血紅素加氧酶1在阿爾茨海默病中的神經保護作用研究進展

王玉敏(綜述)，王洪權(審校)

(赤峰學院醫學院 赤峰學院附屬醫院 1腫瘤內科， 2神經內五科，內蒙古 赤峰 024005)

氧化應激損傷在阿爾茨海默病(alzheimer′s disease,AD)的發病機制和進展中發揮著重要的作用。AD發病機制的“Aβ學說”認為AD患者腦中存在廣泛的氧化應激損傷，β淀粉狀蛋白(Aβ)在特定腦區的聚集，介導氧化應激損傷在AD的發生和進展中發揮主要的作用。Aβ可以在體內和體外誘導氧化應激，而氧化應激可以增加Aβ的產生和聚集。最近研究顯示，氧化應激促進Aβ的產生和聚集，反過來Aβ又誘導氧化應激，進而增加Aβ的產生，如此在氧化應激與Aβ之間形成惡性循環，促進AD的發生[1]。鑒于氧化應激在AD中的重要作用，針對抗氧化應激的治療策略對AD的發生和發展是有效的治療途徑。

1 腦內的氧化還原反應穩態

在生理條件下，細胞通過活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的產生和清除來維持氧化還原穩態。內源性和外源性途徑參與細胞內ROS產生。細胞進化出酶性和非酶性抗氧化系統來清除ROS，進而維持氧化還原穩態。包括神經細胞在內的需氧細胞發展出了一套抗氧化酶系統，以保持ROS的產生和破壞之間的平衡。在這些酶中，血紅素加氧酶(Heme Oxygenase-1,HO-1)是細胞抗氧化和細胞保護防御體系的一個重要組成部分。

2 HO-1的概述

2.1HO-1的生物化學特性 HO-1為最著名的抗氧化酶，Tenhunen等[2]首先確定其是一個參與肝細胞微粒體血紅素降解的獨特酶。HO-1是參與游離血紅素降解的限速酶，催化血紅素產生一氧化碳、膽綠素(快速地轉化為膽紅素)和游離鐵。HO-1是一個重要的對氧化應激反應的細胞保護酶，進而使HO-1更多參與對抗氧化應激損傷。

HO-1的相對分子質量為32×103，在正常組織其表達水平較低，但在肝和腎較高水平表達，參與老化的或被破壞的紅細胞的處理，并抑制卟啉引起的氧化損傷[2]。在腦內，應激早期HO-1表達會發生改變，原本低水平表達的HO-1可以被許多引起氧化應激的刺激誘導表達增加，這些刺激包括其底物血紅素、重金屬、細胞因子、紫外線、脂多糖、過氧化氫、生長因子、一氧化氮和一氧化碳[3]。事實上，HO-1最初是作為熱激蛋白32被發現的，因為在應激條件下熱休克因子可以通過激活HO-1啟動子區域的熱休克元件[4]。腦內HO-1的表達存在細胞類型依賴性，星形膠質細胞和小膠質細胞比神經元更早誘導表達HO-1[5]。

2.2HO-1在腦內的表達分布 HO-1在哺乳動物腦內的表達存在分布特異性。在正常未受應激的腦內，HO-1的表達量比較低，主要散在分布表達于神經膠質和稀疏分布于小腦浦肯野細胞、丘腦、下丘腦、腦干、海馬齒狀回和大腦皮質的神經元內[6]。相反，其同系物HO-2 mRNA和蛋白廣泛分布于哺乳動物的腦內和脊髓內，并呈強陽性分布，而且在海馬錐體細胞和齒狀回、嗅上皮嗅球小腦顆粒細胞和浦肯野細胞層內高密度分布。

