综述：心肌氧耗量、心肌效率与机械效率：跨越病理与生理状态的综述

《Physiological Reports》：Myocardial oxygen consumption, myocardial efficiency, and mechanical efficiency: A review across pathologic and physiologic states

　　

心肌做功与心肌氧耗量（myocardial oxygen consumption, MVO₂）紧密偶联。患者的生理状态、疾病存在与否、心率以及微血管对氧输送的调控共同维持这一关系。心肌效率（myocardial efficiency, MyoEff）由每搏功（stroke work, SW）与MVO₂的比值决定，而机械效率（mechanical efficiency, ME）则源于左心室压力-容积环（pressure-volume loop, PVL）构型，为SW与压力-容积面积（pressure-volume area, PVA）的比值。侵入性数据采集的需求限制了人体研究的可及性，但正电子发射断层显像（positron emission tomography, PET）联合超声心动图等无创工具的开发推动了该领域研究的复兴。研究人员总结当前关于MyoEff和ME作为主动脉瓣置换术后预后预测指标以及心血管健康参数的认识，强调其在改善风险分层和指导预防性干预中的潜力。

1 引言

心血管疾病（cardiovascular disease, CVD）仍是重大的全球性健康挑战，且尽管已识别出可改变的危险因素，其患病率仍在增长。为改善一级预防并指导常见疾病的治疗，亟需改进易于使用的无创参数，以提供精准化医疗并增强风险分层。压力-容积（pressure-volume, PV）分析是量化心室能量学（ventricular energetics）的基础概念，其展示了左心室压力与容积在一个心动周期中的关系。从PV环中提取的关键指标包括每搏量（stroke volume, SV）、射血分数（ejection fraction, EF）和每搏功（stroke work, SW）。PV概念允许计算SW，即PV环所包围的面积，相当于外部功或有用功；以及压力-容积面积（PVA），代表总机械能耗竭。PVA与心肌氧耗量呈线性相关，将PV环概念与多种疾病状态的重要临床洞见联系起来。本综述重点阐述心肌氧耗量（MVO₂）和心肌效率（MyoEff）的有创与无创测量方法，MyoEff定义为SW/MVO₂。MVO₂是指心肌细胞在单位时间内用于维持细胞活力和完成心脏做工的氧利用量，涵盖心肌细胞的基础代谢需求和机械收缩所需能量。本综述还探讨了机械效率（ME），这一源于左心室PV环构型的概念，等于SW与PVA的比值。ME和MyoEff反映心脏功能的两个不同方面：心脏完成SW占PVA的比例，以及SW占氧耗量的比例。虽然ME和MyoEff分别提供了泵效率和代谢效率的视角，但两者不可互换。近年来，MyoEff作为心力衰竭治疗靶点的重要指标重新受到关注。当前方法需要PET或压力-功指数（pressure-work index, PWI），后者需要侵入性导管置入。PWI基于Rooke和Feigl指标开发，该指标将做工与估计的MVO₂相关联，后者通过心率-压力乘积（rate-pressure product, RPP）近似估算。本综述评估心室能量学指标（包括MVO₂、MyoEff和ME）如何用于疾病分层和指导干预，采用无创心功能测量方法。

2 基础性工作

机械效率（ME）和心肌效率（MyoEff）已在犬类模型和众多临床研究中进行过探究。这些数据的采集需要对左心室PV指标进行有创研究，依赖受过密集培训的熟练操作者通过导管穿过主动脉瓣完成。总心肌能量消耗（MVO₂）代表一组血流动力学相关指标（如壁张力、收缩性和心率）和细胞内生化组分（包括底物代谢酶、线粒体呼吸链组分以及肌膜蛋白）的集合。早期研究中，健康男性的MyoEff约为22±2%，心力衰竭或瓣膜病患者约为21±9%，而心肌梗死后的冠状动脉疾病（coronary artery disease, CAD）患者显著降低至16±5%。

