血紅素氧合酶－1與呼吸系統(tǒng)疾?。?/h1>
2012-08-15 00:43:45西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科西安710004張德信綜述李滿(mǎn)祥審校
陜西醫(yī)學(xué)雜志 2012年1期
西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科（西安710004） 張德信 綜述 李滿(mǎn)祥 審校
對(duì)于血紅素氧化酶（Hemeoxygenase，HO）的研究，最早可追溯到1968年。Tenhunen首次對(duì)其進(jìn)行了描述。20世紀(jì)80年代中末期，在動(dòng)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)性，高熱、高氧、內(nèi)毒素和炎性因子等多種刺激均可誘導(dǎo)其表達(dá)增加，參與抗炎、抑制細(xì)胞增殖及凋亡、擴(kuò)張血管等各種保護(hù)性的生理過(guò)程。鑒于其上述多種生理功能，從分子生物學(xué)到基因表達(dá)調(diào)控，再到臨床研究，特別是在呼吸系統(tǒng)的研究越來(lái)越廣泛深入。
1 HO－1基因調(diào)控 人類(lèi)HO－1基因長(zhǎng)度大約有14kb，定位于染色體22q12，含有4個(gè)內(nèi)含子，5個(gè)外顯子。人、大鼠、小鼠和雞HO－1基因的5＇端有相應(yīng)的調(diào)節(jié)元件，包括應(yīng)激反應(yīng)元件、缺氧誘導(dǎo)反應(yīng)元件、熱休克反應(yīng)元件和金屬調(diào)節(jié)元件等。這些調(diào)節(jié)元件位于啟動(dòng)子上游的近端增強(qiáng)子附近，以及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游4kb和10kb處的多個(gè)遠(yuǎn)端增強(qiáng)子的附近。轉(zhuǎn)錄因子與這些特殊元件結(jié)合可使HO－1基因表達(dá)。轉(zhuǎn)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(yīng)答元件結(jié)合蛋白（CREB）和Ets家族等。目前研究最多的轉(zhuǎn)錄因子是Nrf2。他可以上調(diào)HO－1的基因表達(dá)，是抗氧化應(yīng)激的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。Bach1與Nrf2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合 Maf蛋白識(shí)別元件（MAREs），下調(diào) HO－1的基因表達(dá)［1］。
2 作用機(jī)制 HO－1在體內(nèi)的生物活性是通過(guò)其催化底物的代謝產(chǎn)物發(fā)揮作用的。其催化血紅素降解的主要產(chǎn)物是CO、膽紅素和鐵，它們均是重要的生 物效應(yīng)分子［2］。HO－1在體內(nèi)是通過(guò)這些效應(yīng)分子發(fā)揮抗氧化、抗炎、抗凋亡等生理作用。
正常生理?xiàng)l件下，體內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生和清除保持平衡。這種平衡一旦因?yàn)槟撤N致病因素而導(dǎo)致失衡，就可能導(dǎo)致自由基地蓄積，蓄積的自由基就可以通過(guò)氧化應(yīng)激損傷機(jī)體。HO－1抗氧化功能主要是通過(guò)其底物的代謝產(chǎn)物膽紅素實(shí)現(xiàn)的。膽紅素的抗氧化性及抗炎作用是近幾年才被發(fā)現(xiàn)的，其抗氧化能力甚至超過(guò)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(duì)稱(chēng)性促使膽紅素C10上的氫轉(zhuǎn)化為活性氫原子，可與超氧陰離子等自由基結(jié)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(lái)源于巨噬細(xì)胞的次氯酸，減少體內(nèi)自由基的蓄積。最后，膽紅素的抗氧化性和a－維生素E有協(xié)同作用。正是通過(guò)以上途徑發(fā)揮其抗氧化能力。如HO－1源性的膽紅素可保護(hù)培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞及心肌細(xì)胞免受過(guò)氧化氫或過(guò)氧化硝基鹽引起的細(xì)胞凋亡；HO－2源性的膽紅素可保護(hù)培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞，對(duì)抗過(guò)氧化氫的細(xì)胞毒性。在敗血癥小鼠動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)研究中證實(shí)，快速輸入膽紅素后，可明顯降低內(nèi)毒素對(duì)動(dòng)物模型的損傷，降低模型動(dòng)物的死亡率。流行病學(xué)證實(shí)，適當(dāng)增加體內(nèi)膽紅素的濃度可降低心血管疾病及結(jié)腸直腸癌的發(fā)病率［4］。