2.3HO-1的神經保護作用 大量證據表明，在體內和體外HO-1具有神經保護作用。各種毒性刺激后，誘導腦內神經元和非神經元HO-1的表達，星形膠質細胞較神經元表達HO-1量大。來源于過表達HO-1轉基因鼠的小腦的顆粒細胞對谷氨酸和過氧化氫介導的氧化損傷相對不敏感[7]。轉染HO-1 cDNA后，過氧化氫介導的成神經瘤細胞與對照細胞相比，前者細胞的氧化損傷程度較低[8]。最近研究表明，HO-1過表達可以升高腦源性神經生長因子和神經膠質源性神經生長因子的表達，進而保護神經元對抗1-甲基-4-苯基吡啶誘導的毒性損傷[9]。HO-1基因剔除鼠的星形膠質細胞對血紅素的毒性反應增強[10]。在HO-1過表達的鼠腦缺血損傷后，脂質過氧化終產物的組織染色水平降低、Bcl-2的表達水平上升以及梗死灶較小[11]。HO-1在腦外傷、興奮性損傷和脊髓損傷中也具有保護作用。

3 HO-1在AD中的作用

生理條件下，在腦內大多神經元HO-1表達水平較低，并分布于一小部分的神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞[12]。正常腦內低水平表達的HO-1在病理條件下(包括AD)表達顯著升高[13]。HO-1表達的升高，提示受累處遭受氧化損傷、細胞正在試圖保持氧化還原穩態。

AD的主要病理解剖學的改變為：纖維狀Aβ在細胞外沉積形成的老年斑和有tau蛋白過度磷酸化在細胞內形成的神經原纖維纏結，兩個病理改變在基底前腦、海馬和皮質聯合區最為明顯，最終導致進行性神經元變性和神經膠質瘤病。ROS參與Aβ級聯、神經炎癥和神經元死亡。Aβ沉積可以促進氧化損傷，氧化損傷又會導致一個神經元損傷和神經炎癥。抗氧化治療在AD中具有神經保護作用，然而，具有抗氧化作用的維生素在臨床上的應用效果并不令人滿意，表明需要更加有效地抗氧化治療方法，即需要激活內源性神經元的抗氧化系統，如通過上調HO-1的表達。

HO-1參與細胞抗氧化損傷進程，成為神經保護的新靶標。HO-1在以腦氧化損傷和Aβ相關病理改變為特征的AD中發揮保護作用。研究顯示，HO-1 mRNA水平在AD新皮質和腦血管升高HO-1與tau蛋白形成的神經原纖維纏結相關[14]。Aβ前體蛋白過表達的轉基因鼠中可以再現HO-1在tau組成的神經原纖維纏結周圍聚集，更加進一步證明了HO-1在臨床和實驗性AD中的作用[15]。Tau蛋白在體內或體外經泛素蛋白酶體系統降解，神經原纖維纏結中存在泛素化的tau蛋白。在AD中，腦內的蛋白酶體活性降低，在培養的細胞內Aβ抑制體外經泛素蛋白酶體系統[16]。瞬時轉染HO-1可以促進tau蛋白經蛋白體降解，這一過程可以被HO-1抑制劑中卟啉或蛋白酶體抑制劑乳胞素所抑制。AD腦內HO-1表達上調，或許是來刺激失活的體外經泛素蛋白酶體系統，進而試圖限制毒性的tau聚集體的聚集[14,18-19]。Takeda等[13]研究報道，HO-1可能通過多種機制來維持tau的水平，在神經母細胞瘤細胞轉染人HO-1 cDNA，可以抑制tau的轉錄。糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)是一個與AD病理密切相關的絲氨酸/蘇氨酸蛋白酶[19]。GSK-3β參與tau蛋白的異常磷酸化，導致神經原纖維纏結的形成[20-21]。研究顯示，GSK-3β過表達可以通過抑制Nrf2，下調包括HO-1在內的二項酶蛋白[22-24]。因此，GSK-3β不但在tau磷酸化和Aβ前體蛋白表達必不可少，也對下調Nrf2/HO-1軸進而增加氧化應激損傷起重要作用。也有研究發現，升高的HO-1亦與老年斑共存，而HO-1似乎更在海馬中與老年斑相關的星形神經膠質中過表達[25]。Aβ前體蛋白過表達的轉基因鼠中HO-1在Aβ沉積物中的表達升高，這與AD患者腦內老年斑內的表達相似[15]。另有研究結果顯示，Aβ可以劑量依賴性誘導HO-1的表達，提示HO-1的誘導表達增加可能是機體試圖來緩解和抑制Aβ沉積誘導的氧化損傷[26]。

