血紅素氧合酶－1與呼吸系統疾病＊

西安交通大學醫學院第二附屬醫院呼吸內科（西安710004） 張德信 綜述 李滿祥 審校

對于血紅素氧化酶（Hemeoxygenase，HO）的研究，最早可追溯到1968年。Tenhunen首次對其進行了描述。20世紀80年代中末期，在動物和人體的肝臟、脾臟、肺、腦和睪丸等組織中分離純化獲得HO及HO的同工酶。迄今為止，發現血紅素有三種同工酶，HO－1、HO－2、HO－3。HO－1主要的功能是分解血紅素，催化血紅素生成一氧化碳（CO）、鐵和膽綠素，具有高度可誘導性，高熱、高氧、內毒素和炎性因子等多種刺激均可誘導其表達增加，參與抗炎、抑制細胞增殖及凋亡、擴張血管等各種保護性的生理過程。鑒于其上述多種生理功能，從分子生物學到基因表達調控，再到臨床研究，特別是在呼吸系統的研究越來越廣泛深入。

1 HO－1基因調控 人類HO－1基因長度大約有14kb，定位于染色體22q12，含有4個內含子，5個外顯子。人、大鼠、小鼠和雞HO－1基因的5＇端有相應的調節元件，包括應激反應元件、缺氧誘導反應元件、熱休克反應元件和金屬調節元件等。這些調節元件位于啟動子上游的近端增強子附近，以及轉錄起始位點上游4kb和10kb處的多個遠端增強子的附近。轉錄因子與這些特殊元件結合可使HO－1基因表達。轉錄因子主要包括 Nrf2、AP－1家 族 （c－fos、c－jun和jun－B 等）、核 因 子－κB、cAMP／cGMP應答元件結合蛋白（CREB）和Ets家族等。目前研究最多的轉錄因子是Nrf2。他可以上調HO－1的基因表達，是抗氧化應激的重要轉錄調控因子。Bach1與Nrf2競爭性結合 Maf蛋白識別元件（MAREs），下調 HO－1的基因表達［1］。

2 作用機制 HO－1在體內的生物活性是通過其催化底物的代謝產物發揮作用的。其催化血紅素降解的主要產物是CO、膽紅素和鐵，它們均是重要的生 物效應分子［2］。HO－1在體內是通過這些效應分子發揮抗氧化、抗炎、抗凋亡等生理作用。

正常生理條件下，體內氧自由基的產生和清除保持平衡。這種平衡一旦因為某種致病因素而導致失衡，就可能導致自由基地蓄積，蓄積的自由基就可以通過氧化應激損傷機體。HO－1抗氧化功能主要是通過其底物的代謝產物膽紅素實現的。膽紅素的抗氧化性及抗炎作用是近幾年才被發現的，其抗氧化能力甚至超過了維生素E和維生素C［3］。作用原理首先是膽紅素分子上的白蛋白的不對稱性促使膽紅素C10上的氫轉化為活性氫原子，可與超氧陰離子等自由基結合，使氧自由基等得以清除。另外，膽紅素還可清除活性氮和來源于巨噬細胞的次氯酸，減少體內自由基的蓄積。最后，膽紅素的抗氧化性和a－維生素E有協同作用。正是通過以上途徑發揮其抗氧化能力。如HO－1源性的膽紅素可保護培養的內皮細胞、血管平滑肌細胞及心肌細胞免受過氧化氫或過氧化硝基鹽引起的細胞凋亡；HO－2源性的膽紅素可保護培養的神經細胞，對抗過氧化氫的細胞毒性。在敗血癥小鼠動物模型實驗研究中證實，快速輸入膽紅素后，可明顯降低內毒素對動物模型的損傷，降低模型動物的死亡率。流行病學證實，適當增加體內膽紅素的濃度可降低心血管疾病及結腸直腸癌的發病率［4］。