內(nèi)源性CO主要來(lái)源于HO－1降解血紅素途徑。因CO影響氧的結(jié)合與釋放，曾被認(rèn)為是有毒氣體。但近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，CO是繼NO之后的另一種重要的氣體信使分子，發(fā)揮重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，具有調(diào)節(jié)血管張力、抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖、抑制血小板聚集等效應(yīng)。CO和NO一樣，可以通過(guò)擴(kuò)散，以自分泌／旁分泌方式與自身或鄰近細(xì)胞胞漿內(nèi)可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（sGC）結(jié)合，催化產(chǎn)生第二信使環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）發(fā)揮生理功能。多個(gè)研究表明，在HO－1抑制劑阻斷內(nèi)源性HO－1／CO系統(tǒng)后，外源性CO能取得與誘導(dǎo)內(nèi)源性HO－1同樣的抗凋亡、抗炎等效果，提示CO是HO－1／CO系統(tǒng)功能作用的主要介導(dǎo)者。通過(guò)抑制上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞以及氣道平滑肌細(xì)胞炎癥因子，如 TNFα、IL1－β、IFN－γ的產(chǎn)生，發(fā)揮其抗凋亡、抗炎作用。在已知的CO信號(hào)通路中，最普遍的是調(diào)節(jié)sGC的活性，增加cGMP含量，進(jìn)而抑制血管平滑肌增殖。CO激活的MAPK信號(hào)通路是抗炎、抑制細(xì)胞凋亡及細(xì)胞增殖的重要途徑，如p38、JNK1／2、ERK1／2等。不同的細(xì)胞類(lèi)型，其具有不同的信號(hào)通路。最近的研究相繼發(fā)現(xiàn)了CO調(diào)節(jié)途徑的下游效應(yīng)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(guò)CO抑制NADPH氧化酶，進(jìn)而下調(diào)氧自由基的產(chǎn)生，發(fā)揮抗氧化及增殖的作用［6］。
3 HO－1在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用 HO－1在肺組織不同細(xì)胞中均有表達(dá)，如Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞、肺泡巨噬細(xì)胞等，缺氧、高濃度氧、內(nèi)毒素等均可誘導(dǎo)其表達(dá)。作為一種保護(hù)性反應(yīng)，在ARDS、COPD、肺動(dòng)脈高壓、哮喘等疾病時(shí)HO－1表達(dá)均增加，對(duì)于抑制疾病的發(fā)展具有重要作用。
3.1 肺動(dòng)脈高壓 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，HO－1在肺動(dòng)脈高壓的形成和發(fā)展中具有重要的作用。在HO－1轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓可被高表達(dá)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(yán)重的肺動(dòng)脈高壓及肺源性心臟?。?］。在HO－1轉(zhuǎn)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(dòng)脈高壓的形成［9］。進(jìn)一步的研究證實(shí)，在嚴(yán)重的肺動(dòng)脈高壓患者中，HO－1表達(dá)水平也明顯降低［10］。目前的研究提示HO－1的作用機(jī)制在于其代謝產(chǎn)物CO。其作用機(jī)制：①直接調(diào)節(jié)MAPK的活性；②激活細(xì)胞漿內(nèi)sGC，產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)cGMP，cGMP可直接或間接通過(guò)抑制MAPK而舒張血管，抗炎，抗細(xì)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(lái)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)辛伐他汀在治療肺動(dòng)脈高壓方面有一定的作用。細(xì)胞學(xué)研究證實(shí)，應(yīng)用辛伐他汀處理培養(yǎng)的上皮細(xì)胞可明顯提高HO－1mRNA表達(dá)水平。說(shuō)明其作用機(jī)制可能是通過(guò)提高HO－1的表達(dá)，達(dá)到治療的作用。阿司匹林，同樣可以提高上皮細(xì)胞HO－1蛋白表達(dá)及活性，增強(qiáng)對(duì)抗自由基的能力。臨床研究證實(shí)，常規(guī)辛伐他汀治療肺動(dòng)脈高壓，可以減輕肺動(dòng)脈壓力及右心室質(zhì)量，但這種療效多不超過(guò)1年［11］。目前，誘導(dǎo)HO－1表達(dá)治療PAH大多只限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于長(zhǎng)期HO－1的過(guò)渡表達(dá)對(duì)于機(jī)體的損害，相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。
