血紅素加氧酶1及其產物在腦出血中的作用

劉明君，戚基萍

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院病理科，哈爾濱 150001)

腦出血，又稱腦實質內的非創傷性自發性出血，是一種高致死率和致殘率的卒中亞型，約占亞洲卒中總患病率的25%[1]，每年發病率為24.6/10萬，并且隨著抗凝藥物、抗血小板藥物的應用，以及人口老齡化的加劇，這個數字仍在不斷的上升[2]。腦出血后伴隨的神經功能障礙也嚴重影響患者的生存質量。目前臨床對于腦出血的治療方法包括干細胞移植、微創清除顱內血腫、降低顱內壓、使用抗神經炎癥、抗氧化及神經營養藥物、重組因子Ⅶa治療、免疫抑制治療等，但治療效果并不顯著[3]。大量實驗研究證明，血紅素加氧酶- 1(heme oxygenase- 1,HO- 1)在腦出血后被血紅素迅速誘導表達，參與各種代謝過程[4- 6]，但其對疾病具體的調控機制仍然存在爭議。因此，深入研究HO- 1及其產物在腦出血后繼發性腦損傷中的作用，為疾病嚴重程度的判斷、治療及預后提供重要的理論依據。

1 HO- 1概述

血紅素加氧酶是血紅素分解代謝過程中的限速酶。主要由HO- 1、HO- 2和HO- 3三種同工酶組成。HO- 1屬于誘導型酶，正常生理條件下，HO- 1主要存在于血管內皮細胞，在中樞神經系統中表達很低，但在腦出血后HO- 1可被快速誘導并參與氧化應激、炎癥反應和細胞凋亡等過程[7]。與HO- 1不同，HO- 2屬結構型酶，主要在大腦中穩定表達，對神經元起保護作用，在缺氧性腦損傷中作用更加明顯[8]。HO- 3分子結構與HO- 2更相似，但催化活性卻遠低于HO- 2。由于腦出血后干擾HO- 1有較大的治療潛力，所以HO- 1在腦出血中的作用成為研究的焦點。

HO- 1,又稱熱激蛋白32，由HMOX1基因編碼，位于人體第22號染色體上，含有4個內含子和5個外顯子。腦出血后，HO- 1催化血紅素分解代謝產生膽綠素、亞鐵離子和一氧化碳(carbon monoxide,CO)，膽綠素通過膽綠素還原酶轉化為膽紅素發揮抗氧化作用[9]。而核因子紅系2相關因子2是HO- 1經典的上游調控因子，參與細胞氧化還原狀態調節的氧化還原，生理條件下，通過與Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白- 1結合存在于細胞質中，腦出血后Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白- 1的構象隨之改變，并釋放核因子紅系2相關因子2，核因子紅系2相關因子2進入細胞核與抗氧化應答元件結合，促使HO- 1的轉錄翻譯及表達[10]。

2 HO- 1在腦出血后的臨床研究

目前已有數例關于HO- 1在臨床試驗中的研究，在一項納入40例腦出血患者與40例單純頭痛患者的研究中，腦出血患者的血清中HO- 1、總膽紅素、直接膽紅素水平較單純頭痛患者升高，但HO- 1對腦出血患者的作用尚不明確[11]。此外，另有研究通過分析41例Fisher Ⅲ級動脈瘤性蛛網膜下腔出血患者腦脊液中HO- 1、鐵蛋白等指標水平，發現HO- 1水平與患者的不良預后呈正相關，認為HO- 1可以作為評估該類疾病患者預后的指標，但該研究僅分析了單一時間點腦脊液中的生化標志物水平[12]。可見，HO- 1在腦出血后對于患者病情診治及預后評估有重要價值，但目前研究數據尚不足以充分判斷HO- 1在患者體內表達的程度及時間與病情具體的相關性，仍需進一步增加檢測HO- 1的時間點、擴大樣本量。

臨床前研究證明，HO- 1對于腦出血的作用具有兩面性，一方面對組織具有保護作用，而另一方面加重組織損傷。例如：HO- 1通過促進血紅素分解代謝而發揮強烈的抗氧化和抗炎的作用，但腦出血早期上調HO- 1會增加活性氧水平，造成組織細胞損傷[13]；HO- 1分解血紅素產生過量的游離鐵沉積于腦內可引起腦水腫，但也可以促使鐵蛋白合成，增加多余游離鐵的消耗，達到細胞保護的目的[14]。所以，仍需深入研究HO- 1對腦出血的作用機制，為腦出血的治療提供新思路。

3 HO- 1在腦出血后的作用

3.1HO- 1在小膠質細胞中表達的作用 小膠質細胞是中樞神經系統中重要的免疫細胞，在腦出血后最先激活。活化的小膠質細胞的主要作用是吞噬血腫及細胞碎片，從而維持組織穩態，并促進神經功能恢復。然而，小膠質細胞還可以產生促炎癥細胞因子、活性氧、一氧化氮合酶等，加重腦損傷[15]。

