腦腸肽Ghrelin對器官缺血再灌注保護作用的研究進展*

譚婉儀 綜述,石 斌 審校

(同濟大學醫學院/同濟大學附屬楊浦醫院EICU,上海 200090)

缺血再灌注(I/R)是組織損傷的最常見原因。首先是缺血引起組織、器官的損傷,其次是I/R引起的后續損害。缺血再灌注損傷(IRI)是一個復雜的過程,涉及許多病理生理機制。腦腸肽Ghrelin是生長激素(GH)促分泌物受體的一種內源性配體,有促進GH釋放的作用。Ghrelin及其受體在人體內廣泛分布,發揮著極其重要的生物學作用。有研究表明,Ghrelin參與調節食欲[1]、能量代謝,以及調節胃腸道、心血管、免疫功能和細胞增殖與凋亡[2],還具有抗炎、抗氧化[3]等特點,且在許多病理狀態及疾病發生發展過程中發揮著重要的作用。本文將回顧現有的Ghrelin對機體重要器官I/R的保護作用及相關保護機制,為其未來潛在的診治提供新思路。

1 I/R對機體的影響

IRI是指各種原因造成的組織血液灌流量減少,使細胞發生缺血性損傷,最終導致細胞功能障礙和壞死,但組織恢復血液再灌注及氧供后,部分細胞功能代謝障礙及結構破壞反而加重的現象。事實上,I/R是一種矛盾的組織反應。臨床常見于心肌梗死、缺血性腦卒中、急性腎衰竭、器官移植、休克等。缺血限制動脈血流導致缺氧,并引起線粒體作用的功能障礙。炎癥反應此時被激活,促炎性細胞因子,如白細胞介素-1(IL-1)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、γ干擾素(IFN-γ)和趨化因子被增強,而這些細胞因子可以激活負責自由基產生的補體和蛋白酶。IRI涉及許多病理生理機制[4-5],包括微循環障礙、線粒體功能障礙、活性氧(ROS)產生的增多、鈣超載、中性粒細胞累積等。如不及時糾正,可引起心肌梗死、急性心力衰竭、腦功能障礙、胃腸功能障礙、全身炎癥反應綜合征(SIRS)、多器官功能障礙綜合征(MODS),甚至導致死亡。

2 Ghrelin概述

腦腸肽Ghrelin是從大鼠胃中提純出來的活性肽[6]。Ghrelin又稱為胃饑餓素,為典型G蛋白偶聯受體家族中的一員,可以激活生長激素促分泌激素受體(GHSR),其被證實為 GHSR的天然性配體,可促進GH的分泌。循環中的Ghrelin主要是由胃黏膜X/A樣細胞產生,由多種信號刺激產生后以脈沖的方式接分泌入血液中,另外,少量Ghrelin亦可由其他器官分泌,如腦干、垂體、胃腸道、肝臟、腎臟、心臟等[7]。Ghrelin在健康人血液中循環,血漿濃度為(117.2±637.2)fmol/mL[8]。

體內的Ghrelin主要有2種存在形式:一種是N端去辛酰基化(DAG),另一種是N端辛酰基化(AG),血液中DAG與AG比例約為9∶1[9],后者是受體結合及誘導其生物活性所必需的。但AG結構十分不穩定[7],因此,為確保Ghrelin可以充分發揮其作用,需經過一系列化學反應將AG轉化為不活躍的去酰基化形式,即DAG,而后通過血液循環被運送到相應的靶器官,再在這些部位發生重新發生酰化反應,從而使Ghrelin再次具有生物學活性,發揮其相應的生物學作用[10]。

Ghrelin與GHSR結合發揮作用,刺激GH的釋放。GHSR有1a型(GHS-R1a)和1b型(GHS-R1b)2種類型。目前有研究認為,GHS的促分泌效應主要是通過與GHS-R1a結合實現的[11]。GHSRla主要分布在下丘腦,在胃腸道、心血管、肺等組織中也有分布。另外一型GHSRlb也在體內廣泛分布,其可能調節其他GHSRs,包括GHSR1a。GHSR的多部位分布,提示了Ghrelin對機體多組織器官具有廣泛的作用。

由于Ghrelin具有抗炎、減輕氧化應激、保護線粒體代謝、調控細胞自噬等作用,Ghrelin已被證明對機體多種組織器官IRI具有保護作用。此外,Ghrelin其他疾病,如膿毒癥也是有益的。人們越來越關注Ghrelin在器官I/R保護性應用的前景。