3 心脏代谢背景与临床意义

心肌细胞含有人体最高的线粒体体积，约占细胞内空间的三分之一，因此代谢紊乱成为多种心脏疾病状态的重要因素。心肌线粒体功能主要由氧化磷酸化驱动，底物包括碳水化合物、脂质、氨基酸和酮体。尽管脂肪酸是首选底物，但心肌细胞具有高度灵活的"杂食"特性，能够在生理条件变化时进行底物转换。心肌线粒体受到多种调控机制调节，包括翻译后修饰和变构调节。例如，胎儿心脏从葡萄糖依赖向脂肪酸偏好的转变由过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子（peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator, PGC）-1α和PGC-1β介导。缺氧诱导因子1（hypoxia-inducible factor 1, HIF-1）转录驱动的低氧适应通过增加电子传递链复合体IV的效率并激活丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1）编码基因，使丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase, PDH）失活，减少丙酮酸进入线粒体。丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）是底物利用的重要变构调节因子，作为肉碱棕榈酰转移酶I（carnitine palmitoyltransferase-I, CPT-I）的变构抑制剂，控制脂肪酸进入线粒体的速率。心力衰竭、肥胖和糖尿病等疾病状态中已发现心肌丙二酰辅酶A水平降低。

4 临床研究：早期研究

这些变量的研究始于75余年前，涉及侵入性技术。Bing和Hammond首次提供了人体内MVO₂和心肌效率的见解。Baxley等将该方法应用于心力衰竭和/或瓣膜病患者。Nichols等评估了三个患者群体的心肌效率：冠状动脉造影正常者、血管造影证实CAD者、以及CAD合并既往心肌梗死（myocardial infarction, MI）者，发现CAD和MI患者的MyoEff较健康患者显著下降，而单纯CAD无MI病史者与对照组相似。Sundram等在无冠状动脉疾病的心力衰竭患者中收集了侵入性心肌功能测量，使用递增剂量的多巴酚丁胺和氨力农，发现两者具有叠加效益，可在不增加氧耗的情况下改善心肌效率。

Suga提供了将心室能量学与PVA联系起来的全面框架，展示了侵入性（传导导管）和无创性（影像学）测量相比时间-张力指数或壁应力近似值的价值。

左心室PV构型与MVO₂计算的使用消除了侵入性临床研究的必要性。随着C-11乙酸盐PET的发展，联合超声心动图和PET的无创研究提供了同时计算MVO₂和MyoEff的方法。PET尤为实用，因为单次扫描即可同时量化左心室质量（left ventricular mass, LVM）、收缩末期壁应力（end-systolic wall stress, ESWS）和心肌血流量（myocardial blood flow, MBF）。该方法使用标记碳（C-11）动态计算三羧酸（tricarboxylic acid, TCA）循环通量率，其与MVO₂在动物和人体研究中均呈线性相关。Beanlands等使用侵入性导管置入验证了PET作为测量MyoEff的方法。

Vanoverschelde等比较了PET衍生的MVO₂和超声心动图测量的SW以计算MyoEff，同时使用了Rooke和Fiegl算法，仅使用血压和超声心动图衍生的SV、心率、体重和LVM即可简单计算估计MVO₂（estimated MVO₂, eMVO₂）。该研究显示PET衍生MVO₂与eMVO₂高度相关（r=0.92），但该工具未能在临床研究中得到应用。Mulligan等使用计算模型模拟后负荷和心率变化对ME和MyoEff指标的影响，发现eMVO₂值与多种干预措施下的MyoEff生理值一致，并与既往PV环研究相符。

5 临床研究：PV环研究

传导导管提供PV数据以及MVO₂测量仪器开发后，进行了多项评估ME的研究。左心室PV构型与MVO₂计算的结合为心力衰竭、经导管主动脉瓣植入和心脏再同步治疗等患者群体提供了新见解。然而，该方法的有创性限制了MyoEff的当前应用。间接参数包括心率-压力乘积（RPP）和三倍心率-压力乘积（triple rate-pressure product, TRP：SV×RPP）。

