血紅素氧合酶1在氣道變態(tài)反應性疾病中的研究進展

宋冬梅(綜述)，于 磊，王寶山(審校)

(河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院耳鼻咽喉及變態(tài)反應科，河北 石家莊 050031)

·綜述·

血紅素氧合酶1在氣道變態(tài)反應性疾病中的研究進展

宋冬梅(綜述)，于 磊，王寶山*(審校)

(河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院耳鼻咽喉及變態(tài)反應科，河北 石家莊 050031)

超敏反應；血紅素加氧酶-1；綜述文獻

10.3969/j.issn.1007-3205.2014.03.044

全世界氣道變態(tài)反應性疾病發(fā)病率高達10%～25%，是一個影響全球的健康問題，其在臨床上主要包括變應性鼻炎和哮喘。變應性鼻炎與哮喘的發(fā)生發(fā)展關系密切，變應性鼻炎常為哮喘的先兆，是哮喘的危險因素[1]。盡管目前臨床治療有了長足的進展，但遠期效果并不理想，因此努力尋找治療氣道變態(tài)反應性疾病的新靶位迫在眉睫。近年來的研究[2-4]表明，血紅素氧合酶1(heme oxygenase-1,HO-1)及其代謝產物在變應性鼻炎和哮喘中表達上調，具有顯著的抗炎、抗氧化及免疫調節(jié)等作用，因此引起了這一領域學者的廣泛關注。

1 HO-1的生物學特性

HO-1是機體內催化血紅素代謝的起始酶和限速酶，其將血紅素降解產生等摩爾的一氧化碳(carbon monoxide,CO)、亞鐵離子(Fe2+)及膽綠素[4]，膽綠素隨后被膽綠素還原酶轉化為膽紅素，哺乳動物的HO有3種單體形式，即HO-1、HO-2、HO-3，其中HO-2與HO-3同屬于結構型酶，HO-1屬于誘導型酶，HO-1及其產物都是重要的生物效應分子，當細胞和組織處于應激狀態(tài)，如熱休克、重金屬、血紅素、細胞因子、炎癥、氧化應激、內毒素等[5]，均可以引起HO-1及其代謝產物表達量及活性的變化，進而在多種疾病中發(fā)揮抗炎、抗凋亡、抗氧化等細胞保護作用[6]。

近年來在免疫以及炎癥性疾病中的研究表明，HO-1具有顯著的抗炎、抗氧化及免疫調節(jié)作用。HO-1通過抑制腫瘤壞死因子、白細胞介素1β及巨噬細胞炎性蛋白1β或通過上調白細胞介素10的水平發(fā)揮強大的抗炎作用[2]；CO作為氣體信號轉到分子，可以抑制炎癥前細胞產物，在細胞功能和通訊的調節(jié)中發(fā)揮著信號轉導作用[4]；Fe2+上調的鐵蛋白可保護細胞免受氧化應激損傷；膽綠素和膽紅素可以通過清除過氧化氫、類脂等，降低機體的炎性反應，最終削弱對細胞的損傷[6]；HO-1及其產物除直接參與氧化應激反應外，還可以通過影響樹突狀細胞(dendritic cells，DCs)、肥大細胞(mast cells，MCs)和調節(jié)T細胞(regulatory T cells，Tregs)等，對機體起到間接的免疫調節(jié)作用。

2 HO-1的調控

HO-1的誘導表達是細胞對氧化及炎癥損傷作出反應過程中的重要事件之一，它能夠被多種刺激因素所誘導，其表達主要發(fā)生在轉錄水平。其啟動子序列包括多種順式作用元件如應力效應元件、熱激元件、低氧效應元件、金屬效應元件、負調控元件，CAAT區(qū)/增強子結合蛋白(CAAT/enhancer binding proteins,C/EBP)結合位點等。HO-1基因的調控是一個極其復雜的過程，涉及多種細胞內信號轉導通路。絲裂素活化蛋白激酶被認為是最先能夠調節(jié)HO-1活性的胞外刺激[7]，PI3K/Akt 信號途徑也與HO-1的調節(jié)有著密切關系，Akt 能夠在絲氨酸-188位點直接磷酸化HO-1并調節(jié)其活性，進而誘導HO-1高表達。另外，其他信號分子如蛋白激酶C和酪氨酸激酶也能夠調節(jié)HO-1的表達。刺激因子不同，啟動的信號轉導通路也不同，但它們共同的通路都是誘導HO-1基因的表達。對于HO-1的調控因素及其信號通路現(xiàn)在仍有許多機制問題沒有完全解決，需要得到進一步證實。