3 Ghrelin在I/R中的器官保護作用

3.1Ghrelin對心血管I/R的保護作用 急性心肌梗死是心血管疾病中的的急重癥,發病率每年居高不下。早期予介入治療或溶栓治療是有效恢復心肌灌注、縮小梗死面積,挽救患者生命從而降低不良預后的有效方法。但有研究顯示,急性心肌梗死的患者進行溶栓或介入治療后,心肌IRI引起的如心律失常、心肌梗死面積增大、心力衰竭等不良心血管事件是目前面臨的主要問題,影響著患者的預后。大量研究證實,Ghrelin可以抑制血管內皮細胞凋亡[12],改善心肌梗死后心肌重構,減少惡性心律失常的發生。同時Ghrelin具有強大的血管舒張作用,在不增加心率的情況下,增加心排血量,具有有益的血流動力學作用[13]。由此可見,Ghrelin對心血管系統具有明確的保護作用。

心肌細胞中含有豐富的線粒體,占心肌細胞體積的22%～37%[14]。有研究顯示,線粒體通過自噬能夠清除受損的線粒體,穩定心肌細胞內環境穩定,維持細胞內能量代謝及細胞內腺苷三磷酸(ATP)水平,對受損心臟起一定的保護作用[15],而Ghrelin促進缺血狀態下的線粒體自噬發生。HUANG等[16]在大鼠心肌IRI組使用Ghrelin后發現大鼠心肌氧化應激減輕,線粒體超微結構破壞部分逆轉,能量代謝得到改善,ATP含量顯著增加。提示Ghrelin通過提高線粒體ATP合成,減少ROS的生成,穩定線粒體超微結構,維持心肌細胞能量代謝,從而起到減輕IRI,保護心肌的作用。近年來,研究已證實在缺血缺氧環境下,Ghrelin可啟動FUNDC1受體途徑介導線粒體自噬,進而有效減輕心肌I/R造成的心肌細胞損傷[17-18]。

Ghrelin可以通過神經體液途徑調節心肌的損傷。有動物研究顯示,無論是皮下注射還是腦室內給予Ghrelin治療,均可以抑制急性心肌梗死引起的交感神經活性增強,提示Ghrelin可抑制交感神經毒性,并誘導迷走神經激活[19]。Ghrelin早期干預可以縮小急性心肌梗死面積、減輕心肌梗死導致的心肌細胞肥大,從而能減輕心肌重塑并預防心力衰竭。

除此之外,Ghrelin還可以通過多種信號通路來保護心臟免受IRI。Ghrelin預處理可降低促凋亡蛋白Bax和Caspase-3蛋白表達,并提高抗凋亡蛋白Bcl-2的表達,降低I/R后心肌細胞的凋亡率[20]。也有研究表明,Ghrelin可以通過激活腺苷-磷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路來減少內質網應激造成的心肌損傷[21]。

3.2Ghrelin對中樞神經I/R的保護作用 腦卒中的年發病率和死亡率逐年上升,其中缺血性腦卒中占有很大比例。當積極采取措施恢復缺血腦組織血供時,反而對機體造成二次打擊的現象,即腦IRI。已有研究證實,Ghrelin在腦缺血、創傷性腦損傷、急性脊髓損傷疾病模型上均具有神經保護作用,其作用機制涉及抗炎、抗氧化應激、抗凋亡等多個途徑。GSHR位于中腦結構中,特別是在下丘腦弓狀核和孤束核顯著集中,且Ghrelin可以通過血腦屏障到達中樞系統的不同結構,如海馬區、腹側被蓋區等[22],這構成了Ghrelin神經保護作用的解剖基礎。

Ghrelin可以刺激神經祖細胞的增殖、遷移和分化,抑制炎性細胞因子,如TNF-α、IL-1β、IL-6的釋放,保護腦組織免受IRI,減輕神經炎癥[23]。在脂多糖(LPS)刺激的巨噬細胞實驗中,Ghrelin可以作為巨噬細胞滅活因子抑制巨噬細胞產生促炎性細胞因子[24]。

在腦中動脈閉塞引起的腦缺血大鼠中,Ghrelin完全逆轉I/R引起的組織學和生化改變,使血漿細胞因子水平和腦氧化應激標志物正常化,并提高了7 d生存率[25]。Ghrelin誘導的神經保護依賴于線粒體氧化還原狀態,其可以通過活化線粒體解偶聯蛋-2(UCP-2)依賴的線粒體機制抑制線粒體膜電位下降,促使抗氧化酶如超氧化物歧化酶(SOD)表達的下調、減少ROS生成,以及核因子κB(NF-κB)的易位,降低神經元內氧化應激水平。