6 病理与生理状态下的心肌氧耗量、心肌效率和机械效率

6.1 慢性耐力运动后的生理变化

运动诱导的心脏重构（exercise-induced cardiac remodeling, EICR）代表心脏的一组结构和功能变化。高动态低静态成分的运动（如长跑）导致偏心性左心室重构；低动态高静态成分的运动（如举重）导致向心性左心室肥厚（left ventricular hypertrophy, LVH）；高动态高静态成分的运动（如拳击或赛艇）则表现偏心性LVH，兼具左心室腔扩张和壁增厚。除详细临床病史外，EICR可通过无创影像学（如超声心动图）与病理状态鉴别，表现为轻度、对称性LVH（壁厚<15 mm）和正常瓣膜形态。任何舒张功能障碍均应怀疑潜在病理，因为运动员心脏的左心室舒张功能是增强的。规律有氧运动增加毛细血管密度和表面积，增强血液与心肌组织间的氧交换能力。耐力训练通过增加LV质量和顺应性来增强机械效率，以增加每搏量和心输出量。经过1年强化耐力训练后，久坐个体的心脏在6-9个月马拉松样耐力训练后发生偏心性肥厚。按克心肌校正后，耐力运动员的MVO₂较低，但估计的心肌效率与未训练参与者相似，反映了长期耐力运动获得的代谢适应。

6.2 正常妊娠期间的生理变化

正常妊娠期间，心输出量增加30%-50%，主要由于每搏量增加，这对维持母婴充足灌注至关重要。心脏因容量负荷和每搏功增加而发生偏心性肥厚，左心室质量和舒张末期容积随之增加。尽管妊娠进展中舒张功能可能下降，表现为舒张松弛受损和充盈压增加，但与疾病状态相比，母体心脏指标通常在产后3-6个月恢复基线。Iacobaeus等探索了妊娠期心功能，发现尽管LV质量、心率和心输出量快速增加，心肌能量效率得以维持，证明心肌在正常妊娠期间可有效运作，包括结构变化和舒张功能障碍最显著的第三孕期。

6.3 心力衰竭

心力衰竭可分为射血分数降低型心力衰竭（heart failure with reduced ejection fraction, HFrEF，源于收缩功能障碍）和射血分数保留型心力衰竭（heart failure with preserved ejection fraction, HFpEF，与舒张功能障碍相关）。Cetin等发现HFrEF患者的ME和MyoEff均降低，但MBF得以保留。ME每降低1卡路里，心血管事件风险增加4.3倍；MyoEff每降低1%，风险增加3.3倍，表明超声心动图衍生的ME和MyoEff是HFrEF不良结局的独立预测因子。Losi等提出，HFpEF患者心肌能量平衡受损（表现为按LV质量校正后的低MyoEff）在疾病进展中起重要作用。低MyoEff有助于识别即使无传统LVH或舒张功能障碍标志物的高风险HFpEF表型，提示将关注点从血流动力学和心脏力学转向能量代谢可能是有价值的。

6.4 高血压

动脉高血压（收缩压≥130 mmHg或舒张压≥80 mmHg）与心力衰竭发展相关。高血压早期，在LVH发生前，由于每搏功和后负荷增加，每克心肌的MVO₂增加，但随着向心性重构发生、心肌重量增加而正常化。向心性LVH中心肌效率降低，每搏量下降。效率受损伴冠状动脉灌注储备降低，使左心室壁易患缺血，导致HFrEF发生。按心肌质量校正的低机械-能量效率（mechano-energetic efficiency indexed for myocardial mass, MEEi）可通过PET和计算机断层扫描（computed tomography, CT）检测高血压患者的临床前LV损害和向心力衰竭的进展。