3 HO-1與變應性鼻炎

變應性鼻炎是一種氣道變態(tài)反應性疾病，它具有氣道內的嗜酸性粒細胞和杯狀細胞超常增生、黏液分泌過多、對吸入性過敏原和非特異性刺激高反應性的特征，氣道中的炎性應答可以引起炎性細胞的產生、激活以及結構的改變[8-9]。研究[10]表明，在變應性鼻炎的鼻黏膜中HO-1強陽性表達，并與炎癥的嚴重程度明顯相關。在變應性鼻炎患者鼻黏膜中HO-1 mRNA水平顯著增高，說明HO-1作為一種保護基因，可能參與了變應性鼻炎的炎性過程。其代謝產物CO可以抑制炎癥前細胞產物，包括刺激調節(jié)細胞分裂素調節(jié)信號系統(tǒng)，具有潛在的抗炎作用；HO通過轉換血紅素發(fā)揮抗氧化作用，后者在細胞內的積聚可提升細胞內的高氧狀態(tài)；膽紅素也具有潛在的抗氧化特性；從血紅素釋放的活化鐵通過活化鐵調節(jié)蛋白能夠啟動細胞內氧化作用，這些機制都可能參與了局部復雜的變態(tài)反應性炎癥過程，其作用機制仍在進一步研究之中[11]。

4 HO-1與變應性哮喘

變應性哮喘是由多種細胞包括氣道的炎癥細胞和結構細胞(如嗜酸性粒細胞、MCs、T淋巴細胞、中性粒細胞、氣道上皮細胞等)和細胞組分參與的慢性氣道炎癥性疾病[12]。參與哮喘的這些細胞和細胞組分可釋放大量的氧自由基和親電子體等氧化劑，破壞抗氧化酶，導致氧化/抗氧化失衡，出現(xiàn)氧化應激。由于HO-1在哮喘中發(fā)揮的作用機制十分復雜，所以至今仍未完全闡明。既往對呼吸道疾病的研究，主要集中在哮喘和慢性阻塞性肺疾病，而HO-1對變應性鼻炎鮮有研究。研究[8]表明，HO-1能直接通過對抗氧化系統(tǒng)的直接調節(jié)以增強機體的抗氧化能力，對抗氧化劑所介導的細胞損傷，在支氣管哮喘、肺纖維化、心臟及肺的缺血再灌注損傷等中具有顯著抑制疾病發(fā)生和發(fā)展的作用。最近的研究[13]發(fā)現(xiàn)，在體內試驗哮喘模型中，誘導HO-1的表達可以改善氣管炎癥、黏液分泌過多和氣道高反應性；在鼠類的哮喘模型中外源性的膽紅素或低劑量CO通過抑制白細胞的遷移和內源性活性氧和白細胞介素5的生成而改善氣道炎癥。這些研究均表明HO-1可能在變應性哮喘的發(fā)病機制中發(fā)揮著保護作用。

5 HO-1參與氣道變應性炎癥的作用與機制

HO-1及其催化產物在機體內都是重要的生物效應分子，其在氣道變態(tài)反應性疾病中發(fā)揮著抗炎、抗氧化及免疫調節(jié)等細胞保護作用，下面主要從HO-1及其催化產物的生物學功能及機制方面進行闡述。