有趣的是,Ghrelin還能夠促進腦I/R后神經修復,并影響星形膠質細胞活化及神經生長因子表達。Ghrelin促進神經修復的機制可能與綜合調控星形膠質細胞活化和神經調節蛋白1(NRG-1) 及腦源性神經營養因子(BDNF)表達相關[26]。同時在I/R時腦組織中神經生長蛋白-43(GAP-43)表達增高,提示Ghrelin也可能通過促進GAP-43大量表達而促進受損神經的再生與修復[27]。

3.3Ghrelin對胃腸道I/R的保護作用 急性腸系膜缺血是一種腹部急癥,死亡率極高。胃腸黏膜即使是短時間的缺血也能誘導各種炎癥介質的產生并激活白細胞,從而導致遠端器官損傷和隨后的死亡。Ghrelin除了具有調節食欲、維持能量平衡及促進胃腸道排空作用,其對缺血和隨后的再灌注引起的胃腸道病變也具有明顯的保護活性。

Ghrelin能夠提高失血性休克大鼠胃黏膜血流量,改善胃黏膜IRI。PAWLIK等[28]認為Ghrelin誘導的腸道保護涉及其對血管擴張的作用腸系膜循環。Ghrelin引起胃黏膜[29]、腸壁毛細血管和腸系膜血管血流顯著升高[30],進一步說明Ghrelin具有舒張血管、肌肉內臟動脈,以及增加向胃腸道黏膜的氧氣和營養物質的輸送作用。

Ghrelin可降低TNF-α和IL-6表達,減少氧化應激并抑制腸道中ROS的產生,發揮其強大抗炎作用[30]。腸道I/R時,腸微血管中免疫細胞的激活可誘導產生局部炎癥反應,繼而誘導出現全身炎癥反應。除此之外,Ghrelin可抑制中性粒細胞的積累,進一步表明其對ROS可能來源的抑制作用。ZHANG等[31]通過建立I/R大鼠模型實驗發現,給予Ghrelin的小鼠組小腸及肺組織中mTOR及p70S6K磷酸化水平明顯增高,NF-κB通路下游因子則表達減少。由此得出,Ghrelin可能通過活化mTOR及p70S6K信號通路,抑制NF-κB通路,減輕腸道I/R所致相關器官的炎性損傷,改善器官損傷并降低死亡率。

Ghrelin也可通過刺激迷走神經激活膽堿能抗炎通路,減少腸道IRI[19]。完整的迷走神經神經支配是Ghrelin誘導的黏膜完整性增強的先決條件之一,此為腦腸軸的主要組成部分。Ghrelin刺激迷走神經抑制巨噬細胞和內皮細胞的激活,進而迅速減輕全身炎癥反應,減少器官損傷。同時,Ghrelin激活膽堿能纖維后,釋放血管保護介質,如降鈣素基因相關肽(CGRP)。而神經肽如CGRP、P物質、一氧化氮(NO)不僅是有效的血管擴張劑,而且對IRI具有保護作用。Ghrelin在胃腸道的保護作用是一個有趣的領域,需要進一步的研究。

3.4Ghrelin對肝臟I/R的保護作用 在肝切除、肝移植和各種休克中,I/R是肝功能受損的一個常見原因。肝臟I/R可引起肝功能障礙、肝功能衰竭,甚至多器官功能衰竭。

Ghrelin能夠縮短腺苷二磷酸(ADP)缺乏時間,并提高氧耗。在IRI過程中,缺氧會干擾氧化磷酸化,阻礙ATP的產生,導致線粒體耦合效率的降低及ROS的過度產生。ROSSETTI 等[32]研究了Ghrelin在肝臟I/R模型中潛在的臨床作用,其通過實驗證明,Ghrelin可作用于線粒體水平,保護線粒體結構及電子傳遞鏈調控蛋白的表達,限制ATP消耗和質子泄露。Ghrelin也影響著細胞色素C氧化酶、ATP合酶的活性、線粒體通透性轉換孔(mPTP)的開放,從而提高缺氧狀態下肝臟氧利用率,有效降低肝臟IRI引起的血漿谷丙轉氨酶(GPT)及谷草轉氨酶(GOT)水平。