6.5 代谢综合征

代谢综合征增加CVD发展风险。诊断需满足五项危险因素中的三项：腹型肥胖、甘油三酯升高、高密度脂蛋白（high-density lipoprotein, HDL）降低、收缩压>130 mmHg或舒张压>85 mmHg、空腹血糖>110 mg/dL（6.11 mmol/L）。

胰岛素抵抗通过破坏心脏代谢灵活性对心肌效率产生负面影响。脂肪酸氧化作为心肌三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）的正常来源，按每搏功校正时比葡萄糖氧化效率低30%-50%，需要更多氧气产生等量ATP。但在健康人群中，由于心肌糖原有限，使用葡萄糖作为ATP生产底物并不有利。ATP产生与氧耗比值在使用葡萄糖时高于脂肪酸。疾病状态下，心肌转向增加葡萄糖利用，试图通过提高氧效率来补偿机械功缺陷，直至衰竭。胰岛素抵抗降低心肌效率，并独立于高血压、血脂异常和中心性肥胖促进CVD。肥胖无CVD个体中，心脏代谢也以ATP生产和利用效率低下为特征，促进亚临床收缩功能障碍。按LV质量校正后，肥胖个体的左心室存在高水平能量浪费。心外膜脂肪组织增加可直接造成心肌结构和功能改变。

6.6 主动脉瓣狭窄

主动脉瓣狭窄（aortic stenosis, AS）中MVO₂通常因左心室压力负荷和 resultant 肥厚而增加。ME随疾病进展和LV功能障碍存在而常降低。MVO₂和ME是AS患者心功能的重要方面，可能参与从代偿性左心室肥厚向心力衰竭的过渡。代偿期AS中，每克心肌的MVO₂可能接近正常，但总MVO₂因LV质量和壁应力增加而升高。随AS严重程度增加，心脏产生每搏功的能力受损，导致心肌外部效率（myocardial external efficiency, MEE）降低。利用¹¹C-乙酸盐PET和超声心动图的研究中，不同症状阶段AS组的MVO₂保持一致，但症状性LVEF<50%患者的MEE显著降低。低流量、低梯度AS患者的MEE也受损，达到与LVEF降低者相似的水平。这些组的MEE降低主要源于无法维持外部每搏功，而非总MVO₂变化，提示即使肥厚和心力衰竭发展，线粒体氧化磷酸化仍保持完整。低线粒体能量效率（mitochondrial energetic efficiency indexed for myocardial mass, MEEi）与显著的心脏和全因死亡率相关，调整年龄、AS和高血压后仍然如此；轻度至中度AS患者的生存率低于重度AS患者，可能代表无症状AS患者中的高风险人群。

6.7 心脏淀粉样变性

心脏淀粉样变性（cardiac amyloidosis, CA）特征为淀粉样物质沉积于心肌组织，导致心肌僵硬、舒张功能障碍和限制性心肌病。最常见形式为轻链（light chain, AL）淀粉样变性和转甲状腺素蛋白（transthyretin, ATTR）淀粉样变性。累积的心脏毒性蛋白通过解偶联线粒体破坏氧化代谢。淀粉样沉积可进展至HFpEF并最终导致收缩功能障碍，损害心输出量。心脏淀粉样纤维破坏心肌结构和功能，导致MVO₂增加伴心肌外部效率降低。该研究中，侵入性（Swan-Ganz导管置入）和无创性（¹¹C-乙酸盐PET）心肌做功参数相结合，发现MEE降低与收缩性能下降和症状负担增加相关。

6.8 炎性关节病

慢性炎性关节病（包括类风湿关节炎、强直性脊柱炎和银屑病关节炎）患者常发生相关心脏疾病。Cioffi等使用超声心动图计算慢性炎性关节病患者的MEE，以分层其心血管死亡或住院风险。发现超过三分之一炎性关节病患者存在低MEE，独立于混杂变量，且较低MEE是心血管事件预后指标。这些疾病的慢性炎症被认为使能量生产从脂肪酸氧化转向有氧糖酵解。慢性炎症还增加胰岛素抵抗，更可能在低MEE的炎性关节病患者中发现。