Zhang等[13]研究發現，HO- 1在腦出血早期小膠質細胞中大量表達，可增加小膠質細胞活化數量，促進炎細胞浸潤，誘發炎癥反應，并加重神經損傷；但是，在疾病的恢復期，HO- 1水平增加有助于神經功能恢復。然而，HO- 1相關炎癥反應的信號轉導通路尚不清楚。Toll樣受體4(Toll- like receptor 4,TLR4)是模式識別受體家族成員之一，腦出血后在活化的小膠質細胞上表達明顯增多，并且通過調節其下游銜接的信號分子髓樣分化因子88和TLR結構域銜接蛋白誘導核因子κB活化向核內轉移，產生大量炎癥因子，如腫瘤壞死因子- α和白細胞介素- 1β，這些因素導致腦出血后發生炎癥損傷并加重神經功能障礙[16]。目前腦出血后HO- 1是否能夠調控TLR4尚未得到證實。但在腦缺血、急性肺損傷、肝纖維化等疾病中，TLR4的表達均受到HO- 1的調控[17- 19]。由此推測，HO- 1對于TLR4在腦出血后小膠質細胞中可能具有調控作用，具體調控機制值得深入探討。

腦出血后，活化的小膠質細胞除了能夠早期誘發炎癥反應外，在腦出血恢復期，其吞噬功能處于主導地位。小膠質細胞的表面有若干受體介導吞噬作用，CD36屬于B型清道夫受體家族，臨床研究證實，腦出血患者中CD36基因缺乏患者的血腫吸收速率較CD36表達正常的患者明顯減慢，TLR4及腫瘤壞死因子- α能夠抑制小膠質細胞表面CD36的表達，從而減弱小膠質細胞對血腫的吞噬作用[20]。

此外，CD163在腦出血中的研究也受到關注，CD163是血紅蛋白清道夫受體，在小膠質細胞膜上表達。檢測蛛網膜下腔出血患者腦脊液中CD163的表達水平發現，CD163增高的患者血腫清除效果更好，對改善疾病預后有益[21]。有文獻證實，CD163與HO- 1在腦出血后可協同發揮抗炎、促血腫吞噬的作用[22- 23]。

這些證據表明，腦出血后小膠質細胞激活與HO- 1密切相關，并且HO- 1調控小膠質細胞發揮作用與疾病發生時間有關，下一步可明確HO- 1在小膠質細胞中作用發生改變的時間點，為HO- 1的靶向治療提供時間依據。

3.2HO- 1在星形膠質細胞中表達的作用 星形膠質細胞是中樞神經系統中最主要的神經膠質細胞，能夠為中樞神經系統提供支持、分隔、營養神經細胞的作用，同時還能通過其氧化應激防御能力在維持氧化還原穩態中發揮關鍵作用[24]。

血紅蛋白作為腦出血后溶血釋放的主要成分，是星形膠質細胞的有效激活劑。實驗證實，經過血紅蛋白預處理而激活的星形膠質細胞可以抵抗血紅蛋白分泌產物血紅素的毒性，減少活性氧的積累及細胞的凋亡[25]。這種病理過程被稱為腦出血后的適應性自衛，由核因子紅系2相關因子2與HO- 1途徑介導[25]。使用膠原酶構建小鼠腦出血模型，與野生型腦出血小鼠相比，大腦星形膠質細胞中HO- 1基因過表達的小鼠在造模后死亡率顯著降低，野生型腦出血小鼠在腦出血灶周邊神經元損傷約40%，而大腦星形膠質細胞過表達HO- 1的轉基因小鼠神經元損傷只占野生型小鼠的一半，且血腦屏障破壞和神經功能障礙在短期內均有所緩解[6]。此外，HO- 1在星形膠質細胞中發揮正向作用還歸因于其能促進神經營養因子的產生，研究證實，腦源性神經營養因子和神經膠質細胞衍生神經營養因子分別產生于多巴胺能神經元和神經膠質細胞，HO- 1繼而通過其下游產物參與神經元和星形膠質細胞中腦源性神經營養因子和神經膠質細胞衍生神經營養因子表達的調節[26]。

腦出血后HO- 1在星形膠質細胞中過表達保留了神經元活性，通過抗氧化、促神經營養因子產生等多種方式發揮保護作用。HO- 1在腦出血早期通過小膠質細胞介導炎癥反應，后期可促進小膠質細胞吞噬作用，加快腦內血腫吸收。

4 HO- 1分解產物在腦出血后的作用

4.1膽綠素/膽紅素 腦出血后，HO- 1催化游離的血紅素產生膽綠素，隨后在膽綠素還原酶的作用下迅速轉化為膽紅素。作為人體血清中最豐富的內源性抗氧化劑，膽紅素的表達水平反映了各種疾病發生氧化應激的程度。此外，膽紅素還能夠清除羥基自由基、單線態氧和超氧陰離子，并抵抗低密度脂蛋白和脂質過氧化，以此發揮強大的抗氧化作用[27]。研究發現，與對照組相比，腦出血后患者血清中膽紅素與HO- 1水平顯著升高，提示腦出血后HO- 1及膽紅素水平與氧化應激程度密切相關[11]。