Ghrelin對肝臟I/R的保護作用可能與AMPK激活水平相關[33]。經Ghrelin預處理的I/R小鼠,其肝細胞壞死情況明顯減輕,AMPK磷酸化的上調作用也相應減輕,而Ghrelin基因受體敲除小鼠血漿炎癥因子水平升高,肝臟AMPK磷酸化水平也明顯增加[34]。AMPK的激活被認為是為了保持ATP水平,減少缺血期間的乳酸積累,從而減少再灌注后的肝損傷。

Ghrelin對肝臟IRI及肝纖維化具有較好的保護作用[9]。肝纖維化中異常沉積的細胞外基質(ECM)主要來源于活化的肝星狀細胞(HSC)。HSC活化后,可以分泌大量基質金屬蛋白酶(MMPs)與基質金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMPs),導致ECM中的微環境發生紊亂。在這個過程中MMPs/TIMPs 值下降會導致ECM沉積的量大于降解的量,形成肝纖維化。在肝臟遭受IRI后,無論是在肝纖維化早期或是進展期,Ghrelin對MMPs、TIMPs均有調控作用,可使MMPs/TIMPs的分泌重新處于新的平衡,促使肝臟中ECM降解,抑制肝纖維化的發生和發展。Ghrelin在肝臟損傷方面的保護作用正在不斷被認識,可能會成為預防肝臟IRI一種新的治療選擇。

3.5Ghrelin對肺臟I/R的保護作用 組織可直接通過氣體交換排出二氧化碳,還可通過肺動脈、支氣管動脈雙循環系統獲取氧氣,因此肺臟對缺血缺氧具有較強抵抗力[35]。但由于全身血流流經肺臟及肺臟豐富的免疫細胞,休克、遠隔臟器的損害、感染、SIRS可以導致肺臟損傷。有研究證明,Ghrelin對肺損傷有許多積極的保護作用。

在多項動物實驗中,外源性Ghrelin已被證明可通過抗炎和抗氧化作用,在肺損傷模型中提高生存率。外源性Ghrelin可通過抑制NF-κB信號通路,下調TNF-α、IL-6和IL-1等炎性細胞因子的表達水平,改善肺損傷。LI等[36]利用Ghrelin激動劑(生長激素釋放肽-2)抑制炎性細胞因子釋放,從而減輕大鼠急性肺損傷。這些結果均表明,Ghrelin可能作為一種肺保護分子,改善I/R引起炎性細胞因子,甚至炎癥“風暴”進一步導致的肺損傷。

有研究表明,在肺臟I/R時,Ghrelin可以抑制大鼠肺中收縮血管物質如內皮素-1過表達,促進NO釋放降低肺動脈壓力,保護線粒體功能改變,提高對缺氧的耐受,對肺損傷起到保護作用[2]。

Ghrelin還可以通過防止缺氧誘導的血管生成和缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)和血管內皮生長因子(VEGF)表達的增加來防止缺氧誘導的肺損傷[37]。HIF-1α是在肺臟缺氧反應過程中被激活的最重要的信號通路之一[38],而VEGF主要表達于肺組織中。在許多組織中,缺氧是VEGF mRNA表達的強誘導劑[39]。在缺氧條件下,肺組織中的血管生成增加,而Ghrelin治療對此條件下的血管生成過程有抑制作用。與對照組及缺氧組相比,缺氧條件下的Ghrelin治療可降低肺組織中的HIF-1α及VEGF水平。故提示Ghrelin能通過降低HIF和VEGF水平來抑制肺組織的血管生成過程,進而保護肺臟IRI。Ghrelin可通過多種途徑改善肺臟I/R,是治療肺缺血損傷很有前途的一種藥物。

3.6Ghrelin對腎臟I/R的保護作用 腎臟的血流量非常豐富,但對缺血十分敏感。缺血后,腎細胞就開始積累代謝廢物,如乳酸、TNF-α、IL-6升高,出現細胞凋亡。血液重新灌注后,腎組織的功能不能得到立刻恢復,反而會進一步加劇損傷,這是引起急性腎損傷(AKI)的重要因素。Ghrelin已被證明可以改善腎功能,減輕腎纖維化和炎癥[2]。

Ghrelin具有抗炎特性,可通過降低IL-6水平而減輕腎臟IRI后的腎組織損傷,改善腎功能[40]。在缺血后立即給予Ghrelin,可檢測到肌酐、尿素氮等腎臟損傷指標的下調,全身和局部IL-6水平下降,腎臟中性粒細胞浸潤減少,組織學完整性也被改善。IL-6產生的衰減也可改善腎臟和遠端器官的組織損傷。