研究表明，AD患者存在大腦鐵異常動員和線粒體的氧化損傷[27]。Schipper等[14]研究顯示，Aβ處理大鼠星形神經膠質細胞，可以誘導HO-1表達，這種表達是非鐵傳遞蛋白來源的鐵在線粒體螯合的原因。表明能量處理障礙可以促進神經元損傷，損害諸如興奮性神經遞質(谷氨酸)從突觸間隙的吸收的腺苷三磷酸依賴的進程[28]。最近的研究也表明，AD存血紅素代謝的異常和改變[41]。

Aβ可以劑量依賴性誘導HO-1的表達[26]，暗示HO-1的誘導表達可能是機體試圖來緩解和抑制Aβ沉積誘導的氧化損傷[15]。通過叔丁基對苯二酚藥理學處理或用腺病毒/慢病毒轉染Nrf2基因可以增強Nrf2/HO-1的活性，進而可以抑制Aβ介導的神經毒性損傷，提高AD模型小鼠的空間學習能力[29-30]。膽堿能激動劑可以促進HO-1表達上調。毒蕈堿M1受體通過蛋白激酶C和抑制GSK-3β來激活Nrf2[31]。地棘蛙素激活煙堿性受體，從而誘導HO-1表達，進而保護嗜鉻細胞對抗氧化應激損傷[32]。這些研究表明，細胞抗氧化能力的增強參與膽堿擬似物對AD的治療機制。

最近一些研究表明，通過藥理學上調HO-1的表達在AD中具有神經保護作用，如加蘭他敏(Galantamine)和一氧化碳即可通過上調HO-1的表達來保護微血管內皮細胞，因此乙酰膽堿酯酶抑制劑還具有另外的抗氧化價值[33]。Kavalactones通過Nrf2/HO-1軸來保護神經元對抗Aβ介導的神經毒性損傷[34]。HO-1在AD中保護細胞免受氧化損傷中發揮重要作用。前期研究表明，通過藥理學途徑上調HO-1的表達可以抑制Aβ 誘導的神經毒性損傷，這為HO-1參與抑制Aβ誘導的神經毒性損傷提供了直接的研究證據[35-37]。同時近期其他研究也證實了HO-1在AD中具有神經保護作用[34,38-40]。鑒于在AD中通過藥理學途徑上調HO-1表達可以抑制Aβ誘導的神經毒性損傷，具有神經保護作用，因此篩選具有調節HO-1的天然化合物有可能成為治療AD潛在的新靶點。同時為探討一些天然化合物新的保護作用機制開辟了新的研究方向。

4 小 結

HO-1發現的歷史始于半個世紀以前，HO-1的保護作用歷史研究也近20年，但其在AD中的作用未引起足夠的重視，近年來研究者才關注HO-1在AD中的神經保護作用，鑒于HO-1在AD中保護作用，那么通過藥理學途徑調節Nrf2/ARE/HO-1通路具有神經保護作用，可以抑制Aβ和氧化應激 誘導的神經毒性損傷，因此調節Nrf2/ARE/HO-1通路有可能成為治療AD潛在的新靶點。然而，HO-1在AD中的神經保護作用機制還有待于深入研究，與此同時，篩選出能夠激活Nrf2、進而誘導HO-1表達的天然化合物具有應用前景，值得進一步研究。

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