5.1 抗炎作用：氣道變態(tài)反應炎癥疾病可以提高氣道內活性氧、一氧化氮的產生和炎性因子的水平，而這些因素都可以誘導HO-1的表達[14]。在細胞及動物水平的大量研究均已證實，HO-1及其產物具有抗炎作用。HO-1可以抑制細胞間黏附分子的表達、調節(jié)致炎和抗炎細胞因子及趨化因子的水平，以及抑制中性粒細胞的聚集。在幾內亞豬的哮喘模型中，誘導HO-1的表達可以改善氣管炎癥、黏液分泌過多、氧化應激和氣道高反應性，其代謝產物CO參與細胞的功能調節(jié)和信號轉導作用，在基因水平調控炎性反應[15]。CO可減輕氧自由基引起的大鼠氣道內中性粒細胞浸潤，低濃度CO能抑制促炎因子腫瘤壞死因子α、血小板源性生長因子及內皮素1 的產生，從而發(fā)揮抗炎作用。膽綠素主要通過抑制經典途徑C1 的激活，從而保護組織免遭補體活化介導的炎性損傷，它可以減輕肺部炎癥，改善長期生存率，在細胞水平可觀察到膽綠素對肺內皮細胞系和巨噬細胞系的直接保護作用。

5.2 抗氧化作用：氧化/抗氧化失衡是氣道變態(tài)反應性疾病的重要發(fā)病機制之一，在正常生理條件下，機體中的活性氧和活性氮的生成與清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)。在遭受各種有害刺激時，使氧化增強劑/自由基產物和抗氧化防御系統(tǒng)間失衡[16]。HO-1可以通過對抗氧化系統(tǒng)的直接調節(jié)以增強機體的抗氧化能力，HO-1抗氧化損傷除了本身的作用機制外，還與其代謝產物有關，CO有助于維持正常生理狀態(tài)及急性肺損傷缺氧狀態(tài)下肺組織氧合及灌注。低劑量CO可以提高動物對高氧性損害的耐受性，能明顯減輕高氧引起的胸腔積液、肺水腫和中性粒細胞的聚集；膽紅素屬于內源性抗氧化劑，特別是在消除自由基和抑制脂質過氧化的過程中有很強的抗氧化作用，其抗氧化能力明顯強于維生素E和維生素C等物質。在細胞培養(yǎng)液中加入膽紅素后發(fā)現(xiàn)，明顯增強了細胞抗氧化損傷的能力；血紅素被降解后釋放的游離鐵生成鐵蛋白亦具有抗氧化損傷和細胞保護功能?；钚匝跞绯蹶庪x子和過氧化氫的毒性作用依賴于鐵，其與細胞內游離鐵結合，通過Fenton反應產生毒性作用，而鐵蛋白的合成能夠阻斷上述反應的發(fā)生。

5.3 免疫調節(jié)作用：HO-1及其產物除了具有上述抗炎、抗氧化作用外，還可以影響DCs、MCs和Tregs等，對機體起到間接的免疫調節(jié)作用。因此闡明HO-1與DCs、MCs和Tregs在氣道炎癥中的作用及其相互關系，對了解氣道變態(tài)反應性炎癥的發(fā)生機制具有重要的意義。

5.3.1 HO-1及其產物與DCs：DCs是目前所知的機體內功能最強大的抗原遞呈細胞，是連接固有免疫和獲得性免疫的“橋梁”，它能夠誘導初始型T細胞對吸入性抗原的初級免疫應答，還可分泌趨化因子導致持續(xù)氣道炎癥，在氣道炎癥疾病的發(fā)生發(fā)展以及維持中發(fā)揮著重要作用。藥物誘導小鼠和人DCs HO-1蛋白表達后，能明顯抑制DCs的活性和免疫原性，其產物CO、膽綠素、膽紅素也具有類似的效應。此外有研究[17]還發(fā)現(xiàn)，HO-1的表達能夠抑制DCs的成熟和調節(jié)DCs分泌細胞因子，DCs中HO-1的誘導表達抑制白細胞介素12分泌，卻促進白細胞介素10表達，從而起到抗炎作用。在動物模型中，有研究[18]采用HO-1 cDNA轉基因方法以增加HO-1的表達，發(fā)現(xiàn)白細胞介素10水平增加，并耐受脂多糖誘導的肺損傷，起到間接免疫調節(jié)作用。但DCs如何參與氣道變態(tài)反應的免疫調節(jié)作用及其具體的作用機制目前仍需進一步得到證實。

