血紅素氧合酶1與腎缺血再灌注損傷的研究進展

王 濤 綜述 王群鎖 審校

綜述

血紅素氧合酶1與腎缺血再灌注損傷的研究進展

王 濤 綜述 王群鎖 審校

血紅素氧合酶；腎臟；缺血再灌注損傷

急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)是一種高致死率和致殘率的常見疾病，臨床缺乏有效的鑒別和干預手段。大部分的急性腎損傷病例并非是由原發性的腎臟疾病引起，而是由于脫水、手術或者敗血癥等全身性疾病導致腎臟灌注不足。如果腎臟灌注得不到及時恢復，腎臟就會發生缺血再灌注損傷(ischemia reperfusion injury，IRI)，導致急性腎小管壞死和急性腎損傷。血紅素氧合酶(heme oxygenase，HO)最早于20世紀60年代末在肝臟微粒體中被分離出來，是血紅素降解轉化為膽綠素的限速酶。多項研究顯示HO-1在腎缺血再灌注損傷中被大量誘導，是一種能減輕氧化應激反應的保護性應答，具有潛在的抗氧化、抗炎及抗凋亡活性。筆者將HO-1與腎臟缺血再灌注損傷的研究進展綜述如下。

1 HO-1的生物學特征及功能

HO是微粒體的細胞保護酶，可被損傷和細胞應激等誘導應答。目前已知的血紅素氧合酶有三種，HO-1、HO-2和HO-3，HO-1是最典型的誘導型酶。人類HO-1基因長度為13 kb，定位于染色體22q12，該基因編碼一個288個氨基酸組成的單體，分子量為32 kDa。翻譯后修飾能夠影響HO-1的大小及功能[1]。HO-1可被多種細胞應激因子誘導表達，游離血紅素誘導的氧化應激是HO-1誘導的重要病理學機制之一。另外，重金屬、內毒素、紫外線照射、前列腺素類、過氧化氫、特定的生長因子、細胞因子和其他的刺激都能誘導腎臟內HO-1生成[2]。HO-1能夠催化血紅素生成膽綠素、Fe2+和CO，膽綠素在膽綠素還原酶的作用下生成膽紅素。Fe2+參與機體鐵蛋白合成；含鐵蛋白能夠吸收鐵離子，防止鐵離子誘導的氧化應激；膽綠素和膽紅素能夠清除氧自由基，防止脂質過氧化；CO能夠擴張血管并抑制炎性因子的表達[3]。

2 HO-1在腎臟中的表達與功能

健康腎臟中HO的活性主要為組成型HO-2的活性，HO-2廣泛表達于入球小動脈、髓襻升支、末端卷曲及集合管中。HO-1僅在近端和遠端小管、亨勒袢及髓質集合小管內有極微量的表達。HO的活性改變能夠調控腎臟的血流動力學，在腎動脈內直接注射HO活性抑制藥能夠顯著減少腎小球濾過率、腎血流及腎臟NO的產生，CO釋放分子可以逆轉上述影響。另外，腎血管中的CO能夠減輕不同激動藥對腎血管的收縮作用，當腎NO生成受到抑制時，作為代償機制，腎臟CO的生成顯著增加。因此可以說，健康腎臟的腎小球濾過率和腎血流至少部分受到HO的基礎活性和CO的血管舒張作用的影響，后者更依賴于腎臟NO的生成。另外，HO活性能夠促進亨勒袢內的鈉和水的吸收[4]。

腎移植、腎臟疾病等損傷應激中HO-1在腎小管、腎小球、腎間質及腎單核巨噬細胞中大量表達，在AKI動物模型中，HO-1主要是在近端小管內皮細胞大量表達，糖尿病模型中HO-1在腎小球細胞內表達，而在急性腎移植排斥反應中HO-1在浸潤巨噬細胞中表達。蛋白尿性腎病中HO-1表達上調更傾向于在腎小管而非腎小球細胞，可能與這些細胞對氧化應激的敏感性和反應性不同有關。蛋白尿狀態下HO-1在腎小管內皮細胞被誘導表達，并不能簡單地歸于增加近端腎小管對白蛋白的運輸，這種表達更多的反映了與腎小球疾病、炎性反應、氧化劑或其他泌尿系問題同步發生的腎小管內皮細胞的損傷[5]。