Ghrelin對腎臟IRI的有益作用可能部分是通過減弱腎臟I/R誘導的細胞凋亡來介導的。Bcl-2/Bax值是決定細胞凋亡的主要因素。腎臟IRI時,Bcl-2/Bax值下降,而Ghrelin干預可使Bcl-2/Bax值完全恢復到正常水平。在腎損傷、腎纖維化中,microRNA-21(miR-21)對細胞凋亡和炎癥發揮保護作用。Ghrelin可通過提高miR-21水平,進而上調PI3K/AKT信號通路,抑制炎癥反應和腎小管上皮細胞凋亡,對I/R誘導的AKI具有保護作用[41]。

在靜脈或側腦室內注射Ghrelin后,腎臟的交感神經活動下降。Ghrelin可以通過血腦屏障,因此Ghrelin對腎臟IRI的抗炎作用可能是由于其交感神經抑制特征。這表明Ghrelin對腎臟IRI的保護作用可歸因于腎臟IRI中交感神經和迷走神經相互作用。

上述研究提示,Ghrelin可通過多種途徑對腎臟IRI起防護作用。但到目前為止,關于Ghrelin治療腎臟IRI的更多實驗及臨床證據仍有待進一步探索。

3.7Ghrelin對胰腺I/R的保護作用 急性胰腺炎(AP)是臨床上最常見危重病之一。缺血性損傷在AP的發病機制中起著重要的作用。失血性休克、體外循環、腺體移植等各種臨床事件均可引起AP。在嚴重的情況下,AP可進展為壞死性胰腺炎。炎細胞的激活和促炎性細胞因子的釋放會導致局部胰腺損傷、SIRS和多器官功能衰竭(MOF)的發展。GHSR在胰島和腺泡細胞中也有表達,這為Ghrelin對胰腺的保護作用提供了解剖基礎。

Ghrelin的抗炎和抗氧化特性對I/R誘導的胰腺炎具有顯著的治療作用。Ghrelin能減少IL-1的釋放,抑制白細胞浸潤腺組織,顯著增加SOD活性,改善胰腺組織損傷的形態學表現,從而保護胰腺免受損傷。顯微鏡組織學檢查顯示,Ghrelin消除了胰腺損傷的表現,包括腺泡細胞水腫、空泡化、出血、壞死等。大量研究表明,炎癥因子的產生與AP的嚴重程度相關[42]。其中IL-1在急性炎癥反應的發展中起著重要作用,其可刺激促炎級聯反應的其他成員,如IL-6、TNF-α在遠處的器官內產生的釋放。事實證明,Ghrelin治療后可抑制胰腺組織的白細胞浸潤,并減少IL-1的產生,從而限制胰腺炎的嚴重程度。

Ghrelin可降低AP大鼠血清中消化的酶活性是其對AP有保護作用的一個有力證據。眾所周知,血清脂肪酶和淀粉酶活性是AP嚴重程度指標,具有較高的敏感性和特異性。FABRE等[43]通過實驗證實,Ghrelin對I/R誘導的AP的治療作用與血清消化酶活性的衰減有關。

Ghrelin能促進AP誘導的胰腺DNA的合成,并且逆轉AP引起的器官血流減少[45],增強胰腺組織的再生能力,促進胰腺組織的愈合。在AP的修復再生過程中,GH、胰島素樣生長因子(IGF-1)mRNA的表達增加。IGF-1可顯著逆轉胰腺血流量的下降,并增加抗炎細胞因子IL-10的血漿濃度[46]。前文已闡述,Ghrelin是GHSR的天然配體,可刺激GH的釋放。故可推測,Ghrelin對胰腺的保護和治療作用,部分依賴于GH和IGF-1的釋放。總之,Ghrelin對I/R誘導的胰腺炎有顯著的治療作用,而其中的機制是多因素的。

4 結 語

I/R是一個復雜的過程,涉及許多病理生理機制。Ghrelin作為一種新發現的內源性調節肽,在I/R調節中占有重要地位,甚至可能參與了疾病的病理生理過程。但其詳細的影響機制和作用過程還不是很清楚。Ghrelin要用于臨床診治,仍需要進行大量的臨床試驗研究。毋庸置疑,Ghrelin在器官I/R疾病中的治療潛力是十分巨大的,這些潛在的治療方法仍然為Ghrelin治療人類疾病的療效留下了廣闊的空間來實現許多目前未滿足的醫療需求。