3.2 阻塞性肺疾病 氣道的炎癥反應(yīng)在COPD的形成和發(fā)展過(guò)程中具有重要的作用。巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及炎癥介質(zhì)，如蛋白水解酶、活性氧以及細(xì)胞因子均參與到這一反應(yīng)中。目前研究認(rèn)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(chǎn)生的主要機(jī)制。在一項(xiàng)煙草提取物對(duì)于氣道平滑肌細(xì)胞作用的研究結(jié)果證實(shí)，煙草提取物能使平滑肌細(xì)胞產(chǎn)生更多的氧自由基，進(jìn)而通過(guò)MAPK途徑激活Nrf2，促進(jìn)HO－1的表達(dá)［12］。而HO－1的表達(dá)能夠抑制氣道的炎癥反應(yīng)以及黏液的分泌，進(jìn)而抑制肺氣腫的形成和發(fā)展。而此功能均是通過(guò)HO－1作用底物的產(chǎn)物CO、膽綠素的抗炎抗氧化作用實(shí)現(xiàn)的。越來(lái)越多的研究證實(shí)，HO－1在抑制COPD的發(fā)展中具有重要的作用。研究證實(shí)，多種氣道細(xì)胞，如泡巨噬細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞受到各種刺激后均增加HO－1的表達(dá)。刺激肺泡巨噬細(xì)胞后，能使其HO－1的表達(dá)明顯增加，進(jìn)而使CO產(chǎn)生增加，這也是氣道內(nèi)CO來(lái)源的主要途徑。體外用香煙煙霧冷凝液處理過(guò)的人巨噬細(xì)胞，其表達(dá)HO－1的能力在最初24h明顯增強(qiáng)，而72h后表達(dá)能力減弱，推測(cè)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(guò)競(jìng)爭(zhēng)性機(jī)制調(diào)控 HO－1的表達(dá)，影響COPD的發(fā)生和發(fā)展［14］。應(yīng)用香煙提取物刺激氣道成纖維細(xì)胞，HO－1的表達(dá)呈劑量依耐性，低濃度提取物（1%～2%）可以刺激氣道成纖維細(xì)胞表達(dá)HO－1明顯增加，繼而發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)的功能。而高濃度提取物（10%）可使氣道成纖維細(xì)胞HO－1地表達(dá)增加更加明顯，反而導(dǎo)致氧化應(yīng)激加劇，致使細(xì)胞損傷死亡［15］。另一項(xiàng)研究證實(shí)，腺病毒介導(dǎo)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(guò)調(diào)整炎性因子及趨化因子的分泌，抑制肺氣腫的形成和發(fā)展［16］。
3.3 支氣管哮喘 作為一種過(guò)敏性疾病，哮喘的病理特點(diǎn)為炎癥細(xì)胞和黏液在氣道內(nèi)的聚集，同時(shí)又有支氣管的收縮。炎癥是這一病理過(guò)程的中心環(huán)節(jié)，氧自由基是炎癥產(chǎn)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(dòng)物模型中得到證實(shí)。研究證實(shí)，在吸入HO－1作用底物的產(chǎn)物CO后，哮喘動(dòng)物模型肺泡灌洗液中嗜酸粒細(xì)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(diào)節(jié)性CD4＋CD25＋比例的提高也抑制了氣道免疫反應(yīng)的強(qiáng)度［17］。在哮喘的臨床研究中，呼出CO測(cè)定能夠判斷哮喘發(fā)作的嚴(yán)重程度。同正常非吸煙人群比較，哮喘患者，其肺泡巨噬細(xì)胞HO－1表達(dá)明顯增加，呼出CO明顯增加。另外，在哮喘患者當(dāng)中，呼出CO量同峰流速呈相反的關(guān)系：呼出CO增加時(shí)，其峰流速減少，呼出CO減少時(shí)，其峰流速增加。而且，哮喘急性發(fā)作時(shí)，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(jié)果證實(shí)，正常人和哮喘患者，呼出CO無(wú)明顯差異。而且在哮喘患者癥狀控制前后也無(wú)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(shí)表達(dá)增高，發(fā)揮重要的肺保護(hù)作用，HO－1即是其中重要一員。研究表明，HO－1／CO系統(tǒng)有利于細(xì)胞防御氧化損傷，減輕脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)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(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，用250PPM的CO預(yù)處理內(nèi)毒素制備的急性肺損傷動(dòng)物模型，血漿中致炎因子 TNF－α，IL－β，IL－6含量減少，動(dòng)物生存期延長(zhǎng)。最近的研究結(jié)果證實(shí)，HO－1對(duì)于急性肺損傷的保護(hù)作用是通過(guò)下調(diào)了Toll樣受體4（TLR4），進(jìn)而抑制了巨噬細(xì)胞移動(dòng)抑制因子（MIF）而起到保護(hù)作用的［20］。研究證實(shí)，通過(guò)氣道內(nèi)滴入腺病毒介導(dǎo)的HO－1，可明顯增加抗炎因子IL－10的產(chǎn)生，抑制炎癥反應(yīng)，減輕組織損傷。而HO－1作用產(chǎn)物膽綠素也可抑制內(nèi)毒素所致的系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)，其作用機(jī)制是下調(diào)致炎因子的產(chǎn)生，同時(shí)上調(diào)了抑炎因子（如IL－10）的產(chǎn)生。