內源性CO主要來源于HO－1降解血紅素途徑。因CO影響氧的結合與釋放，曾被認為是有毒氣體。但近來研究發現，CO是繼NO之后的另一種重要的氣體信使分子，發揮重要的細胞信號轉導功能，具有調節血管張力、抑制血管平滑肌細胞增殖、抑制血小板聚集等效應。CO和NO一樣，可以通過擴散，以自分泌／旁分泌方式與自身或鄰近細胞胞漿內可溶性鳥苷酸環化酶（sGC）結合，催化產生第二信使環鳥苷酸（cGMP）發揮生理功能。多個研究表明，在HO－1抑制劑阻斷內源性HO－1／CO系統后，外源性CO能取得與誘導內源性HO－1同樣的抗凋亡、抗炎等效果，提示CO是HO－1／CO系統功能作用的主要介導者。通過抑制上皮細胞、成纖維細胞以及氣道平滑肌細胞炎癥因子，如 TNFα、IL1－β、IFN－γ的產生，發揮其抗凋亡、抗炎作用。在已知的CO信號通路中，最普遍的是調節sGC的活性，增加cGMP含量，進而抑制血管平滑肌增殖。CO激活的MAPK信號通路是抗炎、抑制細胞凋亡及細胞增殖的重要途徑，如p38、JNK1／2、ERK1／2等。不同的細胞類型，其具有不同的信號通路。最近的研究相繼發現了CO調節途徑的下游效應分子，如70－kD 熱休克蛋白（HSP－70）、PPAR－γ、Egr－1、小窩蛋白－1、Toll樣受體（TLRs）［5］。另外，CO同樣具有抗氧化的作用，作用途徑是通過CO抑制NADPH氧化酶，進而下調氧自由基的產生，發揮抗氧化及增殖的作用［6］。

3 HO－1在呼吸系統疾病中的作用 HO－1在肺組織不同細胞中均有表達，如Ⅱ型肺泡上皮細胞、肺泡巨噬細胞等，缺氧、高濃度氧、內毒素等均可誘導其表達。作為一種保護性反應，在ARDS、COPD、肺動脈高壓、哮喘等疾病時HO－1表達均增加，對于抑制疾病的發展具有重要作用。

3.1 肺動脈高壓 動物實驗證實，HO－1在肺動脈高壓的形成和發展中具有重要的作用。在HO－1轉基因小鼠的研究中發現，缺氧誘導的肺動脈高壓可被高表達的HO－1完全抑制或明顯減輕［7］。相反，在HO－1基因敲除的小鼠中，野百合堿可引起更為嚴重的肺動脈高壓及肺源性心臟病［8］。在HO－1轉基因小鼠可明顯減輕因缺氧造成的肺部炎癥、血管壁增生及肺動脈高壓的形成［9］。進一步的研究證實，在嚴重的肺動脈高壓患者中，HO－1表達水平也明顯降低［10］。目前的研究提示HO－1的作用機制在于其代謝產物CO。其作用機制：①直接調節MAPK的活性；②激活細胞漿內sGC，產生細胞內cGMP，cGMP可直接或間接通過抑制MAPK而舒張血管，抗炎，抗細胞增殖。

辛伐他汀原本是一種降血脂藥物，是HMG－CoA還原酶的抑制劑。近年來動物實驗證實辛伐他汀在治療肺動脈高壓方面有一定的作用。細胞學研究證實，應用辛伐他汀處理培養的上皮細胞可明顯提高HO－1mRNA表達水平。說明其作用機制可能是通過提高HO－1的表達，達到治療的作用。阿司匹林，同樣可以提高上皮細胞HO－1蛋白表達及活性，增強對抗自由基的能力。臨床研究證實，常規辛伐他汀治療肺動脈高壓，可以減輕肺動脈壓力及右心室質量，但這種療效多不超過1年［11］。目前，誘導HO－1表達治療PAH大多只限于動物實驗研究，對于長期HO－1的過渡表達對于機體的損害，相關研究還未見報道。