6.9 SARS-CoV-2对心肌能量学的影响

SARS-CoV-2病毒通过导致氧供需失衡的过程改变MVO₂。这通过四种主要机制发生：交感张力增高和发热增加心率和心肌做功；冠状动脉微循环内皮损伤；血管紧张素II介导的血管收缩增加；以及急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）和微血栓所致的缺氧。同时，IL-6和TNF-α浓度升高引起的心肌损伤和炎症降低收缩效率，导致每单位每搏功的氧耗增加。这些因素造成能量低效状态，传统指标如心率-压力乘积往往低估，因为RPP不能捕捉代谢需求，也无法反映组织水平的氧输送。这一表型与脓毒症生理相似，特征为血流动力学指标与心肌氧利用分离，突显了COVID-19相关心血管功能障碍中整合性无创心肌效率测量方法的必要性。

6.10 麻醉与手术意义

证据显示MEE与瓣膜术后功能改善相关，但与广泛麻醉特异性结局（如技术/药物选择）的联系尚不明确。这为涉及MEE及相关参数的围术期未来研究提供了丰富领域。重度AS患者术前低MEE在手术和经导管主动脉瓣置换（aortic valve replacement, AVR）后改善，并预测术后功能恢复程度（如运动能力/LV性能）。AS患者的循环效率术前常降低，AVR后多数患者正常化，与能量效率追踪手术获益的观点一致。尚需进一步工作以确立MyoEff、ME和MEE与非心脏手术结局的确切关联，或麻醉技术/药物选择（吸入麻醉 vs 丙泊酚）是否能作为MEE相关围术期风险的调节因素，独立于麻醉对缺血-再灌注损伤和心肌保护的影响。

7 改善心肌功能的治疗策略

心脏活性药物（包括治疗心力衰竭的指南指导药物治疗，guideline-directed medical therapy, GDMT）常对心室能量学产生影响。针对代谢过程的干预包括钠-葡萄糖协同转运蛋白2（sodium-glucose cotransporter-2, SGLT-2）抑制剂、二甲双胍、吡格列酮和胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1, GLP-1）受体激动剂。后三者虽能减少大血管和主要不良心血管事件（major adverse cardiovascular events, MACE），但对心功能或心肌代谢无显著影响。作为GDMT支柱的SGLT-2抑制剂（如达格列净和恩格列净）具有心脏保护作用，将代谢利用从过度葡萄糖转向能量效率更高的底物，如脂肪酸、支链氨基酸和酮体。β受体阻滞剂作为GDMT另一支柱，通过降低心率、血压和收缩性减少心肌氧需求，延长冠状动脉灌注时间。美托洛尔已被证明能降低无症状AS患者的MVO₂并改善心肌效率，尽管存在β受体阻滞带来负性肌力作用的担忧。

8 结论

心肌机械效率和心肌氧效率是心血管健康的重要参数。从Bing和Hammond的初始侵入性研究到无创PET扫描的发展，MyoEff和ME的评估已显著演进。跨多种临床状况的研究证明了这些参数在理解疾病进展和预测结局中的效用。通过将这些参数整合入临床实践，医师可获得对心功能的更全面了解，并定制干预措施以改善患者结局。虽然临床重点应根据患者疾病状态量身定制，但MyoEff无创监测的未来研究应旨在提供CVD早期预警信号并实现疾病进展监测。尚需进一步工作以确立MyoEff、ME和MEE与手术结局的确切关联，或麻醉技术/药物选择是否能调节MEE相关的围术期风险，独立于麻醉对缺血-再灌注损伤和心肌保护的影响。