利用機(jī)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(shí)會(huì)使體內(nèi)產(chǎn)生大量的氧自由基，加重細(xì)胞和器官損傷。增強(qiáng)HO－1蛋白的表達(dá)可以有效地抑制中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)、死亡，減輕吸入高濃度的氧所致的肺組織損傷，延長(zhǎng)模型動(dòng)物的生存期。吸入高濃度氧對(duì)于機(jī)體損害機(jī)制在于炎癥因子產(chǎn)生的增加，而CO可以通過(guò)上調(diào)p38βMAPK以及其上游的細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶（MKK3），抑制炎癥因子的產(chǎn)生。在動(dòng)物試驗(yàn)研究中，吸入CO（250PPM）的機(jī)械輔助通氣過(guò)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(yīng)用p38βMAPK抑制劑后，IL－10明顯減少［21］。以上的研究結(jié)果均證實(shí)了吸入CO可保護(hù)在機(jī)械通氣導(dǎo)致的肺損傷。另外，HO－1基因啟動(dòng)子GT堿基對(duì)重復(fù)序列影響著HO－1基因的表達(dá)，較長(zhǎng)GT堿基對(duì)重復(fù)序列易于基因的表達(dá)，而較短的GT堿基對(duì)重復(fù)序列則不易于基因的表達(dá)。這種表達(dá)的增強(qiáng)不但影響著肺動(dòng)脈高壓的發(fā)病率，同時(shí)也降低了急性肺損傷的發(fā)病率［22］。
3.5 特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化 特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化（IPF）臨床較為多見(jiàn)，沒(méi)有明確的病因及有效的治療方法。其病理特點(diǎn)是首先侵犯下呼吸道，造成肺泡氣體交換發(fā)生障礙。目前對(duì)于HO－1在IPF中的作用機(jī)制僅限于動(dòng)物研究。博萊霉素造成的肺損傷病理特點(diǎn)同IPF很相似。動(dòng)物研究證實(shí)，HO－1在體內(nèi)的表達(dá)增加可以保護(hù)博萊霉素造成動(dòng)物肺組織纖維化，這種保護(hù)作用是通過(guò)抑制上皮細(xì)胞凋亡，提高IFN－γ來(lái)實(shí)現(xiàn)的［23］。同樣，吸入CO同樣可以減弱博萊霉素所致的動(dòng)物肺纖維化形成［24］。這種保護(hù)作用可能是通過(guò)抑制成纖維細(xì)胞增殖、膠原蛋白沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外，HO－1作用底物的產(chǎn)物膽紅素，同樣具有抑制博萊霉素致動(dòng)物肺纖維化的作用。對(duì)于石棉所致的肺纖維化，HO－1也具有保護(hù)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(guān)。而另外的研究卻呈相反的結(jié)論：IPF肺泡巨噬細(xì)胞HO－1表達(dá)量較正常減少，且HO－1表達(dá)量同肺功能無(wú)任何相關(guān)性［25］，其機(jī)制尚不明確。所以對(duì)于 HO－1與IPF的關(guān)系尚需進(jìn)一步的研究證實(shí)。
4 研究與展望 大量的細(xì)胞學(xué)研究及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，HO－1在呼吸系統(tǒng)疾病中均有保護(hù)作用。這種保護(hù)作用是通過(guò)其作用底物的產(chǎn)物CO、膽紅素來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種作用可以通過(guò)提高HO－1的表達(dá)或增強(qiáng)其活性來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如利用誘導(dǎo)劑、轉(zhuǎn)基因的途徑提高HO－1表達(dá)。最近的研究利用干細(xì)胞聯(lián)合HO－1基因治療肺動(dòng)脈高壓的動(dòng)物研究已經(jīng)得到證實(shí)［26］。但遺憾的是，目前應(yīng)用于誘導(dǎo)基因表達(dá)的物質(zhì)以及干細(xì)胞治療其安全性并不可靠，這也限制了在臨床的應(yīng)用。雖然對(duì)于CO在呼吸系統(tǒng)的治療雖然動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，但在臨床應(yīng)用過(guò)程中，多大的吸入濃度、吸入的頻率、時(shí)間以及療程都是有待于解決的問(wèn)題。