3.2 阻塞性肺疾病 氣道的炎癥反應在COPD的形成和發展過程中具有重要的作用。巨噬細胞、中性粒細胞及炎癥介質，如蛋白水解酶、活性氧以及細胞因子均參與到這一反應中。目前研究認為蛋白水解酶及抗蛋白酶的失衡，氧化劑及抗氧化劑的失衡是COPD產生的主要機制。在一項煙草提取物對于氣道平滑肌細胞作用的研究結果證實，煙草提取物能使平滑肌細胞產生更多的氧自由基，進而通過MAPK途徑激活Nrf2，促進HO－1的表達［12］。而HO－1的表達能夠抑制氣道的炎癥反應以及黏液的分泌，進而抑制肺氣腫的形成和發展。而此功能均是通過HO－1作用底物的產物CO、膽綠素的抗炎抗氧化作用實現的。越來越多的研究證實，HO－1在抑制COPD的發展中具有重要的作用。研究證實，多種氣道細胞，如泡巨噬細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞受到各種刺激后均增加HO－1的表達。刺激肺泡巨噬細胞后，能使其HO－1的表達明顯增加，進而使CO產生增加，這也是氣道內CO來源的主要途徑。體外用香煙煙霧冷凝液處理過的人巨噬細胞，其表達HO－1的能力在最初24h明顯增強，而72h后表達能力減弱，推測這一變化是由于煙霧冷凝液影響了Nrf2／Keap1與Bach1相互平衡決定的［13］。高軍麗等的研究也證明Bach1和Nrf2可能通過競爭性機制調控 HO－1的表達，影響COPD的發生和發展［14］。應用香煙提取物刺激氣道成纖維細胞，HO－1的表達呈劑量依耐性，低濃度提取物（1%～2%）可以刺激氣道成纖維細胞表達HO－1明顯增加，繼而發揮細胞保護的功能。而高濃度提取物（10%）可使氣道成纖維細胞HO－1地表達增加更加明顯，反而導致氧化應激加劇，致使細胞損傷死亡［15］。另一項研究證實，腺病毒介導的HO－1基因治療COPD，能明顯降低大鼠BALF中 TNF－α、IL－6含量，提高IL－10含量，通過調整炎性因子及趨化因子的分泌，抑制肺氣腫的形成和發展［16］。

3.3 支氣管哮喘 作為一種過敏性疾病，哮喘的病理特點為炎癥細胞和黏液在氣道內的聚集，同時又有支氣管的收縮。炎癥是這一病理過程的中心環節，氧自由基是炎癥產生的主要因素。

早在2001年，HO－1在哮喘中的作用已在大鼠的哮喘動物模型中得到證實。研究證實，在吸入HO－1作用底物的產物CO后，哮喘動物模型肺泡灌洗液中嗜酸粒細胞明顯減少，致炎因子IL－5也明顯減少，而抗炎因子IL－10增加，調節性CD4＋CD25＋比例的提高也抑制了氣道免疫反應的強度［17］。在哮喘的臨床研究中，呼出CO測定能夠判斷哮喘發作的嚴重程度。同正常非吸煙人群比較，哮喘患者，其肺泡巨噬細胞HO－1表達明顯增加，呼出CO明顯增加。另外，在哮喘患者當中，呼出CO量同峰流速呈相反的關系：呼出CO增加時，其峰流速減少，呼出CO減少時，其峰流速增加。而且，哮喘急性發作時，血液中Hb－CO含量增加，激素控制后其含量減少［18］。而另外研究結果證實，正常人和哮喘患者，呼出CO無明顯差異。而且在哮喘患者癥狀控制前后也無明顯差異［19］。

3.4 急性肺損傷 研究表明多種抗氧化酶在ALI／ARDS時表達增高，發揮重要的肺保護作用，HO－1即是其中重要一員。研究表明，HO－1／CO系統有利于細胞防御氧化損傷，減輕脂質過氧化、蛋白質及RNA／DNA氧化等損害。理論上，CO抗炎作用可以用于抑制肺損傷。實驗研究證實，用250PPM的CO預處理內毒素制備的急性肺損傷動物模型，血漿中致炎因子 TNF－α，IL－β，IL－6含量減少，動物生存期延長。最近的研究結果證實，HO－1對于急性肺損傷的保護作用是通過下調了Toll樣受體4（TLR4），進而抑制了巨噬細胞移動抑制因子（MIF）而起到保護作用的［20］。研究證實，通過氣道內滴入腺病毒介導的HO－1，可明顯增加抗炎因子IL－10的產生，抑制炎癥反應，減輕組織損傷。而HO－1作用產物膽綠素也可抑制內毒素所致的系統性炎癥反應，其作用機制是下調致炎因子的產生，同時上調了抑炎因子（如IL－10）的產生。