3 HO-1在急性腎缺血再灌注損傷中的保護作用

小鼠雙側腎動脈缺血30 min后再灌注能顯著提高腎臟血紅素含量并誘導HO-1表達[6]。單側腎切除大鼠模型中血紅素含量增加HO-1被誘導表達。大鼠經HO抑制藥Snpp處理后，腎臟血紅素水平增加，出現腎功能損傷及大范圍的腎小管內皮細胞損傷[7]。在腎IRI導致的氧化應激能夠上調NF-κB及MCP-1水平，這些信號分子能夠募集單核細胞和巨噬細胞至缺血部位[8]。與野生小鼠相比，HO-1缺失小鼠雙側腎缺血10 min后，表現出更嚴重的腎功能損害，及更高水平的MCP-1和NF-κB[9]。在腎臟IRI過程中的小鼠靜脈中含有過表達HO-1的骨髓衍生巨噬細胞聚集至損傷腎臟。Cheng等[10]最新的研究顯示脂連素通過PPARγ通路及環加氧酶2上調HO-1表達保護IRI誘導的腎損傷。最近Hull等[11]發現HO-1缺失小鼠與野生小鼠相比，對雙側腎缺血10 min更為敏感，當這些小鼠雙側腎IRI達到25 min時，他們表現出更多數量的腎管型、持續性的近端小管刷狀緣缺失、膠原沉積增加及纖維化。以上研究證實了HO-1在腎臟IRI中的重要保護作用。

4 HO-1在腎臟缺血再灌注損傷中的保護機制

腎臟IRI中HO-1的誘導所產生的腎臟保護機制復雜，HO-1的表達和激活不僅能夠去除潛在的細胞刺激原，并且產生生物活性代謝產物。研究顯示，IRI誘導的HO-1激活使得CO釋放分子(CORM)數量增加，CORM作為體內CO的供體，持續釋放CO，后者是HO-1誘導后腎臟保護作用的關鍵因素。

4.1 對腎血流和微循環的影響 抑制健康腎臟中HO-2和HO-1的活性能夠導致髓質血流減少，證實了HO-1在生理狀態下對髓質血流再灌注的影響。血紅素預處理供體大鼠誘導HO-1表達，在隨后的移植中顯示腎臟功能更持久，腎內血管直徑和毛細血管血流量均有增加，目前認為是CO通過它潛在的血管收縮和抑制血小板聚集功能所起到的改善循環的作用[12]。顯微穿刺術的研究顯示，SnMP誘導的HO-1表達抑制了腎小管球間反饋誘導的入球小動脈收縮。給予CORM或外源性的膽綠素也可以得到相同的效果，說明血紅素代謝物介導了這個反應[13]。在大鼠移植過程中聯合吸入CO及注射膽紅素，能夠共同提高移植體的存活率和腎小球濾過率及加快血流速度。

4.2 HO-1對細胞凋亡和存活的影響 HO-1對細胞有保護作用，同時HO-1能夠減少細胞的凋亡和壞死。有研究顯示CO在生理學濃度時是一種抗凋亡信號。體外研究顯示HO-1能夠誘導細胞周期蛋白激酶抑制藥P21促進腎小管內皮細胞的存活[14]。

4.3 自噬反應 自噬是一種胞內降解系統，是細胞利用溶酶體酶，降解自身受損細胞器和異常蛋白等大分子物質，維持細胞內環境穩定的真核細胞特有的生命現象。失調的，延長的和不完全的自噬會導致有害的細胞內物質聚集，最終導致細胞死亡。自噬在急性腎損傷中是一種保護機制。HO-1的誘導能夠促進自噬及細胞存活。最近的研究顯示，在腎IRI的動物模型中自噬現象被誘導，自噬相關基因表達升高。氧化應激能夠觸發自噬，導致細胞生存或死亡，HO-1通過氧化應激應答來調節細胞自噬[15,16]。