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西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科（西安710004） 張德信 綜述 李滿(mǎn)祥 審校
對(duì)于血紅素氧化酶（Hemeoxygenase，HO）的研究，最早可追溯到1968年。Tenhunen首次對(duì)其進(jìn)行了描述。20世紀(jì)80年代中末期，在動(dòng)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)性，高熱、高氧、內(nèi)毒素和炎性因子等多種刺激均可誘導(dǎo)其表達(dá)增加，參與抗炎、抑制細(xì)胞增殖及凋亡、擴(kuò)張血管等各種保護(hù)性的生理過(guò)程。鑒于其上述多種生理功能，從分子生物學(xué)到基因表達(dá)調(diào)控，再到臨床研究，特別是在呼吸系統(tǒng)的研究越來(lái)越廣泛深入。
1 HO－1基因調(diào)控 人類(lèi)HO－1基因長(zhǎng)度大約有14kb，定位于染色體22q12，含有4個(gè)內(nèi)含子，5個(gè)外顯子。人、大鼠、小鼠和雞HO－1基因的5＇端有相應(yīng)的調(diào)節(jié)元件，包括應(yīng)激反應(yīng)元件、缺氧誘導(dǎo)反應(yīng)元件、熱休克反應(yīng)元件和金屬調(diào)節(jié)元件等。這些調(diào)節(jié)元件位于啟動(dòng)子上游的近端增強(qiáng)子附近，以及轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游4kb和10kb處的多個(gè)遠(yuǎn)端增強(qiáng)子的附近。轉(zhuǎn)錄因子與這些特殊元件結(jié)合可使HO－1基因表達(dá)。轉(zhuǎn)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(yīng)答元件結(jié)合蛋白（CREB）和Ets家族等。目前研究最多的轉(zhuǎn)錄因子是Nrf2。他可以上調(diào)HO－1的基因表達(dá)，是抗氧化應(yīng)激的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。Bach1與Nrf2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合 Maf蛋白識(shí)別元件（MAREs），下調(diào) HO－1的基因表達(dá)［1］。
2 作用機(jī)制 HO－1在體內(nèi)的生物活性是通過(guò)其催化底物的代謝產(chǎn)物發(fā)揮作用的。其催化血紅素降解的主要產(chǎn)物是CO、膽紅素和鐵，它們均是重要的生 物效應(yīng)分子［2］。HO－1在體內(nèi)是通過(guò)這些效應(yīng)分子發(fā)揮抗氧化、抗炎、抗凋亡等生理作用。
正常生理?xiàng)l件下，體內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生和清除保持平衡。這種平衡一旦因?yàn)槟撤N致病因素而導(dǎo)致失衡，就可能導(dǎo)致自由基地蓄積，蓄積的自由基就可以通過(guò)氧化應(yīng)激損傷機(jī)體。HO－1抗氧化功能主要是通過(guò)其底物的代謝產(chǎn)物膽紅素實(shí)現(xiàn)的。膽紅素的抗氧化性及抗炎作用是近幾年才被發(fā)現(xiàn)的，其抗氧化能力甚至超過(guò)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(duì)稱(chēng)性促使膽紅素C10上的氫轉(zhuǎn)化為活性氫原子，可與超氧陰離子等自由基結(jié)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(lái)源于巨噬細(xì)胞的次氯酸，減少體內(nèi)自由基的蓄積。最后，膽紅素的抗氧化性和a－維生素E有協(xié)同作用。正是通過(guò)以上途徑發(fā)揮其抗氧化能力。如HO－1源性的膽紅素可保護(hù)培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞及心肌細(xì)胞免受過(guò)氧化氫或過(guò)氧化硝基鹽引起的細(xì)胞凋亡；HO－2源性的膽紅素可保護(hù)培養(yǎng)的神經(jīng)細(xì)胞，對(duì)抗過(guò)氧化氫的細(xì)胞毒性。在敗血癥小鼠動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)研究中證實(shí)，快速輸入膽紅素后，可明顯降低內(nèi)毒素對(duì)動(dòng)物模型的損傷，降低模型動(dòng)物的死亡率。流行病學(xué)證實(shí)，適當(dāng)增加體內(nèi)膽紅素的濃度可降低心血管疾病及結(jié)腸直腸癌的發(fā)病率［4］。