利用機械輔助通氣吸入高濃度的氧氣（＞95%）是治療呼吸衰竭、急性肺損傷常用的方法。但同時會使體內產生大量的氧自由基，加重細胞和器官損傷。增強HO－1蛋白的表達可以有效地抑制中性粒細胞的浸潤、死亡，減輕吸入高濃度的氧所致的肺組織損傷，延長模型動物的生存期。吸入高濃度氧對于機體損害機制在于炎癥因子產生的增加，而CO可以通過上調p38βMAPK以及其上游的細胞絲裂原活化蛋白激酶（MKK3），抑制炎癥因子的產生。在動物試驗研究中，吸入CO（250PPM）的機械輔助通氣過程中，肺泡盥洗液中TNF－β顯著減低，而抗炎因子IL－10明顯增加。肺組織提取物中p38βMAPK也明顯增加，應用p38βMAPK抑制劑后，IL－10明顯減少［21］。以上的研究結果均證實了吸入CO可保護在機械通氣導致的肺損傷。另外，HO－1基因啟動子GT堿基對重復序列影響著HO－1基因的表達，較長GT堿基對重復序列易于基因的表達，而較短的GT堿基對重復序列則不易于基因的表達。這種表達的增強不但影響著肺動脈高壓的發病率，同時也降低了急性肺損傷的發病率［22］。

3.5 特發性肺間質纖維化 特發性肺間質纖維化（IPF）臨床較為多見，沒有明確的病因及有效的治療方法。其病理特點是首先侵犯下呼吸道，造成肺泡氣體交換發生障礙。目前對于HO－1在IPF中的作用機制僅限于動物研究。博萊霉素造成的肺損傷病理特點同IPF很相似。動物研究證實，HO－1在體內的表達增加可以保護博萊霉素造成動物肺組織纖維化，這種保護作用是通過抑制上皮細胞凋亡，提高IFN－γ來實現的［23］。同樣，吸入CO同樣可以減弱博萊霉素所致的動物肺纖維化形成［24］。這種保護作用可能是通過抑制成纖維細胞增殖、膠原蛋白沉積來實現的。另外，HO－1作用底物的產物膽紅素，同樣具有抑制博萊霉素致動物肺纖維化的作用。對于石棉所致的肺纖維化，HO－1也具有保護作用。同正常人相比，矽肺患者血清中HO－1含量是增加的，而且HO－1含量同肺功能呈正相關。而另外的研究卻呈相反的結論：IPF肺泡巨噬細胞HO－1表達量較正常減少，且HO－1表達量同肺功能無任何相關性［25］，其機制尚不明確。所以對于 HO－1與IPF的關系尚需進一步的研究證實。

4 研究與展望 大量的細胞學研究及動物實驗研究證實，HO－1在呼吸系統疾病中均有保護作用。這種保護作用是通過其作用底物的產物CO、膽紅素來實現的。這種作用可以通過提高HO－1的表達或增強其活性來實現。比如利用誘導劑、轉基因的途徑提高HO－1表達。最近的研究利用干細胞聯合HO－1基因治療肺動脈高壓的動物研究已經得到證實［26］。但遺憾的是，目前應用于誘導基因表達的物質以及干細胞治療其安全性并不可靠，這也限制了在臨床的應用。雖然對于CO在呼吸系統的治療雖然動物實驗已經證實，但在臨床應用過程中，多大的吸入濃度、吸入的頻率、時間以及療程都是有待于解決的問題。

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