4.4 免疫調節 由IRI損傷引起的炎性反應加劇了AKI的嚴重程度、恢復不全及提高了發展成為慢性腎疾病的概率。原發免疫細胞如巨噬細胞、樹突細胞、中性粒細胞等是對急性損傷最主要的應答者，HO-1在這些細胞中起到非常重要的免疫調節作用。在球HO-1敲除小鼠和HO-1缺失的人群中均表現出白細胞增多、紅細胞吞噬作用、肝脾腫大及伴隨炎細胞浸潤的腎小管間質性損傷和纖維化。球HO-1缺失小鼠還表現出MCP-1水平增高[17]。巨噬細胞表達HO-1，具有抗炎傾向，分泌IL-10等抗炎因子并表達對AKI后組織恢復極為重要的修復基因。IL-10表達的有益作用依賴于HO-1的活性和表達。IRI之后，巨噬細胞聚集在HO-1缺失小鼠的損傷腎內，高表達致炎因子IL-6, 低表達抗炎因子IL-10。這些研究進一步說明了HO-1通過免疫調節對腎臟IRI的保護作用。HO-1還能夠調節免疫細胞的遷移能力。HO-1缺失小鼠在AKI中能夠增加巨噬細胞在損傷腎中的聚集，HO-1的缺失能夠促進骨髓系細胞(巨噬細胞、中性粒細胞和樹突細胞)從損傷腎流出到外周淋巴系統，推測是為了抗原呈遞和加強免疫應答[18]。腎臟發生IRI之后骨髓細胞內HO-1表達的誘導能夠激活減輕免疫應答的反應途徑。抗原呈遞細胞內HO-1的表達能夠調節T細胞功能，促進AKI后腎臟恢復。另外，HO-1的反應產物也能調節免疫應答，CO也能抑制樹突細胞的遷移，通過下調IL-2抑制T細胞增殖。這些研究提示了在腎臟IRI后HO-1的免疫調節作用[19]。

4.5 氧化應激 腎IRI的發病機制中，氧化應激反應能夠導致細胞內血紅蛋白失穩定、器官損傷及細胞死亡。多個腎臟IRI動物實驗表明，氧化應激能夠誘導HO-1，這種誘導能夠起到腎臟保護功能。HO-1誘導對抗氧化應激造成損傷的保護性機制主要有兩個方面：第一是HO-1的誘導能夠催化血紅素的降解。血紅素是一種潛在的促氧化劑和毒性刺激，能夠加強腎損傷動物模型中氧化應激的作用，血紅素能夠刺激腎小管內皮細胞過氧化氫的生成，而且通過氫和過氧化物脂質的相互作用形成血紅素的促炎性反應形式加強氧化應激。第二是HO-1激活后能夠產生抗氧化和抗凋亡的代謝產物。膽紅素和膽綠素能夠排除亞硝酸鹽等自由基，抑制脂質過氧化從而減輕氧化應激，另外在膽綠素轉化為膽紅素時能夠吸收過氧化氫減輕氧化應激，膽紅素能夠抑制NADPH氧化酶的活性，減少氧自由基的產生。另一個HO-1反應的產物是CO，一個強效的抗凋亡和抗炎分子。CO都能夠削弱體內的氧化應激反應[20]。另外HO-1的誘導能夠提高Ft的水平，后者也具有抗炎效果。

5 HO-1作為腎IRI治療靶點的研究新進展

5.1 鼠和人HO-1的區別 目前HO-1缺失小鼠模型為探討HO-1在腎IRI中的保護作用提供了非常有利的工具，也有一些研究顯示在這些轉基因小鼠模型中得到的一些結論與HO-1缺失人群一致。但將HO-1作為腎臟IRI潛在的治療靶點還是存在很多限制。目前出現的新型動物模型克服了原有模型的限制，例如， Cre-Lox特殊位點重組酶技術動物模型可以在腎近端小管細胞或髓系細胞內缺失或過表達HO-1，該技術能夠更深入地分析HO-1與AKI中細胞損傷、炎性反應和修復的關系；“人類化”轉基因小鼠的產生，即在小鼠HO-1敲除背景上在調控區增加了人類HO-1的基因，這種模型可以作為一種重要的工具研究人類HO-1基因體內調節及篩選以HO-1為靶點的AKI治療藥物的篩選[21]。