內(nèi)源性CO主要來(lái)源于HO－1降解血紅素途徑。因CO影響氧的結(jié)合與釋放，曾被認(rèn)為是有毒氣體。但近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，CO是繼NO之后的另一種重要的氣體信使分子，發(fā)揮重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能，具有調(diào)節(jié)血管張力、抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖、抑制血小板聚集等效應(yīng)。CO和NO一樣，可以通過(guò)擴(kuò)散，以自分泌／旁分泌方式與自身或鄰近細(xì)胞胞漿內(nèi)可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（sGC）結(jié)合，催化產(chǎn)生第二信使環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）發(fā)揮生理功能。多個(gè)研究表明，在HO－1抑制劑阻斷內(nèi)源性HO－1／CO系統(tǒng)后，外源性CO能取得與誘導(dǎo)內(nèi)源性HO－1同樣的抗凋亡、抗炎等效果，提示CO是HO－1／CO系統(tǒng)功能作用的主要介導(dǎo)者。通過(guò)抑制上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞以及氣道平滑肌細(xì)胞炎癥因子，如 TNFα、IL1－β、IFN－γ的產(chǎn)生，發(fā)揮其抗凋亡、抗炎作用。在已知的CO信號(hào)通路中，最普遍的是調(diào)節(jié)sGC的活性，增加cGMP含量，進(jìn)而抑制血管平滑肌增殖。CO激活的MAPK信號(hào)通路是抗炎、抑制細(xì)胞凋亡及細(xì)胞增殖的重要途徑，如p38、JNK1／2、ERK1／2等。不同的細(xì)胞類(lèi)型，其具有不同的信號(hào)通路。最近的研究相繼發(fā)現(xiàn)了CO調(diào)節(jié)途徑的下游效應(yīng)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(guò)CO抑制NADPH氧化酶，進(jìn)而下調(diào)氧自由基的產(chǎn)生，發(fā)揮抗氧化及增殖的作用［6］。
3 HO－1在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用 HO－1在肺組織不同細(xì)胞中均有表達(dá)，如Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞、肺泡巨噬細(xì)胞等，缺氧、高濃度氧、內(nèi)毒素等均可誘導(dǎo)其表達(dá)。作為一種保護(hù)性反應(yīng)，在ARDS、COPD、肺動(dòng)脈高壓、哮喘等疾病時(shí)HO－1表達(dá)均增加，對(duì)于抑制疾病的發(fā)展具有重要作用。
3.1 肺動(dòng)脈高壓 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，HO－1在肺動(dòng)脈高壓的形成和發(fā)展中具有重要的作用。在HO－1轉(zhuǎn)基因小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)的肺動(dòng)脈高壓可被高表達(dá)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(yán)重的肺動(dòng)脈高壓及肺源性心臟?。?］。在HO－1轉(zhuǎn)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(dòng)脈高壓的形成［9］。進(jìn)一步的研究證實(shí)，在嚴(yán)重的肺動(dòng)脈高壓患者中，HO－1表達(dá)水平也明顯降低［10］。目前的研究提示HO－1的作用機(jī)制在于其代謝產(chǎn)物CO。其作用機(jī)制：①直接調(diào)節(jié)MAPK的活性；②激活細(xì)胞漿內(nèi)sGC，產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)cGMP，cGMP可直接或間接通過(guò)抑制MAPK而舒張血管，抗炎，抗細(xì)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(lái)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)辛伐他汀在治療肺動(dòng)脈高壓方面有一定的作用。細(xì)胞學(xué)研究證實(shí)，應(yīng)用辛伐他汀處理培養(yǎng)的上皮細(xì)胞可明顯提高HO－1mRNA表達(dá)水平。說(shuō)明其作用機(jī)制可能是通過(guò)提高HO－1的表達(dá)，達(dá)到治療的作用。阿司匹林，同樣可以提高上皮細(xì)胞HO－1蛋白表達(dá)及活性，增強(qiáng)對(duì)抗自由基的能力。臨床研究證實(shí)，常規(guī)辛伐他汀治療肺動(dòng)脈高壓，可以減輕肺動(dòng)脈壓力及右心室質(zhì)量，但這種療效多不超過(guò)1年［11］。目前，誘導(dǎo)HO－1表達(dá)治療PAH大多只限于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于長(zhǎng)期HO－1的過(guò)渡表達(dá)對(duì)于機(jī)體的損害，相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。