4.2CO 作為腦出血后HO- 1代謝血紅素產物之一，CO的釋放能夠使HO- 1在腦中發揮保護作用，如：CO可促進平滑肌松弛，從而減少蛛網膜下腔出血后腦血管痙攣的發生[28]。此外，CO通過調節可溶性鳥苷酸環化酶和促分裂原活化的蛋白激酶途徑，發揮抗細胞凋亡和抗炎的作用[29]。不僅如此，在活化的小膠質細胞中，HO- 1可通過CO抑制脂多糖刺激產生的一氧化氮，繼而削減小膠質細胞在急性炎癥期的遷移及吞噬能力，并逆轉神經軸突外向生長受抑制的情況，具有重要的細胞保護作用[30]。同時，還有研究顯示，HO- 1/CO在蛛網膜下腔出血中可通過增加小膠質細胞的吞噬能力來降低腦中血紅蛋白的負荷，從而改善神經元損傷及認知功能障礙[5]。Schallner等[31]發現腦出血后，患者腦脊液中負責調控人體生物節律的Per- 2基因表達升高，進一步研究發現，敲除HO- 1基因后，小鼠的Per- 1，Per- 2和神經元PAS結構域蛋白2等調控生物節律的基因表達降低，神經細胞凋亡率上升，而低劑量吸入CO后上述狀況可明顯好轉，證明腦出血后HO- 1/CO有助于生物節律的調節及神經保護，同時也為疾病的治療提供了新的思路。

4.3鐵 由HO- 1催化的游離鐵是血紅素降解的另一種產物。腦出血后紅細胞釋放的血紅素短期內被HO- 1降解產生大量的游離鐵,這些游離鐵沉積在體內可通過氧化應激、炎癥反應或者直接神經毒性作用導致腦水腫、血腦屏障破壞、神經和認知功能障礙及腦萎縮[32]。而去鐵胺作為鐵螯合劑，通過與三價鐵離子絡合形成復合物經尿液將多余的鐵排出體外，以達到腦出血后減輕神經功能損害的目的，目前已成為腦出血治療研究的焦點，并進入Ⅱ期臨床試驗[33]。米諾環素作為另外一種鐵螯合劑，具有良好的脂溶性和易透過血腦屏障的特點，被用于神經系統疾病的研究。研究表明米諾環素可以減輕大鼠腦出血后鐵超負荷和鐵誘導的神經功能缺損[34]。證實預防鐵介導的毒性對腦出血的治療有積極作用。盡管目前對于腦出血后鐵沉積已有潛在的治療方法，但仍缺乏有效無創方法對腦出血后腦鐵沉積量及降鐵療效進行評估。磁共振成像因分辨率高、磁敏感性強等特點已被初步用于研究鐵定量，雖然有一定局限性，但可以體外無創監測患者腦內鐵含量，為臨床個體化精準用藥提供輔助診斷依據，同時提高患者的生存率及生存質量[35]。

5 小 結

腦出血后HO- 1在大腦內被迅速激活，通過血紅素代謝產物及其所活化的細胞發揮抗炎、抗氧化及調節細胞凋亡的作用。而在此過程中，HO- 1對于腦出血后的干預作用會隨時間而發生改變。腦出血早期HO- 1增加小膠質細胞活化數量可誘發炎癥反應并加重神經功能損傷。但在疾病恢復期，HO- 1的缺乏造成小膠質細胞吞噬功能減弱，反而阻礙了神經功能的恢復。有研究證實急性腦損傷時活化的小膠質細胞可極化形成經典的M1(促炎癥)表型或M2(抗炎促吞噬)表型，且隨著疾病的發展，活化的小膠質細胞可以動態地改變表型，以維持神經系統的穩態[36]。

HO- 1除可以在小膠質細胞、星形膠質細胞中發揮作用外，還可以在少突膠質細胞中對細胞產生影響。該機制是通過藥物刺激HO- 1活化，繼而促進腦源性神經營養因子、神經膠質細胞衍生神經營養因子和轉化生長因子- β等神經營養因子的產生，從而對少突膠質細胞中脂多糖誘導的細胞毒性發揮保護作用[37]。這一發現為HO- 1改善腦出血預后提供了新的可能，未來可以繼續深入研究HO- 1與腦出血后發揮功能的細胞之間的關系，此外，也可以探尋是否能通過檢測HO- 1及其代謝產物的表達水平精準評估疾病的進展，繼而實施個體化治療。這些問題仍需進一步探索，為臨床腦出血的治療提供更多的新思路。