5.2 HO-1和Micro-RNA MiRNAs是一種非編碼RNA分子，參與基因沉默和基因表達的轉錄后調節。在很多腎臟疾病中MiRNAs都起到很關鍵的作用。MiRNAs調節腎近端小管細胞、內皮細胞等多種細胞中HO-1的基因表達，HO-1的表達也反過來調節MiRNAs，這種互相影響和調節提供了進一步研究急性腎損傷等腎臟疾病作用機制和治療靶點的創新性平臺[22]。

5.3 HO-1的基因多態性 研究顯示在HO-1基因的5’端區域存在基因多態性，包含一個(GT)n二核苷酸長度的多態性和2個單核苷酸的多態性G(-1135)A和T(-413)A。其中(GT)n二核苷酸多態性的研究較多，較短的(GT)n(n<27)與更多的HO-1表達和保護作用有關。最新的研究顯示，較長的(GT)n能夠增加心臟外科手術后患者發生AKI的風險，但關于HO-1基因多態性與腎臟保護作用的關系還需要更深入的研究[23]。

5.4 離子和急性腎損傷 離子為人體所必需，但它同時能夠參與氧化還原反應產生氧自由基造成的有害反應。研究顯示腎近端小管重鏈鐵蛋白(FtH)缺失可以提高小鼠腎臟中HO-1的表達，加重腎功能損傷及形態學改變。這些研究提示FtH與HO-1誘導的共表達能夠安全的吸收血紅素降解釋放的離子，阻止他們參與還原反應。臨床研究證實了這個結論[24,25]。FtH可能會成為治療AKI中離子吸收的新靶點。

5.5 HO-1作為急性腎損傷的標志物 依賴于傳統的血清尿素氮、血清尿肌酐和尿量來診斷AKI已經成為早期診斷和干預治療AKI的極大障礙。最近的研究更多關注更典型的標志物。Zager等[26]發現在腎臟IRI模型中的HO-1酶被誘導且血漿和尿中的水平升高，且有10個AKI患者血漿和尿液中的HO-1水平遠高于正常人或慢性腎疾病患者。其他的研究也證實了HO-1可以作為AKI的標志物。有研究顯示尿液中HO-1水平的增加要早于蛋白尿并與腎小球濾過率負相關。除了血肌酐、尿量和蛋白尿之外，HO-1也可以作為一個非常及時的補充診斷AKI的標志物。但是HO-1要作為典型的AKI的標志物還需要解決兩個問題：(1)是觀察的血漿和尿液中的HO-1是定位在內質網中，這個定位就會引發疑問：到底血漿和尿液中的HO-1僅僅是細胞損傷胞內蛋白釋放還是它包含著更積極的細胞分泌途徑？(2)血漿和尿液中免疫反應性的HO-1表現為一個16 kDa的蛋白，更像是兩個大小相等的環斷裂[27]。這種斷裂的功能和機制還需要更深入的研究。

過去幾十年的研究證實，HO-1在腎臟IRI中有十分重要的保護作用。HO-1在腎臟IRI中被誘導表達，降低或缺失HO-1的表達會加重腎臟結構和功能的損傷，提高HO-1的表達則有保護作用。HO-1的腎臟保護機制多樣，包括腎血流改變、免疫調節、氧化應激、細胞凋亡、自噬等。最新的動物模型為研究HO-1在腎臟IRI中的作用提供了有力的工具；血漿和尿液中的HO-1水平可以作為臨床診斷AKI的潛在標志物，HO-1啟動子的基因多態性與它的腎臟保護作用有關等，因此，HO-1酶系統臨床上可以作為治療急性腎損傷，尤其是腎臟IRI的潛在重要靶點。

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(2017--12-10收稿 2018-01-23修回)

王 濤，碩士，主治醫師。

100027,武警北京總隊醫院外一科

王群鎖，E-mail:taow-1979@163.com

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