3.2 阻塞性肺疾病 氣道的炎癥反應(yīng)在COPD的形成和發(fā)展過(guò)程中具有重要的作用。巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞及炎癥介質(zhì)，如蛋白水解酶、活性氧以及細(xì)胞因子均參與到這一反應(yīng)中。目前研究認(rèn)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(chǎn)生的主要機(jī)制。在一項(xiàng)煙草提取物對(duì)于氣道平滑肌細(xì)胞作用的研究結(jié)果證實(shí)，煙草提取物能使平滑肌細(xì)胞產(chǎn)生更多的氧自由基，進(jìn)而通過(guò)MAPK途徑激活Nrf2，促進(jìn)HO－1的表達(dá)［12］。而HO－1的表達(dá)能夠抑制氣道的炎癥反應(yīng)以及黏液的分泌，進(jìn)而抑制肺氣腫的形成和發(fā)展。而此功能均是通過(guò)HO－1作用底物的產(chǎn)物CO、膽綠素的抗炎抗氧化作用實(shí)現(xiàn)的。越來(lái)越多的研究證實(shí)，HO－1在抑制COPD的發(fā)展中具有重要的作用。研究證實(shí)，多種氣道細(xì)胞，如泡巨噬細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞受到各種刺激后均增加HO－1的表達(dá)。刺激肺泡巨噬細(xì)胞后，能使其HO－1的表達(dá)明顯增加，進(jìn)而使CO產(chǎn)生增加，這也是氣道內(nèi)CO來(lái)源的主要途徑。體外用香煙煙霧冷凝液處理過(guò)的人巨噬細(xì)胞，其表達(dá)HO－1的能力在最初24h明顯增強(qiáng)，而72h后表達(dá)能力減弱，推測(cè)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(guò)競(jìng)爭(zhēng)性機(jī)制調(diào)控 HO－1的表達(dá)，影響COPD的發(fā)生和發(fā)展［14］。應(yīng)用香煙提取物刺激氣道成纖維細(xì)胞，HO－1的表達(dá)呈劑量依耐性，低濃度提取物（1%～2%）可以刺激氣道成纖維細(xì)胞表達(dá)HO－1明顯增加，繼而發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)的功能。而高濃度提取物（10%）可使氣道成纖維細(xì)胞HO－1地表達(dá)增加更加明顯，反而導(dǎo)致氧化應(yīng)激加劇，致使細(xì)胞損傷死亡［15］。另一項(xiàng)研究證實(shí)，腺病毒介導(dǎo)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(guò)調(diào)整炎性因子及趨化因子的分泌，抑制肺氣腫的形成和發(fā)展［16］。
3.3 支氣管哮喘 作為一種過(guò)敏性疾病，哮喘的病理特點(diǎn)為炎癥細(xì)胞和黏液在氣道內(nèi)的聚集，同時(shí)又有支氣管的收縮。炎癥是這一病理過(guò)程的中心環(huán)節(jié)，氧自由基是炎癥產(chǎn)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(dòng)物模型中得到證實(shí)。研究證實(shí)，在吸入HO－1作用底物的產(chǎn)物CO后，哮喘動(dòng)物模型肺泡灌洗液中嗜酸粒細(xì)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(diào)節(jié)性CD4＋CD25＋比例的提高也抑制了氣道免疫反應(yīng)的強(qiáng)度［17］。在哮喘的臨床研究中，呼出CO測(cè)定能夠判斷哮喘發(fā)作的嚴(yán)重程度。同正常非吸煙人群比較，哮喘患者，其肺泡巨噬細(xì)胞HO－1表達(dá)明顯增加，呼出CO明顯增加。另外，在哮喘患者當(dāng)中，呼出CO量同峰流速呈相反的關(guān)系：呼出CO增加時(shí)，其峰流速減少，呼出CO減少時(shí)，其峰流速增加。而且，哮喘急性發(fā)作時(shí)，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(jié)果證實(shí)，正常人和哮喘患者，呼出CO無(wú)明顯差異。而且在哮喘患者癥狀控制前后也無(wú)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(shí)表達(dá)增高，發(fā)揮重要的肺保護(hù)作用，HO－1即是其中重要一員。研究表明，HO－1／CO系統(tǒng)有利于細(xì)胞防御氧化損傷，減輕脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)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(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，用250PPM的CO預(yù)處理內(nèi)毒素制備的急性肺損傷動(dòng)物模型，血漿中致炎因子 TNF－α，IL－β，IL－6含量減少，動(dòng)物生存期延長(zhǎng)。最近的研究結(jié)果證實(shí)，HO－1對(duì)于急性肺損傷的保護(hù)作用是通過(guò)下調(diào)了Toll樣受體4（TLR4），進(jìn)而抑制了巨噬細(xì)胞移動(dòng)抑制因子（MIF）而起到保護(hù)作用的［20］。研究證實(shí)，通過(guò)氣道內(nèi)滴入腺病毒介導(dǎo)的HO－1，可明顯增加抗炎因子IL－10的產(chǎn)生，抑制炎癥反應(yīng)，減輕組織損傷。而HO－1作用產(chǎn)物膽綠素也可抑制內(nèi)毒素所致的系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)，其作用機(jī)制是下調(diào)致炎因子的產(chǎn)生，同時(shí)上調(diào)了抑炎因子（如IL－10）的產(chǎn)生。
