼠进行了实验，除4只豚鼠在MI建模中死亡，剩下的14只豚鼠被随机分为刺激组（VNS-MI组）和不刺激组（MI组），同时，使用未进行手术的年龄匹配动物作为并行对照组；经过90 d的慢性、间歇性（连续循环）、低强度的左颈VNS治疗后，VNS-MI组的Bax水平较MI组明显降低，而Bcl-2的水平明显增加，而通过VNS的治疗，VNS-MI组与对照组的Bax水平和Bcl-2的水平并没有明显差异。上述结果表明，VNS能够通过降低Bax和增加Bcl-2水平来影响心肌细胞的凋亡。为更进一步证实VNS的治疗降低CHF中Bcl-2、Bax水平，张秀等［34］选择了40只健康的Wistar大鼠，并将其随机分为假手术组（SO组）、CHF组、生理性缺血组（PIT组）和迷走神经切断组（VN-CUT组），在建模后完成8周治疗；结果发现与VN-CUT组相比，CHF组的Bcl-2/Bax比值显著降低。上述结果表明，切断迷走神经后Bcl-2的表达下调，而Bax的表达上调，细胞凋亡程度增加。提示VNS能够通过降低Bax水平来影响心肌细胞的凋亡。然而，暂无研究证实VNS对心肌细胞凋亡的直接作用，需要进一步对凋亡机制进行研究。
以上研究证实了VNS确实能够在CHF的凋亡过程中发挥作用，影响心肌细胞的凋亡，为后续研究提供了方向。
3.4 VNS治疗CHF的临床研究进展
近来，VNS在CHF中的应用除在机制上取得重大突破外，在临床研究中，NEARING等［35］于2021年进行了一项ANTHEM-HF的研究，通过对CHF患者应用低强度和高强度的VNS治疗24个月，发现高强度组的内在心率恢复程度显著增加，而低强度组仅较小幅度增加，同时患者LVEF均显著改善，表明了VNS的强度不同，可能对于VNS的治疗有一定的影响。但该研究样本来源较单一且样本量较少，后续可进行大规模试验进一步验证。KONSTAM等［36］进行了一项大规模的随机临床对照试验以确定VNS对CHF患者的治疗效果，在经过几个月随访后发现：VNS治疗的患者，6 min步行试验、LVEF、生活质量均较基线水平有所改善，并且超过了联合指南指导的药物治疗的效果。此外，近期KUMAR等［37］对ANTHEM-HF研究进行改良后，同样发现经过12个月治疗后的患者美国纽约心脏病学会（New York Heart Association，NYHA）分级（P<0.000 1）、6 min步行距离（P<0.05）和生活质量（P<0.000 1）得到改善，自主神经张力和反射得到改善。由此可见，近期VNS治疗CHF在一定程度上取得了成功，对改善患者HYHA分级、6 min步行试验、LVEF、延缓心室重塑等都发挥了一定作用。
4 小结与展望
CHF是多种心脏病的终末期，发病率和死亡率较高［38］。尽管CHF已经研究了几十年，但其治疗方式及治疗手段对CHF的预后和临床转归的疗效仍不够理想。因此，本文对新型的治疗方法VNS进行综述，探讨其对于CHF治疗的相关机制，并着重描述了VNS在CHF中的炎症及凋亡机制中的应用。
在VNS治疗CHF炎症机制的探索中，ZHOU等［23］通过研究发现，在接受VNS治疗后的DS大鼠，心肌中炎性细胞和炎性因子及炎性基因的表达确有所减少。在后续研究中，赵利等［14］、STAVRAKIS等［24］在大型动物及临床上的研究均证实了VNS治疗能有效降低心力衰竭指标和炎性因子指标。LUO等［26］、SUN等［27］更深入地对VNS治疗CHF的炎症机制做出了解释，VNS通过形成ACh-m/nAChR-FOXO 3A-VEGF-A/B整合信号系统和改善Cx43的表达，促进了受损心脏中心肌细胞表型和能量代谢的改善并提高Bcl-2/Bax的比值，减轻心脏中典型炎症过程及减少炎性因子的浸润，防止炎症对心肌细胞的进一步损伤。在应对CHF引起不良损伤上，通过VNS治疗能有效改善减少心肌细胞的凋亡，XUAN等［28］发现VNS治疗通过MIR-205改善CHF引起的心肌凋亡，并且相关研究也证实了Bcl-2/Bax比值的显著下调减轻心肌细胞的凋亡与VNS治疗有着密切的关系［29-34］。上述研究对于更进一步了解VNS在治疗CHF中的应用机制有着一定帮助，为临床医生提供了新颖且有前景的临床策略，同时也为VNS应用于心脏炎症和凋亡研究提供了新思路与方向。
尽管VNS应用于CHF有了较大进展且解释了不同的治疗机制［39-40］，但也存在着一定不足。相关研究表明，选取VNS的最佳剂量和刺激参数是一大难题。干预剂量是治疗成功的基础，然而目前尚没有一个明确的衡量标准，这可能会阻碍VNS的发展。此外，大型临床试验心力衰竭的神经心脏治疗（Neural Cardiac Therapy for Heart Failure，NECTAR-HF）和ANTHEM-HF并没有取得预期的结果［32-33］，需要进一步探讨VNS治疗在CHF的机制。近年来在炎症及凋亡机制的研究领域，尽管从细胞因子、炎症通路等说明了部分机制，但该领域的研究方案仍需要完善，设置不同刺激参数梯度进行研究，阐明在代谢过程中，糖酵解和氧化磷酸化对ATP生成的相对贡献和在VNS治疗中的相关机制等。
现关于VNS治疗CHF机制除在炎症和凋亡上的研究外，针对“肠心轴”机制［41-42］的探索和治疗可能会进一步提高人们对VNS治疗CHF机制的认识，得到有希望的治疗靶点。
本文对VNS在CHF炎症及凋亡机制中的研究进行了综述，探讨了VNS在该领域的新发现，VNS可以通过减少炎性因子和相关蛋白的表达，减少凋亡相关蛋白的表达改善心肌功能，改善CHF，并讨论了VNS在CHF中抗炎和凋亡方面的作用机制及存在的不足。本文提供了关于VNS在CHF研究的新思路、新方法，提供可能的治疗靶点。然而VNS应用于CHF仍需大量研究，因此，为了更好地将VNS应用于临床，需要进一步探讨其机制。
参考文献略
最后编辑于 2024-05-23 · 浏览 753