5.3.2 HO-1及其產物與MCs：MCs被證明為識別過敏原并通過增高Th2型細胞因子的釋放而加重過敏癥狀的靶細胞，其廣泛分布于人體與外界環(huán)境相交的表面，如皮膚、呼吸道表面、消化道表面等，在氣道變態(tài)反應過程中發(fā)揮著重要的功能。MCs被激活后通過釋放具有高活性的生物因子、趨化因子、脂質介質、類蛋白酶等參與變態(tài)反應過程，引發(fā)平滑肌收縮、毛細血管擴張和通透性增強、腺體分泌增加，從而導致組織損傷壞死和炎癥蔓延。研究[19-20]表明，HO-1可以減輕過敏原誘發(fā)氣道炎癥和高反應性，在MCs生理病理過程中維持動態(tài)平衡方面發(fā)揮著十分重要的調節(jié)作用。HO-1的催化產物膽紅素和CO可以有效抑制MCs脫顆粒進而釋放組胺，高濃度膽紅素和CO在MCs中發(fā)揮著強有力的抗過敏作用。因此，MCs不僅是啟動急性過敏反應的效應細胞，而且還通過HO-1參與了氣道變態(tài)反應性疾病的發(fā)生發(fā)展過程；但是MCs在啟動過敏反應及氣道炎癥性疾病中的作用目前仍在深入研究之中。

5.3.3 HO-1及其產物與Tregs：Tregs是具有調節(jié)功能的成熟T細胞亞群,其調節(jié)功能在機體免疫穩(wěn)態(tài)維持、腫瘤免疫、移植耐受、變態(tài)反應等方面發(fā)揮著重要作用。CD4+CD25+Treg細胞是Tregs的主要成員，在變應性疾病和哮喘的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要的調節(jié)作用。Foxp3基因特異性表達于CD4+CD25+Treg細胞，它不僅是CD4+CD25+Treg細胞活化的標志，而且與其細胞發(fā)育和功能維持密切相關。HO-1可以誘導Foxp3基因活化的CD4+CD25+Treg細胞的表達，抑制氣道高反應性和白細胞募集，降低抗原致敏激發(fā)后的小鼠肺實質和氣道腔內嗜酸性細胞數(shù)量，還可以通過誘導CD4+T細胞產生白細胞介素10，HO-1可能通過提高Treg細胞比例并增強其功能來調節(jié)體內Th1/Th2平衡，進而抑制抗原誘導的氣道變態(tài)反應性炎癥的發(fā)生[21]。HO-1誘導了Foxp3基因活化的CD4+CD25+Treg細胞的表達過程，與氣道變態(tài)反應性疾病的發(fā)病機制密切相關，并從多個方面影響了機體的免疫狀態(tài)。

6 前景與展望

氣道變態(tài)反應性炎癥的發(fā)生發(fā)展過程與HO-1及其產物的生物學功能密切相關，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)HO-1在氣道變態(tài)反應性炎癥中高表達，其在機體內發(fā)揮著顯著的抗炎、抗氧化及免疫調節(jié)等細胞保護作用，HO-1的研究為該領域學者提供了一個全新的方向和突破口，因此對HO-1在氣道變態(tài)反應性炎癥中作用機制的進一步揭示，將會為這類疾病提供新的治療思路。

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2013-05-02；

2013-06-03

宋冬梅(1970-)，女，天津人，河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院副教授，醫(yī)學博士，碩士生導師，從事耳鼻喉及氣道變態(tài)反應性疾病診治研究。

*通訊作者。E-mail:wbsent@126.com

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1007-3205(2014)03-0367-04

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