利用機(jī)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(shí)會(huì)使體內(nèi)產(chǎn)生大量的氧自由基，加重細(xì)胞和器官損傷。增強(qiáng)HO－1蛋白的表達(dá)可以有效地抑制中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)、死亡，減輕吸入高濃度的氧所致的肺組織損傷，延長(zhǎng)模型動(dòng)物的生存期。吸入高濃度氧對(duì)于機(jī)體損害機(jī)制在于炎癥因子產(chǎn)生的增加，而CO可以通過(guò)上調(diào)p38βMAPK以及其上游的細(xì)胞絲裂原活化蛋白激酶（MKK3），抑制炎癥因子的產(chǎn)生。在動(dòng)物試驗(yàn)研究中，吸入CO（250PPM）的機(jī)械輔助通氣過(guò)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(yīng)用p38βMAPK抑制劑后，IL－10明顯減少［21］。以上的研究結(jié)果均證實(shí)了吸入CO可保護(hù)在機(jī)械通氣導(dǎo)致的肺損傷。另外，HO－1基因啟動(dòng)子GT堿基對(duì)重復(fù)序列影響著HO－1基因的表達(dá)，較長(zhǎng)GT堿基對(duì)重復(fù)序列易于基因的表達(dá)，而較短的GT堿基對(duì)重復(fù)序列則不易于基因的表達(dá)。這種表達(dá)的增強(qiáng)不但影響著肺動(dòng)脈高壓的發(fā)病率，同時(shí)也降低了急性肺損傷的發(fā)病率［22］。
3.5 特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化 特發(fā)性肺間質(zhì)纖維化（IPF）臨床較為多見(jiàn)，沒(méi)有明確的病因及有效的治療方法。其病理特點(diǎn)是首先侵犯下呼吸道，造成肺泡氣體交換發(fā)生障礙。目前對(duì)于HO－1在IPF中的作用機(jī)制僅限于動(dòng)物研究。博萊霉素造成的肺損傷病理特點(diǎn)同IPF很相似。動(dòng)物研究證實(shí)，HO－1在體內(nèi)的表達(dá)增加可以保護(hù)博萊霉素造成動(dòng)物肺組織纖維化，這種保護(hù)作用是通過(guò)抑制上皮細(xì)胞凋亡，提高IFN－γ來(lái)實(shí)現(xiàn)的［23］。同樣，吸入CO同樣可以減弱博萊霉素所致的動(dòng)物肺纖維化形成［24］。這種保護(hù)作用可能是通過(guò)抑制成纖維細(xì)胞增殖、膠原蛋白沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另外，HO－1作用底物的產(chǎn)物膽紅素，同樣具有抑制博萊霉素致動(dòng)物肺纖維化的作用。對(duì)于石棉所致的肺纖維化，HO－1也具有保護(hù)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(guān)。而另外的研究卻呈相反的結(jié)論：IPF肺泡巨噬細(xì)胞HO－1表達(dá)量較正常減少，且HO－1表達(dá)量同肺功能無(wú)任何相關(guān)性［25］，其機(jī)制尚不明確。所以對(duì)于 HO－1與IPF的關(guān)系尚需進(jìn)一步的研究證實(shí)。
4 研究與展望 大量的細(xì)胞學(xué)研究及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，HO－1在呼吸系統(tǒng)疾病中均有保護(hù)作用。這種保護(hù)作用是通過(guò)其作用底物的產(chǎn)物CO、膽紅素來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種作用可以通過(guò)提高HO－1的表達(dá)或增強(qiáng)其活性來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如利用誘導(dǎo)劑、轉(zhuǎn)基因的途徑提高HO－1表達(dá)。最近的研究利用干細(xì)胞聯(lián)合HO－1基因治療肺動(dòng)脈高壓的動(dòng)物研究已經(jīng)得到證實(shí)［26］。但遺憾的是，目前應(yīng)用于誘導(dǎo)基因表達(dá)的物質(zhì)以及干細(xì)胞治療其安全性并不可靠，這也限制了在臨床的應(yīng)用。雖然對(duì)于CO在呼吸系統(tǒng)的治療雖然動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，但在臨床應(yīng)用過(guò)程中，多大的吸入濃度、吸入的頻率、時(shí)間以及療程都是有待于解決的問(wèn)題。
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